Влияние повышенного и сниженного уровня моноаминов на функциональную организацию колонок C1 коры мозга крысы

В.Н. Ласков

НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана, РГУ, Россия

Повышение внутримозгового содержания нейромодулятора серотонина после электрической стимуляции ядер шва, а также снижение содержания биогенных моноаминов после внутрибрюшинного введения резерпина вызывали разнонаправленную пластификацию синаптических связей во входных, выходных и ассоциативных нейронных ансамблях бочонковой колонки С1 коры мозга крысы и модулировали уровень ее возбуждения за счет изменения количества фоновоактивных нейронов, а также частоты и структуры их импульсных разрядов. Показана зависимость характера сдвигов частоты, структуры импульсных разрядов, плотности кросскорреляционной взаимосвязи соседних нейронов от предыдущего уровня возбуждения колонки. Новизна работы состоит в модульном аспекте рассмотрения моноаминергических механизмов синаптической пластичности корковых нейронов в контексте действующего в пределах фокальной бочонковой колонки гипотетического авторитмичного сканирующего механизма формирования временной связи.

Механизмы регуляции уровня возбуждения корковых нейронов и модуляции эффективности их связей опосредованы наряду с холинергическими нейромедиаторными системами также и влияниями со стороны нейромодуляторных структур ствола мозга, синтезирующих моноамины: серотонин (СТ), норадреналин и дофамин /2,4,5,6,12,23/. СТ, который транспортируется к коре мозга из ядер шва, рассматривается в качестве нейромодулятора, обеспечивающего механизмы положительного подкрепления посредством стабильного повышения при обучении уровня возбуждения и кросскорреляционного взаимодействия корковых нейронов /4,16,18/. Методами электронной микроскопии показано, что терминали проецирующихся к неокортексу восходящих СТ-ергических пучков не образуют типичных синаптических контактов на мембране нейронов. Они в виде варикозных расширений на большом протяжении выстилают двойным слоем плотно заполненное перикарионами, дендритами и глией межнейронное пространство, и обеспечивают непосредственный контакт транспортируемого моноамина с синапсами специфических и неспецифических афферентов /14,15/. Возбуждение СТ-ядер вызывает быстрое насыщение пресинапсов, которые не имеют собственной постсинаптической комплиментарной части.

Синапсы такой химической природы и конструкции больше не встречаются ни среди корково-корковых, ни среди окончаний иных проекционных систем мозга. Это свидетельствует об их особой роли в обеспечении мозговых функций. Высказано предположение, что моноаминергические системы специфично и адресно модулируют эффективность синапсов первичных специфических, неспецифических и ассоциативных афферентов. Тем самым они обеспечивают необходимый уровень пластичности межнейронных взаимодействий при формировании временных связей и памятных следов /4,16,18/. Модулирующие влияния восходящей моноаминергической системы опосредованы через регуляцию уровня возбуждения корковых нейронов за счет активации вторичных посредников - циклических нуклеотидов /17/, что обеспечивает стабилизацию пластифицированных в ходе обучения межнейронных связей.

Плодотворной для развития идеи о модулировании синаптической эффективности со стороны моноаминергических структур оказались математическая и нейрофизиологическая модели Жадина М.Н. /4,5/, описывающие динамику активности корковых нейронов при длительном воздействии положительного и отрицательного подкрепления на нейроны коры мозга. В основу модели положена гипотеза /4,16,18/, согласно которой СТ- и норадреналинергическая системы являются конечными звеньями, соответственно, положительного и отрицательного подкрепления, вызывающего устойчивые изменения эффективности корково-корковых синапсов. В модели при длительном действии моноамина, обеспечивающего положительное подкрепление, любые превышающие средний уровень изменения уровня активности нейронов доводятся до своих крайних проявлений - предельно высокому и предельно низкому. Баланс возбуждения и торможения при такого рода положительном подкреплении характеризуется крайней неустойчивостью: под влиянием каждой достаточно мощной афферентной посылки в системе происходят быстрые переходы от одного уровня возбуждения на другой. В присутствии моноамина, обеспечивающего отрицательное подкрепление, все происходит с точностью до наоборот: и сильно, и слабо возбуждающиеся нейроны в соответствии с предложенной схемой переходят на устойчивый к разного рода афферентным посылкам промежуточный уровень возбуждения.

В соответствии с нейрофизиологическими данными поведение корковых нейронов в присутствии СТ и норадреналина согласуется с предложенной математической моделью /2,3,5,7/. В работе /12/ длительная аппликация СТ и норадреналина вызывала более сложные по характеру изменения структуры фоновой импульсной активности нейронов зрительной и сенсомоторной областей коры мозга у кроликов, чем простое возбуждение и торможение в ответ на аппликацию нейромедиаторов ацетилхолина и ГАМК. Были также продемонстрированы различные типы реакций корковых нейронов на один и тот же нейромодуляторный моноаминергический стимул: конечный результат при этом обнаружил зависимость, как и предсказано моделью, от исходного уровня возбуждения коркового нейрона. Тем самым подтверждены представления о том, что нейромодуляторы в отличие от нейромедиаторов, действие которых локально и кратковременно, не вызывают простого возбудительного или тормозного эффектов, а влияют на текущую деятельность нейрона, изменяя ее в течение длительного времени в том или ином направлении /1,20,21/.

Краткий обзор наиболее значимых работ, посвященных исследованию механизмов модулирования синаптической эффективности в реальных нейронных сетях и их моделях, свидетельствует о важной роли моноаминергических систем мозга в нейрохимическом обеспечении его ассоциативных функций. Вместе с тем многие аспекты роли и механизмов участия моноаминергических систем в условнорефлекторной деятельности, а также в процессах самоорганизации элементарных нейронных ансамблей /8/ остаются не ясными, либо требуют уточнения. В данной работе исследованы нейронные корреляты временной связи при пониженном после внутрибрюшинного введения резерпина и повышенном после электрической стимуляции ядер шва уровне возбуждения фокальной колонки представительства условного стимула (УС) в С1 коры мозга крыс.

Методика

Опыты выполнены на белых беспородных крысах обоего пола весом 120-200 г, оперированных под эфирным наркозом, обездвиженных тубокурарином (1,5 мг/кг в/м) и переведенных на искусственное дыхание. Трахеотомия не проводилась: воздух в легкие нагнетался через ноздри. Использована местная анестезия (0,5% р-р новокаина) операционного поля. Голова крысы фиксировалась с помощью игольчатых головодержателей. Череп трепанировался над постеромедиальной субзоной бочонков (ПМСБ) корковой области С1 по координатам: 2-3 мм каудальнее брегмы и 5-6 мм латеральнее сагиттального шва. Фоновую импульсную активность нейронов и фокальные ВП регистрировали одиночными стеклянными микроэлектродами (электролит - 2,5 М р-р NaCl) с сопротивлением не ниже 5 мОм, а в ряде случаев склеенными по три-пять вольфрамовыми в стеклянной изоляции микроэлектродами (0,5-1 мОм, расстояние между кончиками - 70-100 мкм), которые погружались в кору перпендикулярно ее поверхности с помощью наклонного манипулятора, оснащенного шаговым двигателем. Регистрацию осуществляли при полосе 2-2000 Гц на входных фильтрах электроэнцефалографа 4ЭЭГ-03. Импульсная активность после предварительного формирования на 4-канальном амплитудном анализаторе АА-4 записывалась на 14-канальный магнитограф EАМ-500 (ЧССР, г. Прага) и вводилась в персональный компьютер IBM-PC/AT-386 для текущей и последующей обработки.

В качестве адекватного стимула использовано сгибание центральной в РП вибриссы с удержанием ее в отклоненном положении в течение 0,1-1,0 с. Чтобы избежать неконтролируемых смещений, дальние от носа вибриссы, достигающие в длину 30-50 мм, билатерально укорачивались до 5-10 мм. Механический датчик представлял собой щуп, приклеенный на свободном конце пьезокерамической пластины, изготовленной в ОКБ "Пьезоприбор" РГУ, на которую подавалось напряжение от 60 до 1 В с выхода ЭСЛ-2, задающего амплитуду отклонения на конце щупа от 90 до 1,5 мкм. Метрологическая проверка показала линейную зависимость напряжения и амплитуды сгибания пьезокерамической пластины в используемом диапазоне, поэтому в опыте амплитуда отклонения щупа оценивалась по напряжению на выходе ЭСЛ-2.

Контролем попадания электродов в ПМСБ служили фокальные ВП, возникающие в ответ на легкое постукивание по контралатеральным вибриссам вручную, а затем с помощью тактильного датчика, запускаемого от ЭСЛ-2. Идентификация бочонковых колонок под каждым из микроэлектродов производилась следующим образом. Сравнивали наблюдаемые на мониторе фокальные ВП по их латентным периодам (ЛП), крутизне и амплитуде в ответ на последовательное сгибание вибрисс и устанавливали соответствие между корковым бочонком и центральной в РП вибриссой. Для уточнения идентификации центра РП производилась стимуляция ближайших к центру вибрисс со ступенчатым уменьшением амплитуды их отклонения. Серия стимулов определенной амплитуды предъявлялась ритмично с частотой 0,5 Гц. По 10-20 реализациям строились точечные или столбиковые перистимульные гистограммы (ПСГ) с бином 1-2 мс за период 100-500 мс. Сужение РП до одной вибриссы в случае ее центрального положения имело место при более низких амплитудах ее отклонения - пороговый тест /9/.

Определяли удельное количество фоновоактивных нейронов, по которому сравнивали исходный уровень возбуждения бочонковой колонки с уровнем, устанавливающимся после стимуляции ядер шва и в последействии резерпина. Нейроны с фоновой активностью исследованы в параллельных проходках, которые осуществлялись через всю толщину коры при межэлектродном расстоянии в склейке - 100 мкм. Треки располагались во фронтальных (AP - 2,0 и AP - 3,0) и сагиттальных (L - 5,0 и L - 6,0) плоскостях. На каждом из треков контролировали 60 точек с интервалом по глубине 30 мкм. Через 2-3 ч после введения резерпина (в/б 2,5 мг/кг), когда в соответствии с многочисленными литературными источниками наблюдается наиболее значительное снижение в мозге уровня СТ, и через 10 и 20 мин после электрической стимуляции ядер шва (частота 1 Гц, длительность серии стимулов 20 с, импульсы длительностью 0,1-1,0 мс, напряжение на выходе стимулятора 15 В) в тех же треках проводилась повторная регистрация фоновых импульсных разрядов. В ряде случаев была уверенность, что тот же нейрон наблюдали до и после введения препарата. В каждом опыте исследовалась также непосредственная динамика импульсной активности наиболее многочисленной группы нейронов, регистрируемых с помощью микроэлектродной склейки одновременно.

Координаты ядер шва определяли по атласу /19/. Стимулирующие электроды погружались с помощью микроманипулятора ММ-1 и под контролем бинокулярного микроскопа МБС-2 по координатам: АР - 6,6; L - 0,4; H - 4,5, с контролем погружения по индикатору глубины ГИ-100. Твердая мозговая оболочка предварительно удалялась. Стимулирующие монополярные полумикроэлектроды представляли собой вольфрамовые в стеклянной изоляции электролитически заточенные проволоки диаметром 50 мкм с сопротивлением 0,5 мОм. Верификацию треков стимулирующих электродов в ядрах шва осуществляли морфологически на парафиновых и замороженных с помощью сухого льда срезах. Выработка условного мигательного рефлекса (УР) осуществлялась по схеме классического обусловливания. Длительность УС и безусловного стимула (БС) равнялась 1 с, интервал между ними - 2 с, а сочетания УС и БС подавались с частотой 0,1 Гц. По каждому десятку стимулов строились ПСГ с квантом 2 мс за эпоху анализа 100 мс или 200 мс в фоне и 900 мс или 800 мс, соответственно, после предъявления УС. Реакции в ответ на обдувание роговицы при выработке мигательного УР, как правило, не регистрировались. Уровень выработки УР ограничивали предъявлением 50-60 подкреплений.

Частоту фоновой импульсации и характер взаимосвязи соседних корковых нейронов методом перекрестных интервальных гистограмм (ПИГ) исследовали до и в разные сроки после электрической стимуляции ядер шва. Частота импульсации нейронов измерялась с помощью частотомера Ч3-36 за 5-секундные интервалы времени.

Запуск стимуляции, амплитудная дискриминация, формирование и запись импульсной активности, а также оцифровка, построение и распечатка ПСГ, гистограмм межимпульсных интервалов (ГМИ) и ПИГ осуществлялись программными средствами. Статистическая обработка ПСГ состояла в вычислении с помощью программы "Statgraf" средней частоты импульсации, стандартной ошибки средней и достоверности различия средних по критерию Стьюдента: между фоновой и вызванной активностью - для установления эффективности каждого из стимулов; между реакциями по ходу выработки мигательного УР - для выявления условнорефлекторной пластичности. Пики на гистограммах считали значимыми, если они удовлетворяли критерию 2-сигма по отношению к среднему значению количества спайков в бине. Достоверность различий между выборочными распределениями оценивали по критерию Фишера.

Результаты исследования

Влияние электрической стимуляции ядер шва.

С помощью метода пошагового определения плотности активных в фоне нейронов в отвесных проходках через кору мозга исследованы в трех острых опытах 15 микроэлектродных треков, которые проходили, как показала пороговая идентификация, в пределах бочонковых колонок представительства вибрисс рядов В, С и D.

В первом опыте в контроле наблюдалось 39, во втором опыте - 37 и в третьем - 35 фоновых нейронов, что составило в контроле в среднем на один трек около 7 нейронов. Более плотно активные в фоне нейроны располагались на глубине 600-1500 мкм - 78% от общего количества зарегистрированных в контроле нейронов находились на этом уровне. Суммарно по трем опытам в контроле было зарегистрировано на уровнях: 2-3 слоев - 13 нейронов, 4 слоя -23 нейрона, 5 слоя - 52 нейрона, 6 слоя - 23 нейрона. В исходном состоянии на треках встречалось от 2 до 13 фоновоактивных нейронов. Как правило, треки с высокой плотностью нейронов были разделены одним-двумя относительно "пустыми" треками, принадлежавшими одноименной бочонковой колонке. В пределах одноименной колонки за одну проходку контролировали импульсную активность на 2-3 соседних треках. В девяти треках с высокой плотностью элементов (от 7 до 13) зарегистрировано 90 фоновых нейронов (82%), а в шести "пустых" (от 2 до 5 нейронов) - 21 нейрон (18%).

Электрическая стимуляция ядер шва приводила к возникновению у части молчащих нейронов спонтанных разрядов в течение 1-2 мин, а в ряде случаев до 20 мин и более. После электрической стимуляции на тех же треках в первом опыте зарегистрирована активность 43, во втором опыте - 40 и в третьем - 38 нейронов, что составило в среднем около 8 нейронов на трек. Из них зарегистрировано на уровнях: 2-3 слоев - 25 нейронов, 4 слоя - 24 нейрона, 5 слоя - 49 нейронов, 6 слоя - 23 нейрона. В 9 треках с высокой плотностью элементов при этом зарегистрировано - 87 нейронов (72%), а в "пустых" треках - 34 нейрона (28%). Из данных послойного и потрекового анализа следует, что электрическая стимуляция ядер шва наиболее значительно увеличивает количество фоновоактивных нейронов в бочонковых колонках на уровне 2-3 слоев - в 2 раза, и в "пустых" треках - в 1,6 раза.

Анализ динамики частоты фоновой импульсной активности корковых нейронов в контроле и после активации шва, результаты которого представлены в таблице, выявил послойную неравномерность в росте уровня возбуждения колонок. В наибольшей степени частота фоновой импульсации увеличивалась у выходных нейронов 5 - 6 слоев (P < 0,001), тогда как у ассоциативных нейронов 2-3 слоев повышение частоты было достоверным при более низком уровне значимости (P < 0,05). У нейронов афферентного уровня снижение средней частоты фонового разряда было недостоверным.

Таблица

Изменение частоты фоновой импульсной активности нейронов разных уровней бочонковой колонки С1 коры мозга крыс при электрической стимуляции ядер шва и под влиянием резерпина.