Исследование нейронных и системных механизмов пластичности мозга методом программированного биоуправления

Трубачев, Владимир Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Исследование нейронных и системных механизмов пластичности мозга методом программированного биоуправления
ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Исследование нейронных и системных механизмов пластичности мозга методом программированного биоуправления"

На правах рукописи

005056894 Ф*

ТРУБАЧЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙРОННЫХ И СИСТЕМНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПЛАСТИЧНОСТИ МОЗГА МЕТОДОМ ПРОГРАММИРОВАННОГО БИОУПРАВЛЕНИЯ

Специальность 03.03.01 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Ульяновск 2012

1 3 ЛЕК 2012

005056894

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук, Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук (Санкт-Петербург) и Марийском филиале Московской открытой социальной академии (Йошкар-Ола)

Научный член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, консультант: профессор

Сороко Святослав Иосифович

Официальные доктор биологических наук, профессор, заведующая оппоненты: кафедрой физиологии труда и спорта ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет» Гондарева Людмила Николаевна

доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией функциональных резервов организма ФГБУ «НИИ физиологии» СО РАМН Кривощеков Сергей Георгиевич

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой общей физиологии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет» Марков Александр Георгиевич

Федеральное государственное бюджетное военное образовательное учреждение высшего

профессионального образования Военно-медицинская академия имени С. М. Кирова (Санкт-Петербург)

Ведущая организация:

Защита состоится « 26 » декабря 2012 г. в «10.00» часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: Набережная реки Свияги, 106, корп.1, ауд.703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом: на сайте ВУЗа — http://vvvwv.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, Ульяновский государственный университет, Отдел послевузовского и профессионального образования.

Автореферат разослан « » /-ГОЛ- о -1 А. 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

С.В. Пантелеев

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Взаимодействие организма с окружающей средой является непременным условием его жизнедеятельности (Сеченов, 1873). Ведущая роль в процессах саморегуляции и межсистемной координации функций в организме принадлежит высшему отделу центральной нервной системы, головному мозгу. Интегративные и управляющие функции мозга осуществляются за счет высокой пластичности механизмов регуляции, свойств структур мозга, отдельных центров к постоянной динамической реорганизации и формированию функциональных систем, обеспечивающих достижение организмом необходимого «полезного результата» (Анохин, 1975).

Пластичность нейродинамических процессов является определяющей в механизмах анализаторной и регулирующей функции мозга, в его адаптивной деятельности. Основой физиологических механизмов нейропластичности мозга являются информационные перестройки импульсных потоков в нейронных сетях (Бундзен и соавт., 1978; Воронин, 1982; Сороко, 1984; Kaas, 1991; Buonomano, Merzenich, 1998; Kolb, Whishaw, 1998; Солнцева, Скребицкий, 2003; Толкунов, 2007; Fetz, 2008; Nicoleiis, Lebedev, 2009; Цицерошин, Шеповальников, 2009; Бехтерева, 2010; Балабан, Коршунова, 2011 и др.).

Исследования последних десятилетий свидетельствуют о том, что мозг является самоорганизующейся системой, модифицирующейся в соответствии с новыми требованиями (Weinberger, 2007, 2011; Zhou, Merzenich, 2009 и др.). В связи с появлением новых технологий восстановления утраченных функций после инсульта, травм мозга, при некоторых нейродегенеративных заболеваниях с помощью перепрограммирования (направленного переобучения) корковых полей (Lamber, 2006; Kleim, Jones, 2008; Truccolo et al., 2010; Соколова и соавт., 2010; Fricke et al., 2011; Ganguly et al., 2011 и др.), проблема нейропластичности приобретает большое практическое значение. Однако в этой области имеется ряд вопросов, которые сдерживают использование экспериментальных данных в нейропсихологических реабилитационных технологиях. Необходимо оценить адаптивные свойства нейропластичности, т.е. способности нейронных сетей динамически реорганизовывать свою работу в соответствии с меняющимися внутренними или внешними условиями. Остается неясным, как нейронная сеть определяет необходимый уровень импульсной активности, ее временные параметры, ритмическую структуру, чтобы адаптивно перестроить свою деятельность для достижения «полезного результата» и запомнить характер воздействия, его информационную значимость.

Условный рефлекс, открытый И.П. Павловым более 100 лет назад, остается основной парадигмой изучения нейропластичности в механизмах

обучения и памяти (Анохин, 1968; Соколов, 1969, 2002; Василевский, 1968; Thompson, 1972, 1996; Ливанов, 1975, 1989; Шульгина, 1976; Швырков, 1978; Котляр, 1978; Gormezano et al., 1983; Rescorla, 1988; Фадеев, 1988; Вартанян, Пирогов, 1989; Lennartz, Weinberger, 1992; Симонов, 1998; Шуваев, Суворов, 2001; Clark, 2004; Судаков, 2005; Александров, 2005; Schultz, 2007; Poulos et al., 2008; Кандель, 2012 и др.). Однако традиционное исследование нейрофизиологических коррелятов поведения отличается высокой вариабельностью результатов и оценок вследствие присущей живым системам индивидуальной изменчивости и многообразия реакций отдельных элементов за счет распределенного участия в других системах и регуляциях. Успешной альтернативой классическим подходам оказался эксперимент с созданием «искусственной» обратной связи (адаптивное биоуправление, neurobiofeedback, программированное биоуправление и др.) для выделения релевантных изменений процессов регулирования функций организма. Обучение в биотехнической системе основывается на нейропластичности мозга и использовании информации для управления тем специфическим процессом или ответом, который поступает по обратной связи (Ливанов и соавт., 1966; Fetz, 1969; Василевский и соавт., 1972; Черниговский, 1975; Rosenfeld, Hetzler, 1978; Wetzel, 1986; Гондарева,1996; Федотчев и соавт., 2002; Wolpaw et al., 2002; Miller et al., 2010; Сороко, Трубачев, 2010; Кривощеков и соавт., 2011; Штарк и соавт., 2012 и др.).

Одним из новых приемов мобилизации мозговой пластичности является использование технологии нейробиоуправления для определения в исследованиях на животных возможности и границы нейронных и системных механизмов обучения. В связи с этим были выбраны такие системы, которые имеют отклик на общие управляющие воздействия. Очевидным представлялось исследовать нейропластичность при оперантном обусловливании активности клеток сенсомоторной коры и сердечного ритма на ноцицептивную стимуляцию как биоуправляющий сигнал. Необходимо было также сравнить, как эти регуляции осуществляются в парадигмах классического и биоуправляемого обучения. Ноцицептивные рефлексы представляют собой один из фундаментальных механизмов системной пластичности сохранения целостности и выживания организма (Ноздрачев, 1978; Hilton, 1982; Janig, 1985; Randal, 1991; Maren, 2001; Pickering et al., 2003; Марков и соавт., 2008; Lang, Bradley, 2009; Цыган, 2012, и др.).

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы являлось исследование нейронных и системных механизмов адаптивной пластичности мозга в парадигмах классического обучения и программированного обусловливания посредством биоуправляемой ноцицептивной стимуляции изменений активности клеток коры и сердечного ритма кролика. Были поставлены следующие задачи;

1. Изучить корковую нейропластичность: зависимость выработки условнорефлекторных реакций нейронов коркового представительства

безусловного радражителя от уровня фоновой активности и воспроизведение его частотных параметров в условных ответах.

2. Исследовать ассоциативную нейронную пластичность сенсомоторной коры кролика при вероятностном подкреплении оборонительного рефлекса.

3. Изучить особенности формирования паттернов нейронной активности соматосенсорной коры на условный сигнал при биоуправляемом болевом подкреплении.

4. Выявить процессинг оперантной нейропластичности активности корковых нейронных популяций (мультиклеточных единиц), обучавшихся снижать или повышать частоту собственных разрядов при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции, и провести анализ медленных осцилляции, реализующих саморегуляцию и избегание наказания.

5. Изучить возможность обучения кролика снижению или повышению частоты сердцебиений при биоуправляемом болевом «наказании» ЯК-интервалов (выше или ниже заданного), выяснить роль медленных модуляций сердечного ритма и основных предикторов его регуляции.

6. Определить особенности формирования ассоциативных нейронных и системных регуляций организма при активации или блокаде отдельных медиаторных систем головного мозга фармакологическими веществами.

Научная новизна. Получены приоритетные данные о клеточных и системных механизмах высокой адаптивной пластичности головного мозга, позволяющих организму перестраивать деятельность нейронных сетей таким образом, чтобы отслеживать параметры внешнего раздражения и быстро обучаться избегать повреждающие воздействия.

Впервые показана возможность выработки устойчивых сдвигов частоты разрядов мультиклеточной активности соматосенсорной коры, флуктуации которой становятся оперантами и сопрягаются с наказанием. У 64% нейронных популяций через 2-12 мин биоуправляемой ноцицептивной стимуляции («наказывалась» частота разрядов ниже/выше пороговой) наблюдается заметное повышение/снижение импульсации и соответствующее уменьшение на 30-50% количества болевых раздражений по сравнению с исходным уровнем, сохраняющиеся 15-20 мин после ее выключения. В основе механизма формирования адаптивных саморегуляций корковых нейронных популяций, избавляющих от болевой стимуляции, лежит оперантное обучение нейронных сетей. Временная синхронизация определенных внутренних состояний мозга с нанесением аверсивного раздражения обусловлена наличием непрерывных медленных осцилляции частоты нейронных популяций, модулированных ноцицептивной системой и сигналами обратной связи на основе оперантной нейропластичности мозга.

болевого раздражителя. Оперантное подкрепление определенного диапазона межимпульсных интервалов приводило к возрастанию менее наказываемых последовательностей и минимизации болевых стимулов.

При различной вероятности болевого подкрепления у полисенсорных нейронов соматосенсорной коры кролика обнаруживаются две «стратегии» перестроек импульсной активности на условный сигнал с высокой и низкой частотой подкрепления. При пропусках каждого четвертого наказания сохранялось приурочивание условных ответов в пробах на подкрепление. При 33% вероятности активация нейронных паттернов развертывалась в пробах без наказания, нарастая во втором пропуске подкрепления за счет предваряющих перестроек. Отсутствие наказания в части проб «оценивалось» животным как избегание и манифестировались условные антисипационные реакции.

Обнаружена «способность» организма к оперантным перестройкам структуры сердечного ритма при ноцицептивной стимуляции. Под влиянием биоуправляемой стимуляции (наказание коротких Ш1-интервалов) у большинства кроликов через 2-6 мин вырабатывается снижение частоты сердцебиений (ЧС) с нарастающей минимизацией болевых стимулов -эффект обучения. Одним из основных типов изменений при оперантном обусловливании снижения ЧС является феномен резонансной потенциации-раскачки, выражающийся двухфазной реакцией на ноцицептивную стимуляцию в виде 1,5-3,5с слабого учащения и последующего значительного урежения ЯК-интервалов, нарастающего в течение 5-9 с. Наибольшее увеличение длительности ЯП-интервалов в эпизодах потенциации-раскачки составляло 18-35% от исходного уровня. Брадикардические эпизоды с отсутствием болевой стимуляции в конце периода оперантного обусловливания были длительностью 17-20 с, образуя «кванты» обученного сердечного ритма, определяющие предельный период удержания навязанных биоуправлением изменений ЧС.

Установлено, что формирование обучаемых паттернов нейронных ответов в условиях болевого воздействия требует участия основных регуляторных систем мозга. Вызванное нейролептиком (аминазином) подавление фоновой активности приводило к нарушению условных нейронных паттернов. Фоновая активность выступает как управляемое множество пространства нейропластичности.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследования нейронной и системной пластичности важны не только для понимания механизмов саморегуляции головного мозга, но и могут быть использованы в неврологии и психофизиологии. Полученные данные по перестройкам нейронной активности и структуры сердечного ритма при классическом (Павловском) и оперантном обучении имеют важное теоретическое значение для понимания механизмов коррекции функциональных нарушений с помощью нейробиоуправления.

С 80-х гг. прошлого века существовала проблема висцерального оперантного обучения на кураризованном животном. В данной работе впервые удалось найти работающий алгоритм регуляции сердечного ритма кролика в зависимости от его исходных параметров, стрессовых и управляющих воздействий; показать участие в биоуправляемом процессинге основных физиологических механизмов (привыкания, брадикардической потенциации, сопряженных с избеганием-избавлением ноцицептивной стимуляции). Эти результаты являются приоритетными.

Нейронное биоуправление — обучение позволило не только исследовать процессы нейропластичности мозга, но и привело к открытию нового механизма саморегуляции нейронных ансамблей при обучении - принципа оперантного взаимодействия медленных осцилляции нейронной и сердечной активности, минимизирующего возмущающие воздействия и ведущего к самоорганизации нейронных ансамблей в достижении биологически полезного результата на основе системной оперантной нейропластичности мозга.

Полученные данные по влиянию системного введения нейролептиков на фоновую и вызванную активность нейронов и мультиклеточных единиц сенсомоторной коры при аверсивном и биоуправляемом обучении важны для развития представлений об общем сопряженном механизме дофаминергического подкрепления и болевой регуляции.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные принципы и методики биоуправляемой саморегуляции отдельных нейронов и их совокупностей, сердечного ритма при надпороговой болевой стимуляции открывают новые возможности в оперантном управлении нейропластичностью и системном обучении нейросетей, что может быть использовано при создании биотехнических систем типа интерфейс мозг-компьютер, эффективных алгоритмов биоуправляемого противоболевого лечения и реабилитации.

Полученные результаты, расширяющие новыми фактами разделы физиологии высшей нервной деятельности и вегетативной системы, неврологической и терапевтической реабилитации, были внедрены в учебные программы по психологии и физиологии обучения и памяти Московской открытой социальной академии, Марийский филиал; Межрегионального открытого социального института; Марийского Государственного университета (Йошкар-Ола); использованы в Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова (С.-Петербург) и др.

Результаты исследований, опубликованные в статьях, обзорах и книгах, могут быть востребованы врачами, физиологами, психологами, педагогами, инженерами в практической деятельности.

Личный вклад диссертанта. Вся методология управляемого эксперимента по оценке пластичности нейронов и нейронных сетей, включая операции на животных, отведение нейронной активности,

многопараметрический анализ результатов и их проверка на достоверность, теоретическое обобщение данных и написание работы выполнены автором самостоятельно. Личный вклад диссертанта по отдельным разделам диссертации подтвержден заключением комиссии Института физиологии РАН.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и доложены на симпозиумах XI-XIII Всесоюзных съездов физиологического общества им. И.П. Павлова (Ленинград, 1970; Тбилиси, 1975; Алма-Ата, 1979); Всесоюзном симпозиуме по применению математических методов и вычислительной техники в медицинских и биологических исследованиях (Обнинск, 1971); Всесоюзной конференции по электрофизиологии ЦНС (Ленинград, 1971); Всесоюзном симпозиуме по саморегуляции нейрофизиологических механизмов интегративной деятельности мозга (Ленинград, 1972); 22-ом, 25-28 Совещаниях по проблемам ВИД (Горький, 1972; Ленинград, 1977, 1981, 1984, 1989); Международном биофизическом конгрессе (Москва, 1972); V и VI Всесоюзных конференциях по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 1973); Всесоюзном симпозиуме по механизмам интегративной деятельности мозга (Дилижан, 1978); III Всесоюзной конференции по биологии и медицинской кибернетике (Москва-Сухуми, 1978); Всесоюзном симпозиуме, посвященном 150-летию И.М. Сеченова (Москва, 1979); Всесоюзной конференции по физиологической кибернетике (Москва, 1981); I, III Всесоюзных конференциях по нейронаукам (Киев, 1986, 1990); Российской научно-практической конференции «В.М. Бехтерев и современная психология» (Казань, 2010); IV Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека» (Ульяновск, 2011); International Symposium on learning, memory and cognitive function (Spain, 2011).

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Одним из основных свойств пластичности нейродинамических процессов является их адаптивность, т.е. способность отдельных нейронных сетей не только повышать или понижать свою активность в ответ на те или иные воздействия, а динамически реорганизовывать свою работу в соответствии с меняющимися внутренними или внешними условиями, достигая общего «полезного результата».

2. Технология адаптивного биоуправления позволяет направленно модулировать частоту разрядов отдельных корковых нейронов и нейронных популяций. Механизм развития устойчивых сдвигов нейронной активности осуществляется посредством оперантного взаимодействия импульсных потоков в нейронных сетях за счет временной синхронизации систем мозга, соответствующих избеганию аверсивного подкрепления, и медленных осцилляции нейронных разрядов. Программированное (адаптивное) формирование нейронного ответа позволяет определить границы

нейропластичности перестроек условных изменений, снизить эффекты привыкания при обучении и добиться более длительного сохранения нейронных ответов при угашении - манифестации их вероятностным подкреплением, когда основным типом нейронных перестроек становятся антисипационные паттерны.

3. Оперантная обучаемость (пластичность) сердечного ритма зависит от исходной реакции на болевую стимуляцию и определяется механизмом взаимодействия медленных его флуктуаций барорефлекторного происхождения и обратной связью. Независимо от профиля медленных осцилляции мультинейронной активности или сердечного ритма ответ на биоуправляемую ноницептивную стимуляцию универсален, выражен смещением в медленноволновую область, что свидетельствует об адаптивной саморегуляции функций и ее причастности к разряду нервного кода механизма временной интеграции в мозге.

4. Свойство биоуправляемой электрической стимуляции не только вызывать, но и использовать головным мозгом выработанные программы направленных перестроек активности отдельных единиц и нейронных популяций, ведущих к избеганию наказаний, свидетельствует об оперантных взаимодействиях ноцицептивной системы в интегративных механизмах мозга и адаптивной нейропластичности саморегуляции функций, обучения и развития.

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 работа в отечественных и зарубежных изданиях, из них 19 - в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных ВАК России, и 4 монографии.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 330 с. компьютерного текста, иллюстрирована 87 рисунками и 5 таблицами и состоит из введения, 3 глав с 22 частями собственных наблюдений, общего заключения, выводов и библиографии из 366 источников, включая 247 иностранных.

Организация и методы исследования. Диссертационная работа выполнялась в Институте физиологии им. И.П. Павлова РАН, Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН, ИЭМ РАМН, Санкт-Петербург и МФ MOCA (Московская открытая социальная академия, Йошкар-Ола). В работу включены материалы наблюдений на 900 отдельных нейронах и мультиклеточных единицах коры кролика при классическом и биоуправляемом обучении; обусловливание сердечного ритма проведено на 97 кроликах и 10 крысах. В экспериментах на 280 животных выполнено более 6 тысяч длительных записей. Обучение проводилось по методикам классического оборонительного рефлекса и оперантного обусловливания по типу Сидмановского избегания (Kimble, 1967).

Внеклеточная регистрация нейронной и множественной активности выполнялась на обездвиженном животном по методике Василевского (1967), на фиксированном - по Evarts (1968). Вольфрамовые или стеклянные микроэлектроды размещались в сенсомоторной коре в проекции туловища, конечностей, головы с координатами 4-6 мм вниз от брегмы по коронарному шву и 1-2,5 мм кзади по атласу Shek et al. (1986). У нейронов определялись рецептивные поля и реактивность на тактильные, звуковые, световые, болевые раздражители. Миорелаксант (трикуран, или d-тубокурарин, или флакседил) вводился внутривенно в дозах, обеспечивающих расслабление мышц в 50-60 минутных циклах, уменьшавшихся при повторных введениях на 20-30%. Во всех сериях осуществлялась полиграфическая регистрация 1— 2 единиц нейронной активности, ЭЭГ с микроэлектрода, кардиоинтервалограммы.

Исследования проводились на автоматизированном многопараметрическом комплексе, включавшим аналоговые и цифровые ЭВМ, анализаторы импульсов, усилительную, регистрирующую технику и стимуляторы, оригинальные технические устройства (малошумящие усилители, дискриминаторы для нейронных и ЭЭГ-регистраций, контроля и поддержания состояния животного, разработанные инженерами С.В. Мироновым и В.В. Шилкиным). Помощь в эксперименте и обработке данных оказывалась физиологом Н.Е. Соловьевой; в подготовке печатных материалов - психологом МФ МОСА А.В. Горбуновым.

Статистическая обработка данных проводилась с использованием соответствующих программ: дисперсионный анализ (ANOVA), кросскорреляционный; достоверность изменений оценивалась по критерию Манна-Уитни, Стьюдента, х и др. Медленные осцилляции нейронной активности определялись по автокорреляционным и спектральным показателям. Для оценки сердечно-сосудистых регуляций строились Фурье-спектры RR-интервалов стационарных участков записи.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

2.1. Пластичность фоновой активности и воспроизведение частотных параметров болевого раздражителя в условных нейронных перестройках соматосенсорной коры

Исследования по выработке условного рефлекса на клеточном уровне являются важным промежуточным звеном между экспериментами по синаптической и корковой репрезентативной пластичности (Weinberger, 2007).

На 69 нейронах соматосенсорной коры (60 кроликов) проведены исследования связи фоновой частоты разрядов нейрона и вероятности появления условных нейронных перестроек при выработке оборонительного рефлекса. Условным раздражителем служил звук, свет или касалка в течение

1,6 с, на которые реакция клетки отсутствовала или угасала, безусловным -электрокожная стимуляция рецептивного поля (8-10 В, 50-100 Гц), совпадавшая с условным сигналом 0,5 с, вызывавшая у нейронов повышение частоты разрядов (межпробный интервал — 10—30 с).

У нейронов с мономодальной (локальными или распространенными кожными рецептивными полями) или полисенсорной чувствительностью обнаруживаются две формы условных ответов. Первоначально после 4-8 сочетаний появлялись ответы в виде диффузного повышения импульсной активности на условный сигнал с латентным периодом 0,1—0,3 с. В последующем у части нейронов наблюдалась поздняя форма реакции после 11-30 сочетаний в виде высокочастотной серии импульсов во вторую половину условного сигнала с латентным периодом 0,5 — 1,3 с. Уровень проявления условных ответов колебался от 40 до 90%. У обучившихся нейронов регистрировался более высокий уровень фоновой и вызванной частоты разрядов, чем у необучившихся клеток, развивающийся при сочетаниях в парадигме оборонительного рефлекса (р<0,05). В корковом представительстве болевого «подкрепления» в процессе сочетаний формируется совокупность нейронов, обладающая повышенным уровнем функциональной активности (с развивающейся полисенсорностыо) как в межпробных интервалах, так и в момент действия условного раздражителя, образуя доминантную совокупность (Ухтомский, 1923; Русинов, 1969). Обнаружено, что вызванное нейролептиком (аминазин) подавление фоновой активности на 40-60% приводило к блокированию условных нейронных паттернов, а при предварительном введении препарата проявляемость условных нейронных изменений снижалась.

Таким образом, фоновая нейропластичность, отражающая распределенное множество состояний и регуляций, создает эффективный процессинг обучения. Формирование выраженных и устойчивых нейронных паттернов происходило на основе заметного возрастания фоновой активности — рекруитирование пластичности пространства фоновой активности нейронов, вызванное эпизодами 50—100 Гц болевой стимуляции сензитивных нейронов сенсомоторной коры кролика, происходящей, по-видимому, на основе долговременной потенциации (Francis, Song, 2011).

В другой серии исследований было установлено, что воспроизведение в импульсации нейронов (п=35) на условный сигнал частотных параметров болевого «подкрепления» является существенным компонентом условнорефлекторного процессинга. Вызванная обучением транскрипция «меченых» интервалов выявляется даже в тех случаях, когда средняя частота разрядов в условных реакциях значимо не превышала фоновую импульсацию клетки. В соматосенсорной коре обнаруживается группа нейронов с постепенным образованием сопряженных реакций на условный и безусловный раздражители и воспроизведение «меченых» интервалов развивается после формирования реакции на болевое подкрепление.

Соматосенсорная нейропластичность обладает значительным потенциалом ассоциативного импульсного кодирования следовых эффектов обучения. Синаптическая пластичность - это необходимое и достаточное условие возникновения динамических нейронных перестроек при процедуре интенсивного или массированного обучения (Кандель, 2012).

2.2. Системная нейропластичность временной связи и памяти при фармакологических воздействиях

Ранее в наших исследованиях была прослежена связь вероятности условных перестроек у нейронов с высоким уровнем фоновой активности, исходной или повышавшейся при сочетаниях. Однако невыясненным оставался вопрос, как регулируется определенный «условный» уровень фоновой активности, является ли он характерным для отдельного нейрона или же опосредован активацией восходящей ретикулярной формации болевыми раздражителями, участием в нем дофаминергической системы переднего мозга (Schultz, 1993, 2007; Майоров, Фролов, 2004; Wise, 2009; и др.). С целью выяснения влияния блокады дофаминергической системы на характер пластических перестроек активности отдельных нейронов соматосенсорной коры кролика проведены исследования их фоновой и вызванной активности в условиях системного введения нейролептиков аминазина или галоперидола при процедурах привыкания, выработки и угашения аверсивного условного рефлекса (п = 165). В соматосенсорной коре исследовались два типа нейронов, обнаружившие различную динамику и характерный паттерн ответов: специфические мономодальные клетки, активируемые на локальное тактильное раздражение (вибриссные нейроны), и полимодальные нейроны, отвечающие на звуковой, тактильный или болевой раздражители,.

Аминазин (2-5 мг/кг) вызывает через 2-6 мин заметное снижение частоты фоновой активности у полисенсорных и мономодальных нейронов (соответственно, на 17-94% и 6-58%) в течение 5-28 мин. При повторных введениях аминазина не обнаруживается заметного усиления эффекта первого воздействия в результате, по-видимому, полной блокады специфических рецепторов, а в дальнейшем - развития процессов рецепторной компенсации или повышения утилизации (Раевский и соавт., 1996). В случае значительного подавления аминазином фоновой активности полисенсорных нейронов (на 40-60%) наблюдалось исчезновение ответов и на условный сигнал. Под влиянием нейролептика происходило выраженное снижение тонического и укорочение фазического компонента реакции на болевой сигнал. У специфических нейронов с рецептивными полями на морде (отдельные вибриссы) вызванная стимуляцией ритмическая активность сохранялась при значительном подавлении фона. Галоперидол (0,1-1,5 мг/кг) у 38% нейронов снижал среднюю частоту разрядов на 8-36%, в 16% случаев умеренно повышал частоту разрядов, в малых дозах (0,1

мг/кг) не нарушал выработанного паттерна условных изменений у полисенсорных нейронов.

Изменение нейролептиками характера условных нейронных перестроек, снижение обучаемости и болевой активации нейронов при предварительном введении, подтверждают роль дофаминергической системы в процессинге подкрепления и при аверсивном. обучении за счет ее первичной модуляции мозговыми опиоидными нейропептидами (Pennartz, 1995; Саульская, 1995; Lopez-Avila et al., 2004; Wood, 2008; Matsumoto, Hikosaka, 2009; и др.). Дофаминергическая система мозга является, по-видимому, универсальным механизмом системной нейропластичности подкрепления (положительного, отрицательного) и модуляции -ноцицептивной нейропластичности при сердечно-сосудистой регуляции (Randich, Maxiner, 1986; Трубачев, Соловьева, 1988; Chudler, Dong, 1995; Pickering et al., 2003 и др.).

2.3. Сенсомоторная нейропластичность при вероятностном подкреплении оборонительного рефлекса

Одной из ключевых проблем нейрофизиологии высшей нервной деятельности является анализ механизмов подкрепления и мотивации. Полезным приемом исследования оказалось использование метода вероятностного (частичного) подкрепления, определяющего основные показатели обучения и сохранения навыков в парадигмах как классического обусловливаши (Skinner, 1938; Kimble, 1967; Меницкий, Трубачев, 1974 и др.), так и программированного биоуправления (Сороко, Трубачев, 2010). Вопрос отражения в нейронных перестройках режима подкрепления исследован недостаточно (Stolar et al., 1989; Watanabe, 1996; Мержанова и соавт., 2004; Schultz, 2007 и др.).

Проведено исследование динамики условных изменений активности нейронов сенсомоторной коры кролика при вероятностном и постоянном подкреплении оборонительного условного рефлекса. Режим вероятностного подкрепления задавался двумя способами: посредством схемы фиксированного отношения, когда болевое подкрепление отсутствовало в каждой 4-й пробе или наказывалась каждая 3-я проба; вторая схема квазислучайного подкрепления формировалась при программированном биоуправлении - оперантном подкреплении паттерна нейронного разряда на условный сигнал при его сопряжении с избеганием болевого наказания.

С целью создания контролируемого состояния животных обучение проводили в течение однодневного эксперимента, включавшего не менее 2— 3 сеансов постоянного и частичного подкрепления.

В работе анализируются данные, полученные на полисенсорных нейронах, обнаруживших при сочетаниях «адаптивный» характер условных изменений, отличающихся от привыкания. Обучение при частичном подкреплении проводили спустя 30 мин после выработки условного

рефлекса с постоянным подкреплением и угашением. Сеанс обучения состоял из 130-160 проб, угашение - из ЗО^Ш проб. После образования условных нейронных изменений при подкреплении 75% проб отмечалась выраженная реакция на сочетаемые сигналы и на последующий после пропуска наказания раздражитель, проявляясь на месте подкрепления.

Рисунок 1. Перистимульные гистограммы нейрона сенсомоторной коры при образовании и угашении оборонительного рефлекса в условиях постоянного и частичного подкрепления. А, 1 -привыкание; Б - сочетания: 2, 3 -постоянное подкрепление; 4-6 - подкрепление каждой третьей пробы; В, 7 - угашение. На гистограммах приведены осциллограммы проб. Кружками на гистограммах и осциллограммах обозначены пробы условного сигнала длительностью 4 с. На осциллограммах три темных кружка - подкрепляемая проба с отметкой безусловного сигнала 0,5 с; светчые кружки -неподкрепляемая проба; при частичном подкреплении приведены две или четыре осциллограммы соседних проб; при угашении проба № 6 + «счетная» по подкреплению из периода сочетаний. Вся гистограмма 25 с, 1 бин 100 мс, число итераций 10; слева вверху номера проб.

Из «обучившихся» нейронов (п=112), прошедших повторные сессии сочетаний каждой третьей пробы, 24% обнаружили сохранение выработанной ранее картины условного ответа без выраженного дифференцирования реакций на подкрепляемый и неподкрепляемый сигналы. Такой характер изменений активности на условный сигнал является, по-видимому, отражением развивающегося эффекта генерализации. У 28% нейронов через 40-70 сочетаний наблюдалась большая активация условного ответа в пробах без наказания и возрастание частоты нейронных разрядов во второй неподкрепляемой пробе, т. е., по-видимому, проявлялось ожидание животным наказания в цикле «подкрепление - два неподкрепления». В фоновой активности нейрона при этом происходило формирование реакции, предваряющей условный сигнал. При угашении наблюдалось более длительное по сравнению с постоянным

подкреплением сохранение условных изменений (р<0,05), преимущественное воспроизведение условного паттерна на месте бывшего подкрепления и в фоне последействия; при первых пробах отмечалось наличие антисипационных реакций (рис. 1). Остальные нейроны, обнаружившие условные перестройки при постоянном подкреплении, показали заметный декремент в сессиях вероятностного обучения.

Таким образом, при различной вероятности болевого подкрепления у полисенсорных нейронов соматосенсорной коры кролика обнаруживаются два типа перестроек на условный сигнал при высокой и низкой частоте подкрепления. Эти формы условных нейронных паттернов напоминают картину изменений при инструментальном обучении. Отсутствие наказания' в части проб, вероятно, «оценивалось» животным как избегание и манифестировались условные предваряющие ответы — антисипационная ассоциативная нейропластичность. Отражение в условных нейронных паттернах сенсомоторной коры сложных взаимодействий вероятности подкрепления и принятия решения свидетельствует об ее участии в общей системе с прецентральной, фронтальной корой и базальными ганглиями (Толкунов, 1981, 2002; Шуваев, Суворов, 2001; Cohen, Nicoleiis, 2004; Schultz, 2007; Joshua et al., 2008 и др.).

2.4. Корковая пластичность в формировании паттерна нейронной активности на условный сигнал при биоуправляемом болевом подкреплении

С годами в архиве наблюдений накапливалось количество «обучавшихся» нейронов, но многие из них не следовали антропоморфной логике экспериментатора, поэтому был выбран более полезный для животного парадигм обучения: появление нейронного ответа на условный раздражитель (оперант), превышающего на определенное число импульсов значение периода предшествующего фона, избавлял животное от боли — эффект положительного подкрепления (Kimble, 1967). Порог управления устанавливался в зависимости от наблюдавшейся картины обучения и частоты разрядов нейрона так, что болевая стимуляция выключалась, когда ответ превышал фон не менее, чем на 20-30%. Критериальным периодом ответа был весь условный сигнал, его первая или вторая половины. По этой схеме обучалось 68 нейронов. Для элиминации двигательных артефактов и выделения «чистых» форм нейронных изменений при многократных периодах сочетаний обучение проводилось на обездвиженных кураре животных, длившемся 6-8 часов. В соматосенсорной коре отбирались неспецифические нейроны с отсутствующей или угасающей реакцией на звуковой сигнал, но с возбудительной реакцией на болевой раздражитель лапы. В первых 15—20 пробах давалось постоянное подкрепление для «обозначения» нейронного ответа на условный сигнал, и при его

определении вводился режим биоуправляемого подкрепления, при котором условный нейронный паттерн проявлялся в течение нескольких десятков проб, отсутствовала динамика обучения по типу «угашения с подкреплением» (рис.2).

Поздния

™ II і И ЕЯ га_

я I . . раї Я „ ЕИ.Л ІІЕЗ-ЕЗ

3] л 11-20

" 1 Г/"......*"' '""" *"' ' ¿г- **' 1 ***"' "*""* 11—11 ""'"^

Я? --'С Г --—

Рисунок 2. Динамика условных нейронных паттернов при их оперантном подкреплении и угашении. Вверху, слева - профили формируемых ответов: ранний, средний, поздний (группы из 20 нейронов). Справа - проявляемость ответов в блоках по 20 проб. Длительность изолированного условного сигнала - 1,5 с. Внизу -формирование паттерна активности полисенсорного нейрона соматосенсорной коры кролика при биоуправляемом обучении: болевая стимуляция выключалась в пробах, если вызванная условным сигналом реакция превышала на 5 импульсов фоновую активность. Слева монтаж осциллограмм: А - привыкание на звук (20 проб) ; Б - выработка временной связи (100 проб); В - отмена сочетаний. Сверху вниз на кадре: ЭЭГ, нейронограмма, отметка раздражителя и его номер, толстая линия - отметка наказания (вертикальные линии - наводка электрокожного раздражения). Справа - монтаж постстимульных гистограмм соответствующих периодов опыта. Цифры на гистограмме - номера 10 суммированных проб; внизу -отметка раздражителя (стрелка - условный, точка - безусловный); по абсциссе -время (1 бин 170 мс), по ординате - количество импульсов.

Если при стандартной процедуре обучения условный нейронный ответ в соматосенсорной коре регистрировался в 37% проб на протяжении нескольких сессий, то при биоуправляемом обучении - в 58% (р < 0,05) оказалось возможным формировать условный ответ, приуроченный к

определенному сегменту условного сигнала (рис. 2). В конце сеанса (80-120 проб) основной формой условных изменений становились антисипационная реакция и ответ в последействии раздражителей. Паттерн условных изменений состоял из трех волн активности с периодом, равным времени между условным и безусловным раздражителями. При первых угашениях отмечалась выраженная реакция облегчения (rebound ответ) в фоновой и вызванной активности нейрона, сопровождавшаяся мощной активацией ЭЭГ, а через 6-10 неподкреплений появлялись типичные паттерны ответов на условный сигнал и в его последействии, сохранявшиеся в течение нескольких десятков проб. На протяжении всего обучения композиция нейронного ответа при сочетаниях непрерывно изменяется, формируется некий динамический паттерн вокруг условного сигнала и подкрепления (избегание наказания), комплексно кодируя ряд параметров сигналов и их взаимодействия. Таким образом, корковая нейропластичность при биоуправляемом подкреплении уменьшает «временной парадокс» (декремент) обусловливания (Doty, 1969).

2.5. Исследование импульсации корковых нейронов при «наказании» определенного кластера межспайковых интервалов: управление межспайковой нейропластичностью

В наших опытах (Василевский и соавт., 1972) было обнаружено, что одним из кодов условнорефлекторных перестроек нейронов соматосенсорной коры является появление в вызванной и прилежащей фоновой активности межимпульсных интервалов, близких к частоте болевого (безусловного) раздражителя. Поэтому другой парадигм биоуправляемого обучения основывался на подкреплении (отмене болевых стимулов) межспайковых интервалов определенного диапазона, выше или ниже критериального интервала (36 животных, 36 нейронов). На обездвиженных кроликах производилось автоматическое избирательное наказание (болевая стимуляция конечности, заметно не влиявшая на текущую частоту разрядов), определенного диапазона коротких или длинных межимпульсных интервалов в фоновой активности нейронов (рис. 3).

Анализ постинтервальных гистограмм показал, что в результате происходящей при этом реорганизации импульсных потоков уменьшается общее количество наказываемых межспайковых интервалов (оперант). При наказании коротких интервалов (менее заданного, 200-100 мс; п=14) снижалась средняя частота разрядов и увеличивалась вероятность появления длинных интервалов непосредственно вслед за наказываемыми короткими интервалами - эффект оперантного обучения (р<0,05). При наказании длинных интервалов (более заданного, 50-200 мс; п=16) у одной группы нейронов увеличивалась средняя частота разрядов и, соответственно, уменьшалось количество длинных интервалов. У других клеток уменьшение

количества длинных интервалов произошло на фоне снижения средней частоты разрядов клеток с формированием коротких пачек.

Реорганизация импульсных потоков определялась, по-видимому, степенью синхронизации восходящих активирующих ноцицептивных влияний и их суммацией с фазами возбуждения и торможения в реципрокно взаимодействующих совокупностях нейронов (Prise, Dubner, 1977; Kenshalo, Isensee, 1983; Lamour etal 1983 и др.).

Таким образом, открытый Fetz (1969) в двигательной коре факт оперантного обусловливания частоты нейронных разрядов при пищевом подкреплении и целеуказании был обнаружен при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции межимпульсных разрядов нейронов соматосенсорной коры, активность которой предшествует активации двигательной коры в моторных актах (Evarts, 1981; Асанума, 2007).

«ГА

Vu, V V' / h,Л J : 1

с m 20 11 « » Шю

■ л-Ш ми

"м л. у.

т 1 '"1 ». 1 Ч 1 1

-му

VvV

J_I-1

У! 1

-J_Li-L.

W Л

Як ' HI/IHK »

Рисунок 3. Динамика текущей частоты корковых нейронов, обучавшихся при биоуправляемом наказании заданного диапазона межспайковых интервалов: А -наказывались интервалы менее 200 мс; Б и В - наказывались интервалы более 100 мс, соответственно у нейронов с единичным и смешанным типом фоновой активности.

I - фон, 11 - обучение, III - фон после. Сверху вниз: а - динамика меток, стимулов и б - текущей частоты разрядов, рассчитанных в относительных единицах к средней частоте фона, в - постинтервальные гистограммы, приведенные к одному интервалу, где п - общее количество наказываемых интервалов в пятиминутных отрезках периодов опыта: по абсциссе - время, мс, по ординате - среднее количество разрядов за каждые последовательные 10 мс вслед за «меченым» интервалом: внизу - осциллограммы внеклеточных потенциалов в фоне, калибровка 100 мс и 1 мв.

2.6. Оперантная нейропластичность корковых популяций, обучавшихся снижать или повышать частоту собственных разрядов, синхронизированных по обратной связи с наказанием и избавлением

Проведенные ранее исследования на отдельных нейронах были расширены при оперантном обучении активности малых 2-8 нейронных популяций по методике Сидмановского избегания (Kimble, 1967), когда спонтанные осцилляции частоты разрядов мультиклеточной активности (интегрированная частота разрядов) автоматически подкреплялись избеганием животным слабого болевого наказания (рис.4).

А_:------_х

"ьмА*. I * ■ -и» пи- hi i

Mni^tVifWJllMi........».....У ' ""« »' '■«■ ■ ч '

-5 6

•I ......................

Л-----__-----------X

tH^ii»».чИч« urn nm-i'fti'Hi" ii ч'"| н* 'i ' *r '1'ir f •iin'ivfin i11 i riilm*f*i ■ Мь у vin? дуЦ^и^!*)^,. ищ'ццщ I "tfnr^irtiii^—' Tn-J,"f''чт'г-иП'гти'гГГ fTf i iT> 3

....................."....... illtfii'llWMillfTiihiiiiflllitiitiiiiiniiiliiiiiiiiii...................fa.....ii..........................

..............

-7 -8

Рисунок 4. Протокол полиграфической записи биоуправляемого обучения кролика повышению частоты разрядов мультиклеточной активности соматосенсорной коры (разные опыты, А и Б). 1 - фон, 2 (стрелка) - обучение: «наказываются» колебания мультиклеточной активности ниже 40 Гц. На А и Б сверху вниз : 1 - отметка стимулов (для 1 - «мнимые», для 2 - реальные); 2 -огибающая частоты мультиклеточной активности (нижний уровень пула); 3 -огибающая нейронных разрядов верхнего управляющего уровня пула; 4 -кардиоинтервалограмма; 5 - локальная ЭЭГ; 5-6 Гц составляющая ЭЭГ; 7 - 12-13 Гц составляющая ЭЭГ, 8 - отметка времени 1 с. Медленные модуляции нейронной активности и ЧС после включения болевой стимуляции.

После развертывания нейронных исследований 70-80 гг. прошлого столетия, когда шло широкое освоение техники и результатов микроэлектродной регистрации отдельных нейронов, возникла неудовлетворенность в понимании интегративных механизмов мозга, вызвавшая в последней трети XX века большой интерес к мультиклеточной

активности, регистрируемой одним или множественными электродами (John, 1969; Gabriel et al., 1973; Гасанов, 1981; Shaw et al., 1982; Segundo, 1986 и др.). Позднее Freeman (1975, 2000) сформулировал ряд важных понятий (нейронные массы, ансамбль, картель и др.) и обосновал необходимость колебательного нейронного хаоса, обеспечивающего «неограниченную» пластичность мозга. Нейронный ансамбль как процессинг взаимодействующих элементов приобрел в последнее десятилетие измеряемые черты и интенсивно исследуется в теоретическом и прикладном аспектах (Deadwyler, Hampson, 1997; Chapín et al., 1999; Buzsaki, 2004; Lebedev et al., 2008; Osan,Tsien, 2011 и др.).

Мультиклеточная активность представляет собой сложный поток различающихся по амплитуде и форме импульсов, являющихся потенциалами действия определенного множества нервных элементов (Olds, 1973; Schwartz et al., 1976; Богданов, Галашина, 2003 и др.). Частотные характеристики этой активности зависят, главным образом, от размеров регистрируемых популяций и определяются, в первую очередь, диаметром и сопротивлением микроэлектрода, его расположением в неоднородном субстрате мозговой ткани и функциональным состоянием животного.

В наших исследованиях впервые была показана возможность выработки устойчивых сдвигов текущей частоты разрядов мультиклеточной активности соматосенсорной коры кролика (п=70), флуктуации которой становились оперантами и сопрягались с наказанием как для их повышения, так и понижения в последовательных сессиях обучения (рис. 4). У 64% нейронных популяций через 2-12 минут управляемой по обратной связи ноцицептивной стимуляции («наказывалась» частота разрядов ниже/выше пороговой) наблюдалось значимое повышение/снижение частоты импульсаций и соответствующее уменьшение количества болевых раздражений, их минимизации на 30-50% по сравнению с исходным уровнем в течение 2-5 мин - эффект оперантного обучения, воспроизводившийся в последующих сессиях тренировки (дисперсионный анализ: фон и обучение и контроль; F = 4.18, р < 0.02; F = 3.54, р < 0.05, соответственно). Устойчивые сдвиги после однократной биоуправляемой стимуляции как в сторону увеличения, так и снижения частоты разрядов сохранялись в течение 15—20 мин после ее выключения. Изменения частоты разрядов мультиклеточных единиц были направлены в сторону ухода от тех частот, при которых на животное подавалась биоуправляемая болевая стимуляция. Механизм развития адаптивных сдвигов активности корковых нейронных популяций осуществляется посредством оперантного взаимодействия импульсных потоков, основанного на временной синхронизации состояний мозга с моментами выключения биологически отрицательных воздействий и воспроизведением «обученных» паттернов — непрерывной оперантной нейропластичности мозга (рис. 5).

2.7. Медленные колебания активности нейронных популяций, управляющие ноцицептивной стимуляцией посредством обратной связи: пространство осцилляторной нейропластичности

С помощью построения автокоррелограмм были проанализированы медленные изменения текущей частоты разрядов корковых нейронных популяций при биоуправляемой выработке устойчивых сдвигов увеличения или снижения их активности. Эндогенные колебания частоты разрядов мультиклеточной активности характеризуются наличием медленных осцилляций (с периодом 10-20 с) и десинхронизированных участков (рис. 5).

Рисунок 5. Динамика образования устойчивых изменений активности нейронных популяций при биоуправляемой стимуляции повышать или снижать частоту их разрядов. А - осциллограмма разрядов одной из нейронных популяций. Б -графики развития устойчивого увеличения (кривая 1) и снижения (кривая 2) частоты разрядов для разных нейронных популяций, построенные по минутным значениям. 1\ 2' - соответствуют кривым 1 и 2 — среднее число стимулов наказания в минутных отрезках для периода обучения II (для периодов I и III - число псевдостимулов - отметок). I - исходная фоновая активность, II - период обучения - стимуляции, III - фон после. Горизонтальные пунктирные линии - средний уровень исходного фона, порог подкрепления. В - огибающая текущей средней частоты разрядов нейронной популяции; Г - автокоррелограммы для нейронной популяции / с отсутствием периодики в фоне и форма участков десинхронизированной и медленноволновой активности (наложение 40 пятнадцатисекундных отрезков, где по ординате среднее число стимулов на 1 участок; вертикальные линии -достоверные границы, заштрихованные столбики - зона наказания) соответственно периодам I, II, /Я Д - то же для нейронной популяции 2 с квазипериодическими флюктуациями фона и форма участков медленной и десинхронизированной активности.

При биоуправляемой стимуляции механизм развития устойчивых сдвигов связан с преимущественным воспроизведением менее «наказываемых» болевым стимулом колебаний активности нейронных

популяций. Динамика воспроизведения этих составляющих до, во время и после управляемой стимуляции коррелировала с распределением количества болевых стимулов (кривой обучения) в те же периоды опыта. Резонансная синхронизация определенных внутренних состояний мозга, лежащая в основе выработки устойчивых адаптивных сдвигов, обусловлена наличием непрерывных медленных осцилляции активности нейронных популяций, модулированных ноцицептивной системой и сигналами обратной связи. После предварительного введения аминазина (3-6 мг/кг) не наблюдалось направленных перестроек активности нейронных популяций, приводящих к минимизации болевых воздействий, связанных с тем, что нейролептик подавлял двухфазную реакцию ЧС на ноцицептивную стимуляцию и выключал барорефлекторный процессинг, вторично нарушая совместную дофаминергическую систему подкрепления и болевого контроля.

Фурье-анализ текущей частоты разрядов нейронных популяций показал, что медленные флюктуации фоновой активности мультиклеточных совокупностей соматосенсорной коры со средней частотой 20-60 Гц отличаются несколькими профилями спектра. В большинстве случаев (67%) нейронные популяции имеют в своей активности ту или иную ритмическую составляющую с большим весом в диапазоне 0,02-0,7 Гц и низким присутствием других частот (рис. 6). В других случаях спектр состоит из двух групп частот (19%), значительно реже встречается отсутствие ритмических колебаний (14%).

Рисунок б. Медленные осцилляции мулыпиклеточной единицы, оперантно самообучающейся снижать или повышать частоту разрядов.

А - схема биоуправляемой стимуляции при обучении нейронной популяции повышать частоту разрядов выше заданного порога (звездочка). Сверху вниз: отметка стимулов, огибающая мультиклеточной активности (слева ее

осциллограмма), отметка времени. Б - динамика те/ущей частоты нейронных разрядов, построенная по минутным значениям в различные периоды опыта (1 -фон, 2 - обучение, наказывается частота разрядов выше 50 Гц; 3 - фон после, 4 -контроль (неуправляемая стимуляция), 4' - фон после, 5 - обучение (наказывается частота разрядов ниже 50 Гц), 6 ~ фон после. В - Фурье-спектры текущей средней частоты разрядов мультиклеточной активности из соответствующих периодов опыта (фрагменты из 4000-6000 штульсов, время усреднения - 1 с). По абсциссе -частоты (максимальная 0.5 Гц), по ординате - нормированные мощности частот спектра.

При анализе осцилляции текущей частоты мультиклеточной активности во время оперантного обучения обнаружилось появление в спектре 0.35-0.5 Гц компонента, связанного, вероятно, с сигналами обратной связи, и значительное повышение мощности низкочастотных колебаний диапазона 0.02-0.13 Гц, отражающего не только переходные изменения, но и настройку процессинга общего адаптивного регулирования организма, манифестацию адаптогенных ритмов (рис. 6).

2.8. Формирование доминирующего локуса резонансных осцилляции медленноволновой активности как процессинг оперантной пластичности обучающихся нейронов

Многими исследователями была обнаружена периодическая активность отдельных нейронов и популяций: 0,09-1,3 Гц вентро-базального таламического ядра (\№егпег, Мои^савИе, 1968), < 1 Гц осцилляции ретикулярных таламических и таламо-корковых нейронов (Б1епас1е е1 а1., 1993), сердечный ритм 0,05-0,5 Гц нейронных флюктуаций продолговатого мозга (ЬашЬеПг, Ьа^Иоге!, 1998), таламуса (Маз-чтит е1 а1., 2000) и мультиклеточной активности соматосенсорной коры (Трубачев, 1981) и др. Эти медленные осцилляции, возникающие в нейронных массах, являются, вероятно, одним из основных свойств мозговых систем, на основе которого происходит саморегуляция нейронных ансамблей в процессах восприятия сигналов и обучения организма. Адаптивная саморегуляция может быть представлена в виде комплекса непрерывных взаимодействий, ассоциаций текущих нейронных осцилляций с сенсорным воздействием, непосредственно следующим за их отдельными составляющими. Этот контур регуляции связывается с медленными модуляциями сердечного ритма продолговатого мозга, отражающими синергетичность болевой и барорефлекторных систем при повторяющихся ноцицептивных воздействиях (ЯапсИсЬ, Махтег, 1986). Образующиеся временные резонансные сопряженности с мотивационно-подкрепляющими системами мозга избирательно активируют или подавляют компоненты биоэлектрической активности, формируя соответствующую популяцию нейронов, минимизирующих возмущающие воздействия (Судаков, 1986; Сороко, Трубачев, 2010).

Основными принципами осуществления процессов оперантной нейропластичности в механизмах саморегуляции-обучении, опосредующих достижение полезного результата (избегание боли), являются классический Павловский условный рефлекс (И.П. Павлов, 1927), оперантное обусловливание B.F. Skinner (1938, 1984) и формирование акцептора действия П.К. Анохина (1968).

У обучившихся популяций нейронов наблюдается характерная картина медленных модуляций активности - формирование доминирующего локуса периодической активности, отражающей различные стадии развития оперантного взаимодействия импульсных потоков и сохранения памятного следа. Саморегуляция по обратной связи локуса медленных модуляций нейронных взаимодействий приводит к минимизации болевых воздействий на организм и осуществляется, вероятно, в режиме доминантного функционирования по A.A. Ухтомскому (1923). В ряде работ последнего десятилетия показана роль медленных осцилляций во взаимодействии корковых, таламических, гиппокампальных нейронных сетей (Reid, 1984; Rosenberg et al., 1989; Gray, 1994; Sirota, Buzsaki, 2005; Schroeder et al., 2008).

2.9. Основные паттерны изменений сердечного ритма кролика при . биоуправляемой болевой стимуляции: системная оперантиая пластичность в сердечно-сосудистой регуляции

В последние десятилетия в физиологии наблюдается заметное повышение интереса к анализу процессов регулирования, изучаемых методами biofeedback-обучения (Abarbanel, 1995; Obrist et al., 2008; Lehrer, Vaschillo, 2008 и др.). Нынешний ренессанс изучения биоуправления сердечным ритмом произошел после авангардных исследований Миллера, Ди Кары и соавт., проведенных в конце 70-80 гг. XX века на курарезированных крысах по оперантному обусловливанию ряда вегетативных параметров (ЧС, АД, локальный кровоток), показавших в среднем 1-2% изменений от исходного уровня, впоследствии не воспроизводимыми как самими авторами, так и другими учеными (DiCara, 1974; Miller, 1978; Roberts, 1978; Dworkin, Miller, 1986 и др.). Поэтому вопрос о возможности обучения изменению частоты сердцебиений под влиянием биоуправления на обездвиженном животном для выявления «чистых» форм висцеральных ответов и исключения влияния двигательных и других артефактов много лет оставался открытым. Малоизученными являются, в частности, связь направления биоуправляемых изменений с характером исходной реакции ЧС на болевую стимуляцию у разных видов животных (Kapp et al., 1991; Zhang et al., 2009 и др.), определение диапазона обучаемых изменений и взаимодействие их с гомеостатической сердечнососудистой регуляцией (Черниговский, 1975). Для понимания механизмов реакций сердечно-сосудистой системы на стресс важно исследовать, как участвует в этом процессе саморегуляции другая антистрессовая система -

болевая (ноцицептивная), известная своими эффектами на ЧС у человека и животных (Janig, 1985; Foreman, Blair, 1988; Spyer, 1989; Randall, 1991; Lang, Davis, 2006, и др.).

шшшшт

«^U^VtaAfUiWilMw

ntnfhi/r-* 11 ' 1 " 1 1

**1

N 1

■l.i .....— "—■■' ■ *■ •'■'■«■■■ —* !»..->-.»»

N 2

-V-

ggg

f«

~пг

dtomUJÜ Iti'Wfi"1-----* ' ■*■ ■ *** ШшЙ i мОаHhfc

...........mü*tifT **H*nt <fii м- irl-' ----------—-—

цнмш* « ■ 4» ■ ........mm

Рисунок 7. Основные паттерны кардиоинтервалограммы кролика, обучаемого снижать частоту сердцебиений при программированном биоуправлении. Стандартный протокол полиграфической записи, разные животные.

А - длительное тоническое снижение ЧС (наказываются RR-интервалы ниже 194 мс). В - резонанс-раскачка (наказываются RR-интервалы ниже 204 мс). 1 -фон,

2 (стрелка) -стимуляция-обучение (наказываются RR-интервалы ниже заданного),

3 - фон после. На каждом фрагменте сверху вниз: STIM (1) - отметки стимулов (для периодов 1 и 3 - мнимые указатели, для 2 - болевые), EKG (2) -кардиоинтервалограмма (непрерывная запись длительности RR-интервалов), N1 (3) - огибающая частоты нейронных разрядов (верх пула), N2 (4) - огибающая низа пула, EEG (5) - локальная ЭЭГ (ЭкоГ) с кончика микроэлектрода, fi.5 Гц (6) и/13 Гц (7) - частотные составляющие ЭЭГ, Js (8) - отметка времени 1 с. Вверху - схема биоуправления, где наказывались RR-интервалы меньше заданного порога (*).

Исследования по оперантному обусловливанию ЧС были проведены на 70 кроликах, находившихся на искусственном дыхании (температура тела

37,7-38,5°). Животных обучали направленно изменять ЧС под влиянием биоуправляемой электрокожной стимуляции: появление ЯЯ-интервала в заданном диапазоне приводило к прекращению болевых воздействий (рис.7).

Выполнены две основные серии опытов по обучению уменьшать и увеличивать ЧС, которые осуществлялись на одном или разных животных. В первой серии проводилось обучение снижать ЧС, т.е. «наказывались» болевыми стимулами ЯК-интервалы меньше заданного порогового значения. Во второй серии животных тренировали увеличивать ЧС (наказывались ЯП-интервалы больше заданного). Использовалась система слежения за ЯК-интервалами с разрешением 1 мс. В опыте проводилось несколько повторных сеансов обучения по 15-25 мин с биоуправляемой стимуляцией, регистрацией фоновой активности до и после сеансов обучения, с контрольной неуправляемой стимуляцией. Таким образом, весь опыт включат не менее 15-20 периодов в течение 6-8 часового опытного дня (рис. 7). Различия между сериями оказались существенными (Р(1, 22) = 4.95, р < 0.05).

Под влиянием биоуправляемой стимуляции (наказываются короткие ЯК-интервалы) у большинства животных через 2-6 мин вырабатывается стойкое снижение ЧС с отчетливой картиной нарастающей минимизации болевых стимулов - эффект обучения. Одним из основных типов изменений при оперантном обусловливании кролика снижению ЧС является феномен резонансной потенциации-раскачки, развивающейся из исходной двухфазной реакции на ноцицешивную стимуляцию в виде 1,5-3,5 с слабого учащения, ригидной фазы, и последующего значительного урежения ЯК-интервалов, нарастающего в течение 5-9 с, с медленным возвращением к исходному уровню до следующего раздражения при образовавшемся квазиритмическом паттерне наказания с трендом минимизации болевых стимулов по мере тренировки (рис. 8).

Другой формой изменений в начальных периодах биоуправляемой стимуляции у ряда животных была картина обучения с общим тоническим снижением ЧС на 5-11% по сравнению с исходным уровнем (рис. 7). Нередко отмечалась комбинация описанных форм изменений с индивидуальным преобладанием одной из стратегий саморегуляции. Например, при длительном снижении ЧС появлялись короткие болевые стимулы на укороченные ЯЯ-интервалы, являющиеся своего рода маркерами состояния избегания - саморегуляции сердечного ритма на основе гомеостатической пластичности.

Выраженность вспышек урежения ЧС при стимуляции по обратной связи была наиболее пластичной и зависела от нахождения экспериментатором баланса оптимального порога саморегуляции, интенсивности болевого сигнала. Брадикардическая реакция в многоминутных периодах обучения достигала в среднем у разных животных 8-14% от исходного фонового уровня.

И'.Ш

ТТ"

Рисунок 8. Обучение кроликов снижать и повышать частоту сердцебиений при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции.

А 1 - исходный фон, 2, -биоуправляемая стимуляция ЯК-интервалов ниже заданного порога 210 мс (2 - начало обучения, 2' - на 10-11-й минуте, 2" - конец обучения), 3 - последующий фон. Сверху вниз: кардиоинтервалограмма, на врезках -отметка времени, 1 с; отметки стимулов (для 1,3- мнимые, указатели, для 2 -болевые), зарегистрированные на медленной и быстрой скорости записи. В -массированное обучение кролика (7 сессий) повышать ЧС: 1 наказывались ЯК-интервалы выше 245-230 мс); 9 - обучение снижению ЧС (наказываются ЯК-интервалы ниже 230-225 мс). С - изменения частоты сердцебиений (относительно фона) на биоуправляемую ноцицептивную стимуляцию. Средние значения на 12 животных в течение 8 с от начала болевой стимуляции. По оси абсцисс - время, по оси ординат - ЧС относительно фона, уд/мин. 1 - на 1-ой мин при обучении повышению и 2 - снижению ЧС.

В периоде биуправляемой стимуляции при наличии брадикардической потенциации-раскачки Фурье-анализ многосекундных записей КК-интервалов обнаруживает характерные медленные модуляции кардиоинтервалограммы: формирование моногармонического спектра с главной частотой высокого веса в диапазоне 0,09-0,13 Гц. После 6-20 минут успешного обучения (избегание более 50-70% болевых стимулов) появляется более медленная составляющая 0,05-0,07 Гц, что в целом обеспечивает структуру квазиритмического паттерна минимизации ноцицептивных стимулов (рис. 9).

Гистограмма ЯЯ-интервалов исходного фона имела мономодальный характер с низкой дисперсией интервалов. Во время обучения возрастала вариабельность ЯК-интервалов и их гистограмма становилась полимодальной со сдвигом вправо. В гистограммах фона после стимуляции

отмечался постепенный возврат к исходному виду, т.е. сохранялись следовые эффекты предыдущего периода.

Рисунок 9. Динамика кардиоинтервалограмм и их Фурье спектров при длительном обучении кролика снижать частоту сердцебиений посредством биоуправляемой болевой стимуляции RR-интервалов, меньших заданного значения. Вверху - непрерывная многоминутная запись кардиоинтервалограммы всего опыта (А-Е). 1 - фон, 2-25 минутное обучение, (болевая стимуляция RR-интервалов короче 210 мс, порог неизменный), 3 - отмена стимуляции (фон после). Сверху вниз на каждой записи отметка болевых стимулов для 2 или псевдостимулов для 1, 3; кардиоинтервалограмма, отметка времени 2.5 с. Внизу - Фурье-спектры 1с дискрет RR-интервалов фона (1); обучения: 2А - на '2-й мин от начала, 2Б - на 6-й мин, 2В -на 11-й мин, 2Г - на 16-й мин, 2Д - на 20-й мин; отмена стимуляции: ЗЕ - начало угашения, 31Е - через 2 мин. На спектре по оси абсцисс - частота (0.03-2.25 Гц), под ним: среднее значение RR-интервалов, его дисперсия и вес наибольшей гармоники.

Длительность фрагментов отсутствия болевой стимуляции в конце периода оперантного обусловливания у разных животных составляла 17-20 с, иногда достигая 23-28 с (рис. 8 и 9). Эти периодичности можно обозначить как временные «кванты» обученного состояния сердечного ритма, определяющие предельный период удержания навязанных биоуправлением изменении ЧС в гомеостатическом цикле сердечно-сосудистой регуляции. Оставалось неясным, почему не удается увеличить длительность эпизодов

брадикардической потенциации при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции. В 1982 г. вышла работа Dorward и соавторов о быстрой установке чувствительности аортных барорецепторов анестезированного кролика в коротких и длительных периодах рефлекторной саморегуляции АД-ЧС. Быстрый сброс установочной точки уровня АД происходил в дискретах менее 30 с от изменений ЧС. Таким образом, полученный в наших опытах предельный 17-20 с цикл брадикардической реакции, навязанной болевой стимуляцией, ограничивается временем установки нового уровня барорефлекторного регулирования. Эти авторы также показали, что при поддержании среднего АД в покое в течение 15 или более минут происходили рефлекторные изменения установки барорефлекса, в результате чего изменения ЧС становились существенно меньше, чем при отсутствии регуляции чувствительности барорефлекса. Этой длительной 15 минутной дискретой установки барорефлекса объясняется, вероятно, уменьшение эффектов биоуправляемой ноцицептивной стимуляции при достижении предельной брадикардической потенциации после 15-20 мин оперантного обучения. Существование ассимметричной брадикардической реакции на стрессовые воздействия связано с наличием динамической нелинейности вагосимпатического взаимодействия в регуляции ЧС у кролика (Sunagawa et al., 1998).

После отмены стимуляции в течение первых 15-40 с, когда еще регистрируется последний эпизод раскачки, отмечается наличие следовых эффектов с соответствующим частотным спектром кардиоинтервалограммы. Возрастание в спектре веса более медленной составляющей отражает, вероятно, переходный процесс, след памятного рекруитирования, или переучивание (Myers, Davis, 2003).

Одним из решающих факторов успешности оперантного обучения сердечного ритма является быстрое нахождение порога биоуправляемой стимуляции, что приводит к эффекту резонансной потенциации и раскачки. В случае неудачного выбора порога биоуправления и «задалбливания» животного болевой стимуляцией эффект раскачки носил преходящий характер и реакция ЧС на биоуправляемое болевое воздействие угасала. Под влиянием биоуправляемого обучения, несмотря на постоянно действующий механизм привыкания (адаптации) в результате длительной ноцицептивной стимуляции надпороговой интенсивности, выявляется значимое различие динамики кардиоинтервалограммы в сессиях обучения и контроля.

Обучение увеличению ЧС кролика при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции. В начале периода обучения короткая реакция повышения ЧС, возникающая лишь в момент действия пачки болевых стимулов, переходила в фазу снижения ЧС и через 1-1,5 мин развивалось привыкание с отсутствием соответствующих алгоритму биоуправления изменений RR-интервалов, не формировалась динамика постепенного увеличения ЧС и минимизации наказаний в связи с временем обучения, повторными

сеансами. В то же время, у этих животных обнаруживался эффект минимизации болевых стимулов и формирование реакции потенциации — раскачки при последующих сессиях обучения снижению ЧС (рис. 8).

Невозможность биоуправляемого обучения кролика увеличению ЧС привела к специальной серии опытов по определению характеристик и динамики реакции ЧС на длительную ноцицептивную стимуляцию без обратной связи при прочих равных условиях эксперимента.

2.10. Двухфазная реакция ЧС и ее потенциация на одиночную и повторяющуюся ноцицептивную стимуляцию: барорефлекторная

пластичность

Исследования по обучению животного и человека контролировать ЧС методом биоуправления вызывают необходимость описания этих процессов и механизмов с привлечением классических положений и понятий современной нейрофизиологии. В аналитическом плане оказалось целесообразным, в частности, выделение специфических процессов, связанных с обученным эффектом стимуляции по обратной связи (памятным следом) в результате сопряженности изменений функционального состояния и подкрепления, и неспецифических - типа привыкания, угашения ориентировочной реакции, описанных в рамках классической модели обучения (Engel, Schneiderman, 1984). Неизученным оказался вопрос о проявлении эффекта облегчения, потенциации, сердечных реакций при ритмической или аритмической ноцицентивной стимуляции. Целью этого раздела исследования (43 животных) явилось выявление основных характеристик потенциации хронотропной реакции сердца кролика при длительной ноцицептивной стимуляции с частотой 0,05-2 Гц, весьма близкой к стимуляционному паттерну, возникающему на разных этапах программированного биоуправления (рис. 10).

Болевая повторяющаяся стимуляция одиночными стимулами вызывает брадикардическую реакцию в виде мощной асимметричной вспышки увеличения последовательных RR-интервалов с медленным затуханием, которой предшествует короткая 0,5-2,5 с слабовыраженная фаза увеличения ЧС на 2-8% с латентным периодом менее 1 с. Длительность брадикардической фазы при редкой стимуляции составляла 5-14 с и ЧС уменьшалась в среднем на 12-20%. Возникающая при ноцицептивном раздражении конечности двухфазная реакция ЧС претерпевает при ритмической стимуляции выраженную потенциацию брадикардического компонента с усвоением навязанного ритма стимуляции. Максимальная потенциация снижения ЧС развивается в течение 15-42 с от начала стимуляции частотой 2-0,2 Гц и достигает 26-43% от исходного уровня, обнаруживая нелинейную связь скорости наступления потенциации с увеличением частоты воздействия в указанных границах. После 50-130 с стимуляции происходит заметное снижение реакции потенциации, полное

или частичное разрушение навязанного ритма, наблюдающегося при более низкой частоте стимуляции, т.е. развивается привыкание. Ритмическая стимуляция с частотой 5-10 Гц приводит через 30 с к заметному снижению реакции. Развитие привыкания на повторяющийся раздражитель является характерным признаком висцеральных регуляций (Graham, 1973).

При редкой (0,08-0,05 Гц) стимуляции отмечается позднее развитие реакции брадикардической потенциации, наступающей через несколько минут. Максимум потенциации происходил после 150-250 с болевого раздражения, с последующим волнообразным угашением (первичное привыкание), спонтанным восстановлением, полным или частичным, и повторным привыканием. Длительность всего цикла составляла 2,7-3,6 мин. Долго неугасающая реакция снижения ЧС наблюдалась при апериодической и квазислучайной болевой стимуляции. Таким образом, у обездвиженного кролика на ноцицептивный сигнал возникает двухфазная реакция ЧС с преобладанием снижения частоты сердцебиений, которая при ритмической стимуляции постепенно потенциируется, а затем волнообразно угасает. Брадикардическая потенциация при редкой ритмической или случайной стимуляции создает значительный долгосрочный эффект и может заметным образом влиять на динамику ЧС при программированном биоуправлении, образуя системную оперантную пластичность гомеостатического регулирования и обучения.

Представление о повышении ЧС в условиях выработки оборонительного рефлекса вследствие активации болевым раздражителем симпатоадреналовой системы является классическим (Корнева, 1965; Harris, Brady, 1974 и др.). Однако существуют убедительные данные о том, что при формировании аверсивного поведения у крысы, кролика могут регистрироваться как тахикардические, так и брадикардические реакции, зависящие от интенсивности и частоты болевого воздействия, обстановки эксперимента, степени фиксации животного, температуры его тела, стадии обучения, связаны с видовыми особенностями, манифестирующие избегательную или замирающую реакции (Martin et al., 1980; Fitzgerald et al., 1984; Hatton et al., 1997; Schadt, Hasser, 1998; Burhans et al, 2010 и др.). В исследованиях американских авторов (Kapp, 1992; Powell et al, 2002 и др.) у кролика вырабатывалась преимущественно реакция снижения ЧС. В то же время, не изучалась связь изменений ЧС на условный сигнал с характером и динамикой ЧС на повторяющийся болевой раздражитель, что восполняется проведенными нами исследованиями, показавшими, что у кролика на болевой раздражитель возникает двухфазная реакция с преобладанием брадикардического компонента барорефлекторного происхождения.

В хроническом опыте на фиксированном в станке кролике при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции наблюдались описанные изменения ЧС (потенциация - раскачка, тоническая реакция и др.), менее выраженные из-за мышечных модуляций ориентировочной и защитной

реакций, маскирующих эти изменения: ЧС за период обучения в среднем снижалась на 3-8%. ..................

Рисунок 10. Графики брадикардической потенциации и привыкания на ноцицептивные стимулы. На графике потенциации (А) представлены временные соотношения достижения плато реакций при ритмической стимуляции (1 Гц; 0.2 Гц; 0.8 Гц). По абсциссе - время, с; по ординате - значения интегрированного нормированного RR-интервала за 10 с (относительно фона).Развитие привыкания для разных частот стимуляции представлено на графике Б: по абсциссе - время (мин), по ординате - значения интегрированного нормированного RR-интервала (относительно фона); В - кумулятивная запись брадикардической потенциации на ноцицептивную стимуляцию (накопленные значения RR-интервалов); 1 - исходный фон, 2 - стимуляция, по вертикали - значения RR-интервалов, по горизонтали -время в 10 с дискретах.Вверху - образцы двухфазной реакции ЧС и брадикардической потенциации при различной периодичности стимуляции: а-2 с, б-б с, в-13 с, г-при случайном паттерне.

Итак, паттерны двухфазной реакции ЧС кролика на болевую стимуляцию с развивающейся брадикардической потенциацией поддерживаются длительное время при редкой случайной и биоуправляемой стимуляциях, подвергаются непрерывному привыканию, но под влиянием фазированного включения сигналов ОС происходит самоорганизация сердечного ритма, минимизирующего болевое воздействие в виде потенциации-раскачки, образуя пластичность биоуправляемого обучения снижению ЧС. В наших исследованиях вырабатывалось оперантное снижение ЧС и не формировалось увеличение ЧС, когда у фиксированного кролика на неизбежную боль возникала реакция замирания, затаивания с парасимпатическим доминированием (Трубачев, 1968; Leite-Panissi et al., 2003; Davis, 2006; Porges, 2007 и др.).

Резонансный отклик барорефлекторного процессинга в медленных осцилляциях сердечного ритма кролика. У кураризированного животного при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции RR-интервалов, приводящей к выраженному снижению ЧС, единственным регулятором адаптации и «спасения» оказывается барорефлекторный механизм. Его основной ролью является не только поддержание сердечно-сосудистого гомеостаза на возмущающие воздействия (Bagshaw, 1985; Hatton et al., 1997 и др.), но и противоболевая модуляция энкефалиновой системы мозга на стрессоры (Evans, 1986; Randich, Maxiner, 1986; Pickering et al., 2003 и др.), выражающаяся в брадикардической потенциации сердечного ритма кролика с доминирующими 0,07-0,13 Гц осцилляциями - диапазона барорефлекторного процессинга (Taylor et al., 1999).

Таким образом, удалось установить ряд важных моментов в биоуправляемом контроле сердечного ритма у кроликов: зависимость от исходной реакции на болевой раздражитель и пластичность брадикардической фазы на повторяющийся сигнал, ограничения разнонаправленного тренинга, постоянные и подстраиваемые пороги биоуправления, пределы обучаемых изменений, оптимальные по длительности сессии обучения и параметры обратной связи (частоты, глубины и задержки). Показана роль основных динамических характеристик сердечно-сосудистой регуляции - двухфазной реакции учащения-замедления ЧС и брадикардической потенциации на ноцицептивный сигнал, приводящие к возникновению резонанса-раскачки, привыкания при ритмической и случайной стимуляции в общем результате минимизации болевой стимуляции - четко отграниченные эффекты «обучения», зависимого от состояния (Overton, 1968).

Адаптивные изменения сердечного ритма, происходящие в системе биоуправления и приводящие к минимизации болевой стимуляции организма в целом, оказываются возможными лишь на основе изначального двухфазного отклика и брадикардической пластичности, в значительной мере определяя направление вырабатываемых перестроек активности. Биоуправляемая ноцицептивная стимуляция вызывает появление не только фазических изменений частоты как нейронов, так и ЧС, угасающих при повторении, но в основном производит мощные медленные модуляции их активности в диапазоне, превышающем во много раз период стимуляции, что и выступает в роли носителя (операнта) обучения.

При биоуправляемой ноцицептивной стимуляции RR интервалов через несколько минут формируется избегание болевых воздействий за счет снижения частоты сердцебиений посредством рекруитирования механизма барорефлекторной пластичности у кураризованных животных, вызывая системную аналгезию (подкрепление) на неизбегаемые стрессоры. Барорефлекс в покое и умеренных воздействиях обеспечивает быструю гомеостатическую саморегуляцию, однако в условиях крайнего стресса

(обездвиживания и ноцицептивных воздействий) он одновременно осуществляет функцию мобилизации основных регуляторных систем мозга для избавления от разрушающих воздействий, вызываемых болевой стимуляцией. По-видимому, сино-аортальный барорефлекс сохранил эту функцию в эволюционном развитии от птиц до млекопитающих, проявляясь у человека как аларм-реакция на острые стрессоры в виде резонансного ответа при редких дыханиях (Вашилло и соавт., 1983, 2010), а также в заданиях на бдительность (Лейси, Лейси, 1982).

Высшие центры управления ЧС при классическом и инструментальном обучении, осуществляемые по принципу оперантного взаимодействия сигналов в сердечно-сосудистой регуляции, развертываются в системе префронтальной и цингулярной коры, миндалины, ядер промежуточного мозга (Powell et al., 1988, 2002,2005; McCabe et al., 1995; Yaguez et al., 2005 и др.). Формирование брадикардической потенциации сердечного ритма кролика при ноцицептивной стимуляции происходит с участием барорефлекторного механизма, модулирующего защитно-активационную систему мозга (Hilton, ¡982; Evans, 1986) включающую соответствующие ядра гипоталамуса, среднего и продолговатого мозга (Markgraf et al., 1991 и др.).

«Центральная команда» СС регуляции, возникающая при упражнении, может быть организована и вызвана в ЦНС посредством оперантного биоуправления по сердечным RR-интервалам так же, как она возникает в результате рефлекторного ответа на гуморальный метаболизм мышц и эмоции (Schwartz, 1975; Chefer et al., 1997 и др.). Многие работы, в которых использовалось оперантное обусловливание для управления ЧС, оказались неудачными из-за того, что сердечно-сосудистые ответы претерпевали адаптацию или привыкание и не учитывалась исходная реакция на специфическую стимуляцию. Использованная нами модель биоуправления ЧС с автоподстраиваемой надпороговой аверсивной стимуляцией RR-интервалов позволяет в определенной мере минимизировать эти неизбежные процессы и сформировать оперантный контроль ЧС в повторных сессиях обучения. С другой стороны, это показывает, как процессы и механизмы оперантного обусловливания участвуют одновременно в обеспечении интеграции обучения и гомеостаза на основе системной пластичности мозга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пластичность нервных процессов является одним из важнейших свойств головного мозга, позволяющих оперативно менять структуру межцентральных отношений, лежащую в основе поддержания функционального состояния организма и его адаптации к окружающей среде, обучаться новым видам деятельности, компенсировать возникающие нарушения (Kaas, 1991; Buonomano, Merzenich, 1998; Monfils et al., 2005; Kleim et al., 2008 и др.). Нейропластичность относится к свойству нейронов,

их связей и мозга в целом изменять и реорганизовывать самих себя, как физически, так и функционально, включая изменения силы синаптических связей, образование и элиминацию синапсов, дендритов, аксонов (Zucker, Regehr, 2002; Maffei, Turrigiano, 2008; Truccolo et al, 2010; Yu, Zuo, 2011). Большая часть наших знаний относительно изменений нейропластичности сенсомоторной коры связана с долговременной потенциацией и депрессией, изученных на грызунах (Hess, Donoghue, 1999; Francis, Song, 2011). Синаптическая пластичность играет важную роль в сенсомоторной коре при обучении, усиливаясь под влиянием модуляторных систем (дофаминовой и холинэргической). Кора больших полушарий оказывается исключительно пластичной как внутри шестислойной структуры колонок и модулей, так и в пространственном распределении (вместимости, емкости) этих изменений (Gordon, 1997; Sanes, Donoghue, 2000; Weinberger, 2011; и др.). Высшим корковым центром болевой дискриминации и ноцицептивной пластичности является соматосенсорная кора (Apkarian et all, 2005; Kuo, 2009 и др.).

Работы в области нейробиоуправления подвели к созданию методов, позволяющих управлять мозговой нейропластичностью. В наших исследованиях было установлено, что нейронная активность соматосенсорной коры кролика может оперантно обучаться в соответствии с алгоритмом биоуправляемой ноцицептивной стимуляции в сторону увеличения или снижения частоты разрядов мультиклеточной активности, изменения диапазона межспайковых интервалов, паттерна нейронных разрядов на условный сигнал, которые являлись оперантами в этих опытах.

Механизм системной оперантной пластичности мозга, судя по близости пространства медленных модуляций нейронной активности и вариабельности сердечного ритма при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции, обеспечивается, вероятно, одним и тем же процессингом оперантного сопряжения нейронных осцилляций, организующим подкрепляющий эффект и барорефлекторную саморегуляцию боли и стресса. Нейронные взаимодействия в популяциях клеток при болевой автостимуляции осуществляют синергетическую модуляцию ноцицептивной и барорефлекторной систем, ведущую к развитию паттернов медленных осцилляций, образующих самоорганизацию нервных элементов в текущих интеграциях. Основными принципами саморегуляции нервных процессов в формировании целенаправленной активности организма в целом или интегративной деятельности отдельных систем являются оперантный принцип множественного разнородного самоподкрепления на основе колебательной активности составляющих элементов и принцип резонансной синхронизации, формирующих механизм системной оперантной пластичности процессинга обучения.

Полученные результаты позволяют выдвинуть положение о том, что нейронные взаимодействия, основанные на значительной плотности функциональных связей внутри популяций нейронов и между соседними

ансамблями, ведут к появлению медленных осцилляций и, в свою очередь, эффекты волновых паттернов регулируют объединение нервных элементов в системную деятельность при обучении. Оперантный механизм интегративного взаимодействия импульсных потоков, выявленный посредством биоуправления, и приобретение нейронными ансамблями системного свойства саморегуляции, приводящие посредством медленной модуляции их активности к минимизации возмущающих воздействий, осуществляется путем формирования доминантного центра, обладающего свойствами подкрепляющего эффекта и командного управления. Оперантное обусловливание низкочастотных нейрональных осцилляций является рабочим механизмом интеграции и пластичности.

Системная оперантная нейропластичность - основной процессинг механизмов обучения, развития и гомеостаза. Открытие оперантного взаимодействия осцилляций нейронных совокупностей и формирования самоорганизующихся паттернов их активности позволит, вероятно, в недалеком будущем обучать нейронные ансамбли посредством использования автоподстраивающихся алгоритмов вживляемых чипов с целью компенсации мозговых дисфункций (Балабан, Коршунова, 2011; Kleim, 2008; Fricke et al, 2011; Ganguly et al„ 2011 и др.).

ВЫВОДЫ

1. У обучившихся нейронов соматосенсорной коры кролика регистрируется более высокий уровень фоновой и вызванной частоты разрядов, развивающийся при сочетаниях в парадигме оборонительного рефлекса - происходит рекруитирование пространства фоновой нейропластичности. Вызванное аминазином снижение или подавление фоновой активности приводит к блокированию условных нейронных паттернов.

2. При обучении с различной вероятностью болевого подкрепления у полисенсорных нейронов соматосенсорной коры кролика выделяется два типа перестроек на условный сигнал с высокой и низкой частотой подкрепления. В случае пропуска каждого четвертого наказания сохраняется приурочивание условных нейронных ответов на подкрепление. При 33% сочетаниях активация нейронных изменений развертывается в пробах без наказания, нарастая во втором пропуске подкрепления за счет предваряющей реакции и в последействии. Отсутствие наказания в части проб «оценивалось» животным как избегание и проявлялись антисипационные паттерны - вероятностная нейропластичность механизма обучения.

3. Биоуправляемое подкрепление активности отдельных нейронов по заданному изменению частоты разрядов в сегменте условного сигнала оптимизирует обучение нейронного паттерна, развивающегося в парадигме Павловского аверсивного обусловливания с последующей манифестацией

предваряющих ответов, минимизирующих болевой стресс антисипационная пластичность.

4. Обнаружение «меченых» частотой подкрепления межимпульсных интервалов в нейронной активности вызвало исследование избирательного наказания болевыми стимулами определенных диапазонов коротких или длинных межимпульсных интервалов в фоновой активности клеток, приводящего к уменьшению наказываемых интервалов. При «подкреплении» коротких интервалов снижается средняя частота разрядов и увеличивается вероятность появления длинных интервалов непосредственно за короткими. При наказании длинных интервалов у одних нейронов увеличивается средняя частота и уменьшается число длинных интервалов, у других происходит снижение частоты разрядов с формированием коротких пачек - управление межспайковой нейропластичностью.

5. Оперантная нейропластичность корковых нейронных популяций, обучавшихся снижать или повышать частоту собственных разрядов, синхронизированных по обратной связи с наказанием и избавлением, проявлялась в устойчивом повышении/снижении импульсации и минимизации болевых раздражений в течение 2-5 мин - эффект обучения, сохранявшийся 15-20 мин. Взаимодействия изменений активности нейронных популяций при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции с синергетичной модуляцией систем сердечно-сосудистой и болевой регуляций ведут к появлению медленных волновых паттернов, объединяющих элементы в интегративную деятельность при обучении. После предварительного введения аминазина не наблюдается направленных перестроек активности нейронных популяций, приводящих к минимизации болевых воздействий, связанных с тем, что нейролептик подавляет двухфазную реакцию частоты сердцебиений на ноцицептивную стимуляцию, выключает барорефлекторный процессинг и нарушает совместную дофаминергическую систему подкрепления и болевого контроля.

6. Автокорреляционный и спектральный анализ медленных колебаний активности нейронных популяций показал, что при биоуправляемом обучении происходит преобразование осцилляций мультиклеточной активности, приводящее к воспроизведению менее наказываемых биоритмов. Это обеспечивает реализацию в обучаемом нейронном ансамбле эффектов избавления - избегания болевой стимуляции. Мультинейронные единицы имеют исходно определенный профиль колебательной активности с выраженной основной частотой или двумя составляющими, реже - с их отсутствием. При обучении происходит значительное возрастание медленной составляющей в диапазоне 0,02-0,13 Гц и появление «быстрой» составляющей в полосе 0,35-0,5 Гц малого веса. Медленные осцилляции частоты разрядов нейронных популяций обеспечивают процессы адаптивной

саморегуляции организма, образуя механизм текущей интеграции на основе ассоциированной нейропластичности.

7. Изучение системной нейропластичности на модели обучения кроликов направленно изменять частоту сердцебиений при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции показало, что наказание коротких ЯК-интервалов вызывало через 2-6 мин снижение ЧС с отчетливой картиной нарастающей минимизации болевых стимулов. Основным типом изменений при оперантном обусловливании снижения ЧС является резонансная потенциация-раскачка, выражающаяся двухфазной реакцией на болевую стимуляцию в виде ригидной 1,5-3,5с фазы слабого учащения и последующего значительного урежения ЧС. Брадикардическая фаза увеличения Ш1-интервалов на 18-35% определяет предельный период 1420 с удержания биоуправляемых изменений ЧС в гомеостатическом цикле сердечно-сосудистой регуляции.

8. Фурье-анализ ЯЫ-интервалов обнаружил при обучении характерные медленные модуляции сердечного ритма - формирование моногармонического спектра в диапазоне 0,09-0,13 Гц. После 6-20 минут биоуправляемой стимуляции отмечается возрастание более медленной составляющей 0,05-0,07 Гц, обеспечивающей квазиритмический паттерн минимизации ноцицептивных стимулов. Сложная картина изменений ЧС, неконгруэнтная алгоритму биоуправления, наблюдается при болевой стимуляции длинных КЯ-интервалов. После 5-7 сеансов отмечались короткие отрезки учащения в пределах 2-5% от исходного фона, не происходило устойчивое повышение ЧС и минимизация стимулов.

9. Длительная ноцицептивная стимуляция конечности с частотой 0,22 Гц без обратной связи вызывает реакцию снижения ЧС в виде выраженной асимметричной 5—14 с вспышки увеличения на 12-20% длительности последовательных ИЛ-интервалов с медленным затуханием и развитием максимальной потенциации снижения ЧС в течение последующих 15-42 с или нескольких минут. Брадикардическая потенциация при редкой (0,050,08). или случайной ноцицептивной стимуляции создает значительный и долгосрочный эффект, определяя динамику ЧС при программированном биоуправлении, и опосредуется механизмом барорефлекторной регуляции, препятствуя обучению кролика увеличивать ЧС.

10. Анализ перестроек частоты разрядов мультиклеточных единиц соматосенсорной коры и сердечного ритма животных при их биоуправляемом обучении, обнаруживших сходную динамику и близкий диапазон изменений медленных флуктуации активностей, позволяет выдвинуть гипотезу о том, что нейронные взаимодействия в популяциях клеток при болевой стимуляции осуществляют синергетическую модуляцию ноцицептивной и барорефлекторной систем, ведущую к развитию адаптогенных ритмов саморегуляции в интегративной деятельности организма. Основными механизмами самоорганизации нейронных

процессов в формировании целенаправленной активности являются оперантный принцип множественного разнородного самоподкрепления на основе осципляций составляющих элементов и принцип резонансной синхронизации, образующих механизм системной оперантной пластичности процессинга обучения.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи, опубликованные в журналах из списка ВАК

1. Василевский Н.Н. Зависимость выработки условнорефлекторных ответов нейронов коркового представительства безусловного раздражителя от уровня фоновой активности/ Н.Н.Василевский, В.В.Трубачев // Докл. АН СССР. 1967.- Т. 177. - № 2. - С. 475-478.

2. Vasilevsky N.N. Neuronal mechanisms of the temporary connections/ N. N. Vasilevsky, V.V. Trubachev// EEG Clin. Neuroph. 1969. - Vol. 27. - P. 447448.

3. Трубачев В.В. Различия в динамике реакций отдельных нейронов соматосенсорной коры на тактильное раздражение конечности и головы/ В.В. Трубачев // Журн. высш. нерв. деят. 1970,- Т. 20. - № 6. - С. 1283-1289.

4. Василевский Н.Н. Воспроизведение частотных параметров безусловных ответов в условнорефлекторных реакциях нейронов соматосенсорной коры / Н.Н.Василевский, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев // Журн. высш. нервн. деят. 1972.-Т. 22. - №5 .-С. 801-809.

5. Василевский Н.Н. Выработка устойчивых изменений частоты разрядов корковых нейронных популяций/ Н.Н.Василевский, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев // Физиол. журн. СССР. 1972. - Т. 58. - С. 639-646.

6. Василевский Н.Н. Устойчивые изменения частоты и синхронности разрядов корковых нейронных популяций в экспериментах с обратной связью/ Н.Н.Василевский, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев // Докл. АН СССР. 1972.-Т. 206. -№2. - С. 510-512.

7. Василевский Н.Н. Изменения импульсной активности корковых нейронов при избирательном подкреплении выбранного диапазона их межимпульсных интервалов/ Н.Н.Василевский, В.В.Трубачев, Н.Б.Суворов// Нейрофизиология. 1972. - Т. - 4. - С. 339-348.

8. Василевский Н.Н. Эндогенная ритмика нейронных популяций и адаптивное регулирование/ Н.Н.Василевский, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев // Физиол. журн. СССР. 1973.-Т. 59.-№12.-С. 1852-1859

9. Трубачев В.В. Анализ активности нейронных популяций головного мозга кролика в процессе адаптивной саморегуляции организма/ В.В.Трубачев // Журн. высш. нервн. деят. 1977. -Т. 27. - С. 1005-1010.

10. Бундзен П.В. Нейродинамические корерляты кодирования и декодирования информации/ П.В.Бундзен, В.В.Трубачев, Ю.Д.Кропотов // Физиология человека. 1978. — Т. 4. - С. 539-557.

П.Трубачев В.В. Оперантное обусловливание спонтанной и вызванной биоэлектрической активности мозга/ В.В.Трубачев, В.Г.Маркман// Физиология человека. 1978.- Т. 4. - №1. - С. 112-125.

12. Трубачев В.В. Двухфазная реакция частоты сердцебиений кролика на электрокожную стимуляцию/ В.В.Трубачев. - М., 1981. 8 с. - Деп. в ВИНИТИ. № 4247.

13. Трубачев В.В. Обучение кролика снижению частоты сердечных сокращений методом программированного биоуправления/В.В.Трубачев, С.В.Миронов, Ю.А.Елов // Журн. высш. нервн. деят. 1981. = Т. 31. - № 2. -С. 419-422.

14. Трубачев В.В. Потенциация хронотропной реакции сердца кролика при ноцицептивной стимуляции/ В.В.Трубачев // Бюлл. экспер. биол. и мед. 1982.-Т. 93,-№6.-С. 18-21.

15. Трубачев В.В. Медленные модуляции сердечного ритма при обучении кролика методом биоуправления/В.В.Трубачев В.В. // Журн. высш. нервн. деят. 1982,-Т. 32.-№ 1.-С. 170-172.

16. Трубачев В.В. Динамика изменений частоты сердцебиений кролика на звуковой и ноцицептивный сигналы на фоне действия нейролептика/ В.В.Трубачев, Н.Е.Соловьева // Физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 1988. - Т. 74. -№9.-С. 1269-1277.

17. Трубачев В.В. Активность нейронов сенсомоторной коры кролика при постоянном и частичном подкреплении оборонительного рефлекса/

B.В.Трубачев // Журн. высш. нервн. деят. 1989. - Т. 39.- № 4. - С. 749-752.

18. Trubachov V.V. The activity of neurons of sensomotor cortex of the rabbit with constant and partial reinforcement/V.V. Trubachov // J. Neuroscience and Behav. Physiology. 1991. Vol. 20. № 4. P. 339-341.

¡9. Трубачев В.В. Медленные нейронные осцилляции как оперантный процессинг механизмов интеграции, обучения, пластичности/ В.В.Трубачев // Рос. физиол. журн. им. И.М. Сеченова. 2012. - Т. 98. № 1. С. 155-171.

Монографии

20. Бундзен П.В. Очерки прикладной нейрокибернетики/ П.В.Бундзен, Н.Н.Василевский, Д.Н.Меницкий, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев. - JL: Медицина, 1973. - 232 с.

21. Меницкий Д.Н. Информация и проблемы высшей нервной деятельности/ Д.Н.Меницкий и В.В.Трубачев. - JL: Медицина, 1974,- 232 с.

22. Сороко С.И., Терминологический словарь по психонейробиологии/

C.И.Сороко, В.В.Трубачев. - Магадан-СПб.: , 2007. 180 с.

23. Сороко С.И. Нейрофизиологические и психофизиологические основы адаптивного биоуправления/ С.И.Сороко, В.В.Трубачев. - СПб.: Политехника-сервис, 2010. - 607 с.

Работы, опубликованные в сборниках научных работ

24. Василевский Н.Н. Адаптивная модуляция временной структуры эндогенных ритмов нейронных популяций мозга // В сб.: Системный анализ интегративной деятельности нейрона/ Н.Н.Василевский, Н.Б.Суворов, В.В.Трубачев. - М.: Наука, 1974.С. 115-124.

25. Трубачев В.В. Анализ адаптивных изменений активности нейронных популяций посредством раздельного управления от их амплитудных составляющих // В сб.: Механизмы модуляции памяти/ В.В.Трубачев. - JI.: Наука, 1976. - С. 78-82.

26. Василевский Н.Н. Системный анализ адаптивной саморегуляции функций организма: экспериментальные и теоретические основания, перспективы//В сб.: Адаптивная саморегуляция функций Н.Н.Василевский, В.В.Трубачев. - М.: Медицина, 1977. - С. 11-49.

27. Трубачев В.В. Оперантное обусловливание импульсной и медленно-волновой активности мозга как операционный принцип системной интеграции в процессах обучения // В сб.: Механизмы интегративной деятельности мозга/ В.В.Трубачев - М.: Наука, 1981. - С. 227-237

28. Трубачев В.В. Влияние дофаминергической системы на формирование нейронных перестроек соматосенсорной коры кролика при аверсивном поведении // Матер, симпоз. «Стриатная система и поведение в норме и патологии»/ В.В.Трубачев. - Л.: Наука, 1988. - С. 123-126.

29. Трубачев В.В. Идентификация существенных контуров следов обучения при модуляции дофаминергической системы, общей для механизма подкрепления и болевой мотивации // Тезисы III Всесоюзной конференции по нейронаукам/ Трубачев В.В. - Киев, 1990. - С. 168-169.

30. Трубачев В.В. Системная оперантная пластичность мозга и резонансный отклик процессинга обучения организма методом программированного биоуправления // Материалы IV Всероссийской конференции с международным участием «Медико-физиологические проблемы экологии человека» / В.В.Трубачев. - Ульяновск: УлГУ, 2011. - С. 266-267.

31. Trubachev У. The manifestation of slow oscillations of multiunit ensembles to weak nociceptive biofeedback stimulation - as opérant mechanism of conditioning and neuronal intégration // Abstract book of International Symposium «Learning, Memory and Cognitive Function»/ V.Trubachev, V.Trubacheva. - Valencia, Spain, 2011. - Poster 21.

ТРУБАЧЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

Подписано в печать 11.10.2012. Формат 60x84,,|6. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,33. Тираж 100 экз. Заказ № 537П

Отпечатано в типографии ООО «СТРИНГ» 424002, Россия, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Кремлевская, 31

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Трубачев, Владимир Владимирович, Ульяновск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук, Федеральное государственное бюджетноем учреждение науки Институт эволюционной

физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова Российской академии наук (Санкт-Петербург), Марийский филиал Московской открытой социальной

академии (Йошкар-Ола)

На правах рукописи

05201350259

ТРУБАЧЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙРОННЫХ И СИСТЕМНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПЛАСТИЧНОСТИ МОЗГА МЕТОДОМ ПРОГРАММИРОВАННОГО

БИОУПРАВЛЕНИЯ

Специальность 03.03.01 (физиология)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени доктора биологических наук

Научный консультант: член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор Сороко Святослав Иосифович

Ульяновск, 2012

Оглавление

Введение......................................................................................................................5

Глава 1. Нейропластичность единичной и множественной активности соматосенсорной коры кролика при обучении в парадигме болевого наказания..................................................................................................................15

1.1. Ассоциативная нейропластичность и нейронные корреляты временной связи. Обзор основных прототипов нейронных коррелятов временной связи, использованных в исследовании..........................................................................15

1.2. Пластичность фоновой активности нейронов в условнорефлекторном процессинге...............................................................................................................25

1.3. Соматосенсорная нейропластичность: воспроизведение частотных параметров болевых раздражений в условных ответах нейронов коры.....29

1.4. Фармакологический анализ системной нейропластичности временной связи...........................................................................................................................42

1.5. Нейропластичность сенсомоторной коры кролика при вероятностном подкреплении оборонительного рефлекса.........................................................61

Глава 2. Медленные нейронные осцилляции и биоуправляемое обусловливание единичной и мультиклеточной активности мозга кролика: оперантная нейропластичность как универсальный механизм системной интеграции и обучения...........................................................................................75

2.1. Мозговая пластичность биоуправляемого обучения нейронов головного мозга: мини-обзор....................................................................................................76

2.2. Пластичность формирования паттерна нейронной активности соматосенсорной коры на условный сигнал при биоуправляемом болевом подкреплении...........................................................................................................90

2.3. Исследование импульсации корковых нейронов при наказании определенного кластера межспайковых интервалов: управление межспайковой нейропластичностью...................................................................97

2.4. Оперантная нейропластичность корковых популяций (мультиклеточных единиц), обучавшихся снижать или повышать частоту собственных разрядов, синхронизированных по обратной связи с наказанием и избавлением............................................................................................................109

2.5. Медленные колебания активности нейронных популяций, управляющие ноцицептивной стимуляцией посредством обратной связи: пространство осцилляторной нейропластичности..................................................................119

2.6. Спектральный анализ текущей частоты разрядов мультиклеточной активности мозга кролика при адаптивной саморегуляции.......................129

2.7. Динамическая организация нейронных популяций, изучаемая посредством раздельного биоуправления от амплитудных составляющих мультиклеточной активности............................................................................137

2Ж. Адаптивное биоуправление медленными осцилляциями активности нейронных популяций как операционный принцип мозговой пластичности в системных механизмах обучения и модель функциональной системы Анохина...................................................................................................................143

2.9. Нейропластичность и память при выработке устойчивых изменений нейронной активности методом программированного биоуправления ....150

2.10. Формирование доминирующего локуса резонансных осцилляций медленноволновой активности как процессинг оперантного взаимодействия обучающихся нейронов........................................................................................154

Глава 3. Изменения сердечного ритма кролика в Павловском аверсивном обучении и биоуправляемом обусловливании частоты сердцебиений при ноцицептивной стимуляции: пластичность висцеральной саморегуляции165

3.1. Условные сердечно-сосудистые реакции при Павловском обучении (аверсивном подкреплении)................................................................................166

3.2. Нейронные показатели сердечно-сосудистого обучения........................172

3.3. Классическое аверсивное обучение изменения частоты сердцебиений курарезированного кролика на звуковой и ноцицептивный сигналы при действии нейролептиков (аминазина и галоперидола): болевая нейропластичность................................................................................................174

3.4. Сердечно-сосудистые изменения как корреляты инструментального обучения и как операнты при программированном биоуправлении частоты сердцебиений..........................................................................................................188

3.5. Сердечно-сосудистые реакции - операнты при биоуправляемом обучении ...................................................................................................................................190

3.6. Основные паттерны изменений сердечного ритма кролика при биоуправляемой болевой стимуляции: системная оперантная пластичность в сердечно-сосудистой регуляции..........................................................................198

3.6.1. Хронические (фиксированные) животные............................................218

3.6.2. Обучение кроликов повышению частоты сердцебиений

219

3.6.3. Влияние задержки обратной связи..........................................................222

3.6.4. Двухфазная реакция частоты сердцебиений кролика на ноцицептивную стимуляцию (гомеостатическая пластичность)..............................................224

3.6.5. Потенциация брадикардической реакции частоты сердцебиений кролика при ритмической и случайной ноцицептивной стимуляции: барорефлекторная пластичность.......................................................................228

3.6.6. Медленные модуляции сердечного ритма при обучении кролика методом адаптивного биоуправления...............................................................239

Заключение.............................................................................................................256

Выводы....................................................................................................................288

Библиография........................................................................................................292

Список сокращений..............................................................................................330

Введение

Исследования последних десятилетий свидетельствуют о том, что мозг является самоорганизующейся системой, модифицирующейся в соответствии с новыми требованиями [348, 349, 365 и др.]. В связи с появлением новых технологий восстановления утраченных функций после инсульта, травм мозга, при некоторых нейродегенеративных заболеваниях с помощью перепрограммирования (направленного переобучения) корковых полей [231, 224, 342, 180, 185, 59 и др.], проблема нейропластичности приобретает большое практическое значение. Однако в этой области имеется ряд вопросов, которые сдерживают использование экспериментальных данных в нейропсихологических реабилитационных технологиях. Необходимо оценить адаптивные свойства нейропластичности, т.е. способности нейронных сетей динамически реорганизовывать свою работу в соответствии с меняющимися внутренними или внешними условиями. Остается неясным, как нейронная сеть определяет необходимый уровень импульсной активности, ее временные параметры,

ритмическую структуру, чтобы адаптивно перестроить свою деятельность для достижения «полезного результата» и запомнить характер воздействия, его информационную значимость.

Условный рефлекс, открытый И.П. Павловым более 100 лет назад, остается основной парадигмой изучения нейроплает-ичноети в механизмах обучения и памяти [3, 68, 69, 23, 81, 338, 45, 116, 111, 41, 190, 300, 100, 12, 242, 65, 115, 143, 78, 1, 314, 289, 36 и др.]. Однако традиционное исследование нейрофизиологических коррелятов поведения отличается высокой вариабельностью результатов и оценок вследствие присущей живым системам индивидуальной изменчивости и многообразия реакций отдельных элементов за счет распределенного участия в других системах и регуляциях. Успешной альтернативой классическим подходам оказался эксперимент с созданием «искусственной» обратной связи (адаптивное биоуправление, neurobiofeedback, программированное биоуправление и др.) для выделения релевантных изменений процессов регулирования функций организма. Обучение в биотехнической системе основывается на нейропластичности мозга и использовании информации для управления тем специфическим процессом или ответом, который поступает по обратной связи [46, 169, 18,304,351, 15,31, 102,355,260, 73,44, 114 и др.].

Одним из новых приемов мобилизации мозговой пластичности является использование технологии нейробиоуправления для определения в исследованиях на животных возможности и границы нейронных и системных механизмов обучения. В связи с этим были выбраны такие системы, которые имеют отклик на общие управляющие воздействия. Очевидным представлялось исследовать нейропластичность при оперантном обусловливании активности клеток сенсомоторной коры и сердечного ритма на ноцицептивную стимуляцию как биоуправляющий сигнал. Необходимо было также сравнить, как эти регуляции осуществляются в парадигмах классического и биоуправляемого обучения. Ноцицептивные рефлексы представляют собой один из фундаментальных механизмов системной пластичности сохранения целостности и выживания организма [55, 205, 209, 67, 296, 250, 285, 234, 49, 105 и др.].

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы являлось исследование нейронных и системных механизмов адаптивной пластичности мозга в парадигмах классического обучения и программированного обусловливания посредством биоуправляемой ноцицептивной стимуляции изменений активности клеток коры и сердечного ритма кролика. Был1Г поставлены следующие задачи:

1. Изучить корковую нейропластичность: зависимость выработки условнорефлекторных реакций нейронов коркового представительства безусловного радражителя от уровня фоновой активности и воспроизведение его частотных параметров в условных ответах.

4. Выявить процессинг оперантной нейропластичности корковых нейронных популяций (мультиклеточных единиц), обучавшихся снижать или повышать частоту собственных разрядов при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции, и провести анализ медленных осцилляций, реализующих саморегуляцию и избегание наказания.

5. Изучить возможность обучения кролика снижению или повышению частоты сердцебиений при биоуправляемом болевом «наказании» Ш1-интервалов (выше или ниже заданного), выяснить роль медленных модуляций сердечного ритма и основных предикторов его регуляции.

образом, чтобы отслеживать параметры внешнего раздражения и быстро обучаться избегать повреждающие воздействия.

Впервые показана возможность выработки устойчивых сдвигов частоты разрядов мультиклеточной активности соматосенсорной коры, флуктуации которой становятся оперантами и сопрягаются с наказанием. У 64% нейронных популяций через 2-12 мин биоуправляемой ноцицептивной стимуляции («наказывалась» частота разрядов ниже/выше пороговой) наблюдается заметное повышение/снижение импульсации и соответствующее уменьшение на 30-50% количества болевых раздражений по сравнению с исходным уровнем, сохраняющиеся 15-20 мин после ее выключения. В основе механизма формирования адаптивных саморегуляций корковых нейронных популяций, избавляющих от болевой стимуляции, лежит оперантное обучение нейронных сетей. Временная синхронизация определенных внутренних состояний мозга с нанесением аверсивного раздражения обусловлена наличием непрерывных медленных осцилляций частоты нейронных популяций, модулированных ноцицептивной системой и сигналами обратной связи на основе оперантной нейропластичности мозга.

Одним из кодов запуска условнорефлекторных нейронных перестроек оборонительного рефлекса является появление в вызванной и прилежащей фоновой активности коры межимпульсных интервалов, близких частоте болевого раздражителя. Оперантное подкрепление определенного диапазона межимпульсных интервалов приводило к возрастанию менее наказываемых последовательностей и минимизации болевых стимулов.

перестроек. Отсутствие наказания в части проб «оценивалось» животным как избегание и манифестировались условные антисипационные реакции.

Обнаружена пластичность сердечно-сосудистой системы к оперантным перестройкам структуры сердечного ритма при ноцицептивной стимуляции. Под влиянием биоуправляемой стимуляции (наказание коротких Ш1-интервалов) у большинства кроликов через 2-6 мин вырабатывается снижение частоты сердцебиений (ЧС) с нарастающей минимизацией болевых стимулов - эффект обучения. Одним из основных типов изменений при оперантном обусловливании снижения ЧС является феномен резонансной потенциации - раскачки, выражающийся двухфазной реакцией на ноцицептивную стимуляцию в виде 1,5-3,5с слабого учащения и последующего значительного урежения Ш1-интервалов, нарастающего в течение 5-9 с. Наибольшее увеличение длительности ЯЯ-интервалов в эпизодах потенциации-раскачки составляло 18-35% от исходного уровня. Брадикардические эпизоды с отсутствием болевой стимуляции в конце периода оперантного обусловливания были длительностью 17-20 с, образуя «кванты» обученного сердечного ритма, определяющие предельный период удержания навязанных биоуправлением изменений ЧС.

С 80-х гг. прошлого века существовала проблема висцерального оперантного обучения на кураризованном животном. В данной работе впервые удалось найти работающий ал

Информация о работе

Трубачев, Владимир Владимирович
доктора биологических наук
Ульяновск, 2012
ВАК 03.03.01

Диссертация

Исследование нейронных и системных механизмов пластичности мозга методом программированного биоуправления - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы