Введение к работе
Актуальность проблемы. Изученне механнзмоп, лежащих в основе генера-лш ритмической активности (РА) мозга, является одной из актуальных задач со-феменной нейрофизиологии. Этой проблеме были посвящены многочисленные «следовання (Гусельников, Мухаметов, 1967; Гусельников, Супин, 1968; Бурнков, 1971, 1985; Вербицкий, 1980; Чаянов, 1986; Cунцова, 1991; Andeisen, Andersson, .968; Buzsaki, 1991; Steriade et al., 1997; McCormick, Bal, 1997 и др.), однако до ла-тоящего момента многие вопросы. связанные с происхождением ряда ритмиме-;ких ЭЭГ-феноменов, продолжают оставаться дискуссионными.
Начин1я с 40-х гг в литературе доминируют представления о том, чю велущая ЮЛЬ в генерации одного из основных компонентов ЭЭГ человека п животных - пе-1егелообразной активности (ВА) - принадлежит галамическим образованиям (Мо-ison, Dempsey, 1942). В 60-х гг Р. Andersen с коллегами (Andersen, Sears, 1962; An-lersen, Andersson, 1968) была разработана гипотеза "факультативных пейсмеке-гсв"', которая ітреднолагала, что каждое ядро галамуса, обладая внутриядерныч sеханизмом возвратного коллатерального торможсиич, спосооро и-иерироп.чп. мтмипескме залпы импульсов с частотой 7-И Гц. И 90-с ч наибольшее мрипиши: юлучила теория М. Steriade (1991), уїмерждаюшчя, чю иейсмекерную роль и lене-е ВА выполняет ретикулярное таламическое ядро, ГАМК^ергичсские нейроны ко-орого, вызывая рптмические ТПСП у тзламокортикадыгьгх клеток, ииициируюг ОЗНИКНОВЄШІЄ в других ядрах таламуса оснилляяий в частотном диапазоне вн>т-илеретешюго ритма. Нельзя ке отметать, что ни одна из моделей, концентрчруя шшание на процессах, лежащих в основе !енерации внутриверетенных колебали, не объясняет механизма формирования межверетенного ригма.
Экспериментальиые данные, полученные при исслсдованин 1ффектоп стиму-яции и деструкции внеталамических синхронизирующ1х образовании переднего ;озга - хвостатого ядра (ХЯ) и латеральной преоптнческой области (ЛПО) ппюьт-амуса (Бутхузи, 1971; Олетко, Березовский, 1977; Черкес, 1983; Могилевский. оманов, 1989; Buchwald et al, 1961; Angeleri et al,, 1969; Benedek et a!, 1982), a акже результаты анализа импульсной активности (ИА) нейронов этих структур на юнг "сонных" или барбитуровых веретен (Мухаметов, Хори, 1967; Гусельников н р, 1973; Сунцова, Буриков, 1995) свидетельствуют об их участии в генерации ВА, о вопрос о конкретном вкладе указанных образовании в гснез данного ритмиче-кого ЭЭГ-феномена остается открытым.
Большинство авторов рассматривают ХЯ и ЛПО, также как и пеокортекс, как
ведомые по отношению к таламусу структуры, а развивающуюся в них ВА - ис ключительно как ответную на ритмическую таламофугальную иштуяьсашпо. Од нако в литературе также имеются да1шьіе, свидетельствующие об упрощеннос таких представлений и позволяющие предположите существование собственньр ритмогеиных механизмов как на неокортикальном уровне (Siiva et al., 1991; Guattec et al., 1994; Franceschetti et al,, 1995; Yang et al., 1996 и др.), так и во внеталамических структурах переднего мозга (Чаянов, 1986; Сунцова, 1991; Purpura, МіШаш 1967; Alonso et al., 1994 н др.).
Требует дальнейшего исследования и проблема генерации а-подобиой РА разііиваїоінейся в зретельной коре животных ифи переходе от бодрствопания ко сн) (Stcrman et al., 1965; Ruckenbuch, Gaujoux, 1976 и др.), которая, по мнению ряда авторов, может рассматриваться в качестве модели а-ритма человека (Гусельников Мухаметов, 1969; Гусельников и др., 1978; Изнак, Чаянов, 1979). Вопрос о локализации пейсмекера данного ритма, а также астивносзи с аналогичными характеристиками, решетрируемой на тонической стадии парадоксального сна (Ошгани, 1976), до сих пор не решен (Lopes da Suva, 1991; Siiva et al., 1991; Steriade et al, 1997). Необооддмо отмсипгь, что наряду с гипотезами об гапракортикалъньм проксхождении сс-нодобиоа 1'Л (Гуссльников, 1976), выдвигаются предположения с сажной роли в се генезе подкорковых, в том чиспе и внеталамическнх, образовнииіі мозга (Lopes da Siiva, Storm van Leeuwen, 1978; Sterman et al., 1964 и др.).
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было исследование вклада хвостатого ядра и латеральной ггреоптической области в генерацию ритмической активности при переходе от 6одрствоваїшя ко сну и на разных стадиях сна.
В соответствии с данной целью были поставлены следующие задачи;
-
Провести сравнительный анализ эффектов электрической стимуляции хвостатого ядра, лзтеральной ггреоптической области н неспещ1фического таламуса.
-
Исследопаїь импульсную активность нейронов внеталамическнх структур на фоне ритмической активности при переходе от бодрствования ко сну, в медлен-коволновом (МС) и парадоксалъном сне.
-
Изучить межцентральные отношения хвостатого ядра, латеральной ггреоптической области, таламуса и неокортекса при генерации ритмической активности на разных стадиях цикла бодрствование-сон.
-
Исследовать характеристики фоновой и вызванной ритмической активности мозга после повреждения афферентно-эфферентных связей толхмуса и/или та-ламэктомин, а также после нейротокснческого разрушения внеталамических
структур.
Научная новизна результатов исследования. В датой работе впервые проведено сравнительное исследование влияния стимуляции ХЯ, ЛПО и неспецифического таламуса на биоэлектрическую активность неокортекса и подкорковых образований на разных стадиях циула боцрствование-сон, а также на характеристики МС, Обнаружено, что раздражение ХЯ обладает максимальной, а стимуляция та-ламических структур - минимальной эффективностью в отношении навязывания межверетенного ритма и управления продолжятельностью МС. При исследовании эффектов сочеташюго раздражения образований переднего мозга показано, что редкая ритмическая стимуляция ХЯ может навязывать ритм слгдования веретенам реакции зовлечения таламнческого происхождепия.
Впервые проанализированы перестройки импульсалии клеток ХЯ и ЛПО на фоне РА на всех сгадиях цикла бодрствование-сон. Показано, что значительная часть от общего числа зарегистрированных нейронов ЛПО в пассивном бодра во-вашт и на тонической стадии парадоксального сна при развитии в зрительной коре а-подобной РА переходят к пачечному типу активности и генерируют пачечные разряды, приуроченные к позитивным компонентам волн, составляющих ритмичсские разряды в ЭКоГ. В ХЯ и ЛПО, помилю нейронов, имеющих на фоне "сонных" веретен в МС такие же типы перестроек частоты и/или паттерна ИА, как у клеток неспецифического таламуса, впервые зарегистрированы нейроны, увеличивающие частоту одиночных разрядов при рззвитии вспышек ВА.
Впервые обнаружено, чго нсйротоксическая деструкция ХЯ или ЛПО приводнт к резкому снижешпо амплитуды веретен, а также к уменьшению частоты межвере генної о ритма па стороне разрушенля. При исследовании эффектов хирургического повреждения таламуса выявлено, что таламическая деафферентация или 1аламэктомня на фоне действия барбитуратов не препятствуют возникновению с электрограммах коры, ХЯ и ЛПО спонтанной и вызванной ВА.
Теоретическое и практическое значение работы. Результаты проведенного исследования расширяют существующие представления о механи3мах генерации ритмической активности мозга, что представляет интерес для решения ряда крупных проблем нейрофнзиологии, связанных, в частности, с изучением механизмов регуляции цикла бодрствование-сон, мозгового электрогенеза, корково-лодкорко-зых отношений, взаимодействия регуляторних систем и др. Полученные факты могут быть использованы в клинической практике для диагаостики нарушений функций сшгхронизирующих структур мозга, а также для разработки физиологичс-
ски обоснованных систем управления развитием сна с целью коррекции функционального состояния. Представленные в работе данные включены в специальные курсы лекций "Физиологая, патология и гигиена сна" и "Физиология сна", читаемые на кафедре физиологи! человека и животных Ростовского государственного университета, и в раздел "Хронобиология" курса "Теоретическая биология", читаемого на естественном факультете Ростовского государствешюго педагогического универснтета.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Пейсмекерные механизмы а-подобион ритмической активности, развивающейся в зрительной коре в пассивном бодрствовании и, возможно, в парадоксальном спе. локализованы в латеральной преоптической области.
-
Хвостатое ядро и латеральная преоптическая область обладают собственными механизмами генерации ритмической активности в диапазоне внутриверетенно-го ритма,
-
Внеталамичгские синхронизирующие структуры играют важную роль в формировании межверетенного ритма в медленноволковом сне,
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международном конгрессе "Молодежь и наука - третье тысячелетне" (Москва, 1996), на XXXIII Международном конгрессе по физиологическим наукам (Санкт-Петербург, 1997), на Европейском форуме по нейронаукам (Берлин, 1998), на Всероссийской конференции "Актуальные проблемы сомнологии" (Москва, 1998), па XVII съезде физиологов России (Ростов-на-Дону, 1998), на II1 Междун1родном конгрессе Всемирной федерации обществ исследования сна (Дрезден, 1999), на Ученом Совете НИИ нейрокибернетнки Ростовского государствешого университета (Ростов-ка-Дону, 1999), а также изложены в материалах XII и XIII съездов объединенных профессиональных обществ исследования сна США (Новый Орлеан. 1998; Орландо, 1999) и конференции молодых ученых Северного Кавказа по физиологии человека и ЖИВотных (Ростов-на-Дону, 1999).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ. > Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материала и методов исследования, четырех разделов, содержащих собственные результаты, обсуждения полученных результатов, выводов и списка цитированной литературы, включающего 137 отечественных и 288 зарубежных источников. Работа изложена па 215 страницах машинописного текста, содержит 7 таблиц и 46 рисунков.
Представленные в работе результаты были получены в хронических опытах на необездвиженных и ненаркотизированных животных трех видов: 6 беспородных кошках, 13 кроликах породы серая шиншилла и 10 белых крысах. Эксперименты по регистрации суммарной биоэлектрической активности, стимуляции подкорковых структур, а также по исследованию эффектов нейротокснческого повреждения внеталамическях образований переднего мозга и деафференташіи таламуса или та-ламэктомии проводились на свободноподвижиъгх животных; нейрональная активность регистрировалась у кошек в условиях безболевой фиксации головы. Оперативная подготовка животных проводилась за 7-10 дней до начала экспериментов. Все операционные вмешательства осуществлялись в условиях нембуталовой анестезии (40 мг/кг, віг/трибрюшшіно).
Кошкам во время операции вживлялись электроды для полиграфического мониторинга сна (ЗКоГ соматосексоркой (F=!7.5, ML---4) и зрительной (I---0, ML=4) областей коры (Reinosa-Suares, 1961), Э01" и 1>МГ). а также биполярные электроды для регистращш биопотенциалов к стимуляции исследуемых подкорковых структур: ХЯ (F=+18.5--17.5, ML=4H3, Н=-м'>---8), Л110 (F- ' 14 5 -15.5. \П.--3 -4, Н=-2+4.5) и срединного центра (СИ) таламуса (F^6-7, ML---2-3, Ц-М).5 2) (Jasper, Ajraone-Marsan, 1954), При подготовке к экспериментам по регистрации нейрональной активности, на черепе животиьсс закреплялось устройство, позво-ляющее безболезненно ф:ксировать голову и исходных стереотакогческих плоскостях во время опыта.
Оперативная подготовка крыс включала в себя вжігаление регистрирующих электродов в кортикальные зоны - сенсомоторную (АР--0 5, ML-=2) и зрительную (АР=*-6, ML-1.5) (Krieg, 1946) и биполярных электродов в головку ХЯ (АР--1; LM=2,5; Н=-+4) и ЛПО (АР-0 , ML-1.5, Н=+7) (Fifkova, Marsala, 1960). Таламиче-ская деафферентация производилась хігрургачесюгм способом при помогли П-образного зіщефалотома. У 5 животных после завершения процедуры перерезки таламус удалялся посредством аспирзции.
Кроликам нмплаїптфовались электроды в соматосенсорную и зрительную зоны коры (АР=-4; ML-4 и АР-+8; ML-4, соответственно (Блинков и др., 1973), а также п ХЯ (ЛР=-2.5, ML=4, 11=1-4), ЛПО (АР--3-4, МЬ=2.5-Ы, Н--0.5-2) и в тала-мические ядра: центральное медиальное (ЦМ) (АР=+1.5-2.5, ML=0-0.5. Н=-1), центральное латеральное (ЦЛ) (АР=+2 5, ML-3, Н-+1.5), ретикулярное (АР-0, ML-2.5, Н=-0.5) и медиодорсальное (АР-+4, ML--1.5, Н=Ю.5) (Fifkova, Marsala,
1960). Введение NMDA (Sigma, USA) осуществлялось под глубоким нембуїаловьгм наркозом (50 мг/кг) с помощью шприца для микрогагъекций Hamilton со скоростью 0.1 мкл/мнн. В каждую точку вводилось по 0.4 мкл водного раствора, содержащего 10 мкг NMDA, нейтрализованной NaOH. При разрушении ХЯ производилось 12 инъекций (табл. 1). При деструкции ЛПО нейротоксин вводился в две точки по следующим координатам; АР=-4, ML=3.5, Н=-1 н АР=-3, ML=2.5, Н--0.5.
Таблица 1 Координаты введения NMDA при разрушении хвостатого ядра
№ инъекции
№
иньек-
ции
Регистрации ЭКоГ пронзводилась монополярио при помощи стальных электродов, локалиюнанных на поверхности твердой мозговой оболочки Для регистрации суммарной и пейрональной активности подкорковых структур применялись цольфрамовые электроды в стеклянной изоляции, имеюшие сопротивление, соотFетственно, 20-30 кОм и 10-15 МОм. Электрическая стимуляция осуществлялась биполярно прямоугольными имп>льсами тока (амплитуда 100-200 мкА, дтительность 0.02-0.2 мс).
Погружение электродов в подкорковые структуры проводилось под функциональным контролем (развитие низкопороговой реакции вовлечения в ЭКоГ при низкочастотном раздражении ХЯ, ЛПО или неспецифических ядер таламуса). После окончания экспериментов производилась гистологическая верификация локализации электродов, а 1акже нейротоксическик и хирургических повреждений.
Суммарная и нейрональиая активность записывалась на магнитную ленту магнитографа НО-68, а затем при помощи аналого-цифрового преобразователя L152 вводилась в ЭВМ IBM PC AT. Обработка ИА включала в себя расчет средней продолжнтельности межммпульсных интервалов, ее дисперсии, средней частоты разрядов нейронов, а также построение гистограмм послеразрядного распределения интервалов (бин - 50 мс) и гистограмм межимпульсньгх интервалов (бии - 1 и 10 мс). При анализе ЭЭГ рассчитывались кросскорреляционные функции (эпоха анализа - 1с, интервал дискретизации электрограмм - 1 и 5 мс, максимальный вре-
менной сдвиг - 250-500 мс), спектры мощности и спектры когерентности (эпоха анализа - 1 и 5 с, интервал дискретизации - 5 или 10 мс, количество усреднений -30), средние уровни когерентности. Для проверки статистических гипотез применялся t-критерий Стьюдента.