Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из актуальных проблем современной нейробиологии является изучение основных принципов деятельности нервной системы, обеспечивающих формирование и реализацию индивидуальных адаптации, а также раскрытие природы и механизмов пластичности нервных клеток, лежащей в основе высших нервных функций. Под пластичностью подразумевается способность нейронов к изменению своей активности при смене биологического значения раздражителя (Анохин, 1974; Цитоловский, 1978; Шеперд, 1987; Осипов, I960). Такой вид пластичности, связанный с избирательным изменением состояния нейрона при действии определенного стимула и ограниченный его мембранными и цитоплазматическими структурами без участия синапти-ческого аппарата, получил название эндонейрональной. Показано,что эндонейрональная пластичность может играть существенную роль в организации различных условнорефлекторных актов (Гайнутдинов, Штарк, 1986; Греченко, 1979; Котляр, 1986; Максимова, Балабан, 1983; Соколов, 1937, Burne , 1987).
Толчком к дальнейшему изучению зндонейрональной пластичности послужила разработка клеточных (нейрональкых) аналогов условных рефлексов (УР), которые позволили упростить экспериментальную ситуацию при выработке УР заменой афферентных раздражений электрической или фармакологической стимуляцией нейрональных структур (Бабкина и др., 1989; Воронин Л.Л., 1970; Ратушняк, 1988; Кэндел, 1980; Alton , 1987; Carew , 1986; Hawkins , 1986). Использование таких препаратов, устраняющих влияние сигналов неассоциативной природы, позволило исследовать клеточные основы обучения и поведения, в результате чего было показано, что отдельная нервная клетка обладает всем набором необходимых структур для того, чтобы реализовать аналоги таких сложных видов условнорефлекторкой деятельности как привыкание, облегчение, дифференцировка, классический условный рефлекс (Греченко, I960; Дьяконова, 1987; Соколов, 1981; Сторожук, 1986; Black , 1984; sina , 1931).
Одним из основных механизмов, обеспечивающих реализацию указанных эндонейрональных условнорефлекторных феноменов, является пластичность электровозбудимой мембраны, которая, наряду с пластичностью пейсмекерного аппарата клетки, определяет изменение ее электрического ответа на действие повторяющихся стимулов (Дьяконова, 1983, Гусельников, 1980; Соколов и др., 1975). Изменение характе-
pa электрического ответа нейрона при повторном нанесении-раздражений может проявляться как в изменении количества потенциалов действия (ИД), вызванных действием стимула, так и в трансформации исходного ритма фоновой импульсации нейрона, которая может быть достигнута путем применения различных видов внешней афферен-тации, подведения естественных или искусственных биологически активных веществ или приложения непосредственно к клетке электрических воздействий. Последний путь представляет наибольший интерес, поскольку при простоте реализации и легкости дозировки воздействия, он позволяет количественно изучать зависимость между параметрами поляризующего тока и изменениями импульсной активности, обеспечивает универсальное воздействие на все клетки, независимо от их химизма, и исключает участие активных адаптационных механизмов хемочувствительных мембран из процесса пластических . перестроек спонтанной импульсации.
В литературе приводятся данные о влияниях на изменения спонтанной активности повторяющихся толчков тока и ритмической стимуляции (Альгульян, I978J Аракелов, 1977; Кэндел, 1980} Парцвания, 1985} Савостин, 1981; Parley , 1965), которые, однако, не исчерпывают всех возможных временных соотношений сигналов, поступающих к клетке в естественных условиях. Практически отсутствуют сведения о влияниях внутриклеточной случайной и ассоциативной (контингентной) электростимуляции, при которой нанесение внутриклеточных раздражений "привязано" к определенным временным компонентам спонтанной активности.
Для анализа пластических перестроек эндогенной ритмики наиболее важным представляется изучение влияний именно контингентных режимов стимуляций, при которых подача раздражений детерминирована исключительно наличием определенных частотно-временных компонентов эндогенной спайковой активности нейрона. В таких условиях нейрон, если он обладает способностью к инструментальному реагированию, получает реальную возможность изменить характер поступающих к нему внешних воздействий за счет адаптивных перестроек частоты и паттерна своей импульсации. Сопоставление динамики протекания пластических перестроек активности при контингентной стимуляции с эффектом действия на эту же клетку ритмической, случайной и псевдоконтингентной стимуляций позволило бы оценить приспособительную направленность пластических сдвигов спонтанной активности и более полно охарактеризовать эндонейроиальные адаптивные 2
возможности отдельных нейронов.
Исходя из этого, целью данной работы явилось исследование влияний различных режимов и параметров внутриклеточной электростимуляции на динамику изменений частоты, структуры и взаимосвязи компонентов спонтанной спайковой активности отдельных нейронов моллюсков в условиях управляемого биоадаптивного эксперимента.
Для достижения этой цели были определены следующие задачи:
-
Разработать методику биоадаптивного эксперимента с использованием средств вычислительной техники для управления эндогенной активностью клетки по различным критериям ее электрической импуль-сации.
-
Исследовать влияние различных режимов ритмической, случайной и ассоциированной с определенными компонентами спонтанного разряда (контингентной) электрической внутриклеточной стимуляции на характер исходной эндогенной импулъсации нервной клетки.
-
Определить взаимосвязи морфологических признаков и исходных электрофизиологических показателей различных нейронов с характером происходящих в них пластических перестроек фоновой активности при применении указанных воздействий.
-
Оценить эффективность различных видов внутриклеточных воздействий для достижения адаптивной трансформации исходной спонтанной ритмики.
Основные результаты исследований и их новизна. В работе впервые проводится сравнительный анализ влияния различных режимов ассоциированной и неассоциированной внутриклеточной электростимуляции на динамику изменений частоты, структуры и взаимосвязи отдельных компонентов исходной спайковой активности нейронов моллюсков. Выявлена адаптивіая способность отдельных нейронов к минимизации или максимизации прикладываемых ассоциированных воздействий за счет изменений характера и частоты фоновой спайковой активности, обнаруживаемая только при проведении контингентной стимуляции. Показано, что данный феномен можно рассматривать как клеточный аналої' инструментального рефлекса, в котором в качестве оперантной реакции выступают частотно-временные характеристики спонтанной импульсации. Установлено,что в реализации адаптивных перестроек эндогенной ритмики доминирующее значение играют колебания величин среднего и максимального межепайковых интервалов. Обнаружены группы нейронов,которые в ходе контингентной стимуляции проявляют способность к пре-
имущественной минимизации или максимизации интенсивности прикладываемых воздействий. Отмечено, что способность нейронов к адаптивным перестройкам фоновой импульсации не детерминирована их морфологическими признаками, исходными электрофизиологическими,пока- '' зателями или принадлежностью к определенному идентифицированному типу.
Теоретическая и практическая значимость работы. Работа позволяет глубже понять взаимосвязи между отдельными компонентами и характеристиками фоновой активности нейронов при развитии адаптивных перестроек их импульсации, а также выявить зависимость динамики их протекания от параметров поступающих внешних воздействий. Происходящие при внутриклеточном автоподкреплении определенных Ш направленные трансформации исходного ритма активности, приводящие к минимизации или максимизации прикладываемых контингентных воздействий, можно рассматривать как клеточный аналог инструментального рефлекса. В теоретическом плане настоящая работа представляет интерес для понимания особенностей функциональной пластичности отдельных нейронов как возможных нейросубстратов условно-рефлекторной деятельности.
Полученные результаты и предлагаемая экспериментальная модель "нервная клетка - управляющая микройВМ" имеют практическое значение для изучения биофизических, биохимических и фармакологических особенностей и механизмов ендонейрональной пластичности. Методический подход, примененный для анализа изменений фоновой активности нейронов, полезен для оценки влияний различных препаратов на функционирование нервных клеток.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Отдельные нейроны моллюсков при их внутриклеточной автостимуляции, ассоциированной с определенными величинами межимпульсных интервалов спонтанных потенциалов действий, способны к устойчивому понижению или повышению частоты собственных разрядов, что приводит к избирательному изменению количества поступающих на клетку раздражений. Применение на этих же клетках ритмической и случайной стимуляций, как правило, вызывает только кратковременные изменения структуры и регулярности исходной спайковой импульсации, которые не носят адаптивного характера.
-
Выраженность и направленность происходящих пластических перестроек спайковой активности нейронов при контингентной стимуляции определяется силой раздражения, величиной порога автоподкреп-4
легаш, продолжительностью стимуляции, а также исходным функциональным состоянием нейрона.
3. Способность нейронов к адаптивным перестройкам фоновой импульсации в условиях контингентной стимуляции не детерминирована их исходными электрофизиологическкми показателями и принадлежностью к определенному идентифицированному типу.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XI и HI съездах Украинского физиологического общества (Днепропетровск, IS62; Львов, IS86); I Всесоюзной конференции по нейро-наукам (Киев, 1986); Всесоюзных конференциях по нейро-пептидам (Томск, 1935) и олигопептидам (Москва, 1988); Всесоюзном симпозиуме "Механизмы пластичности мозга" (і&хачкала, 1982)} Ш Республиканской конференции по проблемам управления функциями биологических объектов и автоматизации медико-биологических исследований (Киев, 1986); ка конференциях молодых ученых ФТЖГ АН УССР (Харьков, 1986 и 1938).
Публикации. Основное содержание работы изложено в 5 журка.п--ных статьях и в материалах 4 конференций.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из вгедения, обзора литературы, описания методик, результатов собственных исследований (4 главы), их обсуждения и выводов. Представлена одним томом на 181 странице машинописного текста (без цитированной литературы), включая 33 иллюстрации и 8 таблиц* Библиография - 2и4 источника, в том числе 126 на русском языке. Весь материал, представленный в диссертации, получен, обработан и проанализирован лично автором.