Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структурно-функциональные особенности "зоны Лешли" коры головного мозга у крыс при различении сложных зрительных стимулов в условиях альтернативного выбора

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Структурно-функциональные особенности "зоны Лешли" коры головного мозга у крыс при различении сложных зрительных стимулов в условиях альтернативного выбора"

ВДСдИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

2 1 А'-*

ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

На правах рукописи УДК 611.812:612.821

САПЕЦКИЙ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ "ЗОНЫ ЛЕШЛИ" КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА У КРЫС ПРИ РАЗЛИЧЕНИИ СЛОЖНЫХ ЗРИТЕЛЬНЫХ СТИМУЛОВ В УСЛОВИЯХ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ВЫБОРА

Специальность 03.00.13 - физиология человека и животных

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1998 г.

Работа выполнена в лаборатории ультраструктурных и цитохимических основ условного рефлекса (зав. лабораторией - доктор биологических наук, профессор Н.С.Косицын) Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (директор Института - академик РАН, профессор П.В.Симонов).

Научный руководитель:

заслуженный деятель науки РФ, доктор биологических наук, профессор Н.С. Косицын

Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, профессор, доктор биологических наук И.А. Шевелев

доктор биологических наук, профессор В.В. Шульговский

Ведущее учреждение: Институт мозга РАМН, г.Москва.

Защита состоится "¿3 " Ш

199 а года в часов на заседании Специализированного Ученого Совета Д-003.10.01 при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН по адресу: 117865 г.Москва, ул.Бутлерова, д. 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН по адресу: 117865 г.Москва, ул.Бутлерова, д. 5а.

Автореферат разослан " М_199 В г.

Ученый секретарь Специализированного Ученого Совета Д-003.10.01

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение физиологических основ взаимодействия сенсорных и моторных систем является магистральным направлением в комплексе современных исследований интегративной деятельности мозга (Анохин, 1968; Лурия, 1969; Полякова, 1977; Соколов, 1981; Шевелев, 1994; Рынков, 1990; Батуев, 1991; Базиян 1993; Симонов 1993; Шулыовский 1993; Судаков, 1995 и др.). В рамках этого направления исследований, одной из наиболее актуальных задач является выявление и подробное изучение анатомических локусов мозга с четко выраженными функциональными свойствами, которые сочетали бы в себе системную интеграцию сенсорных воздействий и формирование двигательных эфферентных возбуждений в рамках единого приспособительного акта. По мнению многих выдающихся зарубежных (Маунткастл, 1981; Наута, Фейртаг, 1982; Крик 1982; Хьюбел, 1990 и др.) и отечественных (Любимов, 1979; Иваницкий, 1997; Иоффе, 1997; Симонов, 1997 и др.) исследователей, решение этой проблемы позволит на новом качественном уровне проводить исследования физиологических, биохимических, морфологических и поведенческих аспектов высших функций мозга человека и животных.

Другое направление в фундаментальных исследованиях высших функций мозга человека и животных связано с изучением эволюционного развития и структурного усложнения механизмов коркового синтеза. В свою очередь, это усложнение обусловлено вычленением и прогрессивным развитием в эволюции млекопитающих ассоциативных образований, в которых отсутствует доминантное представительство какой-либо одной сенсорной системы и имеет место широкая конвергенция и интеграция афферентных потоков разной модальности (Филимонов, 1949; Орбели, 1953; Поляков, 1965; Богословская. Воронин, 1979; Батуев 1981; Зворыкин, 1993 и др.).

Уникальный пример такого рода структур представляет собой узко локализованный участок в затылочной коре головного мозга у крыс, на особое функциональное значение которого впервые обратил внимание знаменитый американский нейропсихолог К.С.Лешли (1890-1958 г.г.), но, в силу ряда причин, не закончил свои исследования. Этот участок, с одной стороны, сочетает в себе системную интеграцию сенсорных воздействий и формирование двигательных эфферентных возбуждений в рачках единого приспособительного акта, а с другой стороны, он является своего рода "предшественником" в эволюции млекопитающих тех ассоциативных образований, в которых отсутствует преимущественное представительство какой-либо одной сенсорной системы.

Актуальность данной работы обусловлена еще и тем, что в настоящее время участки коры головного мозга у крыс, которые имеют строгую функциональную специфичность наряду с узкой топологической локализацией, мало изучены и представляют большой интерес для исследователей. По-видимому, отсутствие экспериментальных разработок в этой области исследования обусловлено отсутствием адекватных методик отбора лабораторных животных для участия в сложных поведенческих экспериментах, т.к. при проведении этих исследований значительную роль играют индивидуально-типологические особенности экспериментальных животных и, а частности, способность животных к обучению.

Все вышеизложенное, в совокупности, обусловило цель настоящей работы: исследовать функциональные особенности топологии "зоны Лешли" коры головного мозга у крыс при различении зрительных стимулов в условиях альтернативного выбора, а также определить влияние индивидуально-типологических особенностей лабораторных животных на характер и условия проведения экспериментов с использованием сложных условнорефлектор-ных методик.

Нами бьшо экспериментально показано, что после удаления "зоны Лешли" крыса хорошо различает предъявляемые ей зрительные стимулы (это было выявлено в опытах с электроболевым подкреплением), совершает хорошо скоординированные прыжки по направлению к зрительным стимулам (установлено в опытах с различением яркости), но объединить эти два компонента условного рефлекса различения зрительных стимулов с пищевым подкреплением в единый зрительно-моторный акт уже не в состоянии: крыса не попадает в цель, даже если зрительно она ее фиксирует. Таким образом, нами был обоснован вывод о том. что наличие интактной "зоны Лешли" для реализации адекватной двигательной программы имеет критическое значение в том случае, когда от животного требуется выбрать подкрепляемый зрительный стимул и прыгнуть по направлению к нему. В ходе проведения этих исследований, решались следующие задачи:

1. Провести предварительные исследования по методической реконструкции схемы услов-норефлекторного обучения навыку различения сложных зрительных стимулов в соответствии с методом К.С.Лешли и разработать адекватные методические приемы для проверки сохранности остроты зрения и координации движения у оперированных крыс.

2. В процессе сравнительного анализа различных способов отбора лабораторных крыс выявить оптимальный метод, наиболее полно удовлетворяющий условиям проведения экспериментов по различению сложных зрительных стимулов.

3. Изучить влияние возрастного фактора на формирование условного рефлекса различения сложных зрительных стимулов и выявить динамику образования данного рефлекса у молодых и взрослых животных.

4. Определить влияние размеров, месторасположения и методов экстирпации различных локальных участков в затылочной коре головного мозга у крыс на сохранность навыка различения сложных зрительных стимулов и способность животных к повторному (послеоперационному) обучению.

5. Провести комплексное морфологическое исследование участка коры головного мозга у крыс, который связан с функциональной локализацией навыка различения сложных зрительных стимулов и отдифференцировать корковое представительство зрительного анализатора в затылочной коре головного мозга у крыс от вторичной полисенсорной области.

Научная новизна.

1. В ходе выполнения настоящих исследований, нами был впервые разработан экспериментальный метод, позволяющий в течение 7 дней производить отбор крыс, которые пригодны для проведения сложных экспериментов, включающих в себя задачу сложного зрительного различения.

2. Нами было экспериментально установлено существенное отличие в реализации ориентировочно-исследовательской деятельности тестируемых животных в составе группы и в условиях одиночного тестирования: животные, которые наиболее активны в составе группы, обладают лучшими способностями к обучению; животные, которые затрачивают наименьшее время в условиях индивидуального теста, обладают наибольшей эмоционхтьной устойчивостью.

3. Разработанный нами метод позволяет формировать группы животных, объединенных обшей структурой исследовательского поведения, что значительно повышает степень стандартизации проводимых исследований, а также позволяет проводить ранговую корреляцию индивидуальных различий в поведении животных.

4. В ходе настоящих исследований впервые экспериментально установлено, что способность к образованию навыка, требующего реализации сложного зрительно-моторного поведения, критическим образом зависит от наличия небольшого участка в затылочной области коры головного мозга у крыс - "зоны Лешли". Этот участок коры расположен на границе Ос1 (поле 17) и Ос 2.! (поле 18а) и не совпадает с расположением полей "с" и "Ь", описываемых К.С. Лешли, хотя в значительной мере включает в себя последнее.

5. Экспериментально показано, что после удаления "зоны Лешлн" крыса хорошо различает предъявляемые ей зрительные стимулы (в опытах с электроболевым подкреплением), у оперированных крыс не нарушаются моторные функции, но при этом опреированные животные необратимо утрачивают способность к интеграции зрительного и моторного компонента УР в рхмках единого зрительно-моторного акта (прыжок по направлению к зрительным стимулам).

Научно-практическое тачание.

1). Разработанный нами предварительный метод отбора наряду с применением значительно

упрощенной экспериментальной схемы тестирования и минимальными требованиями, предъявляемыми к техническому обеспечению, позволяет производить выборку именно тех животных, которые пригодны для участия в сложных поведенческих экспериментах. Тем самым этот метод позволяет не только повысить эффективность экспериментальных исследований, оптимизировать сроки их проведения, но и рационально использовать лабораторных животных при подготовке и проведении экспериментов.

2). Локализованный в ходе настоящих исследований участок коры головного мозга - "зона Лешли", может служить удобным, высокоспециализированным и эффективным маркером морфо-функционального состояния неокортекса при исследовании роли различных экзогенных и эндогенных воздействий на процессы высшей нервной деятельности. Это, в свою очередь, может иметь большое значение при проведении доклинических испытаний; при изучении влияния различных лекарственных веществ на процессы обучения и памяти; при изучении динамики восстановления нарушенных функций под действием различных фармакологических препаратов.

Основные положения выносимые на защиту.

1. Разработанный нами метод отбора крыс линии Вистар для участия в сложных поведенческих экспериментах позволил установить существенное отличие в реализации ориентировочно-исследовательской деятельности тестируемых животных в составе группы и в условиях одиночного тестирования: животные, которые наиболее активны в составе группы, обладают лучшими способностями к обучению; животные, которые затрачивают наименьшее время в условиях индивидуального теста, обладают наибольшей эмоциональной устойчивостью.

2. Поведенческие эксперименты при выработке условного рефлекса различения сложных зрительных стимулов проводятся в экспериментальной ситуации, имеющей высокую степень сложности для подопытных животнььч. Поэтому наблюдаемые в этих условиях существенные различия в протекании условнорефлекторпых реакций у животных с разными

индивидуально-типологическими особенностями обусловливает необходимость применения разработанного нами метода отбора лабораторных животных.

3. В ходе наших исследований локализован участок затылочной области коры головного мозга у крыс - "зона Лешли" удаление которого приводит к полной утрате навыка, требующего реализации сложного зрительно-моторного поведения. Этот участок расположен на границе Ос 1 (поле 17) и Ос 2.1 (поле 18а) и не совпадает с расположением полей "с" и "Ь", описываемых К.С. Лешли, хотя в значительной мере включает в себя последнее.

4. Промежуточное расположение "зоны Лешли" обусловливает нейроанатомическое разделение этой зоны на медиальную (расположенную в поле 17) и латеральную (расположенную в поле 18а) части, которые по своему расположению и специфическим характеристикам соответствуют зрительной проекционной области и вторичной полисенсорной зрительной области у крыс.

5.Установлено, что после проведения операции у животных сохраняется зрение и координация движений, но при этом необратимо нарушается условнорефлекторное поведение в опытах, когда от животного требуется выбрать подкрепляемый зрительный стимул и прыгнуть по направлению к нему. Поэтому наблюдаемая утрата навыка после экстирпации "зоны Лешли" может быть связана прежде всего с нарушением ассоциативных функций коры головного мозга у крыс.

Апробация работы. Материалы исследования были доложены и обсуждены на Н-й нейрогистологической конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР и АМН СССР Н.Г.Колосова в С-Петербурге (1994); на 11-й международной конференции по нейрокибер-нетике в Р-на-Дону (1995); на 1-й конференции молодых физиологов и биохимиков России в С-Петербурге, (1995); на Ш-й международной конференции стран СНГ по функциональной нейроморфологии, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР и АМН СССР Н.Г.Колосова в С-Петербурге (1997); на молодежной научной конференции Института ВНД и НФ РАН, посвященной 90-летию со дня рождения академика АН СССР М.Н.Ливанова (1997); на конференции молодых ученых России с международным участием в ММА им. И.М. Сеченова (1998); на конференции молодых ушных по проблемам высшей нервной деятельности в МГУ им. М.В.Ломоносова, посвященной 90-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР и АПН СССР Л.Г.Воронина (1998); на XVII Съезде физиологов России в г. Р-на Дону (1998); на конференции молодых ученых в Институте ВНД и НФ РАН, посвященной 95-летию со дня рождения академика АМН СССР В.С.Русинова (1998); на заседании Ученого совета ИВНД и НФ РАН "Важнейшие научные достижения Института за 1998 г" (1998).

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, главы с результатами исследований, обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Работа изложена на страницах машинописного текста, иллюстрирована рисунками и таблицами. Библиография содержит 132 наименования работ на русском и 101 на иностранных языках.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперименты проводили на крысах-самцах линии Вистар, масса которых в начале эксперимента была 125 - 150 г.; карантинный период - 10 дней. Специальных мер по защите микробиологического статуса не предпринималось. Животные содержались по 5 особей в клетках Techniplast № 1354 при регулируемой t° 20 ± 2° С и относительной влажности 60 ± 5 %. В качестве подстила использовались опилки деревьев мягких пород, предварительно про-стерилизованные при температуре 150 - 180 °С в течение 15 - 20 мин. Освещение - естественное в летнее время, зимой с 15.00 до 18.00 - искусственное. Вентиляция и фильтрование приточно-вытяжные, (10 полных смен воздуха/ч). Период привыкания к условиям содержания и процедурам во время эксперимента - 7 дней.

Выработку УР различения сложных зрительных стимулов (РСЗС) у крыс в условиях

Рис.1 Камера для исследования восприятия сложных зрительных альтернативного выбора прово- стимулов по методике К.СЛешли.

дили по оригинальной методике К.С. Лешли. Экспериментальная установка (Рис. 1) состоит из экрана с двумя прямоугольными отверстиями, которые закрываются карточками с изображенными на них фигурами (зрительными стимулами), подлежащими различению и площадки, находящейся на некотором расстоянии от экрана. В ходе эксперимента животное должно было перескочить с площадки, через одно из отверстий на другую площадку, находящуюся позади экрана. Зрительные стимулы (ЗС), использованные при исследовании восприятия зрительных структур, представляли собой чертежи, окрашенные в белый цвет на

фоне черных карточек размером 15 см2 и предъявлялись парами. Карта, на которой изображен неподкрепляемый стимул, фиксировалась: если животное прыгало на эту карту, оно попадало в сеть, расположенную ниже. Вторая карта подвешивалась так, что сила прыжка животного легко откидывала эту карту вверх и приводила животное на площадку, где оно получало корм. Положение незафиксированной карты с изображением подкрепляемого ЗС меняли следующим образом: 1) на стадии выработки УР РСЗС - сразу после правильного выбора подкрепляемого ЗС (во избежание выработки УР на направление); 2) на стадии упроченного УР РСЗС - в соответствии с заранее определенными программами случайных чередований. Обучение продолжали до достижения критерия выработки 12/13 правильных ответов. После этого проводили билатеральную экстирпацию исследуемых участков коры головного мозга у крыс с применением нембуталового наркоза (50 мг/кг, внутрибрюшинно). Удаление производили в оксипитотемпоральной области неокортекса стереотаксическим методом (с использованием "брегмы" в качестве точки отсчета для передне-задних координат) по стереотакси-ческому атласу мозга крысы. На начальном этапе исследований удаление производили методом аспирации; на всех последующих этапах применяли метод локальной гомогенезацич. Послеоперационные испытания сохранности навыка различения ЗС проводили через 10 дней после операции. Для контроля сохранности остроты зрения у оперированных крыс применяли методику выработки УР различения изображений (РИ) с электроболевым подкреплением в условиях альтернативного выбора по методике Я. Буреша. Камера, которая была использована в этих экспериментах, состоит из стартовой области, отделенной плексигласовой гильотинной дверцей от области выбора, которая сообщается с целевым отсеком посредством откидывающихся карточек, на которых нанесены ЗС, подлежащие различению. Решетчатый пол стартовой области и области выбора электрифицирован. Секции, находящиеся перед карточками, подключаются к источнику тока независимо от остальной части решетки. Зрительные стимулы, использованные при выработке УР, применяли те же, что и при выработке УР РСЗС. В ходе эксперимента животное должно было выйти из стартовой области, выбрать положительный ЗС и зайти в безопасный отсек в течение 5 секунд, когда электрический ток не подается. При этом карточка с отрицательным ЗС остается закрытой и на часть решетки перед этой дверцей подается ток. Таким образом, животное получает удар тока, когда приближается к отрицательной дверце, даже если это происходит во время 5 е., когда ток не подается. Карточки с зрительными стимулами меняли так же как и при выработке УР РСЗС (см. выше). Обучение продолжали до достижения критерия 9/10 правильных ответов.

По окончании исследований производили интракардиалыгую перфузию животных 10%-ным забуференным раствором формальдегида (рН 7,3 - 7,5). Морфологическое обследо-

вание размеров повреждений и локализацию экстирпированных участков коры головного мозга у крыс производили на фронтальных срезах мозга, окрашенных по методу Ниссля. Статистическая обработка полученных данных, а также оценка доверительных интервалов при уровне значимости р < 0,01 проводилась с использованием программы Microsoft Excell 5.0а в среде Windows for Workgroups 3.11.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Весь комплекс проведенных исследований по выявлению анатомической локализации "зоны Лешли" можно условно разделить на два этапа. Целью первого этапа исследований являлась прямая проверка специфичности полей "Ь" и "с" (Рис. 2) в отношении различения сложных ЗС. В общей сложности на этом этапе было обследовано 40 крыс Животных обучали различению зрительных стимулов по классической методике К.С. Лешли. Во время проведения экспериментов у 14 крыс из 40 не удалось выработать навык различения либо вследствие бездеятельности, либо в результате активного избегания животными экспериментальной ситуации, связанной с решением задачи различения сложных ЗС.

Рис.2 Участки головного мозга крысы, необходимые для воспрн- ных попыток, удаляли участки ко-ятия сложных зрительных стимулов (Лешли, 1933).

ветствовали полям "Ь" и "с" (16 и 10 животных соответственно). Удаление производили посредством метода аспирации билатерально. Было установлено, что у всех животных, независимо от того, какое поле было удалено, навык различения ЗС не только полностью утрачивался, но и не восстанавливался при увеличении продолжительности повторной выучки УР РСЗС (в 2 раза по сравнению с не оперированными животными). При этом все животные выполняли прыжок по направлению к ЗС, которому обучились до операции. Таким образом, складывалось впечатление, что из-за проведенной экстирпации пострадала тонкая зрительная дифференцировка. Поэтому мы провели серию контрольных испытаний на сохранность остроты зрения у оперированных крыс посредством выработки УР РИ. В результате проведения этих экспериментов мы выявили нарушение дискриминации зрительных изображений

С целью прямой проверки

функциональной специфичности участков мозга, критических, по мнению К.С. Лешли, в отношении различения сложных ЗС, у животных, достигших критерия выработки УР РСЗС - 12/13 правиль-

ры головного мозга, которые соот-

у животных с удаленным полем "с" и, напротив, стабильное различение ЗС у животных с повреждениями в поле "Ь" (Рис. 2). Морфологические исследования поврежденных участков коры головного мозга у крыс выявили большую вариабельность в размерах экстирпаций (3,22 ± 0,75 мм), что можно было отнести к недостаткам весьма грубого метода удаления. Поэтому во время второго этапа исследований, мы стали применять метод локальной гомо-генезации, сосредоточив свое внимание главным образом на изучении структурно-функциональных особенностей поля "Ь".

Во время проведения второго этапа исследований мы стали учитывать наличие значительной вариабельности поведенческого репертуара у крыс линии Вистар при проведении сложных поведенческих экспериментов, которая была обнаружена нами в ходе предыдущих исследований (у 14 животных не удалось выработать УР РСЗС (см. выше)). Для формирования типологически изоморфных групп животных мы применяли собственный метод, разработанный в процессе оптимизации отбора крыс для использования в этих экспериментах. Отбор животных производили в три этапа: 1) предварительный отбор животных - в течение 1 дня: а) содержащихся в карантине, б) с использованием проблемной камеры; 2) определение группового показателя (ГП), которое заключалось в исследовании поисковой активности каждой крысы, отобранной на предыдущем этапе, в составе группы - срок проведения 3 дня; 3) определение индивидуального показателя (ИП), которое заключалось в выполнении того же теста, что и на 2-м этапе, каждым животным по отдельности - срок проведения 3 дня. В целом было обследовано 1200 особей, в результате чего были отобраны 6 групп по 20 особей в соответствии с предлагаемым методом. Группы имели расширенный состав: в ходе 1 этапа отбора выбирали 20 крыс из 200, на последующих этапах производилось обследование в группах по 20 животных с определением ГП и ИП от 1 до 20. Результаты, полученные после выработки УР РСЗС в б группах показали, что использование животных с ГП от 1 до 10 являлось наиболее эффективным, т.к. достижение критерия выработки рефлекса у этих крыс занимаю от 5 до 15 дней соответственно при предъявлении 50 сочетаний ЗС в день (Рис. 3). С другой стороны, результаты проведенных экспериментов у крыс с ГП от 11 до 20, наоборот, показали, что выработка УР РСЗС либо требовала слишком продолжительного времени, либо не могла дать достоверных критериев выработки. При этом с животными, у которых ГП равнялся 17-20, работа была прекращена во всех группах после предъявления 3000 сочетаний без достижения критерия выработки 12/13 правильных ответов. Необходимо особо отметить, что 15-25 дней, необходимых для выработки УР РСЗС у животных с ГП от 1 до 10, являются максимально допустимым сроком проведения этих экспериментов. За это время вес крыс увеличивается до 220 - 260 гр. (при условии, что их вес до начала выработки составляет 125 -

150 гр.). Нами было установлено, у животных, достигших постювенильного периода полового созревания (вес > 215,4 ± 68,9 гр., возраст 3 - 3,5 месяца), способность к обучению резко ухудшалась.

С другой стороны, для получения относительно полной картины индивидуальной структуры поведения, как мы выяснили, необходимо учитывать поведение животного вне группы - ИП. Так, в ходе проведения экспериментов по выработке УР РСЗС, нами была выявлена взаимосвязь между величиной ИП животного и числом активных избеганий выполнения экспериментальной задачи. При 100% активных избеганий (Рис. 4) (на графике не обозначено) животные полностью отказывались от выполнения задания при выработке УР, чего ни разу не наблюдалось у животных с ИП от 1 до 10.

Рис.3 Зависимость между величиной группового показателя и средним числом сочетаний зрительных стимулов, необходимых для выработки условного рефлекса различения зрительных стимулов: 1 - без пищевого подкрепления, 2-е пишевым подкреплением. По горизонтали - групповой показатель, по вертикали - суммарное число сочетаний, необходимое для выработки рефлекса.

Более того, на основании методики определения ИП оказалось возможным прогнозировать вероятные сценарии поведения животного во время критических этапов УР РСЗС (например, обучение прыжку по направлению к ЗС), когда сложность поставленной задачи достигает такой степени, что приводит к возникновению предневротического состояния. Оказалось, чем выше ИП у животного, тем больше вероятность возникновения у него невротического состояния. Все это позволило нам, еще до начала проведения экспериментов, выявить животных, с низким уровнем эмоциональной устойчивости, и, в соответствии с этим, осуществлять индивидуальную корректировку экспериментальных воздействий во время

проведения исследований. Данные, полученные в результате применения разработанного нами метода отбора показали, что животные, которые обладали хорошими способностями к обучению, высокой исследовательской активностью (низкий ГП), не всегда проявляли устойчивость к воздействию стресснрующих факторов, возникающих в ходе проведения опытов (высокий ИП).

Во всех 6 группах, взаимосвязь ГП и ИП с особенностями поведения в которых была описана выше, после достижения критерия выработки УР РСЗС (как правило, у животных, имеющих ГП от 1 до 10) производилась билатеральная экстирпация участков коры головного мозга диаметром 1,5 - 2 мм в центре поля "Ь" и в близлежащих областях с эксцентриситетом 0,5 - 1мм.

Рнс.4 Зависимость между величиной индивидуального показателя и чистом активных избеганий решения экспериментальной задачи во время выработки условного рефлекса различения сложных зрительных стимулов: I -без пищевого подкрепления, 2-е пищевым подкреплением. По горизонтали - индивидуальный показатель, по вертикали - число активных избеганий (%) по отношению к числу сочетаний.

Послеоперационные испытания на сохранность навыка РСЗС показали, что удаления, произведенные в самом поле "Ь", не привели к заметному ухудшению навыка различения. С другой стороны, поведение крыс после удаления участка коры, расположенного на 0,5 мм меди-альнее поля "Ь", демонстрировало все те феномены, которые были описаны К. Лешли. Экстирпация этого участка приводила к необратимой утрате навыка РСЗС (Рис.6), но при этом, как было установлено в ходе контрольных экспериментов, полностью сохранялась способность к тонкой зрительной дифференцировке (Рис.7) и моторный компонент (Рис.8) УР.

Рис. 5 Среднее значение вероятности правильных реакций (Р), подсчитанное по результатам первых 40 попыток, выполненных каждым животным (Л») после достижения критерия выработки условного рефлекса зрительного различения с пищевым подкреплением до операции. (14 = 15) (р < 0.01)

Рис. 6 Среднее значение вероятности правильных реакций (Р) по результатам первых 20 попыток, выполненных каждым животным (ЛУ) после удаления "зоны Лешли" при тестировании сохранности условного рефлекса зрительного различения с пищевым подкреплением. (М = 15) (р < 0.01)

Рис. 7 Среднее значен не вероятности правильных реакций (Р), подсчитанное по результатам первых 30 попыток, выполненных каждым животным (№) с удаленной "зоной Лешлн" после достижения критерия выработки условного рефлекса зрительного различения с электроболевым подкреплением. Критерий выработки Р^-0.90. (N = 15)

Рис. 8 Среднее значение вероятности правильных реакций (Р), подсчитанное по результатам первых 30 попыток, выполненных каждым животным (У'У) с удаленной "зоной Лешлн" после достижения критерия выработки условного рефлекса различения яркости. Критерий выработки Р.^^0.90. (М = 15) (р <0.01)

Таким образом, применение более тонких методов экстирпации (локальной гомогенезации) показало, что зона функциональной специфичности УР РСЗС, обозначенная нами как "зона Лешли", расположена на границе между полем17 и 18а на 5,3 ± 0,15 мм каудальнее брегмы (Рис. 9).

Для того, чтобы биологическая модальность подкрепления, применяемая при проведении контрольных экспериментов на сохранность поля острого зрения (выработка УР РИ) была сопоставимой с модальностью подкрепления в экспериментах, выполненных по методике К. Лешли, мы провели серию исследований в которых выработка навыка РСЗС производилась без пищевого подкрепления. В этом случае, так же как и при выработке УР РИ, полезный результат достигался посредством избегания дискомфортной ситуации, связанной с длительным пребыванием в стартовой позиции. С этой целью было обследовано 2 группы по

10 животных, имеющих ГП от 1 до 10.

Полученные нами данные свидетельствуют о том, что сам факт пищевого подкрепления не имеет решающего значения при выработке УР РСЗС. Тем не менее, отсутствие пищевого подкрепления вносит существенные изменения в динамику обучения. Оказалось, что число сочетаний, требующихся для достижения критерия выработки УР РСЗС увеличивается в 1,5-2 раза (Рис. 3). Число активных избеганий при решении экспериментальной задачи также значительно возросло, за исключением животных, имеющих ИП 1 и 2 (Рис. 4). Последствия удаления "зоны Лешли" были такими же , что и в предыдущих экспериментах с пищевым подкреплением (см. выше).

Исходя из того, что возраст животного имеет большое значение при выработке УР РСЗС, отрицательные результаты, полученные нами при повторной выучке после экстирпации "зоны Лешли" у обученных животных могли быть связаны с возрастным фактором, мы предприняли дополнительные исследования по восстановлению функций, нарушенных вследствие экстирпации, до начата постювенильного периода С этой целью у 20 необученных животных в возрасте 2.5 мес., отобранных в соответствии с разработанным нами методом, была произведена экстирпация "зоны Лешли". Обучение РСЗС и РИ (по 10 животных соответственно) начинали на 7-й день после операции. Результаты этих исследований полно-

Рнс.9 Схематическое изображение мозга крысы с обозначением зоны функциональной специфичности условного рефлекса различения сложных зротельных стимулов - "зона Лешли", которая расположена на границе между полем 17 и 18а.

стыо совпали с результатами, полученными нами при экспериментировании с обученными животными (см. выше). Условный рефлекс Г'СЗС не вырабатывался при увеличении продолжительности выработки РСЗС (в 2 раза по сравнению с не оперированными животными), при этом структура поведения у необученных оперированных животных при начальной выработке УР РСЗС и у обученных оперированных животных при повторной выучке была идентичной. Выработка УР РИ у необученных оперированных крыс не пострадала, более того, некоторые оперированные животные, при выработке этого УР, справлялись с заданием лучше и быстрее, чем не оперированные.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Одно из главных направлений в усложнении механизмов коркового синтеза связано с вычленением и прогрессивным развитием в эволюции млекопитающих тех ассоциативных образований, в которых отсутствует доминантное представительство какой-либо одной сенсорной системы и имеет место широкая конвергенция и интеграция афферентных потоков разной модальности (Полякова, 1977; Богословская, Поляков, 1981). На наш взгляд "зона Лешли" является уникальным примером такого рода структур, так как при экстирпации этого локуса, с одной стороны, у крыс сохраняется способность к тонкому зрительному различению и выполнению сложных двигательных актов, связанных с выполнением задачи дискриминации ЗС в условиях альтернативного выбора, с другой стороны, оперированные крысы .необратимо утрачивают способность к обучению/повторной выучке УР РСЗС.

В соответствии с предложенным К. Зиллесом с соавт. (2Шез ее а!., 1980) делением коры головного мозга крыс на ряд областей, "зона Лешли" локализована в затылочной области неокортекса на границе Ос1 и Ос2.1 (Рис. 9) и занимает промежуточное положение между затылочной, височной и теменной корой. Симптомы, развивающиеся при удалении этого участка у крыс, весьма схожи с последствиями повреждений затылочных и теменных областей коры у собак, продемонстрированных еще в опытах И.П. Павлова (Павлов, 1935). Хотя, "еще до опытов Павлова, - пишут Э.А. Асратян и П.В. Симонов, - было известно, что после удаления затылочных долей коры головного мозга поведение собаки существенно изменяется. У нее сохраняется зрение: собака обходит препятствия, поворачивается к яркому свету. Вместе с тем, она перестает узнавать хозяина, равнодушно смотрит на кошку. "Видит, но не понимает", - говорили о таких животных" (Асратян, Симонов, 1962; стр. 85). То же самое можно сказать и о поведении крыс при повторной выучке РСЗС после операции: крыса хорошо различает предъявляемые ей ЗС (что было выявлено в опытах с электробслевым подкреплением), совершает хорошо скоординированные прыжки по направлению к ЗС, но

объединить эти два компонента УР РСЗС в единый зрительно-моторный акт уже не в состоянии - крыса не попадает в цель даже если зрительно она ее фиксирует. Таким образом, наличие интактной "зоны Лешли" для адекватной реализации двигательной программы имеет критическое значение, в том случае, когда от животного требуется выбрать подкрепляемый ЗС и прыгнуть по направлению к нему. Следовательно, "зона Лешли", занимающая промежуточное положение между зрительной и соматосенсорной корой, является, по-видимому, высшим уровнем иерархии афферентного синтеза при решении задач различения сложных ЗС в условиях альтернативного выбора. В соответствии с полученными нами данными, центр "зоны Лешли" расположен на границе между зрительной проекционной областью и вторичной полисенсорной зрительной областью. Некоторые авторы (Визэег, В1£>па1, 1967) отграничивают их от ассоциативных зон, находящихся вне пределов проекционных областей. Однако, по мнению А.Г. Поляковой, у эволюционно более низко организованных позвоночных (например у грызунов) в связи с отсутствием или слабым обособлением ассоциативных областей полисенсорные элементы включены в проекционные отделы, где благодаря этому осуществляются основные функции не только анализа, но и синтеза восходящих посылок (Полякова, 1977). У более высокоорганизованных животных (хищные, приматы) основная масса нейронов, специализированных для широкой конвергенции разнообразной афферентации, сосредотачивается в отчетливо очерченных анатомических областях, которые играют специальную роль в интегративной деятельности коры (Поляков, 1965; Зворыкин, 1993).

На основе многочисленных исследований физиологии теменных полей коры головного мозга хищных и приматов, в последнее время стали развиваться представления о раздельных каналах обработки зрительной ииформапии, а также возникло представление об иерархии уровней обработки, где каждый уровень завершается в соответствующем корковом поле (Хьюбел, 1990). Один канал обработки зрительной информации в качестве высшего этажа имеет поля теменной коры, а другой - височной коры. В первом канале обрабатываются пространственные характеристики зрительных сигналов, а по второму производится распознавание зрительных объектов (Шевелев, 1984; Шульговский, 1993). Так, например, удаление теменных полей у собак приводит к дезинтеграции условнорефлекторной деятельности, распаду ее на отдельные компоненты (Светлов, 1967; Павлова, Иоффе. 1986). Те же самые повреждения у необученных обезьян приводят к дефициту ориентировочно-исследовательской деятельности и очень сильному затруднению выработки условного рефлекса. Все эти данные указывают на то, что теменная кора участвует не только в обработке зрительной информации, но и в кинестезии движений. Вместе с тем, начиная с работ Робин-

сона (Robinson et al„ 1978), посвященных микроэлектродным исследованиям нейронных реакций теменной коры, утвердилось представление о том, что нейроны теменной коры связаны как с моторными, так и сенсорными процессами. Так, например, В.В. Шульговский, обобщая многочисленные экспериментальные данные, полученные разными авторами при изучении целенаправленного поведения млекопитающих, полагает, что в этой корковой области происходит трансформация пространственной координаты сенсорного стимула в моторную пространственную команду, что необходимо для выполнения моторного поведения под сенсорным контролем (Шульговский, 1993).

Таким образом, последствия разрушений теменной коры у хищных и приматов имеют много общего с обнаруженными нами нарушениями сложной зрительно-моторной деятельности у крыс при экстирпации "зоны Ленин". В частности, удаление этой зоны также приводит к дезинтеграции условнорефлекторной деятельности, которая распадается на отдельные компоненты: а) наличие адекватной позной координации и моторных реакций (прыжок по направлению к ЗС); б) способность к тонкой дифференцировке сложных ЗС, но при этом интеграция зрительного и моторного компонентов УР РСЗС в единую эфферентную программу необратимо утрачивается. Этот феномен может быть связан не только с нарушением ассоциативных функций коры головного мозга вследствие удаления "зоны Леш-ли", но, вероятно, и с нарушением восприятия сигнального значения эквивалентных по размеру и контрастности предъявляемых ЗС, т.к. при поражении стриарных областей коры преобладает тенденция к фиксации участков изображения с наиболее четким оптическим контрастом, независимо от их биологической значимости (Шульговский, 1993).

Другой важной особенностью УР РСЗС является то, что для успешного проведения этих экспериментов особую роль играют возраст и социальный статус животных. В ходе проведенных исследований, нами было установлено, что у крыс, возраст которых превышает 3-3.5 мес.. УР РСЗС вырабатывался гораздо хуже, чем у молодых животных. Тем не менее, даже среди молодых животных, возраст которых не превышал 2 - 2,5 мес., необходимо было проводить отбор тех животных, которые имели наиболее высокий социхтьный статус и обладали лучшей поисковой/аппетитивной активностью, потому что соблюдение этих условий позволяло обеспечить рациональный отбор животных и эффективные сроки проведения экспериментов.

Выработка УР РСЗС требуют соединения двух элементов ситуации, которые раньше не были объединены в опыте животного. В таких случаях отсутствуют адекватные эфферентные программы и животные пытаются справиться с экспериментальной задачей перебором доступных в данный момент времени и наиболее эффективных способов ее решения

(Симонов, 1993). Процесс обучения в этих условиях носит характер упорной, систематической и зачастую медленно прогрессирующей тренировки, а удаление узко локализованного участка коры головного мозга приводит к необратимой утрате навыка, несмотря на то, что, "...чем ниже стоят животные в отношении возрастной или видовой эволюции, тем, как правило, менее значительны по своей глубине последствия различного рода повреждений разных органов центральной нервной системы и отчасти периферических нервов, тем быстрее развиваются компенсаторные приспособления и тем менее значительно участие высших отделов головного мозга в их осуществлении" (Асратян, 1983; стр. 87). Таким образом, несмотря на то, что крысы занимают более низкую ступень видовой эволюции по сравнению с хищниками и приматами, а ассоциативные области головного мозга у крыс выражены слабо и имеет место диффузное распределение афферентных волокон в коре головного мозга, нами было установлено строгая функциональная связь между экстирпацией узко локализованной области коры головного мозга - "зоны Лешли" и необратимой утратой соответствующей функции. В этом смысле, аналогами "зоны Лешли" у человека, вероятно, могут служить такие высокоспециализированные в ходе эволюции области коры головного мозга как зона Вернике и зона Брока, разрушение которых также вызывает необратимую утрату соответствующих функций. Здесь необходимо отметить, что экспериментальная ситуация при выработке УР РСЗС достигает такой степени сложности, что в среднем только 1 из 20 крыс линии Вистар в возрасте 2 - 2.5 мес. пригодны для решения этой задачи. Если не принимать в расчет эти требования к отбору животных, участвующих в экспериментах, то результаты исследований могут оказаться недостоверными или несопоставимыми, либо привести к неудаче при проведении всей серии экспериментов. Вероятно, именно по этой причине К. Лешли не удалось осуществить успешное исследование этих навыков и выявить функциональную топологию тех участков коры головного мозга у крыс, при удалении которых навык различения сложных зрительных стимулов необратимо утрачивается.

ВЫВОДЫ

1. Разработан оригинальный метод отбора животных, которые пригодны для проведения сложных поведенческих экспериментов. Метод позволяет формировать группы животных, объединенных общей структурой исследовательского поведения, а также проводить ранговую корреляцию индивидуальных различий поведения животных внутри группы, что значительно повышает степень стандартизации и эффективность проводимых исследований.

2. В результате наших исследований было установлено, что способность к образованию навыка, требующего реализации сложного зрительно-моторного поведения (прыжок по

направлению к ЗС), критическим образом зависит от наличия небольшого участка в затылочной области коры головного мозга у крыс - "зоны Лешли". После удаления "зоны Лешли" оперированные животные необратимо утрачивают способность к интеграции зрительного и моторного компонентов УР в рамках единого зрительно-моторного акта.

3. При проведении контрольных испытаний на сохранность остроты зрения у крыс, посредством выработки условного рефлекса зрительного различения с электроболевым подкреплением было установлено, что способность к тонкому зрительному различению у оперированных животпых сохраняется.

4. При проведении контрольных испытаний на сохранность координации движений, было установлено, что двигательный компонент условного рефлекса (прыжок) у оперированных крыс также сохраняется.

5.Этот участок коры расположен на границе между полем Ос1 (поле 17) и полем Ос 2.1 (поле 18а) и не совпадает с расположением полей "с" и "Ь", описываемых К.С Лешли. хотя в значительной мере включает в себя последнее - поле "Ь". Такое расположение "зоны Лешли" обусловливает ее нейроанатомичеекое разделение на медиальную (расположенную в поле 17) и латеральную (расположенную в поле 18а) части, которые по своему расположению и специфическим характеристикам соответствуют зрительной проекционной области и вторичной полисенсорной зрительной области у крыс.

6. Таким образом, результаты контрольных испытаний при удалении "зоны Лешли" указывают на то, что необратимая утрата навыка, требующего реатизации сложного зрительно-моторного поведения, обусловлена прежде всего нарушением ассоциативных функций коры головного мозга у крыс. Следовательно, локализованный в ходе настоящих исследований участок коры головного мозга - "зона Лешли", может служить удобным, высокоспециализированным, специфичным и эффективным маркером морфофуншионачьного состояния неокортекса.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Сапецкий А.О. Роль area striata в опытах по различению сложных зрительных образов в качестве маркера морфофункционатьных состояний // Материалы II-й нейрогистологнческой конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР и АМН СССР Н.Г.Колосова "Коло-совские чтения - 94". С-Петербург, 1994, с.64.

2.Сапецкий А.О. Нейросинергетика - новое направление междисциплинарных исследований // Материалы 11-й международной конференции по нейрокнбернетике, Р-на-Дону, 1995, с.209-210.

3.Сапецкий А.О. Функциональные особенности "зоны Лешли" коры больших полушарий и ее роль в сложных формах зрительного различения у крыс // Материалы 1-й конференции молодых физиологов и биохимиков России "Биохимические и биофизические механизмы физиологических функций", С-Петербург, 1995, с.162.

4.Косицын Н.С., Сапецкий А.О. Научное наследие П.К. Анохина: взаимосвязь с идеями "универсального эволюционизма" и методологическое значение для современных концепций самоорганизации // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 1997, т.47, вып.6, с.936-954.

5.Сапецкий А.О. Применение методологии открытых неравновесных систем для описания условий реактивности структурных элементов нервной системы // Материалы Ш-й международной конференции стран СНГ по функциональной нейроморфологии, посвященной памяти чл.-корр. АН СССР и АМН СССР Н.Г.Колосова "Колосовские чтения - 97", С-Петербург,

1997, с.80.

6.Сапецкий А.О. Мультиэтапный последовательный метод отбора лабораторных крыс для проведения сложных поведенческих экспериментов // Baltic Journal of Laboratory Animals Science, 1997, V.7, p.21-30.

7.Макаренко A.H., Сапецкий А.О. Использование сложных условных рефлексов для оценки патофизиологических механизмов развития органических заболеваний головного мозга // Архив психиатрии, 1997, т.12-13, с.50.

8.Сапецкин А.О. Феномен локализации высших ассоциативных функций в коре головного мозга крысы ("зона Лешли"): эволюционный и нейрофизиологические аспекты. Перспективы применения в доклинических испытаниях // Материалы конференции молодых ученых России с международным участием "Фундаментальные науки и прогресс клинической медицины", М.:ММА им. И.М. Сеченова, 1998, с.344-345.

9.Сапецкий А.О. Особенности функциональной топологии "зоны Лешли" коры головного мозга у крыс при различении сложных зрительных стимулов в условиях альтернативного выбора // Журнал высшей нервной деятельности им. И.П. Павлова, 1998, т.48, вып.1, с.60-74. Ю.Сапецкий А.О., Голобородько Е.В. Феномен локализации высших ассоциативных функций в коре головного мозга крысы // Материалы XVII Съезда физиологов России, Р.-на Дону,

1998. с.364-365.

11.Сапецкий А.О. Анализ и синтез сложных зрительных стимулов нормальным и поврежденным мозгом крысы II Материалы конференции молодых ученых по проблемам высшей нервной деятельности, посвященной 90-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР и АПН СССР Л.Г.Воронина, М.: МГУ, 1998. с.31.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Сапецкий, Алексей Олегович, Москва

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И

НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ

На правах рукописи

САПЕЦКИЙ АЛЕКСЕЙ ОЛЕГОВИЧ

СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ "ЗОНЫ ЛЕШЛН" КОРЫ ГОЛОВНОГО МОЗГА У КРЫС ПРИ РАЗЛИЧЕНИИ сложных ЗРИТЕЛЬНЫХ СТИМУЛОВ В УСЛОВИЯХ АЛЬТЕРНАТИВНОГО ВЫБОРА

03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Н.С. Косицын

г. Москва 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................2

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.............................................................................................6

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................8

1.1. Нейрофизиологические основы взаимодействия сенсорных и моторных

систем - ассоциативные таламокортикальные системы......................................8

1.2. Нарушение сложной зрительно-моторной деятельности при

повреждении ассоциативных областей коры головного мозга...........................13

1.3. Роль ассоциативных областей коры головного мозга у крыс при

осуществлении различных видов зрительно-моторной деятельности...............19

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ...............................................................................25

2.1. Размещение, уход и кормление экспериментальных животных во время

проведения исследований.......................................................................................25

2.2. Удаление локальных участков коры головного мозга...........................................25

2.3. Гистологические и нейроанатомические методы...................................................30

2.4. Обучение зрительному распознаванию...................................................................31

2.5 Метод отбора лабораторных животных для проведения сложных

поведенческих экспериментов...............................................................................37

2.6. Статистические методы.............................................................................................43

ГЛАВА III. РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............................44

3.1 Влияние размеров, месторасположения и методов экстирпации коры

головного мозга на сохранность навыка различения сложных зрительных стимулов и способность животных к повторному (послеоперационному) обучению..........................................................................44

3.2 Применение нового метода отбора лабораторных животных для

проведения сложных поведенческих экспериментов..........................................88

3.3 Функциональная топология и цитоархитектонические особенности

"зоны Лешли"...........................................................................................................97

ГЛАВА IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ....................................................................111

4.1. Влияние индивидуально-типологических особенностей крыс на процесс

выработки условного рефлекса различения сложных зрительных

стимулов...................................................................................................................111

4.2. Роль "зоны Лешли" в системной интеграции сенсорных воздействий и

формировании адекватных двигательных программ...........................................116

ВЫВОДЫ...................................................................................................................................130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................131

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Изучение физиологических основ взаимодействия сенсорных и моторных систем является магистральным направлением в комплексе современных исследований интегративной деятельности мозга (Анохин, 1968; Лурия, 1969; Полякова, 1977; Соколов, 1981; Шевелев, 1984; Рычков, 1990; Батуев, 1991; Базиян 1993; Симонов 1993; Шульговский 1993; Судаков, 1995 и др.). В рамках этого направления исследований, одной из наиболее актуальных задач является выявление и подробное изучение анатомических локусов мозга с четко выраженными функциональными свойствами, которые сочетали бы в себе системную интеграцию сенсорных воздействий и формирование двигательных эфферентных возбуждений в рамках единого приспособительного акта. По мнению многих выдающихся зарубежных (Маунткастл, 1981; Наута, Фейртаг, 1982; Крик 1982; Хьюбел, 1990 и др.) и отечественных (Любимов, 1979; Иваницкий, 1997; Иоффе, 1997; Симонов, 1997 и др.) исследователей, решение этой проблемы позволит на новом качественном уровне проводить исследования физиологических, биохимических, морфологических и поведенческих аспектов высших функций мозга человека и животных.

Другое направление в фундаментальных исследованиях высших функций мозга человека и животных связано с изучением эволюционного развития и структурного усложнения механизмов коркового синтеза. В свою очередь, это усложнение обусловлено вычленением и прогрессивным развитием в эволюции млекопитающих ассоциативных образований, в которых отсутствует доминантное представительство какой-либо одной сенсорной системы и имеет место широкая конвергенция и интеграция афферентных потоков разной модальности (Филимонов, 1949; Орбели, 1953; Поляков, 1965; Богословская, Воронин, 1979; Батуев 1981; Зворыкин, 1993 и др.).

Уникальный пример такого рода структур представляет собой узко локализованный участок в затылочной коре головного мозга у крыс, на особое функциональное значение которого впервые обратил внимание знаменитый американский нейропсихолог К.С.Лешли (1890-1958 г.г.), но, в силу ряда причин, не закончил свои исследования. Этот участок, с одной стороны, сочетает в себе системную интеграцию сенсорных воздействий и формирование двигательных эфферентных возбуждений в рамках единого приспособительного акта, а с другой стороны, он является своего рода "предшественником"

в эволюции млекопитающих тех ассоциативных образований, в которых отсутствует преимущественное представительство какой-либо одной сенсорной системы.

Актуальность данной работы обусловлена еще и тем, что в настоящее время участки коры головного мозга у крыс, которые имеют строгую функциональную специфичность наряду с узкой топологической локализацией, мало изучены и представляют большой интерес для исследователей. По-видимому, отсутствие экспериментальных разработок в этой области исследования обусловлено отсутствием адекватных методик отбора лабораторных животных для участия в сложных поведенческих экспериментах, т.к. при проведении этих исследований значительную роль играют индивидуально-типологические особенности экспериментальных животных и, в частности, способность животных к обучению.

Все вышеизложенное, в совокупности, обусловило цель настоящей работы: исследовать функциональные особенности топологии "зоны Лешли" коры головного мозга у крыс при различении зрительных стимулов в условиях альтернативного выбора, а также определить влияние индивидуально-типологических особенностей лабораторных животных на характер и условия проведения экспериментов с использованием сложных условнорефлекторных методик.

Нами было экспериментально показано, что после удаления "зоны Лешли" крыса хорошо различает предъявляемые ей зрительные стимулы (это было выявлено в опытах с электроболевым подкреплением), совершает хорошо скоординированные прыжки по направлению к зрительным стимулам (установлено в опытах с различением яркости), но объединить эти два компонента условного рефлекса различения зрительных стимулов с пищевым подкреплением в единый зрительно-моторный акт уже не в состоянии: крыса не попадает в цель, даже если зрительно она ее фиксирует. Таким образом, нами был обоснован вывод о том, что наличие интактной "зоны Лешли" для реализации адекватной двигательной программы имеет критическое значение в том случае, когда от животного требуется выбрать подкрепляемый зрительный стимул и прыгнуть по направлению к нему. В ходе проведения этих исследований, решались следующие задачи:

1. Провести предварительные исследования по методической реконструкции схемы условнорефлекторного обучения навыку различения сложных зрительных стимулов в соответствии с методом К.С.Лешли и разработать адекватные методические приемы для проверки сохранности остроты зрения и координации движения у оперированных крыс.

2. В процессе сравнительного анализа различных способов отбора лабораторных крыс выявить оптимальный метод, наиболее полно удовлетворяющий условиям проведения экспериментов по различению сложных зрительных стимулов.

Изучить влияние возрастного фактора на формирование условного рефлекса различения сложных зрительных стимулов и выявить динамику образования данного рефлекса у молодых и взрослых животных.

Определить влияние размеров, месторасположения и методов экстирпации различных локальных участков в затылочной коре головного мозга у крыс на сохранность навыка различения сложных зрительных стимулов и способность животных к повторному (послеоперационному) обучению.

Провести комплексное морфологическое исследование участка коры головного мозга у крыс, который связан с функциональной локализацией навыка различения сложных зрительных стимулов и отдифференцировать корковое представительство зрительного анализатора в затылочной коре головного мозга у крыс от вторичной полисенсорной области.

Научная новизна.

1. В ходе выполнения настоящих исследований, нами был впервые разработан экспериментальный метод, позволяющий в течение 7 дней производить отбор крыс, которые пригодны для проведения сложных экспериментов, включающих в себя задачу сложного зрительного различения.

2. Нами было экспериментально установлено существенное отличие в реализации ориентировочно-исследовательской деятельности тестируемых животных в составе группы и в условиях одиночного тестирования: животные, которые наиболее активны в составе группы, обладают лучшими способностями к обучению; животные, которые затрачивают наименьшее время в условиях индивидуального теста, обладают наибольшей эмоциональной устойчивостью.

3. Разработанный нами метод позволяет формировать группы животных, объединенных общей структурой исследовательского поведения, что значительно повышает степень стандартизации проводимых исследований, а также позволяет проводить ранговую корреляцию индивидуальных различий в поведении животных.

4. В ходе настоящих исследований впервые экспериментально установлено, что способность к образованию навыка, требующего реализации сложного зрительно-моторного поведения, критическим образом зависит от наличия небольшого участка в затылочной области коры головного мозга у крыс - "зоны Лешли". Этот участок коры расположен на

4.

5.

границе 0с1 (поле 17) и Ос 2.1 (поле 18а) и не совпадает с расположением полей "с" и "Ь", описываемых К.С. Лешли, хотя в значительной мере включает в себя последнее.

5. Экспериментально показано, что после удаления "зоны Лешли" крыса хорошо различает предъявляемые ей зрительные стимулы (в опытах с электроболевым подкреплением), у опреированных крыс не нарушаются моторные функции, но при этом оперированные животные необратимо утрачивают способность к интеграции зрительного и моторного компонента УР в рамках единого зрительно-моторного акта (прыжок по направлению к зрительным стимулам).

Научно-практическое значение.

1). Разработанный нами предварительный метод отбора наряду с применением значительно

упрощенной экспериментальной схемы тестирования и минимальными требованиями, предъявляемыми к техническому обеспечению, позволяет производить выборку именно тех животных, которые пригодны для участия в сложных поведенческих экспериментах. Тем самым этот метод позволяет не только повысить эффективность экспериментальных исследований, оптимизировать сроки их проведения, но и рационально использовать лабораторных животных при подготовке и проведении экспериментов.

2). Локализованный в ходе настоящих исследований участок коры головного мозга - "зона Лешли", может служить удобным, высокоспециализированным и эффективным маркером морфо-функционального состояния неокортекса при исследовании роли различных экзогенных и эндогенных воздействий на процессы высшей нервной деятельности. Это, в свою очередь, может иметь большое значение при проведении доклинических испытаний; при изучении влияния различных лекарственных веществ на процессы обучения и памяти; при изучении динамики восстановления нарушенных функций под действием различных фармакологических препаратов.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

1. условный рефлекс различения сложных зрительных стимулов.

В тексте диссертации применяется авторское название данного условного рефлекса, введенное К.С.Лешли (ЬазЫеу, 1929; ЬаэЫеу, 1931; Лешли, 1933), для обозначения условнорефлекторной пищевой методики обучения крыс навыку различения геометрических фигур, служащих зрительными стимулами. Главной особенностью этого метода является прыжок животного по направлению к зрительному стимулу, что обеспечивает высокую эффективность обучения, т.к. при обычном предъявлении зрительных стимулов (не требующего прыжка) "геометрические фигуры вскоре теряют свое стимулирующее значение" (Лешли, 1933, стр.136) несмотря на применяемое пищевое подкрепление. Более подробное описание условного рефлекса различения сложных зрительных стимулов приводится в разделе "Материалы и методы" (п.2.4.1). Сокращенное обозначение: УР РСЗС.

Встречающиеся в тексте синонимические обозначения: условный рефлекс зрительного различения с пищевым подкреплением.

2. условный рефлекс различения изображений.

В тексте диссертации применяется авторское название данного условного рефлекса, введенное Я.Бурешом (Буреш, 1991), для обозначения условнорефлекторной электрооборонительной методики обучения крыс навыку различения геометрических фигур, служащих зрительными стимулами. Главной особенностью этого метода является применение электроболевого подкрепления. Более подробное описание условного рефлекса различения изображений приводится в разделе "Материалы и методы" (п.2.4.2). Сокращенное обозначение: УР РИ. Встречающиеся в тексте синонимические обозначения:

- условный рефлекс зрительного различения с электроболевым подкреплением;

- послеоперационный тест на сохранность остроты зрения.

3. условный рефлекс различения яркости.

Условный рефлекс различения яркости представляет собой модифицированную методику К.С.Лешли (см. п.1), где в качестве зрительных стимулов используются монотонно окрашенные в черный и белый цвет карточки размером 60x80 мм. Так же как и в базовой

методике, при осуществлении данного условного рефлекса, животному необходимо совершить прыжок по направлению к зрительному стимулу. Более подробное описание условного рефлекса различения яркости приводится в разделе "Материалы и методы" (п.2.4.3).

Сокращенное обозначение; УР РЯ.

Встречающиеся в тексте синонимические обозначения:

- послеоперационный тест на сохранность координации движений.

4. Зрительные стимулы.

В настоящем диссертационном исследовании во всей серии экспериментов в качестве зрительных стимулов применялась зрительная решетка размерами 40x40 мм, состоящая из вертикально (1-й тип) и горизонтально (2-й тип) ориентированных черных и белых полос толщиной 5мм и шагом 10мм. Данная конфигурация зрительных стимулов была выбрана из общего перечня геометрических фигур, применяемых К.С.Лешли при выработке УР РСЗС (Рис.2.4.1.2), исходя из критерия оптимальности в соотношении: скорость выработки условного рефлекса/степень сложности зрительного стимула. В тексте диссертации, кроме разделов, посвященных изложению полученных результатов и обсуждению собственных экспериментальных данных, термин "зрительные стимулы" употребляется в общепринятом смысле.

Сокращенное обозначение: ЗС.

Встречающиеся в тексте синонимические обозначения:

- сложные зрительные стимулы.

5. "ЗонаЛешли".

Этот термин применяется в тексте диссертации для обозначения узко локализованного участка в затылочной коре головного мозга у крыс, функциональные особенности которого были установлены при проведении настоящих исследований. Удаление этого локуса приводит к необратимой дезинтеграции условнорефлекторной деятельности при проведении экспериментов по методике К.С.Лешли. На возможность существования такой локуса впервые указал знаменитый американский нейропсихолог К.С.Лешли (1890-1958 г.г.), он же описал характерные послеоперационные симптомы экстирпаций в зрительной коре у крыс. Встречающиеся в тексте синонимические обозначения:

- зона функциональной специфичности условного рефлекса РСЗС;

- участок №26 (в III главе).

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Нейрофизиологические основы взаимодействия сенсорных и моторных

систем - ассоциативные таламокортикальные системы.

Высшие интегративные системы мозга как анатомически ограниченные образования таламуса и коры больших полушарий (ассоциативные таламокортикальные системы) обладают рядом специфических механизмов, позволяющих им осуществлять взаимодействие практически всех сенсорных и моторных аппаратов организма. Эти м