Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы"

0046

302?

На правах рукописи

гЛ^'

Щи

Сердюк Татьяна Сергеевна

ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМОВ НЕСИЕЦИФНЧЕСКОН МОДУЛЯЦИИ ВОЗБУДИМОСТИ II ПЛАСТИЧНОСТИ НЕЙРОННЫХ КОЛОНОК СОМАТИЧЕСКОЙ КОРЫ КРЫСЫ

03.03.01. - физиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 8 НОЯ 2010

Ростов-на-Дону 2010

004613025

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте нейрокибернетики им. А.Б. Когана Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

Научный руководитель:

доктор биологических наук, старший научный сотрудник Сухов Александр Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Шульговский Валерий Викторович

доктор биологических наук Жукова Галина Витальевна

Ведущая организация: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (г. Москва)

Защита диссертации состоится « 19 » ноября 2010 г. в « 11 » часов на заседании диссертационного Совета Д 212.208.07 по биологическим наукам в ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» (344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194/1, актовый зал)

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет» по адресу. 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан

октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

Асланян Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности корковых колонок является одной из наиболее актуальных проблем современной нейрофизиологии, поскольку эти механизмы участвуют в регуляции воспринимающей, передаточной и распределительной функций коры головного мозга в процессах обработки информации и формировании того или иного функционального состояния мозга. Одной из характеристик нейронов является их способность к пластичности - изменению эффективности синаптической передачи. Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в качестве основы таких функций мозга как распознавание образов, обучение, хранение информации (Kandel, 2001; Poirazi, Mel, 2001; Martin, Morris, 2002; Fusi et al. 2005). При этом следует различать процессы эндогенной модуляции уровня возбудимости корковых колонок, связанного, прежде всего, с тонусом ретикулярной формации среднего мозга (РФСМ), формированием определенного функционального состояния, и более локальные процессы изменения возбудимости и пластичности отдельных колонок (Desai, Rutherford, Turrigiano, 1999), которые связаны с оценкой биологической значимости стимула и лежат в основе обучения и памяти (Janowitz, Rossum, 2006). Наибольший интерес представляет исследование взаимодействия эндогенных и экзогенных, стимул-зависимых локальных процессов на уровне отдельных колонок, представляющих основную структурно-функциональную единицу коры мозга млекопитающих.

В зависимости от длительности, эффекты пластичности классифицируют как кратковременные (фасилитация или депрессия) и долговременные (долговременная потенциация или депрессия). Работы по исследованию пластичности проводились главным образом на гиппокампе (Клещевников, 1998; Voronin et al., 1995; Aihara et al., 2007; Nguyen, Woo, 2003; Zhang et al., 2003; Papatheodoropoulos, 2010). Значительно меньше работ посвящено исследованию эффектов пластичности в соматосенсорной коре (Levy, Reyes, Aoki, 2008; Oldford, Castro-Alamancos, 2003; Сухов, Бедудная, Медведев, 2003). Большинство из них проводились либо на срезах мозга, в которых невозможно проследить эффекты неспецифических влияний подкорковых структур, либо на наркотизированных животных, механизмы функционирования головного мозга которых существенно отличаются от таковых у ненаркотизированных животных (Steriade, 2000, 2001). Поэтому экспериментальная модель исследования механизмов пластичности на бодрствующем ненаркотизированном животном, выбранная для выполнения данной работы, является актуальной и обоснованной.

\

Важную роль в формировании процессов пластичности играет фоновая ритмическая активность мозга как один из параметров, организующих нормальную и патологическую мозговую деятельность (Гусельников, Супин, 1968; Виноградова, 1975; Бездудная, 2000; Steriade, 2006), поэтому выяснение механизмов генерации различных ритмов мозга и их функциональной роли в коре головного мозга также является актуальной задачей.

С начала электроэнцефалографических исследований головного мозга в 30-40-х годах XX века велась дискуссия между сторонниками внугрикоркового механизма формирования ритмической активности коры, постулированного Бремером (Bremer, 1935), и его оппонентами, выдвигающими другие структуры на роль ведущих генераторов ритмической активности (Morison, Dempsey, 1942). Впоследствии многие исследователи отводили главную роль в корковом ритмогенезе подкорковым влияниям и таламокортикальному взаимодействию (Буриков, Сунцова, 1989; Моянова, 1977; Нарикашвили, 1975; Contreras et al., 1997). Вопросы генерации нормальной и патологической ритмической активности в коре и по сей день остаются дискуссионными, в частности, широко обсуждается участие модулирующих систем в формировании эпилептиформной активности (ЭпиА) (Deisz, 1999; Gu, 2002; Potier, Psarropoulou, 2004; Shaw, 2004; Hanganu et al., 2009). Хотя существует целый ряд работ по исследованию возбудимости и пластичности корковых колонок, представленные в них данные достаточно противоречивы, а исследования роли фонового ритмогенеза в процессах восприятия и передачи сенсорной информации, а также в механизмах пластичности мозга сравнительно малочисленны. Изучение механизмов ритмогенеза и неспецифической модуляции возбудимости и пластичности может внести определенный вклад в понимание как процессов регуляции и обработки информации, так и механизмов формирования нормального и патологического состояний головного мозга, в частности, эпилептиформной активности.

Целью настоящей работы являлось изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы.

Задачи исследования

1. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при повышенном тонусе ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний в состоянии бодрствования животного.

2. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при снижении тонуса ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний после введения нембутала.

3. Определить механизмы частотно-фазовых влияний фоновой ритмической активности на возбудимость и пластичность корковых колонок в состоянии бодрствования животного.

4. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации агонистов ацетилхолина.

5. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации антагонистов ацетилхолина.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработан новый методический подход к исследованию нейрохимических механизмов развития фокальной активности с возможностью подведения физиологически активных веществ к идентифицированным колонкам соматической коры и одновременного мультиэлектродного отведения биоэлектрической активности от соматической коры и подкорковых структур.

2. Получены оригинальные данные о том, что неспецифическая модуляция эффектов кратковременной пластичности нейронных колонок соматической коры крысы зависит от характера фонового ритмогенеза и имеет фазозависимый характер.

3. Впервые показано, что снижение общего уровня активации коры под действием нембутала приводит к замещению процесса парной фасилитации процессом парной депрессии в нейронных колонках соматической коры, что может быть обусловлено изменением характера постстимульного торможения с перераспределением соотношения быстрого (ТПСПа) и медленного (ТПСПб) коркового торможения.

4. В опытах с локальной микроаппликацией растворов агонистов и антагонистов ацетилхолина к корковым колонкам получены новые данные, свидетельствующие о возможности локального изменения характера ритмогенеза, возбудимости и пластичности корковых колонок.

5. Получены оригинальные данные, которые свидетельствуют о том, что холинергические влияния играют существенную роль в механизмах формирования эпилептиформной активности в нейронных колонках при активации Н- или М-холинорецепторов.

Научно-теоретическое и практическое значение работы.

1. Выявленные особенности неспецифической модуляции возбудимости и пластичности в соматической коре могут способствовать более глубокому пониманию процессов, лежащих в основе обучения, использоваться при планировании экспериментов, целью которых является дальнейшее изучение механизмов синаптической передачи.

2. Разработанный в ходе исследования метод локального подведения активных веществ с помощью микроэлектрода может использоваться для доклинического испытания фармакологических препаратов и других физиологически активных веществ.

3. Полученные результаты могут быть использованы на кафедрах физиологии, биофизики, медицинской физики и ветеринарии при чтении спецкурсов студентам и магистрам ВУЗов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Возникающая в состоянии бодрствования животного фоновая веретенообразная активность оказывает зависимое от фазы волны влияние на процессы формирования кратковременной постстимульной пластичности. В подавляющем большинстве случаев при попадании первого стимула из серии на восходящую фазу фоновой волны наблюдается подавление ответа на второй стимул (парная депрессия), а при попадании первого стимула на нисходящую фазу фоновой волны - увеличение амплитуды ответа на второй стимул (парная фасилитация).

3. Снижение тонуса коры при ослаблении неспецифических активирующих влияний со стороны РФСМ приводит к модификации процессов кратковременной постстимульной пластичности, что проявляется в замещении процесса парной фасилитации вызванных потенциалов на процесс парной депрессии, когда первичный ответ на второй стимул при парной стимуляции становится меньше, чем ответ на первый стимул.

4. Переход парной фасилитации в парную депрессию обусловлен не столько усилением постстимульного торможения, сколько его качественным изменением, в частности, наблюдается сокращение длительности тормозной паузы и медленного отрицательного потенциала, что может быть связано с ослаблением медленного торможения (ТПСПб) при сохранении быстрого торможения (ТПСПа).

5. Холинергическая система играет существенную роль в механизмах генерации и иррадиации эпилептиформной активности в нейронных колонках соматической коры взрослых крыс, поскольку локальная внутрикорковая аппликация агонистов ацетилхолина вызывает значительное усиление локального ритмогенеза с последующей иррадиацией эпиразрядов на подкорковые структуры и контралатеральное полушарие.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Всероссийской научной конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической пластичности» (Москва, 2008), на Съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004; Москва, 2007), на конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005, 2009); на международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007); на X Пущинской школе-конференции молодых учёных (Пущино, 2006); на 18-м Конгрессе ESRS (Innsbruck, 2006), на II Всероссийской научно-практической

конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2008), на 5-ой Российской школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» (Ростов-на-Дону, 2009), на Юбилейной конференции «125 лет Московскому психологическому обществу» (Москва, 2010), на заседаниях Ученого Совета НИИ НК ЮФУ (2009) и Роетовского-на-Дону отделения физиологического общества им. И.П.Павлова (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ общим объемом 1,62 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, личный вклад автора 84%.

Струю-ура и объем диссертации. Диссертация изложена на 170 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав (обзор литературы, материалы и методы, результаты исследования, обсуждение результатов), выводов и библиографического указателя, включающего 285 отечественных и зарубежных источников. Работа иллюстрирована 42 рисунками.

МАТЕРИАЛ II МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты данного исследования были получены в условиях острого опыта на 30 ненаркотизированных, обездвиженных белых нелинейных крысах обоего пола, весом 200250 г. Методика экспериментов соответствовала международным регламентациям экспериментов на животных (Копаладзе, 2003) и получила положительное заключение комиссии по биомедицинской этике РАН (протокол № 98 от 11 марта 2002 г.).

Трепанационные отверстия для регистрации биоэлектрической активности и стимуляции структур мозга диаметром 3 мм имели следующие координаты: 2 мм каудально от брегмы, 5,5 мм латерально от сагиттального шва над областью коркового представительства вибрисс (в правой теменной кости); 2 мм каудально от брегмы, 5,5 мм латерально от сагиттального шва над областью коркового представительства вибрисс (в левой теменной кости); 3 мм каудально от брегмы и 3 мм латерально от сагиттального шва головы для таламических ядер; 6,5 мм каудально от брегмы и 2 мм латерально от саггитального шва для гиппокампа и РФСМ в правом полушарии (König, Klippel, 1963; Paxinos, Watson, 1986; Сухов, 1992). Глубина погружения, согласно стереотаксическим атласам, составляла 0,3-0,5 мм для верхних и 1,2-1,6 мм для нижних слоев соматосенсорной коры, 4,5-5,5 мм для таламических ядер и гиппокампа, 6,5-7,5 мм для РФСМ.

После операции животное обездвиживали внутримышечным введением тубокурарина (0,2 мг/100 г) и переводили на искусственное дыхание с частотой подачи воздуха 1 раз в секунду. В конце эксперимента животное получало летальную дозу нембутала (20 мг/100 г). Для отведения фокальной активности отдельных колонок использовались стеклянные

микроэлектроды, заполненные 2,5 M раствором NaCL, с сопротивлением 2-5 МОм и диаметром кончика 2-3 мкм. Для регистрации фокальной активности корковых колонок использовали блоки из двух микроэлектродов с тангенциальным расстоянием между кончиками 300-500 мкм по горизонтали (для регистрации активности соседних колонок) и с расстоянием между микроэлектродами 1 мм по вертикали (для одновременной регистрации активности в верхних и нижних слоях одной колонки). Одновременно использовали 2-3 блока. Для регистрации фокальной активности РФСМ и гиппокампа использовали блоки микроэлектродов с расстоянием по вертикали 2 мм и тангенциальным расстоянием 2 мм. Идентификацию колонок в коре и баррелоидов в релейном ядре таламуса производили по параметрам первичного ответа (по максимальной амплитуде, минимальным латентным периодам и длительности первичного ответа) при отклонении соответствующей вибриссы, а также при слуховом контроле.

В экспериментах производили микроаппликацию следующих веществ методом локального введения под давлением: 2,23 мМ прозерина (Pollock, Mistlberger, 2005; Joosen, Helden, 2007); 6,5 мкМ d-тубокурарина хлорида (Liu, Gillette, 1996); 25 мкМ карбахола (Schwienbacher et al., 2006); 2 мкМ атропина (Potier, Psarropoulou, 2001). Объем введенного вещества составлял 40-120 нл. Объем определяли путем контроля положения мениска в толстой части электрода с помощью окуляр-микрометра.

Регистрацию фокальной и вызванной биоэлектрической активности проводили на комплексной электрофизиологической установке, включающей 10 канальный усилитель УБС 1/10 (Россия), 16-канальные АЦП L-205 и L-761 (L-Card, Россия) с шагом дискретизации 1 кГц с записью данных на ЭВМ. Управление электрической стимуляцией производилось с помощью ЭВМ путем подачи синхроимпульса через выходы TTL платы L-205 и L-761 к электростимуляторам ЭСЛ-2 (Россия), ГЭФИ-З-БУ (Россия).

При анализе фоновой активности использовали Фурье преобразование, реализованное средствами стандартного пакета обработки данных программы Statistica 6.0 (Боровиков, 2003). Построение диаграмм спектров мощности, спектров когерентности, фазовых спектров в диапазоне от 1 до 30 Гц с шагом по частоте 1 Гц производили с помощью программ Spectrum (автор - Ф.Ф. Строкун), DataView (автор - Ю.И.Гусач) и MS Excel. Достоверность изменения амплитуды усредненных фокальных потенциалов (ФП) в ходе опыта оценивали по t-критерию Стьюдента. Статистически достоверными считали изменения с уровнем значимости р < 0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ II ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

I. Изменение возбудимости и пластичности корковых колонок при общем изменении функционального состояния. Была проведена серия экспериментов по моносинаптической активации различных корковых колонок путем предъявления соответствующему данной колонке баррелоиду в релейном ядре таламуса серии из 8 стимулов с частотой 20 Гц. Это позволило судить об изменениях возбудимости, происходящих непосредственно в корковых колонках в разных функциональных состояниях, поскольку ответ в фокусе стимуляции в начальной фазе являлся результатом моносинаптической активации нейронов колонки афферентами от релейного ядра таламуса (Сторожук, 1974; 1986). В состоянии бодрствования в колонке наблюдались высокоамплитудные ответы на каждый стимул из серии. После введения нембугала происходило снижение способности корковых колонок следовать ритму стимуляции с частотой 20 Гц, снижалась амплитуда ПО до их полной блокады. В 85% случаев при изменении функционального состояния наблюдалась подобная динамика изменения вызванной активности корковых колонок соматической коры. Кроме того, если в состоянии бодрствования после последнего стимула в серии регистрировался положительный потенциал, то появлялась вызванная веретенообразная активность (ВА). После введения нембутала подобного не происходило, наоборот, предъявление серии стимулов вызывало разрушение фоновой ВА.

Как известно, согласно гипотезе Андерсена и Экклза (Andersen, Eccles, 1962) роль первичного водителя ритма принадлежит таламокортикальным нейронам релейного ядра таламуса, в то время как коре отводится роль вторично вовлекаемой, ведомой структуры. В дальнейшем ряд авторов выдвигали на роль ведущих пейсмекеров ретикулярное ядро таламуса (Steriade, 2000), а также специфические (Моянова, 1977) и неспецифические ядра таламуса (Коган, Буриков, Ставицкий, 1976; Вербицкий, 2005), гипоталамус (Сунцова, Буриков, 1996) и другие подкорковые структуры. Наряду с этими работами существует ряд других, которые указывают на способность коры самостоятельно генерировать осцилляторную активность (Lopes da Silva, 1978, Opitz, De Lima, Voigt, 2002). В 1949 году впервые были опубликованы экспериментальные данные о возможности развития ВА в изолированной коре кошек, что указывало на наличие собственного внутрикоркового механизма ритмогенеза, важная роль в котором принадлежала ацетилхолину (Kristiansen, Courtois, 1949). В лаборатории Сухова (НИИ НК ЮФУ) была выявлена возможность асинхронного независимого развития веретенообразной альфа-частотной активности в различных структурах таламокортикальной системы (Сухов, 1995; Ясенков, 2006). При этом

в случае регистрации в коре фокальной ВА одновременно от нескольких соседних колонок наблюдались индивидуальные особенности ритмогенеза в каждой из них, что указывало на локальный и автономный характер ритмогенеза (Сухов, Сердюк, Коняхина, 2007). Таким образом, актуален вопрос, что является источником локального ритмогенеза в отдельно взятой колонке? Согласно данным литературы, эта роль отводится пейсмекерным потенциал-зависимым мембранным каналам гиперполяризации (Н-каналам), которые выявлены в различных структурах головного мозга, в том числе и в коре (Santoro et al., 2000; Santoro, Baram, 2003). Рядом авторов было показано, что активация Н-каналов приводила к локальной генерации собственных пейсмекерных токов, которые затем были способны распространяться в другие отделы коры и подкорковые структуры (Kopell, LeMasson, 1994; Fukai, 1994; Jones et al., 2000). Таким образом, можно предполагать, что наблюдаемые нами явления трансформации ритма стимуляции, а также возникновение в ряде случаев вызванной ритмической стимуляцией ВА в состоянии бодрствования могут являться результатом взаимодействия эндогенной пейсмекерной активности и внешних синаптических влияний.

Фазические изменения возбудимости. Изменение параметров фокальных потенциалов (ФП) наблюдалось не только при изменении общего функционального состояния мозга, но часто проявлялось и в условиях одного и того же функционального состояния при предъявлении серии одних и тех же стимулов. Была проведена серия экспериментов по регистрации вызванной активности корковых колонок соседних рядов при ритмичной стимуляции в состоянии бодрствования, которая продемонстрировала фазозависимый характер влияния фоновой активности на процессы развития кратковременной пластичности. На рисунке 1 показана зависимость развития первичных ответов (ПО) корковых колонок от фазового соотношения стимулов с волнами фоновой фокальной активности при ритмичной стимуляции соответствующего баррелоида с частотой 20 Гц. Как показали результаты экспериментов, если первый стимул в серии из восьми стимулов приходился на отрицательную фазу потенциала фоновой волны, то развивался высокоамплитудный ПО на первый стимул, но полностью блокировался ПО на второй стимул в серии. После этого вновь появлялся большой ПО на третий стимул с депрессией на четвертый, т.е. развивалось явление парной депрессии. Ритм стимуляции трансформировался в соответствии с ритмом фоновой ВА. Это было особенно наглядно заметно в модификации амплитуды ПО колонки ЕЗ, где фоновая ВА была более выражена, хотя амплитуда ответов была ниже, т.к. это была соседняя со стимулируемой колонка (1 на Рис.1). Если первый стимул попадал на положительную фазу фоновой волны, то ПО на первый стимул был незначительным, но на второй стимул - высокоамплитудным, третий ПО вновь подавлялся, а четвертый имел высокую амплитуду и т.д. Развивалось явление парной фасилитации (2 на

Рис. )). Результаты проведенных экспериментов по исследованию фазозависимого влияния фонового ритмогенеза на параметры кратковременной пластичности показали, что при попадании первого стимула из серии на восходящую фазу фоновой волны в 80,8±3,6% случаев развивалось явление парной депрессии, а при попадании первого стимула из серии на нисходящую фазу фоновой волны в 81,2±6,9% случаев развивалось явление парной фасилитации. Таким образом, мы фактически наблюдали парную депрессию (ПД) и парную фасилитацию (ПФ), совпадающие с определенными фазами потенциалов фоновой ритмической активности. Другими словами, представленные результаты показали, что предстимульная фоновая ВА оказывала выраженное, зависимое от фазы фоновой волны влияние на процессы формирования постстимульной пластичности в форме ПФ или ПД.

стимуляции баррелоида D1 (показана стрелками). D1 - ФП в верхних слоях колонки D1, ЕЗ - ФП в верхних слоях колонки ЕЗ. 1 - парная депрессия. 2 - парная фасилитация.

Наблюдаемые изменения конфигурации фокального потенциала в наших экспериментах протекали достаточно однонаправлено как в фокусе вызванной активности, так и на периферии на расстоянии 500 мкм. Это обстоятельство позволило утверждать, что процессы постстимульной пластичности в корковых колонках связаны не с изменениями эффективности передачи афферентного сигнала в таламокортикальных синапсах, связывающих баррелоид с соответствующей колонкой, а с функциональным состоянием данных корковых колонок. Ранее выдвигалась теория, согласно которой фасилитация

связана с увеличением выброса медиатора из пресинаптической терминали, которая, в свою

2+

очередь, зависит от остаточной концентрации внутриклеточного Са (Katz, Miledi, 1968). Однако в этом случае стоит ожидать постепенного увеличения роста амплитуды ПО на серийную стимуляцию до тех пор, пока не произойдет истощение синаптических пузырьков в пресинаптической терминали, что вызовет депрессию ответов (Mallart, Martin, 1968). Можно предположить, что фазозависимое влияние фоновой ритмической активности на процессы формирования пластичности связано с циклическими колебаниями концентрации

ионов Са , обеспечиваемыми активацией потенциал-зависимых каналов различного типа. Однако это предположение требует дальнейшего исследования.

Особенности процессов кратковременной пластичности. Исследования с использованием парной стимуляции также показали, что ПД чаще наблюдалась в тех случаях, когда после тестирующей стимуляции развивались ритмичные разряды (РР) (1 на Рис. 2). Анализ усредненных по 100 реализациям вызванных ФП показал, что явление ПФ наблюдалось в тех случаях, когда ритмичные разряды после стимуляции не появлялись (2 на Рис.2). На основании полученных нами результатов можно предположить, что вероятность развития ПФ и ПД во многом зависела от присутствия в ответе на стимул положительной, обусловленной пейсмекерной гиперполяризацией, фазы. Наличие самой положительной фазы зависело от параметров отрицательной фазы первичного ответа, который, в свою очередь, зависел от фазы волны фонового ритмогенеза, на которую попадал стимул.

0,5 мВ

200пс

Рис. 2. Зависимость эффектов парной фасилитации и парной депрессии от параметров ПО и наличия РР при стимуляции корковой колонки (показана стрелками). 1 - усредненные ФП с наличием РР в ответ на одиночную и парную стимуляцию. 2 - усредненные ФП с отсутствием РР в ответ на одиночную и парную стимуляцию колонки. Подробности в тексте.

Это подтверждало высказанное ранее предположение о том, что эндогенные процессы формирования фонового ритмогенеза влияют на развитие эффектов кратковременной постстимульной пластичности (рис. 1).

Что же может быть причиной такой зависимости? Некоторые авторы связывали возникновение положительной фазы первичного ответа с поствозбудительным ТПСП, когда пирамидные клетки по своим коллатерапям активировали тормозные нейроны, что приводило к развитию возвратного торможения (Сторожук, 1974; Серков, 1977; Сухов, 1969). Однако высказывалось и другое мнение (Соколов, 1975; Frère, Lilthi, 2004), согласно которому данная фаза может отражать пейсмекерный механизм гиперполяризации мембраны и даже возникать без присутствия тормозного влияния, что было показано на изолированном

нейроне виноградной улитки (Соколов, 1975). Проведенные нами исследования показали, что временной ход парной фасилитации в колонках соматической коры совпадал, судя по литературным данным (Клещевников, 1998), со временем развития медленного коркового торможения, обусловленного ГАМКб рецепторами, и могло быть обусловлено активацией низкопороговых потенциал-зависимых кальциевых каналов. Переход процесса ПФ в ПД был связан, по нашему мнению, не столько с усилением постстимульного торможения, сколько с его качественным изменением: наблюдалось укорочение длительности торможения и медленного отрицательного потенциала, что могло быть связано с ослаблением медленного торможения (ТПСПб) при сохранении быстрого (ТПСПа). Схожие данные были получены на гиппокампе (Клещевников, 1998). В то же время исследования, проведенные in vitro на нейронах человека и крысы, показали, что антагонист ГАМКб-рецепторов снижал длительность позднего ТПСПб, но не оказывал влияния на быстрые компоненты ТПСПа или возбудимость (Deisz, Billard, Zieglgansberger, 1997). Это позволяет говорить о том, что быстрые компоненты ТПСП зависят от других модуляторных влияний, возможно, холинергических.

Рис. 3. Эффекты кратковременной пластичности корковой колонки (парная стимуляция баррелоида с интервалом 50 мс) после введения нембутала. 1 - парная фасилитация; 2 - парная фасилитация, 10 минут после введения нембутала; 3 - парная депрессия, 15 минут после введения нембутала; 4 - парная депрессия, 60 минут после введения нембутала.

Возникает вопрос, является ли ВА, развивающаяся после введения нембутала, непосредственной причиной перехода ПФ в ПД, или речь идет о корреляции во времени двух разных процессов, обусловленных одной общей причиной? Чтобы ответить на этот вопрос был проведен анализ времени развития и усиления РР после введения нембутала и времени перехода ПФ в ПД (Рис. 3). Как видно на рисунке 3, исходная ПФ сохранялась в

1

2

PWliWw^

500 мс

течение 10 минут после введения нембугала (2 на Рис. 3), несмотря на то, что РР в это время уже были достаточно выражены. И только через 15 минут после введения нембутала при полном сохранении РР наблюдался переход ПФ в ПД (3 на Рис. 3). При этом ПД носила кратковременный характер и наблюдалась только при межстимульном интервале равном 50 мс. При увеличении межстимульного интервала каждый раз, когда второй стимул попадал на восходящую фазу РР наблюдалось увеличение амплитуды ПО, а при попадании второго стимула на нисходящую фазу РР, наблюдалось ее снижение, как и в случае фоновой веретенообразной активности (Рис.1). Через 60 минут после введения нембутала процесс ПД сохранялся, при этом депрессии подвергался не только ПО на второй стимул, но и на первый (4 на Рис. 3). Последнее указывало на дальнейшее снижение уровня возбудимости коры под влиянием усиливающейся гиперполяризации нейронов.

Таким образом, вызванная введением нембутала ВА развивалась раньше процесса перехода ПФ в ПД и не являлась прямой и непосредственной причиной перехода парной фасилитации в парную депрессию, представляя собой параллельно идущий процесс, опережающий развитие пластических изменений фокальных потенциалов. Можно предположить, что сохранение процесса ПФ в ответах на тестирующие стимулы в течение первых 5-10 минут после введения нембутала было обусловлено сохранением уровня возбудимости корковых колонок, достаточного для ПФ, несмотря на появление РР, однозначно свидетельствующих о начале снижении тонуса коры под влиянием нембугала. Другими словами, пороги развития ПД были выше, чем пороги развития РР при снижении ретикуло-корковых активирующих влияний после введения нембутала.

Возникает вопрос, какие механизмы лежат в основе взаимосвязи между параметрами фонового ритмогенеза и вызванной активности в разных функциональных состояниях? В наших экспериментах была показана возможность развития парной фасилитации или парной депрессии в зависимости от уровня активации коры (Рис. 3). Введение нембутала вызывало появление или усиление вторичных ритмичных фокальных потенциалов, что характерно для снижения возбудимости корковых колонок, в связи с блокадой синаптической передачи. Это ранее было показано в таламусе при переходе от состояния бодрствования ко сну (Б1епа(1е, 1988; 81епа<1е, ЬНгш, 1988). Наряду с такими эффектами кратковременной постстимульной пластичности, как ПФ и ПД, в четырех экспериментах с изменением уровня активации РФСМ путем прямой электрической стимуляции мы наблюдали влияние степени активации РФСМ на индукцию и поддержание долговременной постгетанической потенциации (ДПП) и депрессии (ДПД). Явление ДПП во всех экспериментах длилось более одного часа с большей выраженностью изменений амплитудных характеристик первичного ответа на второй стимул в верхних слоях коры, чем в нижних. Можно предположить, что в процессах

пластических перестроек, ведущих к усилениям ответов, могут принимать участие и подкорковые структуры, например РФСМ и различные неспецифические ядра, от которых, как было показано ранее (Сухов, Лапенко, 1989), отдельные колонки получают афферентные входы. ДПД тестирующих ПО в коре развивалась после введения нембутала и выражалась в значительном снижении амплитуды вызванных ответов как в верхних, так и в нижних слоях коры, а также в неэффективности повторной тетаннзирующей стимуляции РФСМ. Ослабление вызванной активности происходило за счет снижения тонуса активирующих систем, в том числе и РФСМ. Это приводило к снижению уровня возбудимости клеток с ослаблением ПО, и, в свою очередь, являлось причиной перехода ДПП в ДПД. Параллельно наблюдалось усиление ритмики как фоновых нембуталовых веретен, так и вызванной ВА. Следует отметить, что увеличение показателей наблюдалось как в верхних, так и в нижних слоях коры, в то время как ответы в ретикулярной формации оставались практически неизменными. Это может указывать на наличие непосредственно внутрикорковых процессов развития пластичности без усиления ретикуло-корковых активирующих влияний. Характер наблюдаемых нами изменений пластичности, в частности, медленное и постепенное развитие изменения эффективности синаптической передачи, свидетельствовал о его метаботропном происхождении. В связи с этим возникает вопрос, какие модулирующие влияния и метаботропные рецепторы могут быть вовлечены в формирование фонового ритмогенеза?

II. Изменения уровня возбудимости после микроаппликацни агонистов и антагонистов холинорецепторов. Для исследования возможности локального изменения ритмогенеза в корковых колонках при изменении уровня холинергической активации была проведена серия экспериментов с применением метода микроаппликации агонистов и антагонистов ацетилхолина (АХ) непосредственно к корковым колонкам. В качестве агонистов АХ применялся карбахол, который оказывал воздействие и на внесинаптические АХ-рецепторы, и прозерин - ингибитор ацетилхолинэстеразы, который вызывал накопление в синаптической щели эндогенного ацетилхолина, действующего непосредственно на синаптические АХ-рецепторы. Для исследования изменения локального ритмогенеза под влиянием антагонистов ацетилхолина использовались блокаторы Н- и М-холинорецепторов: тубокурарин и атропин, соответственно.

Изменения фонового ритмогенеза после микроаппликации карбахола и атропина. Во всех экспериментах с микроаппликацией карбахола и атропина наблюдались характерные изменения фокальной активности, пример которых приведен на рисунке 4. Регистрировали фокальную активность следующих структур: колонок ЕЗ (трек 1) и Э1 (трек 2) соседних рядов ипси- и контралатерального (соответственно, треки 5, 6) полушария, зоны

CAI гиппокампа (трек 3), РФСМ (трек 4) и электрокардиограмма (трек 7) до микроаппликации раствора карбахола (Рис. 4 А). Показана активность структур, в которых регистрировали периоды ВА в корковых колонках ипси- и контралатерального полушария (отмечено линией). Также наблюдались периоды тета-активности в гиппокампе (отмечено пунктиром). После микроаппликации 25 мкМ раствора карбахола с помощью дополнительного микроэлектрода, погруженного рядом с микроэлектродом, регистрирующим активность корковой колонки D1 (2 трек), уже через 5 минут фоновая активность в соматической коре ипсилатерального (опытного) полушария быстро изменялась, но фокальная активность в остальных структурах оставалась неизменной (Рис. 4 Б). Анализ усредненных спектров мощности показал, что после микроаппликации карбахола в колонках ипсилатерального полушария значительно усиливались ритмы альфа-частотного А Б

(1111(1111111

в , г

—-„----—.—

—Дкад 2 --—~--л----—■—-

^1ИИ1НИН1ИР3

^^МгНН^^ 4

5

I. ^ I- I 111111с

Рисунок 4. А - исходная фокальная активность. Б - изменение фокальной активности через 5

минут после микроаппликации карбахола, В - через 18 мин после микроаппликации карбахола, Г -через 15 минут после микроаппликации атропина. 1, 2 - опытная склейка, колонки 01 и ЕЗ в

ипсилатеральном полушарии, 3 - гиппокамп, 4 - РФСМ; 5,6- контрольная склейка, колонки и ЕЗ в контралатеральном полушарии, 7 - электрокардиограмма. Калибровка 1 с. Пояснения в тексте.

диапазона (8-10 Гц). Изменение характера фоновой активности начиналось с корковой колонки затем быстро распространялось на колонку соседнего ряда ЕЗ (трек 1), а также (хотя и в меньшей степени) на РФСМ (трек 4). В среднем через 18 минут после микроаппликации карбахола наблюдалось существенное усложнение характера ритмогенеза в исследуемых структурах (Рис. 4 В). В подкорковых структурах и колонках контралатерального полушария появлялись короткие пачки ритмичных эпилептиформных разрядов из 4-6 потенциалов, следующих с частотой 15-20 Гц в пачке (отмечено линией).

Спустя полтора часа после микроаппликации карбахола была проведена микроаппликация раствора 2 мкМ атропина в зоне регистрации активности корковой колонки (трек 2) в ипсилатеральном полушарии. Уже через минуту микроаппликация атропина вызвала резкое снижение амплитуды эпилептиформных разрядов во всех регистрируемых структурах, особенно в зоне регистрации активности корковой колонки 01 ипсилатерального полушария с сохранением только первых негативных волн в начале отдельных пачек эпилептиформных разрядов (Рис. 4 Г). Повторная микроаппликация атропина в зоне регистрации активности корковой колонки ипсилатерального полушария вызвала еще более выраженное подавление биоэлектрической активности в данной зоне, в меньшей мере повлияв на ритмогенез остальных структур, активность которых практически вернулась к исходному уровню. Усредненные спектры мощности показали значительное подавление ритмов практически всего диапазона от 1 до 30 Гц. Наиболее выражены были колебания в диапазоне 1-3 Гц в подкорковых структурах. В корковых колонках доминировали колебании диапазона (2-4 Гц), более выраженные в колонках контралатерального полушария.

Изменения фонового ритмогенеза после микроаппликации прозерина и тубокурарина. Для сравнения эффектов воздействия экзогенного агониста АХ (карбахола) с действием эндогенного АХ на изменение фокальной активности был проведен ряд экспериментов с микроаппликацией 2,23 мМ раствора прозерина, вызывающего накопление эндогенного АХ в синаптической щели. Результаты этих экспериментов продемонстрировали аналогичное усиление фокальной биоэлектрической активности в коре, а также ранее отмеченную возможность иррадиации эпилептиформной активности в РФСМ. Подобные изменения регистрировались во всех экспериментах с микроаппликацией прозерина. Для изучения влияния блокаторов Н-холинорецепторов на вызванную ЭпиА корковых колонок и подкорковых структур использовали тубокурарин в концентрации 6,5 мкМ. Была продемонстрирована способность тубокурарина подавлять фокальную активность, вызванную предшествующей микроаппликацией прозерина (Рис.5). Микроаппликация прозерина проявлялась в увеличении амплитуды фоновых разрядов -

А

появлении фокальной ЭпиА, зарегистрированной спустя 5 минут после введения вещества (Рис. 5 А). Последующее введение раствора тубокурарина вызывало подавление ЭпиА, причем как в опытных колонках, так и в интактных, симметричных колонках контралатерального полушария (Рис. 5 Б). Однако, как показали дальнейшие наблюдения,

4 »»'^^«(^«ч^ДА^^

5 цщщцттшш^шшшшшшм^шм

3

5 щттщшшштттшФт^ш^

в 3

5 цмимштцшмштт^шшшшттт

1 АМАА/ЩАЛ^АН-^^ г 3

5 |1мВ

¡0

Рис. 5. Эффекты изменения фонового ритма после микроаппликации прозерина и тубокурарина. 1, 2 - опытная склейка, колонки и ЕЗ в ипсилатеральном полушарии, 3, 4 - контрольная склейка, колонки 01 и ЕЗ в контралатеральном полушарии, 5 - электрокардиограмма. А - ЭпиА, вызванная подведением прозерина; Б - подавление ритмических эпиразрядов после микроаппликации тубокурарина; В - восстановление ритмической активности через 15 минут после окончания микроаппликации тубокурарина; Г - восстановление ритмической активности через 30 минут после окончания микроаппликации тубокурарина.

через несколько минут после прекращения микроаппликации тубокурарина происходило восстановление активности (Рис. 5 В). Аналогичные результаты были получены нами при последовательной микроаппликации прозерина и атропина к корковым колонкам. Следует заметить, что вначале ЭпиА восстанавливалась в контралатеральном полушарии, в то время как в ипсилатеральном отмечались только отдельные разряды. Процесс восстановления

активности продолжался более 30 минут после окончания микроаппликации тубокурарина, при этом восстановление происходило до уровня ЭпиА в колонках обоих полушарий (4 на Рис. 5). Процесс восстановления ЭпиА мог быть связан с тем, что тубокурарин является конкурентным антагонистом АХ, а прозерин вызывает длительное накопление эндогенного АХ в синаптической щели. Подобное сочетание приводит к тому, что концентрация АХ превышает концентрацию тубокурарина, и именно АХ связывается с постсинаптическими холинорецепторами, вызывая первоначальный пароксизмальный деполяризационный сдвиг (ПДС), ведущий к восстановлению ЭпиА.

Результаты, полученные нами в экспериментах по микроаппликации агонистов АХ к корковым колонкам, позволили предположить, что осцилляторная синхронная активность была способна не только представлять форму нормального ритмогенеза, но имеет отношение и к генерации ЭпиА. Рядом исследований было показано, что судорожная активность связана с развитием ВА (Gloor and Fariello, 1988; Kellaway 1985; Kostopoulos et al. 1981; Steriade 1974). Некоторые авторы сообщали, что именно холинергические влияния играют значительную роль не только в организации нормального фонового ритмогенеза, но и вносят свой вклад в возникновение эпилептиформных разрядов у человека (Turski et al.,1989; Friedman et al., 2007), что подтверждают и наши эксперименты с микроаппликацией агонистов АХ к корковым колонкам соматической коры крысы (Рис. 4, Рис. 5). По нашему мнению, только клетки, способные к эндогенной пейсмекерной активности, способны участвовать в генерации ЭпиА. Ранее это было показано на беспозвоночных (Altrup, Hader, Storz, 2003) и на срезах мозга. Например, нейроны на уровне пятого слоя изолированных блоков коры были способны инициировать пароксизмальные синхронные вспышки активности, которые подобны ЭпиА, вызванной бикукуллином или пенициллином (Connors and Telfeian, 2000). Можно предположить, что механизмы, лежащие в основе формирования эндогенной ритмической активности и генерации эпилептиформных разрядов, схожи, однако для развития ЭпиА требовались определенные условия. Согласно нашим предположениям, существенная роль при возникновении ЭпиА в коре принадлежала активации холинорецепторов, которая возникала либо в результате аппликации агонистов ацетилхолина (карбахола), либо при накоплении эндогенного ацетилхолина после аппликации прозерина, блокирующего холинэстеразу. Активация рецепторов, в свою очередь, вызывала деполяризацию нейронов путем подавления различных калиевых токов: выпрямляющего выходящего тока Im, (Krnjevic, Pumain, Renaud, 1971, Dodd, Dingledine, Kelly, 1981, McCormick, Prince, 1986); кальций- и потенциал-зависимого Iahp тока медленной следовой гиперполяризации, (McCormick, Prince, 1986); потенциал-зависимый калийный ток Ik (Zhang, Weiner, Carlen, 1992). Как известно, при обычных условиях удерживаемый

исходящий калиевый ток существует некоторое время после генерации потенциала действия, что обеспечивает гиперполяризацию (положительный следовой потенциал). Возможно, способность коры к генерации и иррадиации ЭпиА при активации холинорецепторов связана со способностью АХ вызывать длительную повышенную реакцию нейронов (Медникова, Копытова, Жадин, 2008) и, как следствие, длительную гиперполяризацию. Было также показано, что карбахол вызывал высокоамплитудную ритмическую фокальную активность, связанную с развитием пароксизмальной деполяризации нейронов энторинальной коры (Dickson, Alonso, 1997), и способствовал синхронизации нейронов педункулопонтийного ядра даже в отсутствии быстрой синаптической передачи (Garcia-Rill et al., 2007).

Таким образом, на основании данных литературы и полученных нами результатов, можно предположить, что изменение уровня ацетилхолина в коре не только являлось достаточным основанием для возникновения ЭпиА, но и способствовало иррадиации пароксизмальных быстрых разрядов на гиппокамп, ретикулярную формацию среднего мозга и на симметричные, интактные зоны соматосенсорной коры в контралатеральном полушарии. Это явление связано с начальным деполяризационном сдвигом мембранного потенциала (Caulfield, 1993, Kawagushi, 1997, McCormick, 1992, McCormick, Prince, 1986), возникавшим при активации холинорецепторов микроаппликацией агонистов АХ или в результате чрезмерного накопления АХ в коре после микроаппликации прозерина. В дальнейшем возникал ПДС - маркер эпилептиформной активности с последующей гигантской гиперполяризацией. Эта гиперполяризация, в свою очередь, состояла, как мы предполагаем, из нескольких компонентов с различной длительностью действия, включая 2+

Ca -зависимые калиевые токи и ГАМК-зависимое торможение. Каждый последующий

эпилептиформный разряд был связан с повышением концентрации Са2+ в межклеточном

^ 2+

пространстве, что вызывало активацию Ca -зависимых калиевых каналов гиперполяризации, синхронизирующих эпиразряды. Ранее подобный механизм синхронизации эпиразрядов был показан на примере пирамидных нейронов гиппокампа (Fernández de Sevilla et al., 2006). Наши эксперименты с применением аппликации антагонистов холинорецепторов показали, что введение атропина (Рис. 4 Г) и тубокурарина (Рис. 5 Б) приводило к резкому снижению амплитуды ЭпиА, вызванной действием агонистов АХ, и общему подавлению фокальной активности всех исследуемых структур. Это происходило в результате блокады М- и Н-холинорецепторов соответствующими антагонистами - атропином и тубокурарином, препятствующими деполяризующему действию АХ.

ВЫВОДЫ.

1. В экспериментах по регистрации вызванной активности корковых колонок показано, что значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Фазозависимый характер взаимодействия фоновой веретенообразной активности и фокальных вызванных потенциалов свидетельствует об участии фонового ритмогенеза, проявляющегося, в частности, в циклическом изменении уровня возбудимости корковых колонок, в процессах формирования кратковременной пластичности корковых колонок.

3. Снижение уровня неспецифических модулирующих влияний под действием нембутала сопровождается двумя одновременными, но независимыми процессами: а) появлением или усилением вторичных ритмичных фокальных потенциалов, связанных с циклическими колебаниями возбудимости корковых нейронов; б) реверсией процессов краткосрочной постстимульной пластичности нейронных колонок соматической коры, что проявляется в переходе процесса парной фасилитации ответов в парную депрессию.

4. Переход процесса парной фасилитации в парную депрессию обусловлен изменением характера поствозбудительного торможения, что проявляется в сокращении длительности первой тормозной паузы со 150-200 мс до 100 мс. Последнее может быть связано с подавлением медленного коркового торможения, обусловленного ТПСПб, при сохранении быстрого торможения ТПСПа.

5. Локальная микроаппликация агонистов АХ к нейронным колонкам вызывает усиление ритмогенеза фокальной активности корковых колонок соматической коры взрослых крыс в виде эпилептиформной активности за счет возникновения первоначального пароксизмального деполяризационного сдвига, связанного, возможно, с блокадой калиевых токов. Данный эффект подавляется микроаппликацией антагонистов АХ, однако является обратимым. Результаты экспериментов по локальной микроаппликации агонистов и антагонистов АХ свидетельствуют о существенном вкладе холинергических механизмов в формирование не только нормального, но и патологического ритмогенеза.

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Сердюк Т.С. О роли ретикулярной формации в процессах постгетанической пластичности вызванных потенциалов в колонках соматической коры крысы // Приложение к журналу «Научная мысль Кавказа». 2006. № 13. С. 346-351. (0,15 п. л., личн. вк. 100%).

2. Сердюк Т.С. Внутрикорковый механизм генерации веретенообразной активности в колонках соматической коры крысы / Сухов А.Г., Коняхина Л.А. // Вестник ЮНЦ. 2007. № 3. Т. 2. С. 86-94. (0,25 п. л., личн. вк. 50%).

3. Сердюк Т.С. О роли холинергических влияний в регуляции локального ритмогенеза в колонках соматической коры головного мозга / Сухов А.Г. // Валеология. 2008. № 3. С. 6268. (0,15 п. л., личн. вк. 50%).

Список научных работ, опубликованных по теме диссертации

4. Сердюк Т.С. О роли ретикуло-корковых влияний в формировании фоновой и вызванной активности соматической коры крысы // Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. Том X. - Ростов н/Д: Изд-во РГУ. 2004. С. 83-85. (0,08 п. л., личн. вк. 100%).

5. Сердюк Т.С. Организация процессов постстимульной пластичности фокальных ответов колонок соматической коры крысы / Сухов А.Г. // Тезисы юбилейного XIX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2004 Т. 90. № 8. С. 225. (0,04 п. л., личн. вк. 50%).

6. Сердюк Т.С. О роли афферентного и возвратного торможения в процессах постстимульной пластичности // Материалы Всероссийской конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической передачи». Москва. Изд-во «Икар». 2004 с. 86. (0,04 п. л., личн. вк. 100%).

7. Сердюк Т.С. Роль ретикуло-корковых влияний в процессах пластичности корковых колонок соматической коры крысы // Проблемы нейрокибернетики. Материалы 14-й Международной конференции по нейрокибернетике, посвященной 60-летию Победы советского народа в ВОВ и 90-летию Ростовского государственного университета. Ростов-на-Дону. 2005. Т. 1. с. 89-91. (0,1 п. л., личн. вк. 100%).

8. Сердюк Т.С. Об участии неспецифических модулирующих влияний в регуляции возбудимости и пластичности корковых колонок соматической коры крысы. // Тезисы докладов XIII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов -2006». Москва. 2006. С.207-208. (0,06 п. л., личн. вк. 100%).

9. Сердюк Т.С. О роли ретикуло-корковых влияний в формировании фоновой и вызванной активности соматической коры крысы // Сборник тезисов 10-й Путинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века». Пущино. 2006. С. 162. (0,04 п. д., личн. вк. 100%).

10. Serdjuk T.S. The probable mechanisms of autonomous spindle oscillations in the thalamus and neocortex on the rat / Yasenkov R., Lysenko L.V., Medvedev D.S. and Sukhov A.G. // Journal of Sleep Research. 2006. V. 15. P.100. (0,04 п. л., личн. вк. 20%).

11. Сердюк Т.С. Фазозависимое влияние фонового ритмогенеза на развитие процессов постстимульной пластичности // Материалы Международного молодежного научного форума "Ломоносов-2007". Москва. 2007. Т. 1. С. 154. (0,04 п. л., личн. вк.100%).

12. Сердюк Т.С. Роль активирующих ретикуло-корковых влияний в развитии и поддержании длительных изменений возбудимости в колонках соматической коры крысы // Тезисы юбилейного XX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. 2007. С. 414. (0,04 п. л., личн. вк. 100%).

13. Сердюк Т.С. Влияние прозерина и атропина на фоновый ритмогенез корковых колонок соматической коры крысы // Структурно-функциональные, нейрохимические и иммунохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга (Материалы Всероссийской конференции с международным участием). Москва. 2007. С. 577-583. (0,2 п. д., личн. вк. 100%).

14. Сердюк Т.С. О роли холинергических влияний в регуляции локального ритмогенеза в колонках соматической коры головного мозга // Материалы 11 Всероссийской научно-практической конференции «Функциональное состояние и здоровье человека». Ростов-на-Дону. 2008. С. 96. (0,04 п. л., личн. вк. 100%).

15. Сердюк Т.С. Об участии холинергических рецепторов в формировании локального ритмогенеза корковых колонок соматической коры мозга крысы // Материалы XV Международной конференции по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону. 2009. Т. 1. С. 135-138. (0,1 п. д., личн. вк. 100%).

16. Сердюк Т.С. К механизмам активирующего влияния неспецифических холинергических нейромодуляторных систем мозга // «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины». Материалы III международной конференции. Ростов-на-Дону, изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ. 2009. С. 116. (0,04 п. л., личн. вк. 100%).

17. Сердюк Т.С. Фазозависимые эффекты кратковременной пластичности фокальных ответов нейронов корковых колонок соматической коры крысы в цикле сон-бодрствование // Материалы 5-ой Российской школы-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» и

междисциплинарного семинара «Нейробиологические основы цикла сон-бодрствование». Москва. 2009. С. 143. (0,04 п. л., личн. вк. 100%).

18. Сердюк Т.С. Механизмы локального пейсмекерного ритмогенеза и его роль в инициации произвольных движений / Сухов А.Г., Беличенко Л.А., Логвинов А.К., Лысенко Л.В., Скорнякова М.В. // Юбилейная конференция «125 лет Московскому психологическому обществу». Москва. 2010. С. 128-132. (0,1 п.л. личн. вк. 20%).

19. Сердюк Т.С. О вкладе холинергических влияний в формирование функционального состояния корковых колонок соматической коры крысы // Сборник трудов 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации». Волгоград. 2010. С. 171-173. (0,1 п. л„ личн. вк. 100%).

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АХ - ацетилхолин

ВА - веретенообразная активность

ГАМК - гамма-аминомасляная кислота

ДПД - долговременная посттетаническая депрессия

ДПП - долговременная посттетаническая потенциация

ПД - парная депрессия

ПДС - пароксизмальный деполяризационный сдвиг ПО - первичный ответ ПФ - парная фасилитация РР - ритмичный разряд

РФСМ - ретикулярная формация среднего мозга ТПСП -тормозный постсинаптический потенциал ФП - фокальный потенциал ЭпиА - эпилептиформная активность

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1,0 уч.-изд.-л. Заказ № 1887. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Сердюк, Татьяна Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Неспецифические модулирующие системы.

1.1.1. Общие принципы организации неспецифических модулирующих систем.

1.1.2. Источники холинергических влияний в мозге.

1.2. Холинергические рецепторы.

1.2.1. Центральные никотиновые рецепторы.

1.2.2. Центральные мускариновые рецепторы.!.

1.3. Роль холинергических влияний в процессах возбудимости и пластичности.

1.3.1. Ацетилхолин и процессы возбудимости коры.

1.3.2. Ацетилхолин в регуляции процессов пластичности.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1.Объект исследования.

2.2.Методика проведения исследований.

2.2.1 Операционная подготовка животных к экспериментам (трепанация черепа, погружение микроэлектродов).

2.2.2 Электрофизиологические методы отведения биоэлектрической фокальной фоновой и вызванной активности.

2.2.3 Методика микроаппликации активных веществ к колонкам соматической коры.

2.3. Оборудование.

2.3.1. Программно-аппаратный комплекс для записи фоновой и вызванной активности.

2.3.2 Оборудование для микроаппликации активных веществ.

2.4 Методы анализа экспериментальных данных.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Изменение возбудимости корковых колонок при общем изменении функционального состояния организма.

3.1.1.Длительные тонические изменения возбудимости.

3.1.2. Фазические изменения возбудимости.

3.1.3.Особенности процессов кратковременной пластичности.

3.1.4. Длительная пластичность при изменении общего уровня тонуса ретикулярной формации.

3.2. Изменение возбудимости после микроаппликации агонистов и антагонистов ацетилхолина.

3.2.1. Изменение фонового ритмогенеза после микроаппликации карбахола и атропина.

3.2.2. Изменение фонового ритмогенеза после микроаппликации прозерина и атропина.

3.2.3. Изменение ритмогенеза после микроаппликации прозерина и с1тубокурарина.

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы"

Актуальность исследования. Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности корковых колонок нейронов является одной из наиболее актуальных проблем современной нейрофизиологии, поскольку эти механизмы участвуют в регуляции воспринимающей, передаточной и распределительной функции коры головного мозга в процессах обработки информации и формировании того или иного функционального состояния мозга. Одной из характеристик нейронов является их способность к пластичности - изменению эффективности синаптической передачи. Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в качестве основы, таких функций мозга как распознавание образов, обучение и хранение информации, (Kandel, 2001; Poirazi, Mel, 2001; Martin, Morris, 2002; Fusi, et al. 2005). При этом следует различать процессы эндогенной модуляции общего уровня возбудимости корковых колонок, связанного, прежде всего, с общим тонусом ретикулярной формации среднего мозга (РФСМ), с формированием определенного функционального состояния, и более локальные процессы постстимульного изменения возбудимости и пластичности отдельных колонок (Desai, Rutherford, Turrigiano, 1999), которые связаны с оценкой биологической значимости стимула и лежат в основе обучения и памяти (Janowitz, Rossum, 2006). Наибольший интерес с нашей точки зрения представляет исследование взаимодействия эндогенных и экзогенных, стимул-зависимых локальных процессов на уровне отдельных колонок, которые представляют собой основную структурно-функциональную единицу строения коры мозга млекопитающих.

Работы по изучению механизмов пластичности главным образом проводились на гиппокампе (Воронин, 1982; Клещевников, 1998; Voronin et al., 1995; Aihara et al., 2007; Nguyen, Woo, 2003; Papatheodoropoulos, 2010; Zhang et al., 2003), значительно меньше работ посвящено исследованию эффектов пластичности в соматосенсорной коре (Gil, Connors, Amitai, 1997;

Levy, Reyes, Aoki, 2008; Oldford, Castro-Alamancos, 2003; Сухов, Бездудная, Медведев, 2003), причем большинство из них проводились на переживающих срезах, в которых невозможно проследить эффекты неспецифических модулирующих влияний'подкорковых структур, например РФСМ, либо на наркотизированных животных. В тоже время известно, что механизмы функционирования структур головного мозга наркотизированных животных существенно отличаются от ненаркотизированных (Steriade, 2000, 2001). Поэтому экспериментальная модель исследования механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности на бодрствующем ненаркотизированном животном, выбранная,для выполнения нашей работы, является^ достаточно актуальной ^ обоснованной.

Важную роль в формировании процессов пластичности! играет и фоновая ритмическая активность мозга как один из параметров, организующих нормальную и патологическую мозговую деятельность (Гусельников, Супин, 1968; Виноградова, 1975; Бездудная, 2000; Steriade, 2006), поэтому актуальным вопросом является выяснение механизмов различных ритмов мозга и их функциональной роли в коре головного мозга. С начала электроэнцефалографических исследований головного мозга в 3040-х годах прошлого века велась дискуссия между сторонниками собственного внутрикоркового механизма ритмической активности коры, постулированного Бремером в 1935 году (Bremer, 1935), и его оппонентами, предлагающими в качестве ведущих генераторов ритмической активности коры другие структуры (Lewy, Gammon, 1940; Morison, Dempsey, 1942). Впоследствии многие исследователи отводили главную роль в корковом ритмогенезе подкорковым влияниям и таламокортикальному взаимодействию (Буриков, Сунцова, 1989; Моянова, 1977; Нарикашвили, 1975; Contreras et al., 1997). В то же время исследования роли фонового ритмогенеза в процессах восприятия и передачи сенсорной информации и в механизмах пластичности мозга сравнительно немногочисленны, а вопросы генерации нормальной и патологической ритмической активности в коре и по сей день остаются дискуссионными, в частности, широко обсуждается участие модулирующих систем в формировании эпилептиформной активности (ЭпиА) (Deisz, 1999; Gu, 2002; Potier, Psarropoulou, 2004; Shaw, 2004; Hanganu et al., 2009). Таким образом, становится очевидно, что, хотя существует ряд работ по исследованию возбудимости и пластичности корковых колонок, данные, представленные в них, порой противоречивы, в то время как изучение механизмов ритмогенеза и неспецифической модуляции возбудимости и пластичности может внести определенный вклад в понимание процессов регуляции и обработки информации, а также в формирование нормального и патологического состояний головного мозга, в частности, эпилептиформной активности.

Целью настоящей, работы являлось изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы. Задачи исследования

1. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при повышенном тонусе ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний в состоянии бодрствования животного.

2. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при снижении тонуса ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний после введения нембутала.

3. Определить механизмы частотно-фазовых влияний фоновой ритмической активности на возбудимость и пластичность корковых колонок в состоянии бодрствования животного.

4. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации агонистов ацетилхолина.

5. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации антагонистов ацетилхолина.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработан новый методический подход к исследованию нейрохимических механизмов развития фокальной активности с возможностью подведения физиологически активных веществ к идентифицированным колонкам соматической коры и одновременного мультиэлектродного отведения биоэлектрической активности от соматической коры и подкорковых структур.

2. Получены оригинальные данные о том, что неспецифическая модуляция эффектов кратковременной пластичности нейронных колонок соматической коры крысы зависит от характера фонового ритмогенеза и имеет фазозависимый характер.

3. Впервые показано, что снижение общего уровня активации коры» под действием нембутала приводит к замещению процесса парной фасилитации процессом парной депрессии в нейронных колонках соматической коры, что может быть обусловлено изменением характера постстимульного торможения с перераспределением соотношения быстрого (ТПСПа) и медленного (ТПСПб) коркового торможения.

4. В опытах с локальной микроаппликацией растворов агонистов и антагонистов ацетилхолина к корковым колонкам получены новые данные, свидетельствующие о возможности локального изменения характера ритмогенеза, возбудимости и пластичности корковых колонок.

5. Получены оригинальные данные, которые свидетельствуют о том, что холинергические влияния играют существенную роль в механизмах формирования эпилептиформной активности в нейронных колонках при активации Н- или М-холинорецепторов.

Научно-теоретическое и практическое значение работы. 1. Выявленные особенности неспецифической модуляции возбудимости и пластичности в соматической коре могут способствовать более глубокому пониманию процессов, лежащих в основе обучения, использоваться при планировании экспериментов, целью которых является дальнейшее изучение механизмов синаптической передачи.

2. Разработанный в. ходе исследования метод локального подведения активных веществ с помощью микроэлектрода может использоваться для доклинического испытания фармакологических препаратов и других физиологически активных веществ.

3. Полученные результаты могут быть использованы на кафедрах физиологии, биофизики, медицинской физики и ветеринарии при чтении спецкурсов студентам и магистрам ВУЗов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется, в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в- коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Возникающая в состоянии бодрствования животного фоновая веретенообразная активность оказывает зависимое от фазы волны влияние на процессы формирования кратковременной постстимульной пластичности. В подавляющем большинстве случаев при попадании первого стимула из серии на восходящую фазу фоновой волны наблюдается подавление ответа на второй стимул (парная депрессия), а при попадании первого стимула на нисходящую фазу фоновой волны - увеличение амплитуды ответа на второй стимул (парная фасилитация).

3. Снижение тонуса коры при ослаблении неспецифических активирующих влияний со стороны РФСМ приводит к модификации процессов кратковременной постстимульной пластичности, что проявляется в замещении процесса парной фасилитации вызванных потенциалов на процесс парной депрессии, когда первичный ответ на второй стимул при парной стимуляции становится меньше, чем ответ на первый стимул.

4. Переход парной фасилитации в парную депрессию обусловлен не столько усилением постстимульного торможения, сколько его качественным изменением, в частности, наблюдается сокращение длительности тормозной паузы и медленного отрицательного потенциала, что может быть связано с ослаблением медленного торможения (ТПСПб) при сохранении быстрого торможения (ТПСПа).

5. Холинергическая система играет существенную роль в механизмах генерации и иррадиации эпилептиформной активности в нейронных колонках соматической коры взрослых крыс, поскольку локальная внутрикорковая аппликация агонистов ацетилхолина вызывает значительное усиление локального ритмогенеза с последующей иррадиацией эпиразрядов на подкорковые структуры и контралатеральное полушарие.

Апробация работы. Материалы диссертации' были' представлены на Всероссийской научной конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической пластичности» (Москва, 2004, 2008), на XIX Съезд физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004), на международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005, 2009); на международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007); на X Пущинской школе-конференции молодых учёных «Биология - наука XXI века», посвященной 50-летию Пущинского научного центра РАН (Пущино, 2006); на 18м Конгрессе Европейского сомнологического общества (1пп8Ьгиск, 2006), на юбилейном XX Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007), на II Всероссийской научно-практической конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2008), на 5-ой Российской школе-конференции «Сон — окно в мир бодрствования» (Ростов-на-Дону, 2009), на Юбилейной конференции «125 лет Московскому психологическому обществу» (Москва, 2010), на заседаниях Ученого Совета НИИ НК ЮФУ и Ростовского-на-Дону отделения физиологического общества им. И.П.Павлова (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ общим объемом 1,62 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, личный вклад автора 84%

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Сердюк, Татьяна Сергеевна

ВЫВОДЫ.

1. В экспериментах по регистрации вызванной активности корковых колонок показано, что значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Фазозависимый характер взаимодействия фоновой веретенообразной активности и фокальных вызванных потенциалов свидетельствует об участии фонового ритмогенеза, проявляющегося, в частности, в циклическом изменении уровня возбудимости корковых колонок, в процессах формирования кратковременной пластичности корковых колонок.

3. Снижение уровня неспецифических модулирующих влияний под действием нембутала сопровождается двумя одновременными, но независимыми процессами: а) появлением или усилением вторичных ритмичных фокальных потенциалов, связанных с циклическими колебаниями возбудимости корковых нейронов; б) реверсией процессов краткосрочной постстимульной пластичности нейронных колонок соматической коры, что проявляется в переходе процесса парной фасилитации ответов в парную депрессию.

4. Переход процесса парной фасилитации в парную депрессию обусловлен изменением характера поствозбудительного торможения, что проявляется в сокращении длительности первой тормозной паузы со 150-200 мс до 100 мс. Последнее может быть связано с подавлением медленного коркового торможения, обусловленного ТПСПб, при сохранении быстрого торможения ТПСПа.

5. Локальная микроаппликация агонистов АХ к нейронным колонкам вызывает усиление ритмогенеза фокальной активности корковых колонок соматической коры взрослых крыс в виде эпилептиформной активности за счет возникновения первоначального пароксизмального деполяризационного сдвига, связанного, возможно, с блокадой калиевых токов. Данный эффект подавляется микроаппликацией антагонистов . АХ, однако является обратимым. Результаты экспериментов по локальной микроаппликации агонистов и антагонистов АХ свидетельствуют о существенном вкладе холинергических механизмов в формирование не только нормального, но и патологического ритмогенеза.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сердюк, Татьяна Сергеевна, Ростов-на-Дону

1. Сердюк Т.С. О роли ретикулярной формации в процессах посттетанической пластичности вызванных потенциалов в колонках соматической коры крысы. Приложение к журналу «Научная мысль Кавказа». 2006. №13, с. 346-351 (личный вклад 100%).

2. Сухов А.Г., Сердюк Т.С., Коняхина Л.А. Внутрикорковый механизм генерации веретенообразной активности в колонках соматической коры крысы. Вестник ЮНЦ. 2007, №3 Т.2, С. 86-94. (личный вклад 30%).

3. Сердюк Т.С., Сухов А.Г. О роли холинергических влияний в регуляции локального ритмогенеза в колонках соматической коры головного мозга. Валеология, 2008, №3, с.62-68. (личный вклад 50%)

4. Список работ, опубликованных по теме диссертации

5. Сердюк Т.С. О роли ретикуло-корковых влияний в формировании фоновой и вызванной активности соматической коры крысы. Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. Том X. Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 2004. -с.83-85.

6. Сердюк Т.С. О роли афферентного и возвратного торможения в процессах постстимульной пластичности. Материалы Всероссийской конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической передачи». Москва. Изд-во «Икар». 2004 с. 86.

7. Yasenkov R., Lysenko L.V., Serdjuk T.S., Medvedev D.S. and Sukhov A.G. The probable mechanisms of autonomous spindle oscillations in the thalamus and neocortex on the ratII Journal of Sleep Research. 2006. V. 15. -Suppd. - p.100:

8. Сердюк Т.С. Фазозависимое влияние фонового ритмогенеза на-развитие процессов постстимульной пластичности. Материалы, Международного молодежного научного форума, "Ломоносов-2007". Москва. СП. «Мысль». Т.1. с. 154. 2007

9. Сердюк Т.С. Роль активирующих ретикуло-корковых влияний в развитии и поддержании длительных изменений возбудимости в колонках соматической коры крысы. Тезисы юбилейного XX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. 2007, с.414.

10. Сердюк Т.С. Об участии холинергических рецепторов в формировании локального ритмогенеза корковых колонок соматической коры мозга крысы. Материалы XV Международной конференции по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону, 2009, Т.1, с. 135-138

11. Сердюк Т.С. О вкладе холинергических влияний в формирование функционального состояния корковых колонок соматической коры крысы// Сборник трудов 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации». Волгоград. 2010. С.171-173.