Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Мультисенсорные механизмы переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием сверхмедленных колебаний потенциалов Пугачев, Константин Сергеевич

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Пугачев, Константин Сергеевич. Мультисенсорные механизмы переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием сверхмедленных колебаний потенциалов : диссертация ... кандидата биологических наук : 03.03.01 / Пугачев Константин Сергеевич; [Место защиты: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет"].- Москва, 2012.- 142 с.: ил.

Введение к работе

Актуальность. Перспективным направлением современной нейрофизиологии сенсорных систем является поиск новых механизмов и принципов переработки сенсорной информации в центральной нервной системе (ЦНС). Традиционное подразделение различных отделов коры, связанное с классическими представлениями И.П. Павлова об анализаторах, подразумевает наличие четких границ, очерчивающих различные области неокортекса, которые состоят исключительно из модально-специфических нейронов (отвечающих на действие стимулов одной модальности). В последние годы эта схема все чаще рассматривается как подлежащая пересмотру, в свете появившихся доказательств того, что сенсорные отделы коры влияют друг на друга, а сами сенсорные области (особенно их границы) содержат полимодальные нейроны (Wallace et al., 2004). В этой связи, существовавшая вплоть до недавнего времени точка зрения о том, что первичные сенсорные отделы коры специализируются на мономодальной переработке стимулов и жестко связаны с переработкой исключительно стимулов определенной модальности, рассматривается как малосостоятельная, являясь, по мнению ряда авторов, не более чем одним из догматов нейрофизиологии (Shimoj о, Shams, 2001; Collignon et al., 2009). В пользу подобных взглядов говорят данные о том, что первичные корковые отделы в ряде случаев могут отвечать на действие стимулов других модальностей (Brosch et al., 2005). Существуют и непосредственные доказательства интегративной мультисенсорной (кроссмодальной) переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем; все это позволяет говорить о выраженном характере мультисенсорной интеграции на уровне подкорковых и корковых (в том числе первичных) представительств сенсорных систем (Zald et al., 1998; Bronchti et al., 2002; Piche et al., 2007; Eckert et al., 2008; Kayser et al., 2008; Kayser, Logothetis, 2007; Landgrebe et al, 2008).

В этом контексте, следует отметить, что наряду с хорошо изученными быстрыми формами биоэлектрической активности, в ЦНС существует сверхмедденная биоэлектрическая активность с частотами менее 0,5 Рц (Аладжалова, 1962, 1979; Илюхина, 1977, 1986, 2004), которую принято классифицировать на сверхмедденные колебания потенциалов и потенциал(ы) милливольтового диапазона. В современной литературе существуют данные о связи сверхмедденных колебаний потенциалов подкорковых и корковых представительств сенсорных систем со специфическими процессами анализа и переработки афферентной информации (Filippov, 2003, 2005; Filippov et al., 2002; 2004; 2007, 2008; Филиппов и др., 2006 а, б; Филиппов, 2007 а, б, в; Филиппов и др., 2007; Филиппов и др., 2008, 2011, 2012). В этой связи, обоснованным выглядит предположение о том, что перестройки динамики сверхмедденных колебаний потенциалов (СМКП) в областях первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры могут быть связаны (в том числе) и с мультисенсорными механизмами переработки информации. В данной работе была предложена гипотеза о том, что СМКП головного мозга могут быть вовлечены в мультисенсорные механизмы переработки афферентной информации, т.е. в процессы переработки зрительной информации в слуховых и вкусовых областях коры, слуховой - в зрительных и вкусовых, а также вкусовой - в зрительной и слуховой областях коры.

Анализ существующей литературы показывает, что подобная проблематика остается неисследованной, а единичные косвенные публикации по ней основаны исключительно на анализе быстрых форм биоэлектрической активности головного мозга, тогда как механизмы мультисенсорной переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием динамических перестроек СМКП остаются неизвестными до настоящего времени. Все эти объективные предпосылки послужили стимулом для проведения данного исследования и экспериментальной проверки представленной выше гипотезы, что предопределило цель и задачи настоящей работы.

Цель исследования - выявить и проанализировать перестройки динамики сверхмедденных колебаний потенциалов в первичной зрительной, слуховой и вкусовой коре при предъявлении различных типов сенсорных стимулов разных сенсорных модальностей у крыс в условиях хронического эксперимента.

В соответствии с целью работы, основными задачами исследования явились следующие:

  1. Выявить и провести сравнительный анализ перестроек динамики сверхмедденных колебаний потенциалов первичной зрительной коры головного мозга при действии различных типов зрительных, слуховых и вкусовых стимулов.

  2. Установить, проанализировать и сопоставить перестройки сверхмедденных колебаний потенциалов первичной слуховой коры головного мозга при действии различных слуховых, зрительных и вкусовых стимулов.

  3. Выявить, сравнить и провести анализ изменений сверхмедденных колебаний потенциалов вкусовой коры головного мозга при действии различных вкусовых, зрительных и слуховых стимулов.

  4. Установить способность первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры дифференцированно отвечать на действие сенсорных стимулов различных типов и модальностей посредством характерных изменений спектральных паттернов сверхмедденных колебаний потенциалов.

Основные положения, выносимые на защиту. В целом, на основании полученных результатов на защиту выносятся следующие положения:

    1. Установлено, что первичная зрительная кора принимает участие в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только зрительных, но и слуховых и вкусовых стимулов посредством перестроек волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

    2. Выявлено, что первичная слуховая кора участвует в мультисенсорных механизмах переработки не только слуховой, но и зрительной и вкусовой информации, опосредованных изменением свойств волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

    3. Продемонстрировано участие вкусовой коры в мультисенсорных механизмах переработки афферентной вкусовой, слуховой и зрительной информации, основанных на характерных преобразованиях динамики волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов СМКП.

    Научная новизна исследования. В результате проведения исследования впервые получена совокупность новых результатов.

        1. Впервые установлено участие первичной зрительной коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только зрительной, но и слуховой и вкусовой сенсорной информации, опосредованное динамическими перестройками секундных и многосекундных СМКП. В частности, в первичной зрительной коре возникают статистически значимые перестройки волн секундного (0,1-0,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов при действии стимулов различных модальностей (зрительных - фотостимуляция, слуховых - фоностимуляция и вкусовых - раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида).

        2. Впервые выявлено участие первичной слуховой коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только слуховой, но и зрительной и вкусовой сенсорной информации при участии перестроек волн секундного и многосекундного диапазонов. Это проявлялось статистически значимыми изменениями волн секундного (0,10,5 Гц) и многосекундного (0,0167-0,05 Гц) диапазонов первичной слуховой коры в ответ на предъявление стимулов слуховой (фоностимуляция), зрительной (фотостимуляция) и вкусовой (раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида) сенсорных модальностей.

        3. Впервые обнаружено участие вкусовой коры в мультисенсорных механизмах анализа и переработки не только вкусовой, но и зрительной и слуховой сенсорной информации посредством изменений секундных и многосекундных СМКП, что проявлялось в виде статистически значимых характерных перестроек секундных (0,1-0,5 Гц) и многосекундных (0,0167-0,05 Гц) СМКП вкусовой коры в ответ на действие вкусовых (раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида), зрительных (фотостимуляция) и слуховых (фоностимуляция) раздражителей.

        4. Впервые в первичной зрительной, слуховой и вкусовой коре обнаружено явление дифференцировки сенсорных стимулов различных типов и модальностей друг от друга, проявляющееся в виде амплитудно-частотных изменений спектральных свойств секундных (0,1-0,5 Гц) и многосекундных (0,0167-0,05 Гц) СМКП.

        Научно-практическая значимость работы. Несмотря на то, что настоящая работа носит фундаментальный характер, на основании полученных данных раскрыта и доказана разная роль различных диапазонов сверхмедденных колебаний потенциалов в мультисенсорных механизмах переработки афферентной сенсорной информации в ЦНС. Результаты и выводы исследования в дальнейшем могут быть использованы в учебном процессе как биологических, так и медицинских факультетов различных вузов для более детального понимания нейрофизиологических механизмов, лежащих в основе интегративных ассоциативных сенсорных процессов. Полученные результаты могут быть использованы в клинической практике. Данная работа позволяет обосновать необходимость широкого использования метода неинвазивной регистрации сверхмедденной активности с поверхности головы для клинического использования в качестве дополнения к методике классической электроэнцефалографии (ЭЭГ). Это позволит оценить не только функциональное состояния лобных, височных и затылочных отделов коры больших полушарий, но и выявить степень их участия в интегративных мультисенсорных механизмах переработки информации, что может иметь значение для оценки компенсаторных перестроек активности вкусовой, слуховой и зрительной коры у пациентов с поражением сенсорных систем.

        Апробация работы и публикации. Материалы работы представлены и обсуждены на 15 различных Всероссийских и международных конференциях, конгрессах, съездах. В числе наиболее важных научных мероприятий: IV школа-конференция, посвященная 100- летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР Г.В. Гершуни «Физиология слуха и речи» (Санкт- Петербург, 2005 г.); XX Съезд физиологического общества имени П.П. Павлова (Москва, 2007 г.); Всероссийская конференция с международным участием «Структурно- функциональные, нейрохимические, и иммунохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2007 г.); 11 Всероссийская медико-биологическая конференция молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2008 г.); XIII Школа-конференция молодых ученых по физиологии высшей нервной деятельности и нейрофизиологии (Москва, 14-16 октября 2009 г.); Мировой конгресс по нейротехнологиям (Италия, Рим, 2010 г.).

        По теме диссертационного исследования опубликовано 24 печатных работы, в том числе 5 статей в журналах, входящих в список ведущих рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК РФ. Из указанных статей - 3 статьи опубликовано в отечественных рецензируемых научных журналах, 2 статьи опубликованы в зарубежных рецензируемых научных журналах.

        Структура и объем диссертационного исследования. Диссертация изложена на 142 страницах машинописного текста и состоит из введения; обзора литературы (глава 1); описания материалов и методов (глава 2); изложения результатов исследования и их обсуждения (глава 3); заключения; выводов и списка использованной литературы. Работа проиллюстрирована 24 рисунками и 3 таблицами. Список литературы содержит 232 источника, из которых - 35 отечественных и 197 иностранных.

        МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ (МЕТОДИКА)

        Электроды. Как показано в целом ряде работ, одним из факторов, оказывающих существенное влияние на амплитудно-временные характеристики сверхмедденных колебаний потенциалов, являются поляризационные эффекты на границе раздела электрод - ткань мозга. Тем не менее, существует большое количество отечественных и зарубежных публикаций, подтверждающих целесообразность и применимость использования золотых электродов для записи сверхмедденных колебаний потенциалов головного мозга (Аладжалова, 1979; Cooper 1980; Илюхина, 1977, 1986, 2004; Ikeda et al., 1998; Tallgren et al., 2005). Достоинством золотых интрацеребральных электродов является то, что при длительном контакте с головным мозгом они, не подвергаются коррозии, не вступают в реакции с тканями, не токсичны, электрически стабильны и обладают высокой электропроводностью (Илюхина, 1977, 1986, 2004; Илюхина и др., 1982; Stensaas, Stensaas, 1978). На основании изложенных фактов, в настоящем исследовании при хронической регистрации различных видов СМКП корковых представительств сенсорных систем головного мозга применялись долгосрочные золотые интрацеребральные электроды, изготовленные из проволоки (98% золото), покрытые фторопластовой изоляцией, диаметром 0,3-0,4 мм, длиной от 2 мм до 6 мм, с площадью активной рабочей поверхности 0,1-0,2 мм2.

        Способы отведения, усиления и регистрации сверхмедленных колебаний потенциалов изученных структур головного мозга. В настоящей работе применялся монополярный способ регистрации СМКП относительно референтного электрода, располагавшегося в области лобных костей. С целью унификации и стандартизации исследований в настоящей работе использованы следующие способы коммутации (подключения) электродов ко входам (клеммам) усилителя: активные электроды, расположенные в исследуемых структурах головного мозга, подключались к положительной (+), а референтный электрод сравнения - к отрицательной (-) входным клеммам усилителя.

        В данном исследовании для усиления и регистрации СМКП были использованы высокоимпедансные универсальные усилители тока типа УУ-93 (производства ЭПМ НИИЭМ РАМН, г. С.-Петербург). Усиленные СМКП с выходов усилителя подавались на вход восьмиканального 12-битного аналого-цифрового преобразователя (KPCI-3101, Keithley Instruments Inc., Cleveland, Ohio, USA), который преобразовывал аналоговый сигнал в цифровую форму в режиме реального времени и направлял этот сигнал в персональный компьютер при помощи специализированного программного обеспечения для визуализации, хранения, дальнейшей математической обработки и анализа. В настоящей работе частота дискретизации СМКП при помощи аналого-цифрового преобразователя составляла 1 Гц.

        Объект исследований и подготовка животных к эксперименту. Работа проведена на 30 самцах взрослых нелинейных крыс альбиносов с массой тела 230-280 гр. (п=720 повторных экспериментальных наблюдений). На протяжении всего экспериментального периода животные содержались в стандартных условиях вивария, а опыты проведены в строгом соответствии с существующими общепринятыми международными принципами гуманного обращения с лабораторными животными (директива совета Европейского Союза от 24.11.1986 г., 86/609/ЕЕС). Первоначально проводилась нейрохирургическая стереотаксическая операция имплантации долгосрочных золотых интрацеребральных электродов в исследуемые структуры головного мозга, что осуществлялось под уретановым (1 г/кг внутрибрюшинно) наркозом, в соответствии с атласом головного мозга крыс (Swanson, 1998). После окончания операции животным проводилась инъекция сульфалена (0,2 мл 1% раствора внутримышечно) с целью профилактики послеоперационных септических осложнений, и затем крысы помещались в стандартные условия вивария.

        Исследования динамики СМКП первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры головного мозга крыс при действии различных сенсорных стимулов. В соответствии с планом исследований каждому экспериментальному животному первоначально проводилась имплантация золотых интрацеребральных электродов во все указанные структуры ЦНС (первичная зрительная, слуховая и вкусовая кора). Через 14 суток с момента имплантации электродов, проводились ежедневные многократные монополярные регистрации СМКП в условиях хронического эксперимента на легконаркотизированных уретаном животных (0,2-0,3 г/кг внутрибрюшинно). Для этого животные во время проведения исследований помещались в изолированный индивидуальный контейнер, располагавшийся в экранированной камере. Конструкция контейнера была разработана таким образом, чтобы максимально изолировать животное от сенсорных стимулов различных модальностей (слуховых, зрительных, вкусовых) за исключением тех, которые использовались в каждой конкретной серии экспериментов.

        Исследования проведены в трех различных условиях наблюдения:

        1. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП первичной зрительной коры при действии: зрительных стимулов; слуховых стимулов; вкусовых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

        2. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП первичной слуховой коры при действии: слуховых стимулов; зрительных стимулов; вкусовых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

        3. Зарегистрирована динамика различных диапазонов СМКП вкусовой коры при действии: вкусовых стимулов; зрительных стимулов; слуховых стимулов. Эксперименты проведены на 30 крысах, п=240 повторных экспериментальных наблюдений.

        Сенсорная стимуляция. Все указанные сенсорные стимулы (зрительные, слуховые и вкусовые) воздействовали на экспериментальных животных в соответствии со случайной (рандомизированной) схемой предъявления стимулов, когда один стимул сменял другой неожиданно для самого животного, без возможности прогнозируемого ожидания или угадывания его применения. Использованы следующие типы нормированных сенсорных стимулов: (1) зрительные - темнота и ритмическая фотостимуляция, представленная стробоскопическими вспышками с интенсивностью 0-2500 люкс, частотой 4 Гц, длительностью вспышки менее 50 мкс; (2) слуховые - тишина и ритмическая фоностимуляция, представленная «щелчками», уровень интенсивности звука 80 децибел, частота звукового тона 2000 Гц, частота предъявления стимулов 8 Гц; (3) вкусовые - растворы, обладавшие различными вкусовыми свойствами: нейтральный вкусовой раздражитель (дистиллированная вода); раствор, имевший горький вкус - водный раствор папаверина гидрохлорида (0,06 M раствор или 2% раствор C2OH22O4NCl); раствор, имевший сладкий вкус - водный раствор глюкозы (0,55 M раствор или 10% раствор C6H12O6). Вкусовая сенсорная стимуляция осуществлялось при помощи специальной канюли, из которой постепенно, равными порциями капельно (5 мл/час) на протяжении всего периода эксперимента растворы поступали в ротовую полость испытуемого животного.

        Верификация локализации электродов в неокортексе. После завершения экспериментальных исследований осуществлялся забой животных путем внутрибрюшинного введения уретана (в дозировке 3 г/кг). Затем проводилась декапитация животных, выделялся головной мозг. После фиксации изготавливались серийные срезы приэлектродных областей, которые исследовались с целью морфологической верификации расположения треков электродов. Всего проведено 30 исследований.

        Методы анализа динамики сверхмедленных колебаний потенциалов структур головного мозга. При анализе в настоящей работе визуально оценивали форму, регулярность и амплитудно-временные характеристики различных видов СМКП из фрагментов электрограмм. При выделении фрагментов записей СМКП руководствовались следующими правилами. Длительность подобных фрагментов составляла: 256 секунд для анализа динамики СМКП секундного диапазона и 1024 секунды для анализа динамики СМКП многосекундного и минутного диапазонов. Это были те временные фрагменты СМКП, которые предшествовали смене одного сенсорного стимула другим, т.е. последние 256 и 1024 секунды перед сменой темноты фотостимуляцией, перед сменой тишины фоностимуляцией, перед сменой нейтрального вкусового стимула сладким/горьким, а затем это были те фрагменты, которые были зарегистрированы сразу после смены одного сенсорного стимула другим, т.е. первые 256 и 1024 секунды с момента смены темноты фотостимуляцией, смены тишины фоностимуляцией, смены нейтрального вкусового стимула сладким/горьким вкусовым сенсорным стимулом. Таким образом, анализировались те фрагменты СМКП, которые были отделены друг от друга только 15 секундным интервалом, т.е. временем, необходимым для смены стимула, при этом СМКП в этот период времени не регистрировалась.

        Проведен амплитудно-временной анализ СМКП различных диапазонов. В качестве основного был использован метод оценки спектральных характеристик различных диапазонов СМКП с применением алгоритма быстрого прямого преобразования Фурье (при помощи программного обеспечения PSI-Plot 7.5 for Windows, Poly Software International, Inc., NY, USA). Полученные в ходе анализа различных диапазонов СМКП спектрограммы для каждой структуры в различных условиях наблюдения многократно арифметически усреднялись: индивидуально для каждого животного, а затем проводилось усреднение спектрограмм для всей группы наблюдения в целом.

        Статистический анализ полученных данных включал построение и аналитическую оценку усредненных спектральных графиков различных видов СМКП. Статистическая значимость межгрупповых и внутригрупповых отличий оценивалась с использованием однофакгорного дисперсионного анализа (one-way ANOVА), проводившегося при помощи персонального компьютера и программного обеспечения (PSI-Plot 7.5 for Windows & ProStat 3.5 for Windows, Poly Software International, Inc., NY, USA). При этом отличия с р<0,05 рассматривались как статистически значимые (Урбах, 1975).

        Похожие диссертации на Мультисенсорные механизмы переработки информации в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга с участием сверхмедленных колебаний потенциалов