Координация моторных программ в центральной нервной системе прудовика Lymnaea Stagnalis

Воронцов, Дмитрий Дмитриевич

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Координация моторных программ в центральной нервной системе прудовика Lymnaea Stagnalis
ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Координация моторных программ в центральной нервной системе прудовика Lymnaea Stagnalis"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ им. Н.К. КОЛЬЦОВА

На правах рукописи

ВОРОНЦОВ Дмитрий Дмитриевич

КООРДИНАЦИЯ МОТОРНЫХ ПРОГРАММ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ ПРУДОВИКА ЬУМЫАВА вГДбМШЗ

03.00.13 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в лаборатории сравнительной физиологии Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Научный руководитель:

доктор биологических наук Дмитрий Антонович Сахаров

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Борис Николаевич Манухин кандидат биологических наук Галина Александровна Павлова

Ведущее учреждение:

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

Защита диссертации состоится «_» декабря 2003 года в__

часов на заседании Диссертационного совета Д 002.238.01 при Институте биологии развития им, Н. К. Кольцова РАН по адресу: г. Москва, ул. Вавилова, д. 26

fax: (095) 135-8012

e-mail: volina@proxima.idb.ac.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии развития им. Н. К. Кольцова РАН

Автореферат разослан «._ноября 2003 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат биологических наук

е. В. Волина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Согласно представлениям современной нейроэтологии, зародившимся в последней трети XX столетия (G. Hoyle, 1970, In: Advances in insect physiology, London, Academic Press., 7: 349-444), ключевую роль в управлении отдельными поведенческими актами, из которых складывается целостное поведение, играют нейронные сети, генерирующие так называемые центральные моторные программы. В нейроэтологичесхой литературе эти ансамбли нейронов обычно называются central pattern generators (CPGs), что можно перевести как «центральные генераторы упорядоченных движений» (Delcomyn, 1980, Science, 210:492-498). Будучи расположены в пределах нервной системы, они часто способны работать автономно при экспериментальном исключении сенсорных влияний. Центральный генератор производит пространственно-временную программу нейронной активности, необходимую для скоординированного управления эффекторами, то есть для выполнения поведенческого акта.

В последнее время первоначальные представления о нейронной структуре и логике работы центральных генераторов подвергаются пересмотру. Множество накопленных примеров пластичности генераторов говорит о том, что они не являются независимыми, жестко фиксированными нейронными сетями, какими их полагали ранее. Нейроны, осуществляющие генерацию моторной программы в рамках одной сети, могут участвовать в управлении другими поведенческими паттернами, динамически переключаясь между несколькими нейронными сетями (Weimann, Marder, 1994, Curr. Biol., 4*. 896-902, Dickinson. 1995, Curr. Optn. Neurobio!., 5:792-798). Факторами, отвечающие за реконфигурацию нейронных сетей, во многих рассмотренных в литературе случаях являются эндогенные нейроактивные вещества (нейротрансмиттеры, нейромодуляторы, гормоны), специфически воздействующие на все звенья нейронной сети генератора и способные менять его функциональную схему (Сахаров, 1983, Тр. XIV съезда Всесоюз. физиол. о-ва им. И. П. Павлова. Баку. 1:175-177). Не меньшая способность к динамической перестройке характерна, по-видимому, и для процессов координации между несколькими моторными программами. В настоящем диссертационном исследовании внимание привлечено к этому малоизученному вопросу.

ЦНБЫСХ*

^-JfjSg_______

генераторам значения длительности цикла могут существенно различаться. Наблюдения за поведением животных свидетельствуют о том, что выполняемые одновременно моторные программы склонны к синхронизации, причем не обязательно равнопериодической. Наличие координирующих механизмов часто необходимо из-за анатомической или функциональной несовместимости отдельных фаз моторных программ. Помимо этого, координация ритмических моторных актов приводит к суммарной экономии энергии при синергичной работе мышц.

Системы, осуществляющие взаимодействие моторных программ, являются объектами пристального изучения, накоплено достаточно поведенческих наблюдений координации ритмических моторных программ у различных животных и у человека. В то же время, почти ничего не известно о нейрональных механизмах их координации, за исключением нескольких примеров исследоааний, проведенных на модельных беспозвоночных животных - омарах (Nadim et al., 1998, J, Neurosa,, 10(13): 5053-5067) и морском ангеле (Малышев, Норекян, 2001, Журн. высш. нервн. деят., 51(6); 765-771).

В рамках проблемы координации центральных генераторов особенно малоизученным вопросом является взаимодействие осциллирующих нейронных сетей, генерирующих паттерны с различными периодами и обладающих различной стабильностью цикла. В то же время, кажется очевидным, что взаимодействия между такими нейронными сетями важны для реализации сложного поведения. Представляется, что найденные в простых нервных системах закономерности координации и построения сложного моторного поведения окажутся общими для всех животных.

Настоящая работа является составной частью научных проектов, поддержанных грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ 99-04-48411, 01-04-06308, 02-04-48091, 03-04-06450).

Цепи и задачи исследования. Целью настоящего исследования являлось изучение нейрональных механизмов координации ритмических моторных программ пресноводного легочного моллюска - большого прудовика Lvmnaea staanalis (!_Л

Беспозвоночные животные с их сравнительно простой нервной системой, предоставляющей возможность для идентификации нейронов, являются классическими объектами нейробиологии. Накопленные для нескольких "модельных" беспозвоночных архивы описанных на нейрснальном уровне центральных моторных программ образуют хороший задел для изучения координации между ними. Все вышесказанное справедливо для большого прудовика - модельного животного, широко

< - *

используемого в мировой нейробиологической практике.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать методику поведенческой регистрации циклической наземной локомоции и легочного дыхания у моллюска ¿ушпаеа.

2. Определить особенности координации между моторными программами на основании поведенческих наблюдений.

3. Исследовать характер перестроек координационных отношений локомоторной и дыхательной программ при изменении нейротрансмиттерного тонуса.

4. Разработать компьютерную модель системы из двух взаимосвязанных генераторов и провести анализ синхронизирующего влияния одного ритма на другой.

5. В экспериментах на редуцированном препарате определить степень соответствия предсказаний, полученных при моделировании, реальным нейрональным механизмам.

6. Описать нейрональные механизмы координации легочного дыхания и локомоции на уровне синаптических притоков к центральным нейронам.

Научная новизна работы. Показано, что у пресноводного моллюска прудовика переход от водной ресничной локомоции к движению по сухой поверхности сопровождается интенсификацией дыхания, что выражается в увеличении средней частоты дыхательных актов. В этом отношении прудовик не представляет исключения из общего для животных правила, согласно которому длительное повышение мышечной нагрузки впечет за собой усиление активности дыхательной системы.

На основании поведенческих данных сделан вывод о том, что генератор наземной мышечной локомоции обладает значительно большей стабильностью периода ритма по сравнению с респираторным. Моторные программы респирации и мышечной локомоции способны проявляться одновременно, то есть не являются взаимоисключающими.

Нами впервые обнаружено, что в нормальном поведении прудовика эти моторные программы координированы. Координация выражается в том, что мевду дыхательным и локомоторным циклами устанавливаются фазовые соотношения, в предельном случае сводящиеся к равнолериодической синхронизации.

Фазовая координация локомоции и респирации осуществляется на центральном уровне, что показано в опытах на редуцированных препаратах. При активации серотонинергической или дофаминергической системы метаболическим предшественником соответствующего

нейротрансмиттера препараты изолированной ЦНС и полуинтактные препараты, включающие мантию и пневмостом, склонны к устойчивой равнопериодической синхронизации, которая редко проявляется в фоновом поведении.

На основе анализа результатов поведенческих экспериментов и компьютерного моделирования предсказано наличие тормозной связи от локомоторного генератора к респираторному. Установлено, что достаточно одной тормозной связи для устойчивой фазовой координации двух моторных генераторов с различной частотой и стабильностью ритма.

Анализ синаптических притоков на редуцированном препарате подтвердил существование проекции, предсказанной модельными экспериментами. В тех же экспериментах показано, что имеются две трансмиттер-специфические модификации фазовой привязки дыхания к локомоции, способные к динамической перестройке.

Впервые показано, что ритмические сокращения ПН могут возникать при отсутствии спайковой активности двух из трех ключевых нейронов описанного в литературе центрального генератора, что свидетельствует о неадекватности или недостаточности общепринятой схемы сети, ответственной за ритмическое дыхание.

Результаты работы в целом являются первым экспериментально обоснованным свидетельством способности дыхательного генератора к динамическим перестройкам.

Теоретическое значение работы. Впервые на трех методических уровнях - в поведении интаюгного животного, на редуцированном препарате и при помощи компьютерного моделирования - описан механизм фазовой координации ме>еду двумя ритмическими моторными программами.

Практическое значение работы. Проведенное в работе исследование открывает практическую возможность изучать механизмы, лежащие в основе координации ритмических центральных программ -фундаментального явления, которое поможет приблизиться к пониманию физиологии и патологии мозга человека.

Помимо этого, примененная в работе логика исследования, показавшая адекватность компьютерного моделирования центральных процессов на основании поведенческих наблюдений, расширяет возможности исследования аналогичных явлений на других объектах. В особенности это касается высших животных и человека, обладающих сложной и часто недоступной для клеточного анализа нервной системой.

Положения, выносимые на защиту

1. Координация между ритмическими программами легочного дыхания и циклической наземной локомоции прудовика наблюдается как в нормальном поведении, так и в экспериментах на редуцированном препарате. В обоих случаях между ритмами устанавливается фазовая синхронизация.

2. Описанная координация сохраняется после частичного или полного исключения периферических систем, то есть осуществляется на уровне взаимодействия между генераторами (что не исключает участия сенсорики в адаптации координированных ритмов к условиям функционирования), В качестве механизма координации описана тормозная проекция от локомоторного к дыхательному генератору, активация которой происходит незадопго до окончания локомоторного цикла.

3. Имеющееся в литературе описание центрального генератора дыхательной моторной программы неадекватно, по крайней мере, по отношению к тому дыхательному ритму, который сопровождает циклическую локомоцию, вызванную активацией моноаминергических систем.

Апробация диссертации. Материалы диссертации докладывались на VIII Всероссийской школе молодых ученых (Казань, 2001), XVIII съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2001), 10-м симпозиуме Международного общества нейробиологии беспозвоночных {IS1N) "Neurobiology of Invertebrates" {Тихань, Венгрия, 2003), на VII Восточно-европейской конференции ISIN "Простые нервные системы" (Калининград-Светлогорск-Отрадное, 2003).

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 2 статьи на русском языке, еще одна такая статья и один симпозиальный доклад на английском языке приняты в печать. Тезисы б докладов опубликованы в сборниках научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, главы с описанием материала и методов исспедования, главы с изложением результатов и их обсуждением, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 115 страницах машинописного текста, иллюстрирована 30 рисунками. Список литературы содержит 135 источников.

Содержание работы. Работа была выполнена в лаборатории сравнительной физиологии Института биологии развития им, Н. К. Кольцова РАН, а также на Кропотовской биологической станции института. Исследования проводились в рамках плановой темы лаборатории (проекты РФФИ 99-04-48411, 01-04-06308, 02-0448091, 03-04-06450).

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объект исследования. В экспериментах использовали взрослых особей большого прудовика Lymnaea stagnate (L.) (Mollusca Gastropoda Pulmonata) весом 1.5-3 г, выращенных в аквариальной культуре. Моллюсков содержали в аэрируемой веде, кормили листьями салата в зимне-весенний период или листьями одуванчика летом и ранней осенью. В поведенческих сериях также использовали взрослых моллюсков весом 2-2.7 г, собранных в в пойме р. Ока рядом с Кропотовской биологической станцией.

Вещества. При выполнении экспериментов были использованы следующие вещества; метаболический предшественник серотонина, L-5-HTP (L-5-hydroxytryptophan monohydrochloride, Sigma); метаболический предшественник дофамина, L-DOPA (L-3,4-dihydroxyphenilalanine monohydrochloride, Sigma),

Поведенческие эксперименты. Перед всеми поведенческими экспериментами моллюсков взвешивали и как минимум в течение часа выдерживали в свежей воде при комнатной температуре. Наблюдения за поведением производили визуально, регистрируя на компьютере моменты проявления тех или иных поведенческих актов по специально разработанной программе. Погрешность измерения была ограничена скоростью реакции экспериментатора и не превышала 200 мс. Всего в рамках работы проведено 97 поведенческих экспериментов.

Регистрация дыхания в водной среде. У моллюсков, свободно перемещавшихся в цилиндрической емкости с водой диаметром 25 см и глубиной 13 см, регистрировали моменты открывания и закрывания дыхательного отверстия - лневмостома (ПН). Используя полученные данные, рассчитывали суммарную длительность открытого состояния ПН и период дыхательных актов.

Регистрация локомоции и дыхания на сухой поверхности. Моллюска помещали на горизонтальную сухую зеркальную поверхность. Спустя 3-5 минут у него развивались стереотипные циклические движения, характерные для локомоции мышечного типа: выдвижение ноги вперед, подтягивание задней части ноги и подтягивание раковины. Использование

зеркальной поверхности облегчало наблюдение за движениями ПН, находящегося под краем раковины и, как правило, обращенного вниз. Регистрировали моменты подтягивания раковины, открывания и закрывания ПН. Время одного сеанса регистрации составляло 20 мин. В экспериментах было использовано 35 моллюсков, из них 21 в серии с приподнятой раковиной.

Редуцированные препараты. Моллюсков перед препаровкой анестезировали инъекцией физиологического раствора, насыщенного ментолом. Эксперименты проводили при 18-22 еС на препаратах изолированной ЦНС или на полуинтактных препаратах, в которых были сохранены нервы, связывающие париетальные и висцеральный ганглии с частью мантии и ПН. Для размягчения оболочек отдельных ганглиев препарат предварительно обрабатывали ферментом (Pronase Е, Sigma), помещая кристаллик фермента на поверхность ганглия на 15 с, после чего препарат интенсивно промывали. Использовали физиологический раствор (рН=7,6) следующего состава (в мМ); NaCi 50, KCI 1,6, MgCI2 1,5, CaCI24, Trisma base (Sigma) 10. Препарат помещали в ванночку объемом 4 мл с основанием из эластичного полимера (Sylgard, Dow-Coming) и закрепляли при помощи стальных микробулавок. Через ванночку с препаратом производили перфузию физиологического раствора со скоростью приблизительно 2 мл в минуту. Фармакологические вещества добавляли в проток. Фотографии препаратов получали при помощи стереомикроскопа МБС-10 (Лыткаринский завод оптического стекла), совмещенного с цифровой фотокамерой CooiPix 4500 (Nikon).

Элекгрофизиологические эксперименты. Для внутриклеточной регистрации использовали стеклянные микропилетки с диаметром кончика порядка 1 мкм, заполненные 1М цитратом калия и имевшие сопротивление 15-30 МОм. При экстраклеточной регистрации от нергов применяли стеклянные всасывающие микропипетки, диаметр которых подбирали в каждом опыте в соответствии с толщиной регистрируемого нерва, 8 качестве регистрирующих и референтных использовали Ag/AgCi электроды. Электрическую стимуляцию нейронов производили через регистрирующий электрод.

При внутриклеточной регистрации использовали усилители постоянного тока с сопротивлением по входу более 10 ГОм и входным током менее 5'10И2А. При внеклеточной регистрации активности от нервов использовали усилители с входным сопротивлением 100 МОм и коэффициентом усиления (2-10)*103 в диапазоне частот 50-3000 Гц. Сигналы с выходов усилителей поступали на 8-канальный аналогово-цифровой преобразователь DL-120 (DigiLine). При регистрации данных и их

последующей обработке использовали программное обеспечение, разработанное автором с учётом специфики используемой аппаратуры и решаемых задач.

Движения ПН регистрировали при помощи световода и фотодиода. Всего было проведено 157 электрофизиологических экспериментов. Длительность электрофизиологической регистрации составляла в среднем 4 часа.

Запуск моторных программ. В свежеприготовленных лолуинтакгных препаратах процесс открывания и закрывания ПН, как правило, не имел чётко выраженной ритмики. Устойчивый и регулярный дыхательный ритм получали с помощью суперфузии препарата 5x10^ М растворами L-DOPA или 5-НТР. Эти же вещества спустя 3-7 мин после активации дыхательного ритма индуцировали фиктивную циклическую локомоцию. В правом и левом колумеллярных нервах фиктивная локомоция проявляется в виде ритмичных пачечных разрядов, которые соответствуют подтягиванию раковины в каждом локомоторном цикле (ЛЦ) у интактного животного.

Обработка данных. Для определения координации между локомоцией и дыханием проводили построение распределений открывания и закрывания ПН относительно нормированного локомоторного цикла (НЛЦ). Нормирование локомоторного цикла проводили из-за сравнительно высокой его вариабельности в ходе сеанса регистрации. За начало НЛЦ условно принята фаза, на которой начинается сокращение колумеллярных мышц, вызывающее подтягивание раковины к голове моллюска. В случае редуцированного препарата этому моменту соответствует начало пачечного разряда а колумеллярных нервах. Фазы НЛЦ обозначены в процентах от общего времени нормализованного цикла, так что, к примеру, НЛЦ50 означает фазу, на которой пройдено 50% общего времени НЛЦ. Регистрацию подтягивания раковины в поведенческих экспериментах производили в момент ее наибольшего ускорения, что соответствует фазе НЛЦ10, Для выделения начала НЛЦ в э л е ктрофиз дологических экспериментах на основе записей активности правого колумеллярного нерва рассчитывали функцию плотности спайков, spike density function -SDF {Szucs, 1998, J. Neurosa. Methods, 81(1-2): 159-67). При статистической оценке различий в полученных данных использовали U-критериЙ Манна-Уитни (Лакин, 1990, Биометрия, М,: Выс. шк.). Проверку гипотез о принадлежности экспериментальных данных логнормальному распределению проводили при помощи критерия соответствия хи-квадрат.

Моделирование. Для проверки гипотезы о торможении дыхательной нейронной сети со стороны локомоторного генератора была разработана

простая дискретная компьютерная модель, которая имитирует одновременную работу двух циклических генераторов. Количественные параметры модели были подобраны исходя из результатов поведенческих регистрамий. Каждый из модельных генераторов характеризовался средним значением периода и случайным разбросом вокруг среднего, который подчинялся нормальному или логнормальному закону. Данные, получаемые на выходе модели, были идентичны по форме представления поведенческим записям, что позволило обрабатывать их по тем же алгоритмам, что и результаты поведенческих опытов. В модели была также реализована тормозная проекционная связь, действовавшая следующим образом: сигнал с локомоторного генератора смещал фазу дыхательного генератора таким образом, что открывание ПН, если он в момент получения сигнала был закрыт, отсрочивалось, а закрывание ускорялось. Фаза НЛЦ, на которой активировалась тормозная связь между генераторами, была заложена в качестве переменной величины. Для имитации независимых, т.е. не взаимодействующих генераторов была предусмотрена возможность отключения проекционной связи.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Поведение: дыхание в воде и на поверхности. Было проведено сравнение параметров легочного дыхания у моллюсков, находящихся в водной среде (п-14) и во время циклической локомоции на горизонтальной сухой поверхности (л=12). На фоне циклической мышечной локомоции дыхание участилось более чем в два раза, а также уменьшилась суммарная длительность открывания ПН (в обоих случаях различия достоверны согласно 11-критерию Манна-Уитни (при р<0.05).

Сравнение параметров легочного дыхания улиток, находившихся в водной среде и на сухой поверхности, позволяет с большой степенью уверенности предполагать, что интенсивность газообмена на фоне интенсивной локомоции значительно повышается: даже несмотря на небольшое уменьшение суммарной длительности открытого состояния ПН эффективность газообмена в легочной полости должна значительно увеличиваться за счет более чем вдвое меньшего значения периода дыхательных актов, В отношении полученных нами результатов прудовик не представляет исключения из общего для животных правила, согласно которому длительное повышение мышечной нагрузки влечет за собой усиление активности дыхательной системы.

Поведение: мышечная локомоция и дыхание на сухой поверхности. Пример поведенческой записи дыхательного и локомоторного ритмов показан на рис. 1а. Суммарные распределения периодов локомоции и легочного дыхания свидетельствуют, что эти моторные ритмы существенно различаются по среднему значению периода и его дисперсии (рис. 16). Локомоторный ритм, как правило, стабильнее и чаще респираторного. Формально эти различия подтверждаются расчетом и-критерия Манна-Уитни (при р<0.01). В функционировании ПН можно было выделить участки с выраженной периодичностью (последовательность 5-6 близких по длительности циклов), так и интервалы, на которых ПН открывался и закрывался без видимой регулярности. Эпизоды равнопериодической синхронизации двух ритмов (не менее трех

а в

-СП-□-СИ--

I I I I I I I I I I I I I I I

ю»

□ Открывание ПН ■ Закрывание ПН

...................................................I Г Г Г'ГТТ Г' ГЧ—ГТТ'Г Г Г Г г р I

О 10 20 30 40 50 во ГО 90 90 100 10 20 30 -40 50 60 70 Ю 90 0 10

Рис. 1. (а) Пример записи ритмики дыхания и локомоции интактного моллюска при его перемещении по сухой горизонтальной поверхности. Незакрашенными прямоугольниками обозначены интервалы открытого состояния ПН (от открывания до полного закрывания), вертикальные штрихи на нижней оси обозначают моменты подтягивания раковины при локомоции. (б) Распределения периодов локомоции и дыхания при перемещении моллюска по сухой горизонтальной поверхности. Черной гистограммой показано распределение ЛЦ, незакрашенная гистограмма - распределение периодов респираторного ритма. По горизонтальной оси отложено значение периода ритма, с. Гистограммы построены по результатам 35 опытов, их амплитуда нормирована, (в) Распределение моментов открывания и закрывания ПН относительно НЛЦ. Гистограмма распределения моментов открывания ПН обозначена белым цветом, соответственно, закрывания ПН -чёрным цветом. По горизонтальной оси — фаза локомоторного цикла, в процентах. Полный нормированный локомоторный цикл (НЛЦ) принят за 100%. Шаг дискретизации при построении распределений - 5%.

последовательных периодов) имели место у 7 из 36 моллюсков. На нескольких отрезках записи также присутствовала кратнопериодическая синхронизация. В течение остального времени регистрации (более 80% от суммарного) мы вообще не смогли выделить сколько-нибудь устойчивого соотношения периодов локомоции и дыхания. Однако статистический анализ данных показал, что эти циклические моторные программы всегда демонстрируют устойчивую фазовую синхронизацию. На рис. 1в показано распределение обоих синхронизованных с локомоцией дыхательных событий (открывания и закрывания ПН) относительно НЛЦ. Видно, что каждое из двух событий привязано к определенной области НЛЦ и что привязка по фазе является менее жесткой для открывания ПН (максимум распределения в области НЛЦ50-60), чем для закрывания (НЛЦ5).

Наши результаты свидетельствуют о том, что в отсутствие синхронности, даже при редких и нерегулярных движениях ПН, наблюдается привязка дыхательных движений к ЛЦ. Иными словами, координация носит универсальный характер и проявляется не только при равнопериодической синхронизации ритмов. Это позволяет сделать вывод о том, что существует координирующая связь между моторными системами, ответственными за каждую из поведенческих программ.

Теоретически, можно представить два возможных механизма такой связи - с участием сенсорного звена и без такового, то есть механизм, ограниченный взаимодействием на центральном уровне. Стабильность привязки дыхательного интернейрона ИРей1 и движений ПН к локомоторному циклу, характерная для редуцированных препаратов, включая изолированную ЦНС (Сахаров, Цыганов, 1998, Российский физиол. журн. им, И. М. Сеченова 84(10): 1029-1037), позволяет не принимать в качестве основной гипотезу о вкладе сенсорного звена в наблюдаемую координацию. Поэтому разумно исходить из предположения, что в нашем случае координация между моторными программами дыхания и локомоции происходит благодаря взаимодействиям в пределах ЦНС. Среди наших наблюдений часто встречались ситуации, когда ПН оставался открытым на протяжении двух последовательных локомоторных циклов, то есть, не происходило его закрывание на момент подтягивания раковины. Это свидетельствует о том, что координация между локомоцией и респирацией, какой бы природы она ни была, не является строго детерминированной.

Таким образом, моторные программы респирации и мышечной локомоции прудовика способны активироваться одновременно, то есть не являются взаимоисключающими. В нормальном поведении интакгных моллюсков имеет место фазовая координация этих моторных программ.

Результаты наших экспериментов подтвердили на поведенческом уровне адекватность полученных ранее данных о синхронизации респираторного и локомоторного ритмов в редуцированном препарате на фоне перфузии 5-НТР (Цыганов, Сахаров, 2002, Доклады РАН, 382(4); 554-556).

Моделирование: поиск координирующей связи. При анализе данных, полученных в поведенческих экспериментах, возник методический вопрос: возможно ли предсказать нейрональный механизм координации, исходя из поведенческих наблюдений? В качестве попытки доказать такую возможность нами была разработана имитационная компьютерная модель, более подробно описанная в разделе "Объект и методы исследования". При создании модели была поставлена цель сымитировать центральное взаимодействие моторных программ респирации и локомоции. Исходные данные для модели были взяты из поведенческих экспериментов. На выходе, в качестве результата работы модели, данные были представлены в той же форме, что и поведенческие записи, что позволило провести их

а б

□ Открывание ПН ■ Закрывание ПН

10 20 30 40 5060798090

10 20 304а50е0 70 е090

Рис. 2. Результаты имитационного моделирования центрального эвена, осуществляющего координацию между ритмами дыхания и локомоции. Распределение моментов открывания и закрывания ПН относительно НЛЦ: гистограмма распределения моментов открывания ПН обозначена белым цветом, закрывания ПН - чёрным цветом. По горизонтальной оси - фаза локомоторного цикла, в процентах. Полный нормированный локомоторный цикл (НЛЦ) принят за 100%. Шаг дискретизации при построении распределений - 5%.

(а) результаты моделирования работы двух независимых генераторов;

(б) в модель включена тормозная проекция на фазе 90% локомоторного цикла.

сопоставление. Адекватность такого подхода мы оценивали по сходству модельного фазового распределения с поведенческим.

Модель, состоящая из двух независимых, не взаимодействующих генераторов с различными периодами, показала равномерность распределения дыхательных событий относительно локомоторного цикла (рис. 2а). Убедившись в этом, мы приступили к перебору и моделированию простейших возбуждающих и тормозных координирующих связей, а также поиску фазы взаимодействия генераторов. Оказалось, что единственная тормозная проекция от локомоторного генератора к дыхательному может обеспечить хорошее сходство модели и поведенческих данных, если такую связь расположить на фазе НЛЦ90, то есть незадолго перед его окончанием (рис. 26).

Среди нескольких вариантов взаимодействия генераторов (возбуждающая и тормозная проекции в направлении от локомоторного генератора к дыхательному и наоборот) торможение дыхания со стороны локомоции обеспечило наилучшее сходство модельного и поведенческого распределений. В рамках такого варианта координации сходство распределений было достигнуто при расположении тормозной проекции на фазе НЛЦ90.

Предложенная модель проста и не исключает других возможных механизмов фазовой синхронизации дыхания и локомоции. Вместе с тем, эксперименты с моделью продемонстрировали, что единственная тормозная связь может достаточно долго обеспечивать стабильную синхронизацию дыхательного ритма с локомоторным в условиях, когда ритмы не идентичны, но достаточно близки. Полученные данные ограничили область синаптических притоков и активности индивидуальных нейронов, потенциально участвующих в координации между моторными программами. Поиску координирующих синаптических притоков и, в частности, проекции на фазе НЛЦ90, посвящена заключительная глава данного раздела.

Регистрация активности нейрона VD4 на фоне фармакологически индуцированного дыхательного ритма. Данная часть работы представляла собой попытку выяснить, в какой степени активность нейрона VD4 необходима для генерации исследованного нами респираторного ритма. Нейрон VD4 был выбран для этих целей, поскольку он описан (Syed, Winlow, 1991, J. Сотр. Physiol. А, 169: 557-568) как один из двух ключевых нейронов респираторного генератора, управляющий закрыванием ПН. Второй нейрон (или группа нейронов) генератора, Ip3l, оказался очень труден для поиска и электрофизиологического отведения, поскольку

невнятно отмечен на опубликованных картах респираторного генератора. Во всех описанных ниже экспериментах мы контролировали электрическую активность третьего из трех ключевых нейронов дыхательной сети -гигантской дофаминергаческой клетки РРе01, идентификация которой не представляла сложности. Первоначальная цель экспериментов состояла в поиске способа влияния на центральный респираторный генератор, поскольку нам казалось естественным начать изучение механизмов координации двух генераторов с поиска возможности влияния на один из них.

Было выполнено две серии экспериментов: на полуинтактном препарате, где, помимо ЦНС, присутствовали фрагмент мантии и ПН (п = 8) и на препарате изолированной ЦНС (п = 6). В четырех опытах не проводили ферментативную обработку для размягчения сосудистых оболочек ЦНС. Запуск дыхательного ритма производили суперфузией раствором 1_-ООРА (0.5 мМ) либо электрической стимуляцией нейрона ИРе01 (описание последнего способа приведено в указанной выше работе йуей и \№п1ош). Помимо респираторной программы, в ЦНС на фоне суперфузии 1_-йОРА был активен локомоторный ритм.

Ни в одном из экспериментов обеих серий нейрон У04 не генерировал потенциалов действия на фоне респираторного ритма, хотя мы и наблюдали в нем синаптический приток на фазе открывания ПН (рис. 3). Анализ активности других нейронов висцерального ганглия, известных своим

го с

Рис. 3. Внутриклеточная запись активности нейрона VD4 на фоне фармакологически активированного (L-DOPA, 5x10"* М) респираторного ритма в полуинтактном препарате. ПН - оптическая запись движений п невм остом а, смещение осциллограммы вверх соответствует его открыванию. В нейроне VD4 присутствуют смещения мембранного потенциала синхронно с открыванием ПН, однако ела й ко вы х разрядов нет.

участием в дыхательном ритме, показал, что в нервной системе, тем не менее, присутствует обширный синаптический приток, который считается коррелятом открывания ПН (Input3).

Таким образом, нами была показана возможность стабильной работы вызванного респираторного ритма при отсутствии спайковой активности VD4. Молчание этого нейрона в наших опытах согласуется с результатами Бенжамина (Benjamin, 1984, J.Exp. Biol. 113: 165-185). Сайд и Уинлоу, считающие спайковую активность VD4 необходимым условием генерации дыхательного ритма (Syed, Winlow, 1991, J. Comp. Physiol. A, 169: 557-568), высказали предположение, что в опытах Бенжамина клетка VD4 молчала из-за повреждения длительной ферментативной обработкой препарата. Это объяснение вряд ли приложимо к нашим результатам, так как мы использовали схему ферментативной обработки, применявшуюся в работах группы Сайда, а в контрольной группе (4 эксперимента) мы вообще не подвергали препараты ЦНС действию протеопитического фермента.

Можно предложить несколько гипотез, объясняющих причины расхождений наших результатов с ранее опубликованными. (1) Взаимодействие VD4 с другими нейронами гипотетической дыхательной сети может иметь неспайковую природу. (2) Для генерации ритма достаточно работы единственного нейрона, IP3I, если он обладает собственной пейсмейкерной активностью. Можно предположить, что в этом случае ПН закрывается пассивно. (3) Роль интернейрона закрывания ПН в описанной дыхательной сети выполняет не VD4, а другая клетка. (4) В наших опытах описанная ранее дыхательная сеть была неактивна, а функцию управления ПН брал на себя какой-то другой генератор ритма ПН. Заметим, что каждая из гипотез входит в противоречие с принятым в литературе представлением о строении сети, ответственной за генерацию дыхательного ритма, но иначе и не может быть, если учесть, что мы не наблюдали спайковой активности VD4 при ритмическом дыхании.

В связи с последней нашей гипотезой заслуживают внимания данные, касающиеся парного генератора ритма мышечной локомоции, расположенного в каждом из педальных ганглиев прудовика. Активацию этого генератора вызывают дофамин, серотонин или их метаболические предшественники - L-DOPA и 5-НТР (Tsyganov, Sakharov, 2000, Acta Biol. Hung., 51(2-4): 189-95), при этом один из дыхательных интернейронов (RPeD1) и ПН функционируют в ритме педального локомоторного генератора (Сахаров, Цыганов, 1S98, Российский физиол. журн. им. И. М. Сеченова 84(10): 1029-1037). Результаты экспериментов с перерезкой связей между ганглиями показали, что для поддержания такого

ритма ПН достаточно висцерального и левого педального ганглиев, то есть ситуации, в которой два из трех известных респираторных интернейронов удалены (Цыганов, Сахаров, 2002, Доклады РАН, 382(4): 554-556). Можно предположить, что в этой ситуации педальный генератор берет на себя управление ПН. В наших экспериментах было показано, что, несмотря на склонность к синхронизации дыхательного и локомоторного ритмов, они имеют независимые источники генерации, обладая при этом координирующими связями.

Окончательное суждение в пользу одной из гипотез можно будет сделать после дальнейших экспериментов, но уже сейчас можно с определенностью заключить, что ритмические сокращения ПН могут возникать без значимого участия двух из трех нейронов описанного в литературе центрального генератора.

Электрофизиология: координация дыхания и локомоции на фоне 5-НТР и ЮОРА. Данная серия экспериментов была проведена на попуинтактных препаратах, включающих, помимо ЦНС, мантию и ПН. Фиктивную локомоторную программу в препарате регистрировали от парных колумеллярных нервов, управляющих подтягиванием раковины в

10 с

Рис. 4. Запись локомоторного и респираторного ритмов в лолуинтактном препарате на фоне перфузии 0,5 мМ 5-НТР. VD.HI.JK, внутриклеточная запись мотонейрона ПН, в котором виден мощный синаптический приток ІпріДЗ, управляющий открыванием ПН; (ЧСоЬі, правый колумеплярный нерв, пачечные разряды в котором соответствуют подтягиванию раковины при циклической локомоции. Прослеживается торможение респираторной программы на определенной фазе локомоторного цикла (стрелками показан момент наиболее выраженного тормозного воздействия).

поведении во время циклической локомоции. Выло проведено 14 опытов с 5-НТР и 18 опытов с ЮОРА. Оба вещества оказывали на препарат сходное в целом, но не в деталях действие - приводили к активации локомоторной и дыхательной программ (рис. 4). Дыхательный ритм, проявлявшийся в виде периодически возникающего синаптического притока 1пр|ЛЗ в нейронах висцерального ганглия и коррелировавшего с ним открывания ПН, нередко присутствовал в препарате спонтанно (24 опыта). В тех опытах, где спонтанный дыхательный ритм на наблюдался, он возникал через 3-30 минут после добавления вещества. Вскоре после запуска фармакологически вызванного дыхательного ритма активировалась фиктивная локомоция. Период фармакологически вызванного локомоторного ритма был различным для каждого из веществ: 10.1±1.2с для 5-НТР, 24.7±3,4 с для ЮОРА (даны стандартные ошибки среднего).

Период дыхательной программы был менее стабильным по сравнению с ЛЦ, и колебался в значительных пределах. Предварительный анализ полученных данных, а также наши более ранние наблюдения позволили выделить как минимум два достоверно различающихся варианта координации дыхательной и локомоторной программ. Здесь они обозначены как "ранняя" и "поздняя" привязки открывания ПН к ЛЦ. Напомним, что при фиктивной локомоции за начало НЛЦ (его нулевую фазу) мы принимаем начало высокоамплитудного пачечного разряда в колумеллярных нервах. Для "ранней" привязки характерно открывание ПН в момент колумеллярного разряда либо непосредственно после него. "Поздняя" привязка выражается в том, что открывание ПН нестрого приурочено к середине НЛЦ, а закрывание происходит непосредственно перед разрядом в колумеллярном нерве. Распределение событий открывания и закрывания ПН, построенное по опытам, в которых наблюдалась "поздняя" привязка, оказалось сходным с полученным в поведенческих экспериментах.

Выбор между "ранней" и "поздней" привязками ПН в наших экспериментах вероятностно зависел от того вещества, при помощи которого были индуцированы моторные программы. На фоне 5-НТР преобладала "поздняя" привязка, "ранняя" наблюдалась только в одном опыте. На фоне ЮОРА явно выраженная "ранняя" привязка наблюдалась в 5 из 18 опытов, то есть заметно чаще, чем на фоне 5-НТР, несмотря на преобладание "поздней" привязки при действии обоих веществ. Результаты многих экспериментов оказалось невозможно однозначно отнести к той или иной группе по типу координации - на протяжении записи наблюдалась смена привязки с "ранней" на "позднюю" или наоборот. В целом, можно

100 во ео то во

50 40

30 20 10 О

О Открывание ПН 0 Закрывание Г)Н ТмйїГ

Рис. 5. Динамика изменения фазовой привязки дыхательного акта к локомоторному циклу в ходе одного эксперимента. Полуинтактный препарат, перфузия 0.5 мМ ЮОРА, По горизонтальной оси отложено время от начала эксперимента, с. По вертикальной оси -фаза НЛЦ, %. Видно, что на фоне плавного изменения длительности ЛЦ фаза дыхательного акта подвержена скачкообразной перестройке и тяготеет к двум обособленным вариантам на оси НЛЦ (областям 30-50% и 70-90%).

сделать вывод, что выбор "ранней" привязки ПН к ЛЦ в значительной степени происходил только на фоне ЮОРА, в то время как 5-НТР вызывал "поздний" тип координации.

Проводя эксперименты с компьютерным моделированием, мы, временно упрощая задачу, рассмотрели однонаправленную координацию, осуществляемую проекционными связями локомоторной системы, воздействующими на дыхательный центральный генератор. Однако у нас есть основания полагать, что система координации мезду локомоцией и дыханием гораздо сложнее. Результаты, приведенные в данном разделе, указывают на то, что координация может иметь несколько (как минимум, два) устойчивых вариантов, то есть совокупная система способна работать в различных режимах, каждый из которых может быть выбран в зависимости от нейротрансмиттерной ситуации.

Существование нескольких дискретных вариантов координации дыхания и локомоции подтверждают наблюдения, полученные нами во многих экспериментах при анализе динамики изменения фазовой привязки

дыхательных актов к ЛЦ. В частности, мы многократно наблюдал эффект "перескока* фазы открывания ПН, иногда несколько раз в ходе одного опыта с последующим возвратом в исходное состояние (рис. 5). В то же время, и сами дискретные варианты фазовой привязки оказались подвержены градуальным изменениям, связанным, по-видимому, с постепенным развитием эффекта вещества, под действием которого происходила активация обеих моторных программ.

Мы предполагаем, что ранняя и поздняя модификации соответствуют двум ранее описанным (Winlow, Haydon, 1986, Сотр. Biochem. Physiol., 83А; 13-21) формам циклической локомоции - водной (upside down, по поверхностной пленке) и наземной (по твердому субстрату вне воды). По-видимому, каждая из привязок создает оптимальные условия для осуществления дыхательного акта при данной форме передвижения моллюска (Цыганов, 2001, Дисс., Ин-т биологии развития РАН, Москва).

Электрофизиология: координирующие связи, анализ синалтических притоков. Мы подвергли дополнительному анализу внутриклеточные записи активности нейронов педальных и висцерального ганглиев, а также экстраклеточные записи от колумеллярных нервов, полученные в экспериментах на полуинтактном препарате (п=38). Проведенный анализ позволил нам выделить несколько дискретных, повторяющихся от опыта к опыту фаз в пределах ЛЦ (рис. 6), а также определить моменты взаимодействия локомоторной программы с респираторным синаптическим притоком Input3. Фазы ЛЦ обозначены здесь согласно описанию движений прудовика в работе Winlow и Haydon (1986, Comp, Biochem. Physiol., 83A: 13-21).

Фаза I. Соответствует пачке низкоамплитудной спайковой активности в правом колумеллярном нерве, которая непосредственно предшествует высокоамплитудной пачке в обоих колумеллярных и цервикальных нервах. Фаза I хорошо выражена в записи нейрона RPeD1 в виде волны тормозных синаптических потенциалов, также в виде торможения проявляется в большинстве исследованных нами мотонейронов висцерального HUK-кластера. В нейронах педальных ганглиев синаптические эффекты в этой фазе локомоторного ритма также широко представлены, в том числе в виде торможения (например, нейроны R/LPeD10). Будучи измерена относительно НЛЦ, фаза I занимает положение НЛЦ85-100, что хорошо совпадает с фазой тормозной проекции (НЛЦ90), предсказанной при помощи компьютерной модели. Наши многочисленные наблюдения свидетельствуют, что наступление фазы t приводит к безусловному

RPeD1

ПН

RCoN

VD.HUK

I II III

* ЛЦ0 . ЛЦ0

1100mkB

50 MB

Input 3

Рис. 6. Фазы локомоторного ритма, выделенные на основании анализа синаптических притоков. Стрелками отмечены границы фаз, представленные в виде синаптических притоков в нейроне Р?РеР1. Римскими цифрами обозначены выделенные фазы. Указана точка, соответствующая условному началу ЛЦ (ЛЦО). В нейронах ИРєОІ и VD.HU« указано проявление респираторного синалтического притока {ІпрЩЗ). №001, гигантский дофаминергический нейрон; ПН, оптическая запись движений пневмостома, смещение осциллограммы вверх соответствует его открыванию; ВСоЫ, правый колумеллярный нерв; \ЯЭ.Н1Ж, мантийный мотонейрон.

прекращению респираторного синалтического притока (1при13), и вслед за этим к закрыванию ПН (рис. 4).

Фаза II. Соответствует плотной пачке высокоамплитудных спайков в обоих колумеллярных нервах, приводящих к сокращению колумеллярной мышцы и подтягиванию раковины. Граница между фазами I и II, согласно нашей номенклатуре, соответствует фазе ЛЦО, то есть является выбранной нами условной точкой начала локомоторного цикла (рис. 6). В большинстве исследованных нами нейронов в точке ЛЦО происходит смена знака синаптических притоков. Так, в частности, в фазе II интенсивно разряжаются многие локомоторные мотонейроны, что коррелирует с резким повышением активности в нервах, управляющих мышцами стенки тела и подтягивающих раковину вперед. В интернейроне ВРе01 во время фазы II

регистрируется пачка хорошо различимых, дискретных, высокоамплитудных ВПСП, значительно деполяризующих нейрон и часто приводящих к генерации спайков. Многие нейроны висцерального ганглия также получают возбуждающих приток в фазе II, что, по-видимому, отчасти объясняет наблюдаемое в полуинтактном препарате координированное с локомоторным циклом сокращение мышц мантии. Отдельные ВПСП во время фазы It синхронны в записях активности нейрона RPeD1 и нейронов висцерального HIJK-кластера, что предполагает единый источник влияния.

Фаза III. Начало фазы III соответствует прекращению плотной пачки высокоамплитудной активности в правом колумеллярном нерве (рис. 6). Одновременно с этим прекращается возбуждающий синаптический приток в нейроне RPeDI, а также во многих нейронах висцерального кластера HIJK. Начало фазы III на оси НЛЦ находится в пределах НЛЦ5-15 и колеблется в зависимости от абсолютного значения длительности локомоторного цикла. Нам удавалось однозначно выделить фазу III не во всех экспериментах, в связи с чем более подробный анализ синаптических притоков в этой фазе был затруднен.

Согласно нашим наблюдениям, неидентифицированный интернейрон, активный в фазе I локомоторного цикла, ингибирует интернейрон(ы) респираторного генератора ()рЗ!) и таким образом обеспечивает тормозную проекцию, предсказанную компьютерной моделью. Этот интернейрон, помимо обеспечения координации, оказывает значительное влияние на работу собственно локомоторной системы. В итоге можно выделить несколько критериев, способных облегчить поиск ведущего интернейрона фазы I: (1) он разряжается в пределах НЛЦ85-100, непосредственно перед высокоамплитудным разрядом в колумеллярных нервах; (2) обладает обширными ветвлениями как минимум в педальных и висцеральном ганглиях и (3) электрическая возбуждающая стимуляция этого интернейрона на фоне респираторной программы должна приводить к локальному торможению последней,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные в работе данные свидетельствуют о том, что между системами дыхания и циклической локомоции прудовика существует центральная координация. Согласно нашим наблюдениям, ведущую, доминирующую роль во взаимодействии двух моторных программ играет локомоция, тормозящая дыхательную программу на определенной фазе локомоторного цикла. Эта координация имеет центральную природу, поскольку сохраняется в редуцированных препаратах, включая

изолированную ЦНС. Результаты проведенной нами работы показали, с одной стороны, возможность довольно точно предсказывать нейрональные механизмы, основываясь на поведенческих наблюдениях, и, с другой, еще раз продемонстрировали адекватность использования редуцированного препарата для анализа таких процессов, как координация движений.

Проведенное в работе исследование нейрона \Ю4 показало, что в условиях фармакологически активированной респираторной программы ритмические открывания и закрывания пневмостома могут происходить без участия спайковой активности упомянутого нейрона. Исходя из полученных данных, мы делаем вывод о том, что структура респираторного генератора не является строго детерминированной и подвержена изменению, или же схема генератора была неверно описана в литературе.

Помимо этого, мы показали, что и координационные отношения локомоторного и респираторного генераторов могут динамически изменяться на коротких отрезках времени, что потенциально может обеспечить их подстройку под текущие поведенческие задачи. Нельзя исключать, что и перестройка респираторного генератора, и активация локомоторного, происходящие при определенных изменениях активности моноаминергических систем, и установление координации менаду двумя генераторами являются тесно связанными и, возможно, взаимообусловленными событиями.

Результаты работы в целом являются первым экспериментально обоснованным свидетельством способности дыхательного генератора прудовика, а также его координационных отношений с локомоторным, к динамическим перестройкам. Продемонстрированные явления имеют общефизиологическое значение, поскольку проливают свет на другие случаи координации ритмических программ. В частности, они показывают, что, несмотря на очевидную сложность наблюдаемых механизмов координации, для получения устойчивых фазовых соотношений между двумя ритмами достаточно лишь одной проекционной связи. Методическая ценность проведенных нами исследований состоит в том, что использованный принцип анализа координации ритмических моторных программ в поведении, дополненный последующим моделированием центрального звена управления, дает возможность предсказать свойства механизма координации и облегчить его поиск на нейрональном уровне.

На основе попученных данных и при помощи разработанных методик в дальнейшем представляется возможным идентифицировать и охарактеризовать нейроны, координирующие моторные ритмы у прудовика и, возможно, приблизиться таким образом к пониманию общих принципов координации ритмических моторных программ.

ВЫВОДЫ

1. Нами впервые обнаружено, что в нормальном поведении прудовика происходит координация моторных программ легочного дыхания и циклической мышечной локомоции. Эти программы способны активироваться одновременно, то есть не являются взаимоисключающими. Координация выражается в том, что между дыхательным и локомоторным циклами устанавливаются фазовые соотношения.

2. Построение и анализ компьютерной модели двух связанных между собой генераторов позволил предсказать наличие тормозной проекции (связи) от локомоторного генератора к респираторному, которая могла бы быть ответственна за наблюдаемую фазовую координацию.

3. Результаты экспериментов на редуцированных препаратах свидетельствуют, что фазовая координация локомоции и респирации реализуется за счёт связей в пределах ЦНС. Анализ синаптических притоков, наблюдаемых внутриклеточно в редуцированных препаратах, подтвердил существование тормозной проекции, предсказанной при моделировании.

4. Описаны две модификации фазовой координации дыхательной и локомоторной программ, коррелирующие с активацией серотонин- или дофаминергической системы. Показана возможность дискретных переходов от одного типа фазовой привязки к другому.

5. Принятая в литературе схема центральной сети неадекватно описывает генератор дыхательного ритма, функционирующий в исследованных нами условиях.

6. Примененный в работе комплексный метод исследования взаимодействия между двумя моторными ритмами (эксперименты на интактных животных - имитационное компьютерное моделирование -электрофизиологические эксперименты на редуцированных препаратах) оптимизирует исследование нейронных механизмов, обеспечивающих адаптивную координацию двух и более поведенческих программ.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи:

1. Воронцов Д. Д. (2002) Центральные механизмы управления дыханием у легочного моллюска Lymnaea stagnalis: участвует ли нейрон VD4 в генерации респираторного ритма ? И Доклады РАН, 386(6): 835-838

2. Воронцов Д. Д., Цыганов В. В., Сахаров Д. А. (2003) Центральные механизмы управления дыханием у легочного моллюска Lymnaea stagnalis: фазовая синхронизация дыхания и циклической локомоции И Доклады РАН, 391(3): 407-409

3. Цыганов В. В., Воронцов Д. Д., Сахаров Д. А. (2003) Фазовая координация локомоции и дыхания у моллюска Lymnaea: Трансмиттер-специфические модификации // Доклады РАН (в печати)

4. Vorontsov D. D., Tsyganov V. V., Sakharov D. A. (2003) Phasic coordination between locomotor and respiratory rhythms in Lymnaea-. Real behavior and computer imitation II «Neurobiology of Invertebrates» (Proceedings of the 10m international symposium). Budapest, Akad. Kiado (в печати)

Тезисы докладов:

1. Воронцов Д. Д. (2001) Взаимодействие ритмических моторных программ в ЦНС прудовика II Актуальные проблемы нейробиологии. Тезисы VIII Всероссийской школы молодых ученых, 25-28 сентября, Казань

2. АланияМ.А., Воронцов Д. Д., ЦыгановВ.В., СахаровД.А. (2001) Координация моторных актов в ЦНС улитки II Тезисы XVIII съезда физиологического общества им. И. П. Павлова, Казань, 25-28 сентября

3. Tsyganov V. V., Vorontsov D. D., Sakharov D. A (2003) Phase-locked coupling of lung ventilation to cyclic locomotion in Lymnaea: 2. Transmitter requirements II 10th symposium on invertebrate neurobiology, July 5-9, Tihany, Hungary, p. 69.

4. Vorontsov D. D., Tsyganov V. V., Sakharov D. A. (2003) Phase-locked coupling of lung ventilation to cyclic locomotion in Lymnaea: 1. Real behavior and computer imitation // 10lh symposium on invertebrate neurobiology, July 5-9, Tihany, Hungary, p. 71.

5. Tsyganov V. V,, Vorontsov D. D. (2003) Synchronization of respiration with cyclic locomotion in Lymnaea: Factors affecting choice between modifications of phasic coordination II Simpler nervous systems, VII East European conference of the ISIN, Sept 12-16, Kaliningrad-Svetiogorsk-Otradnoe, p. 108.

6. Vorontsov D. D„ Tsyganov V. V. (2003) Neuronal correlates of coupling between locomotor and respiratory rhythms in Lymnaea II Simpler nervous systems, VII East European conference of the ISIN, Sept 12-16, Kaliningrad-Svetlogorsk-Otradnoe, p. 114.

Издательство ООО "МАКС Пресс". Лицензия ИД № 00510 от 01,12,99 г. Подписано к печати 31.10.2003 г. Формат 60x90 1/16. Усл.печл. 1,5. Тираж 100 экз, Заказ 859. Тел. 939-3890,939-3891,928-1042. ТелУФахс 939-3891. 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова.

•210 6

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Воронцов, Дмитрий Дмитриевич

Список сокращений

Введение

1. Обзор литературы

1.1. Поведенческая программа - ключевое понятие этологии

1.2. Нейроэтологический анализ представления о поведении как 12 совокупности моторных программ

1.2.1. Центральный генератор

1.2.2. Перестройка паттерн-генерирующих сетей

1.2.3. Фармакологическая активация моторных программ

1.2.4. Иерархия генераторов

1.2.5. Координация генераторов

1.3. Прудовик Lymnaea stagnalis как модельный объект нейроэтологии

1.3.1. Воздушное дыхание

1.3.2. Локомоция

1.3.3. Защитное втягивание

1.3.4. Движения радулы

1.3.5. Откладка яиц

1.4. Координация моторных программ у Lymnaea

1.4.1. Координация буккальной и локомоторной систем

1.4.2. Координирующие влияния системы защитного втягивания

1.4.3. Координирующие влияния системы откладки яиц

1.4.4. Координация дыхания и локомоции у Lymnaea

1.5. Сравнительная физиология взаимодействия дыхания 38 и локомоции

Введение Диссертация по биологии, на тему "Координация моторных программ в центральной нервной системе прудовика Lymnaea Stagnalis"

Актуальность исследования

Согласно представлениям современной нейроэтологии, зародившимся в последней трети XX столетия (Hoyle, 1970), ключевую роль в управлении отдельными поведенческими актами, из которых складывается целостное поведение, играют нейронные сети, генерирующие так называемые центральные моторные программы. В нейроэтологической литературе эти ансамбли нейронов обычно называются central pattern generators (CPGs), что можно перевести как «центральные генераторы упорядоченных движений» (Delcomyn, 1980, Arshavsky etal., 1991). Будучи расположены в пределах нервной системы, они часто способны работать автономно при экспериментальном исключении сенсорных влияний. Центральный генератор производит пространственно-временную программу нейронной активности, необходимую для скоординированного управления эффекторами, то есть для выполнения поведенческого акта.

В последнее время первоначальные представления о нейронной структуре и логике работы центральных генераторов подвергаются пересмотру. Множество накопленных примеров пластичности центральных генераторов говорит о том, что они не являются независимыми, жестко фиксированными нейронными сетями (Dickinson, 1995), какими их полагали ранее. Нейроны, осуществляющие генерацию моторной программы в рамках одного генератора, могут участвовать в управлении другими поведенческими паттернами, динамически переключаясь между несколькими нейронными сетями (Weimann, Marder, 1994). Не меньшая способность к динамической перестройке характерна, по-видимому, и для процессов координации между несколькими моторными программами, однако этот вопрос до настоящего времени остается малоизученным. Факторами, отвечающие за реконфигурацию нейронных сетей, во многих рассмотренных в литературе случаях являются эндогенные нейроакгивные вещества (нейротрансмиттеры, нейромодуляторы, гормоны), специфически воздействующие на все звенья нейронной сети генератора и способные менять его функциональную схему (Сахаров, 1983,1990ab, Dickinson, 1990).

Многие моторные паттерны, такие как локомоция, жевание и дыхание, обладают ритмической структурой. Значительная часть ритмических моторных программ подразумевает возможность их одновременной реализации, при том что присущие соответствующим центральным генераторам значения длительности цикла могут существенно различаться. Наблюдения за поведением животных свидетельствуют, что выполняемые одновременно моторные программы склонны к синхронизации, причем не обязательно равнопериодической. Наличие координирующих механизмов часто необходимо из-за анатомической несовместимости отдельных фаз моторных программ. Помимо этого, координация ритмических моторных актов приводит к суммарной экономии энергии при синергичной работе мышц.

Системы, осуществляющие взаимодействие моторных программ, являются объектами пристального изучения, накоплено достаточно поведенческих наблюдений координации ритмических моторных программ у различных животных и у человека. Тем не менее, до сих пор отсутствует понимание принципов их взаимодействия на клеточном уровне (Skinner, Mulloney, 1998). Не последним обстоятельством, замедляющим прогресс в этой области, является сложность устройства нервной системы высших животных.

Настоящая работа является составной частью научных проектов, которые получили высокие оценки при независимом рецензировании и были поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ 99-04-48411, 01-04-06308, 02-04-48091, 03-04-06450).

Цели и задачи исследования

Целью настоящего исследования являлось изучение нейрональных механизмов координации ритмических моторных программ пресноводного легочного моллюска - большого прудовика Lymnaea stagnalis (L.).

Беспозвоночные животные с их сравнительно простой нервной системой, предоставляющей возможность для идентификации нейронов, являются классическими объектами нейробиологии. Накопленные для нескольких "модельных" беспозвоночных архивы описанных на нейрональном уровне центральных моторных программ образуют хороший задел для изучения координации между ними. Все вышесказанное справедливо для большого прудовика - модельного животного, широко используемого в мировой нейробиологической практике.

В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать методику поведенческой регистрации циклической наземной локомоции и легочного дыхания у моллюска Lymnaea.

2. Определить особенности координации между моторными программами на основании поведенческих наблюдений.

Научная новизна работы

Показано, что у пресноводного моллюска прудовика переход от водной ресничной локомоции к движению по сухой поверхности сопровождается интенсификацией дыхания, что выражается в увеличении средней частоты дыхательных актов. В этом отношении прудовик не представляет исключения из общего для животных правила, согласно которому длительное повышение мышечной нагрузки влечет за собой усиление активности дыхательной системы.

Нами впервые обнаружено, что в нормальном поведении прудовика эти моторные программы координированы. Координация выражается в том, что между дыхательным и локомоторным циклами устанавливаются фазовые соотношения, в предельном случае сводящиеся к равнопериодической синхронизации.

Фазовая координация локомоции и респирации осуществляется на центральном уровне, что показано в опытах на редуцированных препаратах.

При активации серотонинергической или дофаминергической системы метаболическим предшественником соответствующего нейротрансмиттера препараты изолированной ЦНС и полуинтактные препараты, включающие мантию и пневмостом, склонны к устойчивой равнопериодической синхронизации, которая редко проявляется в фоновом поведении.

Установлено, что достаточно одной тормозной связи для устойчивой фазовой координации двух моторных генераторов с различной частотой и стабильностью ритма.

Теоретическое значение работы

Впервые на трех методических уровнях - в поведении интактного животного, на редуцированном препарате и при помощи компьютерного моделирования - описан механизм фазовой координации между двумя ритмическими моторными программами.

Практическое значение работы

Исследованная система открывает практическую возможность изучать механизмы, лежащие в основе координации ритмических центральных программ - фундаментального явления, которое поможет приблизиться к пониманию физиологии и патологии мозга человека.

Положения, выносимые на защиту

2. Описанная координация сохраняется после частичного или полного исключения периферических систем, то есть осуществляется на уровне взаимодействия между генераторами (что не исключает участия сенсорики в адаптации координированных ритмов к условиям функционирования). В качестве механизма координации описана тормозная проекция от локомоторного к дыхательному генератору, активация которой происходит незадолго до окончания локомоторного цикла.

3. Функционирование описанного в литературе центрального генератора дыхательной моторной программы модифицируется в условиях его фармакологической активации.

Апробация диссертации

Материалы диссертации докладывались на VIII Всероссийской школе молодых ученых (Казань, 2001), XVIII съезде физиологического общества им. И. П. Павлова (Казань, 2001), 10-м симпозиуме Международного общества нейробиологии беспозвоночных (ISIN) "Neurobiology of Invertebrates" (Тихань, Венгрия, 2003), на VII Восточно-европейской конференции ISIN "Простые нервные системы" (Калининград-Светлогорск-Отрадное, 2003).

1. Обзор литературы

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Воронцов, Дмитрий Дмитриевич

Выводы

5. Структура описанного в литературе респираторного генератора подвержена значительной функциональной перестройке при фармакологической активации моторных программ в редуцированном препарате.

6. Примененный в работе комплексный метод исследования взаимодействия между двумя моторными ритмами (эксперименты на интактных животных -имитационное компьютерное моделирование - электрофизиологические эксперименты на редуцированных препаратах) оптимизирует исследование нейронных механизмов, обеспечивающих адаптивную координацию двух и более поведенческих программ.

4. Заключение

Наши представления о механизме координации между циклической локомоцией и дыханием у Lymnaea были основаны на первоначальных наблюдениях привязки открывания ПН к локомоторному циклу. Предложенная схема координации в целом сводилась к значительной перестройке респираторного генератора с переносом его центрального звена в локомоторную нейронную сеть, расположенную в педальных ганглиях (Цыганов, Сахаров, 2002). Описанная реконфигурация центрального генератора под действием нейромодуляторного вещества хорошо согласуется с современными представлениями о таких процессах (Dickinson, 1995) и подтверждается примерами сходных перестроек нейронных сетей ф (Weimann, Marder, 1994; Meyrand et al., 1994). В пользу предложенной схемы также свидетельствовали результаты перерезок в пределах ЦНС (Цыганов, Сахаров, 2002), говорившие о пластичности структуры описанного ранее в литературе респираторного генератора (Syed, Winlow, 1991 b)

Альтернативная схема координации дыхания и локомоции предполагала сохранение возможности независимой генерации обеих моторных программ, в то время как между ними устанавливались либо проявлялись исходно имеющиеся координационные связи. Она также объясняла часто наблюдаемую в опытах на редуцированных препаратах жесткую равнопериодическую синхронизацию ритмов, но, помимо этого, обосновывала возможность нарушения равнопериодической синхронизации, появление гармонических отношений между ритмами (2:1 и др.), возможность быстрой смены фазы привязки открывания ПН к ЛЦ, а также возможность работы каждой из моторных программ в отсутствие другой. Все перечисленные явления, большинство из которых плохо совместимо с гипотезой о едином генераторе для обоих моторных ритмов, неоднократно наблюдались нами в ходе экспериментов и подробно рассмотрены в разделе "Результаты и

• обсуждение".

Полученные в работе данные свидетельствуют о том, что между системами дыхания и циклической локомоции прудовика существует центральная координация. Вероятно, она редко проявляется в нормальном поведении моллюска, находящегося большую часть жизни в водной среде и нечасто вынужденного использовать наземную локомоцию для поиска другого водоема при пересыхании или загрязнении воды. Тем не менее, во время активации циклической мышечной локомоции, призванной заменить ресничную при значительном увеличении силы тяжести в безводной среде, включаются механизмы координации локомоции с участившимся в соответствии с мышечной нагрузкой дыханием.

Согласно нашим наблюдениям, ведущую, доминирующую роль во взаимодействии двух моторных программ играет локомоция, тормозящая дыхательную программу на определенной фазе локомоторного цикла. Эта координация имеет центральную природу, поскольку сохраняется в редуцированных препаратах, включая изолированную ЦНС. Однако не следует исключать и периферических рефлекторных механизмов, в какой-то мере модифицирующих выполнение центральных программ, что подтверждается продемонстрированным в наших поведенческих экспериментах учащением дыхания при частичном устранении механического влияния раковины на ПН. Однако несмотря на описанное изменение, фазовая координация моторных программ при этом не претерпела существенных изменений.

Полученные нами результаты, подтверждающие преимущественно центральный механизм взаимодействия моторных программ, вновь поднимают вопрос о степени участия в установлении координации периферических обратных связей. Среди имеющихся в литературе данных о фазовой координации ритмических моторных программ есть примеры как центрального (Malyshev, Norekian, 2002), так и периферического (Morin, Viala, 2002) механизмов координации.

Существует ли обратное координирующее влияние со стороны дыхания на локомоторную программу? Полученные нами результаты свидетельствуют, что обратное влияние имеет место, однако вопрос о его значимости для формирования целостного поведения Lymnaea остается открытым. Вероятнее всего, указанное координирующее влияние проявляется при нормальном дыхательном поведении моллюска в водной среде, когда он находится на поверхностной пленке воды. Излишняя активность локомоторной системы нежелательна в момент совершения дыхательного акта. В наших экспериментах влияние, обеспечивающее торможение локомоторной системы в момент открывания ПН, проявилось в поведенческих экспериментах с чрезмерной фармакологической активацией дыхательной системы, а также было неоднократно показано в редуцированных препаратах.

Можно предположить, что описанные координирующие механизмы достались прудовику, вторично-водному легочному моллюску, от сухопутных предков. Однако существует и другое возможное объяснение функционального смысла наблюдаемой нами координации. Помимо циклической наземной локомоции, в поведенческом репертуаре Lymnaea можно выделить еще один тип локомоторного поведения - акватическую локомоцию, демонстрируемую моллюском на поверхностной пленке воды (Winlow, Haydon, 1986) и часто синхронизированную с легочным дыханием. Фазы движения ноги и раковины во многом совпадают с теми, которые наблюдаются при наземной локомоции. Однако фаза привязки открывания ПН к локомоторному циклу отличается от той, которая подробно рассмотрена в данной работе - при акватической локомоции ПН открывается в начальной части ЛЦ, сразу же вслед за подтягиванием раковины (В. В. Цыганов, личное сообщение). Ранняя привязка ПН к ЛЦ была также описана в нескольких экспериментах на редуцированном препарате, выполненных в рамках настоящей работы. Помимо этого, мы наблюдали скачкообразную смену привязки с ранней на позднюю и наоборот, что предполагает наличие нескольких стабильных состояний координирующей системы. Не исключено, что основным, эволюционно первоначальным, назначением координации между локомоцией и дыханием было именно акватическое поведение, в то время как их взаимодействие при наземной локомоции является одним из нескольких возможных состояний этой системы.

В данной работе наиболее подробно было исследовано одно из стабильных состояний координации, а именно поздняя привязка дыхательного акта к локомоторному циклу. Полученные результаты показали возможность довольно точно предсказывать принципы функционирования нейрональных механизмов, основываясь на поведенческих наблюдениях. Кроме того, наша работа подтвердила адекватность использования редуцированного препарата для анализа таких процессов, как координация движений.

Проведенное в работе исследование активности одного из ключевых интернейронов респираторного генератора, клетки VD4 (Syed, Winlow, 1991b; Syed et al., 1992) показало, что в условиях фармакологически активированной респираторной программы ритмические открывания и закрывания ПН могут происходить без участия спайковой активности упомянутого нейрона. Исходя из полученных данных, мы делаем вывод о том, что структура респираторного генератора не является строго детерминированной и подвержена изменению или же она была неверно описана в литературе.

Помимо этого, было показано, что и координационные отношения локомоторного и респираторного генераторов могут динамически изменяться на коротких отрезках времени, что потенциально может обеспечить их подстройку под текущие поведенческие задачи. Нельзя исключать, что и перестройка респираторного генератора, и активация локомоторного, происходящие при определенных изменениях активности моноаминергических систем, и установление координации между двумя генераторами являются тесно связанными и, возможно, взаимообусловленными событиями.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Воронцов, Дмитрий Дмитриевич, Москва

1. Alania М. (1995). Pleuro-buccal projections in pulmonate molluscs // Acta Biol Hung 46(2-4): 267-270.

2. Alania M., Panchin Y. V., Sakharov D. A. (1999). Pleural-buccal interneurons in the pteropod mollusc Clione limacina И J. Сотр. Physiol. A 185: 267-275.

3. Alania M., Sakharov D. A. (2000). Morphology and physiology of pleural-to-buccal neurons coordinating defensive retraction with feeding arrest in the pond snail Lymnaea stagnalis II Acta Biol Hung 51 (2-4): 197-203.

4. Alania M., Sakharov D. A., Elliott C. J. H. (2002). Mechanisms of inhibition of feeding by a pleural interneuron in the mollusc Lymnaea stagnalis II J. Physiol., Lond., 536.

5. Alexander R. M. (1993). Breathing while trotting II Science 262:196-197.

6. Arshavsky Y. I., Deliagina T. G., Orlovsky G. N. (1997). Pattern generation // Curr Opin Neurobiol 7(6): 781-789.

7. Bartos M., Manor Y., Nadim F., Marder E., Nusbaum M. P. (1999). Coordination of fast and slow rhythmic neuronal circuits // J Neurosci 19(15): 6650-6660.

8. Benjamin P. R. (1984). Interneuronal network acting on snail neurosecretory neurons (Yellow Cells and Yellow Green Cells of Lymnaea). II J. Exp. Biol. 113: 165-185.

9. Benjamin P. R., Winlow W. (1981). The distribution of three wide-acting synaptic inputs to identified neurons in the isolated brain ot Lymnaea stagnalis (L.). // Сотр. Biochem. Physiol. A 70: 293-307.

10. Bramble D. M., Carrier D. R. (1983). Running and breathing in mammals // Science 219(4582): 251-256.

11. Bramble D. M., Jenkins F. A., Jr. (1993). Mammalian locomotor-respiratory integration: implications for diaphragmatic and pulmonary design // Science 262(5131): 235-240.

12. Brown T. G. (1911). The intrinsic factors in the acts of progression in mammal // Proc. R. Soc. В 84: 308-319.

13. Butler P. J., West N. H., Jones D. R. (1977). Respiratory and cardiovascular responses of the pigeon to sustained level flight in a wind tunnel. // J exp Biol 71: 7-26.

14. Calabrese R. L., Nadim F., Olsen О. H. (1995). Heartbeat control in the medicinal leech: a model system for understanding the origin, coordination, and modulation of rhythmic motor patterns // J Neurobiol 27(3): 390-402.

15. Cang J., Friesen W. O. (2002). Model for intersegmental coordination of leech swimming: central and sensory mechanisms // J Neurophysiol 87(6): 2760-9.

16. Caunce M., McKenzie J. D., Tripp J., Winlow W. (1988). Serotonergic innervation of the pedal epidermis of Lymnaea II Symp Biol Hung 36: 691.

17. Cobbs J. S., Pinsker H. M. (1982). Role of bag cells in egg deposition of Aplysia braziliana. 1. Comparison of normal and elicited behavior. // J. Сотр. Physiol. A 147: 523-535.

18. Cook A. (1975). The withdrawal response of a freshwater snail (Lymnaea stagnalis) IIJ exp Biol 62: 783-796.

19. Davis W. J., Mpitsos G. L., Pinneo J. M. (1974a). The behavioral hierarchy of the mollusk Pleurobranchaea. 1. The dominant position of the feeding behavior. II J. Сотр. Physiol. A 90: 207-224.

20. Davis W. J., Mpitsos G. L., Pinneo J. M. (1974b). The behavioral hierarchy of the mollusk Pleurobranchaea. 2.Hormonal suppression of feeding associated with egg-lying. II J. Сотр. Physiol. A 90: 225-243.

21. Delcomyn F. (1980). Neural basis of rhythmic behavior in animals // Science 210: 492-498.

22. Dickinson P. S. (1995). Interactions among neural networks for behavior // Curr Opin Neurobiol 5: 792-798.

23. Dickinson P. S., Mecsas C., Marder E. (1990). Neuropeptide fusion of two motor pattern generator circuits // Nature 344: 155-158.

24. Dorsett D. A. (1980). Principles underlying the coordination of locomotory behaviour in invertebrates // In Aspects of animal movement. H. Y. Elder and E. R. Trueman, eds., Cambridge University press.

25. Elliott C. J., Benjamin P. R. (1985). Interactions of the slow oscillator interneuron with feeding pattern-generating interneurons in Lymnaea stagnalis //J Neurophysiol 54(6): 1412-21.

26. Ezure К., Tanaka I. (1997). Convergence of central respiratory and locomotor rhythms onto single neurons of the lateral reticular nucleus // Exp Brain Res 113(2): 230-42.t

27. Ferguson G. P., Benjamin P. R. (1991a). The whole-body withdrawal response of Lymnaea stagnalis. I. Identification of central motoneurones and muscles II J Exp Biol 158: 63-95.

28. Ferguson G. P., Benjamin P. R. (1991b). The whole-body withdrawal response of Lymnaea stagnalis. II. Activation of central motoneurones and muscles by sensory input//J Exp Biol 158: 97-116.

29. Ferguson G. P., Pieneman A. W., Jansen R. F., ter Maat A. (1993). Neuronal feedback in egg-laying behavior of the pond snail Lymnaea stagnalis II Jexp Biol 178:251-259.

30. Funk G., Sholomenko G. N., Valenzuela I. J., Milsom W. K. (1993). Coordination of wingbeat frequency and respiration in Canada geese during free flight // J. exp. Biol. 175: 317-323.

31. Funk G., Valenzuela 1.1., Milsom W. (1997). Energetic consequences of coordinating wingbeat and respiratory rhythms in birds // J. Exp. Biol. 200(5): 915-20.

32. Gamkrelidze G. N., Laurienti P. J., Blankenship J. E. (1995). Identification and characterization of cerebral ganglion neurons that induce swimming and modulate swim-related pedal ganglion neurons in Aplysia brasiliana II

33. J Neurophysiol 74(4): 1444-62.

34. Glover J. C., Kramer A. P. (1982). Serotonin analog selectively ablates identified neurons in the leech embryo // Science 216: 317-319.

35. Gray С. M. (1995). Synchronous oscillations in neuronal systems: mechanisms and functions. // J Comput Neurosci 1:11-38.

36. Grillner S., Ekeberg, El Manira A., Lansner A., Parker D., Tegner J., Wallen P. (1998). Intrinsic function of a neuronal network a vertebrate central pattern generator// Brain Res Brain Res Rev26(2-3): 184-97.

37. Grillner S., Wallen P., Dale N. Brodin L., Buchanan J. Т., Hill R. A. (1987). Transmitters, membrane properties and network circuitry in the control of locomotion in lamprey // Trends Neurosci 10: 34-41.

38. Harris-Warrick R. M., Cohen A. H. (1985). Serotonin modulates the central pattern generator for locomotion in the isolated lamprey spinal cord // J Exp Biol 116:27-46.

39. Haydon P. G., Winlow W. (1986). Shell movements associated with locomotion of Lymnaea are driven by a central pattern generator // Сотр. Biochem. Physiol. 83A: 23-25.

40. Hermann P. M., ter Maat A., Jansen R. F. (1994). The neuronal control of egg-laying behavior in the pond snail Lymnaea stagnate: motor control of shell turning. // J. Exp. Biol. 197: 79-99.

41. Hill A. A., Masino M. A., Calabrese R. L. (2002). Model of intersegmental coordination in the leech heartbeat neuronal network // J Neurophysiol 87(3): 1586-602.

42. Hoyle G. (1970). Cellular mechanisms underlying behavior Neuroethology // In .Advances in insect physiology. London, Academic Press. 7: 349-444.

43. Huerta R., Sanchez-Montanes M. A., Corbacho F., Siguenza J. A. (2000). A central pattern generator to control a pyloric-based system // Biol Cybern 82(1): 85-94.

44. Inoue Т., Takasaki M., Lukowiak K., Syed N. (1996). Inhibition of the respiratory pattern-generating neurons by an identified whole-body withdrawal interneuron of Lymnaea stagnalis IIJ Exp Biol 199(Pt 9): 1887-98.

45. Jacobs B. L., Fornal C. A. (1993). 5-HT and motor control: a hypothesis // Trends in Neuroscience 16(9): 346-352.

46. Janse C., van der Wilt C. J., van der Plas J., van der Roest M. (1985). Central and peripheral neurons involved in oxygen perception in the pulmonate snail Lymnaea stagnalis (Mollusca, Gastropoda). // Сотр. Biochem. Physiol. A. 82: 459-469.

47. Jansen R. F., Bos N. P. (1984). An identified neuron modulating the activity of the ovulation hormone producing caudo-dorsal cells of the pond snail Lymnaea stagnalis И J Neurobiol 15(2): 161-7.

48. Jansen R. F., Pieneman A. W., Maat A. T. (1999). Pattern generation in the buccal system of freely behaving Lymnaea stagnalis IIJ Neurophysiol 82(6): 3378-91.

49. Jansen R. F., Pieneman A. W., ter Maat A. (1997). Behavior-dependent activities of a central pattern generator in freely behaving Lymnaea stagnalis II J Neurophysiol 78(6): 3415-27:

50. Jansen R. F., ter Maat A. (1985). Ring neuron control of columellar motor neurons during egg-laying behavior in the pond snail //J Neurobiol 16(1): 1-14.

51. Jing J., Gillette R. (1999). Central pattern generator for escape swimming in the notaspid sea slug Pleurobranchaea califomica IIJ Neurophysiol 81(2): 654-67.

52. Jones H. D. (1975). Locomotion // In:Pulmonates. V. F. Seller and J. Peake, eds. London, Academic Press. 1:1-32.

53. Kabotyanski E. A., Winlow W., Sakharov D. A., Bauce L., Lukowiak K. (1992). 5-hydroxytryptophan elicits sustained CPG activity for rhytmic shell movements in Lymnaea stagnalis/l Soc. Neurosci. Abstr. 18: 531.

54. Katz P. S., Frost W. N. (1996). Intrinsic neuromodulation: altering neuronal circuits from within // Trends Neurosci 19: 54-61.

55. Kawahara K., Kumagai S., Nakazono Y., Myamoto Y. (1989). Coupling between respiratory and stepping rhythms during locomotion in decerebrate cats //

56. J Appl Physiol 67:110-115.

57. Koester J., Koch U. T. (1987). Neural control of the circulatory system in Aplysia II Experientia 43: 972-980.

58. Kovac M. P., Davis W. J. (1980). Neural mechanism underlying behavioral choice in Pleunobranchaea II J. Neurophysiol. 43: 469-487.

59. Kyriakides M. A., McCrohan C. R. (1988). Central coordination of buccal and pedal neuronal activity in the pond snail Lymnaea stagnalis И J exp Biol 136: 103-123.

60. Landberg Т., Mailhot J. D., Brainerd E. L. (2003). Lung ventilation during treadmill locomotion in a terrestrial turtle, Terrapene Carolina // J Exp Biol 206(Pt 19): 3391-404.

61. Laurent G. (1997). Olfactory processing: maps, time and codes // Curr Opin Neurobiol 7: 547-553.

62. Lisman J. E. (1997). Bursts as a unit of neural information: making unreliablesynapses reliable // Trends Neurosci 20: 38 -43.

63. Mackey S. L., Carew T. J. (1983). Locomotion in Aplysia: triggering by serotonin and modulation by bag cell extract // J Neurosci 3(7): 1469-1477.

64. Malyshev A. Y., Norekian T. P. (2002). Phase-locked coordination between two rhythmically active feeding structures in the mollusk Clione limacina. I. Motor neurons // J Neurophysiol 87(6): 2996-3005.

65. Marder E.f Bucher D. (2001). Central pattern generators and the control of rhythmic movements // Current Biology 11: 986-996.

66. Marder E., Eisen J. S. (1984). Electrically coupled pacemaker neurons respond differently to same physiological inputs and neurotransmitters // J Neurophysiol 51(6): 1362-74.

67. Masino M. A., Calabrese R. L. (2002). Period differences between segmental oscillators produce intersegmental phase differences in the leech heartbeat timing network//J Neurophysiol 87(3): 1603-15.

68. Masino M. A., Calabrese R. L. (2002). Phase relationships between segmentally organized oscillators in the leech heartbeat pattern generating network // J Neurophysiol 87(3): 1572-85.

69. McClellan A. D., Brown G. D., Getting P. A. (1994). Modulation of swimming in Tritonia: excitatory and inhibitory effects of serotonin //J Comp Physiol A 174(2): 257-66.

70. McCormick D. A., Bal T. (1997). Sleep and arousal: thalamocortical mechanisms // Annu Rev Neurosci 20:185-215.

71. McCrohan C. R., Audesirk Т. E. (1987). Initiation, maintenance and modification of patterned buccal motor output by the cerebral giant cells of Lymnaea stagnalis II Comp Biochem Physiol 87A: 969-977.

72. McCrohan C. R., Kyriakides M. A. (1992). Motor programme selection and the control of feeding in the snail. // \n .Neurobiology of motor programme selection. J. Kien, C. McCrohan and W. Winlow, eds. Manchester, Manchester University Press: 37-51.

73. McCrohan C. R., Kyriakides M. A., Tuersley M. D. (1989). Initiation and modification of rhythmic buccal motor output in the isolated central nervoussystem of Lymnaea stagnalis II J. Moll. Stud. 55:183-192.

74. McFarland D. H., Lund J. P. (1993). An Investigation of the coupling between respiration, mastication and swallowing in the awake rabbit. // J Neurophysiol 69(4): 95-108.

75. Meyrand P., Simmers J., Moulins M. (1994). Dynamic construction od a neural network from multiple pattern generators in the lobster stomatogastric nervous system // J Neurosci 14: 630-644.

76. Morin D., Viala D. (2002). Coordinations of locomotor and respiratory rhythms in vitro are critically dependent on hindlimb sensory inputs // J Neurosci 22(11): 4756-65.

77. Moroz L. L., Park J. H., Winlow W. (1993). Nitric oxide activates buccal motor patterns in Lymnaea stagnalis II Neuroreport 4(6): 643-6.

78. Moroz L. L., Winlow W. (1992). Respiratory behaviour in Lymnaea stagnalis: Pharmacological and cellular analyses. //Acta biol. Hung. 43(1-4): 421-429.

79. Nadim F., Manor Y., Nusbaum M. P., Marder E. (1998). Frequency Regulation of a Slow Rhythm by a Fast Periodic Input // J Neurosci 18(13): 5053-5067.

80. Nadim F., Olsen О. H., Calabrese R. L. (1995). Modeling the leech heartbeat elemental oscillator. I. Interactions of intrinsic and synaptic currents. //

81. J Comput Neurosci 2: 215-235.

82. Norekian T. P. (1997). Coordination of startle and swimming neural systems in the pteropod mollusk Clione limacina: role of the cerebral cholinergic interneuron // J Neurophysiol 78(1): 308-20.

83. Nusbaum M. P., Beenhakker M. P. (2002). A small-systems approach to motor pattern generation // Nature 417: 343-350.

84. Panchin Y. V., Sadreev R. I., Arshavsky Y. I. (1995). Control of locomotion in marine mollusc Clione limacina. X. Effects of acetylcholine antagonists // Exp Brain Res 106(1): 135-44.

85. Parsons D. W., Pinsker H. M. (1989). Swimming in Aplysia brasiliana: behavioral and cellular effects of serotonin // J Neurophysiol 62(5): 1163-76.

86. Pearce R. A., Friesen W. O. (1984). Intersegmental coordination of leech swimming: comparison of in situ and isolated nerve cord activity with body wall movement // Brain Res 299(2): 363-6.

87. Piiper J., Meyer M., Worth H., Willmer H. (1977). Respiration and circulation during swimming activity in the dogfish Scyliorhinus stellaris II Respir Physiol 30(1-2): 221-39.

88. Quinlan E. M., Murphy A. D. (1996). Plasticity in the multifunctional buccal central pattern generator of Helisoma illuminated by the identification of phase 3 interneurons//J Neurophysiol 75(2): 561-74.

89. Rassler В., Kohl J. (1996). Analysis of coordination between breathing and walking rhythms in humans // Respir Physiol 106(3): 317-27.

90. Rose R. M., Benjamin P. R. (1981). Interneuronal control of feeding in the pond snail Lymnaea stagnalis. 1. Initiation of feeding cycles by a single buccal interneurone//J exp Biol 92:187-201.

91. Sakharov D. A. (1990). Integrative function of serotonin common to distantly related invertebrate animals // 1п:ГЛе Early Brain. Turku, Finland, Abo Akademi Press.

92. Sakharov D. A., Milosevic I., Salimova N. (1989). Drug-induced locomotor stereotypes in Aplysia II Сотр. Biochem. Physiol. 93C: 161-166.

93. Sakharov D. A., Rozsa K. S. (1989). Defensive behaviour in the pond snail, Lymnaea stagnalis: the whole body withdrawal associated with exsanguination //Acta Biol Hung40(4): 329-41.

94. Satterlie R. A., Norekian T. P. (1995). Serotonergic modulation of swimming speed in the pteropod mollusc Clione limacina. III. Cerebral neurons //

95. J Exp Biol 198(Pt 4): 917-30.

96. Sherrington C. (1906). The Integrative Action of the Nervous System. New Haven, CT, Yale Univ. Press.

97. Skinner F. K., Mulloney B. (1998). Intersegmental coordination of limb movements during locomotion: mathematical models predict circuits that drive swimmeret beating //J Neurosci 18(10): 3831-42.

98. Slade С. Т., Mills J., Winlow W. (1981). The neuronal organization of the paired pedal ganglia of Lymnaea stagnalis (L.) // Сотр. Biochem. Physiol. 69A: 789803.

99. Sombati S., Hoyle G. (1984). Generation of specific behaviors in a locust by local release into neuropil of the natural neuromodulator octopamine //

100. J. Neurobiol. 15: 481-506.

101. Syed N. I., Bulloch A. G., Lukowiak K. (1990). In vitro reconstruction of the respiratory central pattern generator of the mollusk Lymnaea // Science 250(4978): 282-5.

102. Syed N. I., Harrison D., Winlow W. (1988). Locomotion in Lymnaea Role of serotonergic motoneurones controlling the pedal cilia // Symp. Biol. Hung. 36: 387-399.

103. Syed N. I., Harrison D., Winlow W. (1991). Respiratory behavior in the pond snail Lymnaea stagnalis I. Behavioral analysis and the identification of motor neurons // J. Сотр. Physiol. A 169: 541-555.

104. Syed N. I., Ridgway R. L., Lukowiak K., Bulloch A. G. (1992). Transplantation and functional integration of an identified respiratory interneuron in Lymnaea stagnalis // Neuron 8(4): 767-74.

105. Syed N. I., Winlow W. (1988). A central pattern generator for locomotion in Lymnaea II J. Physiol. 406: 78.

106. Syed N. I., Winlow W. (1989). Morphology and electrophysiology of neurons innervating the ciliated locomotor epithelium in Lymnaea stagnalis (L.) // Comp Biochem Physiol 93A: 633-644.

107. Syed N. I., Winlow W. (1991a). Coordination of locomotor and cardiorespiratory networks of Lymnaea stagnalis by a pair of identified interneurons. //1. J. exp. Biol. 158: 37-62.

108. Syed N. I., Winlow W. (1991b). Respiratory behavior in the pond snail Lymnaea stagnalis II. Neural elements of the central pattern generator (CPG) II J. Сотр. Physiol. A 169: 557-568.

109. Trimble D. L., Barker D. L. (1984). Activation by dopamine of patterned motor output from the buccal ganglia of Helisoma trivolvis IIJ Neurobiol 15: 37-48.

110. Tsyganov V. V. (2000). Respiratory rhythm in the pond snail Lymnaeastagnalis: coupling to cyclic locomotion // VI East European Conference of the ISIN, Moscow-Puschino, Russia.

111. Viala D., Vidal C., Freton E. (1979). Coordinated rhythmic bursting in respiratory and locomotor muscle nerves in the spinal rabbit// Neurosci Lett 11(2): 155-9.

112. Weimann J. M., Marder E. (1994). Switching neurons are integral members of multiple oscillatory networks // Curr Biol 4: 896-902.

113. Wieland S. J., Gelperin A. (1983). Dopamine elicits feeding motor program in Umax maximus IIJ Neurosci 3:1735-1745.

114. Willard A. L. (1981). Effects of serotonin on the generation of the motor programme for swimming by the medicinal leech // J. Neurosci. 1: 936-944.

115. Willows A. O. D., Dorsett D. A., Hoyle G. (1973). Neuronal basis of behavior in Tritonia: III: Neuronal mechanism of a fixed action pattern. // J. Neurobiol. 4: 255-285.

116. Winlow W., Haydon P. G. (1986). A behavioral and neuronal analysis of the locomotory system of Lymnaea stagnalis II Comp Biochem Physiol 83A: 13-21.

117. Wu J. Y., Cohen L. В., Falk С. X. (1994). Neuronal activity during different behaviors in Aplysia: a distributed organization? // Science 263(5148): 820-3.

118. Yeoman M. S., Parish D. C., Benjamin P. R. (1993). A cholinergic modulatoryinterneuron in the feeding system of the snail, Lymnaea II J Neurophysiol 70(1): 37-50.

119. Young I. S., Warren R. D., Altringham J. D. (1992). Some properties of the mammalian locomotory and respiratory systems in relation to body mass // J Exp Biol 164: 283-94.

120. Лакин Г. Ф. (1990). Биометрия. М.: Высш. шк., 352 с.

121. Павлова Г. А. (1997). Влияние серотонина на локомоцию пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis И Журн. эволюц. биохимии и физиологии 33(6): 599-606.

122. Павлова Г. А. (1998). Влияние эргометрина на длину подошвы и скорость локомоции у пресноводного моллюска Lymnaea stagnalis II XVII съезд Всеросийского физиологического общества им. И. П. Павлова, Ростов-на-Дону.

123. Сахаров Д. А. (1983) Организация гетерогенных нейронных систем //

124. Тр. XIV съезда Всесоюз. физиол. о-ва им. И. П. Павлова, Баку. 1:175-177.

125. Сахаров Д. А. (1990а). Множественность нейротрансмиттеров: функциональное значение //Журн. эволюционной биохимии и физиологии 26(5): 733-740.

126. Сахаров Д. A. (1990b) Интегративная функция серотонина у примитивных Metazoa // Журн. общ. биол. № 54(4): 437-449.

127. Сахаров Д. А., Цыганов В. В. (1998). Трансмиттерзависимое включение респираторного интернейрона в локомоторный ритм у легочного моллюска Lymnaea II Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова 84(10): 1029-1037.

128. Цыганов В. В. (2000). Координация активности моноаминергических редальных нейронов у пресноводных улиток II Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова 86(4): 369-378.

129. Цыганов В. В. (2001). Нейрональные корреляты серотонин-зависимогомоторного поведения прудовика Lymnaea stagnalis. Диссертация на соискание степени кандидата биологических наук. Институт биологии развития РАН, Москва.

130. Цыганов В. В., Сахаров Д. А. (2002). Серотонин-зависимое переподчинение респираторного ритма центральному генератору локомоции у легочного моллюска Lymnaea И Доклады РАН 382(4): 554-556.

Информация о работе

Воронцов, Дмитрий Дмитриевич
кандидата биологических наук
Москва, 2003
ВАК 03.00.13

Диссертация

Координация моторных программ в центральной нервной системе прудовика Lymnaea Stagnalis - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы