ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2010, том 60, № 2, с. 236-246
= МЕТОДИКА
УДК 612.821.6
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫМ ПОВЕДЕНИЕМ СВОБОДНО ПЕРЕДВИГАЮЩИХСЯ КРЫС ПОСРЕДСТВОМ ТЕЛЕСТИМУЛЯЦИИ ПОДКРЕПЛЯЮЩИХ
СТРУКТУР МОЗГА
© 2010 г. К. Ю. Саркисова, М. Р. Новикова, М. И. Зайченко, М. Л. Парамохин,
Ю. С. Гадалин, Н. В. Гуляева
Государственное учреждение Российской академии наук Институт высшей нервной деятельности
и нейрофизиологии РАН, Москва, e-mail: karine@online.ru Поступила в редакцию 27.05.2009 г.
Принята в печать 26.10.2009 г.
Описываются процедуры, позволяющие подготовить лабораторных крыс к дистанционному управлению их целенаправленным поведением в открытом пространстве посредством телестимуляции подкрепляющих структур мозга. Крысам вживляли электроды в латеральный гипоталамус и латеральную преоптическую область. Через неделю после операции крыс помещали в камеру с педалью и подавали электрическую стимуляцию нарастающей/убывающей интенсивности в каждую точку для определения наиболее подходящей точки/полушария для предъявления вознаграждающей стимуляции, а также оптимальных параметров стимуляции и порогов вызываемых поведенческих реакций. Затем в Т-образном лабиринте животных обучали получать подкрепляющую стимуляцию мозга за побежку вперед и правильный поворот в левый или правый рукав лабиринта при предъявлении светового сигнала, указывающего на поворот влево или вправо. На последней стадии на крыс надевали рюкзак, содержащий основанный на ресивере дистанционно управляемый микростимулятор, соединенный с вживленными в мозг электродами, и помещали их в открытое пространство. Вознаграждающую стимуляцию мозга подавали дистанционно, используя трансмиттер, соединенный с компьютером. Крысы передвигались вперед, совершая "сканирующие" движения головой влево — вправо. Движение головы в желательном для экспериментатора направлении подкреплялось, а в нежелательном — нет. Животные, дистанционно управляемые посредством электрической стимуляции подкрепляющих структур мозга, передвигались из одного места пространства в другое в соответствии с любым маршрутом, задаваемым экспериментатором, преодолевали препятствия различной трудности, не реагируя на яркое освещение, посторонние звуки и другие внешние раздражители и не проявляя страха или "любопытства" — типичных реакций на новую обстановку. Чем труднее было препятствие, тем больше требовалось производить стимуляцию, чтобы заставить животное преодолеть его.
Ключевые слова: дистанционное управление, телестимуляция, целенаправленное поведение, электрическая стимуляция, подкрепляющие структуры мозга, самостимуляция, крысы.
Remote Control of the Goal-Directed Behavior of Freely Moving Rats by Telestimulation of the Rewarding Brain Structures
K. Yu. Sarkisova, M. R. Novikova, M. I. Zaichenko, M. L. Paramokhin, Yu. S. Gadalin, N. V. Gulyaeva
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: karine@online.ru
The procedures are described that make it possible to train laboratory rats for remote control of their goal-directed behavior in open environments by telestimulation of rewarding brain structures. Rats were implanted electrodes in the lateral hypothalamus and lateral preoptic area. A week after surgery, rats were placed in an operant chamber and given electrical stimulation of increasing/decreasing intensity to
each location to determine the most suitable site/hemisphere for reward delivery as well as the optimal stimulation parameters and the thresholds of behavioral reactions elicited. Then in T-maze, the animals were trained to obtain rewarding brain stimulation by running forward and turning correctly to the left or right arm of the maze in response to corresponding left- or right-turning light signal. At the last stage, rats were worn a backpack containing receiver-based remote-controlled microstimulator, connected to the implanted brain electrodes, and the animals were placed in open environments. The rewarding brain stimulation was delivered remotely using a transmitter connected to a laptop PC. Rats moved forward performing 'scanning' left-right head movements. Head movement in a desirable for the experimenter direction was reinforced. Animals remotely controlled by electrical stimulation of rewarding brain structures moved from one place of the environment to another according to any route given by an experimenter, overcame obstacles of different difficulties, not reacting to bright illumination, sounds and other external stimuli, and not exhibiting fear or curiosity, which are the typical reactions to novel surroundings. The more difficult was an obstacle the more stimulation was required to force an animal to overcome it.
Key words: remote control, telestimulation, goal-directed behavior, electrical stimulation, rewarding brain structures, self-stimulation, rats.
Исследования возможности управления поведением животных посредством дистанционного (беспроводного) электрического раздражения глубинных структур их мозга были начаты в 30-е годы после того, как были разработаны первые устройства для телестимуляции [15]. В дальнейшем эти исследования продолжались в течение многих лет параллельно с совершенствованием технических устройств, необходимых для их реализации [7, 9-11, 17 - 19, 26, 29, 30].
В начале 50-х годов всемирно известный американский психофизиолог профессор Йельского университета Хосе Дельгадо изобрел миниатюрное устройство, названное им "стимосивер" (соединение слов "stimulation" и "receiver" — стимулирующий приемник радиосигналов), и показал, что можно влиять на поведение животных (кошек, обезьян, быков) простым нажатием кнопки [7]. Стимо-сиверы были опробованы и на людях — в психиатрических клиниках. Используя электрическую стимуляцию определенных областей мозга, Дельгадо удавалось вызывать простые двигательные реакции (подъем лапы у кошки, сжатие пальцев в кулак, повороты головы у людей), а также вызывать и подавлять довольно сложное эмоционально окрашенное поведение (агрессия у высших обезьян и быков, гнев у людей). Однако, строго говоря, проблема управления поведением животных посредством электрического раздражения глубинных структур их мозга в этих исследованиях не была решена. Эффективность управления поведением была невысокой: эффект стимуляции мозга зависел от контекста, т.е. от экспериментальных условий, в которых производилась стимуляция [9, 17]. Так, стимуляция ла-
терального гипоталамуса у высших обезьян могла вызвать пищевое поведение (у сытого животного), половое или оборонительное поведение в зависимости от того, в каких условиях она производилась: в присутствии пищи, самки или агрессивного самца. Стимуляция мозга могла повысить социальный ранг обезьяны, однако эффект зависел от социального ранга особи, в присутствии которой производилась стимуляция. В присутствии субмиссивной особи эффект повышения ранга был выражен меньше, чем в присутствии доминирующей [19].
При исследовании возможности телеметрического управления передвижением животных была достигнута более высокая эффективность управления, а также хорошая повторяемость эффектов стимуляции [6, 16, 26]. Наиболее успешные исследования в этой области проводятся с 2002 г. группой биологов из Нью-Йоркского университета под руководством Джона Чэпена совместно с коллегами-инженерами из Университета Филадельфии [26, 29]. Ими была показана возможность управления движением крысы по радиоканалу с помощью джойстика и беспроводного передатчика. Электрическая стимуляция медиального переднемозгового пучка через вживленные в мозг электроды позволяла контролировать перемещения крыс с расстояния нескольких сот метров. Управление движением крысы осуществлялось путем стимуляции трех точек мозга: стимуляция сенсомоторной коры левого или правого полушария мозга (зоны представительства вибрисс) направляла движение крысы соответственно влево или вправо, а стимуляция медиального переднемозгового пучка
(зон "вознаграждения") вызывала движение вперед [26].
Цель наших исследований состояла в решении аналогичной задачи — осуществить дистанционное управление целенаправленным поведением свободно передвигающихся крыс посредством электрического раздражения глубинных структур их мозга. Другими словами, необходимо было заставить крысу переместиться из одной точки пространства в другую по заранее заданному маршруту. Следует отметить, что исследователи, занимающиеся управлением поведения животных, как правило, используют один из двух возможных подходов для решения этой проблемы — воздействие на центральные механизмы эмоций (мотиваций) или на механизмы движения. Управлять поведением животного можно на разных уровнях: можно с помощью электрической стимуляции вызывать сокращение той или иной мышцы и, вследствие этого, необходимое движение, а можно воздействовать на подкрепляющие структуры мозга, вызывая у животного мотивацию, приводящую к необходимому движению. На наш взгляд, управляя лишь сокращением мышц, вряд ли удастся заставить животное двигаться по определенному маршруту. Поэтому для решения поставленных задач нами в качестве экспериментального подхода была использована электрическая стимуляция положительно подкрепляющих структур мозга. Сущность использованного нами метода для управления движением крысы состояла в поощрении животного при совершении движения в нужном направлении и в отсутствие поощрения при совершении движения в нежелательном направлении. Вознаграждающую стимуляцию структур мозга производили по принципу "холодно-тепло-горячо".
МЕТОДИКА
Опыты проведены на 17 экспериментальных (с вживленными в мозг электродами) и 5 интактных крысах-самцах ^^аг с исходной массой 250—300 г. Интактных крыс использовали в качестве "контроля" в экспериментах с обучением в Т-образном лабиринте для определения подкрепляющей силы пищевого подкрепления по сравнению с электрической стимуляцией мозга. Операцию по вживлению электродов в мозг проводили на сте-реотаксическом приборе СТМ-1 (Россия) под наркозом. В качестве наркоза использо-
вали
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.