УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2007, том 38, № 4, с. 21-38
УДК 612.822.3
РОЛЬ ДОФАМИН-ЗАВИСИМЫХ ПЕРЕСТРОЕК АКТИВНОСТИ В ЦЕПЯХ КОРА-БАЗАЛЬНЫЕ ГАНГЛИИ-ТАЛАМУС-КОРА В ЗРИТЕЛЬНОМ ВНИМАНИИ (ГИПОТЕТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ)
© 2007 г. И. Г. Силькис
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
Предложен механизм внимания, согласно которому его влияние на обработку зрительных стимулов запускается выделением дофамина в стриатуме. При непроизвольном внимании к выделению дофамина приводит активация стимулом через таламус стрионигральных клеток и последующее растор-маживание через базальные ганглии нейронов верхнего двухолмия. При произвольном внимании к выделению дофамина приводит активация префронтальной коры. Увеличение реакций корковых нейронов на стимул, на который направлено внимание, и подавление реакций на другие стимулы является результатом разнонаправленного модулирующего действия дофамина на эффективность сильных и слабых корково-стриатных входов. Это приводит к изменению выходных сигналов из ба-зальных ганглиев ("фильтра внимания"), которые через таламус оказывают соответственно растормаживающее и ингибирующее действие на первоначально сильно и слабо возбужденные корковые нейроны. Из модели следует, что вниманием могут модулироваться только те компоненты ответов, чья латентность превышает латентные периоды реакций дофаминергических нейронов на зрительные стимулы (80-100 мс).
Зрительное внимание - одна из важных функций мозга, позволяющая выбирать и обрабатывать в первую очередь высоко приоритетную информацию в зрительном поле. Полагают, что роль зрительного внимания состоит не столько в точном и полном описании мира, сколько в усилении иерархического восхождения сигналов в зрительных корковых полях, приводящего к нейронному представлению того зрительного мира, которое доминирует по поведенческой значимости [95]. При этом взаимодействие восходящего (снизу-вверх) потока зрительной информации и нисходящего (сверху-вниз) влияния внимания создает в коре интегрированную карту, являющуюся отображением значимого стимула [95]. Обзор данных о влиянии внимания на зрительную обработку на разных уровнях зрительной и других систем мозга приведен в работе [59]. В частности, это влияние проявляется, в усилении нейронных реакций на стимул, на который направлено внимание, и ослаблении реакций на игнорируемые стимулы [54, 95].
Существуют различные нейрофизиологические модели внимания. Согласно одной из них, основными структурами, реализующими внимание, являются лобная кора, корково-корковые взаимодействия, лимбические структуры и неспецифические таламические ядра [5]. Преобладает мнение, что корково-фугальные проекции, с одной стороны, обеспечивают позитивную обратную связь с корректным входом, а с другой стороны, ингибируют неподходящую информацию
[51]. Механизмы произвольного избирательного внимания обсуждаются в литературе наиболее часто. Обзор предполагаемых механизмов этого типа внимания приведен в работе [6]. Существующие данные указывают на то, что источником произвольного внимания является префронталь-ная кора (ПфК), функционирование которой в этом качестве обеспечивает связанное с ней ме-диодорзальное ядро (МДЯ) таламуса. На важный вклад МДЯ указывает тот факт, что его повреждение приводит к дефициту внимания [25]. Согласно механизму внимания, предложенному в работе [77], фокус внимания в зрительной коре, генерируя колонку увеличенного коркового входа в релейное таламическое ядро - наружное коленчатое тело (НКТ), одновременно подавляет окружающую активность за счет ГАМК-тормо-жения. Это торможение осуществляется за счет возбуждения сверху-вниз нейронами первичной зрительной коры ГАМК-ергических клеток зрительного сектора ретикулярного ядра (РЯ) таламуса, проецирующихся исключительно в таламус, что создает петлю обработки зрительной информации. Показана избирательная активация РЯ у крыс, обращающих внимание на новый стимул, что привело к предположению о выполнении этим ядром функции тормозного интерфейса или "затвора внимания", регулирующего поток информации из таламуса в кору [77].
Однако в большинстве моделей не учтено то обстоятельство, что помимо РЯ тормозное воздействие на нейроны различных ядер таламуса
22
силькис
мдя
Интр
Зрительный таламус
РЯ
Сетчатка
Зритель- Височно- Префрон-
ные поля теменные тальная
кора
Ассоциативные БГ
Лимбические БГ
Ч /
ч-.<:
.......-[----у......ч; [
1/ДА
ВД
ЧВк
ВПП
Рис. 1. Ассоциативные и лимбическая цепи кора-базальные-ганглии-таламус-кора, участвующие в обработке зрительной информации. Зрительный таламус-таламические ядра, участвующие в передачи зрительной информации из сетчатки в кору; Интр - интраламинарные ядра таламуса, участвующие в передаче "внутренней" информации через таламус в кору и в базальные ганглии (БГ); РЯ и МДЯ - ретикулярное и медиодорзальное ядра таламуса; ЧВк - компактная часть черного вещества; ВПП - вентральное поле покрышки; ВД - верхнее двухолмие. Ядра базальных ганглиев заштрихованы. Стрелки - возбудительные входы; сплошные и пунктирные линии с ромбами - ингибирующие и растормаживающие входы, штрих-пунктирные линии со стрелками - дофаминергические входы; двойные линии со стрелками - реципрокные связи.
(включая РЯ) оказывают выходные ядра базальных ганглиев (БГ) (рис. 1). В свою очередь, на активность нейронов выходного ядра БГ - ретикулярной части черного вещества (ЧВр) ингибиру-юще влияет входное ядро БГ - стриатум, куда поступает возбуждение из новой коры. На участие БГ в процессах внимания было указано более тридцати лет назад на основании данных о том, что подрезка входов из нижневисочной коры в БГ вызывает такие же нарушения внимания, как и удаление самой коры [8]. Позднее было выдвинуто предположение [15], что БГ могут участвовать в процессах внимания благодаря тому, что стриатум находится под влиянием систем подкрепления, а также вследствие того, что распределение активных участков стриатума зависит от корковых входов в эту структуру. Поскольку выходы из стриатума через ЧВр в тала-мические ядра организованы топически, на уровне таламуса образуется фильтр для восходящей активности, настроенный в соответствии с активностью стриатума и зависящий как от результатов предшествующей обработки информации в коре, так и от уровня мотивационного возбуждения [15].
Селективное внимание рассматривают как одну из форм селективной деятельности, направленной на поиск стимула для обработки [7]. Ранее нами было указано на то, что один и тот же дофа-
мин-зависимый механизм может лежать в основе как функционирования моторной цепи кора-ба-зальные ганглии-таламус-кора (К-БГ-Т-К), участвующей в выборе двигательной активности, так и функционирования нейронных цепей К-БГ-Т-К, в состав которых входят зрительные области коры и которые участвуют в обработке зрительной информации [9, 12]. Эти модели позволяют предположить, что дофамин-зависимые перестройки активности в нейронных цепях К-БГ-Т-К могут участвовать не только в обработке зрительных стимулов, но и в выборе стимула для лучшей обработки, т.е. в процессах внимания. В наших моделях в основе функционирования нейронных цепей К-БГ-Т-К лежит модулирующее действие дофамина на эффективность корково-стриатных входов, а участие дофа-минергической системы в эффектах внимания хорошо известно [40].
Задачей настоящей работы являлся анализ возможных механизмов участия нейронных цепей К-БГ-Т-К и дофамина в модулирующем влиянии внимания на обработку зрительных стимулов. При решении поставленной задачи мы опирались на предложенные нами ранее механизмы участия БГ в обработке зрительной информации, возникновении галлюцинаций и выборе двигательной активности [9, 10, 12]. Кроме того учитывались известные из литературы экс-
периментальные данные, указывающие на участие различных элементов цепи К-БГ-Т-К и до-фаминергического входа в стриатум в зрительном внимании.
ИЗВЕСТНЫЕ ДАННЫЕ ОБ УЧАСТИИ РАЗЛИЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ЦЕПИ КОРА-БАЗАЛЬНЫЕ ГАНГЛИИ-ТАЛАМУС-КОРА И ДОФАМИНА В ЗРИТЕЛЬНОМ ВНИМАНИИ
К настоящему времени накоплены многочисленные данные об участии в зрительном внимании таких структур, как новая кора, таламус и БГ. При произвольном внимании активность первоначально возникает в ПфК откуда передается в другие области коры [7]. Механизм появления произвольной активности ПфК неясен, но предполагается, что ее характер зависит от часто предъявлявшихся ранее стимулов, которые могли сформировать в сенсорной памяти "след внимания", позволяющий произвольно поддерживать воспроизведение характеристик стимула в сенсорной памяти [7]. При произвольном внимании, направленном на поиск стимула, еще до его появления усиливается нейронная активность не только в корковых областях, участвующих в обработке свойств стимула, на которые направлено внимание [74, 90], но и в стриатуме [60]. Кроме ПфК и хвостатого ядра (ХЯ) стриа-тума при зрительном внимании активируются другие ядра БГ, включая бледный шар, а также связанные с БГ срединные таламические ядра, верхнее двухолмие (ВД), затылочная и теменная области коры [16, 39, 60, 61, 80]. Наоборот, при дефиците внимания, активность во фронтальных корковых областях, ХЯ и бледном шаре снижена [28].
Стриатуму отводят особую роль в обработке сенсорной информации [87]. Повреждение ХЯ стриатума приводило к ухудшению внимания (в дополнение к другим нарушениям) [23]. Судя по результатам работы [34], дорзо-центральный стриатум, в котором оканчиваются терминали из коры и таламуса является одним из ключевых компонентов ассоциативной цепи, вовлеченной в направленное внимание. На участие в привлечении внимания корково-стриатного входа указывают данные об ухудшении аккуратности выполнения требующих внимания задач, как после уни-латерального повреждения медиальной ПфК и медиальной части ХЯ или скорлупы стриатума, так и после нарушении связей между медиальной ПфК и вентральной частью стриатума - прилежащим ядром (ПЯ) [35, 36].
Показано, что внимание существенно зависит от воздействия дофамина именно на нейроны стриатума. Так, небольшие повреждения дофа-минергического входа в стриатум обез
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.