Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Изучение центральных механизмов деятельности мозга человека при реализации сложных форм высшей нервной деятельности путем исследования его электрической активности является одним из ключевых вопросов понимания нейрофизиологических основ целенаправленного поведения. Благодаря успешному применению в клинике с лечебно—диагностическими целями методов регистрации электрической активности нейронов с помощью микроэлектродов СА1be-Fessard et al.1962; Gaze et al.l964j Jasper & Bertrand 1966; Raeva 1972,1986; Ohye et al.1972 и др.З или долгосрочных вживленных электродов CBick-ford et al.1953; Walter & Crow 1961; Бехтерева 1966,1974; Halgren et al.1978; Heit et al.1988; Creutz-feldt et al.l9S9 и др. 3 был сформулирован ряд принципиально новых представлений о структурно-функциональной организации этих форм психической деятельности, реализуемых человеком при участии речевых систем [Бехтерева 1974,1980,1988; Раева и Ливанов 1975; Раева 1977,1989; Бехтерева и др.1985; Ojemann et al.1988; Медведев и Пахомов 19893. Поиск нейронных коррелят целенаправленного поведения, связанного с речью, сталкивается с проблемой об отражении в нейронной активности тех или иных характеристик когнитивных процессов, опосредующих реализацию таких системных функций, как избирательное внимание, память, произвольное движение, волевое усилие и т.п. ГПриёрам 1975; John 1976; Раева 1977,1988; Mountcastle 1978; Scheibel 1980; Evarts et al.1984; Кропотов 1984; Bullock 1986; Rolls 1987; Бехтерева и Кропотов 1988; Швырков 1988; Abeles 1988; Bugel et al.1992 и др.З.
Первые существенные результаты в этом направлении были получены в исследованиях на животных с регистрацией нейронной активности в различных мозговых образованиях, в первую очередь, в коре, во время условнорефлекторного поведения tFuster & Alexander 1971; Tanji & Evarts 1976; Evarts 1979; Батуев 1981; Гасанов 1981; Котляр и др.1983; Desimone et al.1984; Kubota & Komatsu 1985; Wise 1985; Котляр и Тимофеева 1986; Rolls 1987; Орлов и Шеффер 1988; Watanabe 1990; Шульговский 1990; Fuster 1990; Powell 1992 и др.З- В этих работах были описаны изменения нейронной активности, опережающие реализацию целенаправленного поведенческого акта,
_ 4 -
аналогичные ранее выявленным на человеке опережающим электрографическим феноменам — Е—волне и потенциалу готовности tWalter 1969; Grol1-Knapp et al.1970; Heider et al.1979; Rohrbaugh 19S0; Tsuda 19S4; Beecke et al.1986; liroaumer et al.1990 и др.З. Основываясь на этих данных, авторы делают предположение о существенной роли опережающих клеточных реакций в обеспечении Фокусированного внимания к функционально значимому стимулу и запуска целенаправленного поведенческого акта.
Позднее, с внедрением в клиническую практику микроэлектрод— ной техники во время стєреотаксических операций для лечения дис— кинезий, появились первые данные об опережающих активационных изменениях нейронной активности в ряде подкорковых структур мозга человека, которые возникали в связи с реализацией произвольного движения CUmbach & Ehrhardt 1965; Jasper 4t Bertrand 1966; Crowell et al.1968; Raeva 1972,1986,1993; Hongel et al.1973; Раева 1977, 1988; Ohye 1982 и др.]. Были получены факты, свидетельствующие о полифункциональном характере этих нейронных реакций в различные Фазы подготовки движения и о корреляции их с концентрацией внимания, инициацией и осуществлением двигательного акта. Исследования сложных Форм BHft, опосредованных речевыми пусковыми процессами и свойственных только человеку, позволили впервые получить прямые доказательства участия неспецифических подкорковых образований, є частности ретикулярного ядра таламуса Исходя из этих и полученных ранее на животных данных многие авторы рассматривают n.Rt как одно из ключевых неспецифических звеньев кортико—таламической интеграции, которое обеспечивает переработку и передачу восходящей (сенсорной) и нисходящей (неспе— цифической) информации и участвует в реализации таких функций, как селективное внимание, оперативная память, запуск целенаправленного действия CYingling & Skinner 1976,1977; Раева 1977,1988; Scheibel 1980; Crick 1984; Jones 1988; Steriade 1990; Miller 1992; Powell 1992 и др.З. Нарушения этих функций в виде дефицита волевого компонента в поведении, связанном с речью, часто наблюдаются в клинике при повреждениях мозговой ткани в области n.Rt СЯурия 1973; Riklan & Levita 1975; Винарская и др. 1977; Elghozi et al. 197S; Watson et al.1979,1981; Ojemann 1933; Cramon et al.1925, 198b; Eraveleau et al.1936; Корсакова и Московичюте 1988; Bruyn 1989; Au et al.19913. Анализ этих Фактов привел к постановке задачи о детальном исследовании функциональных характеристик нейронов n.Rt человека и роли этого образования в организации целенаправленных поведенческих реакций, опосредованных речевой системой. Актуальность исследования обусловлена теоретическим интересом в изучении нейронной организации n.Rt мозга человека, его участия в механизмах целенаправленных поведенческих актов, в частности — произвольных движений, управляемых речевой системой. Учитывая немногочисленность литературы по этому вопросу и отсутствие обшей точки зрения, а также ключевую роль n.Rt в кругу не— специфических образований переднего мозга, детальное изучение этого вопроса представляется весьма актуальным. Актуальным представляется также аспект исследования, связанный с вопросом об отражении в активности отдельных нейронов или небольших ансамблей клеток системных, интегратиеных процессов в мозге при реализации сложных форм ВИД. Б последние годы в литературе широко дискутируется вопрос о роли нейрона как Функциональной единице нервной системы в организации интегративных форм деятельности СБерне 1969; John 1972; Анохин 1974; Бехтерева 1974; Раева 1977,1988; Соколов 1981; Konishi 1984; Bullock 1986; Швырков 1986; Abeles 1988; Котляр 1990; Cohen & Wu 1990 и др.З. Сторонники одного подхода придерживаются "эргодической" гипотезы [John 1972; John & Schwartz 1978; Shaw et al.1982; Бехтерева и др. 19853, согласно которой соседние нейроны ансамбля клеток рассматриваются как функционально и статистически неотличимые, т.е. нейронный ансамбль считается функционально гомогенным. Другой подход развивает представление о нейроне как элементе системы взаимосвязанных клеток, способном отражать функциональные изменения системного уровня СКостюк 1973; Анохин 1974; Сентаготаи и Арбиб 1976; Раева 1977,1989; Швырков 1978,1986; Konishi 1984; Barlow 1985; Rolls 1987; Konishi Se Changeaux 1987; Cohen & Wu 1990 и др.Э, в особенности, о формировании нейронами микросистем или ансамблей клеток, в пределах которых происходит первичная переработка протекающей через них информации СКоган 1974; Гасанов 1981; Verzeano 1982; Abeles 1988; Keller & White 1989; Котляр 1990; Bugel et al. 19923. Этот подход обосновывает необходимость выделения и анализа активности отдельных поведенчески специализированных клеточных элементов для изучения интегративной вункции исследуемого нейронного ансамбля. Интерес к изучению этого вопроса на уровне n.Rt обусловлен также относительной нейрохимической и гистологической гомогенность» клеточного состава этого ядра CHouser et al.19SD; Braak & Weinel 19SS3. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель настоящей работы состояла в детальном количественном исследовании с помощь» разработанных методов статистического анализа особенностей нейронной организации n.Rt таламуса ненаркотизированного мозга человека и участия этого ядра в центральных механизмах целенаправленных форм деятельности. Конкретными задачами исследования являлись: разработка адекватных математических методов и программного обеспечения статистического анализа характеристик активности отдельных нейронов и межнейронных отношений в небольших клеточных ансамблях n.Rt с учетом особенностей исследуемых процессов; изучение особенностей нейронной организации n.Rt и функциональных характеристик нейронов по данным фоновой и вызванной импульсной активности при тестировании с помощью Функционально значимых речевых и сенсорных стимулов, в том числе топический анализ характеристик активности в дорсо—вентральном плане и корреляционный анализ связи их с проявлениями двигательной патологии при паркинсонизме; 5. количественный анализ паттернов быстролротекающих импульсных реакций нейронов л.Rt на вербальные стимулы-команды и связи их с активацией избирательного внимания,запуском и реализацией целенаправленных двигательных и умственных актов; 4. исследование динамики межнейронных отношений в клеточных ансамблях n.Rt при функционально значимой речевой и сенсорной стимуляции и реализации целенаправленного движения. НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ И ЕГО НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Использование разработанного математического подхода к- анализу вызванной импульсной активности (ВИА) нейронов с применением метода главных компонентов и перистимульных кросскорреляций в совокупности с известными статистическими методами позволило впервые провести детальный количественный анализ функциональных характеристик нейронов n.Rt, изучить быстропротекающие нейронные и меж— нейронные перестройки в клеточных ансамблях n.Rt с выделением Функционально независимых компонентов их интегративного паттерна, а также оценить динамику импульсных сдвигов в комплексе с суммарными электрографическими и поведенческими данными в процессе тестирования. На основе методов статистического анализа получены новые данные об особенностях нейронной организации n.Rt мозга человека и углублено понимание его роли в реализации целенаправленных поведенческих актов, запускаемых при участии речевой системы. Показана гетерогенность этого ядерного комплекса в виде 3-х типов нейронов, различающихся характеристиками фоновой и вызванной активности. Описаны изменения частотных параметров импульсации нейронов n.Rt в зависимости от их локализации в дорсо—вентральном плане и выраженности патологического тремора в клинической картине исследуемого больного. Наряду с этим, показано отсутствие прямых нейронографических корреляций с паркинсоническим 4—6 Гц тремором конечностей. Впервые показан многокомпонентный характер паттерна клеточных перестроек в n.Rt при стимуляции с помощь» функционально значимых (императивных) вербальных сигналов, а также взаимосвязь отдельных компонентов ВИА с фазами восприятия и обработки речевого сигнала, подготовки и реализации двигательного акта. Показана, что в импульсной активности отдельных нейронов n.Rt находят отражение интегративные информационные процессы, развивающиеся на разных этапах целенаправленной, опосредованной речевой системой деятельности- Полученные данные свидетельствуют о конвергенции в n.Rt как восходящих сенсомоторных и неспецифических ретикулярных, так и нисходящих корковых влияний с четким разделением их на уровне отдельных клеточных элементов ядра. Впервые проанализированы характеристики быстропротекаюших межнейронных импульсных процессов в соседних нейронах n.Rt, одновременно зарегистрированный с помощью одного микроэлектрода. Показано, что в пусковые Фазы поведенческой деятельности,— на этапах переработки императивного вербального сигнала (в момент произнесения пускового ударного слога команды) и инициации произвольного движения,— соседние нейроны динамически формируют ансамбль согласованно разряжающихся клеточных элементов. Подтверждена связь этих нейронных перестроек с пусковой, сигнальной значимость» речевого стимула и отсутствие корреляций с его Физическими и акустическими характеристиками. Полученные данные позволили сделать предположение об участии n.Rt в деятельности 2-х согласованно функционирующих нейронных систем, дифференцированно участвующих в процессах восприятия, переработки вербальной команды и принятия решения, запуска и реализации целенаправленного двигательного акта. Практический интерес диссертационной работы обусловлен возможностью функциональной идентификации ретикулярного ядра и пограничных с ним структур в ходе стереотаксических операций. Использование нейронографических ориентиров при выборе зоны лечебных деструкции существенно повышает эффективность хирургического вмешательства на подкорковых образованиях с возможностью разрушения минимальных по размеру участков мозговой ткани СРаева и др. 19823 и позволяет избежать нежелательных побочных эффектов в результате проведенных деструкции. Наряду с этим, лечебно—диагностический аспект настоящей работы связан также с выяснением роли n.Rt в формировании двигательной патологии при паркинсонизме, проявляющейся, в частности, в патологическом 4-6 Гц треморе конечностей. АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на III и IV Всесоюзных научно—технических семинарах "Управление при наличии расплывчатых категорий" (Пермь 1780,Фрунзе 1981); на Международном симпозиуме "Проблемы нейрокибернетики" (Ростов-на-Дону 1983); на XIV Всесоюзном съезде физиологического общества им.И.П.Павлова (Баку 1983); на НІ Всесгааном съезде нейрохирургов (Москва 1983); на Всесоюзном симпозиуме "Нейроны в поведении: Системные аспекты", посвященном 95-летию П.К.Анохина (Москва 1984); на I Всесоюзной конференции "Принципы и механизмы деятельности головного мозга человека" (Ленинград 1935); на Всесоюзной конференции по нейронаукам, посвященной ЮО—летию Д.Н.Воронцова (Киев 1986). Диссертация апробирована на конференции Лаборатории клеточной нейрофизиологии человека Института химической физики АН СССР в июне 1988 года и на научном заседании кафедры физиологии человека и животных Московского Государственного Университета им.М.В.Ломоносова (зав.кафедрой — профессор В.В.Шульговский). ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения диссертации изложены в 17 работах , опубликованных в отечественных и зарубежных журналах, из них: 9 — статьи и 8 - тезисы (список работ представлен в конце автореферата). ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики проведения исследований и математической обработки данных, 3-х глав собственных результатов, обсуждения полученных Фактов и выводов. Работа содержит uUVj машинописных страниц, проиллюстрирована 29 рисунками и 2 таблицами. Список литературы включает &40 работ, иэ них Ю5 отечественных и 535 зарубежных авторов.