Формирование новых двигательных координаций: роль моторной коры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение российской академии наук

Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

03-00-13 Физиология

Формирование новых двигательных координаций: роль моторной коры

Павлова Ольга Геннадиевна

Москва - 2010 год



Работа выполнена в лаборатории двигательного обучения

Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН (зав. лаб. - доктор медицинских наук М.Е. Иоффе)

Научный консультант:

доктор медицинских наук М.Е. Иоффе

Официальные оппоненты:

член-корр. РАН Инесса Бенедиктовна Козловская (Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем РАН)

доктор биологических наук, профессор Валерий Викторович Шульговский (Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова)

доктор биологических наук Юрий Сергеевич Левик (Учреждение Российской академии наук Институт проблем передачи информации РАН)

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН

Ученый секретарь Диссертационного совета

доктор биологических наук, профессор В.В. Раевский



1. Общая характеристика работы

моторный кора голова лапа

Выученные движения занимают важное место в адаптивной деятельности человека и животных. Формирование новых движений принято связывать, прежде всего, с первичной моторной корой (MI). В эволюции MI впервые появляется у высших млекопитающих, ее значение резко возрастает от животных к человеку. Повреждение MI у четвероногих животных вызывает нарушения лишь некоторых манипуляторных навыков, у обезьян - стойкую утрату изолированных движений пальцев, у человека параличи или парезы контралатеральных конечностей и лица. Вместе с тем есть основания считать, что и у животных, и у человека движения, контролируемые MI, имеют общие принципы организации. Н.А. Бернштейн (1947) писал: «Возникновение в филогенезе очередной новой мозговой надстройки знаменует собой биологический отклик на новое качество или класс двигательных задач. …Каждый новый уровень приносит с собой комплект новых движений, какие раньше были организму недоступны». Несмотря на то, что MI является одной из наиболее хорошо изученных структур мозга, ее специфический вклад в организацию двигательных функций организма остается не до конца ясным.

В середине позапрошлого столетия невролог H. Jackson писал о значении двигательной коры: «Множественное представительство одних и тех же мышц в разных комбинациях с другими мышцами создает базу для интеграции многообразных движений» (цит. по Phillips a. Porter, 1977). Со времен Шеррингтона распространена точка зрения, что MI участвует в формировании новых движений путем трансформации естественных координаций. A.S.F. Leyton и C.S. Sherrington (1917) характеризовали двигательную кору «как синтетический орган», формирующий разнообразные двигательные акты из элементарных движений и поз бульбоспинального аппарата, которые двигательная зона коры извлекает и разнообразно комбинирует в пространстве и времени. R. Wise в Encyclopedia of Neuroscience (1999) пишет, что MI «…необходима для разделения двигательных синергий, чтобы обеспечить независимое управление мышечными группами, которые обычно работают вместе».

Участию MI в формировании двигательных координаций уделяется большое внимание в современных исследованиях (McKiernan et al., 2000; Holdefer a. Miller, 2002; Jackson et al., 2003; Graziano, 2006; Stinear et al., 2009). В решении такого рода задачи существенное преимущество имеет модель выученных движений, эфферентная организация которых принципиально отличается от естественных координаций. Разработка таких моделей является приоритетом отечественной физиологии. В лаборатории И.П. Павлова в опытах М.Н. Ерофеевой (1912) было установлено, что у собак при регулярном подкреплении болевого раздражения пищей можно изменить врожденную реакцию отдергивания лапы на противоположную пищевую, - слюноотделение. Зеленый с соавт. (1937) показали, что естественную координацию движений можно также переделать в процессе обучения на противоположную. Эта высоко адаптивная двигательная перестройка, как впервые было выявлено М.Е. Иоффе (1975) в опытах на собаках, тесно связана с сохранностью MI и пирамидного тракта. Наиболее убедительно этот факт был продемонстрирован на модели переделки естественной координации движений головы и передней лапы. Проведенные нами ранее опыты с использованием этой методики показали, что локальное удаление теменной и премоторной областей коры, дающих прямые входы в MI (Павлова с соавт., 1986), а также зубчатых ядер мозжечка (Балезина, 1988) либо не влияло на выученную координацию, либо вызывало лишь кратковременные ее нарушения. Эти данные указывают на то, что основной структурой, участвующей в формировании новой координации, является именно MI. Механизм переделки естественной координации на новую не достаточно изучен. Его исследованию посвящена настоящая работа.

М.Е. Иоффе (1973; 1991) высказал гипотезу, что MI участвует в реорганизации врожденных координаций, вытормаживая движения этих координаций, мешающих осуществлению вырабатываемой реакции. Подобной точки зрения придерживается M. Wiesendanger (1973); он полагает, что движения отдельных пальцев руки становятся возможными, благодаря осуществляемому через пирамидный тракт вытормаживанию активности синергично работающих мышц кисти.

Иное представление о механизме переделки естественной координации можно составить, исходя из теории построения движений Н.А. Бернштейна (1947). Врожденные и выученные движения он относил к разным классам, разным уровням построения, где вышестоящий уровень не подправляет движения нижестоящего, а своим появлением привносит новые полноценные движения, «качественно иначе строящиеся и иначе управляемые». Исследование роли MI в переделке естественных координаций поднимает важные вопросы. Является ли переделка естественных координаций особым видом двигательного обучения, в основе которого лежат тормозные влияния со стороны моторной коры? Или же моторная кора участвует в построении новых координаций относительно самостоятельно? Решение этих вопросов может иметь значение, как для понимания функции моторной коры, так и общих принципов центральной организации движений.

Хорошо известно о решающей роли MI в тонком и точном контроле движений, в которых участвует высокодифференцированная дистальная мускулатура. Значительно меньше изучено участие MI в регуляции активности филогенетически старых проксимальных и аксиальных мышц, также представленных на карте тела в MI. Исследование механизма выработки новой двигательной координации головы и лапы позволит подойти к оценке роли MI в управлении аксиальной и проксимальной мускулатуры, что важно для целостного представления о двигательной функции моторной коры.

Цели и задачи исследования

Цель настоящей работы состояла в изучении роли MI в переделке естественной координации движений головы и передней конечности у собаки, происходящей в процессе выработки инструментальной реакции, - удерживания чашки с пищей во время еды с помощью тонического подъема передней лапы при наклоне головы к кормушке. Такая координация движений достигается только в процессе обучения.

В соответствие с этой целью были поставлены следующие задачи:

- детально описать исходную взаимосвязь движений головы и лапы у собак, которая проявляется на ранней стадии выработки инструментальной реакции и у предварительно обученных животных после удаления MI;

- оценить участие магнусовских вестибулярных и шейных рефлексов, а также роль биомеханического фактора в организации естественной координации;

- исследовать динамику формирования новой, противоположной исходной координации движений головы и лапы;

- изучить участие различных проекционных областей MI в организации новой координации;

- сравнить организацию инструментального движения передней конечности в исходной и выученной координациях (на основании анализа активности мышц конечности).

Научная новизна работы

Впервые зарегистрировано, как путем изменения набора мышц и перестройки их активности на противоположную MI участвует в организации нового, ранее не свойственного животному движения.

Впервые показано, что механизм переделки естественной двигательной координации в ходе обучения связан не с модификацией ее отдельных движений, мешающих проявлению вырабатываемой реакции, а с формированием программы нового движения.

Показана роль MI в управлении филогенетически старой аксиальной и проксимальной мускулатурой (на примере выработки новой координации движений головы и лапы).

Получены новые данные о естественной координации движений головы и лапы и ее природе у четвероногого млекопитающего. Показано, что подъем лапы у собак происходит с опережающим смещением головы вверх, где движение головы выполняет вспомогательную роль для подъема лапы. До настоящего времени было принято считать, что влияние положения головы на движение передних конечностей связано с магнусовскими вестибулярными и шейными рефлексами. Впервые показано, что устойчивая связь движений головы и лапы, - разгибание поднятой лапы при опускании головы, - внешне похожая на вестибулярный рефлекс, может иметь другую природу.

Теоретическое и научно-практическое значение работы

Подтверждены теоретические представления Н.А. Бернштейна (1947) об уровнях построения движений. На примере естественной и выученной координаций движений головы и лапы экспериментально показано, что внешне одно и то же движение, - подъем передней лапы у собаки - может иметь разное происхождение, организацию и структурную основу. Этот вывод имеет большое значение для понимания механизмов нарушения и компенсации двигательной функции при различных поражениях мозга высших млекопитающих и человека.

Показано, что участие моторной коры в переделке естественной координации связано с созданием независимой программы нового движения. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение сформулированного Н.А. Бернштейном важного принципа построения движений: каждый новый уровень построения не подправляет движения нижестоящего, не добавляет им новые качества, а приносит с собой новые полноценные движения.

Известные факты участия моторной коры в организации тонких и точных движений дистальной мускулатуры дополнены данными о роли этой области в управлении филогенетически старыми аксиальными и проксимальными мышцами, что позволяет составить общее представление о двигательной функции MI. Моторная кора, обладая возможностью контролировать активность отдельных мышц, способна создавать разнообразные паттерны мышечной активности, необходимые для построения совершенно новых, не свойственных ранее организму движений.

Новые данные о естественной координации движений головы и лапы у собаки показали, что исходная устойчивая связь между движениями головы и передних конечностей может зависеть не только от рефлекторного механизма (магнусовские рефлексы), но и биомеханики тела. Описанная естественная координация движений головы и лапы может быть использована для изучения структурных основ двигательных синергий у высших животных.

Результаты проведенной работы расширяют представления об организации как врожденных, так и приобретенных форм двигательной активности и открывают перспективы их дальнейшего углубленного анализа.

Основные положения, выносимые на защиту

Естественная координация движений головы и лапы у собак отражает присущий этим животным способ подъема передней конечности, при котором упреждающий подъем головы играет роль позной реакции, облегчающей движение лапы. Эта двигательная координация не связана с магнусовскими вестибулярными и шейными рефлексами.

Роль моторной коры в переделке естественной координации на противоположную - подъем лапы с одновременным опусканием головы - состоит не в образовании новых связей между движениями головы и лапы, а в изменении организации (мышечного паттерна) подъема передней конечности, обеспечивающей возможность выполнения этого движения в необычной позе с опущенной головой.

Моторная кора способна осуществлять тонкий контроль не только дистальных, но и филогенетически более старых проксимальных и аксиальных отделов мускулатуры. Это свойство лежит в основе ее общей двигательной функции, обеспечивающей возможность создавать разнообразные паттерны мышечной активности для осуществления новых двигательных координаций.

Апробация работы

Материалы диссертации многократно докладывались на отечественных и международных симпозиумах и конференциях.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 19 статей, из них 16 в отечественных и 3 в международных изданиях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методик, пяти глав с изложением результатов, обсуждения, выводов, приложения «Результаты морфоконтроля» и списка литературы. Работа содержит 41 рисунок и 6 таблиц.

2. Методы исследований

Объект исследования. Работа выполнена на 25 взрослых беспородных собаках обоего пола массой от 8 до 20 кг. Эксперименты осуществляли в соответствии с положением Института ВНД и НФ РАН о работе с экспериментальными животными с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообщества (86/609IEС) и одобренных комитетом по медицинской этике.

Рис. 1. Пищевая инструментальная реакция



Исследование поведения. У всех животных вырабатывали пищевую инструментальную реакцию по методике Е.И. Поповой (1970) (рис. 1, А). Собаку обучали подъемом передней лапы, привязанной к штоку, перемещать чашку с пищей вверх, к узкому окошку закрытой кормушки, и удерживать ее в этом положении во время еды, так как при разгибании лапы чашка опускалась. В первоначальную конструкцию кормушки были внесены изменения, позволяющие, во-первых, существенно снизить вес поднимаемого лапой груза, во-вторых, варьировать высоту кормушки в зависимости от размеров животных таким образом, чтобы ее верхний край находился на уровне середины груди собаки. При работе с маленькими собаками на станок устанавливалась дополнительная платформа, высоту которой можно было менять в зависимости от размера животного.

Подтягивание штока вверх собака осуществляла сгибанием лапы в плечевом и локтевом суставах. Максимальная амплитуда подъема лапы со штоком составляла 18.5 см; У разных животных величина тонического подъема лапы во время еды колебалась от 10 до 15 см над уровнем опоры. Животных обучали выполнять инструментальную реакцию сначала одной, затем другой лапой. Перед подачей пищи собака стояла с приподнятой головой, глядя прямо перед собой. Амплитуда опускания головы во время еды у разных животных колебалась от 10 до 20 см от ее исходного положения. Критерием обучения служило успешное выполнение пищедобывательной реакции со стабильными временными и амплитудными характеристиками движений головы и лапы. Опыт состоял из 15-20 проб с варьирующим интервалом от 30 с до 1.5 мин.

Подъем "рабочей" лапы регистрировали с помощью потенциометра, укрепленного на одном из блоков подъемного устройства кормушки, вертикальные смещения головы - с помощью тензодатчика, расположенного над ней на расстоянии 0.5 м. Тензодатчик был связан с головой тонкой резиновой нитью, которая крепилась на уровне переносицы к эластичному кольцу, надетому на морду. К этому же кольцу под нижней челюстью прикрепляли угольный датчик для регистрации жевательных движений.

Запись движений головы и лапы осуществлялась на персональном компьютере с шагом 10 или 20 мс; она начиналась в момент включения поворотного устройства диска при подаче пищи. Одновременно эти движения, а также отметку подачи пищи и акт еды регистрировали на чернилопишущем приборе.

В инструментальной реакции анализировали две последовательные фазы. Начальная фаза включала первое после подачи пищи опускание головы к кормушке и подъем лапы. Следующая фаза - удерживание поднятой лапы и опущенной головы - по продолжительности соответствовала длительности акта еды. В ходе тренировки характер удерживания головы и лапы изменялся от нестабильного к стабильному. В фазе удерживания выделяли фазические реакции и периоды стабильного удерживания. Периодами стабильного удерживания, или фиксациями считали те, которые не содержали относительно быстрых смещений (~0.5 см) за время, не превышающее 0.15 с, а также относительно медленных, но непрерывных смещений (~0.6 см) за время, не превышающее 0.6 с. Подобные смещения выбирали в скользящих интервалах (0.15 и 0.6 с соответственно). Периоды устойчивого положения короче 0.2 с не учитывали. Длительности устойчивого положения как головы, так и лапы суммировали и нормировали в процентах к общей длительности периода удерживания в каждой пробе. За основной критерий фазических движений принимали непрерывное смещение, по меньшей мере, на 0.5 см за время, не превышающее 80 мс. Производили анализ связи между фазическими движениями головы и лапы в период удерживания. С этой целью выделяли начала однонаправленных движений головы и лапы и между двумя последовательностями строили кросскорреляционные гистограммы. Достоверность пика на гистограмме оценивали путем прямого вычисления вероятности случайного появления пика такой же или большей амплитуды в любом из 20 бинов по упрощенной версии теста достоверности А.Г. Фролова (1977).

Оперативные вмешательства. Все операции производили в стерильных условиях под нембуталовым (35 мг/кг массы, внутрибрюшинно) или кетаминовым наркозом (премедикация: реланиум 0.5%, 0.5 мг/кг, внутримышечно; через 15-20 мин. вводный наркоз: калипсол 5%, 5мг/кг и рометар 2%, 0.1-0.2 мг/кг, внутримышечно в одном шприце; базисный наркоз: смесь калипсола 5%, 1 мл, рометара 2%, 1 мл, хлористого нартрия 0.9%, 3 мл, внутривенно через канюлю по 1.0-0.5 мл в течение операции по мере пробуждения). В течение операции животное обогревали с помощью электрической грелки, измеряли частоту дыхания и сердечных сокращений. В конце операции внутримышечно вводили противоотечные средства и антибиотики пролонгированного действия.

Двусторонняя вестибулоэктомия проведена на четырех собаках С6, С7, С9 и С10. Тупым способом открывали bulla ossea височной кости, вскрывали ее, удаляли костные стенки улитки и вылущивали улитку, преддверие и ампулы полукружных каналов. Для того чтобы расширить доступ к последним, через овальное отверстие удаляли также musculus tensor tympani. Лицевой нерв оставался неповрежденным.

Шейная деафферентация у трех собак С11-С13 достигалась билатеральной перерезкой дорзальных корешков первых трех шейных сегментов (СI-СШ) спинного мозга. Корешки первого шейного сегмента перерезали субдурально через щель между задним краем большого черепного отверстия и первым шейным позвонком. Субдуральную перерезку корешков второго сегмента осуществляли между заднелатеральным краем первого и переднелатеральным краем второго шейного позвонка. Корешки третьего сегмента удаляли также субдурально через костные окошки во втором шейном позвонке, которые выпиливали симметрично по обе стороны от остистого отростка.

Повреждения MI проведены у восьми собак с помощью субпиальноro отсасывания. У собак С6 и С7 удаляли всю моторную кору на стороне, контралатеральной «рабочей» лапе, у С8 - полное представительство «рабочей» лапы, у С15 и С17 - латеральную треть MI с одной стороны, включающую основную (т.н. ядерную) часть проекции "рабочей" лапы, у С2, С3 и С5 - среднюю треть МI в обоих полушариях, захватывающую основную часть проекции шеи, у С4 и С16 - медиальную треть MI, включающую основную часть представительства задней конечности в полушарии "рабочей" лапы. У собаки С4 сначала удаляли медиальную треть МI в одном полушарии, а через 2 месяца - латеральную треть в другом. По окончании операции дефект ткани заполняли гемостатической губкой, послойно зашивали твердую мозговую оболочку и мягкие ткани.

Вживление хронических электродов для регистрации миограммы проведено на семи собаках (С2-С4, С15, С17-С19), у пяти из них после частичных повреждений MI. Доступ к мышцам осуществлялся через кожный разрез длиной около 10 см. По окончании операции края кожи совмещали и накладывали швы.

Усовершенствования для регистрации электромиограммы в хронических опытах у собак. Для проведения опытов, сочетающих хроническую регистрацию электромиограммы (ЭМГ) с черепно-мозговыми операциями у собак была разработана специальная модель разъема. Внешне она имеет вид патронташа и представляет собой полоску плотной тканевой корсажной ленты (10 х 4) см с расположенными на ней в ряд металлическими контактами - штырьками (рис. 2, а). Задние утолщенные части штырьков с подпаянными проводами электродов плотно пришивали к ленте; к передним, свободным окончаниям во время опыта присоединяли встречные контакты разъема, идущие к миографу. Ленту разъема располагали на дорзальной поверхности шеи (кпереди от места выхода на кожу проводов внутримышечных электродов) и фиксировали по углам толстой шелковой нитью к коже (рис. 2, б).

Двойная липкая матерчатая лента (“Velcro”) обеспечивала основную защиту разъема. Один слой ленты пришивали к заднему краю ленты разъема так, что она закрывала собой провода и контакты (рис. 2, а), второй накладывали на разъем сверху и обводили вокруг шеи. Лента полностью закрывала разъем и имела вид ошейника (рис. 2, 6), который собака носила постоянно. Наружный слой ленты снимали во время опытов при манипуляциях с разъемом.

Рис. 2. Разъем для регистрации миограммы.

а - крепление контактов разъема, б - общий вид разъема на шее собаки

Внутримышечные электроды представляли собой пару оголенных на конце стальных многожильных проводов в тефлоновой изоляции с внешним диаметром 0.3 мм (Cooner Wire, AS632, USA). Электроды вводили в мышцу с помощью инъекционных игл, закрепленных в держателе на расстоянии 3 мм параллельно друг другу. Провод, освобожденный от изоляции на 3 мм, проводили через задний конец иглы и у переднего скошенного края загибали неизолированную часть в виде крючка (Basmajian a. De Luca, 1985). Обе иглы одновременно вкалывали в середину брюшка мышцы и вынимали в обратном направлении, оставляя в мышце электроды. Свободные концы проводов проводили подкожно к шее и выводили через расположенное перед разъемом отверстие в коже диаметром 3-4 мм. Провода припаивали к соответствующим контактам разъема и фиксировали швами на ленте. Вживляли от 8 до 20 пар электродов. Часто в одну и ту же мышцу вводили по 2 пары отводящих электродов. Регистрировали активность мышц предплечья, плеча, лопатки, спины, груди и шеи. Длительность отведений колебалась от 2 до 8 недель. Малая травматичность разъема, его легкая заменяемость позволяли использовать экспериментальное животное как угодно долго, изучая активность мышц при последовательной выработке инструментальной реакции на двух лапах, до и после повреждений MI.

Регистрация сигналов. Одновременную регистрацию 4 отведений ЭМГ производили с помощью аналого-цифрового компьютерного устройства, обеспечивающего усиление исходного сигнала в полосе 50-5000 Гц, аппаратного выпрямления и интегрирования в течение временного интервала 10 мс (Hoffer et al., 1987; Thomson et al., 1994). Результаты интегрирования по каждому интервалу оцифровывались с помощью 12-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Для калибровки по амплитуде на вход устройства подавался синусоидальный сигнал амплитудой 400 мкВ и частотой 500 Гц. ЭМГ регистрировали во время выполнения пищевой инструментальной реакции вместе с механограммами головы и лапы.

Обработку ЭМГ производили по программе, разработанной В.Н. Пономаревым, которая позволяла сглаживать миограммы и механограммы методом скользящей средней по пяти точкам, а также производить усреднение методом наложения кривых относительно начала подъема лапы и относительно момента постановки лапы на опору.

Гистологический контроль. Морфологический контроль результатов повреждения проведен в лаборатории морфологии ИВНД и НФ канд. биол. наук В.Н. Мац у всех подопытных животных, подвергшихся оперативному вмешательству. По окончании опытов часть животных была усыплена передозировкой наркотического вещества. Другая часть, участвовавшая в течение нескольких лет в ряде серий экспериментов, умерла естественной смертью. Мозг собак извлекали и фиксировали в 10%-ном растворе формалина. Гистологический контроль локализации повреждений проводили по серийным срезам толщиной 30 мкм, окрашенным по методу Ниссля. Определяли границы удаленной ткани, а также зоны разрушения, вызванные лизисом детрита ткани, и зоны перерождения вокруг участка удаления, выявляемые по глиозу. Воспроизводили реконструкцию области повреждения.

Статистическая обработка. В программе обработки механограмм А.В. Александрова указанные выше временные и амплитудные характеристики движений усредняли для каждого опыта, а иногда и для нескольких опытов определенного этапа обучения, достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента. С помощью кросскорреляционного анализа по методике А.Г. Фролова (1977) оценивали достоверность связи между однонаправленными смещениями головы и лапы в фазе удерживания. В опытах с регистрацией ЭМГ программа, разработанная В.Н. Пономаревым, позволяла производить усреднение с вычислением стандартного отклонения (SD).

Результаты исследований

1. Естественная координация движений головы и лапы у собак

Известно (Иоффе, 1975), что при выработке у собак пищевой инструментальной реакции - подъема и удерживания чашки с пищей во время еды с помощью тонического сгибания передней лапы - происходит переделка естественной двигательной координации головы и лапы на новую, ранее не свойственную животным. На ранней стадии обучения опускание головы к кормушке вызывает разгибание поднятой лапы. Необходимое для получения пищи удерживание поднятой лапы в позе с опущенной головой - координация, противоположная исходной - достигается только в результате обучения. Установлено (Иоффе, 1975), что выученная координация движений головы и лапы критически зависит от сохранности MI, контралатеральной «рабочей» конечности. Ее повреждение приводит к стойкому нарушению выработанного навыка и восстановлению исходной координации.

Изучение механизма переделки естественной координации и роли MI в этом процессе нуждалось, прежде всего, в детальном исследовании исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Известное описание естественной координации основывалось только на регистрации движений «рабочей» лапы и простого наблюдения за движениями головы. Встала задача: на основании объективной регистрации движений головы и лапы качественно и количественно оценить исходную связь этих движений, которая, как упомянуто выше, проявляется у интактных собак на ранней стадии выработки инструментальной реакции и у животных с выученной координацией после удаления MI. Опыты были проведены на пяти интактных собаках и трех собаках с односторонним удалением MI.

1.1 Естественная координация у интактных собак на ранней стадии обучения

Обучение интактных собак начинали с выработки условной пищевой реакции на щелчок поворотного устройства, сопровождающий перемещение чашки с пищей под окошко кормушки. Фиксация конечности к штоку первоначально вызывала освободительные флексии, которые приводили к подъемам чашки с пищей. После нескольких подкреплений подъемы лапы приобретали пищевой характер и начинали проявляться вместе с наклонами головы к кормушке. При этом наблюдалась всегда одна и та же последовательность движений: подача пищи вызывала быстрый наклон головы к кормушке, за которым следовал подъем лапы. Таким образом, сгибание лапы начиналось при опущенной голове. Обнаружено, что при подъеме лапы голова также смещалась вверх, удаляясь от кормушки. Наклон головы к поднятой чашке сопровождался разгибанием лапы: чашка опускалась, и пища снова становилась недоступной. Описанная связь движений головы и лапы носила устойчивый характер и многократно повторялась при безуспешных попытках собаки достать пищу (Рис. 3, А).



Рис. 3. Исходная взаимосвязь движений головы и лапы на начальной стадии выработки двигательного навыка (А) и в первых самостоятельных пищедобывательных реакциях (Б).

1 - механограммы головы, 2 - жевания, 3 - лапы, 4 - отметка подачи пищи.

На механограммах головы и лапы: отклонение кривой вниз - опускание, вверх - подъем. Пунктирные линии показывают соотношение начала подъемов головы и лапы. Кросскорреляционные гистограммы иллюстрируют распределение задержек между подъемами (стрелка вверх) и опусканиями (стрелка вниз) головы и лапы; n - число суммаций движений головы; достоверность пика на каждой гистограмме p < 0.001.

Чтобы предупредить угашение пищедобывательных движений при наклоне головы к кормушке мы слегка поддерживали поднятую лапу снизу, замедляя ее опускание так, чтобы собака успевала схватывать пищу. Очень скоро собаки начинали работать без помощи экспериментатора. Но и в первых самостоятельных пищедобывательных реакциях отчетливо проявлялась исходная взаимосвязь движений головы и лапы (рис. 3, Б).

Временная связь между движениями головы и лапы была изучена с помощью кросскорреляционного анализа. С этой целью выделяли начала однонаправленных движений головы и лапы и между двумя последовательностями строили кросскорреляционные гистограммы (рис. 3, В). Начало каждого движения лапы принимали за нулевую точку на шкале времени. Далее, за 2 с до и после начала движения лапы подсчитывали число движений головы, которые суммировались в соответствующие бины по 100 мс на гистограмме.

Результаты кросскорреляционного анализа показали, что между однонаправленными движениями головы и лапы существует два типа связи, - подъем лапы с опережающим смещением головы вверх и опускание головы с последующим опусканием лапы. Эти два типа связи иллюстрируют гистограммы на рис. 4. Задержки между движениями головы и лапы наиболее часто колебались от 100 до 300 мс. Минимальные задержки составляли 40 мс, максимальные достигали нескольких сотен мс.

1.2 Естественная координация после удаления моторной коры

Ранее у собак с выработанной пищевой инструментальной реакцией были изучены последствия совместного удаления соматосенсорной и премоторной областей (Иоффе, 1975). В проведенной работе область удаления ограничивалась первичной моторной корой, цитоархитектонически соответствующей полю 4. Было известно, что нарушение выработанной и восстановление исходной координации происходит после разрушения моторной области на стороне, контролирующей движения «рабочей» лапы. Этот факт указывал на то, что представительство «рабочей» конечности играет важную роль в выполнении новой координации. У двух собак были изучены последствия одностороннего удаления всей MI контралатерально «рабочей» лапе, у одной - области проекции «рабочей» лапы, занимающей значительную часть MI. Гистологический контроль показал, что по глубине область разрушения во всех случаях захватывала все корковые слои, а частично и белое вещество.

Перед операцией у собак была прочно выработана инструментальная пищевая реакция. Звук подачи вызывал наклон головы к кормушке и подъем лапы, которые выполнялись как быстрые и слитные движения, переходящие в тоническую реакцию удерживания (Рис. 4, А).

Повреждение MI приводило к грубым нарушениям выработанного навыка. Через неделю после операции в ответ на предъявление пищи собака опускала голову к кормушке, но подъема лапы со штоком не происходило. Если чашку с пищей устанавливали на кормушку сверху, или экспериментатор перемещал ее в доступную для еды позицию с помощью пассивного сгибания лапы, собака легко доставала пищу из узкого окошка, демонстрируя тем самым отсутствие каких-либо нарушений движений головы.

А Б В

Рис. 4. Выработанная пищевая инструментальная реакция у интактной собаки (А) и ее нарушение после удаления MI (Б, В). На А и Б: х - положение головы, при котором начинался подъем лапы до операции. На В: а - пищедобывательные движения, выполняемые животным самостоятельно и с помощью экспериментатора (соответственно до и после метки); б - изменение характера удерживания лапы при поднятой голове. Остальные обозначения как на рис. 3.



Такое кормление могло спровоцировать единичные спонтанные подъемы рабочей лапы. Подъем рычага стал осуществляться рывком. Эти быстрые фазические движения конечности сопровождались подъемами головы, как у интактных собак до обучения (рис. 4, Б). При опускании головы собака роняла поднятую лапу, и чашка падала вниз. После одной-двух безуспешных попыток животные отворачивались от кормушки и переставали реагировать на сигнал подачи пищи. После единичных тестирований самостоятельных реакций приступали к ретренингу, при котором собаке помогали удерживать лапу и получать пищу. На фоне такой тренировки через 1-1.5 месяца после операции подача пищи начинала вызывать не только регулярный наклон головы к кормушке, но и последующий подъем лапы. Собака с удалением области «рабочей» лапы могла выполнить даже серию самостоятельных фазических подъемов конечности (рис. 4, В, а). Подъемам лапы предшествовали подъемы головы, а за наклонами головы следовали опускания поднятой лапы. Исходная связь движений головы и лапы с высокой степенью достоверности (p < 0.001) проявлялась у всех оперированных собак. Они не способны были одновременно удерживать поднятую лапу и опущенную голову, но каждое из этих движений в отдельности было возможно. Удерживание поднятой лапы успешно выполнялось, если только голова была поднята (рис. 4, В, б). Чем ниже собака пыталась приблизить голову к пище, тем ниже был подъем лапы. И наоборот, чем выше был подъем лапы, тем меньше был наклон головы к кормушке. То есть, естественная координация прослеживалась как между фазическими, так и тоническими движениями головы и лапы.

Через два года после операции у собаки с удалением представительства «рабочей» лапы началось восстановление выученной координации, у собак с полным удалением MI сохранялась естественная координация.

2. Механизм исходной координации движений головы и лапы

2.1 Участие магнусовских рефлексов в организации естественной координации

Единственно изученным механизмом, объясняющим влияние положения головы на движения конечностей, являются описанные R. Magnus'ом (1924) вестибулярные и шейные рефлексы. Рефлекторные влияния от вестибулярных и шейных рецепторов на мышцы конечностей обеспечивают организму поддержание равновесия, стабильного положения головы и адекватных поз в пространстве. Как установлено Магнусом (1962), при таком положении головы, когда ротовая щель образует прямой угол с горизонтальной плоскостью, (а именно в этом положении находится голова собаки во время еды из узкого окошка кормушки), начинают возбуждаться вестибулярные рецепторы, вызывая рефлекторное ослабление тонуса флексоров передних конечностей. В этой связи опускание головы к кормушке может вызывать разгибание поднятой лапы. Этот же рефлекс должен мешать сгибанию конечности, если голова опущена к кормушке. Возможно, поэтому всякий раз, прежде чем поднять лапу, собака поднимает голову. Подъем головы в этом случае предположительно снимает возбуждение вестибулярных рецепторов.

Вестибулярный рефлекс можно было бы рассматривать как единственный механизм естественной координации, если бы положение обеих передних лап у собаки было симметричным. Однако, при выполнении инструментальной реакции «рабочая» лапа находится в состоянии флексии, а другая лапа, выполняющая опорную функцию, резко эктензирована. По механизму шейного рефлекса опускание головы приводит к снижению тонуса экстензоров передних конечностей. Такое влияние может оказаться критичным для опорной конечности, когда «рабочая» лапа поднята. Снижение опорного давления и устойчивости положения тела и может являться причиной немедленного разгибания поднятой лапы. Подъем головы должен изменять эту ситуацию, обеспечивая устойчивое положение опорной конечности. Как и в рассмотренном выше случае с вестибулярным рефлексом, подъем лапы с упреждающим подъемом головы может быть предупредительной реакцией, снимающей рефлекторные влияния с шейных мышц, мешающие выполнению инструментальной реакции.

2.1.1 Влияние вестибулоэктомии на естественную координацию

Последствия вестибулоэктомии (ВЭ) были изучены у четырех собак. Две из них, интактные, находились на ранней стадии выработки инструментальной реакции, у двух других предварительно обученных животных была удалена MI контралатерально «рабочей» конечности.

ВЭ у всех подопытных собак вызывала типичные симптомы вестибулярных расстройств: Маятникообразные движения головы и соответствующую им зигзагообразную траекторию передвижения, нистагм, отсутствие лифтной реакции (сгибательно-разгибательных движений передних конечностей при резком опускании животных в подвешенном состоянии), широкое положение задних конечностей. К концу первой недели эти симптомы ослабевали. Через 10-14 дней после операции, когда тремор головы уменьшался настолько, что собаки могли доставать пищу из узкого окошка кормушки, начинали тестирование естественной координации.

У собак с разрушенной MI тестирование проводили 1 раз в неделю (5-7 проб) на протяжении 2 месяцев. До ВЭ естественная координация движений головы и лапы у этих животных носила устойчивый характер и сохранялась в течение двух лет после удаления MI, несмотря на ретренинг. После ВЭ у обеих собак по-прежнему проявлялись только фазические подъемы лапы, которым сопутствовали смещения головы вверх. Причем, у одной из них инструментальные реакции стали проявляться заметно хуже и реже, чем до операции. У обоих животных между однонаправленными колебаниями головы и лапы сохранялась исходная взаимосвязь (p < 0, 001).

У интактных собак была продолжена выработка инструментальной реакции; опыты, состоящие из 10-15 проб, проводили ежедневно в течение 1 месяца. Перед ВЭ инструментальное обучение у этих животных было прервано на самой ранней стадии. После операции подъемы лапы продолжали проявляться с сопутствующим смещением головы вверх, при опусканиях головы собаки роняли поднятую лапу. Движения головы достоверно опережали однонаправленные движения лапы. Спустя два опыта одна из собак начала самостоятельно доставать пищу из кормушки, подтягивая чашку с пищей повторяющимися фазическими подъемами конечности. По мере тренировки инструментальные реакции совершенствовались. Единственным параметром, который не улучшался в ходе обучения, являлась фиксация положения головы. Удерживание опущенной головы во время еды сопровождалось небольшими по величине (1-3 см) колебаниями. Между колебаниями головы и более редкими колебаниями лапы выявлялась исходная взаимосвязь. У интактных собак она, как правило, исчезала в течение 1-3 опытов.

У другого животного, несмотря на то, что все фазические пищедобывательные движения подкреплялись (собаке помогали удерживать лапу во время еды), выработать инструментальную реакцию не удалось. После 5-6 проб собака отворачивалась от кормушки, и у нее возникали освободительные реакции. В целом она выполнила более 100 активных подъемов лапы с рычагом. Все они сопровождались опережающим на 300-400 мс смещением головы вверх.

Таким образом, после ВЭ как у интактных собак, так и у собак с удаленной MI естественная координация движений головы и лапы оставалась сохранной.

2.1.2 Влияние шейной деафферентации на естественную координацию

Опыты проведены на трех собаках, находившихся на ранней стадии выработки инструментальной реакции. После перерезки дорзальных корешков первых трех шейных сегментов спинного мозга, приводящей к шейной деафферентации (ШД), у всех подопытных собак наблюдались характерные двигательные расстройства: тремор головы в виде частых, небольших по величине колебаний в вертикальной плоскости, неловкие движения как передних, так и задних лап, нарушения координации ходьбы, главным образом, за счет задних конечностей, - их тонус был ослаблен, а задняя часть туловища неустойчива. Спустя 3-4 недели после операции, когда тремор головы исчезал, походка становилась более координированной, возобновляли опыты с тестированием естественной координации и выработкой инструментальной реакции.

Опыты с обучением возобновляли через 3-4 недели после операции. Каждый опыт состоял из 10-15 проб. Выработку инструментальной реакции у оперированных животных сравнивали с контрольной группой из трех интактных собак.

После ШД у всех собак выявлена достоверная исходная взаимосвязь движений головы и «рабочей» лапы. Первые самостоятельные инструментальные реакции имели характерный для естественной координации «зубчатый» вид, когда подъему лапы предшествовал опережающий подъем головы, а опускание головы к кормушке вызывало разгибание поднятой лапы. Выработка инструментальной реакции у собак с ШД происходила медленнее, чем у интактных. Оперированные собаки начинали самостоятельно удерживать чашку с пищей после 5-8 опытов тренировки, интактные животные - после 4-5 опытов. У интактных собак быстрее стабилизировалось положение головы и лапы во время еды, и уже к пятому опыту период устойчивого удерживания головы составлял 72-96 % от общей продолжительности фазы удерживания. У собак с ШД к этому времени сохранялись размашистые (3-6 см) колебания головы, а общее время устойчивого положения головы в отдельной пробе не превышало 10%.

Если у интактных собак естественная координация исчезала спустя 2-3 опыта после появления самостоятельных пищедобывательных реакций, то у собак с ШД она наблюдалась длительное время. Причем, чаще и с более высокой степенью достоверности проявлялась связь между подъемами лапы и опережающими подъемами головы (рис. 5).

Результаты проведенных опытов показали, что деафферентация шейных мышц, как и ВЭ, не приводит к распаду исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Это означает, что опускание головы, вызывающее разгибание поднятой лапы, не связано ни с вестибулярным, ни с шейным рефлексом. Оба вида деафферентаций не только не облегчали, а ухудшали выработку новой координации. Выявлено, что более устойчивой и проявляющейся с большей степенью достоверности оказалась не предполагаемая рефлекторная связь между опусканиями головы и лапы, а связь между подъемами лапы и опережающими смещениями головы вверх.

Рис. 5. Длительное проявление исходной координации движений головы и лапы у собак (С11-С13) с ШД, самостоятельно выполняющих инструментальную реакцию. По вертикали со знаком "+" - задержка (в мс) между подъемами головы и лапы, со знаком "-" - задержка между их опусканиями; по горизонтали - опыты. Столбики - случаи достоверной корреляции между движениями лапы и опережающими движениями головы в том же направлении, их цвет указывает степень достоверности: темные - р < 0.001, заштрихованные - р < 0.01, светлые - р < 0.05

2.2. Роль биомеханического фактора в организации естественной координации Gurfinkel et al. (1988) обнаружили, что у человека при подъеме руки вперед также наблюдается опережающее непроизвольное отклонение головы назад. Оно возникает в результате активации осевой мускулатуры, что, по мнению авторов этой работы, способствует повышению «жесткости» позвоночника и облегчает удерживание руки. Возникло предположение, что наблюдаемая у необученных собак связь между подъемом лапы и упреждающим подъемом головы может быть обусловлена биомеханикой тела, связанной с особенностями анатомических связей головы и передних конечностей.

У собаки нет жесткой связи передней конечности со скелетом тела (Miller, 1964) (рис. 6, А). Плечо соединено с лопаткой, которая удерживается на туловище только с помощью мышц, соединяющих ее с ребрами, грудным и шейным отделами позвоночника и головой. Таким образом, лопатка является промежуточным звеном в кинематической цепи, связывающей движение головы и передней лапы. Для того чтобы понять суть этой связи, необходимо было выяснить, как действуют на лопатку подъемы головы и лапы.

Рис. 6. Костно-мышечный аппарат, участвующий в инструментальном подъеме передней лапы.

А - силы, противоположно действующие на лопатку при подъеме головы (стрелка сверху) и при подъеме лапы (снизу); Б - подъем рычага осуществляется сгибанием лапы в плечевом и локтевом суставах (обозначены кружками); В - основные флексоры плеча m. deltoideus (DEL) и m. teres major (T. MAJ), соединяющие лопатку с плечом; Г - участие флексоров плечевого и локтевого суставов в инструментальном подъеме лапы на ранней стадии обучения. Амплитуды ЭМГ в условных единицах (100 у.е. соответствует калибровочному синусоидальному сигналу амплитудой 330 µV). Остальные обозначения как на рис. 3.



В исследуемой инструментальной реакции подъем лапы достигается сгибанием конечности в плечевом и локтевом суставах (рис. 6, Б). Регистрация мышц плеча и предплечья у пяти собак с хронически вживленными внутримышечными электродами показала, что подъем лапы у собаки на ранней стадии обучения сопровождается выраженной активацией двух главных флексоров плеча m. teres major и m. deltoideus (рис. 6, В, Г). M. biceps brachii в подъеме не участвовал. Это означало, что решающую роль в инструментальном движении передней конечности играет сгибание в плечевом суставе. Видимое сгибание в локтевом суставе, очевидно, происходит пассивно за счет подъема плеча. Прикрепление m. teres major и m. deltoideus на плече и лопатке (рис. 6, В) указывает на то, что при их сокращении (то есть при подъеме лапы) лопатка должна поворачиваться назад.

Чтобы выявить, как влияют на смещение лопатки подъемы головы, у пяти собак были прослежены смещения гребня лопатки при разных положениях головы. Для этого шерсть над областью лопатки тщательно выбривали, а положение гребня отмечали на коже фломастером. Первая метка наносилась, когда собака ела из кормушки с опущенной головой, вторая - когда собака стояла с поднятой головой, глядя прямо перед собой. Было обнаружено, что при подъеме головы лопатка поворачивается вперед, при опускании назад. Угол поворота составлял около 30є.

Таким образом, было установлено, что подъем головы и подъем лапы действуют на лопатку в противоположных направлениях (рис. 6, А). В целом развитие естественной координации можно представить следующим образом. Подъем головы, упреждающий подъем лапы, ведет к смещению лопатки вперед, что вызывает растяжение флексоров плеча. Предварительное растяжение этих мышц позволяет им развить большую силу сокращения при подъеме лапы.

То есть, подъем головы создает оптимальные условия для подъема конечности. Кроме того, одновременные сокращения флексоров плеча и дорзальных мышц шеи, действуя на лопатку в противоположных направлениях, должны способствовать фиксации ее положения и облегчать удерживание поднятой конечности. Описанный механизм позволяет понять, почему при опускании головы поднятая лапа разгибается.

Полученные данные свидетельствуют в пользу того, что биомеханический фактор играет значимую роль в организации исследуемой естественной координации движений головы и лапы у собак.

3. Переделка естественной координации движений головы и лапы на противоположную координацию в процессе обучения

Относительно механизма переделки естественной координации движений головы и лапы существует гипотеза (Иоффе, 1975), согласно которой в ходе обучения MI вытормаживает движения исходной координации, мешающие проявлению вырабатываемой реакции. Согласно этой точке зрения выработка пищевой инструментальной реакции должна быть связана с трансформацией движений естественной координации, то есть, вытормаживанием подъема головы, упреждающего подъем лапы, и разгибания поднятой лапы, вызываемого опусканием головы. Следует отметить, что, если в движениях передней конечности участвует только контралатеральная MI, то симметричные опускания и подъемы головы контролируются MI обоих полушарий. Это дает основание предполагать, что гипотетическое выученное торможение подъемов головы перед инструментальным подъемом лапы должно способствовать переносу выработанного навыка с «рабочей» лапы на нетренированную конечность или заметно ускорять вторую по счету выработку инструментальной реакции у одного и того же животного. Таким образом, нашей задачей было изучить динамику изменений взаимосвязи движений головы и лапы в ходе выработки пищевой инструментальной реакции сначала на одной, а затем на другой лапе.

3.1 Изменение координации движений головы и лапы на разных стадиях выработки пищевой инструментальной реакции

Опыты были проведены на 5 собаках; четырех из них обучали выполнять инструментальную реакцию правой, одну - левой лапой. Каждый опыт состоял в среднем из 15 проб.

В выработке инструментальной реакции выделено четыре стадии. На первой стадии в пищедобывательных движениях проявлялась естественная координация движений головы и лапы. Напомним, что пищевая реакция, возникающая на звук подачи чашки с пищей, начиналась с быстрого наклона головы к кормушке, за которым следовал подъем лапы. При подъеме лапы голова снова смещалась вверх, удаляясь от кормушки (рис. 3). Последующее движение головы вниз, к пище приводило к разгибанию поднятой лапы. Доставать пищу из кормушки собаки могли только с помощью экспериментатора. В течение 1-3 опытов животные обучались выполнять инструментальную реакцию самостоятельно.

На второй стадии появлялись первые самостоятельные пищедобывательные реакции (Рис. 7, II). Этот период отличался специфическими изменениями начальной фазы инструментальной реакции. Движение головы в ответ на подачу чашки с пищей утрачивало быстрый и стереотипный характер, присущий первой стадии обучения, когда время опускания головы составляло около 1 с. Для второй стадии характерным было замедленное опускание головы к кормушке: животное как бы выбирало оптимальный уровень наклона головы, при котором оно способно было поднять и удержать лапу.

Первый подъем лапы у одного и того же животного также варьировал как по времени (0.6-2.5 с), так и по амплитуде (8.6-14.8 см) и мог выполняться и как быстрое, и как медленное ступенчатое движение. Ему предшествовало дополнительное смещение головы вверх. Задержки между подъемами головы и лапы оставались такими же, как на первой стадии обучения (диаграмма на рис. 7).



Рис. 7. Пищевая инструментальная реакция на разных стадиях (II-IV) обучения

На диаграмме распределение задержек между первым после подачи пищи подъемом лапы и опережающим смещением головы вверх на первой (темные столбики) и второй (светлые) стадиях для всей группы подопытных животных; п на вертикальной оси - число измерений. Различие между медианами выборок по критерию Манна-Уитни статистически недостоверно (p = 0.54). Остальные обозначения как на рис. 3.

За начальной фазой следовала фаза удерживания, в течение которой лапа оставалась поднятой. На этой стадии зафиксировать поднятую лапу на необходимом для еды уровне собакам не удавалось. Величина тонической флексии была невелика, поэтому подтягивания чашки с пищей к окошку кормушки продолжали осуществляться повторными фазическими движениями, которые сопровождались почти синхронными опережающими подъемами головы. Опускание головы приводило к разгибанию лапы, в течение которого собаке удавалось схватывать пищу из чашки. Как показал кросскорреляционный анализ, задержки между однонаправленными колебаниями головы и лапы в фазе удерживания на второй стадии оставались такими же, как на первой. То есть, изменений временного паттерна естественной координации не обнаружено. От пробы к пробе инструментальные движения быстро совершенствовались: уровень тонического подъема лапы возрастал, а амплитуда синхронных колебательных движений головы и лапы уменьшалась. Исходная взаимосвязь между этими движениями проявлялась в течение 1-2 опытов и исчезала. Причем, дольше сохранялась связь между подъемами головы и лапы.

...