Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Вклад переднего и заднего отделов гипоталамуса в регуляцию парадоксальной фазы сна

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Дергачева, Ольга Юрьевна, Ростов-на-Дону



РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВКЛАД ПЕРЕДНЕГО И ЗАДНЕГО ОТДЕЛОВ ГИПОТАЛАМУСА В РЕГУЛЯЦИЮ ПАРАДОКСАЛЬНОЙ

ФАЗЫ СНА

03.00.13 - физиология человека и животных

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители:

докт. биол. наук, проф. Буриков A.A.

канд. биол. наук, ст. н. сотр. Сунцова Н.В.

Ростов-на-Дону

1999

На правах рукописи

ДЕРГАЧЕВА ОЛЬГА ЮРЬЕВНА

ДИССЕРТАЦИЯ

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................4

1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................9

1.1.Характеристика парадоксальной фазы сна...................................................9

1.2.Механизмы парадоксальной фазы сна......................................................16

2.МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................,..27

2.1 .Объект исследований...........................................................................27

2.2.Операционные процедуры.....................................................................27

2.3. Методика проведения экспериментов......................................................29

2.4.Идентификация стадий цикла бодрствование-сон.......................................30

2.5.Электроды и манипуляторы...................................................................30

2.6.Контроль локализации электродов...........................................................32

2.7.Прибор ы...........................................................................................33

2.8.Методы анализа экспериментального материала.........................................33

3.РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................36

3.1.Эффекты электрического раздражения переднего и заднего отделов

гипоталамуса во время сна............................................................................36

3.1.1 .Задний отдел гипоталамуса...............................................................36

3.1.2.Латеральная преоптическая область....................................................42

3.1.2.Медиальная преоптическая область.....................................................45

3.2.Фоновая импульсная активность нейронов переднего и заднего отделов

гипоталамуса.............................................................................................49

3.2.1.Задний отдел гипоталамуса...............................................................49

3.2.1.1 .Частота импульсной активности...................................................49

3.2.1.2.Паттерн импульсной активности....................................................56

3.2.2.Латеральная преоптическая область....................................................64

3.2.2.1.Частота импульсной активности....................................................64

3.2.2.2.Паттерн импульсной активности....................................................70

3.2.3.Медиальная преоптическя область......................................................76

3.3.Вызванная нейрональная и суммарная активность в заднем отделе

гипоталамуса на раздражение латеральной преоптической области........................80

4.0БСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................90

ВЫВОДЫ................................................................................................103

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................105

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Выяснение механизмов формирования цикла бодрствование-сон является актуальной задачей современной нейрофизиологии. Этой проблеме посвящены многочисленные исследования отечественных и зарубежных авторов (Jouvet, 1965; Коган, Фельдман, 1971; Буриков, 1985; Ониани с соавт., 1988; Вейн, Хехт, 1989; Карманова, Оганесян, 1994; и др.).

Гипоталамус является одной из важнейших структур, принимающих участие в организации бодрствования и сна. Еще в 1930 году Economo, изучая больных летаргическим энцефалитом, предположил, что оральный отдел этой структуры является так называемым «центром сна», а каудальный - «центром бодрствования». Последующие многочисленные эксперименты на животных с применением разнообразных методических подходов привели к формированию и широкому распространению взглядов на передний гипоталамус (включая преоптическую область) как на синхронизирующую и сомногенную структуру (Sterman, Clemente, 1961; Сунцова, Буриков, 1995; Szimusiak et al., 1997 и др.) и на задний гипоталамус как на активирующее образование, участвующее в развитии реакции поведенческого пробуждения и поддержании бодрствования (Feldman и Waller 1962; Баклаваджян, 1967; Могилевский, Романов, 1989 и др.). Однако если взгляды на роль переднего и заднего отделов гипоталамуса в организации бодрствования и медленноволновой фазы сна можно считать в целом сформировавшимися, то вопрос о вкладе данных структур в формирование третьего базисного состояния организма - парадоксальной фазы сна -остается открытым.

Поскольку разрушение преоптической области вызывает редукцию парадоксального сна (Sterman et al, 1964; Гветадзе, 1978 и др.), предполагается определенная роль данного образования в формировании этого функционального состояния. Согласно гипотезе Jouvet (1989), латеральная преоптическая область оказывает тормозное влияние на нейроны заднего отдела гипоталамуса, которые, в свою очередь, осуществляют тормозный контроль «исполнительных» механизмов парадоксального сна, локализованных в области варолиева моста и ответственных за

генерацию фазических и тонических феноменов этого функционального состояния. В соответствии с этой концепцией, функциональная активность заднего гипоталамуса минимальна в парадоксальной фазе сна. Однако Ониани с соавт. (1974, 1976) предложили альтернативную гипотезу, согласно которой возбудимость данной структуры резко возрастает в парадоксальном сне. К этому заключению авторы пришли, анализируя данные литературы об усилении в этом функциональном состоянии тета-ритма в гиппокампе, который формируется под влиянием, в частности, заднего отдела гипоталамуса (Green, Arduini, 1954), а также, основываясь на результатах собственных опытов (Ониани с соавт., 1974, 1976), свидетельствующих о резком снижении порогов индукции гиппокампального тета-ритма в парадоксальном сне в ответ на электрическое раздражение заднего гипоталамуса.

Экспериментальные данные, полученные в работах по исследованию импульсной активности нейронов переднего и заднего отделов гипоталамуса в парадоксальном сне (Detari et al., 1984; Steininger, 1996 и др.), в силу своей немногочисленности и противоречивости не позволяют отдать предпочтение ни одной из вышеупомянутых гипотез.

Следует отметить, что ряд авторов отводят важную роль в регуляции цикла бодрствование-сон передне-заднегипоталамическим реципрокным взаимодействиям (Могилевский, Романов, 1981; Nakata, Kawamura, 1986 и др.). Обнаружены тормозные проекции из преоптической области в задний отдел гипоталамуса (Gritti et al., 1992; Yang, Hatton, 1994). Однако нам известны лишь единичные работы по изучению связей преоптической области и заднего отдела гипоталамуса электрофизиологическими методами.

Кроме того, в подавляющем большинстве работ исследование роли переднего и заднего отделов гипоталамуса в формировании парадоксального сна проводилось без учета гетерогенности этой фазы, в структуре которой некоторые авторы (Буриков, Фельдман, 1977; Буриков, 1985; Ониани, 1985) выделяют состояния, четко дифференцируемые по электрополиграфическим характеристикам.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью настоящей работы являлось исследование роли переднего и заднего отделов гипоталамуса в механизмах формирования стадий парадоксальной фазы сна.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Исследовать влияние электрического раздражения переднего и заднего отделов гипоталамуса на характеристики парадоксального сна.

2. Изучить фоновую импульсную активность нейронов переднего и заднего отделов гипоталамуса в стадиях парадоксального сна в сравнении с другими функциональными состояниями цикла бодрствование-сон.

3. Исследовать передне-заднегипоталамические взаимоотношения по показателям вызванной суммарной и нейрональной активности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. В настоящей работе впервые проведено исследование импульсной активности нейронов медиальной преоптической области (медиальной ПО) и латеральной преоптической области (латеральной ПО) в цикле бодрствование-сон, включая разные стадии парадоксального сна. Получены новые данные об изменениях частоты и паттерна импульсной активности клеток заднего отдела гипоталамуса при смене стадий бодрствования и сна.

Впервые изучено влияние электрического раздражения латеральной ПО и медиальной ПО на характеристики парадоксального сна. Показано, что стимуляция данных образований изменяет продолжительность парадоксального сна и представленность его стадий. Обнаружены отличия порога поведенческого пробуждения в ответ на электрическое раздражение заднего гипоталамуса в разных стадиях парадоксального сна.

В данной работе впервые исследованы реакции нейронов заднего отдела гипоталамуса на электрическое раздражение латеральной ПО и проведен сравнительный анализ организации взаимоотношений этих структур в разных функциональных состояниях, включая стадии парадоксального сна, по показателям вызванной суммарной биоэлектрической активности.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Полученные результаты расширяют существующие представления о механизмах формирования парадоксальной фазы сна и взаимодействии регуляторных систем мозга. На основе полученных в исследованиях данных сформированы новые представления о вкладе Латеральной ПО, медиальной ПО и заднего отдела гипоталамуса в механизмы организации разных стадий парадоксального сна.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов для разработки физиологически обоснованных методов лечения расстройств бодрствования и сна, связанных с гипоталамической патологией.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. В медиальной ПО локализованы нейроны, которые, в соответствии с динамикой их активности в цикле бодрствование-сон, можно отнести к элементам «исполнительной» системы парадоксального сна.

2. Нейроны заднего отдела гипоталамуса, относящиеся к системе «поддержания бодрствования», оказывают тормозное влияние на «исполнительные» механизмы парадоксального сна. Их активность минимальна в фазической стадии этого состояния и повышается в стадии парадоксального сна, характеризующейся альфа-подобной синхронизацией в ЭКоГ и отсутствием фазических феноменов.

3. Латеральная ПО облегчает функционирование «исполнительных» механизмов парадоксального сна посредством торможения заднегипоталамических нейронов, относящихся к системе «поддержания бодрствования»;

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на международном научном конгрессе «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Москва, 1996), на XVII съезде Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов-на Дону, 1998), на Всероссийской конференции «Актуальные проблемы сомнологии» (Москва, 1998), на Европейском форуме по нейронаукам (Берлин, 1998), на Ученом Совете НИИ нейрокибернетики Ростовского государственного университета (1998, 1999), на заседании Ростовского-на-Дону отделения Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова (1999), а

также изложены в материалах XI и XII ежегодных съездов профессиональных обществ исследователей сна (Сан-Франциско, 1997; Новый Орлеан, 1998) и Европейского конгресса обществ исследователей сна (Мадрид, 1998).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 11 работ.

1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПАРАДОКСАЛЬНОЙ ФАЗЫ СНА

Парадоксальный сон представляет собой яркое, четко дифференцируемое функциональное состояние. Впервые этот феномен обнаружили Aserinsky и Kleitman в 1953 году. Авторы обратили внимание на периодически возникающие у спящих людей быстрые движения глаз (БДГ). Позже было установлено, что БДГ коррелируют со снижением амплитуды волн ЭЭГ, падением тонуса шейных мышц, подергиваниями лица, туловища, конечностей (Dement, Kleitman, 1957).

При исследовании сна животных было отмечено, что периодически высокоамплитудные медленные волны ЭКоГ замещаются низкоамплитудной высокочастотной активностью, визуально напоминающей десинхронизацию ЭКоГ в бодрствовании, наблюдаются БДГ, падение тонуса мышц, подергивания вибрисс, ушей, хвоста, конечностей (Коган, 1956; Dement, 1958; Фельдман, 1961; Jouvet, 1961; Lissak et al„ 1962).

Таким образом, в структуре сна человека и животных было выделено два основных состояния: медленноволновая и парадоксальная фазы сна.

Более подробное изучение биоэлектрической активности парадоксального сна показало, что ЭЭГ десинхронизация может сменяться кратковременным появлением альфа-ритма (Dement, Kleitman, 1957; Ротенберг, 1982).

Ониани (1976, 1985) выделил две стадии этого функционального состояния у кошек. Первая, так называемая «эмоциональная» стадия, характеризуется ЭКоГ десинхронизацией, присутствием фазических феноменов. Во время второй «неэмоциональной» стадии отмечается альфа-подобная активность в коре и угнетение фазических проявлений парадоксального сна.

Характерной особенностью парадоксальной фазы сна животных являются понто-геникуло-окципитальные спайки (ПГО-спайки), представляющие собой монофазные волны длительностью 33-70 мс, которые регистрируются в мосту, латеральном

коленчатом теле, ядре глазодвигательного нерва, зрительной коре и коррелируют с БДГ (Jouvet et al., 1965; Brooks, 1966,1968; Ониани с соавт., 1970,1971; McGarley et al., 1983; Nelson, 1983, Vanni-Mercier et al., 1996). Предполагается, что интенсивность последних имеет определенную связь с эмоциональностью и насыщенностью сновидений (Oswald, 1962; Вейн, 1970,1974).

У животных в парадоксальном сне, как и во время напряженного бодрствования, в таких архипалеокортикальных структурах, как гиппокамп и энторинальная кора, регистрируется высокоамплитудный тета-ритм (Lissak et al., 1961; Parmeggiani, 1963; Ониани, 1976).

Постоянный потенциал коры при смене бодрствования медленноволновой фазой сна меняет знак с позитивного на негативный, а в парадоксальном сне вновь становится позитивным (Wurt, 1967; Kawamura, 1969).

Порог поведенческого пробуждения на сенсорные и внутримозговые стимулы повышается при углублении медленноволнового сна и достигает максимального значения в парадоксальной фазе сна (Латаш, 1968; Ониани с соавт., 1976; Вейн, Хехт, 1989; Шмидт, 1985; Piallat, Gottersmann, 1995). Роттенберг (1982) указывает на колебание порога данной реакции в парадоксальной фазе сна от максимального до очень низкого (ниже, чем в дремоте).

Исследование вызванных потенциалов на периферические стимулы показало, что их амплитуда и форма изменяются при смене функциональных состояний цикла бодрствование-сон.

Так, вызванный ответ в ретикулярной формации среднего мозга на звуковое раздражение наиболее выражен в бодрствовании, уменьшается во время медленноволнового сна и практически отсутствует в парадоксальном сне (Huttenlocher, 1961). В слуховой коре также отмечено снижение амплитуды вызванного ответа на звуковой стимул при переходе от медленноволнового к парадоксальному сну (Winters, 1964; Hezz, 1965), а форма вызванного потенциала наиболее сходна с таковой в бодрствовании (Weitzman, Kremen, 1965; Джаришвили, 1971). Позитивный компонент вызванного потенциала, развивающегося в области вертекса крыс в ответ на звуковое раздражение, регистрируется только в парадоксальном сне и бодрствовании и полностью отсутствует в медленноволновом сне (Miyzato et al., 1995).

и

По данным ряда авторов вызванные ответы на соматическое раздражение в ассоциативной и соматосенсорной областях коры уменьшаются по амплитуде в парадоксальном сне по сравнению с медленноволновым и по форме напоминают вызванные потенциалы в состоянии бодрствования (Альб-Фессар с соавт., 1965; Бутхузи, Беришвили, 1971; Джаришвили, 1971). Однако другими авторами отмечено увеличение вышеназванных вызванных ответов на таламическом и кортикальном уровне при переходе от медленноволнового к парадоксальному сну (Favale, 1965; Allison, 1966).

Более подробное изучение соматических вызванных потенциалов в коре показало, что в парадоксальной фазе сна происходит увеличение раннего компонента (Альб-Фессар с соавт., 1965), увеличение ассоциативного ответа промежуточной латентности при выраженном подавлении всех поздних компонентов (Биниауришвили, Фишуков, 1985).

В зрительной коре адекватные стимулы вызывают ответ, который уменьшается по амплитуде при переходе от медленноволнового к парадоксальному сну (Mouret et al., 1963). В последнем функциональном состоянии полностью отсутствует ритмический разряд последействия (Ciganek, 1961).

Изучение вызванных потенциалов на внутримозговое электрическое раздражение показало, что они также значительно изменяются в парадоксальном сне.

Так, ответ зрительной коры на прямую электрическую стимуляцию усиливается в парадоксальной фазе сна, причем максимальная амплитуда ответа отмечается во время БДГ (Saton, 1971а, 19716).

В этом функциональном состоянии (по сравнению с медленноволновым сном) в коре увеличивается также амплитуда вызванного ответа на раздражение хиазмы, релейного ядра таламуса, заднебокового ядра таламуса, оптической радиации (Favale et al., 1963; Cordean et al., 1965; Rossi et al., 1965; Бутхузи, Беришвили, 1963).

Рядом авторов показано облегчение проведения через таламические ядра в парадоксальном сне, особенно выражен�