ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2015, том 65, № 3, с. 363-371
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ^^^^^^^^^^ ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 612.812.6
5-, 0-МОДУЛЯЦИЯ БЫСТРОЙ у-АКТИВНОСТИ ВЕНТРАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ПОКРЫШКИ СРЕДНЕГО МОЗГА КРЫС ВО ВРЕМЯ УСЛОВНОГО РЕФЛЕКСА ИЗБЕГАНИЯ
© 2015 г. А. Н. Серков, В. И. Майоров
Кафедра высшей нервной деятельности МГУ имени М.В. Ломоносова e-mail: a@neurobiology.ru Поступила в редакцию 30.01.2014 г. Принята в печать 20.10.2014 г.
При выполнении условного рефлекса избегания у крыс происходило исчезновение характерного для межсигнального периода 5-ритма (1—4 Гц), синхронизированного между медиальной префронтальной корой и вентральной тегментальной областью среднего мозга (ВТО), и повышение с 6—8 до 8—11 Гц частоты синхронизированного 9-ритма в тех же структурах и гиппокам-пе. По критерию "Granger causality" 5-ритм префронтальной коры и 9-ритм гиппокампа содержат предсказания в отношении одноименных ритмов (распространяются в направлении) ВТО. При невыполнении реакции избегания (по ошибке, при включении условного сигнала в безопасном отсеке камеры, при выработке классического неизбегательного условного рефлекса) 5-ритм генерировался не в престимульный период, а в ответ на условный сигнал, 9-синхрони-зация между ВТО и префронтальной корой исчезала. Амплитуда и синхронизация быстрой (70—160 Гц) у-активности ВТО с у-активностью коры и гиппокампа и частота разрядов нейронов ВТО модулировались в зависимости от фазы 5- и 9-ритмов.
Ключевые слова: условный рефлекс избегания, префронтальная кора, гиппокамп, вентральная тег-ментальная область, дельта-ритм, тета-ритм, гамма-ритм, когерентность, кросс-частотная фазово-амплитудная модуляция, критерий Грэнджера.
5-, 0-Modulation of the Ventral Tegmental Area Fast-Gamma Activity in the Course of Performance of Conditioned Avoidance Reflex in Rat
A. N. Serkov, V. I. Maiorov
Department of higher nervous activity Lomonosov Moscow State University e-mail: a@neurobiology.ru
The prestimulus expectation period of conditioned avoidance reflex features synchronized 5-rhythm (1—4 Hz) in the medial prefrontal cortex and the ventral tegmental area (VTA), and synchronized 9-rhythm (6—8 Hz) in the above-mentioned structures and the hippocampus. According to "Granger causality" 5- and 9-rhythms flow (are predictors) in the direction from the prefrontal cortex and the hippocampus to the VTA. Performance of conditioned avoidance reflex was marked by 5-rhythm elimination simultaneously with generation of high-frequency (8—11 Hz) synchronized 9-rhythm. 5-rhythm was shifted from the pre- to poststimulus period and prefrontal cortex — VTA 9-synchrony was eliminated in the cases of mistaken reaction withdrawal, Pavlovian fear conditioning scheme, conditioned signal presentation in the safe chamber part. The phase of 5-, 9-rhythm modulates the amplitude ofVTA fast (70—160 Hz) y-activity envelope, VTA/cortex and VTA/hippocampus y-phase synchronization and phase lag indexes, and frequency of simultaneously recorded VTA neuronal activity.
Keywords: conditioned avoidance reflex, prefrontal cortex, hippocampus, ventral tegmental area, delta-rhythm, theta-rhythm, gamma-rhythm, coherence, cross-frequency phase-amplitude modulation, Granger causality.
DOI: 10.7868/S0044467715030107
Необходимым условием выполнения условного рефлекса избегания является активация дофаминергической системы среднего мозга [Майоров, Фролов, 2004; Darvas et al., 2011; Stark et al., 2000]. При воспроизведении условного рефлекса избегания наблюдалось исчезновение характерного для межсигнального периода 5-ритма 1—4 Гц в медиальной префронтальной коре, и повышение частоты 0-ритма в гиппокампе с 6—8 до 8—11 Гц [Серков и др., 2015; Bland et al., 2007; Buzsaki, 2006; Fujisawa, Buzsaki, 2011]. Существует определённый параллелизм в условиях генерации обоих ритмов и дофаминергической активности вентральной тегментальной области среднего мозга (ВТО), реципрокно связанной с медиальной префронтальной корой [Carr, Sesack, 2000; Gao et al., 2007; Peters et al., 2004; Wu et al., 2013] и гиппокампом [Lisman et al., 2010; Lodge, Grace 2011; Luo et al., 2011; Orzei-Gryglewska et al., 2012; Valenti et al., 2011]. Целью настоящей работы было исследование характера модуляции активности ВТО в 5- и 0-диапазонах со стороны медиальной префронтальной коры и гиппокампа при выполнении условного рефлекса избегания.
МЕТОДИКА
Опыты проведены на 5 взрослых крысах — самцах линии Вистар массой 300—450 г, полученных из питомника "Пущино". Во время содержания животные имели неограниченный доступ к корму и воде, при 12-часовом цикле смены освещения. Опыты проводились в соответствии с директивой Евросоюза № 86-609.
Во время операции под хлоралгидратным наркозом (350 мг/кг) в медиальную префрон-тальную кору (AP +3.3; L 0.9; H 4.5, координаты относительно брегмы [Paxinos, Watson, 2009]), и вентральный гиппокамп (AP —6.4; L5.5; H 5.5) устанавливали монополярные нихромовые электроды диаметром 200 мкм для регистрации ЭЭГ. Для одновременной регистрации суммарной и нейронной активности в вентральную тегментальную область (AP —5.1; L 0.9; H 8.0) погружали пучок стальных проволок в тефлоновой изоляции (внутренний диаметр 50, внешний — 100 мкм) в направляющей игле с наружным диаметром 0.6 мм. Игла закреплялась в механическом манипуляторе, фиксированном на голове животного. В качестве земляного и референтного электродов использовали стальные вин-
ты диаметром 0.8 мм, вкрученные в затылочную кость над мозжечком.
Во время опыта животные находились в камере размером 60 х 30 х 30 см, разделенной на два отсека перегородкой с дверью шириной 15 см. Опасный отсек — затемненный, с полом из металлических прутьев (диаметр 0.5 см, расстояние между прутьями 2.5 см), через которые подавался "бегущий" электрический ток. Безопасный отсек — светлый, с твердым полом, покрытым фильтровальной бумагой. Животные обучались открывать дверь и перебегать из опасного отсека в безопасный во время действия условного сигнала (звук 8 кГц, 70—80 дБ, 5—10 с). После избегания, примерно через 2 мин, животное переносили обратно в опасный отсек. При отсутствии реакции животное получало электрическое раздражение (1—2 с, 1—2 мА).
Для регистрации использовали усилители DL-304 ("Нейробиолаб"), коэффициент усиления суммарной активности 3000, полоса пропускания фильтра 0.1—1000 Гц; коэффициент усиления нейронной активности — 10000, полоса пропускания 300—10000 Гц. Сигналы с выходов усилителя оцифровывались и вводились в компьютер с помощью платы АЦП L-791 ("L-Card"). Период дискретизации нейронной активности составлял от 15 до 40 мкс в зависимости от числа каналов регистрации. Период дискретизации суммарной активности программно повышался до 1 мс. Для анализа использовали функции MATLAB, функции из пакетов EEGLAB и GCCA [Seth, 2010] и функции, написанные самостоятельно на языке MATLAB.
Выделение импульсов отдельных нейронов из регистрируемой множественной нейронной активности производилось по методу главных компонент с использованием функции MATLAB princomp.
Когерентность между сигналами вычисляли при помощи функции MATLAB mscohere. Фазовую синхронизацию определяли по формуле [Lachaux et al., 1999]: W(f t) = |<e,A^>B|, Аф„(/, t) = фх, „(f, t) — фу, „(f t), фх, „(f, t) и фу, „(f, t) — фазы сигналов "x" и "y", f — частота, t — номер отсчета в пределах сегмента ЭЭГ, n — номер сегмента, | • | — абсолютная величина (модуль) комплексного числа, (•>„ — математическое ожидание, вычисленное по n сегментам (реализациям). Индекс фазовой задержки вычисляли по формуле: Ф(£ t) = |^(Дф)>„/фт(Дф)|>„; —п < Дф < п [Серков и др., 2015; Stam et al.,
2007]. Индекс фазовой задержки изменяется в диапазоне от 0 до 1 и является статистическим показателем наличия, а не длительности задержки; большой индекс может получиться при короткой задержке и слабом уровне шума, и наоборот, небольшой — при длинной задержке и высоком уровне шума.
Мгновенные значения фазы и амплитуды огибающей для узкополосных процессов, предварительно выделенных при помощи функции eegfilt из пакета EEGLAB, вычисляли при помощи функций MATLAB angle(gil-bert(x)) и abs(gilbert(x)).
Для вычисления индекса кросс-частотной фазово-амлитудной модуляции [Tort et al., 2013] исходные данные разделялись на ряд низкочастотных и высокочастотных диапазонов. Для данной пары частот индекс фазово-амплитудной модуляции показывает, насколько распределение амплитуд огибающей высокочастотной составляющей по фазе низкочастотной составляющей отличается от равномерного. Ориентируясь на распределения величины индексов модуляции (см. рис. 3, А1—В1), выбирали полосу высокочастотной составляющей и усредняли значения амплитуд огибающей, индексов синхронизации и задержки, а также частоту нейронной активности относительно нулевой фазы низкочастотной составляющей. Для статистической оценки степени достоверности динамики модуляции повторяли вычисления после случайной перестановки реализаций и/или случайного разброса ki точек отсчета по каждой реализации, ki — число волн модулирующего ритма в i-той реализации.
В основе определения причинно-следственных отношений по Грэнджеру ("Granger causality" [Dhamala et al., 2008; Seth, 2010]) лежит представление о том, что процесс X2 является одной из причин процесса X1, если знание предшествующих значений X2 помогает точнее предсказать текущее значение X1. В соответствии с этим критерием, X2 включается в число причин X1, если включение прошлых наблюдений X2 уменьшает ошибку предсказания X1 в линейной регрессионной модели по сравнению с моделью, которая включает только предыдущие наблюдения X1; в этом случае говорят о направленной функциональной связи ("directed functional connectivity") или распространении информации ("information flow") в направлении от Х2 к Х1. Величина критерия измеряется лога-
рифмом отношения дисперсий ошибок предсказания для ограниченной (в зависимости только от X1) и полной (в зависимости от X1 и X2) моделей. Для анализа ритмической активности применяется частотное разложение критерия Грэнджера [Dhamala et a
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.