Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Синхронизация нейронной активности в процессах кратковременной зрительной памяти: роль кортикальных холинергических и гламатергических структур

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Синхронизация нейронной активности в процессах кратковременной зрительной памяти: роль кортикальных холинергических и гламатергических структур"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ им. И. П. ПАВЛОВА

Г б ОД

' На правах рукописи

2 ОКТ 1995

КРУЧИНИН ВАЛЕРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

СИНХРОНИЗАЦИЯ НЕЙРОННОЙ АКТИВНОСТИ В ПРОЦЕССАХ РАТКОВРЕМЕННОЙ ЗРИТЕЛЬНОЙ ПАМЯТИ: РОЛЬ КОРТИКАЛЬНЫХ ХОЛИНЕРГИЧЕСКИХ И ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ СТРУКТУР

03. 00. 13 - физиология человека н животных

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 1995

Работа выполнена в Институте физиологии им. И.П. Павлова Российской Академии Наук

Научный руководитель: доктор биологических наук К.Н. Дудкин

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор Н.Н. Василевский доктор биологических наук Н.А. Емельянов

Ведущее учреждение - Институт мозга человека, Российская Академия Наук.

Защита диссертации состоится "23" 1995 года в _ час

на заседании специализированного Совета (К 002.36.01) по защите диссертаций соискание ученой степени кандидата наук при Институте физиологии им. И.П. Павло РАН (199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.б). >

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологам им. И. Павлоза РАН.

Автореферат разослан " ^ " йЯ^Я^Г)*^ 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат биологических наук

Э.А. Конза

> •

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГАБОТЫ

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвяшска проблеме нейрофизиологических коррелятов познавательных процессов, обусловливающих поведение человека и животных. Важнейшими составляющими поведения можно считать сенсорное восприятие, обучение, внимание, долговременную и .кратковременною память (ДП и КП). Проблема памяти является одним из ведущих направлений в исследованиях высик:"; нервной леятельност.1. Перши физиологический метод изучения памяти - условный рефлекс - связан с именем И. П. Павлова (1951). Изучение взаимоотношений воспринимаемой информации с механизмами памяти по И. М. Сеченову (1952) -плодотворный путь, способный привести к выявлению основ сенсорных и психических процессов, а также обусловливающих их физиологических процессов. Представление о двух основных формах памяти сформировалось еше в конце XIX пека в работах Вундта и Джемса, затем некоторый период,-вплоть до 50-ых годов нашего столетия, разделение этих видев памяти мало интересовало исследователей. Вновь интерес к двухкомпоиентний концепций памяти возродился, иачиная с работ Хебба (Hebb, 1943) i: Миллера (Miller, 1965). В последние годы в связи с развитием новых методологических подходов:, психологических, нейрофизиологических и нейрохимических, эти две системы памяти стали объектом интенсивного изучения.

Актуальность исследований механизмов КП обусловливается двумя ее аспектами: кратковременным хранением текущей сенсорной информации и считыванием информации из ДП для сопоставления се с текущей. С одной стороны, абсолютно ясно, что кратковременное хранение информации - динамический процесс. С другой стороны, совершенно очевидно также, что система КП не может быть локализована в какой - либо одной области, а скорее всего распределена в разных отделах головного мозга. Именно поэтому, вопрос о том, каким способом мозг интегрирует фрагментарную нейронную активацию в разных областях мозга, которая отображает информацию, удерживаемую г> КП и необходимую для организации поведения, является одним из важнейших нри изучении нейрофизиологических хоррелятов познавательных процессов.

В последние два десятилетия ключевое значение придается изучению механизмов синхронизации функциональных пространственно - временных связей между различными структурами и отделами головного мозга (Василевский, 1968, 1979; Ливанов, 1972; Жадин к др. 1973; 1982; Бундзен, 1977; Толкунов, 1978; Суворов, 1980; Гогалкцын, Кропотоз, 1983; Кропотев, Пахомов, 1984; Бехтерева и др., 1985, Дудкин, 1985; Дудкин и др., 1989, 1992, 1993, 1994, 1995; Шуваез, 1993а, 19936; Gestein, Perkel, 1972; Gerstein. 1978; Shaw et al, 1982). Накопленные к настоящему времени данные показывают, что еннхромизашм может рассматриваться в качестве одного из основных принципов организации нейрофизиологических информационных процессов, обеспечивающих кооперативные взаимодействия между различными структурами и отделами головного мозга.

В настоящее время известно, что существенную роль в механизмах памяти и обучения играют холинергическая и глутаматергическая нейромедиаторные системы (Ильюченск,

1972; Крутиков, 19il, 1986; Бородкин, Шабанов, 1986; Самойлов, 1992; Сторожук и др., 1932; Maities. 1979; Baitus et al, 1982; Lynch, Baudry, 1984; Colleiton, 1986; Tsukada, 1988; Durkin, 1989; Kennedy, 1989; Lynch ct al, 1991). В дчссертации посредством фармакологического анализа изученц модификации этих систем и их роль в механизмах синхронизации функциональных пространственно-временных связей между различными кортикальными областями, лежащими в основе кратковременного запоминания информации.

Цель исследования. Целью', диссертации является выявление поведенческой значимости функциональных статистических связей между нейронными структурами зрительной, префроигальной и нижневисочной областей коры, лежащих в основе процессов синхронизации в механизмах КП при отсроченном зрительном узнавании у обезьян, и изучение участи« в них холинсргических И глугаматергических структур.

Задачи исследования. *

1. Создать аппаратно-программный комплекс для автоматизации исследований нейрофизиологических и нейрохимических механизмов поведения обезьян.

2. Изучить степень сихронизации нейронных реакций разных областей неокортехса при принятии правильных и ненризильных решений при отсроченном зрительном

узнавании.

3. Исследовать влияние блохатора М-холинорецепторов на характеристики КП и на степень синхронизации нейронных реакций зрительной, префроигальной и нижневисочной областей неокортекса.

4. Выявить эффекты модификации глутаматергических структур зрительной и прсфронтальной областей керы при виутрикорковой перфузии агониега и антагониста глутаматергических рецепторов на степень синхронизации нейронных реакций и на характеристики КП.

Научная ногизна. В настоящей работе впервые показано, что у обезьян при отсроченном зрительном дифференцировании правильные решения сопровождаются синхронизацией нейронной активности разных областей неокортекса, в отличие от неправильных решений, при которых наблюдается дссинкроштация активности.

При отсроченном зрительном дифференцировании с одновременной регистрацией нейронов из разных областей неокортекса впервые изучены эффекты модификации их холинергических структур при воздействии холиноблокатором М-холицорецепторов и впервые выявлено, что наблюдаемое при этом резкое ухудшение характеристик КП сопровождается значительной ресинхронизацией нейронных реакций.

В результате совместного использования микродиализной и микроэлектродной методик впервые выявлен ноотропный аффект глутаматергического агониста КМОА, приводящий к существенному улучшению характеристик КП и значительному увеличению синхронизации нейронных реакций. Таг же впервые показано, что воздействие глутаматергического шггагониста АРУ, напротив, приводит к значительному ухудшению характеристик КП и десинхронизашш нейронных реакций.

Теоретическое и практическое значение работы. Полученные в результате этого исследования данные о нейрофизиологических коррелятах процессов кратковременной памяти и о роли в них хслинергических и глугаматсрг^чсских структур разных областей неокортскса представляются важными для понимания н-.йрофшиолсгичсскнх и нейрохимических механизмов познавагел1 1Ы. процессов.

Результаты работы представляют интерес как для физиологов, гак и лля клиницистов, биохимкков, фармакологов и могут быть использованы ш;я разработки новых способов воздействия на организм с целью профилактики и лечения нервных н психических заболеваний. Кроме того, они могут быть использованы в работах по созданишо нейрокомпьютеров. Изобретения, созданные в процессе выполнения работы, внедрены в практику.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены па: XII, XIII, XIV, XV, XVI, XVII Европейских конференциях по зрительному восприятию (ЕОУР), (Тель-Авив, 1989; Париж. 1990; Вильнюс, 1991; Пиза, 1992; Эдинбург, 1993); Обществе "Успехи -в науке о зрении", (Кардифф, 1993); Симпозиуме "Молекулярно-клеточные и генетические механизмы адаптивного поведения", (Санкт- Петербург, 1994); 29-е Совещание но проблемам высшей нервной деятельности, (Санкт-Петербург, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовало 18 научных работ в огечетвепных и зарубежных изданиях. Соавтор одной монографии. Получено 4 авторских свидетельств .¡а изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, сбзора литературы, описания методик исследования, результатов собственных исследований и их обсуждения, общего заключения, выводов, списка литературы, включающего 88 отечественных и 214 иностранных источников. Диссертация содержит 4 главы и изложена на 163 страницах печатного текста, иллюстрирована 47 рисунками.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ"

Обучение поведенческим задачам при подготовке к электрсфнзиологнчсскому эксперименту. В опытах на хронических обезьянах комбинировались три способа изучения физиологачсских механизмов: поведенческий, алехтрофизиологический и фармакологический. Регистрировались поведенческие и нейронные характеристики при многоканальном отведении до 4-х импульсных процессов нейронов. Опыты проводились на макаках резусах (Масаса тикпа) в возрасте от 2 до 6 лет.

Обучение животных инструментальному поведению включало два этапа: обучение в "тренажере" и адаптацию в приматологическом кресле в электрофизиологической установке. В тренажере обезьяны обучались зрительному дифференцированию: наличному и отсроченному. В качестве стимулятора использовались диапроекторы. При дифференцировании двух стимулов на зкран тестовой панели одновременно проецировались их изображения: положительного (подкрепляемого) и отрицательного (нсподкрешяемого). Положение этих проекций над клавишами чередовалось по закону случайных чисел. Питьевое подкрепление (соки, чай с различными вареньями) посредством

б

перистальтического насоса и специального мундштука давалось только при правильных решениях - пожатиях на сенсорную клавишу, расположенную пол положительным зрительным стимулом. Доступ к клавишам автоматически блокировался заслонкой, с помощью ее формировалась длительность отсрочки.

Программа вхлючпа поведенческие этапы: настройку на восприятие условного стимула при подаче настроечного сигнала; зрительный анализ при восприятии условных стимулов: отсрочку - хранение сенсорной информации в КП (С-32 с); принятие решений й моторную реакцию; получение в случае правильной реакции подкрепления. После тренажера обезьяны помещались в приматологическое кресло в алектрофизиологической установке. В ней перед животными располагалась тестовая панель, аналогичная используемой в тренажере. Длительность адаптации к новым условиям и восстановление ответов па условные зрительные стимулы для разных обезьян варьировали в среднем несколько дней. После этою проводили подготовку животных К регистрации активности нейронов.

Хирургическая подготовка обезьян к электрофизиологическому эксперименту.

Хирургическая операция проводилась под барбитуратовым наркозом (этамииал натрия 4050 mi/кг внутримышечно) в стерильных условиях. Операция включала установку „венца" -устройства «ля фиксация головы животного в эксперименте и предохранения конструкций, укрепленных на черепе, от повреждений в вольере, и установку втулок для введения микреэлектродов. Голова животного фиксировалась в стерсотаксическом приборе; для определения координат центров будущих втулок использовались атласы мозга (Bailey, Soain, 1947) и иакропрспараты головы. После операции в течение 5-ти дней животным вводили лазнкс для предупреждения развития отека мозга и антибиотик гентамицин. В течение _ всего времени работы с оперированными животными курсы гентамицина чередовали с профилактическими курсами линкомицина - антибиотика с противоостеомиелитным действием.

Методика многоканальной регистрации импульсной активности нейронов. Использовалась модификация (Дудкин и др., 1989) пучковых микроэлектродов (Пирогов, Орлов, 1978), изготовленных из вольфрамового провода. Для введения их в ткань мозга использовались микроманипуляторы, изготовленные на базе промышленных потенциометров типа СГ15-15. Их реохорды использовались для измерения глубины погружения микроэлектродов, максиму;« которой составлял 20 мм. Микроманипулятор для перемещения микроэлектродов закреплялся на специальной головке, которая перед регистрацией активности навинчивалась на титановую втулку, имплантированную в кости черепа над зонами регистрации.

Устройства регистрации физиологических ' данных. Система регистрации импульсной активности нейронов включала многоканальный усилитель (до 16) и столько же компараторов, пороги их селекции устанавливались с помощью потенциометров, переключателями 'строб' задавалась полярность селекции. На выходе компараторов формировались ТТЛ-уровни, поступающие ка модули КАМАК, соответствующие частоте активности. Вычислительная техника, включающая компьютер ДВК-3 и стандарт КАМАК, обеспечивала полную автоматизацию эксперимента, регистрацию и анализ физиологических данных.

Определение функциональных статистических связей. Для вмячясит« функциональных статистических связей межлу нейронами одной или разных областей, позволяющих судить о степени синхронизации между их информационными протесами, использовались корреляционные методы (Мещерский, 1972; Труш, Корингвский, 1078; Дудкин, Гаузельман, 1979; Гоголндын, Кропотов, 1983; МакаЬата « а1, 1972, 1977). В работе также вычислялись матрицы кросскоррсляцнэнных коэффициентом. Процедура (Интегрированная система статистической обработки н графической визуализации данных. Калинин, 1990. Ч. 2. 208 с.) создавала трехмерное представление матриц коэффициентом взаимной корреляции для временных рядов - псристнмульных гнетоерлмм импулшюи активности нейронов с длиной п.

Способ фармакологического анализа. Метод ммкредиалига мозга. Мы использовал;! системные (внутримышечные) и внугрнкорковые (перфузия посредстБом микроанализа) фармакологические воздействия, позволяющие с помощью избирателших агонкстэз я антагонистов обратимо модифицировать хожшсргичсскис и глутаматергические структуры. Разработанная нами методика основана на совмещении ыикредиалозроца с пучком микроэлектродов (Дудкин и др., 1995) и позволяет регистрировать активность н-^ронод в зоне микродиализа. Перфузиониая среда содержала стандартный раствор Крсбса - Рипгера, скорость перфузии через диализную тр>6ку состашшлг. 2.57 мкл/мин. Используемая I?-образная диализная мембрана представляет собой диализную трубху (СиргорЬаг., ОатЬго) с наружным диаметром О.З мм с проницаемостью для веществ с молекулярной массой 10 000-15 000 (Ьахагсмсг е1 а1., 1986). Вход диалотрода пичсосдкиен к нерфузнонному насосу, подающему раствор заданною фармакологического всшсства. Через выход диалотрода брали пробы для последующего радиоизотопнего или биохимического анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Нейрофизиологические корреляты процессов принятия решений при отсроченном зрительном узнавании. На трех обезьянах, при дифференцировании • ими зрительных стимулов зарегистрировано 256 нейронов зрительной (поля 17, 18), 448 нейронов префронтальной (поля 8, 46) и 216 нейронов ниж1 ¡списочной (поля 21, 37) областей коры. Найдено, что у обезьян имеются индивидуальные различия в когнитивных характеристиках: длительности хранения информации в КП и времени моторной решении для отсроченного зрительного дифференцирования при разных длительностях отсрочек. \ ,

Несмотря на эти различия, у всех обезьян набл «Удались одинаковые закономерности я зависимости поведенческих реакций от длительности отсрочки: с се увеличением уменьшаются вероятности правильных решений и наблюдается тенденция к увеличению времени правильных моторных реакций для отсрочек большой длительности. Однако время, неправ;шм1ых моторных реакций для разных обезьян при различных длительностях отсрочен изменяется незакономерно. Неправильные решения сопровождались у»всех обезьян значительными перестройками импульсной активности фактически вссх регистрируемых нейронов: у 100% - зрительной, 95 - пр-гфронтальной и 92% -нижневисочной коры. При атом наблюдались: синхронность разрядов импульсной

активности пар нейронов в каждой области коры при правильных моторных реакциях обезьян и существенная десинхронизация разрядов этих же нейронов при неправильных реакциях. При количественной оценке синхронизации показано, что кросскорреляционные коэффициенты между активностью двух нейронов намного выше при правильных моторных реакциях, чем при неправильных. Аналогичный результат получен для нейронов, регистрируемых в зрительной и прсфронталыюй, а также нижневисочной и прсфронталыюй областях коры головного мозга.

Суммарные данные, учитывающие статистику по синхронизации активности всех зарегистрированных нейронов для правильных и неправильных решений обезьян в зависимости от длительности отсрочки, показывают, что активность подавляющего , большинства одновременно зарегистрированных нейронов синхронизируется при правильных решениях. . •

Влияние блокатора М-холннорецспторов . «а характеристики КП и холииергические структуры зрительной коры. Опьпы проведены на 3 обезьянах, решающих задачу отсроченного зрительного дифференцировали" стимулов разного цвета. Регистрировалась активность нескольких одиночных нейронов (до 4) зрительной коры (17, И поля). В качестве холинсргнчсского вещества использовали центральный М-холинолнтик амизш1. Препарат и водили внутримышечно в дозах до 1 мг/кг. Поведенческая программа повторялась спустя определенный интервал времени (30 мин), обеспечивающий максимальный эффект препарата.

Зарегистрировано 246 нейронов зрительной коры. Обнаружены индивидуальные различия обезьян по длительности хранения информации в КП и по времени моторной реакции, но несмотря на это выявлены общие закономерности зависимости этих характеристик от длительности отсрочек. Результаты программы- с фармакологическим анализом, показали, что ацизил не оказывает влияния на механизм ДП ' (дифференцирование без отсрочки), - но сущсствсшю . изменяет •• поведенческие характеристики, связанные с (СП, нарушая запоминание, что выражалось в уменьшении вероятности правильных решений для всех обезьян при всех применяемых отсрочках.' Время реакции как для правильных решений, так и для неправильных, при введении амизила значительно удлинялось при всех отсрочках у всех животных. Фактически у всех обезьян после воздействия амизилом вероятность. правильных решений снижалась до уровня случайного гадания при отсрочках 1-2 с. Амизил во всех случаях вызывал изменения в импульсной, активности нейронов, однако на разных этапах поведенческой программы эти изменения отличались и проявлялись в разных формах торможения и возбуждения. .

Количество нейронов, реагирующих на введение амизила возбуждением или торможением, менялось от этапа к этапу и зависело также от длительности окрочки. При дифференцировании без отсрочки большая часть нейронов реагировала возбуждением на всех'этапах поведенческой программы. При включении в процесс зрительного различения механизмов КП большинство нейронов реагировало торможением также на всех' этапах поведения. Выявлена четкая закономерность в изменениях активности нейронов в зависимости от величины отсрочки: чем длительнее отсрочка, тем »ольше изменения.

Изменения в активности нейронов префронтальной и шишсписочной областей коры при антнхолинергнческоя воздействии. На 3 обезьянах зарешетрированы 425 нейронов префронтальной и 316 - нижневисочной коры до и после системного введения блокатора М-холинорецепторов амизила (0.8-1.0 иг/кг). Изучались нейрофизиологические корреляты поведенческих изменений на уровне этих ассоциативных областей коры. Активность каждого нейрона регистрировалась в течение нескольких часов. Амизил вызывал изменения в активности клеток этих областей коры, которые па разных этапах поведения прош'лялись в увеличении или уменьшении актшшшш и торможения активности. Процентное отношение нейронов ннжнсг.исочиой коры, реагирующих на введение амизила возбуждением или торможением, зависело от длительности отсрочки и менялось от этапа к этапу прозрачны. Наибольшие изменения наблюдались в отношениях между возбуждением и торможением у нейронов нижневисочной корм на этапах настроечного и условного зрительного стимулов, бг ;ес стабильными они'вы ядят на этапах отсрочки и моторной реакции. Здесь эффект воздействия амизлмом сводится, в основном, к преобладанию заторможенных нейронов.

Среди нейронов префронтальной коры после введения амизила, и:> пссх этапах поведенческой программы преобладают активированные. Количество нейронов со стабильной активностью было незначительным. Средняя частота активности этих преобладающих нейронов префронтальной коры на пссх этапах зрительного дифференцирования, независимо от длительности отсрочки, увеличивалась после медення амизила по сравнению с тем, что наблюдалось до фармакологического юзаейсткни,

Десннхроннзация нейронных реакций разных областей коры при аптихолнпер-гнчсском воздействии. После введения амизила наблюдался еще один существенный эффект - снижение коаффициентов взаимной корреляции между активностью нейронов, зарегистрированных как в одной области, так и одновременно и разных областях. Так, матрицы коэффициентов кросскоррсляции между активностью 4 нейронов, зарегистрированных в разных областях, демонстрируют значительное уменьшение этих коэффициентов, после воздействия амизшюм, что свидетельствует о значительной десипхронизации активности этих нейронов.

Влияние перфузии глугаматерппеского агоннста NMDA в артельной коре на характеристики КП и ответы зрительных нейронов. Исследовалось влияние •виутрикорковой перфузии агониста глугамата МКШЛ на характеристики зрительного узнавания и КП , а также на ответы нейронов зрительной (17-ое поле) коры у макак резусов. Опыты проведены на 3-х обезьянах. Зарегистрировано 36 клетол. в непосредственной близости от диализной мембраны. Несмотря на некоторые индивидуальные различия, эффект ЛМОА выражается у всех животных в существенном улучшении характеристик зрительного узнавания. После воздействия NN10А у всех обезьян при всех применяемых длительностях отсрочек увеличивались вероятности правильных решений и длительность храпения информации в КП (в 2-4 раза). Достоверно уменьшалось по сравнению с исходным состоянием время моторных реакций при всех отсрочках и без отсрочки. После вымывания следов фармакологического воздействия все результаты,. я основном, возвращаются к исходному состоянию.

4 I

Улучшение характеристик узнавашгё, обусловленное внутрикоркоьым воздействием №к'ПА, сопровождается значительным!! изменениями в нейронной активности. На всех этапах поведения у большинства клеток воздействие М\ША вызывает увеличение импульсной активности в несколько раз, у части клегок активация менее интенсивная, но проявляется на этапах зрительного анализа и принятия решения. Были зарегистрированы клетки с торможением ахтншшети и хлеткл, па активности которых фактически не сказывался эффект ГчМРА. Тот или иной тип изменения активности зависел от включения отсрочки е процесс зрительного узнавааия. Процентные распределения нейронов по этому параметру после воздействия ¡\'МОА но отношению к исходному состоянию также зависят ог того, включена отсрочка а эту задачу, или нет. В задаче без отсрочки количества возбужденных и заторможенных нейронов примерно равны, при отсрочках у большинства нейронов (от 70 до 85% на ратых этапах) эффехт №№А выражался в увеличении активности, у части клегок (от 6 до 20%) она тормозилась, и. лишь, у немногих клеток (от 4 цо 13%) активность фактически не изменялась.

Влияние воздействия №ЮА на глутаматергическне структуры прсфрокгалыюй коры. Исследовано влияние модификации НМОЛ-сргических структур, вызванной перфузией в префроитальной коре (8-ос поле) агониста глугамата N.410 А (2 мМ ) с помошыо микродиализной техники, на характеристики зрительного узнавания и КП у маха!: резусов гри отер очеш.'ом дифференцировании стимулов разного цвета. Одновременно регистрировалась импульсная активность нейронов ирефроитальней и зрительной хоры до и после воздействия ЫМ1Ж На 3-х обезьянах были зарегистрированы 34 клетки префроитальной хоры в непосредственной близости ог диализной мембраны и 36 клеток зрительной коры. Внутрикорковое воздействие NN10А в префроитальной коре приводит к повышению у всех обезьян при всех отсрочках вероятностей правильных решений, что обусловливает увеличение длительности кратковременного хранения информации в 2 - 4 раза. Время моторных реакций для всех отсрочек по сравнению с нормой достоверно уменьшается после перфузии ЫМОА, после вымывания следов воздействия, результаты возвращаются к норме.

Улучшение характеристик зрительного узнавания, сопровождалось трансформациями импульсной активности -нейронов префроитальной коры. Эффект №>10А выражается в значительном уменьшении импульсной активности, но в разной степени на разных этапа*. Наиболее резко уменьшается активность на этапе зрительных стимулов, у некоторых клеток активность уменьшаясь на одних этапах, увеличивается на других. При узнавании без отсрочки количество нейронов с увеличением или уменьшением активности на всех эгштах примерно одинаково. При отсрочках - у большинства нейронов (от 60 до 75%) эффект NN10А выражался в уменьшении активное ги. у части (ог 8 до 25%) - активность увеличивалась, у другой части (от 12 до 19%) - изменений почти не было.

Увеличение синхронизация нейронных реакции разных областей при воздействии МУША. Эффект КМОА выражался также и существенном увеличении коэффициентов взаимной корреляции между активностью нейронов, зарегистрированных одновременно как я одной области, 1ак и совместно в зрительной и префро1(тальной коре. Крсесксррено4раммы. вычисленные для активности нейронов до фармакологического воздействия и после перфузии 1ЧМ0А демонстрируют уяелич<:н(1е коэффициентов

и

кросскорреляции в результате воздействия NMDA. что указывает на увеличение синхронизации этих нейрональных информационных процессов.

Эффект воздействия антагониста глутаматсршчесгсих рецепторов А?У на характеристики КЛ и структуры зрительной кс4)ьг. Для выявления эффектов воздействия АРУ I I тМ) при перфузии в зрительной коре (17-ое поле) на характеристики КП и рсакшп нейронов опыты проведены па 3-х обезьянах. Зарегистрировано 34 нейрона. Несмотря на индивидуальные отличия, эффект воздействия этого глута.чг-.тергшссксго антагониста заключался в существенном ухудшении характеристик зрительного узнавания, выражающемся в уменьшении длительности кратковременного хранения информации и удлинении времени моторной реакции. Вероятности правильных решений у всех обезьян уменьшаются по сраинению с нормой при всех отсрочках. Длительность храпения информации при воздействии АРУ уменьшается в 7 - 4 раза. После .. .ьммвания следов АРУ нормальное зрительное узнавание фактически восстанавливается.

Внугрикорковая перфузия АРУ вызывает и значительные перестройки импульсной активности нейронов. На всех этапах поведенческой задачи у большинства нейронов эффект АРУ выражался в уменьшении активности по сравнению с нормой, хотя у некоторых на некоторых этапах активность может и увеличиваться. У час! к клеток активность на некоторых этапах фактически не изменялась.

Влияние воздействия АРУ на глутаматергические структуры префронтэлыюй корм. Ка 3-х обезьянах зарегнст рирсваны 22 клетки префронтьлыюй коры в непосредственной близости от диалогрода и одновременно 20 клеток в зрительной коре. При перфузии АРУ в нрефронгальной коре также наблюдаются ' изменения в характеристиках зрительного узнавания и КП. Эффект воздействия АРУ у обоаьяп вызывает уменьшение вероятностей правильных решений на вес отсрочках, хотя и в несколько меньшей степени, чем в зрительной коре. После вымывания следов результаты фактически возвращаются к норыс. Однако увеличение времени моторной реакции у одной из обезьян явно недостоверно. Ухудшение характеристик КП, полученное при воздействии АРУ, сопровождаемся, также как и в предыдущем разделе, трансформациями импульсной активности регистрируемых нейронов префронтальиой коры, которые выражаются в существенном ее увеличении на одних поведенчегких этапах, при одновременном уменьшении па других.

Дссинхронизаиия нейронных реакций разных областей при воздействии антагониста гяутаматергаческих рецепторов. Выявилось существенное значение воздействия АРУ на синхронизацию информационных процессов, реализуемых этими нейронами разных областей. В подавляющем большинстве случаев, в норме при правильных решениях наблюдалась значите .лая синхронизация между активностью нейронов, как зарегистрированных в одной области, так и в разных. Эффект воздействия АРУ выражается в реч..ой дссикхронизашш одновременно протекающих процессов и в том и в другом случае. Об этом свидетельствует значительное снижение коэффициентов кросскорреляции, указывающее на существенную цееннхроиизацию информационных процессов в этих нейронах после воздействия АРУ.

Синхронизация информационных процессов зрительного узнавания к КП. Одной из самых интригующих проблем в исследовании механизмов зрительного узнавания можно

считать ппоблему принятия решений. Как организованы нейрофизиологические процессы для реализации необходимых для этого операций? Какие структуры головного мозга участвуют и формировании, хранении и реализации программы принятия решений? На эти вопросы практически нет достоверных и полных ответов.

Мы руководствуемся моделью, согласно которой принятие решений при зрительном узнавании основывается па взаимоотношениях воспринимаемой информации и содержимом ДП (Дудкин, 1985; Дудкин, Кручишш и др., 1989). Важную роль при этом играют управляющие процессы, обусловленные механизмами биологической значимости, мотивации, избирательного внимания', установки. Руководствуярь этой идеей, мы ввели в управляющую программу эксперимента настроечный сигнал, обеспечивающий включение внимания в процессы зрительного узнавания. Основное различие между паттернами нейронной активности, коррелирующими с решениями обезьян при зрительном дифференцировании, состоит в том, что правильная моторная реакция сопровождается существенной синхронизацией паттернов одновременно зарегистрированных нейронов, в то время как неправильная, напротив', - десинхронизацией. Количественная оценка синхронизации показывает, что при правильных моторных реакциях формируются сильные функциональные связи между нейронами, которые знач хлыю ослабляются или фактически теряются при неправильных моторных реакциях обезьян. Дссиихронизация активности паблю; :тся уже на первых этапах настроечного сигнала и условных зрительных стимулов, продолжаясь на остальных этапах и в максимальной степени проявляясь в прсфронтачыюй и нижневисочноГг коре. Причиной десинхронизации могут быть „сбои" в управляющих процессах внимания, обусловливающих настройку на восприятие зрительных стимулов, Оши'" -а в моторной реакции может бьггь обусловлена также потерей информации в кагом-либо структурном звене при сенсорном анализе или при вызове содержимого ДП в КП. Наконец, дссиихронизация процессов может быть связана с отделами головною мозга, отве-чющими за эмоциональную и мотивациоинуга сферы организма.

Исследованные нами области коры имеют свои специфические функциональный особенности (Глезер, и др., 1975; Глезер, 1985; Дудкин, 1985; Дудкин и др., 1989; 1992; 1993; Gross, 1973; Лпндсей, Норман, 1974; Rolls ct al, 1977; Mishkin, 1982; Rosenkilde, 1983; Fuiter, 1990, 1993), которые могут определять - их вклад в синхронизацию информационных процессов. Зрительное узнавание включает несколько последовательных этапов, каждый из них реализуется посредством динамических функциональных систем в зонах неокоргекса, таламических и лимбических областей. Естественно, информационные процессы в этих различных отделах головного мозга должны быть строго синхронизированы. Наши данные о значительной статистической функциональной связи между активностью нейронов в разных областях неохортскса при правильных решениях подтверждают это предположение. Неправильные решения при зрительном дифференцировании сопровождаются ослаблением статистических функциональных связей.

' Согласно нашим данным, процессы КП включают две составляющие: динамическую, представляющую информацию в форме временных кодов, и статическую. Последняя реализует отображение этих кодов в р. личных нейронных структурах коры головного мозга, функционально связанных между собой, о чем свидетельствуют корреляционные

t> »

связи между активностью нейронов. Таким образом, мы рассматриваем наши . '-чультаы, как подтверждение гипотезы о кодировании ансамблями. Понятно, что нейрофизиологические механизмы зрительного узнавания определяются нейрохимической организацией нейронных структур (Кругликов, 1986; Durkin, 1989). Раисе нами Сыдо установлено, что хсшинергическая система существенно не влияет па процессы принятия решений при зрительном узнавании без отсрочки (Дудкин, Кручимин и др., 1990), но вносит большой вклад в механизмы КП (Дудкин и др., 1992; 1993). Как показывают .результаты этого исследования, холинергичссхие и глутаматсршчсские структуры неокортекса участвуют в формировании динамических синхронизированных функциональных систем, внося свой существенный вклад в механизмы КП.

Роль холннергической системы в синхронизации процессе.! КП. Известна существенная роль холннергической системы мозга в процессах обучения, памяти, зрительного дифференпироваия (Илыоченок, 1972; Суворов, Суворов, 1975; Кругликов, 1981; Бородкнн, Шабанов, 1986; Matties et aL, 1974; Matties, 1979; Bartus et al., 1982, Collcrt<"i, 1986). Однако остаются далеко не ясными вопросы о механизмах участия этой системы в нейрофизиологических процессах зрительного узнавания и храпения информации п КП н ДП. Благодаря недавним' иммуноцитохимическим работам (Mcsulam et al., 1983) известно, что в зрительной, префронтальной и нижневисочной коре, так же как и в других областях неокортекса, гиппокампа и амигдалы, существуют проекции центральных холииергнческих пугей, имеющие специфическую дифференциацию, позволяющую преобразош-чать и избирательно передавать информацию по определенным адресам (Durkin, 1989). Мы полагаем, что получили электрофизиологические и поведенческие подтверждения таких результатов, свидетельствующие о значительном функциональном разнообразии в механизмах халинергичсских структур неокортекса.

Динамические изменения соотношений возбужденных и заторможенных нейронов в разных областях неокортекса, выявленные нами при воздействии блокатором М-холинорецепторов, неодинаковые для разных функциональных этапов зрительного распознавания, указывают на то, что нейронные структуры этих областей, участвующие в распознавании, объединяются в различные ансамбли • функциональные системы, каждая из которых решает свою специфическую задачу. На всех этапах поведения эти системы вступают в сложное динамическое взаимодействие; функциональные связи между отдельными структурами при этом не жесткие, они, по-видимому, регулируются управляющими процессами (Дудкин. 1985). С этой точки зрения уменьшение коэффициентов взаимной корреляции между импульсной активностью нейронов префронтальной и нижневисочной коры после введения амизила свидетельствуют об ослаблении статистических связей между динамическими функциональными ансамблями в этих областях, приводящему к десинхронизации ипфомационных процессов, и в следствие этого, к ухудшению характеристик КП.

Роль глутамзтерп еских структур в процессах синхронизации. В последние годы получены данные о том, что гпутаматергические механизмы игракг- значительную роль в обучении и долговременней памяти (Сгорожук и д^., 1992; Самойлов, Емельянов, 1993; Lynch, Baudry. 1984; Tsukada, 1988; Wcoblewski. Danysz, 1989; Lynch et al, 199Г Основное направление в этих исследованиях - изуче: не механизмов длительной поеттет! ической

погенниацни на нейронах гинпокамна, которые рассматриваются в качестве модели обучении и памяти (Kennedy. 1989; Linch ct al, lS9t). Однако, эта модель все же достаточно ограничена, для испи [ьзоьгшия результатов, полученных на ней, для выявления механизмов высшей нервной деятельности на бодрствующих животных, особенно на обезьянах.

В дополнение к исследованиям, показывающим, что NMDA рецепторы вносят существенный ыслад в передачу возбуждающих синаптических воздействий в зрительной копе кошек (Miller, 1989: Tsumoto et г!, 19S7), полученные нами результаты свидетельствуют об улучшении у обезьян характеристик отсроченного зрительного узнавания, связанных с КП, при внутрнкоркогам воздействии NMDA - агонпс/а подтипа глутаматиых рецепторов, и ухудшении при воздействии APV - антагониста тех же рецепторов. Тем самым полнен прямой ответ на вопрос об участии глутаматергической системы в механизмах КП, который до сих пор, несмотря на ряд результатов в пользу этой точки зрения (Lynch, Baudry, 1984: Wroblewski, Danysz, 1989: Lynch, 1991), оставался открышм, т.к. в литературе имелись и достаточно веские возражения (Lincoln, 1988; Pontecorvc, Clissold, 1988). Эффект NMDA выразился в увеличении длительности кратковременного храпения информации и синхронизации активности нейронов, вффект APV - в уменьшении ее и десинхроиизация активности. Такие результаты могут служить в пользу гипотезы о кодировании ансамблями. Обратим особое внимание на то, что этот эффект был обратимым - снимался при вымывании следов NMDA. ■

ВЫВОДЫ

1. В г.оьеденчссхих экспериментах на обезьянах (макаках резусах), решающих задачу отсроченного зрительного дифференцирования ггимулов разного цвета, при одновременной регистрации импульсной активности нескольких нейронов зрительной, префронталыюй и нижисвиеочной коры показано, что правильные решения сопровождаются синхронизацией во гремели активных нейронов разных областей, при ошибочных решениях наблюдается десинхроиизация и уменьшение гросскоррсляции между активностью этих групп нейронов.

2. При системном воздействии на обезьян блокатсра М - холинорецепторов - амизила (0.8-1.0 мг/кг) резко уменьшается длительность хранения информации в кратковременной памяти и.увеличивается время к;оторной реакции, что сопровождается торможением активности большинства зарегистрированных нейронов зрительной, акгивацией большего числа нейронов префронталыюй и незакономерным изменением активности у большинства нейронов нижневисочной области нсокортекса. Ухудшение характеристик кратковременной памяти у обезьян при этом характеризуется десипхронизанней активности нейронов, зарегистрированных в разных областях.

3.. При перфузии посредством микродиализа в зрительной или префронталыюй областях керы глутаматермчеекого агониста NMDA (2 мМ) у обезьян наблюдается значительное увеличение длительности хранения информации в кратковременной памяти и укорочение времени моторной реакции, которым сонугствуют увеличение активации

нейронов зрительной и уменьшение активности нейронов префронтальной областей, неокортекса. Значительное улучшение характеристик кратковременной памяти сопровождается увеличением синхронизации активности нейронов, зарегистрированных в разных областях.

4. Обезьяны демонстрируют существенное уменьшение Длительности кратковременного хранения информации и увеличение времени моторной реакции, которые сопровождаются преимущественно уменьшением активности большинства зарегистрированных нейронов зрительной коры при перфузии в ней антагониста глутаматергических рецепторов АРУ (1мМ). При перфузии АРУ в префронтальной коре изменения этих поведенческих характеристик , менее значительны, и они сопровождаются перестройками активности на разных этапах зрительного узнавания. В том и другом случае перфузии .выявлена'значительная десинхронизация активности одновременно зарегистрированных нейронов одной и разных областей. - . 1

5. Полученные данные позволяют предположить, что зрительная информация, удерживаемая в кратковременной памяти, характеризуется пространственно-временным кодом, основным принципом которого является синхронизаша динамических процессов в ансамблях нейронов, распределенных ь разных областях неокортекса. В механизмах такого кодирования одну из основных ролей играют глутаматергичеекке и холинергические кортикальные структуры.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Dudkin К.. Kriichinin V., Chucva I. Neurophysiological correlates of visuel recognition in monkeys //Perception. 1939. V.18. N4. C. 520-521.

2. Дудкин K.H., Кручинин B.K., Скрымииский ю.В., Чуева И.В. Методы автоматизированных исследований нейронных механизмов поведения //Л.: Наука,, 1989. 216 С.

3. Dudkin -К., Knrchinin V., Chucva I. Participation of cholinergic system in visual recognition // Perception. 1990. V.19. N4. P. 373.

4. Дудкин K.H., Кручинин B.K., Чуева И.В., Носков О.Ф., Тонкопий В. Д. Способ моделирования нарушения распознавания зрительных образов //А.с. 1568073. 1990. Б.п. N20.

5. Dudkin К., Kiuchinm V., Chueva I, Cholinergic mechanisms of visual short-term memory ill monkeys//Perception. 1991. V.22. N1.P.104.

6. Dudkin K., Kruchinin V., Chueva I. Visual recognition in monkey: effect of modification of visual and prefrontal cortex glutamatergic structures //Perception. 1993. V.22. Suppl. P. 139.

7. Dudkin K., Kruciiinin V., Chueva I. Processes of visual recognition in monkeys and their neuronal correlates in visual cortcx: the influence of the blockcr of M-cholinoreceptors // Neurosci. Behav. Physiol. 1994. V.24. N2. P. 223-228. ,

8. Dudkin K., Kruciiinin V., Chueva 1., Participation of the cholinergic structures of the prefrontal and inferotemporal cortex in the processes of visual recognition in monkeys //Neurosci. Behav. Physiol. 1S94. V.24. N4. P.341-350.

9. Дудкин K.H., Кручинин Б.К., Чуева И.В., Самойлов М.О., Лазаревич И.В. Метод микродиализа коры мозга в исследованиях нейрофизиологических коррелятов

' познавательных процессов у обезьян II Физиол. жури. 1994. Т.80. N10. С.128-132.

10. Дудкин К.Н., Кручинин В.К., Чуева И.В. Нейрофизиологические корреляты улучшения когнитивных характеристик у обезьян при модуляции NMDA-ергичсских структур префронтальнай коры //Физиол. журн. 1995. Т.81. N1. С.Э2-39.

11. Дудкин К.Н., Кручинин В.К., Чуева И.В. Процессы синхронизации b механизмах кратковременной памяти у обезьян: участие холинергичсских и глугаматергичсскнх структур //Фнзиал. журн. 1995. Т.81. N8. , с

АОЗТ "Текст", С-Пб, ул. Карбышева, 7 2А Об, 95 Зак.'2-4 Т.|00. Тел. 219-41-33