Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пластические перестройки спонтанной импульсной активности нейронов моллюска при различных режимах внутриклеточной электростимуляции

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Пластические перестройки спонтанной импульсной активности нейронов моллюска при различных режимах внутриклеточной электростимуляции"

ХАРЬКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ И ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. А.М.ГОРЬКОГО

ПЛАСТИЧЕСКИЕ ПЕРЕСТРОЙКИ СПОНТАННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ АКТИВНОСТИ НЕЙРОНОВ Ж)ЛЛЮСКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ВНУТРИКЛЕТОЧНОЙ ЙЛЕКТРОСТИМУЛЯЩИ

03.00.13 - физиология человека и животных

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

БЕЕБНЫЙ Яков Иосифович

Харьков-1991

Работа выполнена в Физико-техническом институте низких температур АН Украины, г. Харьков.

Научный руководитель - доктор биологических наук,

старший научный сотрудник

Могилевский Александр Яковлевич

Официальные оппоненты - доктор биологических наук,

профессор

Воробьева Тамара Михайловна,

- доктор биологических наук, профессор

Батуев Александр Сергеевич

Ведущая организация •• Институт нейрокибарнетики при Ростовском государственном университете.

Защита состоится " б " ^¿^¿г^/Л 1991 года в — на заседании специализированного совета К 053.06.07 в Харьковском государственном университете (310077, г. Харьков-77, площ. Дзержинского, 4) в ауд. 3-/Г.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан.

Ученый секретарь >

специализированного совета /ёггдк^а^ И.В.Никитченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из актуальных проблем современной нейробиологии является изучение основных принципов деятельности нервной системы, обеспечивающих формирование и реализацию индивидуальных адаптации, а также раскрытие природы и механизмов пластичности нервных клеток, лежащей в основе высших нервных функций. Под пластичностью подразумевается способность нейронов к изменению своей активности при смене биологического значения раздражителя (Анохин, 1974; Цитоловский, 1978; Шеперд, 1987; Осипов, I960). Такой вцд пластичности, связанный с избирательным изменением состояния нейрона при действии определенного стимула и ограниченный его мембранными и цитоплазматическими структурами без участия синалти-ческого аппарата, получил название эндонейрональной. Показано,что эндонейрональная пластичность может играть существенную роль в организации различных условнорефлекторных актов (Гайнутдинов, Штарк, 1986} Греченко, 1979; Котляр, 1986; Максимова, Балабан, 1983; Соколов, 1967, Burne , 1987).

Толчком к дальнейшему изучению эндонейрональной пластичности послужила разработка клеточных (нейрональных) аналогов условных рефлексов (УР), которые позволили упростить экспериментальную ситуацию при выработке УР заменой афферентных раздражений электрической или фармакологической стимуляцией нейрональных структур (Бабкина и др., I9Q9; Воронин JI.JI., 1970; Ратушняк, 1988; Кэндел, 1980; Alton , 1987; Carew , 1986; Hawking , 1986). Использование таких препаратов, устраняющих влияние сигналов неассоциативной природы, позволило исследовать клеточные основы обучения и поведения, в результате чего было показано, что отдельная нервная клетка обладает всем набором необходимых структур для того, чтобы реализовать аналоги таких сложных видов условнорефлекторкой деятельности как привыкание, облегчение, дифференцировка, классический условный рефлекс (Греченко, 1980; Дьяконова, 1987; Соколов, 1981; Стороэцук, 1986; Black , 1984; sina , 1961).

Одним из основных механизмов, обеспечивающих реализацию указанных эндонейрональных условнорефлекторных феноменов, является пластичность электровозбудимой мембраны, которая, наряду с пластичностью пейсмекерного аппарата клетки, определяет изменение ее электрического ответа на действие повторяющихся стимулов (Дьяконова, 1983, Гусельников, 1980; Соколов и др., 1975). Изменение характе-

I

pa электрического ответа нейрона при повторном нанесении-раздражений может проявляться как в изменении количества потенциалов действия (ЦД), вызванных действием стимула, так и в трансформации исходного ритма фоновой импульсации нейрона, которая может быть достигнута путем применения различных видов внешней афферен-тации, подведения естественных или искусственных биологически активных веществ или приложения непосредственно к клетке электрических воздействий. Последний путь представляет наибольший интерес, поскольку при простоте реализации и легкости дозировки воздействия, он позволяет количественно изучать зависимость между параметрами поляризующего тока и изменениями импульсной активности, обеспечивает универсальное воздействие на все клетки, независимо от их химизма, и исключает участие активных адаптационных механизмов хемочувствительных мембран из процесса пластических . перестроек спонтанной импульсации.

В литературе приводятся данные о влияниях на изменения спонтанной активности повторяющихся толчков тока и ритмической стимуляции (Альгульян, 1978Аракелов, 1977; Кэндел, 1980} Парцвания, 1985} Савостин, 1981; Parley , 1985), которые, однако, не исчерпывают всех возможных временных соотношений сигналов, поступающих к клетке в естественных условиях. Практически отсутствуют сведения о влияниях внутриклеточной случайной и ассоциативной (контингентной) электростимуляции, при которой нанесение внутриклеточных раздражений "привязано" к определенным временным компонентам спонтанной активности.

Для анализа пластических перестроек эндогенной ритмики наиболее важным представляется изучение влияний именно контингентных режимов стимуляций, при которых подача раздражений детерминирована исключительно наличием определенных частотно-временных компонентов эндогенной спайковой активности нейрона. В таких условиях нейрон, если он обладает способностью к инструментальному реагированию, получает реальную возможность изменить характер поступающих к нему внешних воздействий за счет адаптивных перестроек частоты и паттерна своей импульсации. Сопоставление динамики протекания пластических перестроек активности при контингентной стимуляции с эффектом действия на эту же клетку ритмической, случайной и псевдоконтингентной стимуляций позволило бы оценить приспособительную направленность пластических сдвигов спонтанной активности и более полно охарактеризовать эндонейроиальные адаптивные 2

возможности отдельных нейронов.

Исходя из этого, целью данной работы явилось исследование влияний различных режимов и параметров внутриклеточной электростимуляции на динамику изменений частоты, структуры и взаимосвязи компонентов спонтанной спайковой активности отдельных нейронов моллюсков в условиях управляемого биоадаптивного эксперимента.

Для достижения этой цели были определены следующие задачи;

1. Разработать методику биоадаптивного эксперимента с использованием средств вычислительной техники для управления эндогенной активностью клетки по различным критериям ее электрической импульсации.

2. Исследовать влияние различных режимов ритмической, случайной и ассоциированной с определенными компонентами спонтанного разряда (контингентной) электрической внутриклеточной стимуляции ка характер исходной эндогенной импульсации нервной клетки.

3. Определить взаимосвязи морфологических признаков и исходных электрофизиологических показателей различных нейронов с характером происходящих в них пластических перестроек фоновой активности при применении указанных воздействий.

4. Оценить эффективность различных видов внутриклеточных воздействий для достижения адаптивной трансформации исходной спонтанной ритмики.

Основные результаты исследований и их новизна. В работе впервые проводится сравнительный анализ влияния различных режимов ассоциированной и неассоциированной внутриклеточной электростимуляции на динамику изменений частоты, структуры и взаимосвязи отдельных компонентов исходной спайковой активности нейронов моллюсков. Выявлена адаптивная способность отдельных нейронов к минимизации или максимизации прикладываемых ассоциированных воздействий за счет изменений характера и частоты фоновой спайковой активности, обнаруживаемая только при проведении контингентной стимуляции. Показано, что данный феномен можно рассматривать как клеточный аналог инструментального рефлекса, в котором в качестве оперантной реакции ■ выступают частотно-временные характеристики спонтанной импульсации. Установлено,что в реализации адаптивных перестроек эндогенной ритмики доминирующее значение играют колебания величин среднего и максимального межспайковых интервалов. Обнаружены группы нейронов,которые в ходе контингентной стимуляции проявляют способность к пре-

имущественной минимизации или максимизации интенсивности прикладываемых воздействий. Отмечено, что способность нейронов к адаптивным перестройкам фоновой импульсации не детерминирована их морфологическими признаками, исходными электрофизиологическими,пока-зателями или принадлежностью к определенному идентифицированному типу.

Теоретическая и практическая значимость работы. Работа позволяет глубже понять взаимосвязи между отдельными компонентами и характеристиками фоновой активности нейронов при развитии адаптивных перестроек их импульсации, а также выявить зависимость динамики их протекания от параметров поступающих внешних воздействий. Происходящие при внутриклеточном автоподкреплении определенных Ш направленные трансформации исходного ритма активности, приводящие к минимизации или максимизации прикладываемых контингентных воздействий, можно рассматривать как клеточный аналог инструментального рефлекса. В теоретическом плане настоящая работа представляет интерес для поникания особенностей функциональной пластичности отдельных нейронов как возможных нейросубстратов условно-рефлекторной деятельности.

Полученные результаты и предлагаемая экспериментальная модель "нервная клетка - управляющая микроЭВМ" имеют практическое значение для изучения биофизических, биохимических и фармакологических особенностей и механизмов эндонейрональной пластичности. Методический подход, примененный для анализа изменений фоновой активности нейронов, полезен для оценки влияний различных препаратов на функционирование нервных клеток.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Отдельные нейроны моллюсков при их внутриклеточной автостимуляции, ассоциированной с определенными величинами межимпульсных интервалов спонтанных потенциалов действий, способны к устойчивому понижению или повышению частоты собственных разрядов, что приводит к избирательному изменению количества поступающих на клетку раздражений. Применение на этих же клетках ритмической и случайной стимуляций, как правило, вызывает только кратковременные изменения структуры и регулярности исходной спайковой импульсации, которые не носят адаптивного характера.

2. Выраженность и направленность происходящих пластических перестроек спайковой активности нейронов при контингентной стимуляции определяется силой раздражения, величиной порога автоподкреп-4

легаш, продолжительностью стимуляции, а также исходным функциональным состоянием нейрона.

3. Способность нейронов к адаптивным перестройкам фоновой ампульсации в условиях контингентной стимуляции не детерминирована их исходными электрофизиологическими показателями и принадлежностью к определенному идентифицированному типу.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XI и Ы1 съездах Украинского физиологического общества (Днепропетровск, 1562; Львов, 1566); I Всесоюзной конференции по нейро-наукам (Киев, 1986); Всесоюзных конференциях по нейро-пептидам (Томск, 1985) и олигопепткдам (Москва, 1988), Всесоюзном симпозиуме "Механизмы пластичности мозга" (Махачкала, 1982)} Ш Республиканской конференции по проблемам управления функциями биологических объектов и автоматизации медико-биологических исследований (Киев, 1986); на конференциях молодых ученых ФТЖГ АН УССР (Харьков, 1966 и 1988).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 журка.п--ных статьях и в материалах 4 конференций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из вгедения, обзора литературы, описания методик, результатов собственных исследований (4 главы), их обсуждения и выводов. Представлена одним томом на 181 странице машинописного текста (без цитированной литературы), включая 33 иллюстрации и 8 таблиц. Библиография - 2и4 источника, в том числе 126 на русском языке. Весь материал, представленный в диссертации, получен, обработан и проанализирован лично автором.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДОМ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве объекта исследований были Еыбраны хорошо изученные идентифицированные и невдентифицирозанкые гигантские нервные клетки легочных моллюсков Большого прудовика ( Ьуктаеа staцualiз ). Для работы отбирались только взрослые особи с размером раковины 3-4 см. Эксперименты проводились в течение всего года на изолированной ЦДС улитки (окологлоточное нервное кольцо из 9 ганглиев), помещенной в ванночку с физиологическим раствором при температуре 18-20°С.

Для удаления оболочек ганглиев препарат в течение 45-50 минут

обрабатывали 0,35 %-ным раствором проназы (фирма "Серва", ФРГ), после чего нервное кольцо отмывали и переносили в проточную экспериментальную ванночку объемом около 2 мл, заполненную раство-вом Рингера ( ¡(-ес1 - 50; КС1 - 5; СаС12_ 2; К§С12 _ 1,5; ..ей'.оо^ - 1-3; трис НС1 - 1-2 мМ; рН = 7,5-7,9), Скорость протока физ.раствора регулировалась с помощью перистальтического насоса.

Исследования проведены на 135 отдельных спонтанно активных неидентифицированных (85) и идентифицированных (50) нейронах большого и малого париетальных и висцерального ганглиев. Идентификация нейронов производилась по показателям спонтанной активности и топографическому соответствию внешним признакам, а также по картам (Дьяконова, 1969; Жерелова, 1971). Исследовано 50 идентифицированных нейронов, из них В1- 25, В2 - 17, ВЗ - 4, БПа4 - 4.

Исследование электрической активности нервных клеток начинали через 2-3 часа после препаровки. Стеклянный микроэлектрод (МЭ), заполненный 2М раствором цитрата калия и имеющий сопротивление Ю-ЬО Юм при диаметре кончика меньше I микрона, вводили в тестируемую нервную клетку. Отведение электрической активности осуществлялось стандартным способом (Первио, 1983): сигнал с Ю подавался на катодный повторитель, а затем через усилитель постоянного тока (УПТ-2) и усилитель биопотенциалов - на экран монитора ИМ-789. Параллельно с этим активность записывалась на ленту самописца.

Регистрация исходного фонового уровня спонтанной импульсации начиналась не раньше, чем через 15-20 минут после введения КЗ в клетку. За это время происходила стабилизация характера и частоты спонтанной активности нейрона, после чего в течение 10-20 минут проводили запись и контрольные измерения величин межимпульсных интервалов (Ш) в фоне; при этом определяли средние значения межимпульсных, межпачечных и межгрупповых интервалов, а также разброс и имеющиеся тенденции их изменений.

Затем изучали влияние различных режимов внутриклеточной электрической стимуляции на характер перестроек исходной импульсной активности. Каждый стимул в серии представлял собой прямоугольный импульс деполяризующего тока надпороговой силы (0,2-0,0 нА) и продолжительностью около 300 мс, что вызывало генерацию одного 11Д. О

Раздражение нейрона осуществляли через тот же МЭ, который использовали для отведения электрической активности клетки. Для этого выход стимулятора через ограничивающее сопротивление (в 5-10 раз большее сопротивления МЭ) подключался непосредственно на вход усилителя тока.

Для устранения артефактов раздражения,вместо обычно применяемых мостовых схем, нами была предложена простая и достаточно эффективная схема их компенсации с использованием дифференциального усилителя У11Т-2, на компенсирующий вход которого подается сиг-налк амплитуда и форма которого подбиралиея близкими к соответствующим параметрам артефакта раздражения, в результате чего на выходе усилителя он подавайся как синфазная помеха.

Исследовались эффекты влияний следующих типов электрической стимуляции: I) ритмической, которая представляла собой продолжительную серию надпороговых деполяризующих импульсов тока, следующих через одинаковые промежутки времени, равные величине среднего Ш фона; 2) случайной, представляющей собой длительное пг?дэяв-ление таких же импульсов тока, но их нанесение производилось в случайном порядке с помощью генератора случайных чисел таким образом, что средняя частота стимуляции соответствовала средней частоте следования ПД в фоне; 3) ассоциативной (контингентной) стимуляции, которая требует соотнесения (контингентности) момента предъявления стимула с определенными частотно-временными характеристиками спонтанной разрядной активности нейрона.

Для осуществления ассоциативной автоматической подкрепляющей стимуляции (АПС) была собрана система с цепью внешней обратной связи, в которой ПД регистрируемого нейрона через катодный повторитель и усилитель поступали на формирователь, где они преобразовывались в стандартные прямоугольные импульсы. Автоматическое управление цепью внешней обратной связи, т.е. подачей внутриклеточных деполяризующих импульсов тока, осуществлялось через управляющий комплекс на основе микро-ЭШ "Электроника" ДЗ-28. Ьтст комплекс проводил оценку и индикацию длительности текущих межимпульсных интервалов и, в зависимости от выбранной программы, осуществлял однократное включение стимулятора в случае, если текущий МИ оказывался: I) больше средних фоновых МИ (избирательное подкрепление длинных интервалов); 2) меньше средних фоновых Ш (подкрепление коротких интервалов). Управляющий комплекс позволял также осуществлять режим АПС - "окно", - при котором "подкреплялись"

все Ш большие или меньшие соответствующих временных порогов включения А11С, оставляя только узкое окно неподкрепляемых Ш.

Избираемый порог включения АНС во всех опытах находился вблизи величины исходного среднего фонового значения Ш тестируемой клетки, поэтому при флуктуациях текущей частоты импульсации периоды автостимуляции чередовались с периодами покоя. Управляющий комплекс обеспечивал проведение различных режимов контингентной (ассоциированной) стимуляции, при которых нейрон имел возможность адаптироваться к внешнему воздействию, синхронизированному с определенными временными компонентами его разряда, и тем самым увеличить или уменьшить количество и частоту поступающих на него автоподкреплений путем изменения частоты своей импульсной активности. На каждой нервной клетке при примерно одинаковых значениях порога автоподкрепления в одной серии АДС подкреплялись только длинные интервалы, в другой - короткие, а в третьей - и длинные, и короткие. Кроме того, каждый из описанных режимов стимуляции имел аналогичный ему режим псевдостимуляции, при котором временная диаграмма нанесения стимулов была той же, но они не подавались на нейрон, а только фиксировались в памяти ЭВМ для последующего анализа.

Эксперимент на каждом нейроне протекал обычно по следующей схеме: в начале опыта в течение определенного времени (эпохи) - например, 10 минут, - с помощью ЭВМ регистрировалась спонтанная фоновая активность нейрона. Вся эпоха регистрации разбивалась на равные интервалы времени (периоды) - например, 30 с,- и для каждого периода УВМ высчитывала и выводила на окран дисплея минимальный , максимальный и средний по шриоду и по эпохе Ш, а также разброс их значений. Затем проводилась еше одна контрольная регистрация фоновой активности нейрона без всяких воздействий. После этого с помощью управлявдих программ проводили стимуляцию нейрона в любом из описанных выше режимов. Величина межстиыульного интервала при ритмической или случайной стимуляции или избираемый порог включения АНС ( максимально или минимально возможное "разрешенное" время "молч&ния" клетки) выбиралось с учетом величины среднего Ш предшествующей эпохи регистрации спонтанной активности. В ходе эпохи стимуляции высчитывались не только указанные параметры МИ, но и количество стимулов в каждом из периодов и в целом за эпоху. Такая начальная обработка импульсных потоков в режиме реального времени обеспечивала ввделение существенных для объекта параметров с целью использования их в качестве управляющих. Это также давало В

возможность ввделить характеристики, наиболее чувствительные к исследуемым воздействиям и проследить их динамику.

На каждом нейроне проводили несколько эпох стимуляции с разными или одинаковыми режимами раздражений, причем эпоха стимуляции обязательно чередовалась с эпохами регистрации спонтанной активности. Опыт на одном нейроне обычно длился от 2 до 6 часов, что позволяло провести до 30 десятшинутнцх эпох регистрации.

Для интегративной оценки различий сравниваемых эпох использовали критерии подобия Стьюдента, Манна-Уитни и Колмогорова-Смирнова, методы корреляционного, факторного и кластерного анализа. Обработка данных проводилась на ЭВМ EC-IÖ33 с помощью пакета прикладных программ биомедицинской статистики ВЬДР-77, а также на ПВВМ.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИИ

Исследованные нами нейроны в зависимости от типа их исходной импульсации условно подразделялись на три группы , характеризу;™ еся: I) регулярной одиночной спайковой активностью (41 нейрсг)? 2) нерегулярной одиночкой или групповой активностью (76 нейронов); 3) пачечной регулярной или нерегулярной импульсацией (18 нейронов). Характеристики фоновой спонтанной активности нейронов изолированной ЦНС прудовика, зарегистрированные в наших опытах соответствуют нормативным данным (Дьяконова, 1969; Осипов, 1980, Пакула, Аракелов, Соколов, 1970; Сахаров, 1974; Taue, 1966). В отсутствии внешних воздействий они, как правило, демонстрируют свою неизменность в соседних эпохах регистрации.

Наименее выраженные изменения характера импульсации нейронов в постстимульном периоде вызывает ритмическая стимуляция (PC).При ее применении трансформация исходной активности наблюдается лишь на этапе приложения раздражений, вызывающих генерацию ПД. 3 этих условиях происходит "навязывание" ритма внешних воздействий и его сложное взаимодействие с эндогенной спайковой импульсацией. Включение PC приводит к увеличению вариабельности величин Ш, что проявляется в росте их среднего квадратического отклонения (СКО) и коэффициента вариации (КВ), однако эти изменения не носят адаптивный характер и быстро исчезают после прекращения раздражений (таблица I). Неассоциативный характер таких воздействий находит свое отражение в слабости корреляций между интенсивностью наносимого раздражения и порождаемого им изменения частотных характеристик

активности.

Во время предъявления стимулов в случайной порядке величина среднего Ш также изменяется слабо, хотя и несколько сильнее,чем при РС. Дезорганизация спайковых разрядов, вызванная действием случайной стимуляции (СС), сохранялась в течение 1-3 минут после ее прекращения (таблица I). Наличие слабых корреляционных связей между параметрами прикладываемых воздействий и частотно-временки-ми характеристиками спонтанной активности, а также неупорядоченность структуры факторов определялись, как и.при РС, неассоциативным характером воздействий. СС вносила большие изменения в характер импульсации, чем РС, но эти изменения тоже были обратимыми и не имели строго направленных сдвигов.

?а5,жа 1. Изменения накоторк* показателей частот» спонтанной активности нейронов во врекя |А) к лосре (51 применения различных ретияоз воздействия.

пантер лоииечя-екого 103-дейстаия Средние КИ за злоху Кинимальныи НИ за элоху Иаксккалиный ИИ за эяоху Среднее хвадрати-чесхое отклонение МИ Коэффициент -нриари ИИ

А 5 А 6 А 5 А 5 » Б

95 ПО (06 102 103

"РС а 98 28 122 105 91 413 107 510 108

'СС" 98 10! 60 111 113 КЗ VI 15Г 216 155

АК-Ц 93 113 89 105 62 150 102 162 111 193

АПС-К 106 99 61 108 229 142 2 та 180 265 209

93 30 18 43 68 109 304 152 338 158

Все ветин» дани в $ от их значений в эпохе, пред»ествукце« воздействии, принятых за 100«. Данные о5с5кгн» ло ¡се* опытам. Обозначения прнианяемх воздействий: '0'= отсутствие воздействии; РС = ргптесш сттулщк«; СС ■ случайная стимуляция,' А(1С-{ я АЛС-К = ЛЛС с лсдхреляеннея длинных Ш и юрзтхих (К1 НИ (сукяарное значение); АПС-ЦК = АПС с одноврекеннин лодхрелленигя длинных й «оротхих Ы,

Иной характер носят трансформации исходной ритмики нейронов при АПС. Выборочное подкрепление длинных Ш вызывает в 28 % случаев возрастание величины среднего МИ,приводящее к максимизации частоты автоподкреплений, а в 34 % - уменьшение Ш и минимизацию подкреплений. Минимизация воздействий сопровождается достоверным уменьшением СКО, минимального и максимального МИ. После прекращения АПС все эти параметры довольно быстро возвращаются к исходному уровню, и только значения среднего Ш еще в течение '2-10 минут остаются меньше исходных. При максимизации воздействий наблюдается

слабый рост величины средних МИ и более значительный рост СКО и KB; минимальный МИ остается практически неизменным, а максимальный -уменьшается на 30 %. В этом случае после отключения AI1C все показатели активности были значительно выше исходного уровня, что свидетельствует о длительном сохранении эффекта (таблица I).

Проведение A1IC коротких МИ в 37% случаев вызывает минимизацию, а в 39fo - максимизацию воздействий с соответствующими изменениями частоты исходной импульсации, При эффекте максимизации значения среднего и минимального Ш уменьшаются, а все остальные показатели активности значительно возрастают за счет больших периодов реактивности, следующих после получения присущих этому режиму AUG серии подкреплений. Направленные изменения спонтанной активности, в обоих режимах АПС развиваются быстрее, если для их достижения необходима активация пейсмекерного аппарата. В том случае, если приспособительный результат требует торможения его активности, то развитие пластических перестроек импульсации затягивается и они сохраняются в течение более продолжительного времени после отмены АПС.

Повторное применение определенного режима стимуляции при неизменных параметрах воздействия, как правило,вызывает сходные по своей направленности трансформации спонтанной ритмики, хотя они могут и различаться динамикой своего развития. Изменение порогов автоподкрепления при A1IC способно вызвать не только изменение скорости возникновения адаптивных перестроек исходной ритмики, но и их направленности таким образом, что один и тот же режим ассоциативного воздействия на клетку при одних значениях порога автоподкрепления вызывает минимизацию воздействий, а при других-максимизацию.

Влияние избирательного подкрепления коротких Ж на изменения анализируемых параметров сказывается сильнее,чем подкрепление длинных МИ.В то же время адаптивные перестройки спонтанной импульсации при обоих режимах AI1C сохранялись в течение 3-10 минут (иногда до I часа) после отключения стимуляции, а затем спонтанная активность постепенно возвращалась к исходному уровню.

Адаптивный характер наблюдаемых при АПС изменений частоты исходной активности подтверждается: I) отсутствием подобных перестроек при контрольных воздействиях,не связанных с характером активности (PC,СС,псевдо-АПС); 2) постепенностью выработки указанных сдвигов частоты разрядов; 3) сохранением возникших сдвигов в течение некоторого времени после отмены автостимуляции.

Последовательное проведение на одной и той же клетке нескольких эпох с контингентным подкреплением длинных или коротких Ш влечет за собой при обоих режимах стимуляции минимизацию прикладываемы? воздействий у 25 % нейронов, а у 28 % - их максимизацию. IV % нейронов не изменяют частоту разрядов под действием АПС, а у 30 % исследованных нейронов направленность перестроек спонтанной активности при действии АПС зависит от выбранного режима автоподкрепления. При этом доминирование типа перестройки определяется исходным состоянием клетки.

Исследование влияний режима АПС с подкреплением всех Ш,лежащих по обе стороны от установленного экспериментатором неподкреп-ляемого диапазона их значений ("окна"), показало,что практически во всех случаях такой стимуляции не удалось выявить направленных изменений частоты импульсации тестируемых клеток. Отсутствие адаптивных перестроек импульсации в этом режиме стимуляции,возможно,связано с тем, что их реализация требует установления сложных ассоциативных взаимоотношений между характером активности и алгоритмом подкрепления и более глубоких перестроек эндогенной импульсации,отражающихся в значительном росте СКО и КВ.

Обнаружена независимость происходящих под действием АПС пластических перестроек от совокупности морфо- и электрофизиологических характеристик исследованных нами нервных клеток или от присущего им типа и регулярности исходной спайковой импульсации.С помощью кластерного анализа не удалось выделить и каких-либо отличительных признаков клеток,которые позволили бы прогнозировать вероятность изменений их спонтанной активности при ассоциативной или других видах стимуляции.Способность нейронов к реализации различных форм адаптивного "поведения" не детерминирована принадлежностью данного нейрона к определенному типу.Так динамика перестройки эндогенной ритмики даже одних и тех же идентифицированных клеток может различаться при проведении ритмической и случайной стимуляции,а при действии АПС она может быть направлена на минимизацию автоподкреплений у одних клеток данного типа и на максимизацию - у других. Связи основных частотно-временных характеристик эндогенной ритмики с параметрами воздействий чаще всего наблюдаются при ассоциативной стимуляции и почти полностью отсутствуют при PC и СС.Изменения значений среднего и максимального МИ при АПС хорошо коррелируют с изменением количества приложенных стимулов и ответов на них. При всех видах воздействий происходит существенное перераспределение частоты встречаемости корреляционных связей между исследуемыми показателями ак-12

явности нейронов, и эти изменения носят обратимый характер.Умень-эние коэффициента средних парных корреляций во время проведения сех режимов АПС и его неизменность при других видах стимуляций видетольствует о разобщении существующих взаимосвязей между от-вльними частотно-временными параметрами импульсации и их перерас-ределении в ходе АПС.

Графы взаимосвязей и взаимокорреляций изменений основных пска-ателей исходной спайковой активности выявили доминирующее зваче-ие для их структуры величин среднего и максимального МИ,которые тановятся их своеобразными "узлами",определяющими изменения всей труйтуры связей переменных при осуществлении различных тестиру-щих воздействий. В факторюй модели организации корреляционных вязей между переменными, характеризующими значения среднего, ми-имального и максимального Ш за эпоху анализа, а также количест-

0 нанесенных стимулов, образуется своеобразное ядро,структура оторого специфически изменяется при достижении определенного ре-ультата в процессе применения различных режимов АПС. Связи осталь-ых переменных между собой и с этим центральным ядром имеют более ибкий характер и зависят от направленном« и выраженности достига-мого эффекта. Полученные в каждом реальном опыте изменения знака

; силы связей между исследованными параметрами активности нейронов

1 большинстве случаев совпадали с модельными представлениями.

Первый этап трансформаций активности нейрона,вызванных прило-;ением электрических стимулов,состоит в десинхронизации (дезорга-:изации) эндогенного ритма. Он наблюдается при всех режимах воздействий,но сильнее выражен при случайной и ассоциативной стимуля-1иях. На этом этапе происходит увеличение разброса МИ, КВ и диспер-:ии, возникает неупорядоченность паттерна разряда и существенное гвеличение моды на гистограммах распределения МИ. Вслед за дезор-'анизацией ритма импульсации при применении АПС можно наблюдать отунтуации спайковой активности в сторону увеличения или уме ныне-шя частоты разряда,что находит свое отражение в еще большем уве-шчении разброса всех показателей активности и расширении моды на гистограммах Ш, Данную фазу изменений спайковой активности можно 1азвать первым этапом адаптации нейрона к ассоциативным воздейст-зиям,который, по всей видимости, функционально отражает поиск стратегии оптимизации поступающих внешних воздействий»

стот этап в ряде случаев сменялся фазой истинной адаптации, 1ри которой происходит стойкое изменение исходной эндогенной ритмики, приводящее к продолжительной минимизации или максимизации

13

ассоциированных раздражений, что свидетельствует о достижении на этом этапе устойчивого приспособительного результата. При этом иг меняется частота следования 1Щ, уменьшается разброс Ш и КВ, на гистограммах распределения МИ происходит сдвиг медианы, структуре графа приобретает упорядоченный и закономерный характер,свидетель ствующий о взаимокорреляцкях изменений параметров импульсации.

Анализ факторных нагрузок позволил выделить 3 интегральных пс казателя: I) "фактор интенсивности спонтанной активности"} 2)"фак тор изменчивости Ш"; 3)"возмущающий фактор". Эти ведущие факторь характеризуют качественную сторону изменений част отно-временшй структуры и организации спайковой импульсации при различных режимах стимуляции. Обнаружено, что действие АПС вызывает консолидацию разных переменных в группы и разобщение связей между последними, что приводит к появлению новых факторов или к перераспреде лению состава переменных с изменением мощности самих факторов.Результаты анализа показали,что индивидуальные частотно-временные п раметры работы эндогенного пейсмекерного механизма каждой клетки ланат в основе вариабельности фактора интенсивности ее спонтанной активности, определяющего главные характеристики эндогенного ритма. отот механизм постоянно испытывает влияния различных внутри-внеклеточных воздействий, что находит свое отражение в вариабельн сти фактора изменчивости величины Ш.В связи с тем, что нанесение случайных воздействий приводит к хаотическому перераспределению взаимосвязей частотно-временных компонентов импульсации,изменения структуры связей переменных при СС и РС носят вероятностный харак тер.

Применение раздражений, ассоциированных с определенными фазами эндогенного ритма, изменяет факторные нагрузки таким образом, что наиболее вариабельной оказывается переменная "величина максимального Ш". Она во многом определяет изменения других переменны: поскольку путем генерации ПД с межимпульсными интервалами большим! чем средний Ш, нейрон регулирует количество поступающих при АПС раздражений,что является одним из возможных клеточных механизмов адаптации, В основе второго механизма адаптации могут лежать изменения активности пейсмекерного аппарата или его привыкание,которые приводят к перестройке частоты или паттерна разрядов, и в конечно« итоге - к оптимизации количества поступающих раздражений при избирательном подкреплении определенных Ш. Таким образом, действие хихС способствует раскрытию элементарных механизмов пластичности и адаптации клетки.

Приспособительный характер наблюдаемых изменений частоты раз-ядов клетки подтверждается возможностью осуществления одним и тем е нейроном минимизации (максимизации)внешних воздействий как при одкреплении длинных,так и коротких Ш в последовательных сериях ПС. В условиях управляемого эксперимента 53 % исследованных ней-онов моллюска при их внутриклеточной автостимуляции,ассоциирован-ой с определенными компонентами импульсной активности, были спо-обны изменять вероятность получения внешних раздражений.Таким об-аэом, на формирование выходной импульсной активности клетки ска-ывается еочетанное влияние как состояния самого нейрона,так и ха-актеристик входных импульсных потоков. Это позволяет заключить, ;то отдельная нервная клетка способна не только к различным формам юагирования на внешние воздействия и дальнейшей передаче информа-;ии о них, но и путем изменения своей выходной активности может :ама формировать характер и интенсивность этих внешних воздействий, ¡оскольку одни нейроны (25 #) в ходе опыта демонстрируют способ-юсть к уменьшению числа воздействий за счет формирования соответ-явуюших сдвигов частоты разрядов при обоих режимах АПС, а другие -: увеличению (2В%), можно предположить, что такая внутриклеточная :тимуляция в виде надпороговых толчков деполяризующего тока являйся для этих нейронов "биологически значимой".

Такие направленные трансформации исходного ритма активности, 1роисходящие только при внутриклеточном автоподкреплении как длинна, так и коротких МИ и приводящие на разных нейронах к минимизации ши максимизации прикладываемых к клетке контигентных воздействий, южно в соответствии с определением Кэндела (1980) рассматривать сак клеточный аналог инструментального рефлекса. В нем в качестве >перантной реакции служат частотно-временные характеристики спонтанной импульсации отдельной клетки,которые нам удалось изменить 1утем избирательного подкрепления определенных МИ. Так как эндоней-эональная пластичность центральных нейронов может служить базисным леханизмом адаптивных поведенческих реакций (Балабан,1988; Воронин, [970$ Греченко,1985; Рабинович,1977; Соколов,1981),то обнаружение / отдельных нейронов способности к оперантному реагированию на внешние сигналы расширяет представления о возможных механизмах их участия в организации условнорефлекторных актов.

ВЫВОДЫ

I. Применение ритмических и случайных внутриклеточных надпороговых раздражений приводит к кратковременным изменениям структуры и регулярности исходной фоновой импульсации тестируемых нейронов

ганглиев прудовика, сти перестройки спонтанной электрической активности нейронов обратимы и не носят адаптивного характера.

2. В условиях управляемого эксперимента некоторые нейроны моллюска при их внутриклеточной электростимуляции,ассоциированной с определенными величинами межимпульсных интервалов спонтанных поте* циалов действия,способны к устойчивому понижению или повышению час тоты собственных разрядов, что приводит к избирательному изменения количества поступающих на клетку раздражений. Применение на этих же нейронах контрольной ритмической и случайной стимуляций практически не влияло на характер спонтанного спайкового разряда.

3. Выраженность и направленность происходящих пластических перестроек спайковой активности, вызванных применением контингентной (ассоциированной) стимуляции, зависит от продолжительности ее действий, силы раздражения и величины порога автоподкрепления. При применении повторных серий контингентной стимуляции с неизменными параметрами адаптивные перестройки ишульсации, как правило, развиваются быстрее.

4. При действии различных режимов стимуляции выявлено, что доминирующее значение в организации адаптивных перестроек исходной фоновой ритмики нейрона имеют величины среднего и максимального Ш за эпоху анализа, которые становятся определяющими в изменении всей структуры связей основных показателей активности.

5. Автоматическая подкреплявшая стимуляция выявляет способност: одних нейронов к преимущественному уменьшению количества воздействий при подкреплении как длинных, так и коротких межимпульсных интервалов, а других - к их увеличению при обоих режимах стимуляции.

6. Феномены минимизации и максимизации автоподкреплений,полученные на отдельных нейронах при их внутриклеточной стимуляции,ассоциированной с определенными компонентами эндогенной ритмики,рассматриваются как клеточный аналог инструментального рефлекса,в котором в качестве оперантной реакции служит спонтанная импульсация нервной клетки,

?. Способность нейронов к реализации клеточного аналога инструментального "поведения" в условиях внутриклеточного автоподкрепления определенных межимпульсных интервалов не детерминирована морфологическими признаками,исходными электрофизиологическими показателями или принадлежностью тестируемого нейрона к тому или иному идентифицированному типу.

Список работ,опубликованных по теме диссертации: I. Простое устройство для компенсации артефакта раздражения при

отведении и стимуляции через один микроэлектрод //Физиол.журн. СССР.-1Ш4.-Т.70,ТО'.-С.1571-1573 (соавт. В.М.Винецкий) Влияние энкефалинов на пластичность нейронов прудовика/ТЖурн. высш.нервн.деят.-1985.-1.35,№2.-С.306-313.

3. Пластические изменения спонтанной активности нейронов прудовика при ритмической и ассоциированной внутриклеточной электро-стимуляцик/УЙурн.высш.нервн.деят.-1986.-Т.36,№6.-С.1108-1115.

4. Формирование клеточного аналога инструментального рефлекса на идентифицированных нейронах Большого прудовика при внутриклеточной автоматической электростимуляции//Курн.высш.нервн.деят.-1987.-Т.37,№5.-С.989-991.

5. Изучение клеточного аналога "инструментального поведения" ка отдельных нейронах моллюска при внутриклеточной автоматической электростимуляции/Аурн. высш.нервн.деят. -1988. -Т. 38,№ 3. -

-С.489-495.(соавт. А.Я.Могилэвский)

Ответственный за выпуск -

А.И.Новикова

Подписано к печати 10 октчбрз -1991г., физ.п.л. 1,0, учетн.изд. л. 1,0. Заказ №205 , тираж 100 экз.

Ротапринт ФТИНТ АН УССР,310164, Харьков-164, пр. Ленина, 47