ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2014, том 64, № 3, с. 255-269
ОБЗОРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 612.825.5
СИНХРОНИЗАЦИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ В НЕЙРОННЫХ СЕТЯХ КОРЫ МОЗГА
© 2014 г. В. Г. Марченко, М. И. Зайченко
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: vgmarchenko@hotbox.ru Поступила в редакцию 17.09.2013 г. Принята в печать 03.03.2014 г.
На основании литературных данных предложена схема, объясняющая распространение (синхронизацию) осцилляторной активности в коре головного мозга. Основным свойством не-окортекса является организация в функциональные вертикально ориентированные колонки. Между нейронами существуют прямые и обратные морфологические и функциональные связи как внутри колонки, так и между колонками. В определенных условиях внутри отдельного модуля с помощью торможения создаются временные окна и с участием прямых и обратных связей между нейронами (возбудительных и тормозных) может генерироваться синхронизированная активность различной частоты, регистрируемая как доминирующая осцилляция. Далее активность в колонке усиливается за счет вовлечения большого числа нейронов, что выражается в виде большой амплитуды локального полевого потенциала. Информация о возникшей в единичном генераторе активности по прямым связям передается на соседний генератор или группу таких же генераторов. В соседнем генераторе происходит усиление активности и передача следующему генератору. В то же самое время по обратным связям в первичный генератор передается сигнал и там прекращается активность до начала следующего цикла. И так далее по коре. Принципиальным положением является то, что в передаче активности от одного генератора к другому участвует небольшое число элементов. По существу, активность, будь то осцилляции любой частоты или эпилептические разряды, не передается, а генерируется на месте в каждом модуле по тем характеристикам, которые ему передаются от соседей. Генерация эпилепти-формных спайков происходит, если нарушен баланс между торможением, определяемым ГАМК А и ГАМК Б рецепторами.
Ключевые слова: синхронизация, распространение активности, колонки, прямые и обратные связи, кора.
Synchronization and Propagation of Electrical Potentials in Neural Networks of the Brain Cortex
V. G. Marchenko, M. I. Zajchenko
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology of RAS, Moscow, e-mail: vgmarchenko@hotbox.ru
On the basis of the published data the scheme is proposed which explains the spread and synhronization of oscillatory activity in cortex. The main property of the neocortex is the existence of vertically oriented functional columns. Within and between the neuronal columns exist a feedforward and feedback morphological and functional connections. At the certain conditions inside the single module temporal windows are created using inhibitory process, and a synchronized activity can be generated of variable frequency (oscillations). The activity in the columns is enhanced by the synchronous involvement of great amount of neurons which is expressed in the form of local field potentials of high amplitude. Further the information about arisen in a single generator activity is transmitted through direct links to the nearby generator or to the group of such generators. In the nearby generator the activity increases and is transferred to the next generator. At the same time the signal is transmitted through feedback to the primary generator, and the activity is terminated until the next cycle will be initiated and so on along the cortex. The most important notion is that in the transfer of activity from one generator to another is involved a small number of elements. The major part of recorded oscillations of different frequency or epileptiform
discharges, is not transmitted via the brain, but is generated in each module according to the characteristics transferred to it. The generation of epileptiform spikes occurs in cases when balance of inhibition determined by GABA A and GABA B receptors is disturbed.
Keyword: synchronization, propagation activity, columns, feedforward and feedback linkages, cortex. DOI: 10.7868/S0044467714030113
Интеграция в нейронных сетях коры является важным физиологическим процессом, отражением которого является синхронизация электрической активности. Тем не менее, удивительно мало известно о механизмах, которые управляют синхронизацией (пространственным распространением) активности через нейронные сети.
При блокаде ГАМК А рецепторов в коре крыс в локальной точке аппликации антагонистов возникает эпилептическая активность в виде потенциала большой амплитуды в результате синхронной активности большого числа нейронов, а затем похожая активность наблюдается на значительном расстоянии от места возникновения эпилептической активности. Такие эпилептиформные потенциалы возникали с существенной временной задержкой, и этот процесс выглядел как распространение активности по коре [Марченко, Пасикова, 2008; Марченко, Салтыков, 2010]. Обычно процесс распространения активности по коре рассматривается как синхронизация.
В последнее время синхронизация нейронов определяется как связанное по времени появление двух или более событий, относящихся к различным аспектам активности нейронов. Синхронизация нейронов зависит от химических и электрических синапсов, а также эфаптических и неспецифических взаимодействий [Т1шоГееу е! а1., 2012].
М.Н. Ливанов много лет назад определил два механизма синхронизации [Ливанов, 1973]. В локальных нейронных сетях коры, синхронизация находит отражение в локальном полевом потенциале (а в случае эпилептической активности в эпилептиформных потенциалах). И есть синхронизация в участках коры расположенных на удалении более 1 мм друг от друга, когда активность сначала возникает в локальном нейронном пуле и затем распространяется в другие области коры.
Механизмы синхронизации в локальных сетях коры
Сеть нейронов 5 слоя может генерировать синхронные ритмы и далее передавать их на нейроны других слоев коры. Считается, что для генерации синхронизированных осцил-ляций достаточно нейронов только 5 слоя [Silva et al., 1991]. Морфологической основой распространения возбуждения по коре являются горизонтальные связи, которые вносят вклад в синхронизацию электрической активности ансамблей пирамидных нейронов, например во время осцилляций электрической активности [Markram et al., 1997].
В общем, синхронизация электрической активности в мозге является результатом взаимодействия множества нейронов. Взаимодействие между клетками мозга может быть нескольких типов: синаптическая передача от пресинаптического нейрона к постсинап-тическому в результате которой в последнем возникает де- или гиперполяризация; взаимодействие между электрически связанными клетками посредством gap junctions. Такие взаимодействия являются бидирекциональ-ными. Кроме того, существуют эфаптические взаимодействия, которые проявляются в результате действия больших токов непосредственно на нейроны [Timofeev et al., 2012].
Механизмы синхронизации между удаленными точками коры
В настоящее время в литературе существует два взгляда на природу синхронизации между удаленными точками коры. Один — это распространение активности по коре, а другой — наличие нескольких генераторов в коре и их синхронизация. Существуют данные, прямо подтверждающие оба предложенных механизма. Распространение активности из специфического фокуса [Sanchez-Vives, McCormick, 2000], которое может наблюдаться и при регистрации ЭЭГ у человека во время сна [Massimini et al., 2004], и синхронизации слабой активности, происходящей из
множества источников [ИтоГееу е! а1., 2000; Ма881тШ е! а1., 2004]. Предполагается и наличие одновременного действия этих двух механизмов [Уо^шЬеу е! а1., 2006].
Три возможных механизма распространения активности по коре
На основании теоретических представлений были предложены 3 механизма, объясняющие распространение активности по коре. В первом случае один осциллятор, находящийся в подкорковой структуре, напрямую возбуждает участок коры, а соседние участки с отставанием. В результате этого все более увеличивается временная задержка в соседних точках, и таким образом создается впечатление о движении волны по коре. Во втором случае волна создается в цепи нейронов за счет последовательной активации, так как каждая клетка имеет возбудительные связи с соседними нейронами. Пейсмекерный нейрон инициирует возбуждение на нейроне, с которым он непосредственно связан, а этот нейрон, в свою очередь, последовательно возбуждает следующий нейрон, с которым он имеет прямые связи. Волна пробегает от пей-смекера в соседние участки коры. Такой тип волны, известный как "пробегающий импульс", может лежать в основе эпилептических волн в коре. И третий, гипотетический механизм (рисунок, А) представляет собой цепочку связанных между собой прямыми и обратными связями генераторов, в которых волна распространяется вследствие фазовой задержки между индивидуальными осцилляторами. В такой системе волны могут распространяться как в одном направлении, так и в другом [РгесМ1 е! а1., 2000; ЕгтеПгоШ;, К1ет-ГеШ 2001; 1№и е! а1., 2008].
Синхронизация влокальных иудаленных точках коры при экспериментальной эпилепсии
Модель экспериментальной эпилепсии уже несколько десятков лет используется для исследования механизмов синхронизации в коре. Удобство такой модели заключатся в том, что при эпилепсии синхронизация весома, груба, зрима. Такие исследования имеют двойное назначение, так как с одной стороны исследуются механизмы синхронизации, а с другой полученные результаты могут помочь в определении механизмов эпилептогенеза.
Простейшей формой эпилептической активности является интериктальные спайки — синхронизированный взрыв потенциалов действия, генерируемый возвратным возбуждением, и следующий за периодом гиперполяризации в локальном пуле пирамидных нейронов [McCormick, Contreras, 2001].
В наших работах на имитационной модели и в экспериментах была показана вероятность возникновения локальной синх
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.