Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Спинальные механизмы инициации локомоции

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Спинальные механизмы инициации локомоции"

г - ~

На правах рукописи

1 О ФЕВ 1998

Казенников Олег Васильевич

СПИНАЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ИНИЦИАЦИИ ЛОКОМОЦИИ

Специальность 03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 1998 г.

Работа выполнена в лаборатории нейробиологии моторного контроля Института проблем передачи информации РАН

Научные руководители:

профессор

доктор биологических наук

академик РАН, доктор медицинских наук

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

доктор биологических наук

М.Л.Шик В.С.Гурфинкель

И.М.Родионов В. Д. Барон

Ведущая организация: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва

Защита состоится " ¿/¿^^^/Ч 1998 г. часов на заседании специализированного совета Д.053.05.35 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова (г.Москва,1 19899, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет).

- о&а-Л/сУ 1998 г.

Автореферат разослан С диссертацией можно ознакомиться'в библиотеке Биологического факультета МГУ.

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат биологических наук

М;; Ч

Б.А.УМАРОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Составным элементом многих форм целенаправленного поведения является локомоция. Изучение организации и работы систем управления локомоцией на нейрональном уровне представляет огромный интерес для понимания нейрофизиологических механизмов управления не только этим классом движений, но и всем многообразием ритмических движений, совершаемых животными. Локализованные на уровне спинного мозга, генераторы шагательных движений могут, при определенных условиях, самостоятельно генерировать ритмические движения конечностей (Freusberg, 1874; Philippson, 1905; Sherrington, 1906 a;b; 1910; Brown, 1911; Grillner, 1973; 1975; 1981; Orlovsky, Shik, 1976; Wetrel, Stuart, 1976; P.Stein, 1978; Viala, Vidal, 1979; Forssberg et al., 1980). Однако основное состояние спинальных генераторов при отсутствии внешних воздействий - неактивное. В рабочее состояние локомоторная программа, реализуемая спинным мозгом, переводится командами, поступающими из высших отделов головного мозга, и функционирует до тех пор, пока продолжается поступление воздействий. В экспериментальных условиях обычно "удается активировать программу искусственно. К настоящему моменту известны несколько областей - субталамическая (Waller, 1940; Орловский, 1969 ), среднемозговая (Шик и др.,1966;) и бульбарная (Шик, Ягодницын, 1977), - электрическое раздражение которых может вызывать локомоцию у мезэнцефалической кошки. Электрическое раздражение этих областей переводит спинальные генераторы шагания в активное состояние. Известно, что нейроны локомоторных областей не посылают длинных нисходящих аксонов в спинной мозг (Garcia-Rill et al., 1983, Shefchyk et al., 1984, Baev et al., 1988). Эти области могут оказывать воздействие на генераторы спинного мозга посредством нейронов с длинными аксонами, локализованных в вентро- и дорсомедиальных областях продолговатого мозга и моста (Орловский, 1970; Kawahara et al., 1985; Jordan, 1986). Действительно, раздражение парамедиальной области ретикулярной формации в некоторых опытах вызывает шагание (Steeves et al., 1986, Березовский и др., 1991), однако, вызывать локомоцию электрическим раздражением нисходящих ретикуло-спинальных путей не удается. Стимуляция рубро- и вестибуло-спинальных путей усиливают активность нейронов в определенные фазы цикла, но не активируют генератор шагания (Orlovsky, 1972). Электрическое раздражение кортико-спинального тракта на уровне продолговатого мозга приводит к локомоции только в случае, если произведена перерезка пирамид на более каудальном уровне (Шик и др., 1968), В этом случае мощные

прямые кортико-спинальные влияния не препятствуют возбуждению генераторов^,- шагания, а активация шагания происходит через стволовые /локомоторные области. Раздражение спинного мозга вызывает ритмические движения при условии, что возбудимость спинного мозга повышена. После воздействия ДОФА у спинальных кошек можно получать шагание по движущейся ленте тредбана или при стимуляции дорсальных корешков (Будакова 1971; У\з\г, Виэег 1971; Сп'Ипег, гапддег, 1974). По-видимому, ДОФА изменяет возбудимость не только нейронов генераторов шагания ( иапкоуэка, 1967), но и нейронов всего спинного мозга (Ноиэдаагс! е! а1., 1984), облегчая активацию шагания разными афферентными воздействиями. В диссертации описана локомоторная полоска дорсолатерального канатика спинного мозга (ДЛК), активация волокон которой дает возможность вызывать .шагательные движения, возбуждая нейроны, расположенные вне генераторов шагания на протяжении спинного мозга. Эти нейроны, посылая свои аксоны на значительное расстояние вдоль спинного мозга, образуют проприоспинальную систему, которая является аналогом ретикуло-спинальной системы. Подобно тому, как ретикуло-спинальные нейроны участвуют в активации шагания из передних отделов мозга, проприоспинальные возбуждаются при стимуляции шагательной полоски спинного мозга. Наши данные позволяют сформулировать гипотезу о единой бульбо-спинальной системе управления локомоцией, включающую ретикуло-спинальные и

проприоспинальные нейроны. Возбуждение различных участков этой бульбо-спинальной локомоторной системы, которое может происходить при воздействии из локомоторных областей как мозгового ствола, так и спинного мозга, приводит к активации шагания.

Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы состояла в проверке возможности вызова шагательные движения путем электрического раздражения спинного мозга кошки и в исследовании спинномозговых механизмов активации генераторов шагания.

В связи с этой целью были поставлены следующие основные

задачи:

1. Изучить возможность вызова шагания электрической стимуляцией спинного мозга.

2. Исследовать нейронные механизмы и пути передачи возбуждения из шагательных точек ДЛК спинного мозга к генераторам шагания.

3. Изучить конвергенцию влияний локомоторных областей среднего, продолговатого и спинного мозга на спинальных интернейронах.

4. Выяснить, вовлекается ли ретикулярная формация мозгового ствола в активацию локомоции при раздражении шагательной точки в спинном мозге.

Научная новизна и теоретическое значение. Впервые показано, что у децеребрированной кошки раздражение ДЛК на уровнях от С2 до 12 вызывает шагательные движения ипсилатеральной задней конечности. Показано, что для вызова шагания из ДЛК не требуется сохранности ни прямых проекций к спинальным генераторам шагания, ни проекций к стволовым центрам управления локомоцией. После обширных разрушений путей, передающих сигналы от локомоторных центров ствола в спинной мозг, шагание при раздражении ДЛК сохраняется. Впервые показано, что при раздражении шагательной точки в ДЛК возбуждается нейроны на значительном протяжении спинного мозга. Установлено, что часть этих нейронов обладает аксонами, имеющими длину свыше 50 мм в ростральном и каудальном направлении. Получены данные о конвергенции синаптических влияний стволовых локомоторных центров и спинальных шагательных точек на нейронах спинного мозга. Показано, что у кошки с интактным спинным мозгом при раздражении шагательных точек в ДЛК происходит возбуждение нейронов медиальной ретикулярной формации. Впервые показано, что нейроны, возбуждаемые при раздражении шагательной точки в ДЛК, обладают ритмической активностью во время спонтанной локомоторной ритмики. ;;

Полученные данные позволяют сформулировать гипотезу о существовании единой стволово-спинальной локомоторной системы инициации локомоции. В разных условиях возможно активировать шагание, возбуждая разные части этой системы. При произвольной целенаправленной локомоции через стволовые локомоторные центры происходит возбуждение, ретикулярной формации мозгового ствола. Возбуждения проприоспинальных нейронов спинного мозга при сильных афферентных раздражениях оказывается достаточным для срочного вызова локомоции.

Практическое значение. Полученные в работе сведения о возможности активировать спинальные генераторы шагания при раздражении спинного мозга могут быть использованы для разработки методов реабилитации больных с повреждениями спинного мозга. Результаты работы также могут быть использованы в научных учреждениях, исследующих процессы переработки информации в нервной системе, а также в биокибернетических и бионических лабораториях, занимающихся теоретическим анализом и конструированием сложных управляющих систем.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях лабораторных и межлабораторных семинаров ИППИ РАН; I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982 г.); XIV и XV Съездах Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова (Баку, 1983 г., Кишинев, 1987 г.); заседании Московского физиологического общества (Москва, 1985 г.); Ill советско-французской встрече "За круглым столом" по нейробиологии (Москва, 1986 г.); советско-американской встрече по проблемам моторного контроля в Институте психологии РАН (Москва, 1987 г.); на Всесоюзном симпозиуме "Регуляция сенсомоторных функций", Винница, 1989.

Структура диссертации. Диссертация содержит 100 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 1 таблицу. Текст состоит из введения, обзора литературы, описания методики, 5 глав изложения результатов собственных исследований с их обсуждением, общего заключения, выводов и указателя литературы, который включает 44 наименования отечественных и 142 зарубежных авторов.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 печатных работах.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты проводились на взрослых кошках массой 2-5 кг. Операционная подготовка под эфирным наркозом включала трахеотомию, трепанацию черепа, перерезку ствола мозга по ростральной границе передних холмов, вентральный край разреза проходил при этом между маммилярными телами и местом входа корешков III пары черепно-мозговых нервов. Животное помещали в стереотаксический прибор, позволяющий жестко фиксировать голову и позвоночник. Позвоночник крепили на шейном и поясничном уровне и производили ламинэктомию необходимого отдела спинного мозга, удаляли твердую мозговую оболочку. Открытый участок спинного мозга покрывали теплым вазелиновым маслом.

Локомоцию у мезэнцефалических кошек вызывали электрическим раздражением бульбарной локомоторной точки, локомоторной области среднего мозга или ДЛ К спинного мозга. Тщательно следили за тем, чтобы стимуляция локомоторных точек не вызывала побочных эффектов: спастического напряжения мышц, подергивания вибрисс, открывания рта и т.д. С этой целью производили поиск наиболее эффективных шагательных точек, стимуляция которых вызывала шагание при минимальном пороге раздражения.

Раздражающий электрод представлял собой стеклянную микропипетку, заполненную сплавом Вуда, с диаметром кончика около 15 мкм, углеродное волокно диаметром 6-8 мкм в стеклянной изоляции или вольфрамовую проволоку диаметром 10 мкм в стеклянной изоляции. Для раздражения применяли прямоугольные импульсы тока отрицательной полярности с амплитудой, не превышавшей 60 мкА (для локомоторной области среднего мозга), и 20 мкА (для локомоторных точек в мозговом стволе и спинном мозге). При симуляции локомоторных точек частота следования импульсов составляла 50-60/с, длительность отдельного стимула - 0,2 мс. Местоположение кончика стимулирующих микроэлектродов определяли по стереотаксическим координатам и (в части опытов) по электролитическим меткам. Разрушение шагательных точек и проводящих путей производили электролитически, пропуская через электрод ток 200 рА в течение 2 мин.

Для внеклеточной регистрации активности нейронов продолговатого и спинного мозга использовали стеклянные микропипетки, с углеродным волокном или заполненные сплавом Вуда диаметром 4-8 мкм.

Синаптические реакции учитывали, если нейрон давал ответы по-крайней мере на половину стимулов (т.е. индекс ответа был более 0,5), приложенных к локомоторной точке. Местонахождение нейронов определяли по шкале механического микроманипулятора. Клеточная активность регистрировалась на движущейся кинопленке (20-40 реализаций при однократном применении стимула) с использованием ждущей развертки, запуск которой производился в момент нанесения раздражения (импульсами со стимулятора ЭСУ-1).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Нашей целью было изучение спинномозговых механизмов активации шагания. Мы показали, что можно вызывать шагание при раздражении ДЛК спинного мозга у децеребрированной кошки. Очевидно, что активация шагания из канатика спинного мозга может происходить:

• из-за непосредственного возбуждения волокон проецирующихся к генераторам шагания (Рис. 1,В).

• из-за непосредственного возбуждения волокнами ДЛК локомоторных областей мозгового ствола (Рис. 1,А).

• из-за опосредованного нейронами спинного мозга возбуждения локомоторных областей мозгового ствола (Рис. 1,С).

• из-за опосредованного нейронами спинного мозга возбуждения генераторов шагания (Рис. 1,0).

Для изучения вопроса об участии прямых проекций в ствол мозга или к генераторам шагания при вызове шагания из ДЛК производили локальные разрушения шагатепьных точек в ДЛК на разном уровне (глава 1).

Чтобы показать, что активация шагания при раздражении спинного мозга может происходить без участия локомоторных центров ствола, производили обширные разрушения проводящих путей спинного мозга (глава 2). Вопрос о происхождении волокон, возбуждающихся при раздражении шагательной точки в ДЛК, исследовали в опытах с хроническими разрушениями в ДЛК. (глава 6).

локомоторные / области /

ретикулярная формация _

СТВОЛ

|/0

шагательная полоска дорсолатерального канатика_

проводящие

I' [

пути

нейроны

генератор шагания

С п И н н О И мозг

С1-С8

ТМ-ТМЗ

11-17 \

0

--►

Рис. 1. Схема расположения шагательной полоски спинного мозга. А-0 - возможные способы активации шагания (см. текст).

Для исследования нейронных механизмов передачи возбуждения из шагательной точки спинного мозга к генераторам шагания изучали синаптические ответы нейронов спинного мозга (глава 4) и ретикулярной формации мозгового ствола (глава 7), наличие у этих нейронов восходящих и нисходящих аксонов (глава 5), конвергенцию на них влияний локомоторных точек ствола и спинного мозга (глава 6). Модуляцию активности этих нейронов во время спонтанной локомоторной ритмики можно рассматривать, как указание на то, что они могут принимать участие в шагательных движениях (глава 8).

1. Шагательная полоска дорсолатерального канатика спинного мозга

Если справедливо предположение, что спинальные генераторы шагания активируются посредством ретикуло-спинальных путей, следовало ожидать, что раздражение этих путей на уровне

спинного мозга должно приводить к шаганию. Действительно при раздражении вентро-латерального канатика спинного мозга, где проходят ретикуло-спинальные волокна, иногда удается получить шагание. Однако такая возможность возникала очень редко. Вместе с тем, раздражение ДЛК, где содержание ретикуло-спинальных аксонов мало, регулярно вызывало шагание.

При раздражении шагательной точки в ДЛК наименьшая сила раздражения требовалась для получения шагательных движений ипсилатеральной задней конечности. При этом на контралатеральной конечности возникает небольшое напряжение мышц или низкоамплитудные шагательные движения. Увеличение силы раздражения приводит к вовлечению в шагание контралатеральной задней конечности. Обе конечности при этом движутся в противофазе с примерно одинаковой амплитудой. В отдельных опытах дальнейшее увеличение силы раздражения приводило к хорошо координированным шагательным движениям всех четырех конечностей. Описывая эффект при пороговой стимуляции, можно говорить, что раздражение локомоторной точки в ДЛК приводит к шаганию ипсилатеральной задней конечности, хотя иногда получали шагание двух или всех четырех конечностей.

В серии опытов мы стимулировали две шагательные точки -одну в левом, другую в правом ДЛК, чтобы исследовать эффект их совместного раздражения. При подпороговой стимуляции раздражение каждой точки вызывало только небольшой вынос конечности вперед. Одновременное билатеральное раздражение шагательных точек вызывало не синфазный вынос вперед обеих ног, а координированное в противофазе шагание задних конечностей. При этом силу раздражения одной точки можно было снижать до величины, при которой раздражение одной шагательной точки не вызывало шагательных эффектов.

Шагательные точки обычно располагалась в ДЛК на глубине 0.5 мм под поверхностью спинного мозга. Шагание можно было получить, раздражая шагательную точку на разных уровнях от С1 до 12. Местоположение шагательных точек в разных опытах было немного различным, однако все они располагались в сходных местах белого вещества спинного мозга. Принимая во внимание, что локомоторная полоска продолговатого мозга проходит вентролатеральнее ядра тройничного нерва, а дорсальный рог является спинномозговым гомологом этого ядра, можно предположить, что шагательная полоска спинного мозга является продолжением локомоторной полоски продолговатого мозга. Однако при раздражении ДЛК спинного мозга, как правило, шагательные движения совершает только ипсилатеральная задняя конечность,

тогда как при стимуляции локомоторной точки в стволе получается симметричное шагание обеих задних конечностей. Можно было предположить, что при вызове шагания возбуждаются волокна какого-нибудь стволово-спинального тракта. Поскольку только отдельные волокна ретикулоспинального тракта проходят в ДЛК, маловероятно, что шагание получается из-за возбуждения этих волокон. Для изучения вопроса о проекциях волокон, активирующихся при раздражении ДЛК, производили разрушение шагательных точек на разных уровнях спинного мозга.

2. Эффекты разрушения шагательной полоски на разных уровнях спинного мозга

Чтобы исследовать участие в вызове шагания нисходящих, восходящих и проприоспинальных путей, в ДЛК находили три шагательные точки на расстоянии 10-15 мм друг от друга и изучали эффект разрушения средней из них на эффективность получения шагания из других. Если активация шагания связана с возбуждением нисходящих путей, то после разрушения шагательной точки стимуляция более рострального участка ДЛК не должно вызывать шагание. Если активация шагания происходит по восходящим волокнам, стимуляция более каудальной точки не должно давать эффект. Разрушение считали достаточно большим, если стимуляция только одной из оставшихся шагательных точек продолжало вызывать шагание. В случае, если более ростральная и более каудальная шагательные точки продолжали вызывать шагание электрод на месте средней шагательной точки погружали на 0.5-1.0 мм и снова производили разрушение. Опыты, в которых обе оставшиеся шагательные точки становились неэффективными не рассматривали. Оказалось, что результаты разрушения зависят от уровня, на котором находятся шагательные точки.

Для изучения роли нисходящих путей в ДЛК на уровне сегментов С2-СЗ находили три шагательные точки. После разрушения средней шагательной точки более ростральная становилась неэффективной в 8 опытах из 10, а раздражение на более каудальном уровне продолжало вызывать шагание (Рис. 2, А). Если каудальная шагательная точка располагалась в 10-12 мм от разрушения, порог шагания возрастал в 1.5-2 раза, а если шагательная точка находилась на уровне 1_1-ТМЗ (т.е. на расстоянии 120-160 мм), то ее эффективность практически не изменялась. Из этих опытов можно сделать вывод, что восходящий поток импульсов по волокнам ДЛК в ствол не является необходимым для активации генераторов шагания спинного мозга. При раздражении шагательной точки в ДЛК активация шагания не является следствием возбуждения локомоторных областей мозгового ствола.

На уровне С5-ТИЗ разрушение средней шагательной точки из трех давало вариабельные результаты. В одних опытах оставалась эффективной ростральная , а раздражение каудальной шагательной точки больше не вызывало шагание, в других опытах наоборот. Раздражение ростральной шагательной точки переставало вызывать шагание, в то время как каудальная продолжала оставаться эффективной.

л. 1

в _ .........ИИ— —I

г. I -I

Г).»ятавягтаяднимщи^ ЦШИЯ

С1-С8 ТМ-ТМЗ 1.1-1.7 ;

-Ь--<-<4-;-►

цц} - разрушение шагательной полоски, ОН -эффектувные места стимуляции

I I - неэффективные места стимуляции, ЕЩ - неисследованные места стимуляции

Рис. 2. Эффекты локальных разрушений шагательных точек на разных уровнях. ^

Участие восходящих путей в вызове шагания из ДЛК изучали в опытах с тремя шагательными точками на уровне сегментов ТМЗ-И. Разрушение средней шагательной точки из приводило к тому, что раздражение более каудальной точки становилось неэффективным (Рис. 2, В). Раздражение ростральной продолжало вызывать шагание, хотя пороговая сила стимуляции могла возрастать на 20-40%. Более рострально расположенные шагательные точки, например на С2-СЗ, не изменяли свою эффективность. Генератор шагания можно было активировать, используя раздражение обычной силы. Таким образом, раздражение волокон ДЛК каудальнее ТИ13 недостаточно для активации генератора шагания, хотя проекции из шагательной точки в ДЛК к генератору шагания сохранились. Раздражение волокон ДЛК на более ростральном уровне продолжает оставаться эффективным, несмотря на то, что прямые связи из этих шагательных точек к генераторам шагания повреждены. Вероятно, в данном случае возбуждение генератора шагания происходит из-за возбуждения нейронов спинного мозга, расположенных на более ростральных уровнях и нейронов мозгового ствола.

Из опытов с разрушением средней из трех шагательных точек в ДЛК можно сделать вывод, что только возбуждение прямых проекций (Рй,9- 1.В) к генераторам шагания не является достаточным для активации шагания (Рис. 2,В). Также не является достаточным возбуждение только волокон, восходящих в мозговой ствол (Рис. 1, А, Рис. 2, А). Можно предположить, что важным компонентом вызова шагания является возбуждение нейронов спинного мозга на всем его протяжении, а не только в области генераторов шагания.

Чтобы исследовать возможность вызова шагания без непосредственного возбуждения как генераторов шагания, так и локомоторных центров мозгового ствола, во второй серии опытов производили разрушение двух шагательных точек на разных уровнях и исследовали возможность вызова шагания из участка ДЛК, расположенного между ними. После разрушения шагательных точек на уровнях С2 и 12 раздражение шагательной полоски как на СЗ, так и на 11 продолжало вызывать шагание (Рис. 2, С). В этом случае прямые пути из шагательной полоски к генераторам шагания и в мозговой ствол прерваны, но возбуждение волокнами шагательной полоски только нейронов на значительном протяжении спинного мозга оказалось достаточным для вызова шагания. В двух опытах шагательные точки , в которых производили разрушение находились на уровне ТЬЗ и 12. В этом случае шагание из участка спинного мозга между разрушениями получить не удалось (Рис. 2, й). По-видимому количество нейронов, возбужденных на протяжении спинного мозга в этих опытах оказывается недостаточным для активации генераторов шагания.

Из опытов с разрушениями шагательных точек следует, что только возбуждение волокон ДЛК, направляющихся прямо к генераторам шагания или в ствол мозга, недостаточно для активации шагания (Рис. 2, А. В). Для активации шагания при раздражении ДЛК необходимо возбуждение достаточного количества проприоспинальных нейронов (Рис. 2, С.й).

Через эти нейроны активация шагания могла бы. происходить из-за возбуждения генераторов шагания. Другая возможность состоит в том, что сначала происходит возбуждение стволовых локомоторных центров, а затем генераторов шагания. Вовлечение стволовых локомоторных центров в активацию шагания при раздражении ДЛК исследовали в опытах с разрушением проводящих путей спинного мозга на уровне С2. Если проприоспинальные нейроны посылают свои аксоны к генератору шагания, то можно получить разрушение в спинном мозге, делающие неэффективными локомоторную точку в

стволе, в то время, когда возможность получить шагание из ДЛК (на уровне СЗ) еще сохраняется.

После обширных разрушений, затрагивающих вентролатеральные, вентральные канатики и серое вещество спинного мозга, шагание при раздражении спинного мозга получили во всех девяти опытах, при стимуляции среднего мозга - только в четырех. В части опытов только двустороннее раздражение ДЛК вызывало шагание.

Сохранение эффективности раздражения шагательной точки спинного мозга, в то время как в результате разрушений проводящих путей локомоторная точка в среднем мозге становится неэффективной, означает, что активация шагания из спинного мозга может происходить без возбуждения локомоторных центров ствола. При этом увеличение порога вызова шагания указывает на вовлечение нисходящих путей в активацию локомоции и важную роль тонических стволово-спинальных влияний.

3. Хронические разрушения шагательной полоски спинного мозга

При стимуляции шагательных точек в ДЛК возбуждение нейронов спинного мозга может происходить по проходящим в нем аксонам восходящих, нисходящих и проприоспинальных трактов. После локальных разрушений ДЛК в остром опыте проведение импульсов по этим аксонам сохраняется. Для исследования вопроса о происхождении волокон, которые необходимы для вызова шагания из шага тельной полоски спинного мозга, были поставлены опыты, в которых за 10-16 дней до острого опыта производили перерыв ДЛК. Изменение эффективности вызова шагания после дегенерации проходящих волокон могло быть указанием на участие этих волокон в активации шагания. На всех препаратах при раздражении ДЛК шагание было получено как на стороне, где ДЛК был поврежден, так и на интактной стороне.

После разрушения в ДЛК с одной стороны на уровне С2 (два опыта) происходит дегенерация нисходящих стволово-спинальных волокон . Возможность получить шагание из ДЛК после дегенерации этих волокон означает, что для инициации локомоции при . раздражении ДЛК возбуждение нисходящих стволово-спинальных путей ДЛК не является необходимым.

В одном опыте разрушение было произведено на уровне И, чтобы вызвать дегенерацию восходящих аксонов нейронов, тела которых располагаются на более каудальном уровне. В этом опыте было получено шагание при раздражении шагательной точки на уровне ТМЗ. Количество нейронов, дающих восходящие аксоны в составе ДЛК и расположенных между этой шагательной точкой и местом разрушения ДЛК, по-видимому мало, и можно думать, что

восходящие волокна также не являются необходимыми для получения щ'агания при стимуляции ДЛК.

В четырех опытах после одновременного хронического разрушения К на уровне С2 и L2 произошла дегенерация как восходящих так и нисходящих волокон. В этом случае для вызова шагания нужно было применять раздражение до 35 рА. Ухудшение условий вызова шагания может быть связано с уменьшением плотности волокон в шагательной полоске из-за дегенерации части проходящих волокон, а также с уменьшением расстояния, на которое распространяется активность по оставшимся проприоспинальным волокнам ДЛК. Вопрос, где располагаются тела проприоспинальных нейронов, посылающих аксоны в районе шагательной точки остается для дальнейшего изучения.

Итак, при вызове шагания раздражением ДЛК прямое возбуждение ни нисходящих церебро-спинальных волокон, ни восходящих спино-церебральных волокон не является необходимым. Распространение возбуждения только по проприоспинальным путям, по-видимому, достаточно для активации шагания. При сохранности восходящих и нисходящих путей ДЛК шагание можно вызвать при меньшей силе раздражения. Это означает, что нисходящие пути также принимают участие в активации генераторов шагания. 4. Синаптические ответы нейронов спинного мозга на микростимуляцию шагательной точки

Возбуждение, возникшее при стимуляции шагательной точки, не направлено прямо к генераторам шагания или к мозговому стволу. По-видимому, шагание возникает вследствие возбуждения ДЛК значительного числа нейронов на протяжении спинного мозга. В следующей серии экспериментов искали клетки, дающие синаптические ответы на раздражение шагательной точки в ДЛК. Для этого в ДЛК находили шагательную точку, а на расстоянии 10-20 мм каудальнее производили погружения отводящего микроэлектрода, одновременно раздражая шагательную точку с частотой 2-4/сек. Для антидромного возбуждения аксонов в 10-200 мм каудальнее места отведения помещали .биполярный электрод в латеральный канатик.

В 56 опытах были зарегистрированы синаптические ответы 351 нейрона на уровне Th13-L1, с вероятностью ответа (индексом ответа) не ниже 0,5. Все нейроны располагались на той же стороне, что и шагательная точка.

Было зарегистрировано также 104 синаптических ответов нейронов верхних шейных сегментов С2-СЗ на раздражение шагательной точки, располагающейся в 8-15 мм ростральнее нейрона. Распределение латентных периодов этих ответов имело такой же вид, как для латентных периодов синаптических ответов нейронов Th13.

Поэтому синоптические ответы нейронов разных отделов спинного мозга на раздражение шагательной точки в ДЛК описываются совместно.

Из сравнения нормированных гистограмм средних латентных периодов синаптических ответов нейронов спинного мозга, располагавшихся каудальнее шагательной точки на небольшом расстоянии (до 9 мм, в среднем 8 мм) и расстоянии большем 9 мм (в среднем 24 мм) видно, что наблюдается увеличение средних значений латентных периодов. Средние латентные периоды составляют 4,1 мс и 4,6 мс соответственно. У 27 нейронов были зарегистрированы синаптические ответы на раздражение двух шагательных точек на разных расстояниях от нейрона. Средняя разность в латентных периодах составляла 0,8 мс при расстоянии, различающимся на 18 мм. Таким образом увеличение латентного периода синаптического ответа с расстоянием могут быть объяснены проведением возбуждения по волокнам шагательной полоски. Половина нейронов, дающих синаптические ответы на раздражение ближней шагательной точки, давали также ответы на раздражение шагательной точки в 30-90 мм от нейрона, и только при расстоянии от шагательной точки до нейрона 180 мм возбудить нейроны из ростральной шагательной точки не удавалось. Это говорит о том. что шагательную полоску ДЛК составляют волокна, имеющие значительную длину - до 90 мм, и раздражение шагательной точки на любом уровне приводит к возбуждению нейронов на значительном протяжении спинного мозга.

В двух опытах с хроническим разрушением ДЛК на уровне С2 производили регистрацию синаптических ответов нейронов при раздражении шагательной точки на уровне СЗ. Было зарегистрировано 11 нейронов, дающих синаптические ответы с индексом ответа более 0,5 на раздражение шагательной полоски после дегенерации нисходящих волокон. Распределение латентных периодов ответов этих нейронов было таким же как распределение латентных периодов ответов у нейронов на интактной стороне спинного мозга. Это означает, что, ло крайней мере, часть синаптических ответов при раздражении шагательной точки в спинном мозге вызвана возбуждением проприоспинальных путей. 5. Антидромные ответы нейронов, возбуждающихся при раздражении шагательной полоски

Локальные разрушения ДЛК на двух уровнях (Рис. 2,С) показали, что активация шагания может происходить без вовлечения прямых проекций к генераторам шагания и в ствол мозга. Для возбуждения этих центров должно происходить возбуждение нейронов, имеющих восходящие и нисходящие аксоны вне

шагательной полоски. Такая возможность была показана для 66 (из 226) нейронов сегментов ТИ10-ТИ 13 спинного мозга, дающих синаптические'ответы на раздражение шагательной точки. БольшинствОАантидромных ответов возникало, когда биполярный электрод находился на границе серого вещества и вентролатерального канатика. Положение эффективной точки, раздражение которой вызывало антидромный ответ у разных нейронов, могло отличатся до одного миллиметра.

Латентные периоды антидромных ответов составляли от 0,5 до 6,3 мс (в среднем 1,4 мс). Скорости проведения были распределены в диапазоне от 3 до 43 м/с (в среднем 23 м/с).

Антидромные ответы при расстоянии между нейроном и местом раздражения до 40 мм возникали в 47% случаев. Когда расстояние до стимулирующего электрода увеличивалось до 40-200 мм, только пятая часть нейронов давала антидромные ответы.

При раздражении шагательной полоски в спинном мозге около трети нейронов, дававших синаптические ответы, посылают свои аксоны в вентролатеральный канатик. Эти нейроны могут принимать участие в проведении возбуждения из шагательной полоски ДЛК к генераторам шагания или в ствол мозга.

Происходит ли возбуждение проприоспинальных нейронов только по волокнам ДЛК или также из-за взаимодействия клеток друг с другом через аксоны, проходящие вне ДЛК? Для ответа на этот вопрос в нижнегрудном отделе спинного мозга находили три шагательных точки и нейрон каудальнее них, отвечающий на раздражение двух крайних шагательных точек. Затем разрушали среднюю шагательную точку (разрушение составляло около 1 мм в диаметре) и регистрировали ответы этого же нейрона. Всего было исследовано 14 нейронов как до, так и после разрушения. Тринадцать из них перестали отвечать на раздражение более ростральной шагательной точки, и только у одного ответ сохранился. Раздражение каудальной шагательной точки продолжало вызывать синаптические ответы у всех 14 нейронов. Кроме нейронов, зарегистрированных как до, так и после разрушения шагательной полоски, в этих опытах 30 нейронов были исследованы только до, а 39 - только после разрушения средней шагательной точки. После перерыва шагательной полоски доля нейронов, отвечающих на раздражение ростральной шагательной точки с индексом ответа более 0,5, уменьшилась с 71% до 13% .

Результаты опытов указывают на то, что распространение активности при стимуляции шагательной точки осуществляется, главным образом, по волокнам шагательной полоски.

6. Конвергенция синаптических влияний локомоторных областей на нейронах спинного мозга.

Чтобы показать, что одни и те же нейроны используются при активации шагания из разных отделов мозга, исследовали возможность возбудить один и тот же нейрон из разных локомоторных точек.

Из 54 нейронов, дававших синаптические ответы на раздражение хотя бы одной локомоторной ипсилатеральной бульбарной или мезэнцефалической локомоторных точек, 12 нейронов возбуждались из обеих локомоторных точек, 33 нейрона отвечали только на раздражение бульбарной локомоторной точки и 9 -только на раздражении мезэнцефалической. Около четверти зарегистрированных нейронов отвечают на раздражение локомоторных точек в продолговатом и среднем мозге. Такая же конвергенция наблюдалась при раздражении контралатеральных бульбарной и мезэнцефалических точек. Раздражение левой и правой локомоторных точек одного и того же отдела ствола выявило более значительную конвергенцию: 11 из 17 зарегистрированных клеток отвечали на стимуляцию как ипси- так и контралатеральной локомоторных точек среднего мозга, 12 из 19 исследованных нейронов возбуждались при раздражении ипси - и контралатеральных локомоторных точек.

Около четверти нейронов спинного мозга возбуждались при раздражении локомоторной точки как в среднем, так и в продолговатом мозге. Более половины нейронов верхних шейных сегментов, отвечающих на раздражение локомоторной точки ствола с одной стороны, также возбуждается при раздражении локомоторной точки на другой стороне, но на том же уровне. Это, по-видимому, означает, что продольные проекции из локомоторных точек ствола более слабые, чем поперечные связи.

При стимуляции шагательной точки в ДЛК спинного мозга в нижнегрудных сегментах и локомоторных точек среднего мозга были исследованы 50 нейронов (в 4 опытах локомоторная точка в среднем мозге располагалась на ипсилатеральной стороне, в 5 - на контралатеральной). Для раздражения локомоторной точки среднего мозга применяли серию из 2-4 стимулов. Реакции на раздражение ипсилатеральной локомоторной точки в стволе были исследованы у 28 нейронов, отвечавших на раздражение шагательной точки в ДЛК. 12 из них возбуждались из локомоторной точки среднего мозга. Латентный период, который можно было оценить у 5 нейронов, составлял 7-8 мс (от последнего стимула в серии). Ответы на

раздражение контралатеральной локомоторной точки наблюдали у 8 нейронов.

Т.о. значительное число нейронов нижнегрудного отдела (20 из 50), отвечавших на раздражение шагательной точки в ДЛК, реагировали и на раздражение локомоторных точек в среднем мозге.

Часть клеток на разных уровнях спинного мозга может возбуждаться при раздражении разных локомоторных точек в стволе или спинном мозге. При вызове шагания из спинного мозга и мозгового ствола происходит возбуждение одних и тех же нейронов, которые могут составлять единую бульбоспинальную систему инициации локомоции.

7. Синаптические ответы нейронов продолговатого мозга на раздражение шагательных точек в ДЛК.

Возбуждение нейронов спинного мозга при раздражении шагательной полоски, по-видимому, достаточно для активации генераторов шагания, однако это не означает, что стволовые нейроны при этом не возбуждаются и не участвуют в организации шагательных движений при раздражении спинного мозга. Для изучения синаптических ответов нейронов мозгового ствола на раздражение шагательной точки в ДЛК было поставлено 18 опытов. Поиск нейронов производили в продолговатом мозге в 1-4 мм ростральнее обекса, 0,5 - 2,5 мм от средней линии. Ответы с индексом ответа более 0,5 были зарегистрированы у 205 нейронов.

В четырех опытах, когда раздражали шагательную точку на С2 с двух сторон, синаптические реакции были получены у 44 нейронов. Девять нейронов возбуждались только при раздражении ипсилатеральной шагательной точки, 17 - только при стимуляции контралатеральной, 18 нейронов отвечали на раздражение как ипси-так и контралатеральной точек. Значительное количество нейронов продолговатого мозга, возбуждаемых при раздражении шагательных точек в ДЛК, означает, что эти нейроны могут участвовать в активации шагания контралатеральной конечности, а также координации движений разных конечностей. У 7 из 38 нейронов продолговатого мозга, отвечающих на раздражение шагательной точки, были получены антидромные ответы при раздражении латерального канатика спинного мозга. Транссинаптическое возбуждение медиальной ретикулярной формации происходит также при раздражении шагательной точки на уровне нижнегрудных отделов спинного мозга. Были зарегистрированы синаптические ответы у 13 нейронов при раздражении шагательной точки на уровне Th13. Латентные периоды синаптических ответов составляли 12,9-18,8 мс (п=10). У 18 нейронов продолговатого мозга исследовали возможность вызвать синаптический ответ при раздражении шагательных точек на

уровне ТМЗ и С2. Десять нейронов отвечали только на раздражение шагательной точки на уровне С2, 6 клеток возбуждались при раздражении обеих шагательных точек, 2 нейрона - только при раздражении ТМЗ.

Двенадцать нейронов продолговатого мозга были исследованы при раздражении шагательной точки на уровне С2 спинного мозга и локомоторной точки в мозговом стволе. Шесть нейронов отвечали на раздражение обеих точек, что может означать, что одни и те же нейроны ретикулярной формации могут участвовать в возбуждении шагания при раздражении ствола и спинного мозга.

Латентный период синаптического ответа можно было определить у 37 нейронов, отвечающих с индексом более 0,5 на раздражение ипсилатеральной шагательной точки на уровне С2. У разных нейронов латентные периоды находились в диапазоне 2-28 мс. в среднем 9,3 мс. Латентные периоды синаптических ответов нейронов отвечающих на раздражение контралатеральной шагательной точки, находились в диапазоне 2-10 мс, в среднем 7,0 мс.

Нейроны медиальной ретикулярной формации возбуждаются при раздражении шагательных точек на разных уровнях спинного и продолговатого мозга и могут быть частью бульбо-спинальной системы активации шагательных движений. 8. Дополнительные наблюдения в пользу участия нейронов спинного мозга в инициации локомоции.

Шагательные движения вызываются у кошки при стимуляции локомоторной точки с частотой 20-60/с. Поэтому мы исследовали влияние частоты раздражения локомоторной точки на синаптические ответы нейронов может указывать на их участие в активации шагания. При раздражении 2-4/с находили нейрон, дающий синаптические ответы на стимуляцию локомоторной точки, и затем изменяли частоту стимуляции, силу и количество стимулов. Раздражение с высокой частотой (20-60/с) было, как правило, кратковременным, чтобы не возникло шагательных движений, т.к. при этом нейрон легко повреждался. Учитывали ответы нейронов, у которых в каких-либо . условиях стимуляции удавалось получить разряд с вероятностью более 0,3.

Было исследовано 149 нейронов сегментов С2-СЗ при стимуляции стволовых локомоторных точек ( мезэнцефалической, бульбарной, ипси- или контралатеральной). При переходе к более высокой частоте стимуляции локомоторной точки изменение индекса ответа зависело от индекса ответа на редкой частоте стимуляции и не зависело от того, в каком отделе мозга раздражается локомоторная точка. Если вероятность разряда составляла 0,0-0,3, то в среднем он

повышался до 0,3-0,5 при стимуляции с высокой частотой раздражени^. Если индекс ответа на низкой частоте находился в диапазоне 0,;.4-0,8, то при высокой частоте стимуляции он становился 0,5-0,6, а исходный индекс ответа 0,8-1,0 снижался до 0,7-0,8.

Аналогичным образом изменялась вероятность разрядов у нейронов нижнегрудных сегментов спинного мозга при раздражении шагательной точки в ДЛК. Средний индекс ответа для нейронов спинного мозга в этих экспериментах вырос с 0,23 до 0,50 при переходе от частоты раздражения 4/с к частоте 40/с (47 нейронов). Это значит, что "средний" нейрон стал генерировать 20 имп/с вместо 1 имп/с.

Т.о.при увеличении частоты стимуляции происходит сильный рост частоты импульсации нейронов. Учитывая, что число нейронов отвечающих с низким индексом ответа при редкой частоте стимуляции велико, можно думать, что частота импульсации нейронной популяции при переходе к высокой частоте стимуляции значительно возрастает, что может указывать на участие этих нейронов в управлении локомоцией.

Другим указанием на участие этих нейронов в управлении локомоцией является модуляция их активности во время спонтанной локомоторной ритмики. После децеребрации через передние холмы и перерезки спинного мозга в нижнегрудном отделе у некоторых животных возникали непрерывные ритмические движения передних конечностей (спонтанная локомоторная ритмика). В этих условиях регистрировали активность нейрона (одновременно с ЭМГ конечности), а также их реакцию на раздражение шагательной точки в разные фазы локомоторного ритма. Ответы на раздражение шагательной точки были зарегистрированы у 16 из 58 исследованных циклически активных нейронов, причем из 26 нейронов с максимумом активности во флексорной части цикла ответы давали 12 единиц (46%), а из 29 нейронов активных в экстензорную часть цикла отвечали только 4 (14%).

Всего в этих опытах были зарегистрированы ответы на раздражение шагательной точки у 31 нейрона. Т.о. 28% циклически активных нейронов отвечали на стимуляцию шагательной точки, а среди всех отвечавших нейронов 52% были циклически активны. Следовательно, часть нейронов, возбуждаемых из шагательной точки , вероятно, участвуют в реальной локомоции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Стимуляция ДЛК на протяжении спинного мозга от С2 до 12 вызывает шагание ипсилатеральной задней конечности в острых

опытах на мезэнцефалических кошках. При этом необязательно непосредственное возбуждение аксонов, идущих к генераторам шагания или к стволовым центрам управления локомоцией. Инициация шагания может происходить посредством возбуждения нейронов спинного мозга, имеющих нисходящие и восходящие аксоны. Эти нейроны образуют на протяжении спинного мозга проприоспинальную систему, которая может быть возбуждена при раздражении локомоторных точек в мозговом стволе и спинном мозге. При раздражении шагательной точки в ДЛК происходит возбуждение ретикулярной формации продолговатого мозга. По-видимому нейроны ретикулярной формации мозгового ствола вместе с проприоспинальными нейронами образуют единую стволово-спинальную систему инициации локомоции. На нейронах этой системы происходит конвергенция влияний из разных стволовых локомоторных центров и шагательной полоски спинного мозга. Инициация локомоции может осуществлятся при возбуждении только части этой системы, но при условии активации нейронов пролриослинальной системы возбуждены на достаточно большом протяжении

ВЫВОДЫ

1. В ДЛК спинного мозга расположены точки, раздражение которых вызывает шагание ипсилатеральной задней конечности. При увеличении силы стимуляции можно получить шагание обеих задних ног или даже всех четырех конечностей. Шагательные точки'можно обнаружить на протяжении спинного мозга от С2 до L1.

2. Инициация шагания не является результатом прямого возбуждения аксонами ДЛК локомоторных центров управления локомоцией в стволе мозга или генераторов шагания спинного мозга. При раздражении шагательной точки в ДЛК возбуждение только аксонов проприослинальных нейронов достаточно для инициации шагания. Возбуждение нисходящих и восходящих стволово-спинальных и спино-стволовых аксонов облегчают вызов шагания, но не являются необходимыми.

3. Активация шагания достигается благодаря возбуждению проприослинальных нейронов спинного мозга на большом протяжении. При раздражении шагательной точки в ДЛК происходит транссинаптическое возбуждение нейронов спинного мозга на расстоянии до 180 мм от точки стимуляции. Раздражение шагательной точки с более высокими частотами увеличивает эффективность синаптического возбуждения нейронов спинного мозга.

4. Около половины нейронов спинного мозга, дающие синаптические ответы на раздражение шагательной точки в ДЛК, посылают сбои аксоны в каудальном и ростральном направлении в составе вентролатерального канатика. Около 20% нейронов имеют длину аксонов до 200 мм. Такие нейроны могут передавать возбуждение к генераторам шагания спинного мозга или локомоторным центрам мозгового ствола.

5. При стимуляции шагательных точек в ДЛК возбуждаются также нейроны ретикулярной формации продолговатого мозга.

6. Часть проприоспинальных нейронов и нейронов ретикулярной формации, дающих синаптические ответы на стимуляцию одной шагательной точки, возбуждаются также при раздражении других локомоторных точек на разных уровнях ствола и спинного мозга. Можно предположить, что нейроны ретикулярной формации и пролриоспинальные нейроны участвуют в инициации шагания при раздражении локомоторных точек и образуют бульбоспинальную систему нейронов, участвующих в управлении локомоцией, независимо от стимулируемого отдела мозга.

7. Нейроны шейных отделов спинного мозга, возбуждаемые при раздражение шагательных точек спинного мозга, обладают ритмической активностью во время спонтанной локомоторной ритмики, что позволяет предполагать их участие в управлении локомоцией.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Казенников О.В., Селионов В.А., Шик М.Л., Яковлева Г.В. Нейроны верхних шейных сегментов, отвечающих на раздражение бульбарной локомоторной полоски // Нейрофизиология. 1979. т. 11, N.3. С.245-253.

2. Казенников О.В., Селионов В.А., Шик М.Л. Полисинаптическое распространение активности в осевой части центральной нервной системы // В сборнике "Современные проблемы физиологии нервной и мышечной системы". Тезисы Всесоюзной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика И.С.Бериташвили. Тбилиси. 1985. С.74-75.

3. Казенников О.В., Шик М.Л., Яковлева Г.В. О двух путях для "локомоторного воздействия" мозгового ствола на спинной мозг II Физиол. журн. СССР. 1980. т.66, N.8. С. 1260-1263.

4. Казенников О.В., Шик M.Л., Яковлева Г.В. Шагательные движения, йызываемые раздражением дорсолатерального канатика спинного мбага у кошки // Бгал. эксперим. биол. и мед. 1983 (а). т,96, N.8. С.8-10.

5. Казенников О.В., Шик М.Л., Яковлева Г.В. Ответы нейронов верхних сегментов спинного мозга кошки на раздражение локомоторной области мозгового ствола с разными частотами // Нейрофизиология. 1983 (б), т.15, N.4. С.355-361.

6. Казенников О.В., Шик М.Л., Яковлева Г.В. Синаптические ответы проприоспинальных нейронов спинного мозга на стимуляцию дорсолатерального канатика // Нейрофизиология. 1985. т. 17, N.3.

С.281-289.

7. Kazennikov O.V., Selionov V.A., Shik M.L. Polysynaptic retranslation and direct conduction of the signal in the axial nervous system of vertebrates // Soviet-American Seminar "Information coding and transmission in biological system". Suzdal. 1986.

8. Казенников О.В., M.Л. Шик, H.H. Будакова. Активность нейронов спинного мозга и их ответы на раздражение "шагательной" полоски во время спонтанной локомоторной ритмики. Физиол. журн. СССР,

1987, т. 73, в. 5: 644-650.

9. Казенников О.В., Селионов В.А., Шик М.Л. Об управлении .локомоцией // Тезисы докладов на XV съезде Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова. Кишинев. 1987. С.72-73.

10. Казенников О.В., Шик М.Л. Распространение активности по "шагательной полоске" спинного мозга у кошки // Нейрофизиология.

1988. Т.20, N.6. С.763-769.

11. Kazennikov O.V., Selionov V.A., Shik M.L. On the bulbospinal locomotor column in the cat, In: "Stance and Motion. Facts and Concepts", Plenum Press, New York. 1988. P.123-131.

12. Казенников О.В., Будакова H.H., Шик М.Л. Пути, необходимые для вызова ходьбы раздражением локомоторной области мозгового ствола II Физиол. журн. СССР. 1990. т.76, N.1. С.26-32.

13. Казенников О.В., Яковлева Г.В. Синаптические ответы нейронов продолговатого мозга на раздражение шагательной полоски спинного мозга у кошки // Нейрофизиология. 1991, 23, N3, с.328-333.

14. Казенников О.В., К.Р.Беляев, Г.В.Яковлева, М.Л.Шик. Синаптические ответы нейронов спинного мозга на микростимуляцию шагательной полоски И Нейрофизиология, 1991, 23, N 5, с.631-633.

15. Казенников О.В. Распространение активности в спинном мозге при раздражении шагательной точки дорсолатерального канатика у кошки // Всесоюзный симпозиум "Регуляция сенсомоторных функций", тезисы докладов, Винница, 1989. с,69. —