Введение к работе
Актуальность проблемы
Осцилляции в электроэнцефалограмме (ЭЭГ) возникают благодаря синхронной активности большого числа нервных клеток. Многими работами продемонстрирована важная роль ритмической активности всех диапазонов частот в обработке информации в нейронных сетях. Посредством отведений ЭЭГ от скальпа и внутримозговых регистраций достаточно детально исследованы осцилляции в различных кортикальных областях, имеющих слоистый тип организации. В отличие от этого, они практически не изучены в субкортикальных структурах ядерного типа, принимающих активное участие в обработке поступающих в мозг сигналов.
В последние годы большой интерес у нейрофизиологов вызывает выяснение роли осцилляторной активности во взаимоотношениях различных областей мозга, поскольку они играют важную роль в организации его функций, в частности, когнитивных. Предполагается, что для включения избирательного внимания, при обучении, запоминании, различных когнитивных задачах необходима гибкая и быстрая (в пределах сотен миллисекунд) перестройка коммуникаций разных нейронных ансамблей. Такие быстрые преобразования не могут осуществляться посредством анатомических связей. Согласно существующим гипотезам [Ливанов, 1989; Fries, 2005], субстратом таких перестроек может являться осцилляторная активность, синхронно возникающая в пространственно разделенных, но функционально связанных областях мозга. К настоящему времени экспериментально доказано, что осцилляции обеспечивают ритмическую модуляцию нейронной возбудимости, которая влияет на чувствительность синаптических входов и на вероятность генерации потенциалов действия [Fries, 2005; Anderson et al., 2010; Wang, 2010; Benchenane et al., 2011; Colgin, 2011]. Таким образом, ритмическое повышение нейронной возбудимости обеспечивает временные окна для коммуникаций и может динамически модулироваться когнитивными потребностями.
Несмотря на возрастание интереса к осцилляторным процессам, до настоящего времени остается неизвестным, могут ли разные типы осцилляций присутствовать в различных структурах (как кортикальных, так и субкортикальных) при одном и том же уровне активации мозга, какова степень их выраженности и, главное, как изменения ритмической активности отражаются во взаимодействиях разных областей мозга. Внесение ясности в эти вопросы важно для понимания механизмов работы мозга.
Малоизученным является и вопрос о том, каков характер изменений ритмической активности в различных частотных диапазонах при нейродегенеративных заболеваниях. Одним из широко распространенных заболеваний такого рода является височная эпилепсия (ВЭ). Эта патология представляет собой тяжелую трудноизлечимую форму фокальной эпилепсии, при которой повреждаются многие структуры мозга. Механизмы возникновения и развития ВЭ пока не ясны; возможно, что одной из причин этого является недостаточное внимание, уделяемое исследованию ритмов мозга при эпилептогенезе. Практически не изученными являются нарушения осцилляций в субкортикальных ядрах при ВЭ, а также изменения степени синхронизации их активности с активностью неокортикальных областей.
В литературе есть указания на то, что при ВЭ у пациентов наблюдается нарушение обучения и памяти; аналогичные нарушения выявлены на моделях ВЭ у животных. В то же время известно, что ритмическая активность разных диапазонов участвует в когнитивной работе мозга; в частности, тета-осцилляции, пейсмекером которых является медиальная септальная область (МС), необходимы для включения внимания и дальнейшего запоминания поступающей в мозг информации [Vinogradova, 1995; Buzsaki, 2002]. Известно также, что МС играет ключевую роль в регуляции возбудимости и функционировании гиппокампальной системы, необходимой для формирования долговременной памяти и, в то же время, являющейся основным локусом повреждений при ВЭ. Эти факты подчеркивают необходимость особенно глубокого изучения роли МС в изменении осцилляций как в норме, так и при эпилептогенезе. Одной из наименее изученных отделов МС является глутаматергическая система, имеющая существенное значение в функционировании гиппокампа. Анализ изменений, возникающих при воздействиях на эту систему на экспериментальных моделях ВЭ, продвинут понимание причин развития эпилепсии.
Цели и задачи исследования
Цель работы состояла в исследовании ЭЭГ-активности кортикальных и субкортикальных структур мозга бодрствующих животных в норме и в моделях эпилепсии.
Основные задачи:
1) Определить характеристики ЭЭГ-активности восьми структур мозга здоровых бодрствующих морских свинок в следующих частотных диапазонах: дельта, тета, альфа, гамма и рипплз;
-
Исследовать изменение спектральных характеристик осцилляторной активности при генерации судорожных разрядов, вызванных электрической стимуляцией глутаматергического неокортикального входа в гиппокамп (перфорирующего пути);
-
На модели электрического киндлинга перфорирующего пути выявить изменения в спонтанной ритмической активности и межструктурных взаимодействиях во всех исследуемых диапазонах;
-
Изучить влияние активации глутаматергической системы медиальной септальной области (внутриструктурным введением L-глутамата) на осцилляторную активность других областей мозга.
Научная новизна
В настоящем исследовании впервые осуществлена одновременная регистрация осцилляторной ЭЭГ-активности восьми структур мозга, как кортикальных (энторинальной и фронтальной областей, гиппокампа, зубчатой фасции) так и субкорикальных (МС, супрамамиллярного ядра, миндалины, латерального септального ядра) у здоровых и эпилептических животных. Выявлены особенности ритмической активности этих областей мозга в основных частотных диапазонах: дельта, тета, альфа, гамма и рипплз. Впервые показано, что у морских свинок, находящихся в состоянии спокойного бодрствования, в структурах «ядерного» типа, так же, как в кортикальных областях, отчетливо выражены осцилляции во всех полосах частот, от низкочастотных (дельта) до высокочастотных (рипплз). Обнаружено, что корреляционные взаимодействия структур мозга в разных диапазонах в целом тем интенсивнее, чем отчетливее выражена осцилляторная активность в этих диапазонах, хотя это не являлось общим правилом.
Обнаружено, что во время генерации судорожных разрядов осцилляторная активность сильно возрастает, ещё более усиливаясь при активации глутаматергической системы МС. При этом парадоксальным образом нарушается степень синхронизации активности различных структур: в целом, она возрастает в высокочастотных и снижается в низкочастотных полосах частот. Такие разнонаправленные сдвиги могут быть причиной разбалансировки и нарушения работы мозга, в том числе изменения когнитивных функций и потерю сознания при судорогах.
На модели электрического киндлинга и повторного введения L-глутамата в МС впервые описаны глобальные нарушения ритмической активности всех диапазонов и межструктурных отношений в этих частотных полосах в эпилептическом мозге. Обнаруженные изменения осцилляций могут объяснять нарушения когнитивных функций мозга при эпилептогенезе. На модели височной эпилепсии выявлен существенный вклад активации глутаматергической системы МС в развитии эпилептического очага.
Показано, что наиболее ранним проявлением эпилептогенеза в моделях киндлинга является подавление рипплз-осцилляций в медиальной септальной области и миндалине: они ослабевают уже при неполной раскачке, когда нет явных признаков патологии. Это свидетельствует о том, что высокочастотные осцилляции в МС и миндалине - наиболее уязвимый процесс при эксайтотоксических воздействиях, и их подавление можно рассматривать как маркер начала формирования патологического очага. При длительной электрической стимуляции перфорирующего пути (более 2-х месяцев), приводящей к появлению спонтанных судорожных припадков, в активности МС и гиппокампа выявлено постепенное ослабление тета-ритма и корреляционных взаимодействий этих структур; эти нарушения ускоряются при активации глутаматергической системы МС. Поскольку, как показано многими авторами, в нормальном мозге тета-ритм играет протекторную роль при неблагоприятных воздействиях на мозг, резкое ослабление тета-осцилляций и дезинтеграция работы септо-гиппокампального комплекса, по-видимому, являются одной из основных причин формирования височного эпилептического очага на поздних этапах киндлинга. Данные способствуют пониманию общих механизмов работы мозга и развития ВЭ.
Научно-практическая значимость работы
Проведенная работа позволила выявить изменения, которые могут лежать в основе развития патологических процессов в эпилептическом мозге. Одновременная регистрация внутримозговой ЭЭГ из нескольких структур показала, что изменения ритмической активности при эпилетогенезе наблюдаются параллельно как в кортикальных, так и в субкортикальных областях, что существенно расширяет представления о механизмах развития височной эпилепсии.
Показанное в работе наиболее существенное возрастание осцилляций в гамма- и рипплз-диапазонах во время генерации судорог указывает на то, что высокочастотные осцилляции имеют решающее значение в формировании эпилептического очага.
Выявление наиболее раннего проявления результатов киндлинга в виде подавления рипплз-осцилляций в медиальной септальной области и миндалине, служит основанием рассматривать эти изменения как маркер начавшегося эпилептогенеза.
Полученные экспериментальные данные могут помочь разработке новых подходов для терапии височной эпилепсии.
Апробация работы
Основные результаты диссертации доложены на Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2009, 2011, 2013), Международном симпозиуме «Гиппокамп и память» (Пущино, 2009, 2012), 4ом, 5ом, 6ом, 7ом международном междисциплинарном конгрессе «Нейронаука для медицины и психологии» (Судак, Крым, 2008-2011 гг), конференции молодых ученых ИТЭБ РАН «Экспериментальная и теоретическая биофизика» (Пущино, 2009-2012), а также на школах: 1. Школа-конференция Нейротехнологии 2010 («Биоэкономика, основанная на знаниях: политика инновационного пути развития биотехнологии»), Россия, пос. Бекасово, 2010; 2. Вторая всероссийская научная школа «Нейробиология и новые подходы к искусственному интеллекту и науке о мозге», Ростов-на-Дону, 2011; 3. Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в области биологических наук в рамках всероссийского фестиваля науки. Ульяновск, 2011. По материалам диссертации опубликовано 4 работы: 3 статьи в отечественных рецензируемых журналах, включенных в список ВАК, и 1 статья в зарубежном рецензируемом журнале.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа содержит введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты, обсуждение, выводы и список литературы. Работа изложена на 150 страницах, содержит 20 рисунков. Список литературы включает 417 источников отечественной и зарубежной литературы.
