CC BY
6Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия» Том 17 (56). 2004. № 1. С. 67-74.
УДК 612.825:612.822.3.08
СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕАКЦИЙ НЕЙРОНОВ АМИНЕРГИЧЕСКИХ СИСТЕМ МОЗГА И ВЫЗВАННЫХ ЭЭГ-ПОТЕНЦИАЛОВ НЕОКОРТЕКСА КОШКИ
Павленко В. Б.
Комплексы вызванных ЭЭГ-потенциалов (ВП), развивающиеся у человека в ответ на целевые стимулы имеют характерный паттерн, связанный с субъективной значимостью сигнала, чертами личности, возрастом и другими индивидуальными особенностями испытуемых [1,2]. При исследовании ВП у детей и подростков показано, что они отражают «умственный возраст» ребенка и объем его краткосрочной памяти [3]. Исследования нашей лаборатории показали, что существует значимая связь между амплитудой компонентов комплекса ВП, развивающихся на простой, но значимый для ребенка звуковой сигнал, и степенью развития произвольного внимания [4].
Нарушение произвольного внимания у детей является важнейшим проявлением синдрома дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ), который у детей включает в себя неадекватно высокую поведенческую (в том числе моторную) активность, импульсивность, невнимательность, трудность сосредоточения на одной задаче. Принято считать, что причиной СДВГ является редукция активности дофаминергической (ДА) и чрезмерное усиление активности норадренергической (НА) системы, что приводит к дисфункции префронтальной коры [5]. Роль ДА-системы в процессах оперативной памяти и внимания показана и в исследованиях с участием здоровых испытуемых. Подчеркивается роль ДА в устойчивости внимания, а также в произвольных переносах направленности внимания [5]. Применение НА-агентов также модулирует процессы внимания у здоровых испытуемых. Томографические исследования показали, что при выполнении задач требующих привлечения внимания возрастала интенсивность связей между корой и голубым пятном, а также между ассоциативной корой, таламусом и моторной корой [6]. Авторы исследования приходят к выводу, что роль НА в наибольшей степени связана с интенсификацией связей между корковыми и подкорковыми регионами.
Однако, в последнее время выдвинуто предположение, что в основе когнитивных механизмов СДВГ лежит аномальный баланс ДА-системы, не только с НА но и с другими нейромедиаторными системами, прежде всего - серотонинергической (СТ). Выявлено, что избыточный обмен СТ также может приводить к нарушению психического развития. Так у детей с СДВГ повышено отношение продуктов обмена СТ по отношению к ДА. Обмен СТ у них положительно коррелирует с моторной активностью, делинквенцией, ухудшением различения пусковых сигналов, недостаточным использованием сигналов обратной связи [7].
Резюмируя данные многих исследований, а также результаты свои экспериментов по регистрации ВП у испытуемых с пониженным содержанием CT (за счет специальной диеты) финские исследователи приходят к выводу, что СТ-система играет важную роль в модуляции ранних, автоматизированных стадий обработки информации, основанных на непроизвольном внимании. ДА-система -контролирует более поздние этапы анализа сигнала, требующие подключения произвольного внимания [8].
Таким образом, можно считать установленным, что текущая активность аминергических нейромедиаторных систем модулирует процессы произвольного и непроизвольного внимания, а нарушение баланса между ними приводит к расстройствам внимания и отражается в паттерне ВП на значимые сигналы. В то же время остается невыясненным, могут ли влиять на паттерн таких ВП фазные реакции аминергических нейронов, развивающиеся в ответ на ключевые, в условиях данной поведенческой ситуации сигналы. В связи с этим целью нашего исследования явился сопоставительный анализ неокортикальных ВП и импульсных реакций ДА-, НА- и СТ-нейронов бодрствующих кошек на биологически значимые стимулы - условные сигналы, предсказывающие наличие или отсутствие подкрепления.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проведены на 10 бодрствующих кошках, которые были обучены для получения пищевого подкрепления (гранулы «Вискас») поднимать правую переднюю конечность, снимая ее с опорной площадки и нажимать ею на педаль. Подкреплялись лишь те пробы, при которых животное удерживало лапу на опорной площадке не менее 4.0 с, время движения (от снятия с опоры до нажатия на педаль) не превышало 1.0 с, а нажатие на педаль следовало не ранее, чем через 12 с после предыдущего. При корректном выполнении пробы через 1.0 с после нажатия на педаль следовало предъявление положительного условного звукового сигнала (тон 1600 Гц, 0.2 с), за которым через 1.0-1.5 с подавали подкрепление. При некорректном выполнении пробы включался негативный условный сигнал - тон 400 Гц. После обучения животного под наркозом на его черепе устанавливали основание микроманипулятора. В мозг по стереотаксическим координатам вводили канюлю, направленную на структуру-мишень. Нейронную активность отводили в области компактной части черной субстанции, голубого пятна, дорсального и верхнего центрального ядер шва, где расположены тела ДА-, НА-, и СТ-нейронов, соответственно. Для этого использовали подвижный серебряный микропровод в стеклянной изоляции, (стекло - 50 мкм, металл - 15 мкм) заточенный подобно кончику инъекционной иглы. ЭЭГ-потенциалы регистрировали с помощью вживленных в теменную ассоциативную кору позолоченных электродов. Все сигналы отводили контралатерально рабочей конечности и усиливали с помощью установки УФУ-БК. Для регистрации суммарной активности неокортекса устанавливали постоянную времени 10 с. Проведение экспериментов и регистрация биопотенциалов обеспечивались компьютером IBM PC и программой "Нейрон» (программист A.B. Сухинин).
Для анализа были использованы данные исследований, некоторые которых результаты и подробности методики описаны ранее [9, 10].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Общий вид усредненных ЭЭГ-потенциалов, отведенных от теменной ассоциативной коры (цитоархитектоническое поле 5), приведен на рис. 1, А. В общей последовательности массовых потенциалов кошки выделяются компоненты, подобные компонентам т.н. связанных с событием потенциалов, описанным нами у человека [2]. Так, примерно за 0.5 с до начала движения начинает развиваться медленный негативный сдвиг подобный ПГ человека. В период ожидания сигнала обратной связи и подготовки к захвату подкрепления выявляется негативная волна, подобная условной негативной волне человека. В ответ на предъявление сигнала обратной связи развивается комплекс потенциалов, среди которых особенно выделяется позитивная волна, подобная Р300 человека. На рис. 1, Б при большем временном разрешении показаны ВП, связанные с предъявлением позитивных и негативных условных сигналов, информирующих о будущем подкреплении или его отсутствии (фактически - сигналов обратной связи об адекватности выполнения самоинициируемого движения). Данные компоненты по своим временным параметрам примерно соответствуют ВП на звуковой щелчок, описанным для слуховой коры мозга кошки, и на тон и щелчок, зарегистрированных у человека в области вертекса [И]. Считают, что компоненты Р1 - N2 этих ВП связаны в основном с характеристиками подаваемого сигнала. Компонент РЗ (РЗОО) - с его значением в данном поведенческом контексте [1].
При проведении исследований зарегистрирована активность 50 предполагаемых ДА-, 61 НА- и 79 СТ-нейронов. К аминергическим клеткам исследуемые нейроны ствола мозга были отнесены на основании низкой частоты фоновой активности (менее 6-8 с"1), полифазности и большой продолжительности потенциалов действия (3-6 мс), соответствующей локализации в стволе мозга [12]. Исследованные нейроны изменяли свою активность на протяжении всего поведенческого акта. Наиболее выраженными оказались изменения активности, которые были связаны с запуском и реализацией произвольного тест-движения, а также с поступлением условных звуковых сигналов, предсказывающие выдачу или отсутствие пищевого подкрепления и самим поступлением подкрепления. Для дальнейшего анализа были отобраны по 20 нейронов от каждой аминергической системы с наиболее выраженными возбудительными реакциями на предъявление положительных и отрицательных звуковых стимулов.
На рис. 2, А представлен общий вид комплекса усредненных ЭЭГ-потенциалов развивающихся в ответ на условный позитивный звуковой сигнал и отведенных от теменной ассоциативной коры мозга кошки. На фрагментах Б, В, Г представлены усредненные популяционные гистограммы реакций на тот же стимул ДА-, НА- и СТ-нейронов (по 20 от каждой г руппы), соответственно. Отметим, что ВП и импульсные реакции нейронов на негативный условный сигнал имели паттерн сходный с представленным на рисунке.
_^ I4 Щ1
отрыв конечности начатие условный сигнал
-0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 с
Рис. 1 Общий вид усредненных ЭЭГ-потенциалов, отведенных от теменной ассоциативной коры кошки (А), а также комплекса потенциалов, связанного с предъявлением условного
сигнала, информирующего о будущем подкреплении или его отсутствии (Б). Усреднение проведено на основе 250 реализаций.
Скрытые периоды активационных ответов на разновалентные условные стимулы у ДА-нейронов отличались незначительно и составили для положительного сигнала 108.2±11.9 мс (крайние значения 32-240 мс), для отрицательного - 78.7±21.4 см (крайние значения 24-230 мс). Длительность активационных реакций не превышала 250 мс (см. рис. 2, Б). Полученные данные согласуются с наблюдениями других исследователей, согласно которым ДА-нейроны кошки реагируют на зрительную и слуховую стимуляцию фазной активацией, за которой следует торможение [13]. У обезьян возбудительные ответы данной группы ктеток возникают на новые неожиданные стимулы, а также на условные сигналы, предсказывающие подкрепление. Ответы возникают со скрытым периодом 50-110 мс, продолжительность их до 200 мс [14].
Рис. 2 Вызванные ЭЭГ-потенциалы (А) и реакции аминергических нейронов мозга кошки
на позитивный условный сигнал (Б-Г). п - число реализаций. Остальные пояснения в тексте.
Возбудительные ответы НА-клеток на предъявление условного положительного и отрицательного звуковых стимулов возникали с латентными
I ■ ■ ■ 1 I ■ 1 1 ■ I—'—■—'—г
пП] п=278
п=118
РЗ
п=2б2
' ' I — ....... ' I
позитивныи условный сигнал обратной связи
периодами 46.2±3.2 мс (крайние значения 32-80 мс) и 52.2±6.3 мс (крайние значения 32-120 мс), соответственно. Длительность таких реакций обычно не превышала 300 мс (см. рис. 2, В). Эти данные также совпадают с данными литературы, согласно которым нейроны голубого пятна проявляют чувствительность к различным периферическим раздражениям, причем в особой степени - к предъявлению стимулов, обладающих новизной и визуальному восприятию возможной пищи [12]. Простые внешние сигналы (свет, звук, тактильная стимуляция) фазически активируют НА-клетки. Латентные периоды реакций очень невелики, так у крыс возбудительный ответ на звуковой тон может возникать через 15 мс от момента его включения [15]. Отмечают также, что реакции НА-нейронов на целевой сигнал были самыми ранними среди таковых в сенсорных, ассоциативных и моторных областях мозга [16].
Возбудительные ответы СТ-клеток на условный положительный и отрицательный сигналы возникали со скрытым периодом 53.0±3.4 мс (крайние значения - 32-120 мс) и 59.1±7.8 мс (крайние значения - 32-130 мс), соответственно. Продолжительность таких реакций обычно не превышала 350 мс (см. рис. 2, Г). Реакции СТ-нейронов на условный стимул обнаружены и другими авторами. Так, на условное звуковое раздражение при осуществлении условнорефлекторной реакции постановки лапы на опору реагирует 77% исследованных нейронов центрального серого вещества, где расположены часть СТ-клеток. Общая продолжительность реакции 2-3 с. На необусловленное звуковое раздражение такие нейроны не реагировали или отвечали короткой пачкой импульсов [17].
Таким образом, в настоящем исследовании нами обнаружены ответы аминергических нейронов на условные стимулы, обладающие биологической значимостью. Наименьшие скрытые периоды возбудительных реакций составили около 32 мс. Считают, что у разных биологических видов, включая кошек и человека, импульсные посылки от аминергических нейронов ствола мозга поступают в разные регионы коры с латентным периодом около 100 мс [12]. Учитывая этот факт, логично предположить, что фазные активационные ответы аминергических клеток могут модулировать компоненты корковых ЭЭГ-потенциалов, развивающиеся с латентными периодами от 130 мс и далее, т.е. волны Р2 (позитивная часть «вертекс-потенциала»), N2, РЗ, а также и более поздние их элементы. Интересно отметить, что НА- и СТ-нейроны отличались особенно мощными реакциями в период первых 100 мс от момента предъявления условного стимула. Очевидно, нейроны этих аминергических систем могут контролировать ранние стадии обработки биологически значимых сигналов, протекающие с привлечением непроизвольно внимания.
Подтверждением этих предположений служат данные других исследователей, в которых антагонист Д2-рецепторов галоперидол, редуцировал амплитуду РЗ и более поздних ЭЭГ-потенциалов у человека [18], разрушение голубого пятна или введение антагониста адренорецепторов клонидина снижает амплитуду РЗ у обезьян [19], а понижение концентрации СТ в крови у добровольцев редуцирует амплитуду N2 [20].
ВЫВОДЫ
1. Сопоставительный анализ неокортикальных ВП и фазных импульсных реакций ДА-, НА- и СТ-нейронов бодрствующих кошек на биологически значимые стимулы свидетельствует о возможности модуляции, с помощью таких реакций, компонентов корковых ЭЭГ-потенциалов - волны Р2, N2, РЗ, а также более поздних их элементов.
2. Паттерны реакций свидетельствуют, что нейроны НА- и СТ-систем могут контролировать ранние стадии обработки биологически значимых сигналов, протекающие с привлечением непроизвольно внимания.
Список литературы
1. Шагас Ч. Вызванные потенциалы в норме и патологии. - М.: «Мир», 1975. - 314 с.
2. Павленко В.Б., Конарева И.Н., Индивидуальные особенности связанных с событиями потенциалов при продуцировании временных интервалов //Нейрофизиология. - 2000. -Т. 32, №1-2.-С. 48-55.
3. Polich J., Ladish С., Bums Т. Normal variation of P300 in children: age, memory span, and head size //Int. J. Psychophysiol. - 1990. - Vol. 9. - P. 237-248.
4. Павленко В.Б., Цикалова М.В. Когнитивные вызванные потенциалы у юношей 15-16 лет: связь с индивидуальными особенностями внимания //Проблемы, достижения и перспективы развития медико-биологических наук и практического здравоохранения // Труды Крымского государственного медицинского университета им. С.И. Георгиевского. - Т. 137. - 2001. -№ 2 -С. 82-86.
5. Malon М.А., Kersherer J.R., Swanson J.M. Hemispheric processing and methylphenidate effects in attention-deficit hyperactivity disorder //J. Child. Neurol. - 1994. - Vol. 9, № 2. - P. 181 -189.
6. Coull J.T., Buchel C., Friston K.J., Frith C.D. Noradrenergically mediated plasticity in a human attentional neuronal network //Neuroimage. - 1999. - Vol. 10. - P. 705-715.
7. Oades R. D. Dopamine may be "hyper" with respect to noradrenaline metabolism, but "hypo" with respect to serotonin metabolism in children with attention-deficit hyperactivity disorder //Behav. Brain Res. - 2002. - Vol. 130. - P. 97-102.
8. Kahkonen S., Ahveninen J. Combination of magneto- and electroencephalography in studies of monoamine modulation on attention //Methods Find. Exp. Clin. Pharmacol. - 2002. - 24 (Suppl.). -P. 27-34.
9. Сидякш В.Г., Павленко В.Б., Кул1ченко A.M., Актившсть нейрошв таи'яно! асощативноУ кори та ашнерпчних клггин стовбура мозку кота при виконанш довьчьного руху //Нейрофизиология/Neurophysiology. - 1998. - Vol. 30, № 6. - С. 496-499.
10. Павленко В.Б., Куличенко A.M., Активность нейронов голубого пятна мозга кошки при реализации самоинициируемого двигательного поведенческого акта //Нейрофизиология/Neurophysiology. - 2003. - Vol. 35, № 1. - С. 31-39.
11. Серков Ф.Н. Электрофизиология высших отделов слуховой системы. - Киев: Наукова думка, 1977.-215 с.
12. Foote S.L., Morrison J.H. Extrathalamic modulation of cortical function/ Ann. Rev. Neurosci. - 1987. -Vol. 10. - P.67-95.
13. Rasmussen K., Strecker R.E., Jacobs B.L. Single unit response of adrenergic, serotonergic and dopaminergic neurons in freely moving cats to simple sensory stimuli //Brain Res. - 1986. - Vol.369, № 1-2-P. 336-340.
14. Scultz W. The reward signal of midbrain dopamine neurons //News in physiol. sci. - 1999- Vol. 14. -P.249-255.
15. Shinba Т., Briois L., Sara S.J. Spontaneous and auditory-evoked activity of medial agranular cortex as a function of arousal state in the freely moving rat: interaction with locus coeruleus activity //Brain Research. - 2000. - Vol. 887, № 2. - P. 293-300.
16. Aston-Jones G., Rajkowski J., Cohen J. Locus coeruleus and regulation of behavioral flexibility and attention //Progress in Brain Res-2000. - Vol. 126, №. 11.-P. 155-182.
17. Сторожу к B.M. Система синаптических влияний на нейроны неокортекса при условном рефлексе //Журнал ВНД. - 1990. - Т. 40, № 5. - С. 819-833.
18. Kahkonen S., Ahveninen J., Pekkonen E. et al. Dopamine modulates involuntary attention shifting and reorienting: an electromagnetic study //Clin. Neurophysiol. - 2002. - Vol. 113. - P. 1894-1902.
19. Swick D., Pineda J., Schacher S., Foote S.L. Locus coeruleus neuronal activity in awake monkeys: relationship to auditory P300-like potentials and sponaneous EEG //Exp. Brain Res. - 1994. - Vol. 101, № 1. - P. 86-92.
20. Kahkonen S., Ahveninen J., Pekkonen E. et al. Serotonin modulates early cortical auditory processing in healthy subjects: evidence from MEG with acute tryptophan depletion //Neuropsychopharmacology. - 2002. - Vol. 27. - P. 862-868.
Поступила в редакцию 08.12.2003 г.
