CC BY
26i53
Физика живого, Т16, No 2, 2008. С.153-159. © Ноздренко Д.Н.
УДК 577.3
СВЯЗЬ РЕАКЦИЙ НЕРОНОВ МОТОРНОЙ КОРЫ КОШКИ С МЫШЕЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ЛОКТЕВОГО СУСТАВА ПЕРЕДНЕЙ ЛАПЫ ИЗ ОДНОГО РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ В ДРУГОЕ
Ноздренко Д.Н.
Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, биологический факультет, кафедра биофизики, ул. Владимирская, 64, 01033 Киев, Украина e-mail: [email protected]
Надійшла до редакції 05.i2.2008
В экспериментах на наркотизированных котах проведено исследование динамики формирования моторных команд в сенсомоторной коре в процессе выполнения целенаправленных, небаллистических движений локтевого сустава. Показано, что равновесный угол сустава устанавливается во время соответствующее динамической фазе активности моторной коры. Стационарная фаза движения не содержит в себе информации о величине перемещения. Выявлено характерное увеличение суммарной импульсной активности нейрона в динамической фазе с увеличением величины перемещения сустава. На основании этого, можно предположить о существовании зависимости разрядов нейронов первичной моторной коры с амплитудно-временными характеристиками инструментальных движений.
Ключевые слова: нейронная активность, гистограмма, электромиограмма, суставной угол, моторная кора.
ВВЕДЕНИЕ
Организация движения наземных животных, включает в себя огромное разнообразие двигательных реакций, отличающихся развиваемым усилием, скоростью, сложностью траекторий, вовлекаемыми мышцами звеньев конечности и туловища. В двигательном поведении животных целенаправленные движения занимают
исключительно важное место. В связи с этим приобретает большое значение исследование механизмов центрального управления целенаправленной двигательной активностью. В последние годы, в опытах на человеке и животных было показано, что односуставное медленное сгибание и последующее удержание достигнутой позиции не опосредовалось простым переходом управляющего пула мотонейронов спинного мозга к новому равновесному уровню активности [1,2,3,8,13]. Даже очень медленные движения осуществлялись за счет динамических изменений активности мотонейронов (динамических моторных команд) определенным образом скоординированных во времени [1,2]. Такие параметры, как скорость, длительность и перемещения были связаны с развитием во времени динамической электромиограмной активности (ЭМГ). При этом стационарный уровень равновесной активности не был однозначно связан с перемещением, а отражал механическое
состояние сустава и уровень внешней нагрузки [4,5,10,11].
Общепризнанным является тот факт, что для правильного выполнения движений необходимо, чтобы ко всем отвечающим за это структурам в каждый момент времени поступала с периферии информация о положении тела и о ходе реализации движения. Кроме того, некоторые виды сенсорной информации (например, зрительную и тактильную) часто можно получить только с помощью двигательных актов. В обоих случаях некоторая часть сенсорных сигналов достигает исполнительной двигательной системы коротким, более или менее локальным путем (например, в случае активации спинальных рефлекторных дуг), а остальные идут по путям, представляющим собой длинные рефлекторные петли, и захватывающим, по всей вероятности, кортикальные структуры. Таким образом, управление целенаправленными движениями осуществляется через систему замкнутых контуров обратной связи, с помощью которых центральная программа движения взаимодействует с афферентными сигналами (кинестетическими, тактильными, зрительными, слуховыми), которые дают информацию о текущем состоянии исполнительного аппарата двигательной системы и внешнего окружения. В результате этого взаимодействия центральная нервная система (ЦНС) формирует результирующие эфферентные
команды (моторный образ) на фоне постоянно изменяющегося состояния периферии.
Сигналы управления такими движениями, формируемые в результате взаимодействия всего сложного комплекса двигательных центров, возникают и заканчиваются в центральной нервной системе, что в значительной степени затрудняет анализ центральных процессов управления движениями. В связи с этим большое значение приобретает исследование двигательного поведения животного при выработке инструментального условного рефлекса. Этот метод позволяет легко вырабатывать у животных новые формы двигательного поведения. Необходимые данные целесообразно получать на простейших моделях с максимальным ограничением количества переменных.
Таким требованиям в значительной степени отвечают инструментальные двигательные пищедобывательные реакции животных.
Преимущества таких движений для анализа центральных нервных механизмов,
контролирующих целенаправленную двигательную активность, очевидны. Во-первых, их действие ограничивается определенным движением одной конечности. Во-вторых, реализация такого движения обеспечивается за счет максимально простой активности мышц, ответственных за выполнение движения.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования были проведены на 19 кошках обоего пола предварительно обученных выполнять пищедобывающие инструментальные движения. В асептических условиях под глубоким барбитуратовым наркозом (общая доза 40мг/кг внутрибрюшинно) в череп подопытных животных вживлялась металлическая втулка, закрепляемая шурупами и быстродействующей пластмассой. Наличие отверстия во втулке давало возможность свободного доступа к 3-4 полю моторной коры.
В ходе эксперимента животное помещалось в мешок из плотной ткани с прорезями для головы и передних конечностей, который ограничивал движения туловища и задних конечностей. На передние конечности надевали жилет,
армированный металлической проволокой. Жилет хорошо иммобилизировал плечо и лопатку подопытной, правой передней конечности и в тоже время не препятствовал движениям в локтевом суставе. С помощью креплений на мешке и жилете кошка подвешивалась в экспериментальный станок. Предплечье исследуемой передней конечности прибинтовывалось к легкому рычагу, ось которого совпадала с осью локтевого сустава. Системой стальных тросиков и шкивов рычаг был жестко
связан с сервоуправляемым механостимулятором -электромагнитным линейным двигателем, в
котором была предусмотрена возможность независимого контроля силы и положения. В качестве датчиков силы использовали тензорезисторы, а датчиков положения емкостный датчик.
При отсутствии внешней нагрузки и неактивном состоянии мышц -антагонистов, подопытная конечность занимала равновесное положение, при котором угол между плечом и предплечьем составлял 400 (за ноль суставного угла принималась полностью разогнутая конечность). В этом месте был расположен упор, который предотвращал активное разгибание и разгибание, вызванное внешней нагрузкой. Благодаря этому диапазон инструментальных движений лежал в диапазоне 40°-100°, а в исходном положении суставной угол всегда составлял 400. Ввод, вывод и обработка данных осуществлялась персональным компьютером с помощью программного обеспечения созданного в нашей лаборатории.
Для отведения нейронной активности использовались стеклянные микроэлектроды с сопротивлением 0.5-1М Ом и низкой селективностью, что позволяло одновременно отводить активность нескольких нервных клеток. Микроэлектроды заполняли раствором NaCl (3.5 моль/л.). Для доставки микроэлектрода к нейронам коры он помещался в направляющую канюлю, служившую одновременно и фиксатором, и втулку, вживленную в череп животного. Поиск точек отведения осуществлялся в соответствии с топографическими картами коры. Отведение нейронов производилось в областях коры, микростимуляция которых вызывала сгибание или разгибание локтевого сустава. После усиления и фильтрации, для выделения потенциалов действия каждого конкретного нейрона использовался амплитудный дискриминатор. Полученные данные, в виде мгновенных частот активности, вводились в ЭВМ. На их основе строились перестимульные гистограммы - ПСГ. Доверительный интервал (равный двум стандартным отклонениям), был рассчитан для фоновой активности.
В ходе эксперимента производили отведение ЭМГ-активности от mm.biceps и triceps brachii. Для этого перед началом опыта животному в соответствующие мышцы вкалывали по 2 электрода находящиеся друг от друга на расстоянии 5 мм. После усиления и фильтрации (полоса пропускания 50-1000 Гц) ЭМГ подавалась на устройство которое позволяло осуществлять детектирование, двухполупериодное выпрямление и сглаживание (постоянная времени 5 мс). Целью инструментального движения была доставка
кормушки с пищей в район расположения головы животного. Кормушка располагалась на рычаге к которому крепилось предплечье исследуемой конечности. В ходе выработки инструментального условного рефлекса животные обучались сгибать исследуемую правую конечность в локтевом суставе. При этом кормушка с пищей перемещалась в область рта животного. Таким образом, исследуемое инструментальное движение представляло собой односуставное сгибательное движение в локтевом суставе. Если животное удерживало лапу в согнутом положении на протяжении 2-3 с. открывалась шторка, ранее препятствующая получению пищи и подкрепление становилось возможным. Меняя начальные положения кормушки, удавалось задавать различные амплитуды инструментальных движений.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Была изучена импульсная активность 93 нейронов моторной коры, реакции которых опережали изменение ЭМГ- активности связанной с осуществлением моторной команды на 50-150мс. Практически все ответы нейронов, зарегистрированные нами, укладывались в реакции двух типов: возбуждение на всем протяжении динамической фазы двигательной команды 69 нейронов (77%) и возбуждение только на двух участках динамической фазы - во время начала движения и в момент выхода сустава на стационарный уровень 16 нейронов (18%). У остальных 5 % нейронов импульсная активность на протяжении выполнения условнорефлекторного движения угнеталась, по сравнению с фоновой активностью.
На рисунке 1 приведен пример изменения реакции нейронов при выполнении односуставных сгибательных движений с последующим удержанием достигнутой позиции с тремя разными амплитудами и нулевой внешней нагрузкой. Во всех случаях животное начинало движение с упора, который задавал одинаковое стартовое положение предплечью.
Видно, что при удержании, при существенно разных уровнях равновесных суставных углов (200 400 и 600 град.) частота активности нейронов практически не менялась и существенно не отличалась от фоновой. На рис. 2 в виде диаграммы приведены средние частоты импульсной активности 61 нейрона на стационарных фазах удержания достигнутых позиций, соответствующих равновесным углам в 200 400 и 600 град.
Достоверных различий в средней частоте активности данных нейронов в зависимости от достижения разных равновесных углов не выявлено.
А
имп/с
20
20
N=52
имп/с
20 имп/с
_ N=52
40
20
имп/с
N=37
N=42
20
имп/с
60
20
Ж
20
N=32
Угол
60
40°
20°
0
2000
коры,
Рис. 1. Реакции нейронов моторной Активность мышц локтевого сустава суставного угла, при выполнении движений.
Обозначения: Bic.br, Tr.br, - ЭМГ-активность бицепса и
ЭМГ-и изменение сгибательных
трицепса соответственно. Обозначения: 200, 400,
600
соответственно углы сгибания локтевого сустава; угол -изменение суставного угла. А, В - реакции двух нейронов соответственно. По оси абсцисс - время (длительность бина 50 мс.). По оси ординат - средняя частота импульсов в бине. Линией параллельной оси абсцисс обозначена средняя частота фоновой активности нейрона. Вертикальными линиями обозначены границы динамических и стационарных фаз движения. N количество реализаций. 1,2 - быстрый и медленный участки нейронной активности моторной коры.
Динамическая активность исследованных нами нейронов (рис. 1), связанная с осуществлением инструментальных движений, обычно начинались за 50-150 мс. до начала возникновения ЭМГ активности и заканчивалась после остановки движения. Таким образом, сустав приходил в
2
равновесное состояние во время развития динамических фаз активности нейронов моторной коры задолго до установления стационарного равновесного уровня нейронной активности. Максимальная величина средней частоты нейронной активности в одном бине (длительность бина 50 мс), в динамических фазах реакций нейронов не коррелировала с величиной установившегося равновесного суставного угла (рис.2). В то же время, обнаружена положительная корреляция между средней частотой нейронной активности во всей динамической фазе реакции и величиной достигаемого суставного угла (рис.3). имп/с
имп/с
20
10
20
40
60
Рис. 2. Диаграмма изменения средней частоты фоновой импульсной активности 99 пирамидных нейронов (тёмный цвет) и средней частоты импульсной активности в стационарной фазе (светлый цвет), при выполнении сгибательных движений разной амплитуды. Время фиксации -2секунди.
Динамическая фаза нейронной активности моторной коры обладала своей собственной сложной структурой (рис. 1). В данном случае после быстрого начального увеличения активности (первый участок), следовал более медленный сброс (второй, участок) частота активности в котором увеличивалось с увеличением нагрузки. После происходило снижение ее уровня и переход к стационарной фазе активности.
Остановка перемещающейся конечности также оказалась связана с параметрами динамической фазы движения. На рисунке 1 видно незначительное, но достаточно различимое повышение уровня нейронной активности за несколько миллисекунд до выхода сустава на заданную позицию. Этот пик активности плохо коррелировал с величиной изменения суставных углов, но проявлял тенденцию к росту по мере увеличения скорости нарастания динамического компонента движения (рис. 4).
20
10
20
40
60
имп/с
20
10
А В С
20
А В С
40
А В С
60
^ ^ ■
II II I
АВС АВС АВС
Рис. 3. Диаграмма изменения средней частоты импульсной активности на протяжении всей динамической фазы в 99 пирамидных нейронов - а и их усредненной суммарной максимальной активности в динамической фазе; б, при выполнении сгибательных движений разной амплитуды при отсутствии внешней нагрузки.
Обозначения: А, В, С - реакции трёх нейронов соответственно.
Важным представляется тот факт, что, несмотря на отсутствие существенных различий по максимальной частоте импульсаций нейрона при различных суставных углах, четко прослеживается увеличение суммарной величины нейронной активности в динамической фазе к длительности самой динамической фазы с увеличением величины суставного угла.
При выполнении движений с разной скоростью сгибания сустава но одинаковой величиной перемещения происходит увеличение этого показателя с увеличением скорости сгибания (рис 6).
Как видно из рисунка 4, остановка и фиксация суставного угла предопределяют запуск последующей программы движения - спад активности до нового стационарного уровня, который определяется точкой остановки. Таким образом, можно предположить, существование некоторой нелинейной связи между интенсивностью импульсации нейронов моторной коры и характером движения.
а
б
30°
- . ІЬи
угол 60
Рис. 4. Активность нейрона моторной кори и изменения суставного угла, при выполнении сгибательных движений с разной скоростью сгибания сустава.
Обозначения: уг - изменение суставного угла. По оси ординат - средняя частота импульсов в бине. Линией параллельной оси абсцисс обозначена средняя частота фоновой активности нейрона. Вертикальными линиями обозначены границы динамических и стационарных фаз движения. 1,2,3 - скорости сгибания сустава, N количество реализаций.
имп/с
20
А
200
40° 60
иг
А В С
А В С
имп/с
20
Б
А В С
2
и
А В С А В С А В С Рис. 5. Диаграмма изменения усредненных частот импульсной активности пирамидных нейронов в момент выхода сустава на заданную позицию при разных уровнях суставных углов - А и изменению скорости сгибания сустава -Б.
Обозначения: А, В, С- реакции трех нейронов соответственно; 1, 2, 3 - соответственно, разные скорости сгибания сустава; 200, 400, 600, соответственно углы сгибания локтевого сустава. Время фиксации-2 секунди.
20/с
имп /с
скорость
2
2
20
А В С А В С А В С Рис. 6. Диаграмма изменения усредненных частоты импульсной активности нейронов в течение всей динамической фазы, при выполнении сгибательных
движений и изменении скорости сгибания сустава. Обозначения: 1, 2, 3 -соответственно разные скорости сгибания сустава; А-200, В-400, С-600 соответственно углы сгибания сустава. Время фиксации-2секунди.
Полученные результаты показали, что также как и у мотонейронов спинного мозга [2-4], активность
3
мс
и
4000
2000
0
3
3
1
нейронов 4-ого поля моторной коры при удержании достигнутых позиций не зависит от величины установившихся равновесных суставных углах. Это подтверждает предположение [1 - 3, 9,] о том, что величина перемещения не определяется простым переходом к соответствующим стационарным уровням активности нейронов различных звеньев в иерархии системы двигательного контроля.
Обнаруженный нами факт остановки целенаправленного движения во время развития динамической активности нейронов моторной коры задолго до их перехода к стационарному состоянию, указывает на то, что контроль параметров перемещения прежде всего был связан с динамической активностью нейронов моторной коры
На основании полученных данных можно предположить, что характеристики стационарной фазы невозможно предсказать на основе простых биомеханических соображений. Все это позволяет предположить, что величина перемещения не кодируется ЦНС в виде интенсивности (частота разрядов одиночных нейронов, количество разряжающихся нейронов) эфферентной активности на различных уровнях двигательного контроля. На уровне спинного мозга изменение интенсивности эфферентной активности мотонейронов в основном было связано с контролем скорости перемещения конечностей [3,4,5].
Представленные результаты показывают, что максимальный уровень активности мотонейронов зависел, прежде всего, от скорости перемещения сустава и от длительности этого перемещения. Обнаруженная на нейронах 4-ого поля моторной коры корреляция средней частоты импульсной активности на всем протяжении динамической фазы с величиной перемещения, возможно, также связана с зависимостью амплитуды движения от его скорости и длительности. Но в любом случае полученный результат указывает на участие нейронов 4-ого поля моторной коры в контроле амплитуды движений, что противоречит установившимся представлениям [10,12,14].
Наблюдаемая, в связи с осуществлением односуставного сгибания, тождественность в динамике активности нейронов моторной коры и мотонейронов спинного мозга (ЭМГ - активность), указывает на то, что часть нейронов первичной моторной коры контролирует те же параметры движений, что и нейроны спинного мозга. Как показали результаты данного исследования этот контроль на обоих уровнях управления имел сходный характер и можно предположить, что часть нейронов моторной коры генерирует моторные команды, которые затем повторяются и детализируются нейронами спинного мозга.
На основании полученных данных есть веские причины полагать, что при реализации данных движений и удержании целевого положения в механической активности мышц присутствуют составляющие, не управляемые моторной командой. В частности, при переходе к стационарной фазе уровень мышечной активности может резко падать при сохранении значительного уровня усилия, развиваемого мышцей, это подтверждается характерными изменениями нейронных ответов соответствующих данным участкам движения. В свете этих данных трудно предполагать, что абсолютная величина перемещения может быть задана ЦНС в виде уровня эфферентной активности, поступающей к мышцам. Нечто подобное наблюдается и на уровне мотонейронов спинного мозга, посылающих двигательные команды непосредственно к мышцам [9]. Таким образом, полученные данные подтверждают то положение, что уровень моторной команды, поступающей к мышце при выполнении целенаправленного движения, весьма чувствителен к изменению нагрузки, против которой мышца выполняет работу и, соответственно, силы, развиваемой этой мышцей. При таком способе кодировки двигательных команд становится очевидным наличие гистерезисных эффектов мышечного сокращения. Эти эффекты появляются в виде дополнительной мышечной силы на участке сброса нейронной активности и являются причиной независимости уровня стационарной ЭМГ-активности от величины суставного угла.
ВЫВОДЫ
Таким образом, можно сделать вывод, что центральные двигательные программы не содержат в своем составе каких-либо признаков определяющих абсолютную величину перемещения. Центральные двигательные программы создаются на основе сенсорных образов, и их выполнение контролируется сенсорными системами. Все это реализуется на высшем уровне двигательного контроля. На среднем уровне, частью которого является первичная моторная кора, генерируются фрагменты двигательных команд, которые контролируют состояние двигательной периферии. Мы предполагаем, что функция структур среднего уровня двигательного контроля заключается в создании условий для запуска перемещения, поддержания перемещения и его прекращения.
Литература
1. Тальнов А.Н., Костюков А.И. Гистерезисные
эффекты последействия в односуставных
произвольных движениях человека // Нейрофизиология. - 1994. - Т.26. - С. 83-90.
2. Тальнов А.Н., Серенко С.Г., Черкасский В.Л.,
Страфун С.С. Координация динамических фаз
i59
ЭМГ-активностей сгибателей локтевого сустава человека при осуществлении точностных следящих движений // Нейрофизиология.- 1998.- Т.30.- С. 212235.
3. Kostyukov A.I., Korchak O.E. Length changes of the
cat soleus muscle under frequency-modulated dustributer stimulation of efferents in isotoni //
Neuroscience. - 1998. - Vol. 82. - Р. 943 - 955.
4. Fang P.C, Stepniewska I., Kaas J.H. The thalamic
connections of motor, premotor, and prefrontal areas of cortex in a prosimian primate (Otolemur garnetti) // Neuroscience. - 2006. - Vol. 143, N 4. - Р. 987-1020
5. Drew T, Kalaska J, Krouchev N./ Muscle synergies during locomotion in the cat: a model for motor cortex control // J Physiol. - 2008.- Vol. 586, N5. - Р. 12391245.
6. Ethier C, Brizzi L, Giguere D, Capaday C.
Corticospinal control of antagonistic muscles in the cat // J. Neurosci. - 2007.- Vol. 26, N6. - Р.1632-1641.
7. Salimi M.I., Friel K.M., Martin J.H. Pyramidal tract stimulation restores normal corticospinal tract connections and visuomotor skill after early postnatal motor cortex activity blockade // J Neurosci. - 2008.-Vol. 28, N29.- Р.7426-7434.
8. Helms S.I., Taylor D.M., Schwartz A.B. Training in cortical control of neuroprosthetic devices improves signal extraction from small neuronal ensembles //
Reviews in the neurosciences. - 2003.- Vol. '4, N.i-2.-Р.107-119.
9. Kostyukov A. I. Muscle hysteresis and movement control: a theoretical study // Neuroscience.- i998.-Vol. 83.- Р. 303-320.
10. Kubota K, Hamada I. Preparatory activity of monkey pyramidal tract neurons related to quick movement onset during visual tracking performance // Brain Res. -'979.- Vol. '68, N.2.- Р.435-439.
11. Moran D.W., Schwartz A.B. Motor cortical representation of speed and direction during reaching // Journal of neurophysiology.- i999. Vol. 82, N.5.- Р. 2676-2692.
12. Fu G, Flament D, Coltz D, Ebner J. Temporal encoding of movement kinematics in the discharge of primate primary motor and premotor neurons // J Neurophysiol. - i995.- Vol. 73, N.2.- Р.836-854.
13. Ноздренко Д.Н. Реакции нейронов сенсомоторной коры кошки при выполнении сгибательных движений локтевого сустава при постоянной внешней нагрузки // Фізика живого.- 2008р.- Vol.i6, Ni. - C. i66-i7i.
14. Feldman A.G., Levin M.F. The origin and use of positional frames of reference in motor control // Behav. Brain Sci.- i995.- Vol. i8.- Р.723-806.
ЗВ'ЯЗОК РЕАКЦІЙ НЕЙРОНІВ МОТОРНОЇ КОРИ КІШКИ З М'ЯЗОВОЮ АКТИВНІСТЮ ПРИ ПЕРЕХОДІ ЛІКТЬОВОГО СУГЛОБА ПЕРЕДНЬОЇ ЛАПИ З ОДНОГО РІВНОВАЖНОГО СТАНУ В ІНШИЙ
Ноздренко Д.М.
В експериментах на наркотизованых котах проведено дослідження динаміки формування моторних команд сенсомоторної кори в процесі виконання цілеспрямованих, небалістичних рухів ліктьового суглоба. Показано, що рівноважний кут суглоба встановлюється за час який відповідає динамічній фазі активності моторної кори. В той же час стаціонарна фаза руху не містила в собі інформації про величину переміщення. Виявлено характерне збільшення сумарної імпульсної активності нейронів в динамічній фазі відносно тривалості динамічної фази із збільшенням величини кута переміщення. На підставі отриманих даних, можна припустити про існування залежності розрядів нейронів первинної моторної кори з амплітудно-часовими характеристиками інструментальних рухів. При такому способі кодування рухових команд стає очевидним наявність гістерезисних ефектів м'язового скорочення.
Ключевые слова: нейронна активність, гістограма, електроміограмма, суглобний кут, моторна кора.
CONNECTION OF CATS CORTICAL MOTOR NEURONS WITH MUSCLES ACTIVITY BY FORELEG ELBOW JOINT TRANSITION FROM ONE EQUILIBRIUM CONDITION TO ANOTHER
Nozdrenko D.M.
In experiments on anaesthetize cats was realized research of sensomotor cortex motor commands formation dynamics during performance of purposeful, not ballistic movements of elbow joint. It shown, that equilibrium corner of a joint is established in time appropriate to dynamic phase of motor cortex activity. At the same time the stationary phase of movement does not contain information about shift size. Exposed characteristic increase of total neuronal pulse activity in dynamic phase relative to duration of dynamic phase with increase of shift corner size. For reasons given it might be supposed that existent some dependence between primary cortical motor neurons discharges and amplitude-temporary characteristics of instrumental movements. At such way of motion commands coding is obvious a presence of muscle contractions hysteresis effects.
Key words: neuronal activity, histogram, electromyogram, articular corner, motor cortex.
