ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2013, том 63, № 5, с. 520-541
= ОБЗОРЫ, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 591.1,612
ЦЕНТРАЛЬНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ПАТТЕРНА
© 2013 г. П. М. Балабан1, Д. Д. Воронцов2, В. Е. Дьяконова2, Т. Л. Дьяконова2, И. С. Захаров2, Т. А. Коршунова1, O. Ю. Орлов3, Г. А. Павлова4, Ю. В. Панчин3, Д. А. Сахаров2, М. В. Фаликман5
1Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН,
2Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 3Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН, 4Научно-исследовательский институт физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Факультет психологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Москва,
e-mail: dant1930@gmail.com Поступила в редакцию 12.04.2013 г. Принята в печать 20.05.2013 г.
Центральный генератор паттерна (central pattern generator, CPG) определяют как сообщество нейронов, члены которого совместно порождают (генерируют) упорядоченную моторную выходную активность. Круглый стол по центральным генераторам паттерна прошел 21 ноября 2012 г. в рамках V Всероссийской конференции по поведению животных (Москва). Основными темами обсуждения были: 1) механизмы организации и перестройки паттерн-генерирующих нейронных ансамблей; 2) возможность участия структур, подобных центральному генератору паттерна, в управлении не-моторными функциями мозга; 3) эволюционные и онтогенетические аспекты центральных генераторов паттерна.
Ключевые слова: механизмы поведения, поведенческий выбор, нейроны, нейронные популяции, ней-ротрансмиссия, нейромодуляция.
The Central Pattern Generators
P. M. Balaban, D. D. Vorontsov, V. E. Dyakonova, T. L. Dyakonova, I. S. Zakharov, T. A. Korshunova, O. Yu. Orlov, G. A. Pavlova, Yu. V. Panchin, D. A. Sakharov, M. V. Falikman
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Koltzov Institute of Developmental Biology, Russian Academy of Sciences, Kharkevich Institute for Information Transmission Problems, Russian Academy of Sciences, Belozersky Research Institute of Physico-Chemical Biology, Lomonosov Moscow State University, Faculty of Psychology, Lomonosov Moscow State University, Moscow, e-mail: dant1930@gmail.com
The central pattern generator (CPG) is defined as a set of neurons involved in joint production of patterned motor output. The roundtable discussion on the CPG was a part of the 5th All-Russian Conference on Animal Behavior (Moscow, Nov. 21, 2012). The discussion centred on three core themes: 1) the mechanisms of the organization and reconfiguration of pattern generating neuronal ensembles, 2) extrapolations that extend the CPG concept beyond the motor systems, and 3) evolutionary and developmental aspects of CPG.
Keywords: mechanisms of behavior, behavioral choice, neurons, neuronal populations, neurotransmission, neuromodulation.
DOI: 10.7868/S0044467713050031
Д.А. Сахаров. Коллеги посоветовали мне сделать нечто вроде предисловия к сегодняшней дискуссии. Начну с определений. Центральным генератором паттерна (central pattern generator, CPG) называют нейронный ансамбль, члены которого совместно порождают (генерируют) моторную программу. Под моторной программой мы понимаем упорядоченную по времени и мишеням выходную активность ансамбля, которая служит командой для мышц. Получая команду, мышцы сокращаются и расслабляются в некоторой координированной последовательности, которая и есть моторный паттерн. Слово "паттерн" привычно английскому уху, но в русском языке оно туманно по смыслу и неблагозвучно...
О.Ю. Орлов. Можно заменить на "шаблон".
Д.А. Сахаров. Да, спасибо. Наглядный пример таких "шаблонов" — локомоторные аллю-ры: галоп, рысь, иноходь, шаг. Каждому моторному шаблону соответствует своя программа, каждой программе — свой генерирующий ансамбль, CPG. Часто CPG определяют как нейронную сеть, к этому привыкли. Корректней термин "нейронный ансамбль". Ведь понятие "сеть" подразумевает монтажную схему, т.е. синаптическую организацию. Но в действительности способ организации нейронов в пат-терн-генерирующее сообщество недостаточно выяснен, об этом мы поговорим. Удобно работать с моторными ритмами, но поведенческие шаблоны не обязательно цикличны. Поэтому функцию центральных генераторов не следует сводить к генерации ритмов, как это иногда делают.
Интерес к нашему предмету обострялся всякий раз, когда плавное течение исследований оборачивалось событиями революционного характера. Так, долгими и безуспешными были попытки доказать, что поведенческий шаблон сохранится после полной деафферентации моторного центра. Лишь в 1960 году случился удачный эксперимент на раке [53], а вслед за ним на саранче [84]. Именно эти две работы связывают с крушением рефлекторных представлений [62]. Оптимисты шутят, что веру в рефлексы ныне сохранили только авторы медицинских руководств. Так или иначе, родилась нейроэтология — дисциплина, соединившая нерефлекторный, это-
логический взгляд на природу поведения с методами клеточной физиологии.
Мощный импульс для своего развития нейроэтология получила в 1967 году, когда впервые удалось проанализировать нейронную основу центральной генерации поведенческого акта [82]. Прошли годы, и несколько групп нейроэтологов, не веря собственным глазам, обнаружили способность CPG к реорганизации: генерировалась одна моторная программа и вдруг теми же нейронами начинала генерироваться другая. В результате пошатнулась уверенность в том, что свойства нейронов, входящих в состав CPG, и связи между этими нейронами стабильны [47].
Сегодняшний интерес к CPG подогревается с разных сторон. Во-первых, его стимулируют исследования на теплокровных, в частности клеточный анализ центров вокализации у певчих птиц [44, 73]. Другую интригу рождает стремление вывести CPG за рамки моторных систем. Достаточно упомянуть идею генераторов когнитивного паттерна (cognitive pattern generators) [48]. Предполагают, что дискретным когнитивным актам человека соответствуют нейронные ансамбли, устроенные наподобие моторных CPG. Но есть ли уверенность в том, что мы понимаем, как устроены хотя бы самые простые CPG моторных последовательностей? Такой уверенности нет, и это возвращает нас к модельным объектам нейроэтологии — улитке, пиявке, миноге.
Есть полезные обзоры, прямо или косвенно касающиеся CPG [7, 30, 32, 50, 59, 66]. В ходе подготовки к сегодняшней дискуссии было отобрано несколько назревших вопросов, их заранее разослали потенциальным участникам. Первый вопрос формулируется так: экспрессия паттерна — это результат снятия с CPG тормозного блока? Иными словами, выбор моторной программы — это результат последовательного растормаживания структур иерархической системы управления, как утверждают некоторые авторитеты [49]?
П.М. Балабан. Мне хочется привести пример из работ лаборатории физиологии движения Института физиологии им. И.П. Павлова. Там под руководством Юрия Петровича Герасименко исследуют больных с повреждениями спинного мозга — например, в резуль-
тате травмы позвоночника. Удалось экспериментально доказать, что в спинном мозге человека имеется СРО шагания, который в норме обеспечивает координированную выходную активность мотонейронов [41]. Однако вследствие разобщения связей между этим СРО и моторными центрами головного мозга больные не могут ходить. У них также дегенерируют нисходящие системы (ретикуло-спи-нальная, рубро-спинальная, кортико-спиналь-ная), которые вносят свой вклад в управление активностью СРО. Лишенный супраспиналь-ного контроля, СРО шагания бездействует.
Оказывается, если давать больным тоническое раздражение на дистальную часть спинного мозга (которая сохранена), то они начинают ходить. И если его давать постоянно, больные начинают вставать, ходить, управлять своими нижними конечностями. Тоническое раздражение — это не что-то конкретное, не сенсорный вход и не обратная связь. Просто постоянная стимуляция. И тоже было обсуждение: это растормаживание или, наоборот, активация?
Д.А. Сахаров. Нельзя ли интерпретировать тоническое раздражение как повышение концентрации чего-то?
П.М. Балабан. Обязательно, только это. Результаты опытов на спинализированных крысах позволяют думать, что при тонической стимуляции сохраненной части спинного мозга — например, через вживленные электроды — там идет повышение концентрации всех трех медиаторов моноаминергических систем — серотонина, дофамина и норадре-налина [63]. Для меня это было даже странно в каком-то смысле, и для всех странно, что не нужен никакой сенсорный вход, не нужна обратная связь от мышц (она есть на уровне нижних конечностей), нужно только компенсировать управление сверху, которое, оказывается, осуществляется тонической сигнализацией. И человек, который лежал парализованный много лет, встает и может сделать несколько шагов. Вот к чему, так сказать, пришли. И уж если это так и на человеке, то можно выяснить в прямых экспериментах на крысах, активируется ли там СРО или с него снимается торможение.
Г.А. Павлова. Хочу напомнить предысторию. Уже давно в среднем мозге кошки была описана "локомоторная область", электриче-
ская стимуляция которой с частотой 40 Гц вызывала координированную ходьбу [23]. Суть та же, что в работах, о которых говорил Павел Милославович Балабан, — тоническим стимулом можно включить генератор локомоторного ритма. И управляя силой стимула, можно управлять этой ритмикой: с медленной ходьбы перейти на рысь, потом запустить галоп. Выключение стимуляции останавливало локомоцию.
Позже координированную ходьбу кошки научились вызывать тоническим раздражением пирамид, понто-бульбарной "локомоторной полоски", "шагательной полоски" спинного мозга. Эти результаты подготовили базу для современных исследований, направленных на восстановление ходьбы у больных с травмой спинного мозга. Спинальный стимулятор, наподобие кардиостимулятора, но с тумблером ON/OFF, мог бы решить проблему.
Д.А. Сахаров. Я был аспирантом Х.С. Коштоянца еще до этих знаменитых работ, и уже тогда, в середине 1950-х годов, мне было велено смот
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.