Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Нейронная активность префронтальной коры мозга обезьян при отсроченном реагировании на приближение/удаление зрительного стимула

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Арчаков, Денис Анатольевич, Хельсинки

I # - - -

Ы * ^ ~ —• / ^ V ■ ^

/с / ? ^ »

Санкт-Петербургский государственный университет (Россия) Университет Хельсинки (Финляндия)

На правах рукописи

АРЧАКОВ Денис Анатольевич НЕЙРОННАЯ АКТИВНОСТЬ ПРЕФРОНТАЛЬНОЙ КОРЫ МОЗГА ОБЕЗЬЯН ПРИ ОТСРОЧЕННОМ РЕАГИРОВАНИИ НА ПРИБЛИЖЕНИЕ/УДАЛЕНИЕ ЗРИТЕЛЬНОГО

СТИМУЛА

Специальность 03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители -

Docent Synnove Carlson, M.D.

(Helsinki),

Академик РАО, профессор, доктор биологических наук А.С.Батуев (Санкт-Петербург).

Хельсинки 1999

Оглавление

стр.

ВВЕДЕНИЕ......................... 4

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........... 10

1.1. Структурная организация префронталь-ной коры мозга обезьян....................10

1.2. Функциональные характеристики пре-фронтальной коры............. 18

1.2.1. Нарушения, наблюдаемые при повреждениях префронтальной коры у человека . . 18

1.2.2. Поведенческие эффекты различных воздействий на префронтальную кору мозга обезьян.................... 23

1.2.3. Электрофизиологические исследования префронтальных отделов мозга обезьян . 30

Глава 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ........ 47

2.1. Экспериментальные животные...... 47

2.2. Экспериментальная установка и поведенческая задача ................ 48

2.3. Подготовка и обучение животных .... 52

2.4. Регистрация импульсной активности и обработка результатов........... 54

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ... 56

3.1. Общая характеристика нейронной активности в процессе выполнения животным экспериментальной задачи........ 56

3.2. Изменения активности в различные пе-

риоды экспериментальной задачи .... 59

а) Импульсная активность нейронов при предъявлении условного сигнала...... 59

б) Импульсная активность нейронов в период отсрочки............... 71

в) Импульсная активность нейронов в период моторного ответа............ 80

г) Импульсная активность нейронов в период получения подкрепления....... 84

3.3. Отражение процессов, связанных с вниманием, в импульсной активности нейронов префронтальной коры....... 87

3.4. Импульсная активность нейронов, не реагирующих на экспериментальную задачу ..................... 91

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ...... 97

ВЫВОДЫ ......................... 108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................. 110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Проблема восприятия и оценки пространственных свойств сигналов, как одного из весьма значимых их признаков, а также проблема сохранения в памяти такой информации является актуальной в плане изучения мозговых механизмов целенаправленного поведения (Анохин 1968, Бериташвили 1969, Лурия 1970, Батуев 1973, Прибрам 1975, Батуев и др. 1988 Hyvarinen 1982, Goldman-Rakic 1987, 1995, Fuster 1989). Постановка экспериментальных исследований на приматах представляется особо ценной, так как позволяет, хотя и с большой осторожностью, экстраполировать данные, полученные на обезьянах, на мозг человека (Батуев 1973, 1981, 1984, Батуев и др. 1988, Hyvarinen 1982, Fuster 1981, 1985a,b, 1989, Goldman-Rakic 1987, Barone, Joseph 1989).

Основное внимание исследователей было привлечено к функциям префронтальной ассоциативной коры мозга обезьян, определяемой большинством авторов как область, играющая ведущую роль в организации и регуляции наиболее сложных форм поведения и являющаяся высшим уровнем интегративной системы мозга (Батуев 1973 Батуев и др. 1988, Goldman-Rakic 1987, Fuster 1985a,b, 1989). Так, например, дорзо-латеральная часть данной области коры стала рассматриваться рядом авторов как фокус зрительной пространственной памяти (Батуев и др. 1988, Goldman, Rosvold 1970, Butters et al. 1971, Goldman et al. 1971, Fuster, Bauer 1974, Stamm et al. 1977, Goldman-Rakic 1987, Batuev 1990, Funahashi, Kubota 1994). Основным приемом доказательства этого положения

являлось использование различных методик (главным образом, электрофизиологических, а также метода экстирпаций и холодового выключения) при выполнении животным отсроченных задач, условным сигналом в которых служили зрительные стимулы, располагающиеся справа или слева от средней линии. Для выполнения такого рода задач животные должны были запоминать местоположение этих сигналов и, спустя определенное время отсрочки осуществлять целенаправленное движение с рычагом (или кнопкой, педалью), расположенным поблизости от условного сигнала (Шефер, Орлов 1983, Батуев и др. 1988, Goldman, Rosvold 1970, Butters et al. 1971, Goldman et al. 1971, Fuster, Bauer 1974, Kubota 1975, Stamm et al. 1977, Goldman-Rakic 1987, Fuster 1989).

Хотя в литературе накапливаются сведения о том, что к пространственной краткосрочной памяти имеет отношение также теменная кора (Шефер 1983, Батуев и др. 1988, Hyvarinen 1982, Batuev et al. 1985), все же основное внимание продолжает привлекать префронтальная область коры, как филогенетически наиболее молодая и сложно построенная корковая формация (Демьяненко 1983, Goldman-Rakic 1987, Barbas, Pandya 1989, Fuster 1989, Miller et al. 1996). Используя различные модификации пространственных отсроченных задач, авторы отдавали предпочтение задачам на дифференцирование стимулов, расположенных на плоскости, перпендикулярной линии взора (справа или слева, вверху или внизу, а также по окружности), хотя, как было показано в одной из работ (без использования метода отсроченного реагирования) (Carlson et al. 1997b) некоторые нейроны префронтальной коры включаются в обработку специфической пространственной информации о разного рода

стимулах перемещающихся по третьей координатной оси, то есть селективно реагируют на приближение или удаление зрительного стимула.

Именно это обстоятельство побудило нас специально исследовать особенности нейронной активности дорзо-латеральной области префронтальной коры в этой поведенческой парадигме, используя в качестве условного сигнала в задачах на отсроченное реагирование новую, не подвергавшуюся ранее детальному анализу, пространственную характеристику.

Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы являлось нейрофизиологическое изучение участия дорзо-латеральной префронтальной коры мозга обезьян в программировании и реализации отсроченного поведенческого акта. Конкретные задачи исследования заключались в том, чтобы:

- разработать экспериментальную установку и программу для изучения роли дорзо-латеральной префронтальной коры мозга обезьян в процессах, связанных с восприятием и сохранением в оперативной памяти информации о сигналах, представляющих из себя приближающийся или удаляющийся от животного световой сигнал;

определить существует ли зависимость характера импульсной активности нейронов дорзо-латеральной префронтальной коры от процессов восприятия условных сигналов, представляющих из себя зрительные стимулы с данными пространственными характеристиками;

- выявить возможные перестройки нейронной активности в период отсрочки, связанные с процессами удержания в оперативной памяти информации о данных стимулах;

- определить существует ли зависимость импульсной активности нейронов от процессов, связанных с извлечением моторных программ;

- проанализировать возможные перестройки активности нейронов дорзо-латеральной префронтальной коры, связанные с вниманием.

Научная новизна работы.

Впервые проведено детальное исследование нейронной активности префронтальной коры мозга обезьян в условиях отсроченного поведения, связанного с восприятием и запоминанием условных сигналов приближающихся или удаляющихся от животного. Впервые описаны в префронтальной коре мозга обезьян нейроны, дифференциально реагирующие на световой сигнал, перемещающийся в направлении к или от животного и нейроны, отражающие в своей активности процессы, связанные с сохранением в памяти информации о такого рода сигналах (то есть обнаруживающие пространственную селективность в период отсрочки). Кроме того, описаны нейроны, проявляющие пространственно селективные изменения импульсной активности только при выполнении моторного ответа, а также нейроны, реагирующие в два или три периода экспериментальной задачи, пространственно не селективные нейроны, реагирующие в различные периоды экспериментальной задачи и нереактивные нейроны.

Основные положения выносимые на защиту.

1) Дорзо-латеральная префронтальная кора мозга обезьян участвует в дифференцированной оценке условных световых сигналов.

2) Дорзо-латеральная префронтальная кора мозга обезьян принимает участие в запоминании вышеописанных пространственных характеристик зрительных стимулов, обеспечивая оперативную память.

3) Дорзо-латеральная префронтальная кора мозга обезьян принимает участие в извлечении моторных программ для осуществления соответствующего двигательного ответа.

4) Наличие самостоятельных популяций пространственно селективных нейронов, реактивных лишь в период действия условного сигнала, или в период отсрочки, или в период моторного ответа позволяет развить высказанную ранее идею эстафетного вовлечения этих специализированных нейронных популяций в процессы обеспечения отсроченного пространственного выбора.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Результаты данной работы могут служить основой для дальнейшего изучения интегративных механизмов программирования и реализации целенаправленного поведения, для разработки гипотезы о мозговых механизмах оперативной пространственной памяти применительно к световым движущимся объектам. Сведения, полученные при исследовании нейронной активности префронтальной коры способствуют пониманию роли, которую играет данная структура в обеспечении оперативной памяти и внимания, а также в организации целенаправленных двигательных актов. Кроме того, полученные данные могут быть

использованы в клинической нейрофизиологии для понимания природы поведенческих расстройств, связанных с поражениями лобных долей мозга человека.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в курсах лекций по высшей нервной деятельности.

Работа выполнена на кафедре высшей нервной деятельности и психофизиологии Санкт-Петербургского государственного университета (Россия) и на кафедре физиологии Университета Хельсинки (Финляндия) в 1996-1998 годах.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Структурная организация префронтальной коры мозга обезьян.

К префронтальной коре принято относить наиболее ростральную часть коры мозга млекопитающих. Префронтальная кора является частью лобных долей, к которым у приматов относят поверхность коры больших полушарий, расположенную спереди от центральной борозды (s. centralis). У низших приматов префронтальная кора ограничена дугообразной бороздой (s. arquatus) на дорзо-латеральной поверхности мозга и передней частью цингулярной борозды на медиальной поверхности (Fuster 1989).

Наиболее устойчивым морфологическим признаком префронтальной коры мозга макак является наличие главной борозды (s. principalis), которая расположена на дорзо-латеральной поверхности (Шевченко 1971).

В ряде работ префронтальная кора фигурирует под названием "собственно лобная кора" (в отличие от прецентральной коры -части лобной доли, ограниченной центральной (s. centralis) и дугообразной (s. arquatus) бороздами), а также под названиями фронтальная гранулярная (в отличие от фронтальной агранулярной) и фронтальная ассоциативная кора (Шефер 1983, Батуев и др. 1988, Bonin, Baily 1947, Fuster 1989, Tanila 1993, Garey 1994).

О точных границах и количестве входящих в лобные доли полей до сих пор нет единого мнения. Это связано с тем, что для четкого разграничения лобных долей на поля недостаточно одних лишь цито- и миелоархитектонических критериев, применяемых в

более старых работах. В последнее время наряду с этими критериями учитываются также афферентные и эфферентные связи тех или иных участков коры и их функциональное значение. Кроме того, в строении, размерах и расположении полей коры мозга макак наблюдается индивидуальная вариабельность (Кононова 1962).

К.Бродман (Brodmami 1909, цит. по Garey 1994) описал в составе лобных долей низших обезьян две области прецентральную (поля 4, 6) и собственно лобную (поля 8, 9, 10, 11, 12) (рис.1).

Дж.Бонин и П.Бейли (Bonin, Baily 1947) подразделяли лобную кору на агранулярную (прецентральную) и гранулярную (префронтальную), в которой выражен внутренний гранулярный слой (IV), содержащий большое количество разнообразных по форме и размерам звезчатых клеток и клеток-зерен.

А.Е.Уолкер (Walker 1940) выделил в составе собственно лобной коры макак 9 полей: 8-14 и 45, 46. Причем расположение полей по Уолкеру несколько напоминает их расположение по карте Бродмана, но Уолкер указывает на наличие в коре макак зачатков так называемых филогенетически новых полей (45, 46), которые Бродман выделял только у человека.

Е.П.Кононова (1962) разграничивает лобную кору низших мартышкообразных обезьян (макак в том числе) на 7 полей 8-12, 32 и 47. К собственно лобной области относятся поля 9-12 и 47, остальные поля являются переходными от премоторной (8) и лимбической (32) областей.

Разработанная Х.Барбасом и Д.Н.Пандия (Barbas, Pandya 1989) карта префронтальной коры мозга макак (которой мы придерживались в своей работе) (рис.1) в общих чертах

Рис.1. Цитоархитектонические карты мозга низших обезьян слева - по К.Бродманну (Brodmann, 1909), справа -префронтальная кора macaca rhesus по Х.Барбасу и Д.Н.Пандия (Barbas and Pandya, 1989). Цифрами обозначены номера цитоархитектонических полей.

соответствует карте Уолкера. Небольшие изменения в расположении полей были внесены (по большей части на вентральной и медиальной поверхностях лобных долей) на основании современных исследований цито- и миелоархитектонического строения и связей участков коры. Х.Барбас и Д.Н.Пандия представили префронтальную кору как серии областей с градуально усложняющейся в двух направлениях ламинарной организацией (медиодорзальном - от переходных с лимбической корой полей 24, 25, 32, через поля 9, 10, 14 к дорзальной части полей 46 и 8; и базовентральном - от переходных полей 13, 25 через поля 10, 11,12 к вентральной части полей 46 и 8) (рис.2).

Цитоархитектонически префронтальная область коры приматов характеризуется как типичная шестислойная кора с хорошо выраженным IV (внутренним гранулярным) слоем (РхЫег 1989). По данным Е.П.Кононовой (1962) для лобной коры макак характерно нечеткое распределение на слои, более или менее правильное расположение клеток по вертикали, что дает радиальную исчерченность через всю ширину коры или в одном из этажей коры, значительная вариабельность размеров нейронов во всех слоях.

По данным Г.П.Демьяненко (1983), при общей тенденции нейронов лобной коры к групповому расположению существуют объединения нейронов, имеющих собственную тормозную систему - микромодулей (или микроколонок), имеющих размеры около 100150 мкм, и состоящих из пирамидных клеток разных слоев, образующих межнейронные связи в вертикальном направлении и звезчатых корзинчатых нейронов, аксоны которых также ветвятся в

м-д

в-л

■ о—пи—га—о

PALL PRO IS01 ISO 2 IS03

Рис.2. Деление на области префронтальной коры мозга низших обезьян (macaca rhesus) в соответствии с теорией Х.Барбаса и Д.Н.Пандия о её прогрессивной ламинарной организации (Barbas and Pandya, 1989).

Стрелками указаны два направления, в которых наблюдается усложнение цитоархитектонического строения областей коры, М-Д - медиодорзальное, В-Л вентролатеральное направления.

Обозначения: PALL - периаллокортекс, PRO - произо-кортекс, ISO - изокортекс.

вертикальном направлении. Кроме этого описаны и модули (макроколонки) - объединения более высокого порядка, в которых пирамидные клетки нескольких различных микромодулей могут быть объединены посредством звезчатых корзинчатых клеток другого типа - имеющих горизонтальные коллатерали длиной 400600 мкм, что и определяет, по-видимому, горизонтальные размеры модуля. По другим сведениям (Батуев, Бабминдра 1993) размеры микро- и макроколонок в данной области коры равны 30 мкм и 5001000 мкм соответственно.

Такая схема объединения нейронов позволяет предположить, что в конкретной ситуации может функционировать различный набор как микромодулей, так и макромодулей, благодаря участию тормозящих звезчатых нейронов. Таким образом обеспечивается определенная функциональная пластичность на жесткой структурной системе связей (Батуев и др. 1988).

Кроме того было показано существование в префронтальной коре в слоях II и III кольцевых объединений нейронов, аксоны которых возвращаются к их же дендритам и могут служить основой для реверберации импульсной активности в своеобразной "нейронной ловушке" (Батуев и др. 1988, Батуев 1991). Такие структурно-функциональные объединения нейронов были описаны только в собственно лобной коре и, возможно, они являются специфическими для данной области.

Афферентные и эфферентные связи префронтальной коры.

Из восходящих путей наиболее выражены афференты приходящие в префронтальную кору из дорзо-медиального ядра таламуса (МО), где заканчиваются пути из неспецифических структур ствола мозга и из лимбической системы. Показано, что у

приматов дорзо-латеральная часть префронтальной коры получает таламические проекции главным образом от мелкоклеточной (наружной) части MD, а орбито-фронтальная и медиальная части -�