Введение к работе
Актуальность проблемы. Составным элементом многих
форм целенаправленного поведения является локомоция. Изучение
организации и работы систем управления локомоциеи на
нейрональном уровне представляет огромный интерес для понимания
нейрофизиологических механизмов управления не только этим
классом движений, но и всем многообразием ритмических движений,
совершаемых животными. Локализованные на уровне спинного мозга,
генераторы шагательных движений могут, при определенных
условиях, самостоятельно генерировать ритмические движения
конечностей (Freusberg, 1874; Philippson, 1905; Sherrington, 1906 a;b;
1910; Brown, 1911; Grillner, 1973; 1975; 1981; Orlovsky, Shik, 1976;
Wetrel, Stuart, 1976; P.Stein, 1978; Viala, Vidal, 1979; Forssberg et al.,
1980). Однако основное состояние спинальных генераторов при
отсутствии внешних воздействий - неактивное. В рабочее состояние
локомоторная программа, реализуемая спинным мозгом, переводится
командами, поступающими из высших отделов головного мозга, и
функционирует до тех пор, пока продолжается поступление
воздействий. В экспериментальных условиях обычно "удается
активировать программу искусственно. К настоящему моменту
известны несколько областей - субталамическая (Waller, 1940;
Орловский, 1969 ), среднемозговая (Шик и др.,1966;) и бульбарная
(Шик, Ягодницын, 1977), - электрическое раздражение которых может
вызывать локомоцию у мезэнцефалической кошки. Электрическое
раздражение этих областей переводит слинальные генераторы
шагания в активное состояние. Известно, что нейроны локомоторных
областей не посылают длинных нисходящих аксонов в спинной мозг
(Garcia-Rill et al., 1983, Shefchyk et al., 1984, Baev et al., 1988). Эти
области могут оказывать воздействие на генераторы спинного мозга
посредством нейронов с длинными аксонами, локализованных в
вентро- и дорсомедиальных областях продолговатого мозга и моста
(Орловский, 1970; Kawahara et al., 1985; Jordan, 1986).
Действительно, раздражение парамедиальной области ретикулярной формации в некоторых опытах вызывает шагание (Steeves et al., 1986, Березовский и др., 1991), однако, вызывать локомоцию электрическим раздражением нисходящих ретикуло-спинальных путей не удается. Стимуляция рубро- и вестибуло-спинальных путей усиливают активность нейронов в определенные фазы цикла, но не активируют генератор шагания (Orlovsky, 1972). Электрическое раздражение кортико-спинального тракта на уровне продолговатого мозга приводит к локомоции только в случае, если произведена перерезка пирамид на более каудальном уровне (Шик и др., 1968). В этом случае мощные
прямые кортико-спинальные влияния не препятствуют возбуждению
генераторов^- шагания, а активация шагания происходит через
стволовые /локомоторные области. Раздражение спинного мозга
вызывает ритмические движения при условии, что возбудимость
спинного мозга повышена. После воздействия ДОФА у спинальных
кошек можно получать шагание по движущейся ленте тредбана или
при стимуляции дорсальных корешков (Будакова 1971; Viala, Buser
1971; Grillner, Zangger, 1974). По-видимому, ДОФА изменяет
возбудимость не только нейронов генераторов шагания ( Jankovska,
1967), но и нейронов всего спинного мозга (Housgaard et al., 1984),
облегчая активацию шагания разными афферентными
воздействиями. В диссертации описана локомоторная полоска
дорсолатерального канатика спинного мозга (ДЛК), активация волокон
которой дает возможность вызывать .шагательные движения,
возбуждая нейроны, расположенные вне генераторов шагания на
протяжении спинного мозга. Эти нейроны, посылая свои аксоны на
значительное расстояние вдоль спинного мозга, образуют
проприоспинальную систему, которая является аналогом ретикуло-
спинальной системы. Подобно тому, как ретикуло-спинальные
нейроны участвуют в активации шагания из передних отделов мозга,
проприоспинальные возбуждаются при стимуляции шагательной
полоски спинного мозга. Наши данные позволяют сформулировать
гипотезу о единой бульбо-спинальной системе управления
локомоцией, включающую ретикуло-спинальные и
проприоспинальные нейроны. Возбуждение различных участков этой бульбо-спинальной локомоторной системы, которое может происходить при воздействии из локомоторных областей как мозгового ствола, так и спинного мозга, приводит к активации шагания.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы состояла в проверке возможности вызова шагательные движения путем электрического раздражения спинного мозга кошки и в исследовании спинномозговых механизмов активации генераторов шагания.
В связи с этой целью были поставлены следующие основные задачи:
-
Изучить возможность вызова шагания электрической стимуляцией спинного мозга.
-
Исследовать нейронные механизмы и пути передачи возбуждения из шагательных точек ДЛК спинного мозга к генераторам шагания.
-
Изучить конвергенцию влияний локомоторных областей среднего, продолговатого и спинного мозга на спинальных интернейронах.
4. Выяснить, вовлекается ли ретикулярная формация мозгового ствола в активацию локомоции при раздражении шагательной точки в спинном мозге.
Научная новизна и теоретическое значение. Впервые
показано, что у децеребрированной кошки раздражение ДЛК на
уровнях от С2 до L2 вызывает шагательные движения
ипсилатеральной задней конечности. Показано, что для вызова
шагания из ДЛК не требуется сохранности ни прямых проекций к
спинальным генераторам шагания, ни проекций к стволовым центрам
управления локомоцией. После обширных разрушений путей,
передающих сигналы от локомоторных центров ствола в спинной
мозг, шагание при раздражении ДЛК сохраняется. Впервые показано,
что при раздражении шагательной точки в ДЛК возбуждается
нейроны на значительном протяжении спинного мозга. Установлено,
что часть этих нейронов обладает аксонами, имеющими длину свыше
50 мм в ростральном и каудальном направлении. Получены данные о
конвергенции синаптических влияний стволовых локомоторных
центров и спинальных шагательных точек на нейронах спинного
мозга. Показано, что у кошки с интактным спинным мозгом при
раздражении шагательных точек в ДЛК происходит возбуждение
нейронов медиальной ретикулярной формации. Впервые показано,
что нейроны, возбуждаемые при раздражении шагательной точки в
ДЛК, обладают ритмической активностью во время спонтанной
локомоторной ритмики. ;;
Полученные данные позволяют сформулировать гипотезу о существовании единой стволово-спинальной локомоторной системы инициации локомоции. В разных условиях возможно активировать шагание, возбуждая разные части этой системы. При произвольной целенаправленной локомоции через стволовые локомоторные центры происходит возбуждение, ретикулярной формации мозгового ствола. Возбуждения проприоспинальных нейронов спинного мозга при сильных афферентных раздражениях оказывается достаточным для срочного вызова локомоции.
Практическое значение. Полученные в работе сведения о возможности активировать спинальные генераторы шагания при раздражении спинного мозга могут быть использованы для разработки методов реабилитации больных с повреждениями спинного мозга. Результаты работы также могут быть использованы в научных учреждениях, исследующих процессы переработки информации в нервной системе, а также в биокибернетических и бионических лабораториях, занимающихся теоретическим анализом и конструированием сложных управляющих систем.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях лабораторных и межлабораторных семинаров ИППИ РАН; I Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1982 г.); XIV и XV Съездах Всесоюзного физиологического общества им. И.П.Павлова (Баку, 1983 г., Кишинев, 1987 г.); заседании Московского физиологического общества (Москва, 1985 г.); Ill советско-французской встрече "За круглым столом" по нейробиологии (Москва, 1986 г.); советско-американской встрече по проблемам моторного контроля в Институте психологии РАН (Москва, 1987 г.); на Всесоюзном симпозиуме "Регуляция сенсомоторных функций", Винница, 1989.
Структура диссертации. Диссертация содержит 100 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 1 таблицу. Текст состоит из введения, обзора литературы, описания методики, 5 глав изложения результатов собственных исследований с их обсуждением, общего заключения, выводов и указателя литературы, который включает 44 наименования отечественных и 142 зарубежных авторов.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 15 печатных работах.
Эксперименты проводились на взрослых кошках массой 2-5 кг. Операционная подготовка под эфирным наркозом включала трахеотомию, трепанацию черепа, перерезку ствола мозга по ростральной границе передних холмов, вентральный край разреза проходил при этом между маммилярными телами и местом входа корешков III пары черепно-мозговых нервов. Животное помещали в стереотаксический прибор, позволяющий жестко фиксировать голову и позвоночник. Позвоночник крепили на шейном и поясничном уровне и производили ламинэктомию необходимого отдела спинного мозга, удаляли твердую мозговую оболочку. Открытый участок спинного мозга покрывали теплым вазелиновым маслом.
Локомоцию у мезэнцефалических кошек вызывали электрическим раздражением бульбарной локомоторной точки, локомоторной области среднего мозга или ДЛ К спинного мозга. Тщательно следили за тем, чтобы стимуляция локомоторных точек не вызывала побочных эффектов: спастического напряжения мышц, подергивания вибрисс, открывания рта и т.д. С этой целью производили поиск наиболее эффективных шагательных точек, стимуляция которых вызывала шагание при минимальном пороге раздражения.
Раздражающий электрод представлял собой стеклянную микропипетку, заполненную сплавом Вуда, с диаметром кончика около 15 мкм, углеродное волокно диаметром 6-8 мкм в стеклянной изоляции или вольфрамовую проволоку диаметром 10 мкм в стеклянной изоляции. Для раздражения применяли прямоугольные импульсы тока отрицательной полярности с амплитудой, не превышавшей 60 мкА (для локомоторной области среднего мозга), и 20 мкА (для локомоторных точек в мозговом стволе и спинном мозге). При симуляции локомоторных точек частота следования импульсов составляла 50-60/с, длительность отдельного стимула - 0,2 мс. Местоположение кончика стимулирующих микроэлектродов определяли по стереотаксическим координатам и (в части опытов) по электролитическим меткам. Разрушение шагательных точек и проводящих путей производили электролитически, пропуская через электрод ток 200 уА в течение 2 мин.
Для внеклеточной регистрации активности нейронов продолговатого и спинного мозга использовали стеклянные -.: микропипетки, с углеродным волокном или заполненные сплавом Вуда диаметром 4-8 мкм.
Синаптические реакции учитывали, если нейрон давал ответы по-крайней мере на половину стимулов (т.е. индекс ответа был более 0,5), приложенных к локомоторной точке. Местонахождение нейронов определяли по шкале механического микроманипулятора. Клеточная активность регистрировалась на движущейся кинопленке (20-40 реализаций при однократном применении стимула) с использованием ждущей развертки, запуск которой производился в момент нанесения раздражения (импульсами со стимулятора ЭСУ-1).