УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2011, том 42, № 2, с. 41-56
УДК 612.822.3
ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ УЧАСТИЯ ЦЕПЕЙ КОРА -БАЗАЛЬНЫЕ ГАНГЛИИ - ТАЛАМУС -КОРА В ВОСПРИЯТИИ ВРЕМЕНИ
© 2011 г. И. Г. Силькис
Государственное учреждение Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
Предложен механизм восприятия времени, базирующийся на постулате, что время поступления стимула (параметр "когда") - это такое же свойство стимула, как и его физические свойства (параметры "что"), так что при повторном возбуждении той области новой коры, в которой обрабатывается свойство "что", в ней же воспринимается ассоциация "что - когда". Время повторного возбуждения, определяющее тактовую частоту "внутренних часов", зависит от влияния дофамина на функционирование цепей кора - базальные ганглии - таламус - кора, которое способствует контрастному усилению активности первоначально возбужденных корковых нейронов. Аккумуляция отсчетов времени осуществляется в коре и кодируется числом нейронных разрядов. Длительность текущего интервала пропорциональна числу и длительности циклов повторного возбуждения коры. Отсчет времени может запускаться либо непроизвольно самим стимулом, либо произвольно за счет активации префронтальной коры. Механизм однотипен для стимулов разных сенсорных модальностей в силу сходства функционирования топически организованных цепей кора - базальные ганглии - таламус - кора. Из модели следует, что чем больше (меньше) концентрация дофамина в стриатуме, тем выше (ниже) тактовая частота, так что реальный интервал будет оцениваться более (менее) точно и казаться длиннее (короче). Эти следствия модели согласуются с известными экспериментальными данными.
Ключевые слова: восприятие времени, базальные ганглии, дофамин.
Оценивать время и временные последовательности событий жизненно необходимо организму для приспособления к окружающей среде. Необходимо иметь представление о течении времени вообще и оценивать время ожидания жизненно важных событий [64]. Различают перцептуаль-ное и концептуальное время, которые связывают с первой и второй сигнальной системой соответственно. Перцептуальная оценка времени позволяет синхронизировать поведение с повторяющимися последовательностями. Концептуальная оценка времени, отражающая свойства реального времени в понятиях и символах на основе абстрактного мышления и речи, позволяет человеку соотносить друг с другом изменения во времени и представлять себя во временных последовательностях. Из категории времени выделяют длительность интервалов между двумя событиями; последовательности во времени (раньше или позже); минимальный интервал, после которого два события воспринимаются как различные (по экспериментальной оценке 25-150 мс). При этом не исключают, что за каждой из подкатегорий может
стоять свой механизм восприятия. Обсуждается вопрос о том, является ли механизм восприятия времени централизованным для стимулов разных модальностей и базирующимся на высших надмо-дальных корковых областях, таких как дорзолате-ральная префронтальная и теменная, или в процесс вовлечены также специфические сенсорные зоны коры. Экспериментальные данные свидетельствуют в пользу последнего предположения. Так, показано, что в определении и воспроизведении временных интервалов для стимулов зрительной модальности участвуют экстрастриатные зрительные области [14, 57], а также средневи-сочная зрительная область У51МТ [12]. Верхневисочная извилина, область, специфичная для слуховой модальности, участвует во временной дискриминации звуковых стимулов [13, 37]. Наоборот, пациенты с повреждением правой части медиальной височной извилины испытывали затруднения при различении миллисекундных интервалов между звуковыми стимулами [72] и при воспроизведении именно звуковых, а не зрительных ритмов [88]. На основании данных о модаль-
ной специфичности восприятия времени было сделано заключение, что отображение времени распределено в мозге [35, 43].
Существуют разные подходы к пониманию механизмов восприятия времени, его запоминания и извлечения из памяти. Наиболее распространенной является гипотеза о существовании нейронного пейсмекера, т.е. "внутренних часов", и аккумулятора (pacemaker-accumulator timing models, РА) [74]. Предполагается, что накапливаемое аккумулятором число импульсов, генерируемых пейсмекером, пропорционально реальному временному интервалу. Таким образом, нейронным отображением временного интервала является накопленное нейронами за этот интервал число импульсов. В РА-модели, чем выше частота пейсмекера, тем больше разрешение и тем точнее определяется временной интервал, что способствует лучшему выполнению задач на различение интервалов. Предполагается, что частота пейсме-кера зависит от состояния испытуемого (например, от степени бодрствования) и что восприятие времени зависит от внимания, которое определяет задержку включения аккумулятора. Сдвиг внимания к стимулу может привести к более раннему включению аккумулятора и к удлинению воспринимаемой длительности стимула. В настоящее время вопрос о том, какие ритмические процессы определяют функционирование пейсмейкера, и какая структура выполняет функцию аккумулятора, продолжает обсуждаться [32, 36, 55]. Недостатки различных РА-моделей обсуждаются в работе [60]. В этой работе рассматриваются также недостатки спектральной модели восприятия времени (Spectral timing model), скалярной теории ожидания (Scalar expectancy theory), поведенческой модели восприятия времени (Behavioral model of timing), модели тактовой частоты (Beat frequency model) и ряда других моделей.
Результаты многочисленных экспериментальных исследований указывают на то, что в обработке суб- и супрасекундных интервалов времени участвуют базальные ганглии и что процесс обработки модулируется дофамином [22, 34, 37, 40]. Современный обзор таких данных проведен в работе [45]. Особо обсуждается вклад в восприятие времени дофаминзависимых изменений активности нейронов входного ядра базальных ганглиев, стриатума [37]. При повреждении стриату-ма или дофаминергического входа в стриатум из компактной части черного вещества (ЧВк) крысы были неспособны регулировать ответ, связанный со временем. Пик ответов нейронов стриатума располагался вокруг отметки времени, относительно которой происходило обучение [59]. Экс-
периментальные данные, полученные с помощью регистрации активности тысяч нейронов в пре-фронтальной коре и стриатуме при выполнении животными простой зрительно-моторной задачи, привели к предположению, что активность нейронов стриатума участвует в кодировании временных интервалов [21, 38]. При этом в сети, связывающей кору с базальными ганглиями, информация о времени представляет собой дополнительный продукт кодирования события, а само это кодирование - критично для обучения и поведения [21, 38].
Участие базальных ганглиев в восприятии времени является ключевым в разрабатываемой в последние годы модели "внутренних часов", названной моделью "частоты импульсаций стриатума" (Striatal Beat Frequency) [60, 66]. В SBF-модели восприятие интервалов базируется на возбуждении проекционных шипиковых нейронов стриа-тума корковыми осцилляторами, причем "внутренние часы" критически зависят от интеграции в стриатуме осциллирующей корковой активности, которая синхронизируется с началом стимула [60]. Эффективность входов из новой коры в стриатум отображает воспринятую ранее длительность интервала, а решение о длительности текущего интервала принимается на основании постси-наптического потенциала в шипиковом нейроне, который при достижении порога возникновения потенциала действия указывает на то, что произошло достаточное число совпадений корковых входов. Таким образом, в SBF-модели длительность временного интервала кодируется совпадением нейронной активности, а стриатум "следит" за сходством текущего и воспринятого ранее интервалов [60, 66]. В SBF-модели предполагается, что активность дофаминергических клеток ЧВк играет роль сигнала подкрепления и механизма, переводящего нейронную активность в другое состояние, а также "пересинхронизирующего" осцилляторную активность. Таким образом, ЧВк отводится роль "перцептуального стартового пистолета", инициирующего отсчет времени с начала анализируемого интервала [60].
С нашей точки зрения, основной недостаток SBF-модели - неопределенность того, как и куда передается информация о длительности временного интервала, если она закодирована в активности шипиковых нейронов стриатума. Как известно, шипиковые нейроны, а также их клетки-мишени являются ГАМКергическими, поэтому они не могут передавать возбуждение в таламус и другие подкорковые структуры. Кроме того, в SBF-модели не учитывается то обстоятельство, что увеличение или уменьшение эффективности
корковых входов к шипиковым нейронам стриа-тума зависит не только от корковой активности, но и от того, какой из нейронов - стриониграль-ный или стриопаллидарный - активируется, так как на первых располагаются преимущественно дофаминовые рецепторы типа Д1, а на вторых -типа Д2. Воздействие на Д1- и Д2-рецепторы приводит соответственно к потенциации и депрессии эффективности коркового входа. Поскольку то обстоятельство, что эти факторы не учитываются, является принципиальным и поскольку вклад ба-зальных ганглиев и дофамина в восприятие времени можно считать экспериментально доказанным, очевидно, что механизм восприятия времени, учитывающий вклад дофаминзависимых перестроек активности нейронов стриатума, должен отличаться оттого, который предлагается в ЖР-модели.
Механизм сенсорного (зрительного) восприятия, базирующийся на дофаминзависимых перестройках активности в нейронных цепях кора - базальные ганглии - таламус - кора (К -БГ - Т - К) был предложен нами ранее [6]. В настоящее время нами выдвигается гипотеза о том, что восприятие временных параметров сенсорных стимулов осуществляется в новой коре вместе с оценкой физических свойств этих стимулов и требует повторного возбуждения тех нейронов новой коры, которые вовлечены в обработку этих свойств. Время, затрачиваемое на повторное возбуждение коры, а также характер этого в
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.