СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2007, том 21, № 4, с. 309-315
СЛУХОВАЯ И ВЕСТИБУЛЯРНАЯ СИСТЕМЫ
УДК 595.129:591.481.3
ВЛИЯНИЕ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ НА СПОНТАННУЮ АКТИВНОСТЬ ИНТЕРНЕЙРОНОВ СВЕРЧКОВ (Orthoptera, Gryllidae)
© 2007 г. В. С. Чуканов, Р. Д. Жантиев
Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
119899, Москва, Воробьевы горы,
E-mail: zhantiev@mail.ru Поступила в редакцию 15.03.2007 г.
Изучали спонтанную активность нейронов в ЦНС сверчков Teleogryllus derelictus Gor. и ее изменения при восприятии конспецифических и гетероспецифических звуковых сигналов (КС и ГС). Результаты экспериментов показали, что в грудном отделе ЦНС имеется группа ритмически активных нейронов, не отвечающих непосредственно на звук, но перестраивающих под его влиянием свою импульсацию. При предъявлении КС наблюдались реакции следующих типов: ослабление или усиление активности, закономерное изменение межспайковых интервалов, фазовые перестройки, приводящие к синхронизации импульсов со звуковыми посылками (пульсами). ГС обычно не вызывали подобных изменений. Полученные результаты дают основания предполагать, что эти нейроны имеют отношение к нейронным сетям, обеспечивающим распознавание звуковых сигналов.
Ключевые слова: насекомые, GryШdae, спонтанно-активные интернейроны, распознавание звуковых сигналов.
ВВЕДЕНИЕ
Результаты электрофизиологических исследований свидетельствуют о том, что в центральной нервной системе насекомых наблюдается высокий уровень спонтанной активности нейронов (Тыщенко, 1969). В одной из предыдущих работ (Жантиев и др. 2004) нами было показано, что у кузнечиков Tettigonia cantans и Metrioptera roeselii в грудных отделах ЦНС имеются ритмически активные нейроны, закономерно перестраивающие свою импульсацию при восприятии звуков, причем их реакции зависят от временной организации стимула. Селективность этих реакций давала основание предполагать, что такие нейроны имеют непосредственное отношение к нейронным сетям, обеспечивающим распознавание коммуникационных звуковых сигналов.
Ранее нами были опубликованы предварительные результаты экспериментов, указывающие на наличие в ЦНС самок сверчков Gryllus Ы-maculatus спонтанно-активных нейронов, разряжающихся в ритме, характерном для звуковых осцилляторов самцов, и об определенном влиянии слуховой системы на ритмическую активность этих нейронов (Жантиев, 1981).
При выполнении настоящей работы мы попытались продолжить изучение спонтанно-активных нейронов сверчков, а именно: выделить основные типы таких клеток и получить данные о влиянии конспецифических (КС) и гетероспеци-
фических (ГС) звуковых сигналов на их активность.
В качестве объекта исследований были использованы сверчки Teleogryllus derelictus Gor., самцы которых издают призывные звуковые сигналы, представляющие собой трели.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В опытах использовали сверчков Teleogryllus derelictus Gor. из лабораторной культуры, полученной из Таиланда. Насекомых фиксировали вентральной стороной вверх, удаляли часть кутикулы и обнажали грудные ганглии и коннективы. Операционное поле покрывали каплей физиологического раствора. Импульсную активность регистрировали в грудных ганглиях и коннективах стеклянными микроэлектродами, заполненными 1.5 М раствором KCl.
Слуховые органы стимулировали тональными звуковыми посылками длительностью 50 мс с разным частотным заполнением и моделями кон-специфического призывного сигнала T. derelictus с длительностью пульсов 30 мс, с интервалами между ними 10 мс и частотой заполнения 3 кГц. В качестве гетероспецифического призывного сигнала использовали модели звуков симпатриче-ского вида сверчка Tarbinskiellus portentosus Licht. с длительностью пульсов 12 мс с интервалами 5 мс и частотой заполнения 4 кГц. Интенсив-
мии 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
1400 1200 1000 800 600 400 200 0
■I HI I..H »I
50
100
150
200
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
60 50 40 30 20 10
..I
20 40 60 80 100
40 35 30 25 20 15 10 5
75 100 125 150 мс
Рис. 1. Гистограммы межимпульсных интервалов спонтанно-активных нейронов зарегистрированных в грудных ганглиях и отходящих от них коннективах. По горизонтали - время, мс, по вертикали - число ме-жипульсных интервалов, мии: б, в - бин 2 мс, а, г - бин 4 мс, время анализа 20 с.
ность стимулов составляла 85 дБ относительно 0.00002 Н/М2.
В ходе опыта сначала регистрировали спонтанную активность, затем регистрацию продолжали, предъявляя модель КС. После выключения КС повторно регистрировали спонтанную активность. В ряде опытов после выключения КС и двухминутного перерыва предъявляли ГС. В каждом случае регистрацию проводили в течение 2040 с. Всего было зарегистрировано 76 спонтанно-активных нейронов. Эксперименты проводили в анэхоидной звукозаглушенной камере при температуре 19-22°С.
Магнитные записи оцифровывались с частотой 8 кГц при помощи программы Cool Edit Pro. Обработка результатов и их графическое оформление осуществляли при помощи программы Mini Analysis и Origin v. 6. Для статистической обработки использовали пакет Statgraphics plus v5.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Типы спонтанной активности центральных нейронов. Анализ полученных результатов позволяет выделить нейроны четырех основных типов.
К первому из них относятся нейроны, разряжающиеся без видимой периодичности. Гистограммы их межимпульсных интервалов (МИИ) унимодальны и ассиметричны (рис. 1, а). В наших экспериментах такие клетки встречались сравнительно редко, их мода составляла 6-8 или 14-16 мс.
Для второго типа спонтанной активности характерна стабильная частота повторения спай-ков. Их МИИ колеблются в незначительных пределах, в результате чего получаются унимодальные гистограммы со значительным эксцессом (рис. 1, б). Почти у всех зарегистрированных нейронов этого типа мода лежит в пределах от 10 до 16 мс.
Помимо таких "пейсмейкерных" клеток довольно часто встречаются нейроны, МИИ которых распределяются в более широких пределах. Их диаграмма занимает диапазон от 4-6 до 100150 мс или до 200 мс. В первом случае мода составляет 40-60 мс (рис. 1, в), во втором 90-100 мс.
В одном опыте был зарегистрирован нейрон, дававший мультимодальную гистограмму МИИ с модами близкими к 5, 25, 50, 75, 125 мс.
Влияние модели конспецифического призывного сигнала на ритмическую активность нейронов. В данной работе мы исследовали нейроны, которые не давали выраженной ответной реакции на звуковые посылки, поэтому мы можем отнести их к категории неслуховых. При включении модели КС, часть зарегистрированных нейронов не меняла характера спонтанной активности. Это касается уровня импульсации, формы распределения МИИ и моды соответствующих гистограмм. Од-
а
мии
140 120 100 80 60 40 -20 -
0 120
100
80
60 -
50
40 20
10 20 30 40 им
50 60 70
70 60 50 40 30 20 10
0 80 70 60 50 40 30 20 10
ШМ
5 10 15 20 25 30 35 40
"Т^-Т-П- I -Г^-Т-П- I
0 5 10 15 20 25 30 35 40
мс
0
Рис. 2. а, б-гистограммы межимпульсных интервалов нейронов 203/4 (а), 74/1 (б) из шейных коннективов до (■) и во время (□) предъявления конспецифического сигнала. По горизонтали - время (мс), а - бин 2 мс, б - бин 4 мс. По вертикали - число межимпульсных интервалов, мии. Различия значений интервалов в гистограммах статистически достоверны р < 0.05; в, г - постстимульные гистограммы нейрона 203/4 из шейного коннектива, в - до включения конспецифического сигнала, г - во время предъявления конспецифического сигнала (объяснение в тексте). По горизонтали - время, мс (бин 4 мс). По вертикали - число импульсов, им. Линия внизу - время действия звукового стимула. Время анализа 10 с.
мс
80 •
70 •
60 • * -• •
50 • •
40
30 -
20 а» •
10 -
0
80
70
60
• •• 50
• « И 2 40
• •• •
• • 30
• 20
1 1 10 1
60 80 100 0
• >
•л. -
80 г
70 -
60 _ •
50 • - •
40
30
20 • •
10 -
0
100 120 140 160 240 260 280 300 320 340
ИН
а
Рис. 3. Тахограмма спонтанно-активного нейрона 133/1 после включения КС.
а - первые 5 с после включения звука; б - следующие 3.5 с после включения звука; в - следующие 5 с после включения звука. По горизонтали - номер интервала, ин, по вертикали - длительность интервалов, мс.
нако таких нейронов было не много, и большинство клеток при воздействии КС перестраивало свою активность. Эти перестройки проявлялись в изменении уровня импульсной активности, её ритма, а также в фазовых изменениях.
Включение КС вызывало изменение моды на гистограммах МИИ: у одних клеток в сторону уменьшения, у других - увеличения. Так, на гистограммах, представленных на рис. 2, а, характер распределения МИИ изменился незначительно, в то же время пик гистограммы сместился с 22 до 16 мс, а уровень импульсации несколько возрос. У другого нейрона (рис. 2, б) после включения КС при сохранении формы гистограммы мода сместилась с 34 до 40 мс, а уровень импульсации снизился.
Большой интерес представляют фазовые перестройки в работе нейронов, связанные с действием звуковых сигналов. Для их выявления мы строили постстимульные гистограммы (ПСТГ). В качестве контроля использовали гистограммы, построенные так же, как при действии призывного сигнала, где для начала счета спайков использовали синхроимпульсы, отмечавшие начало и конец действия звукового пульса трели, но сам пульс отсутствовал. На рис. 2, в, г видно, что при отсутствии звука появление спайков в данном временном интервале практически равновероятно. После включения звука, вероятность появления спайков во время действия пульса существенно увеличивается (до 60%).
Влияние КС на активность нейронов может проявляться как в течение длительного времени, так и в достаточно короткий временной период. Для выявления таких эффектов мы проанализировали тахограммы зарегистрированных нейронов. На рис. 3, а видно, что после включения сигнала в течение первых 4 с наблюдается широкая дисперсия МИИ, которая регистрируется и до включения звука (от 10 до 80 мс). В течение сле-
дующих 3.5 с она существенно сокращается и МИИ обычно меняются в пределах от 25 до 50 мс (рис. 3, •). Следует отметить, что в использованном для стимуляции сигнале период повторения пульсов составлял
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.