ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2007, том 57, № 2, с. 210-220
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ^^^^^^^^^^^^ ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 612.822.3
УСЛОВИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ В ПОЛЕ CA1 ГИППОКАМПА ДВОЙНОГО ОТВЕТА НА ОДИНОЧНУЮ СТИМУЛЯЦИЮ КОЛЛАТЕРАЛЕЙ ШАФФЕРА У СВОБОДНО ПЕРЕДВИГАЮЩИХСЯ КРЫС
© 2007 г. В. А. Зосимовский, В. А. Коршунов, В. А. Маркевич
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: zosimov@ihna.ru; markevich@ihna.ru Поступила в редакцию 10.10.2006 г. Принята в печать 09.11.2006 г.
Стимуляция коллатералей Шаффера одиночным импульсом тока может вызывать двойной ответ в поле CA1 гиппокампа у свободно передвигающихся крыс. Поздний ответ - популяционный возбуждающий постсинаптический потенциал с предшествующим коротким потенциалом, часто бифазным - возникает только после раннего популяционного спайка и привязан к нему во времени. Особенности формы позднего ответа, его полярность и латентный период относительно раннего популяционного спайка позволяют предположить, что стимуляция коллатералей Шаффера порождает в CA1 волну возбуждения, которая проходит через энторинальную кору и возвращается непосредственно в CA1 по волокнам перфорантного пути. У бодрствующей крысы стимуляция коллатералей Шаффера средней силы, способная вызывать достаточно большой ранний популяционный спайк в CA1, обычно не приводит к возникновению позднего ответа; та же самая стимуляция становится эффективной после тетанизации коллатералей Шаффера, в условиях длительной потенциации раннего популяционного спайка. Кроме того, возникновение позднего ответа облегчается у засыпающей крысы, на фоне характерных для медленноволново-го сна высокоамплитудных низкочастотных колебаний ЭЭГ в CA1, и у спящей крысы, независимо от вида ЭЭГ.
Ключевые слова: крысы, гиппокамп, CA1, коллатерали Шаффера, тетанизация, бодрствование и сон, реверберация возбуждения.
Conditions Required for Appearance of a Double Response to a Single-Shock Stimulation of Schaffer Collaterals in Hippocampal Field CA1
in Freely Moving Rats
V. A. Zosimovskii, V. A. Korshunov, V. A. Markevich
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: zosimov@ihna.ru; markevich@ihna.ru
Schaffer collateral stimulation with a single current impulse can evoke a double response in hippocampal field CA1 of freely moving rats. The late response appears as a population excitatory postsynaptic potential with a preceding short-term potential (frequently biphasic) only after the early population spike and is time-locked to it. The wave shape and polarity of the late response, its latency with respect to the peak of the early population spike suggest that the excitation wave produced in the CA1 field by the stimulation of Schaffer collaterals passes across the entorhinal cortex and returns to the CA1 directly via the perforant path fibers. In waking rat, the medium-intensity stimulation of Schaffer collaterals (able to evoke in the CA1 an early population spike of sufficiently high amplitude) usually does not result in the appearance of the late response. However, similar stimulation becomes efficient after the tetanization of Schaffer collaterals, under conditions of the long-term potentiation of the early population spike. Moreover, the late response occurrence is facilitated in a rat falling asleep after the development in the CA1 of high-amplitude low-frequency EEG oscillations typical for the slow-wave sleep and in a sleeping rat independently of the EEG pattern.
Key words: rats, hippocampus, CA1, Schaffer collaterals, tetanization, wakefulness and sleep, reverberation of excitation.
Согласно распространенным в настоящее время представлениям гиппокампальная формация имеет отношение к таким видам высшей нервной деятельности, как обучение и формирование следов памяти. Многочисленные исследования на людях и животных показывают, что гиппокампальная формация участвует в процессах консолидации по крайней мере некоторых видов памяти, обеспечивая отбор поступающей из неокортекса новой информации, ее кодирование, временное хранение и возвращение в неокортекс на постоянное хранение [17, 24, 27]. Отдельные области гиппокам-пальной формации - зубчатая извилина, поля CA3 и CA1 - играют в этих процессах свою специфическую роль [18]. До тех пор пока пластические изменения синапсов не приведут к закреплению сформировавшихся следов отобранной новой информации, они могут сохраняться в нейронных сетях благодаря реверберации возбуждения [12, 21, 22].
Информационные потоки между неокор-тексом и гиппокампальной формацией в значительной степени опосредуются энториналь-ной корой, имеющей с последней прямые ре-ципрокные синаптические связи [14, 17, 29]. Согласно упрощенной схеме [29] информация из неокортекса передается через поверхностные слои энторинальной коры, а в неокортекс - через ее глубинные слои. Кроме того, выходящая из поля CA1 гиппокампа волна возбуждения может возвращаться в гиппокампальную формацию благодаря наличию проекций от нейронов глубинных слоев энторинальной коры к нейронам ее поверхностных слоев [15, 26]. Как показывают анатомические и электрофизиологические исследования [2, 5, 9, 14, 20, 29, 30], нейроны поверхностных слоев энторинальной коры посылают свои аксоны в составе перфорантного пути в зубчатую извилину, поля CA3 и CA1 гиппокампа и субикулум, образуя моносинаптические возбуждающие связи с нейронами этих основных областей гиппокампальной формации. Синаптические окончания волокон перфорантного пути на гранулярных клетках зубчатой извилины дают начало возбуждающему пути, проходящему последовательно через мшистые волокна к пирамидным клеткам CA3 и через коллатера-ли Шаффера к пирамидным клеткам CA1. Последние образуют возбуждающие связи (прямые или опосредованные субикулумом) с нейронами глубинных слоев энторинальной коры. Таким образом, в системе гиппокампальная формация - энторинальная кора существует
несколько замкнутых нейронных цепей [5, 9, 29], в которых возможна реверберация возбуждения.
Инициированную стимуляцией перфорантного пути реверберацию возбуждения, охватывающую зубчатую извилину, CA3, CA1 и энто-ринальную кору, наблюдали in vitro в соответствующих срезах мозга с помощью оптических методов регистрации нейронной активности [4, 13]. Двойные и тройные ответы в зубчатой извилине на стимуляцию перфорантного пути регистрировали также in vivo у животных с повреждениями, устраняющими влияние субкортикальных структур, и у интактных животных при некоторых формах поведения [8]. Возможность возвращения волны возбуждения, вызванной в поле CA1, через энторинальную кору по волокнам перфорантного пути непосредственно в CA1, минуя зубчатую извилину и поле CA3, показана у анестезированных животных в условиях полисинаптической фаси-литации ответов в энторинальной коре на повторяющиеся стимулы [6, 16]. В наших экспериментах со свободно передвигающимися крысами [1] в ряде случаев даже одиночная стимуляция коллатералей Шаффера вызывала в поле CA1 второй, поздний ответ, латентный период которого относительно первого, раннего ответа был меньше, чем необходимо для преодоления волной возбуждения энторинальной коры, зубчатой извилины и поля CA3. Цель настоящей работы - определить условия появления в поле CA1 гиппокампа второго ответа на одиночную стимуляцию коллатералей Шаффера у свободно передвигающихся крыс и подтвердить, что этот ответ отражает возвращение волны возбуждения в CAl по волокнам перфорантного пути, а не по коллатера-лям Шаффера.
МЕТОДИКА
Эксперименты выполнены на 19 свободно передвигавшихся крысах, взрослых самцах линии Вистар массой 300-500 г. Крыс содержали в отдельных клетках в условиях естественного освещения и свободного доступа к воде и пище. Все процедуры работы с животными выполняли в строгом соответствии с международными этическими нормами и положением Института о работе с экспериментальными животными. Перед хирургической операцией животных анестезировали калипсолом (150 мг/кг внутрибрюшинно) и помещали в стерео-таксис. Скальпирование проводили под допол-
нительной новокаиновой блокадой (2%-ный раствор, 1 см3 подкожно). В черепе сверлили отверстия, через которые вживляли электроды.
Применяли биполярные стимулирующие и монополярные регистрирующие электроды. Электрод представлял собой пару скрученных, покрытых эмалью нихромовых проволок диаметром 0.08 мм с припаянными разъемами и обрезанным под углом 45 град. кончиком. Для регистрации использовали одну из проволок такого электрода. Заземляющим электродом служил кусок проволоки (нержавеющая сталь) диаметром 0.2 мм, вживленный в затылочную кость черепа крысы.
Электрод для регистрации популяционных возбуждающих постсинаптических потенциалов (пВПСП), популяционных спайков (пС) и электроэнцефалограмм (ЭЭГ) вводили в пирамидный слой или примыкающую часть радиального слоя поля CA1 гиппокампа (координаты по атласу [3]: AP = -2.7 мм; L = 1.5 мм; H = = 2.5-3.0 мм). Электроды для стимуляции кол-латералей Шаффера располагали в симметричных точках ипси- и контралатерального гиппокампа, в радиальном слое поля CA1 (AP = = -3.0 мм; L = ±3.0 мм; H = 2.7-3.7 мм) и в области прохождения вентральной гиппокам-пальной комиссуры (AP = -1.3 мм; L = -1.0 мм; H = 3.5 - 4.0 мм). Глубину погружения электродов корректировали, добиваясь максимального ответа в CA1 на стимуляцию коллатералей Шаффера. Разъемы электродов фиксировали на черепе животного зуботехнической пластмассой. Локализацию кончиков электродов уточняли после окончания экспериментов гистологическими методами.
Эксперименты начинали через 3 дня после операции. Крысу сажали в прозрачный, открытый сверху ящик из плексигласа размером 30 х 30 х 40 см. Ящик помещали в свето- и звукоизолирующую камеру с заземленным железным корпусом. В камере имелось окно для наблюдения за поведением животного. К разъемам вживленных электродов подсоединяли легкий гибкий кабель, который, обеспечивая связь с экспериментальной аппаратурой, позволял крысе свободно передвигаться в пределах плексигласового ящика. Регистрирующий и заземляющий эл
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.