Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функциональное картирование головного мозга человека при латентном торможении

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Савостьянов, Александр Николаевич, Новосибирск

ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ МЕДИЦИНСКИХ НАУК, НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. ЛЕНИНСКОГО КОМСОМОЛА

на правах рукописи

САВОСТЬЯНОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ КАРТИРОВАНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА ПРИ ЛАТЕНТНОМ ТОРМОЖЕНИИ,

03,00.13 - Физиология человека и животных.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель; доктор мед. наук, профессор Ильюченок Р.Ю.

Новосибирск 1999

Оглавление:

Обзор литературы.

2.1.

2.1.1. Общая характеристика привыкания.

2,1.2. Структурная организация привыкания.

2.2. Феномен латентного торможения.

2.3, Структурная организация латентного торможения.

2.4. Латентное торможение у человека.

3. Материалы и методы.

экспериментов.

стр. 4. стр. 8. стр.8.

стр.8.

сто ,13. стр. 16.

стр. 27.

стр. 30.

стр. 38. стр. 44.

4.1. Значение различных частотных диапазонов при анализе изменений в спектре мощности и когерентности. стр. 44.

4.2. Изменения» возникающие в спектральной мощности- альфа-ритма на стадии преэкспозиции вербального стимула. стр. 45.

4.3. Изменения, возникающие в спектральной мощности альфа-ритма при сравнении нейтральных и эмоциогенных слов. стр. 47.

4.4. Изменения, возникающие в когерентности тета-ритма при сравнении нейтральных и эмоциогенных слов. стр. 52.

5. Обсуждение результатов.

стр. 55.

б. Выводы.

стр. 76.

7. Список литературы

стр. 78.

8, Приложение.

стр. 109.

Список принятых сокращений.

1) БС — безусловный стимул;

2) ЛТ ™ латентное торможение;

3) НС - 'нецелевой стимул;

4) ОР - ориентировочная реакция;

5) УС - условный стимул;

6) ЭЭГ - электроэнцефалограмма.

1, Введение.

Актуальность темы исследования. Для современной психофизиологии

мозге ао критерию новизны, которая связана с описанием механизмов депривации новизны при многократном, неподкрепленном предъявлении стимула. Очевидно, что различные стимулы внешней среды воспринимаются организмом не одинаково, а в зависимости от своей значимости для удовлетворения различных потребностей. Невозможность разделения внешних стимулов на значимые и не значимые приводит к информационной перегрузке мозга и, как следствие этого, к нарушению нормальной жизнедеятельности.

Согласно наиболее часто встречающемуся в литературе определению, латентным торможением (ЛТ) называется затруднение в формировании реакции на условный стимул, возникающее в результате потери стимулом новизны до его сочетания с безусловным раздражителем (Lubow and Moore, 1959). В настоящее время интерес к исследованию ЛТ постоянно возрастает (см. обзор Gray, 1996; Lubow, 1997). Увеличение интереса к этому явлению связано с тем, что анализ ЛТ служит основанием для построения общей теории обучения (Channel! and Hall, 1981; Honey and HalL 1989; Reed 1997). Кроме того, феномен ЛТ имеет практическое значение для понимания механизмов широкого ряда психопатологий, таких как шизофрения или болезнь Паркинсона.

В настоящее время основная роль в обработке информации придается системным механизмам синхронизации в работе мозговых областей. Особенно

значение имеет проблема селекции информации в головном

детально эта проблема рассмотрена в работах В .Г! Симонова (1991), К.Ф. Судакова (1996), Э.А. Костандова (1996), Инакицшго, Ильюченок (1994). Выявление системных механизмов синхронизации мозговых областей, возникающей при ЛТ, оказывается актуальной для решения проблемы селекции информации в головном мозге.

Степень научной разработанности темы. В современной литературе рассмотрены структурные и нейрохимические особенности ЛТ (Solomon et el., 1981; Salafta and Allan, 1982; Ильюченок и др., 1989; Gray, 1996; Лоскутова, 1998), созданы нейрохимические модели ЛТ (Лоскутова, 1986), показана возможность блокады ЛТ (Honey and Hail, 1988, 1989; Reed, 1991; 1995: 1997), описано влияние на этот процесс контекста обучения (Bouton, 1993; Dexter and Merrill, 1969). Выдвинуто несколько теорий, объясняющих это явление (Wagner, 1981; Hall et al, 1985; Lubow, 1989).

Разработаны различные способы создания ЛТ у человека (Perlmutter, 1966; Schnur and Ksir, 1969; Cannon et ai., 1983: Booth et al., 1989; Lubow, 1997). Показаны изменения ЛТ, возникающие при шизофрения (Bamch et al., 1988а), болезни Паркинсона (Lubow, ¡997) и синдроме детской гиперактивности (Lubow and Josman, 1993). Высказано предположение, что ЛТ может быть использовано в качестве теста на эффективность нейролептиков (Weiner, 1990).

Несмотря на многочисленные исследования ЛТ у человека, не существует работ, которые бы рассматривали корковые механизмы полушарного и межполушарного взаимодействия при ЛТ. Кроме того, экспериментальные модели ЛТ у человека нуждаются в использовании так называемой "маскировочной задачи", при которой сливается угаеательное и

дифференцировочиое торможение, чего существенно затрудняет изучение этого явления.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы является выявление внутриподушарного и межполушарного взаимодействия между различными областями коры головного мозга, человека, возникающего при ЛТ, В исследовании ставились следующие задачи:

1. Создать экспериментальную модель, позволяющую исследовать ЛТ у

человека, при помощи картирования мозга;

2. Определить частотные диапазоны, в пределах которых происходит изменение активность корковых областей при ЛТ,

3. Выявить полушарное к межполушарное взаимодействие б коре головного мозга человека при ЛТ.

Тесщетжкогметошлшдмесже__..основы..........^исследования. В качестве

теоретико-методологического основания исследования использован стандартный метод условных рефлексов в сочетании с современными методами компьютерного картирования мозговой динамики биопотенциалов. Научная новизна исследования. Выявлено внутршгалушаряое и межполушарное взаимодействие между различными областями коры головного мозга, возникающее при ЛТ. Впервые показано участие лобных и височных областей в развитии ЛТ и изучена динамика их взаимодействия, между собой. Впервые на человеке доказано, что увеличение временного интервала между преэкспозицией и обучением не влияет на развитие ЛТ. В работе выдвинуто положение о том, что латентное торможение является частным случаем более обшего процесса - скрытого торможения.

Оснозв.ниеподпжшш._рьтост1Ь1е на защиту;

1. Полвека 'модель скрытого торможения при депривации новизны вербального стимула.

2. ЛТ у человека может быть изучено методом картирования коры головного

мозга в модели эмоциональной памяти, где в качестве условного стимула используются слова, а. в качестве безусловного раздражителя - электрический ток. Отсрочка между преэкспозицией и подкреплением не вызывает нарушения ЛТ.

3. Верхний альфа-ритм (10-11 Гц) и верхний тета-ритм (7,00-8,10 Гц) определяют функциональную активность коры головного мозга при ЛТ:

4. Стадия преэкспозиции вербального стимула сопровождается торможением корковой активности в лобных, добно-височиых, височных к височпо-затылочных областях;

5. ЛТ сопровождается блокадой взаимодействия височных областей коры с лобными и лобно-цёнтральными долями.

Апробация результатов___исследования: Основные положения и выводы

диссертации докладывались на Международной студенческой конференции "Студент и научно-технический прогресс" (Новосибирск, 1996) и на 3-ем съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск. 1997), а также на семинарах в Новосибирском государственном университете и в Институте физиологии СО РАМН. Основные положения диссертации опубликованы в печати.

Структура работы. Диссертация состоит из введений, литературного обзора, описания материалов и методов, описания результатов экспериментов, обсуждения результатов экспериментов, выводов и списка литературы.

2, Обзор литературе.

2.1. Привыкание.

2.1.1. Общая характеристика привыкания.

Латентное торможение тесно связано с рядом других функциональных процессов мозга, таких как восприятие информации, оценка ее новизны, воспроизведение фиксированного следа памяти и т.д. Считается, что предпосылки для развития латентного торможения — функциональные перестройки в работе структур головного мозга происходят на стадии привыкания к будущему УС. Поэтому перед тем как переходить к описанию ЛТ, необходимо рассмотреть феноменологические особенности и механизмы привыкания.

Привыканием называется процесс потери информацией новизны в

результате ее частого повторения. При формировании ЛТ привыкание наблюдается на стадии преэкспозиции УС. Проблема значения новизны стимула для организма и проблема привыкания впервые были поставлены в работах И.П. Павлова (1927; цит. по Павлов, 1949). Привыкание было исследовано на примере торможения ориентировочного рефлекса. Понятие ориентировочного рефлекса введено ИЛ Павловым для описания рефлекса, возникающего в результате изменений в окружающей среде. Было отмечено, что многократное повторение стимула, первоначально вызывавшего ориентировочную реакцию (ОР), приводит к исчезновению этой-реакции.

В дальнейшем отмечалось, привыкание является примитивной формой обучения, которая служит основой для формирования направленного внимания (Groves and Thompson, 1970; Horn, 1967; Pakula and Sokolov, 1973; Pribram and McGuinness, 1975; Waters, McDonald and Koresko, 1977), Торможение безусловных рефлексов, специфичное в отношении наносимых раздражителей и приводящее к изменению поведения путем ограничения репертуара реакций, было названо негативным или отрицательным научением (Thorpe, 1963).

Р. Томпсон и П. Спенсер (Thompson and Spenser, 1966) сформулировали

девять основных признаков., характерных для привыкания:

1) Если какой-либо стимул вызывает специфический ответ, то повторное его применение ведет к уменьшению ответов, т.е. развивается привыкание.

2) Если привыкание развилось, то после перерыва в стимуляции ответы спонтанно восстанавливаются,

3) Если пробы на привыкание и последующее спонтанное восстановление

повторяются неоднократно, то в дальнейшем привыкание развивается более быстро. Происходит своеобразная потенциация привыкания.

4) Привыкание развивается быстрее и более выражено при относительно

слабой стимуляции.

5) Большая частота стимулов ведет к более продолжительному эффекту и более быстрому развитию привыкания.

6) Нанесение повторных стимулов после того, как привыкание развилось, ведет к тому, что спонтанное восстановление замедляется. Этот признак, названный

авторами "below-zero", показывает зависимость привыкания от числа нанесенных стимулов,

7) Привыкание на один стимул может сказаться на величине ответной реакции к действию других стимулов, т.е. имеет место явление генерализации привыкания.

§> Применение другого, обычно интенсивного стимула, так называемого

экстрастимула, вызывает восстановление уменьшившегося в результате привыкания ответа (дегабнгуация). Этот признак непосредственно

свидетельствует против участия в привыкании утомления и истощения.

9) При уменьшении нанесения зкстрастимула его влияние на привыкание уменьшается — так называемое щшвыкание дегабшуации.

Сформулированные признаки были подтверждены многими авторами, использовавшими для своей работы самые различные модели привыкания, разработанные как на позвоночных, так и на беспозвоночных животных (Кендел, 1980; Черниговский, 1981; Соколов, 1981).

Различают кратковременное и долговременное привыкание (Groves, 1974). Первое возникает и развивается в течении минут и сохраняется непродолжительное время. Второе более длительно и сохраняется в течении нескольких недель. Долговременное привыкание поддается тренировке-, т.е. своеобразному усовершенствованию (Кэндел, 1980).

Для объяснения механизмов привыкания предложены различные гипотезы. На примере торможения ориентировочного рефлекса, была развита гипотеза, известная под названием "нервная модель стимула" (Sokolov,- 1963;

- , ■ - _ 1 гл ¿-Г\ 1 Г\1-ГГ\ .- 1 лаА^ Ч f\Q -1 \ ТТ -r-J TV У-Ч . . . ...

Соколов, ivov, jv/ua, iv/ио; iV&ij. но мнению ил, Соколова, повторяемые

презентации какого-либо стимула приводят к формированию внутреннего следа

от такого воздействия, содержащего параметры стимула. Этот след был обозначен термином - "нервная модель". Вся вновь поступающая информация сравнивается с существующей нервной моделью и несоответствие между поступающим стимулом и моделью приводит к возникновению ориентировочной реакции. Если введенный стимул совпадает с существующей моделью, ОР не возникает.

Согласно теории "двойного процесса" (Groves and Thompson, 1970; Thompson et al., 1973), стимуляция вызывает развитие двух независимых

процессов — привыкания и сенситизации. В результате взаимодействия этих

*Л I.) I -Ttit, I J ("1 / К /Ч !"Ч » 1 '3 W«!IT»ATT ."I nil DI г ( г t V il

! •; :••'-> .-. М! • -w 5.":: • Fi;?, ' "'-ч.'f >*. • \ V* ■■. t ft t.tlf i : V ** "Vj t* : j: ■-'/i;-- *: f / .

В последствии, позиция E.H. Соколова бьота подтверждена рядом исследователей (Corman, J 967; Zimny and Schwabe, 1965), хотя встречаются работы, противоречащие этой теории (Barry, 1982). Наиболее существенные расхождения с теорий E.H. Соколова получаются в экспериментальных работах, в которых изменения в стимуле не смогли вызвать восстановления ОР (Bernstein, 1969; Furedy, 1968), либо в которых наблюдалась генерализация, торможения ОР на широком ряде различных стимулов (Houck and MefFerd, 1969). Эти наблюдения приводят к предположению о том. что некоторые изменения в параметрах стимула могут оказаться несущественными для производства ОР. Bernstein (1969) утверждает, что изменения в стимуле вызывают ОР, только если они воспринимаются как существенные для организма, Maltzman (1977) полагает, что ОР не только является рефлекторной

реакцией на изменения с стимуляции, но и включает в себя когнитивные процессы, находящиеся под влиянием ожидания и направленности,

' О"Gorman (1979) попытался объяснить факты, противоречащие теории RH, Соколова, в рамках этой же теории. Для этого использовался такой пааамето как "значимость" стимула.. Согласно (У Gorman, торможение ОР наблюдается, когда стимул перестает восприниматься как значимый, к восстанавливается, если новый стимул воспринимается как отличный от заторможенного по критерию значимости. Для проверки этого предположения была проведена дополнительная серия исследований на человеке (Ben-Shakhar et al., 1989). Исследования проводились при помощи использования техники воображаемой вины, которая позволяла регулировать значимость стимула (Lykken, 1960). Данный эксперимент состоял из двух стадий. На первом этапе, особый стимул (имя человека) подавался в специальном контексте (описывалось воображаемое преступление совершенное против этого человека), что приводило к превращению этого имени в эмоционально значимый стимул, lia втором этапе, испытуемому предоставлялся ряд стимулов, который включал как подкрепленные, так и нейтральные имена. Эксперименты показали, что ориентировочная реакция, заторможенная при предъявлении нейтральных имен, восстанавливается, когда в произносимом списке появляется значимое имя. Таким образом, было подтверждено предположение О''Germana, сделанное для доказательства теории E.H. Соколова.

В дальнейшем было сделано предположение, что степень выраженности ОР определяется двумя независимыми характеристиками стимула - новизной и

значимостью, которые воспринимаются при помощи различных механизмов

(Gati and Ben-Shakhar, 1990, Ben-Shakhar, 1994). При использовании техники

воображаемой, вины, OP на неподкрепленный стимул вызывается его новизной и быстро исчезает в ходе повторения стимула. ОР на подкрепленный стимул вызывается его значимостью и исчезает значительно медленнее, Однако, существует поотивоположное утверждение,, согласно которому восприятие новизны и значимости регулируется сходными механизмами (Siddle et al.,

.!. у г у).

2.1.2. Структурная организация привыкания,

Существуют экспериментальные данные об участии корковых, лимбических и ретикулярных образований мозга в организации привыкания. Показана различная динамика привыкания в ответ на электрическое раздражение нейронов интактной и нейронально-изолированной коры (Синяя, Ржепедкая, 1985). В коре, где происходит функциональная реорганизация, направленная на компенсацию функций утраченных при травме одного полушария, процесс привыкания ускоряется.

Существуют сведения об участии в привыкании нейронов лимбической системы (Виноградова и Линдслей, 1963; Соколов, 1981). Свойство новизны раздражителя является специальным возбудителем реакций клеток гиппокампа. При этом широко неспецифические в отношении физических характеристик сигнала клетки гиппокампа обнаруживают высокий уровень селективности, определяя тонкие и сложные изменения в новизне действующего сигнала или фона, на котором он подается (Виноградова, 1970). Для животных с удаленным гаппокампом характерно замедление привыкания (Gray, McNaughton, 1983).

Однако, в некоторых тестах его разрушение не влияло на скорость габитуации ( Leaton, 1981). Разрушение гиодокампа не замедляло также привыкания у крыс к стрессорным воздействиям (Kant et ai., 1984). Следовательно, разрушение гиппокампа оказывает влияние на привыкание не во всех, а только в определенных поведенческих тестах.

Было обнаружено модулир�