ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2014, том 40, № 1, с. 5-12
УДК 612.82
ЗНАЧЕНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ И ОСЦИЛЛЯТОРНОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ ТАЛАМУСА В ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОЙ
ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА
© 2014 г. А. С. Седов, Р. С. Медведник,
ФГБУНИнститут химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва Поступила в редакцию 11.10.2012 г.
Анализировали частотно-временные характеристики и межнейронное взаимодействие ансамбля клеток неспецифического (СМ-Р/) и моторного (Уо/) таламуса человека, зарегистрированных с помощью микроэлектродной техники в ходе 18 стереотаксических операций у больных дискинезия-ми. Установлено, что предъявление функционально значимых вербальных стимулов вызывало быстро протекающую (0.5—1.5 с) локальную синхронизацию и стабилизацию осцилляторной (3—6 Гц) активности близлежащих нейронов неспецифического (СМ-Р/) таламуса. Эти фокусы синхронизированной и осцилляторной активности нейронов на поведенческом уровне коррелировали с моментом наибольшей концентрации селективного внимания человека. Схожие быстро протекающие явления синхронизации наблюдались в моторном (УЫ) и неспецифическом (СМ-Р/) таламусе мозга человека при реализации произвольных движений. Синхронизация нейронной активности возникала на высоте реализации двигательного акта, коррелируя с максимальным напряжением мышц, а также в последействии от произвольного движения.
Полученные данные свидетельствуют об участии локальных синхронизированных и осцилля-торных (3—6 Гц) процессов в нейронных ансамблях СМ-Р/и Уо1 ядер таламуса, в механизмах передачи функционально значимой информации при реализации целенаправленной деятельности человека.
С. Н. Раева
Ключевые слова: человек, нейрон, таламус, синхронизация, осцилляция, микроэлектрод, спастическая кривошея.
Б01: 10.7868/80131164614010147
Изучение различных классов колебательных процессов является одной из актуальных проблем современной биологии и смежных с ней нейронаук. Классические представления о процессах синхронизации опираются на понятия близости частот (или их гармоник) или скоординированности фаз подсистем, продуцирующих периодические колебания [1]. Особый интерес для понимания механизмов нервной деятельности человека в условиях нормы и патологии имеют осцилляторные синхронизированные электрические процессы, регистрируемые как на уровне ЭЭГ биопотенциалов в коре больших полушарий [2—4], так и в импульсной активности нейронов некоторых подкорковых структур мозга [5—13].
Ранее было показано, что явления синхронизации и осцилляторной активности тесно связаны с механизмами, участвующими в высших ин-тегративных функциях мозга [1—3, 5, 14]. Так, в работах М.Н. Ливанова [2, 3] при выработке условных рефлексов у кроликов было показано, что синхронность колебаний биопотенциалов в
диапазоне частот 4—7 кол/с способствует передаче возбуждения в коре больших полушарий, облегчая проведение функционально значимой информации. В обзоре А. Абарбанеля с соавт. описано важное значение явлений синхронизации в распознавании зрительных образов и кратковременной ассоциативной памяти [1]. М. Стериаде с соавт. рассматривают процессы синхронизации в качестве одного из важных механизмов кортико-таламо-кортикальной интеграции [5, 7, 14].
Предполагается, что основу внутриталамиче-ской синхронизации составляет наличие замкнутых внутриталамических (вентробазальный комплекс — ретикулярное ядро — интраламинарные ядра) и таламокортикальных (кора — ретикулярное ядро — интраламинарные ядра — кора) петель, циркулирующих в неспецифическом таламусе и коре при проведении сенсорной информации [5— 6, 14—16]. Согласно П. Андерсену и соавт. [6], важную роль в механизмах таламической синхронизации играет возвратное торможение, обусловленное наличием локальных интернейронов в
центральном таламусе. Сложная конфигурация дендритных коллатералей ретикулярного ядра таламуса позволила многим авторам рассматривать эту структуру как одно из ключевых звеньев, участвующих в процессах синхронизации в таламусе [6, 17].
В настоящее время в литературе отсутствуют данные, посвященные глубокому изучению роли процессов локальной синхронизации и осцилля-торной активности нейронов таламуса в целенаправленной деятельности человека. Целью настоящего исследования был анализ синхронизации и осцилляторных процессов, протекающих в клеточных ансамблях неспецифического (СМ-Р/), и моторного (Уо/) ядер таламуса человека, при активации селективного внимания и осуществлении произвольного движения с применением корреляционного анализа и вейвлет-преобразований.
МЕТОДИКА
В работе представлены результаты компьютерного анализа внеклеточно отводимой импульсной активности 144 нейронов парафасцикуляр-ного (СМ-Р/) комплекса и 55 нейронов вентро-орального (Уо/) ядра таламуса человека у больных спастической кривошеей. Экспериментальные данные были получены в ходе 18 стереотаксиче-ских нейрохирургических операций в Институте нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко РАМН (хирурги Н.Я. Васин, М.Р. Меджидов). Операции проводили под местной анестезией в лечебных целях. Экстраклеточное отведение импульсной активности нейронов осуществлялось с помощью вольфрамовых микроэлектродов (диаметр кончика 1—3 мкм, сопротивлением 1—5 МОм), вводимых в мозг человека с помощью специально сконструированного устройства [18]. В ходе исследования последовательно анализировали динамику и взаимосвязь изменений, протекающих на клеточном, корковом и периферическом уровнях от момента предъявления релевантного вербального (или сенсорного) стимула до осуществления произвольного действия. Одновременно с активностью нейронов регистрировали: электро-миограмму (ЭМГ) мышц сгибателей и разгибателей пальцев рук и мышц шеи (т^вгп., тЛгар., тлр1вп.), электроэнцефалограмму (ЭЭГ) в стандартных отведениях и фонограмму (ФГ) речевых (или сенсорных) стимулов. Локализацию исследованных зон мозга контролировали рентгенологически с использованием атласа Шальтенбранд-та и Бейли [19].
Для идентификации подкорковых структур мозга использовали ранее разработанную методологию, основанную на применении функциональных тестов, запускаемых речевыми командами [10]. Анализировали изменения, возникающие в нейронах СМ-Р/ и Уо/ ядер таламуса при
предъявлении двух основных типов стимулов: 1) функционально значимых речевых стимулов, вызывающих активацию внимания ("Внимание!", "Приготовились!" и т.п.) и/или побуждающих человека к выполнению какого-либо активного действия (типа "Левую руку ... поднимите!"); 2) функционально незначимых словесных (или сенсорных) раздражителей, неинформативных для больного (например, "Кадр 5", "Глубина 43 мм" и т.п.). Кроме того анализировали изменения, возникающие в нейронах на этапе реализации произвольных движений (сжимание руки в кулак, поднимание руки), запускаемых речевыми стимулами, и в последействии от них.
Динамику межклеточных взаимодействий исследовали с помощью методов корреляционного анализа путем построения кросскорреляционной матрицы (ККМ) по данным текущей частоты разрядов. ККМ представляет собой множество точек на плоскости, где по осям отложено время для одного и другого нейрона, а точки ставятся в случае, когда коэффициент корреляции между нейронами имеет значение не меньше заданного (0.9— 0.99). Усреднение текущей частоты разрядов нейронов осуществлялось по однотипным тестам. Коэффициент корреляции определяется формулой:
_ (х1г - (Х1 г_) (х'у - (Ху))
(1)
У
где /,] = 1, ..., п; I = 1, ..., т; х 1, х2 — текущая частота разрядов для двух нейронов; 5 — среднеквадратичное отклонение; т — количество стимулов, п — эпоха анализа (в количестве "точек" процесса с заданным бином).
Для исследования динамики частотных характеристик импульсной активности нейронов использовалось непрерывное вейвлет-преобразова-ние. Вейвлет-коэффициенты СаЬ сигнала х(0, соответствующие масштабному коэффициенту а и положению Ь, определяются формулой:
Са, Ь _
4~а
|х ((
I - Ь
(И.
(2)
В качестве материнского вейвлета использовался вейвлет Морле, поскольку он хорошо локализован как во временной, так и в частотной области. В общем случае вейвлет Морле комплекс-нозначный. В настоящей работе использовалась его действительная часть, определяемая следующим аналитическим выражением:
у(() _ ео8(к0?)е
к = 6),
(3)
где у — вейвлет Морле, t — переменная (время), к0 — константа.
1г
зо
Г/2
Значения текущей частоты разрядов хк одиночных нейронов или ансамбля близлежащих клеток сглаживались с помощью Гауссовского фильтра. Бин текущей частоты выбирался исходя из особенностей паттерна импульсаций и исследуемых частотных характеристик (50—200 мс). Вычисленные по формулам (2) и (3) вейвлет-ко-эффициенты сглаживались с помощью фильтра скользящего среднего.
Для исследования характеристик частотной и фазовой синхронизации активности нескольких близлежащих нейронов был разработан подход [20], основанный на вычислении матрицы произведения вейвлет-коэффициентов двух близлежащих нейронов. Он состоял из нескольких этапов:
1) вычисление вейвлет-коэффициентов С(а, Ь) и С ¡(а, Ь) по формулам (2),(3) для текущей частоты хк одного / и другого] нейрона;
2) вычисление матрицы произведения вей-влет-коэффициентов для N однотипных тестов:
N
Кц(а, Ь) = С (а> ь) С(а> ь), (4)
п
где п = 1, 2, ..., N
3) нормировка и сглаживание полученной матрицы.
Полученная матрица Щ позволяла выявить и локализовать моменты возникновения частотной (при Щ < 0) и фазовой (при Щ > 0) синхронизации, возникающей в ансамбле близлежащих нейронов.
Статистический анализ полученных данных (оценка средних, дисперсий, достоверности изменений) проводили с помощью программы Sta-йяИса с использованием ¿-критерия Стъюдента. Для статистического анализа использовали отрезки длительностью от 2 до 5 с до стимула, 4—7 с во время реализации движения и 2—5 с в последействии от него.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В наших предыдущих работах были описаны особенности фоновой активности СМ-Р/ нейронов, характеризующейся нерегулярными одиночными разрядами (А-тип) с частотой следования от 1 до 10 имп/с (х = 3.2; а = 1.5) и пачечной низкопороговой Са2+-зависимой ритмической (3—5 Гц) формой ак
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.