Влияние повышенного и сниженного уровня моноаминов на функциональную организацию колонок C1 коры мозга крысы
Рис. 4. Распределение значений тормозной паузы в фазированных возбудительных реакциях на УС нейронов фокальной бочонковой колонки С1 коры мозга крысы.
А - при выработке мигательного УР в контроле; В - в последействии резерпина. Сплошная линия - при изолированной тактильной стимуляции; пунктирная - при подкрепляемом предъявлении УС. По вертикали - количество значений длительности тормозной паузы в %; по горизонтали - длительность тормозной паузы в мс.
При выработке мигательного УР на фоне резерпина в распределении значений тормозной паузы, более сглаженный по сравнению с контрольным максимум, возникает в другом диапазоне - (100-130)мс. У данного нейрона под влиянием резерпина размах варьирования значений тормозной паузы становился более узким - (40-220) мс по сравнению с контролем (60-300) мс. Средняя длительность тормозной паузы по всей выборке в контроле на изолированное предъявление УС равнялась (147,7± 0,7) мс, а на подкрепляемые обдуванием роговицы была выше (P < 0,001) - (182,7± 0,4) мс. Средняя длительность тормозной паузы в последействии резерпина при изолированной стимуляции была выше (P < 0,05) по сравнению с контролем - (169,7± 1,1)мс, а при подкрепляемой обдуванием роговицы - не отличалась ни от контрольного значения, ни от значения при неподкреплении УС и равнялась (175,7± 1,0)мс.
Обсуждение результатов
Уникальные гистологические особенности ПМСБ представительства вибрисс в С1 коры мозга многих грызунов и других млекопитающих вызывают повышенный интерес к функциональным свойствам проекционных модулей данной области. Относительно простая их идентифицируемость на порядок повышает точность всех аспектов нейрофизиологического анализа. В предыдущих наших работах /10,11,22/ изучались локальные механизмы замыкания временной связи в фокусе коркового представительства условного стимула, который был ограничен отдельной бочонковой колонкой в С1 мозга крыс. Была показана структура межнейронных, вертикальных и горизонтальных, внутриколонковых и межколонковых взаимодействий в динамике выработки мигательного УР, определены зависимости скорости и характера динамики, а также степени упрочения временной связи от разнообразных форм пластичности паттернов импульсной активности нейронов, имеющих разную топологию в бочонковой колонке.
На основании данных о динамике и взаимной обусловленности отдельных компонентов фазических нейронных реакций фокуса коркового представительства УС на разных этапах обучения была сформулирована гипотеза о механизме авторитмичного сканирующего ассоциирования фокальной колонки с другими колонками, имеющими отношение к обработке параметров сочетаемых при обучении стимулов /10,11,22/. Условнорефлекторная перестройка структуры межнейронных связей в пределах фокальной корковой колонки, согласно такому предположению, состоит в ограничении ее авторитмичных сканирующих взаимодействий в распределенной системе заинтересованных структур. Это приводит к повышению вероятности конвергенции и интеграции синфазных волн возбуждения и, в итоге, к упрочению временной связи. Для обоснования подобного представления о локальных механизмах замыкания временной связи целесообразно было рассмотреть реализуемость отмеченных форм пластичности в нейронных сетях фокальной колонки в разных по эффективности условиях ее функционирования, которая варьирует с изменением общего уровня возбуждения коры мозга.
В данном исследовании показано, что активация ядер шва, следствием которой является повышение в мозге содержания нейромодулятора СТ, а также снижение концентрации СТ (наряду со снижением содержания других биогенных моноаминов) в последействии резерпина вызывали разнонаправленную пластификацию синаптических связей во входных, выходных и ассоциативных нейронных ансамблях бочонковой колонки С1 коры мозга крысы. Модуляция уровня возбуждения колонки осуществляется за счет изменения количества фоновоактивных нейронов, частоты и структуры их импульсных разрядов.
Распределение нейронов с фоновой импульсной активностью по уровням функциональной колонки в ПМСБ, по представленным здесь результатам, соответствует в общих чертах гистологической картине распределения клеточных тел, согласно которой наибольшая их плотность наблюдается в слое 4 и верхней половине слоя 5. Пространственно-регулярный профиль чередования в тангенциальном плане треков с высокой плотностью фоновоактивных нейронов с относительно "пустыми" треками, а также факт принадлежности соседних треков к одной и той же функциональной колонке, свидетельствует о том, что первые принадлежат стенкам "бочонка", а вторые - его полости, немногочисленные нейроны которой, по-видимому, контактируют с моноаминергическими пресинапсами и в большей мере находятся под их влиянием.
Выявлена послойная неравномерность в изменении уровня возбуждения бочонковой колонки. Показано значимое повышение при активации ядер шва частоты фоновой импульсной активности у ассоциативных нейронов слоев 2-3 и у выходных нейронов слоев 5-6 . Средняя частота фоновой импульсной активности у нейронов афферентного уровня при этом не изменялась. В контроле нейроны верхних и нижних слоев имели, кроме того, нерегулярную структуру фоновой импульсации: их единично-аритмичный разряд сочетался с пачечными и групповыми разрядами входных нейронов слоя 4. В первые моменты после активации ядер шва у нейронов верхних и нижних слоев наблюдалась однонаправленная трансформация единичного аритмичного разряда в групповой и пачечный при одновременной перестройке групповых и пачечных фоновых разрядов входных нейронов в непрерывно аритмичный разряд, который уже через три минуты у большинства нейронов слоя 4 возвращался к контрольному паттерну.
Структура сформированного после стимуляции ядер шва разряда фоновоактивных нейронов верхних и нижних уровней бочонковой колонки обнаруживала большую устойчивость, что очевидно обусловлено непосредственным контактом нейронов этих уровней колонки с терминалями СТ-ергических проекций, что соответствует гистологическим данным. Этим же может быть объяснен наибольший прирост количества активных в фоне нейронов после электрической стимуляции ядер шва в поверхностных слоях и уменьшение количества активных нейронов на фоне резерпина - в поверхностных и глубоких слоях. Но если единичный паттерн разряда ассоциативных нейронов переходил в групповую импульсацию и затем волнообразно возвращался к контрольному единичному аритмичному разряду, то у выходных нейронов релаксационного характера пульсаций в перестройке структуры разряда не наблюдалось - трансформация из единично- аритмичного в пачечный и групповой разряд была плавной и устойчивой. Эти данные свидетельствуют о наличии в бочонковой колонке сложной структуры межуровневых взаимодействий, определяющих поливалентный характер моноаминергических влияний.
В динамике выработки мигательного УР при повышенном уровне возбуждения фокальной корковой колонки отмечены существенные особенности в пластичности фазических импульсных реакций нейронов на тактильный стимул. Есть основание полагать, что обусловливающее эту пластичность повышение эффективности межнейронных связей вызвано прямым влиянием СТ на синаптические окончания таламических афферентов.
На пике действия резерпина, как следует из представленных результатов, происходило достоверное снижение частоты фоновой импульсации нейронов разных уровней бочонковой колонки наряду с уменьшением удельного веса их группированной и пачечной активности, а также общего количества активных в фоне нейронов. Входные нейроны на уровне слоя 4 при этом в значительно большей мере сохраняли исходный уровень активности. На этом основании сделано заключение, что при дефиците биогенных моноаминов в меньшей мере подавляются механизмы первичного сенсорного восприятия, которые обеспечиваются мощными, доминантного типа, таламокортикальными афферентами, по сравнению с ассоциативными механизмами, структурной основой которых являются слабые, вероятностного типа, межнейронные связи верхних и нижних уровней бочонковой колонки.
В последействии резерпина существенные изменения наблюдались и в структуре вызванной импульсной активности нейронов фокальной в представительстве УС корковой колонки. Они состояли в уменьшении частоты и увеличении длительности первичного и вторичного разрядов и разделяющей их тормозной паузы в реакциях на УС. Это может быть следствием ослабления в условиях дефицита биогенных моноаминов влияний со стороны вставочных тормозных нейронов верхних и нижних уровней колонки /13/. В характере варьирования длительности тормозной паузы при выработке мигательного УР наблюдалось уменьшение диапазона и менее контрастное выделение наиболее часто реализующихся ее значений. Максимум в распределении значений тормозной паузы может быть адресом структуры, с которой нейрон фокуса коркового представительства УС взаимодействует с возрастающей в процессе выработки мигательного УР вероятностью /10,11,22/. Из этого следует, что в динамике формирования временной связи в условиях дефицита моноаминов имеет место снижение количества корреспондирующих с фокусом заинтересованных нейронных структур, а также уменьшение вероятности их ассоциирования.
В данной работе подтверждены литературные данные /4,5,6,12/ о зависимости характера сдвигов частоты, структуры импульсных разрядов, плотности кросскорреляционной взаимосвязи соседних нейронов от предыдущего уровня возбуждения корковой колонки. Это позволяет рассматривать показанные здесь длительные перестройки в импульсации и взаимодействии корковых нейронов как проявление модуляторной функции СТ и других биогенных моноаминов в регуляции уровня возбуждения проекционного коркового модуля при формировании временной связи. Новизна представленных в данной работе результатов заключается в модульном аспекте рассмотрения моноаминергических механизмов пластификации синаптических контактов корковых нейронов в контексте действующего в пределах фокальной бочонковой колонки гипотетического авторитмичного сканирующего механизма образования временной связи.
Заключение
Стимуляция ядер шва приводила к увеличению на уровне ассоциативных слоев и в полостях бочонковых колонок С1 коры мозга крыс количества фоновоактивных нейронов. Частота фоновой импульсации увеличивалась у ассоциативных и выходных нейронов, а у входных нейронов не изменялась. Наблюдающиеся на верхнем уровне колонок перестройки структуры фоновых импульсных разрядов были динамичными, протекали волнообразно и возвращались к контрольному паттерну. У входных фоновоактивных нейронов импульсные разряды устойчиво рандомизировались, а у выходных - группировались. Это свидетельствует о послойной и тангенциальной неравномерности роста уровня возбуждения коркового проекционного модуля, о наличии в нем сложной структуры внутри- и межуровневых взаимодействий, определяющих поливалентный характер моноаминергических влияний.
Дефицит СТ и других моноаминов в последействии резерпина снижал уровень возбуждения бочонковой колонки, о чем свидетельствует достоверное уменьшение частоты фоновой импульсации нейронов разных ее уровней наряду с уменьшением удельного веса группированной и пачечной активности, а также общего количества активных нейронов. Входные нейроны слоя 4 при этом в значительно большей мере сохраняют исходный уровень возбуждения. Существенные изменения наблюдались также и в структуре вызванной импульсной активности нейронов фокальной в представительстве УС бочонковой колонки. Они состояли в уменьшении частоты и увеличении длительности первичного и вторичного разрядов и разделяющей их тормозной паузы в реакциях на УС. В характере варьирования значений длительности тормозной паузы при выработке мигательного УР наблюдалось опосредованное резерпином сужение их диапазона, а также уменьшение удельного количества наиболее часто реализующихся значений. На основании этого можно заключить, что дефицит СТ и других моноаминов уменьшает количество корреспондирующих с корковым фокусом УС и вероятность их ассоциирования.
Активация ядер шва, повышающая концентрацию в мозге крыс нейромодулятора СТ, а также снижение его концентрации, наряду со снижением концентрации других моноаминов, в последействии резерпина вызывают разнонаправленную пластификацию синаптических связей во входных, выходных и ассоциативных нейронных ансамблях. Подтверждены данные о зависимости характера сдвигов под влиянием СТ частоты и структуры импульсной активности и плотности кросскорреляционных взаимодействий нейронов от предыдущего уровня их возбуждения. Эти перестройки рассматриваются как проявление модуляторной функции моноаминов в регуляции уровня возбуждения коркового модуля при формировании временной связи.
Список литературы
1. Бузников Г.А. Низкомолекулярные регуляторы зародышевого развития // М.: Наука. 1967. 158 с.
2. Гасанов Г.Г., Жадин М.Н., Мамедов З.Г., Абдуллаева З.А. Колебательные процессы в активности корковых нейронов под влиянием серотонина //Физиол.журн.СССР. 1979. Т.65, N 9. С.1257.
3. Гасанов Г.Г., Жадин М.Н., Мамедов З.Г. Колебания в структуре фоновой импульсации коркового нейрона под влиянием норадреналина //Физиол.журн. СССР. 1980. Т.66, N 10. С.1446.
4. Жадин М.Н. Модель формирования условного рефлекса и анализ функциональной значимости электрографических коррелятов обучения //Журн.высш.нерв.деят. 1977. Т.27, N 5. С.949.
5. Жадин М.Н. Электрофизиологические проявления воздействия моноаминергических систем на кору головного мозга //Физиол. журн. СССР. 1986. Т.72, N 8. С.1039.
6. Жадин М.Н., Карпук Н.Н. Влияние серотонина на кросскорреляционную активность нейронов переживающих срезов коры //Журн. высш.нерв.деят. 1996. Т.46, N 3. С.547.
7. Игнатьев Д.А., Мамедов З.Г. Влияние серотонина на импульсную активность коры головного мозга кролика //Журн. высш. нерв. деят. 1983. Т.33, N 1. С.129.
8. Коган А.Б. Функциональная организация нейронных механизмов мозга //Л: Медицина. 1979. 224 с.
9. Ласков В.Н. Кодирование амплитуды тактильного стимула ансамблями нейронов соматосенсорной области коры мозга крысы. //Нейрофизиология/Neurophysiology.- 1995.- 27, N2. - С. 83 - 92.
10. Ласков В.Н. Авторитмичный характер ассоциативных процессов фокальной колонки коркового представительства условного стимула. // В кн.: "Проблемы нейрокибернетики". Ростов н/Д: РГУ, 1992. С.25.
11. Ласков В.Н., Кайдашева Л.А. Ассоциативные взаимодействия нейронных модулей коры мозга. // В кн.: "Нейроинформатика и нейрокомпьютеры", Красноярск: Изд-во КГУ, 1993, С.38.
12. Мамедов З.Г. Изменение активности корковых нейронов под влиянием биогенных моноаминов //Физиол.журн.СССР.1986. N.2, N 8. С.1055.
13. Чиженкова Р.А. Структурно-функциональная организация сенсомоторной коры // М.: Наука. 1986. 240 с.
14. Descarries L., Beaudet A., Watkins K.S. Serotonin nerve terminals in the adult rat neocortex //Brain Res. 1975. V.10, N 3. P.563.
15. Beaudet A., Descaries L. The monoamine innervation of the rat cerebral cortex: synaptic and nonsynaptic terminals // Neurosci. 1978. V.3, N 10. P.851.
16. Freedman R., Hoffer B.J., Woodward D.J., Puro D. Interaction of norepinephrine with cerebellar activity evoked by mossy and climbing fibres //Exper.Neurol. 1977. V.55, N 2. P.269.
17. Libet B., Kobajashi H. Adrenergic mediation of slow inhibitory postsynaptic potential in sympathetic ganglia of the frog //J. Neurophysiol. 1974. N 4. P.805.
18. Libet B., Kobajashi H. , Tanaka T. Synaptic coupling into the production and storage of a neuronal memory trace //Nature. 1975. V.258, N 5531. P.155.
19. Konig J.F.R., Klippel R.A. The rat brain. A stereotaxic atlas of the forebrain and lower parts of the brain stem //Baltimore: Williams and Wilkins. 1963. 162 p.
20. Krnjevic K., Ramdie M., Straugham D. Pharmacology of cortical inhibition // J. Physiol. 1966. V.184, N 4. P.78.
21. Kupferman I. Modulator action of neuromediators // Ann. Rev. Neurosci. 1979. V.2. P.447.
22. Laskov V.N., Kaidasheva L.A. Correlates of temporal connections in barrel cortex. // The Second International Symposium on Neuroinformatics and Neurocomputers, Russia, September 20-23, Rostov-on-Don, 1995, P.412.
23. Zhadin M.N., Bakharev B.V. Model of variations in the level of cortical neuron excitation in increased biogenic amine concentration //Studia Biophysica. 1987. V.121, N 1. P.81.