ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН Том 3 ,№ 2. 2007, стр. 86-94
БИОЛОГИЯ
УДК 612.8+591.18
ВНУТРИКОРКОВЫЙ МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ВЕРЕТЕНООБРАЗНОЙ АКТИВНОСТИ В КОЛОНКАХ СОМАТИЧЕСКОЙ КОРЫ КРЫСЫ
© 2007 г. А.Г. Сухов1, Т.С. СердюкЦ Л.А. Коняхнна'
Микроэлектродное исследование пространственно-временной организации фокальной веретенообразной активности в идентифицированных колонках соматической коры крысы выявило внутрикорковый локальный характер ритмогенеза в каждой из колонок независимо от характера активности ядер таламуса. Ритм веретен в корковых колонках начинался с появления положительных волн с частотой следования 8-12 кол/с, отражающих процессы эндогенной пейсмекер-ной гиперполяризации корковых нейронов. Эти локальные волны гиперполяризации, электрото-нически синхронизированные с участием электрических дендро-дендритных синапсов, а не волны таламокортикальной активации, как считалось ранее, играют ведущую роль в локальном развитии веретен в корковых колонках.
Ритмическая активность является фундаментальным свойством, характерным как для одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Например, ритмичные движения ресничек с частотой 10-40 кол/с и у одноклеточных ресничных инфузорий, и у ресничек дыхательного эпителия млекопитающих взаимоскоординиро-ваны и однонаправлены, причем частотная регуляция и взаимная координация движения отдельных ресничек регулируются различными генетически определенными внутриклеточными механизмами.
Ритмогенез биоэлектрической активности коры головного мозга млекопитающих также наиболее выражен в диапазоне от 1 до 30 кол/с и тесно связан с функциональным состоянием мозга. Особое внимание нейрофизиологов привлекает сигма-ритм, или веретенообразная активность с частотой 8-12 кол/с, которая наблюдается при переходе от состояния активного бодрствования к пассивному бодрствованию и легкой дремоте, что объясняет актуальность ее изучения в рамках выяснения нейрофизиологических механизмов формирования разных функциональных состояний мозга.
Однако уже начало электроэнцефалографических исследований головного мозга в 1930-1940-х годах сопровождалось дискуссией между сторонниками собственного внутрикор-
1 Научно-исследовательский институт нейрокибернети-ки им. А.Б. Когана Южного федерального университета. Ростов-на-Дону.
кового механизма ритмической активности коры, постулированного Бремером в 1935 году, и его оппонентами, отводившими главную роль в ритмогенезе подкорковым влияниям и таламо-кортикальному взаимодействию. Краткий обзор этой дискуссии приведен в содержательной работе Кристиансена и Куртис в 1949 г. [1], в которой авторы приводят собственные экспериментальные данные о возможности развития веретенообразной активности в изолированной коре кошек через 5-7 ч после операции, что убедительно свидетельствовало о наличии собственного внутрикоркового механизма ритмогенеза, важная роль в котором, по их данным, принадлежит ацетилхолину. К сожалению эта прекрасная работа не получила широкой известности и общего признания в связи с возникшим в 1950-х годах бумом микроэлектродных исследований ней-рональной и синаптической активности.
Поэтому до настоящего времени общепринятое объяснение механизмов генерации веретенообразной активности приводится в рамках ней-росетевой синаптической организации таламо-кортикального взаимодействия, согласно которой роль первичного водителя сигма-ритма отводится ритмично возникающим залпам активации та-ламокортикальных нейронов релейного ядра таламуса, а кора головного мозга является ведомой, вторично вовлекаемой в ритмогенез структурой [2].
Однако признание этой гипотезы требует наличия строго определенной временной последовательности между первичным развитием зал-
пов веретенообразной активности в релейных ядрах таламуса и последующим вторичным появлением ритмической активности в коре с постоянной временной задержкой, равной времени таламокортикального проведения, что, однако, наблюдается достаточно редко. В связи с этим разные авторы предпринимали попытки модификации нейросетевой гипотезы Андерсена, Экклса с поиском ведущих пейсмекеров не только в специфических [3-5], но и в различных неспецифических ядрах таламуса [6, 7, 8, 9], в гипоталамусе [10, 11, 12], в ретикулярном ядре таламуса [13-15]. Так, Нарикашвили утверждал, что "веретенообразная активность возникает локально в специфических таламокортикальных системах и генерируется в специфическом тала-мическом передаточном ядре", причем стимуляция неспецифических ядер таламуса, по его данным, в большинстве случаев никак не влияла на веретена [3, 4]. Однако Моянова, признавая ведущую роль специфической таламокортикаль-ной системы в генерации веретен, отмечает возможность участия и неспецифических ядер таламуса в генерации и модуляции веретенообразной активности в коре мозга [5]. В то же время Бури-ков и Вербицкий ведущую роль в генерации веретен отводили неспецифической таламокорти-кальной системе, состоящей, по их мнению, из отдельных таламокортикальных единиц, которые и являются структурной основой генерирования локальных веретен [6-9]. Однако наше нейроморфологическое исследование организации таламокортикальных связей отдельных колонок соматической коры крысы методом ретроградного аксонного транспорта флюорохрома примулина [16] не выявило таких таламокортикальных единиц в неспецифических ядрах таламуса, при наличии четких группировок меченых примулином нейронов в баррелоидах специфического релейного ядра, моносинаптически связанных с соответствующими корковыми колонками. Поэтому Сунцова и Буриков полагают, что и другие синхронизирующие подкорковые образования, в частности гипоталамус [10-12], вовлекаются в генез ритмической активности. Наиболее обширные поиски ведущих пейсмекеров веретенообразной активности при выполнении докторской работы были предприняты Сунцовой [10-12], которая регистрировала фокальную и импульсную активность в соматосен-сорной и зрительной коре, в различных ядрах таламуса, в хвостатом ядре, заднем гипоталамусе, в латеральной и медиальной преоптической областях мозга. По ее данным, в большинстве случаев веретенообразная активность в латеральной
преоптической области появлялась на 3-60 с раньше, чем в медиальном таламусе и сенсомо-торной коре, однако в ряде случаев корковые веретена в коре могли появляться раньше, чем в других структурах мозга, причем направление фазовых сдвигов между веретенами разных структур могло меняться от веретена к веретену, так же, как и частотные параметры веретен в разных отделах мозга. Более того, экстирпация таламуса не исключала возможности развития веретенообразной активности в других структурах мозга, что позволило Сунцовой высказаться "против представлений о жесткой закрепленности пейсмекерной функции за таламическими образованиями" и заставило ее искать первичные пейсмекеры в других участках мозга, в частности в преоптической области гипоталамуса. Вместе с тем в ряде работ, в том числе в многочисленных и хорошо известных работах лаборатории Стериаде [13-15], в качестве первичных водителей ритма веретен рассматриваются тормозные нейроны ретикулярного ядра таламуса, пачечная активность которых обусловливает развитие ритмичных волн гиперполяризации в таламокортикальных нейронах как специфических, так и неспецифических ядер таламуса с последующим вовлечением в ритмогенез и корковых нейронов. Подобная точка зрения очень хорошо отражает реальный механизм развития веретенообразной активности на таламическом уровне, но не может объяснить часто наблюдаемое развитие веретен в коре при отсутствии ритмической активности в таламусе.
Таким образом, поиски первичных ведущих ритмогенераторов для коры не давали однозначного результата, что обычно объясняли недостаточно точной локализацией кончиков регистрирующих микроэлектродов в ведущих подкорковых и ведомых корковых синаптически связанных ансамблях нейронов, в которых и должно выявляться наличие постоянного и фиксированного в пределах 5-10 мс фазового сдвига. В связи с этими сомнениями исключительно удобным объектом для изучения роли таламокортикальных отношений в корковом ритмогенезе является соматическая кора крысы в зоне проекции вибрисс, где каждая вибрисса представлена отдельной группировкой клеток, так называемым бочонком, которому на уровне релейного ядра таламуса соответствует такая же группировка таламокортикальных нейронов, называемая баррелоидом.
Поскольку эти моносинаптически связанные ансамбли нейронов легко определяются по их ответам на стимуляцию соответствующей виб-
риссы, а также по наличию антидромных фокальных ответов в баррелоиде при прямой электрической стимуляции соответствующего бочонка в коре через регистрирующий микроэлектрод, это дает удобную методическую возможность детально изучить пространственно-временную организацию веретенообразной активности во взаимосвязанных таламических и корковых ансамблях для выяснения механизма ритмогенеза в корковых колонках, что и стало задачей нашего исследования.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Проведено 30 опытов с использованием одновременно 5-6 стеклянных микроэлектродов с сопротивлением 1-3 МОм для регистрации фокальной активности нейронов в верхних, супра-гранулярных во 11-1II слое и нижних, инфрагра-нулярных в V слое модулях корковых колонок, в соответствующих им баррелоидах релейного ядра, а также в ретикулярном и неспецифическом ядрах таламуса. В каждом опыте периодически через 0,5-1 ч с использованием АЦП-Ь205 проводилась регистрация фоновой активности с записью на жесткий диск ЭВМ Pentium III участков фона от 30 с до 3 мин, а также вызванные потенциалы на тактильную стимуляцию вибрисс или электрическую микростимуляцию регистрируемых структур через микроэлектроды с предъявлением 50-100 повторных стимулов. Использовался спектральный анализ для записей фоновой активности с расчетом спектров мощности, когерентности и фазовых кросспектров и усреднение вызванных потенциалов, с использованием критерия Стьюдента для оценки достоверности различий. Более подробно метод исследований описан ранее [17].
Выявлена возможность различного как более или менее с
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.