Методы нейрофизиологических исследований на теплокровных животных (кошках)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методы нейрофизиологических исследований на теплокровных животных (кошках)

ВВЕДЕНИЕ

Вторая половина ХХ века - это время бурного развития нейронаук, среди которых особое место занимает нейрофизиология - наука о нервных механизмах, лежащих в основе поведения человека и животных.

В 1959 году Дж. Риччи, а в 1960 году Г. Джаспер (G. Ricci e.al., 1959, H. Jasper e.al., 1960) впервые применили метод микроэлектродной регистрации импульсной активности нейронов при выработке инструментальных условных рефлексов. Большой вклад в исследование нейрофизиологических механизмов поведения внес А.Б.Коган, разработавший в 1952 году методику хронического вживления электродов для отведения потенциалов и раздражения мозга.

В дальнейшем эти исследования были продолжены учениками А.Б. Когана Н.И. Лагутиной (1951), Н.И. Николаевой, Г.М. Глумовым, Н.Н. Ткаченко, Е.Л. Шульгой, Н.К. Тумасовой, Э.А. Варухой, Л.Н. Гуляковой и другими сотрудниками кафедры физиологии человека.

В 70 годы ХХ века на кафедре физиологии человека и животных зародилось направление, связанное с исследованием билатеральных механизмов обучения, во главе которого стоял профессор Г.А. Кураев и его ученики. (Г.А. Кураев, Л.Г. Сороколетова, 1978, А.Б. Коган, Г.А.Кураев, Л.Н. Ровда, 1978, Г.А. Кураев, 1982, А.Б. Коган, Г.А. Кураев 1985, Г.А.Кураев, И.В. Соболева, Л.Г. Сороколетова, 1988, 1990, 2004).

В настоящем учебном пособии приводятся данные о методах нейрофизиологических исследований поведения теплокровных животных (кошки) в условиях хронического эксперимента, а также результаты, полученные в экспериментах на бодрствующих не наркотизированных кошках при выработке условных оборонительных рефлексов на зрительные раздражения.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ АСИММЕТРИИ МОЗГА У ЖИВОТНЫХ

нейрофизиологический теплокровный кошка мозг

Проблема симметрии и асимметрии в природе принадлежит к числу фундаментальных естественно-научных и философских проблем.

В эволюции любая биологическая система стремится к устойчивому состоянию, а, следовательно, к симметрии. Однако внутри таких систем возникают процессы, нарушающие симметрию, что способствует дальнейшему развитию, и в то же время, к перестройке ранее сформировавшейся системы. Наиболее наглядно это выявляется при анализе функциональной организации процессов, происходящих в центральной нервной системе, построенной по билатеральному типу.

Взаимоотношения симметричных структур больших полушарий головного мозга привлекают внимание нейрофизиологов в связи с расширившимися исследованиями роли межполушарных отношений в таких интегративных процессах, как замыкание временной связи, хранение следов обучения, пространственный анализ, организация эмоциональной окраски поведения, компенсаторные процессы, распознавание образов 2, 16, 17, 89, 90, 71, 3, 25 и др..

В эволюционных перестройках головного мозга особое значение имеет прогрессирующее функциональное и морфологическое дифференцирование корковых полей, усиление комиссуральных межполушарных систем, на основе чего происходит функциональная доминирующая специализация симметричных структур мозга, венцом которой является специализация полушарий у человека. Накопленные в физиологии данные свидетельствуют о том, что функциональная асимметрия полушарий головного мозга имеет место и у животных

1.1 Исследования моторной асимметрии

В настоящее время в литературе довольно широко представлены материалы о связях церебрального доминирования с двигательной активностью животных.

Наиболее подробно изучено у животных предпочтение одной из передних конечностей в поведенческих тестах и асимметрии моторики.

Обнаружено, что 90% грызунов предпочитают пользоваться правой или левой конечностью при добывании пищи и только 10% не обнаруживают такого предпочтения (Walker J. F., 1980).

При изучении у крыс двигательного компонента пищевой условной реакции на зрительные стимулы была обнаружена одна из форм пространственно-моторной асимметрии - предпочтение направления движения и установлено различное участие коры левого и правого полушария в ее реализации (Удалова, Михеев, 1988).

Наиболее изученной двигательной асимметрией у животных является асимметрия использования передних конечностей, Эта асимметрия наблюдается у ряда животных: крысы, кошки, обезьяны.

У обезьян нередко наблюдается предпочтение в использовании одной из передних рук или лап в поведенческих реакциях. Количество правшей и левшей примерно одинаково. Очевидно, левое и правое полушария головного мозга обезьян не различаются существенно между собой в своей структурно-функциональной организации процессов, таких как восприятие, условнорефлекторная деятельность, память.

Как показали многочисленные опыты, факт предпочтительного использования определенной руки у обезьян является следствием высокой пластичности высших отделов головного мозга, а именно тех изменений в функциональных взаимоотношениях больших полушарий, которые происходят в процессе обучения данного животного. Предполагаемая рука у обезьяны может меняться при разных поведенческих реакциях и на разных этапах обучения.

Двигательная асимметрия у кошек исследовалась в пищедобывательных тестах, В отличие от грызунов, у кошек примерно половина животных относится к амбидекстрам, то есть не имеет предпочитаемой конечности. Число право- и леволапых животных примерно одинаково (Walker J. F., 1980).

Анализ данных о доминировании полушарий при управлении конечностями позволяет сделать следующие выводы:

1. У животных имеется специализация полушарий в функции управления конечностями.

2. Большая часть животных является амбидекстрами, поэтому следует выбирать для эксперимента животных с четко выраженной асимметрией.

3. У различных видов животных предпочитаемость лап выражена в разной степени: например, у грызунов сильнее, чем у кошек, у кошек сильнее, чем у обезьян.

4. Большое значение для правильного определения ведущей конечности имеет правильный подбор тестов.

1.2 Исследование сенсорной асимметрии

Одной из наиболее изученных сенсорных асимметрии мозга человека является асимметрия зрения. Аналогичные результаты получены в исследованиях на животных.

В работах Бианки (Бианки,1982, 1985) получены доказательства того, что, каждое полушарие животных характеризуется специфическими принципами обработки информации. Правое полушарие осуществляет одновременную обработку, левое полушарие - последовательную. Правое полушарие выделяет конкретные свойства раздражителей, а левое полушарие - абстрактные. Правое полушарие анализирует предметы по принципу дедукции, а левой полушарие - индукции. Делается заключение, что латеральная специализация является фундаментальным свойством мозга животных. Полученные результаты рассматриваются как подтверждение на животных гипотезы о различной латерализации у человека двух опознающих систем: работающей по принципу классификации ожидаемых изображений и использующей структурный метод описания и распознавания изображений (Леушина, 1981, В.Л.Бианки, 1985).

1.3 Асимметрия мозга при обучении

На ранних этапах исследования взаимодействия полушарий головного мозга было обращено внимание на то, что при обучении с использованием в качестве сигнала одностороннего раздражения, условный рефлекс проявляется при таком же раздражении симметрично расположенных структур тела (Быков, 1924). Эти результаты рассматриваются как свидетельство биполушарного обучения.

Показано, также, что при выработке инструментального активного оборонительного рефлекса у кошек моторная асимметрия прогрессивно возрастает в ходе обучения, Это дает основание рассматривать становление моторной асимметрии как процесс обучения, с другой стороны, при отсутствии четко выраженного предпочтения правой или левой передней конечности у животного наблюдается и более низкие показатели обучения (Фокин, 1982), то есть от исходной асимметрии мозга зависят показатели условнорефлекторной деятельности.

Показано, что угашение односторонне организованного (унилатерального) условного рефлекса происходит в 1,5- 2 раза медленнее по сравнению с билатерально организованным (двусторонним) условным рефлексом. А, соответственно, восстановление исходной величины унилатерального условного рефлекса после его острого угашения происходит в значительно большее время по сравнению с аналогичным восстановлением двустороннего рефлекса. Полученные данные свидетельствуют о том, что билатеральное взаимодействие полушарий головного мозга при осуществлении двусторонних условных рефлексов способствует протеканию условнорефлекторной деятельности на более высоком функциональном уровне (Колосова, Пирогов, 1982).

Электрофизиологические корреляты билатерального обучения исследовались в работе Г.А.Кураева (1982). В опытах на бодрствующих кошках в условиях хронического эксперимента в динамике выработки оборонительного условного рефлекса на свет регистрировалась фоновая и импульсная активность в симметричных пунктах зрительной или соматосенсорной коры. Выработка рефлекса велась при депрессии раствором калий хлор одного из симметричных пунктов, выбранной для исследования зоны коры. Оказалось, что снятие депрессии коры приводило к исчезновению специфического узора нейрональной активности в ранее обучаемой зоне. Повторение сочетаний заново формировало указанный узор фоновой активности в обоих полушариях, латенции и длительности первичных ответов становились сходными с таковыми до выработки рефлекса и в период генерализации условнорефлекторной деятельности (Кураев, 1982). Следовательно, восстановление совместной работы полушарий после депрессии зрительной коры одного из них нарушает сформировавшиеся условнорефлекторые реакции нейронов.

Эти исследования указывают на важную роль межполушарного взаимодействия в процессах обучения и условнорефлекторной деятельности.

В противоположность широко распространенному мнению об уникальности латеральной специализации мозга у человека в работах Бианки (1985, 1888) приводятся доказательства универсальности этого явления у человека и животных. На основании обширных исследований, проведенных на животных разных видов, делается вывод, что латеральная специализация больших полушарий мозга в настоящее время может рассматриваться как фундаментальная функциональная характеристика мозга млекопитающих.

С другой стороны, показано, что функциональная асимметрия больших полушарий головного мозга явление в значительной мере динамичное. Характер его постоянно меняется в зависимости от текущей корковой деятельности, правильнее говорить не о доминантности отдельного полушария в отношении той или иной деятельности, а о преимущественной роли в осуществлении отдельной стадии целостной функции (Кондратов, 1983). Так обнаружено, что в зависимости от сигнальной значимости стимула или эмоциональности меняется характер функциональной полушарной асимметрии.

В этой связи значительные трудности представляет выбор электрофизиологических показателей, значимо коррелирующих с моторной асимметрией, В качестве таких показателей было предложено использовать уровень постоянного потенциала (Фокин и др., 1988), уровень асимметрии суммарной биоэлектрической активности мозга (Brito, Webster. 1979), асимметрию первичного негативного компонента усредненных ВП (Кураев и др., 1988).

Показано, что у животных двигательные области доминантного полушария более негативны, чем субдоминантного, а асимметрия суммарной биоэлектрической активности более выражена в ассоциативных (по сравнению с проекционными) зонами коры и зависит от сложности решаемой задачи зрительного дифференцирования: чем сложнее задача, тем больше асимметрия (Brito, Webster. 1979).

У кошек обнаружено устойчивое доминирование одного из мозговых полушарий по амплитудным или временным показателям ВП при стимуляции вспышками света и тональными звуковыми посылками, причем доминирование по амплитуде и временным показателям ВП было распределено между полушариями: если в одном из мозговых полушарий и были короче по пиковой латенции, то в другом - больше по амплитуде (Кураев и др. 1988).

Таким образом, асимметрия вызванной активности наблюдается как у животных, так и у человека.

1.4 Нейрофизиологические механизмы функциональной межполушарной асимметрии мозга

В отношении нейрофизиологических механизмов межполушарного взаимодействия В. М. Мосидзе (1983) было высказано предположение о наличии постоянного реверберационного обмена сенсорной информацией между полушариями головного мозга посредством мозолистого тела (МТ), что должно содействовать мнемоническим процессам, протекающим в цнс. Результаты исследования говорят о том, что трансколлозальное взаимодействие полушарий мозга играет важную роль для зрительных отсрочек и дифференциации зрительных раздражителей.

Электрофизиологическими опытами, проведенными Самадашвили (1982) на нембутализированных кошках, установлено, что тестируемые вызванные антидромные ответы, регистрируемые из латеральной извилины коры как на последовательную стимуляцию различных точек (FR-5,FR-9, 5), так и при парной стимуляции одной точки (FR-5) мозолистого тела. В коре латеральной извилины могли быть каллозальные нейроны, волокна которых до поступления в МТ разветвляются, и в разных ее участках проходят среднелинейную структуру.

В электрофизиологических работах было показано, что из определенных участков коры одной гемисферы импульсы направляются по каллозальным волокнам оканчивающимся в разных участках коры противоположного полушария и носят гомо- и гетеротопный характер (Мосидзе и др., 1977).

Существует обширная литература, посвященная исследованию конвергенции на уровне коры транскаллозальных влияний и афферентного воздействия различной природы, при этом показано, что очень мало каллозальных нейронов в коре получают возбудительный приток при раздражении симметричных структур противоположного полушария - в основном каллозальные влияния носят реципрокный характер (Мосидзе, Эзрохи, 1986).

Очевидно, важным аспектом взаимодействия полушарий является межполушарное торможение, которое не только обеспечивает оптимальный баланс специфических для каждого полушария нейрофизиологических процессов в целостной работе мозга, но и участвует в дифференцированной организации информационных потоков в афферентных системах каждого из полушарий. (Зенков, 1982). Исследование показало, что между проекционными областями коры имеется тормозное влияние, которое особенно сильно выражено в фокусе максимальной активности потенциалов, вызванных при адекватном раздражении, Однако в ассоциативной коре отмечается выраженное облегчающее влияние, особенно в передней части средней супрасильвиевой извилины (Кавтакадзе, 1982).

Таким образом, обмен информацией между каллозальными нейронами в значительной мере определяет характер нейродинамических процессов, лежащих в основе функциональной межполушарной асимметрии мозга.

1.5 Методы электрофизиологических исследований асимметрии мозга животных при обучении

1.5.1 Операция вживления рамки для фиксации головы животного во время эксперимента

Опыты проводились на взрослых бодрствующих кошках, которым предварительно проводилась операция вживления рамки для фиксации головы животного во время электрофизиологического эксперимента.

Кошке под нембуталовым наркозом (35-40 мг/кг веса животного) проводился разрез кожи головы длиной 2,5 - 3 см, скальпировался череп для удаления надкостницы и в кости черепа вживлялись винты из нержавеющей стали, по 3-4 в правой и левой части черепа.

Для вживления винтов бором высверливались отверстия в лобной, теменной и затылочных костях черепа, в которые ввинчивались винты.

Индифферентный электрод вживлялся в лобную пазуху. Он представлял собой винт, к которому припаивался разъем для подключения электрода.

Ориентиром для размещения рамки служила точка пересечения сагиттального и венечного швов на черепе животного (брегма). Рис. 1.

Рамка вместе с винтами заливалась акриловой пластмассой (норакрил или стиракрил). После застывания пластмассы, под кожу раны засыпали стрептоцид, смазывали края раны йодом и накладывали стерильную повязку.

Для предупреждения послеоперационных осложнений животному вводили бицилин-3 или бицилин-5 в дозировке 100 - 150 ед в зависимости от веса животного.

К проведению электрофизиологических исследований приступали через неделю после операции, когда кошка чувствовала себя достаточно хорошо. Во время проведения исследований рану регулярно обрабатывали перекисью водорода и накладывали ранозаживляющие мази. После окончания экспериментов рамка и винты удалялись, и после заживления раны животное отпускалось на свободу.



Рис. 1 Операция по вживлению фиксирующей рамки.

По краям рамки видны винт, обеспечивающие крепление рамки к кости. Рамка устанавливается на 5-8 мм кпереди от пересечения венечного и сагиттального швов симметрично по отношению к последнему. В лобную пазуху вживляется индифферентный электрод.

1.5.2 Методика проведения электрофизиологического эксперимента

Перед началом электрофизиологических экспериментов животному с помощью трепана диаметром 4 мм в кости черепа высверливались 2 симметричных отверстия над зоной представительства зрительной, ассоциативной или соматосенсорной коры.

Твердая мозговая оболочка иссекалась специальной инъекционной иглой с загнутым кончиком. Затем голова животного фиксировалась в установке и в мозг погружались 2 стеклянных микроэлектрода, заполненных 2,5 молярным раствором KCl.

На правое ухо животного помещались электроды в виде клипс, через которые подавалось электрокожное раздражение.

Перед мордой животного помещалась лампа-вспышка. Рис.2.

Рис. 2 Общий вид животного в установке. Пояснения в тексте

1.5.3 Процедура выработки условного оборонительного рефлекса

Условный рефлекс вырабатывался на сочетания вспышек света и электрокожного раздражения уха животного. Динамика формирования условного рефлекса отражена на рисунке 3.



Рис. 3

Рис. 4

На рисунке 4 представлены кривые обучения для двух кошек, различающихся разной скоростью выработки условного рефлекса. Тем не менее, для обеих кошек характерно наличие стадии билатеральных реакций. Формирование моноуральных реакций отмечалось на этапе упрочения рефлекса, когда его уровень превышал 50%.

1.6 Динамика фокальных потенциалов в процессе выработки условного оборонительного рефлекса на вспышки света

Динамика фокальных вызванных потенциалов исследовалась на бодрствующих ненаркотизированных кошках по методике, описание которой приведено в разделе 1.5.1 и 1.5.2 учебного пособия.

Биоэлектрическая активность, регистрируемая с одного и того же микроэлектрода посылалась на 2 канала усилителей. На одном канале полоса пропускания устанавливалась от 200 до 800 Гц, что позволяло регистрировать импульсную активность корковых нейронов, а на другом канале устанавливалась полоса пропускания сигнала от 0,2 до 150 Гц, что позволяло регистрировать фокальную вызванную активность нейронов, расположенных на расстоянии порядка 100 мкм. Рис. 5.

Активность регистрировалась от симметричных зон поля 18 зрительной коры мозга кошки с помощью установка УФПТ-5, производства экспериментальных мастерских ИЭМ АМН СССР (г. Ленинград).



Рис. 5 Одновременная регистрация импульсной (верхняя кривая) и фокальной (нижняя кривая) активности в ответ на вспышку света. Отметка времени 50 мс

Фокальный вызванный потенциал (ФВП) на вспышку света представлял собой позитивно-негативное колебание с латентным периодом позитивной волны порядка 11 мс и длительностью 10 мс в левом и 9 мс и 11 мс в правом полушарии мозга и негативной волны с латентностью порядка 36 мс и длительностью 49 мс в левом и 29 мс и 58 мс в правом полушарии мозга. Рис.6.



Рис. 6 Фокальный потенциал в ответ на световую вспышку поля 18 зрительной коры мозга кошки. Верхняя кривая - левое полушарие, нижняя - правое полушарие мозга. Отметка времени 50 мс

Таким образом, латентные периоды и длительности первичной позитивной волны ФВП на вспышку света в левом и правом полушарии мозга были близкими, в то время как средние значения ЛП первичной негативной волны были в правом полушарии достоверно короче, чем в левом, а длительность, напротив, в правом полушарии больше, чем в левом.

Фокальные ответы на электрокожное раздражение правого уха имели вид негативной волны с латентностью порядка 46 мс и длительностью порядка 100 мс и не различались в левом и правом полушариях мозга. Рис.7.



Рис. 7 Фокальный потенциал в ответ на электрокожное раздражение уха поля 18 зрительной коры мозга кошки. Верхняя кривая - левое полушарие, нижняя - правое полушарие мозга. Отметка времени 50 мс

Динамика фокальной вызванной активности поля на условный зрительный раздражитель (вспышки света) симметричных зон коры мозга кошки при выработке условного оборонительного рефлекса представлена на рисунке 8.



Рис. 8 Динамика фокального потенциала в ответ на условный зрительный сигнал (вспышки света) при выработке условного оборонительного рефлекса

В процессе выработки условно оборонительного рефлекса отмечается отсутствие выраженных межполушарных различий, а затем, при упроченном рефлексе, резко различаются в контра- и ипсилатеральном по отношению к подкреплению полушарии.

1.7 Динамика импульсной активности в процессе выработки условного оборонительного рефлекса на вспышки света

1.7.1 Фоновая активность нейронов

Под фоновой активностью нейронов обычно понимается импульсация нервной клетки не связанная с наносимыми раздражениями или какой-либо контролируемой деятельностью.

Р. Гранит (R. Granit, 1955) определял фоновую активность как важную часть деятельности нервной системы. По его мнению, эта активность отражает деятельность тонических механизмов ЦНС, а также является показателем периодической смены активности отдельных единиц нервной ткани.

По мнению Р. Юнга (1964) функциональное значение фоновой активности нейронов может заключаться в том, что она обеспечивает возможность реагирования системы и отдельных нейронов в двух направлениях: как в сторону усиления, так и в сторону торможения активности, избегая фиксированных порогов и обеспечивая высокий уровень дифференциальной чувствительности и гибкости системы в целом.

Показано, что повышение возбудимости коры сопровождается закономерным увеличением количества нейронов с фоновым ритмом (М.Н. Ливанов, 1965), а при углублении наркоза фоновая ритмика снижается или подавляется полностью (O.D. Creutzfeldt et al., 1966).

У кошек фоново активные нейроны встречаются преимущественно на уроне II и IV слоев коры, где плотность нервных элементов наиболее высокая (С.М. Блинков, И.И. Глезер, 1964).

Структура фоновой активности чрезвычайно разнообразна. Различают единичную пачечную и групповую импульсацию. (Рис.9).



Рис. 9 Типы фоновой ритмики нейронов симметричных зон зрительной коры мозга кошки. А - пачечная, Б - групповая, В - единичная ритмика. Отметка времени 50 мс

Различные типы фоновой активности зависят от временного течения и распределения деполяризационного и гиперполяризационного внутриклеточных процессов (П.Г. Костюк, 1965). Можно полагать, что единичный тип фоновой импульсации определяется не кратковременной, а пачковой и групповой более длительной деполяризацией мембраны нервных клеток.

В случае одновременной регистрации импульсной активности двух нейронов одним микроэлектродом, между ними возможны различные формы взаимоотношений - синергичные, реципрокные, антагонистические (рис.10).



Рис. 10 Типы фоновой активности нейронов симметричных зон зрительной коры мозга кошки, зарегистрированных одним микроэлектродом. Отметка времени 50 мс

Считается, что фоновая импульсация нейронов «тонического» типа отражает тонус нервных центров, обеспечивая оптимальную степень сонастроенности, восприимчивости, чувствительности центральных нейронов (О.Г. Чораян, 1965).

Согласно данным Р. Юнга (1958) группирование разрядов клеток связано с нарушением баланса возбудительных и тормозных процессов в системе центральных нейронов. Считают, что пачечная активность является фактором, облегчающим синаптическую передачу (В.М. Сторожук, 1965).

Процесс формирования фоновой активности во многом определяется транскаллозальными взаимодействиями (В.Л. Перхурова, Э.Г. Заркешев, 1976). Сложные формы фоновой импульсной активности корковых нейронов определяются, обуславливаются афферентными влияниями и корково-подкорковыми взаимодействиями (В.А. Силаков, Э.Г. Заркешев, 1972).

Таким образом, фоновая активность центральных нейронов является в первую очередь индикатором текущего функционального состояния и определяется как эндогенными, так и экзогенными факторами.

1.7.2 Вызванная импульсная активность нейронов

Количество реагирующих на свет нейронов в зрительной коре мозга кошки по данным разных авторов варьирует от 55% (В.Ю. Добролюбов, 1974) до 41% (И. Кетлерис и др. 1973). Типы реакций нейронов симметричных зон зрительной коры мозга кошки на вспышку света представлены на рисунке 11.

Рис. 11 Типы реакций нейронов зрительной коры на вспышку света А - синергичные возбудительные, Б - синергичные тормозные, В - реципрокные тормозно-возбудительные. Верхние кривые - левой полушарие, нижние - правое полушарие. Отметка времени 50 мс

У кошек в зрительной области коры встречаются полисенсорные нейроны, отвечающие на болевые, слуховые и вестибулярные раздражения (И.С. Беритов, 1969). Реакции на стимулы «неправильной» модальности исчезают при барбитуратовом наркозе (Murata et al., 1965), что указывает на их неспецифический характер и связь с генерализованной активацией коры со стороны ретикулярной формации ствола мозга.

1.7.3 Динамика импульсной активности нейронов зрительной коры при выработке условных рефлексов

Анализ типов исходной фоновой активности 134 нейронов зрительной коры показал, что доля фоновоактивных нейронов с групповым и пачечным типами фоновой активности была выше в правом полушарии мозга по сравнению с левым, и во вторичной зрительной области (поле 18) по сравнению с первичной зрительной корой (поле 17).

Частота фоновой импульсации нейронов зрительной коры мозга кошки также была выше в правом полушарии мозга по сравнению с левым.

Количество мономодально реагирующих на вспышку света нейронов первичной зрительной коры в левом полушарии составляло 30,1 %, в правом - 22,9%, на электрокожное раздражение (ЭКР) - 20,8%. В поле 18 это соотношение было 22,2%, 13,0%, 12% соответственно.

Нейронов с бимодальными реакциями в первичной зрительной коре было в левом полушарии 54,6%, в правом - 27,2%, а во вторичной зрительной коре 44,5% и 51,2%.

То есть в первичной зрительной коре преобладали мономодально реагирующие нейроны, а во вторичной - нейроны с бимодальными реакциями на свет и ЭКР.

Бимодальных нейронов в первичной зрительной коре больше в левом, а во вторичной - правом полушарии мозга.

На рисунке 12 представлены нейронограммы активности симметричных зон зрительной коры в динамике выработки следового условного оборонительного рефлекса на сочетания ритмических вспышек света и ЭКР уха кошки.

Рис. 12

На рисунке видны изменения характера импульсации нейронов в динамике обучения - тонический характер импульсации меняется на групповую и пачечную активность. Эти изменения более выражены в полушарии, контралатеральном по отношению к безусловному раздражителю (ЭКР) по сравнению с ипсилатеральным.

Анализ полученных экспериментальных данных проводился на ЭВМ «Днепр» в режиме реального времени. На рисунке 13 представлена схема анализа данных.



Рис. 13 Схеме анализа импульсной активности нейронов симметричных зон зрительной коры мозга кошки на ЭВМ «Днепр»

На рисунке 14 представлены гистограммы распределения межимпульсных интервалов (МИ) в динамике выработки и угашения условного оборонительного рефлекса на световой раздражитель.

Как видно из рисунка, в динамике выработки условного рефлекса формируется мономодальное распределение МИ. При угашении рефлекса происходит восстановление исходного распределения МИ, а при восстановлении рефлекса вновь формируется распределение МИ близкое к мономодальному. Сходные результаты были получены в работе J.H. O'Brien et al., 1973), в которой были показаны специфичные для обучения изменения гистограмм межимпульсных интервалов импульсной активности нейронов двигательной коры мозга кошки. Авторами было выдвинуто предположение, что в основе наблюдаемых перестроек импульсной активности нейронов лежит увеличение длительности ВПСП и ТПСП, вызывающие усиление периодичности импульсации. По данным Н.Н. Василевского (1968) усиление периодичности импульсации корковых нейронов в процессе выработки рефлекса отражает цикличность взаимодействия нервных центров друг с другом при обучении.



Рис. 14 Гистoграммы межимпульсных интервалов активности нейронов зрительной коры мозга кошки при выработке, угашении и восстановлении рефлекса. Пояснения в тексте

При исследовании способов кодирования информации в ЦНС были выделены два способа временного кодирования - частотное и интервальное. При этом в качестве элементов кода могут выступать средняя частота импульсации нейрона, дисперсия и коэффициент вариации межимпульсных интервалов, картина самого узора активности (О.Г. Чораян, 1975).



Рис. 15

Как видно из рисунка 15, на первых этапах выработки условного оборонительного рефлекса преобладают процессы кодирования сигнальной информации частотой разрядов нейронов, что выражается в увеличении частоты как фоновой, так и вызванной активности нейронов. Сходные результаты были получены в работах Н.Н. Василевского (1968), В.Б. Швыркова, 1969), Л.Н. Меницкого, В.В. Трубачева, 1974, Б.И. Котляра (1975). Обнаружено, что на ранних стадиях выработки условного оборонительного рефлекса условные реакции корковых нейронов носят характер тонической диффузной активации, которые по мере упрочения условного рефлекса сменяется фазическими, специфичными для его выработки (Э.В. Эвартс, 1966).

Рис. 16 Динамика импульсной активности нейронов симметричных зон зрительной коры при упрочении рефлекса. Отмечается смена частотного способа кодирования условного сигнала на интервальное кодирование. Изменения наиболее выражены в полушарии, контралатеральном подкреплению (нижние осциллограммы)

Динамика импульсной активности нейронов симметричных зон зрительной коры при упрочении рефлекса отражена на рисунке 16. Как видно из рисунка при упрочении рефлекса отмечается смена частотного способа кодирования условного сигнала на интервальное кодирование. Причем изменения наиболее выражены в полушарии, контралатеральном подкреплению

Таким образом, одной их характерных особенностей динамики вызванной активности нейронов при выработке условного рефлекса является усиление сходства реакций на сигнальный и подкрепляюший раздражители, в основе которого лежит принцип воспроизведения доминирующих межимпульсных и межпачечных интервалов (Н.Н. Василевский и др., 1972).

Благодаря его существованию, условные сигналы в процессе выработки рефлекса становятся регуляторами механизма воспроизведения зафиксированной в памяти информации о подкрепляющем раздражителе.

Одной из существенных особенностей участия нейронов в условнорефлекторной деятельности является появление у них свойств полисенсорности (бимодальности) реакций (Н.Н. Василевский, В.В. Трубачев, 1967, М.Я. Рабинович и др., 1968). При этом показана возможность выработки как возбудительных, так и тормозных реакций, причем способность к обучению проявляли и исходно ареактивные к сочетаемым стимулам нейроны (Е.Л. Полонская, 1967, H. O'Brien a. S.S.Fox,1969)/

На рисунке 17 представлены типы реакций нейронов зрительной коры мозга кошки на сигнальный и подкрепляющий стимулы:

Возбудительная на свет-возбудительная на ЭКР (В-В)

Возбудительная на свет - нереагируюший на ЭКР (В-Н)

Возбудительная на свет - тормозная на ЭКР (В-Т)

Тормозная на свет - возбудительная на ЭКР.



Рис. 17 Типы реакций нейронов зрительной коры мозга кошки на ритмическое световое (вспышки) и электрокожное раздражение

Данные свидетельствуют о том, что на этапах выработки условного рефлекса наиболее легко условные реакции появляются у бимодальных нейронов, затем у мономодальных, а наиболее инертную группу составляют нереагирующие нейроны. Доля бимодальных нейронов была максимальной во вторичной зрительной коре (58,2%), мономодальных - в первичной (50,0%), а доля нереагирующих нейронов не превышала в обеих зонах 20%.

В процессе обучения возрастала доля нейронов с реакциями одного знака на условный и подкрепляющий стимул, возрастало сходство паттернов ответов на условный и подкрепляющий раздражители.

1.8 Билатеральные механизмы обучения

Билатеральность обучения, то есть возможность переноса результатов обучения с одного полушария на другое, была впервые установлена в лаборатории И.П. Павлова его учениками: Красногорским (1911), Быковым (1924).

Несколько позже появились работы, освещающие некоторые механизмы межполушарного переноса положительных временных связей. Так, К.С. Абуладзе (1953, 1961) показано, что его наличие или отсутствие зависит от интенсивности подкрепляющего стимула. Длительное упрочение одностороннего рефлекса приводит к исчезновению феномена переноса (Абуладзе и др., 1976).

В работах Н.И. Лагутиной (1951) и Н.И. Николаевой (1955) было показано, что при выработке условного рефлекса с использованием в качестве условного сигнала прямого раздражения коры или подкорковых структур, перенос сигнального раздражения на симметричную раздражаемой структуру вызывает условную реакцию.

Межполушарный перенос обучения происходит при выработке положительных условнорефлекторных связей. При угашении рефлекса перенос стимула на противоположную раздражаемой сторону требует повторного угашения условнорефлекторной реакции, то есть тормозные связи не переносятся с одного полушария на другое.

Билатеральность обучения показана на различных видах животных. Причем в эволюционном ряду межполушарный перенос обучения обеспечивается комиссурами, которые у данного вида животных осуществляют высшие интегративные функции. У рыб это текто-мозжечковые структуры, у амфибий - структуры среднего мозга, у птиц - полосатые тела, а у млекопитающих - кора головного мозга.

У кошек решающим фактором переноса обучения в пределах зрительного анализатора является передача информации по волокнам мозолистого тела и передней комиссуре (Myers, 1955, 1965).

В основе межполушарного переноса обучения лежит обмен информацией между полушариями через мозолистое тело и другие спайки мозга.

Доти и соавторы (Doty et. al., 1974) решающее значение в межполушарном переносе обучения отводят передней комиссуре. Т.С. Наумова отводит мозолистому телу роль совершенствования межполушарных отношений, поскольку именно с ним связаны тормозные влияния на симметричные пункты коры, которые вначале облегчают образование рефлекса, а затем препятствуют участию одного из полушарий в его реализации. Правомерность такого представления подтверждают исследования В.Л. Бианки (1976), в которых показано расширение фокуса максимальной активности на световые стимулы в зрительной коре мозга при перерезке мозолистого тела. Следовательно, в норме межполушарные связи через мозолистое тело препятствуют иррадиации возбуждения по коре и повышают дифференцируемость корковой мозаики при условно-рефлекторной деятельности.

Участие мозолистого тела в переносе энграммы памяти из обученного полушария в необученное подтверждают данные об улучшении свойств вторичного следа, формируемого в симметричной обучаемой корковой зоне, под действием пирацетама, специфически облегчающего каллозальные ответы (Й. Буреш, О. Бурешова, 1960).

В наших экспериментах по электрофизиологическим и поведенческим коррелятам прослежены отношения симметричных систем коры мозга в исходном состоянии и их качественные перестройки в ходе выработки условных рефлексов.

Уже по показателями поведенческих условно-рефлекторных двигательных оборонительных реакций на сигнал стало ясно, что межполушарное взаимодействие в процессе формирования рефлекса характеризуется сменой функциональных состояний симметрии и асимметрии. Внешне это проявилось в определенной динамике двигательных реакций на сигнал, что позволило нам выделить 5 этапов взаимодействия полушарий головного мозга при выработке оборонительного условного рефлекса.

На первом этапе сигнал еще не вызывает условной двигательной реакции, двигательный ответ развивается только на подкрепление. На втором этапе на стороне подкрепления появляются локальные двигательные реакции на сигнал. Видимо, на этом этапе в организации условного рефлекса доминирующую роль играет то полушарие мозга, в которое преимущественно адресовалось подкрепляющее раздражение. На этом этапе генерализация условного рефлекса еще не охватывала симметричные пункты второго полушария. На 3-м и 4-м этапах двигательные реакции на сигнал были двусторонними, но на 3-м этапе они были синергичными, а на 4-м - реципрокными. Различия в характере эффекторных реакций на 3-м и 4-м этапах, видимо, обусловлены тем, что на 3-м этапе выработки рефлекса возбуждение одновременно охватывает моторные центры полушарий, обеспечивающие флексорную реакцию. Это приводит к торможению, на основе индукционных отношений, центров, обеспечивающих экстензию конечности. На 4-м этапе, вследствие усиливающегося тормозного влияния со стороны доминирующего полушария, флексорный центр в субдоминантном полушарии тормозится, а это приводит к временному возбуждению экстензорного центра, что и проявляется реципрокностью двигательных реакций на сигнал.

На пятом этапе выработки рефлекса сигнал вызывал локальные условные реакции только на стороне подкрепления. Следовательно, на этом этапе генерализация сменялась концентрацией нервных процессов в полушарии, организующем условно-рефлекторный ответ. Такая динамика наблюдалась при выработке оборонительного условного рефлекса с применением в качестве подкрепления электрокожного раздражения лапы или уха животного.

Выявленная в поведенческих опытах динамика межполушарных отношений при формировании условно-рефлекторных двигательных реакций ставят вопрос о существовании различий полушарной активности априорно, т.е. в фоновом и вызванном режимах.

У большинства животных в субдоминантном полушарии было больше нейронов с пачечной и групповой формами активности, а в доминантном с тонической. Средняя частота импульсных разрядов была больше у нейронов, зарегистрированных в коре доминирующего полушария. Кроме того, нейронная активность доминирующего полушария имела большую вариабельность и меньшую скоррелированность импульсных потоков соседних нейронов.

Выявленные отличия в наших исследованиях по фоновой активности доминирующего и субдоминантного полушарий подтвердились исследованиями с применением световой и электрокожной стимуляций.

Межполушарные отличия однотипных зон коры отмечены и при анализе фокальной активности. Световое раздражение вызывало в 17-м поле доминирующего полушария достоверно более коротколатентные (сравнительно с субдоминантным) фокальные ответы. В 18-м поле, наоборот, коротколатентные ответы были в субдоминантном полушарии. Неадекватные стимулы, хотя и вызывали изменения фокальной активности коры, но они были однотипны в обоих полушариях.

В 17-м поле зрительной и соматосенсорной коры доминантного полушария реагирующих нейронов было больше (за счет возбуждающихся), латентные периоды их реакций были короче, вариабельность средней частоты потоков импульсов ниже, чем в субдоминантном. В 18-м поле зрительной коры превосходящее число реагирующих нейронов отмечено в субдоминантном полушарии. В нем же была несколько большая средняя частота разрядов нейронов, короче ЛП реакций, однако, вариабельность средней частоты была выше в доминантном полушарии.

В 17-м и 18-м полях зрительной коры количество полисенсорных нейронов превалировало в доминантном полушарии.

При неадекватной стимуляции нейрональная активность симметричных пунктов коры, как правило, мало отличалась. В этом, видимо, проявляется эволюционное развитие анализаторных областей коры, заключающееся в разделении ее на зоны с преобладанием элементов, настроенных реагировать на специфические раздражители (моносенсорных нейронов), и зоны с преобладанием элементов ассоциативного типа (полисенсорных нейронов). Одновременно с этим происходит дифференциация функций между полушариями.

Нашими опытами установлено, что функциональное доминирование возникает лишь в случае, если применяется раздражение, адекватное по своей сенсорности для коркового конца данного анализатора. Так, применение светового раздражения сопровождалось межполушарной асимметрией зрительных зон коры, а при применении электрокожного раздражителя отмечалось состояние симметрии.

В динамике образования оборонительного условного рефлекса, что прослеживалось по изменениям суммарной, фокальной и импульсной активности межполушарные различия этих показателей были существенно иными, чем при действии индифферентных стимулов. Это проявилось в том, что в динамике образования условного рефлекса корковые процессы имеют специфические особенности на разных этапах его формирования.

Как уже отмечалось выше, на основании анализа опытов с выработкой оборонительного и пищевого рефлексов нами было выделено пять этапов становления условного рефлекса. Эти этапы определялись не по характеру электрической активности, а по динамике условной двигательной реакции. Однако, упрочение условного рефлекса имело на этих этапах и специфические особенности, отражаемые в активности корковых процессов.

На первом этапе, когда двигательная реакция возникала только на безусловный стимул, отличий в суммарной биоэлектрической активности верхних и нижних слоев симметричных зон коры не было (рис.18, 1 этап обучения).

На втором этапе появилась реакция усвоения ритма условной стимуляции в верхних слоях полушария, контралатерального по отношению к подкрепляющему стимулу (рис.18 11 этап обучения).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 18 Динамика электрокортикограммы верхних и нижних слоев симметричных пунктов зрительной коры мозга кошки на разных этапах выработки условного рефлекса. Внизу: отметка условного и безусловного раздражителей

На третьем этапе условная реакция усвоения ритма стимуляции охватывала все слои контралатерального и верхние слои ипсилатерального по отношению к подкреплению полушария (рис.18 111 этап обучения).

На четвертом этапе условная реакция усвоения ритма стимуляции охватывала все слои симметричных зон обоих полушарий (рис.18 IV этап обучения). На этом этапе происходило замыкание рефлекса и появлялись условные двигательные реакции.

На пятом этапе при упроченном рефлексе условная реакция усвоения ритма стимуляции локализовалась в нижних слоях полушария, контралатерального по отношению к подкрепляющему стимулу Рис.18 . V этап обучения).

Таким образом, анализ суммарной активности показал, что усвоение ритма в динамике выработки рефлекса вначале наиболее выражено в верхних слоях коры контралатерального относительно стороны подкрепления полушария, а затем в нижних слоях контралатерального относительно стороны подкрепления полушария, верхних слоях контралатерального, и, наконец, нижних слоях контралатерального полушария.

При упроченном рефлексе наибольшие изменения ЭкоГ-активности сохраняются в глубоких слоях коры контралатерального полушария.

Такая динамика имела место в разные периоды: в предсигнальный, сигнальный, подкрепления и последействия. Однако, время появления таких изменений от начала выработки рефлекса для всех периодов не было одинаковым.

Раньше всего они возникали в последействии, затем в периоды подкрепления и действия сигнала и, наконец, в предсигнальный.

Следовательно, начальные изменения активности происходят на следах предшествующих сочетаний и это характерно для обоих полушарий

Исследования, проведенные с применением регистрации фокального потенциала, принципиально подтвердили динамику развития межполушарного взаимодействия, выявленную по ЭкоГ-показателям, но при этом определились некоторые особенности динамики возбудительных и тормозных процессов.

В качестве критерия выработки рефлекса нами было использовано появление в фокальном ответе позднего позитивного колебания (Рис.19).

Рис. 19 Фокальные вызванные потенциалы симметричных пунктов поля 18 зрительной коры. И -- ипси-, К -- контралатеральное полушарие относительно стороны подкрепляющего раздражения. Отметка времени -- 50 мс

Рис. 20 Фокальные ответы симметричных пунктов поля 18 зрительной коры. Римские цифры -- этапы выработки условного рефлекса. Стрелки -- момент предъявления вспышки света. Верхние осциллограммы в каждой паре -- запись из коры контралатерального полушария, нижние -- ипсилатерального. Отметка времени -- 50 мс

На первом этапе выработки рефлекса в фокальных ответах поздний позитивный потенциал на вспышки света, используемые как сигнал, не встречался. Первичные негативные колебания в разных полушариях имели однотипные величины латентных периодов и длительностей. По мере упрочения рефлекса появлялись различия в характере ответов, регистрируемых в разных полушариях: в ипсилатеральном - длительность первичных негативных колебаний, латентные периоды и их вариабельность становились больше (рис.20).

Поздний позитивный потенциал, появление которого свидетельствует об усилении тормозных процессов, на первых этапах выработки рефлекса был мало отличим в обоих полушариях, но количественно в ответах на повторяющиеся вспышки света он преобладал в полушарии, контралатеральном относительно подкрепления. Следовательно, тормозные явления в последнем были более интенсивны.

Начиная с третьего этапа, межполушарные различия проявлялись по характеру поздних позитивных колебаний. В ипсилатеральном полушарии ЛП и длительность позитивных волн были больше, чем в контралатеральном. Следовательно, лабильность нервных процессов в последнем была выше.

Повторение сочетаний на четвертом и пятом этапах приводило к резкому урежению появления поздних позитивных колебаний в фокальных ответах, регистрируемых из ипсилатерального полушария. Скорость появления этих колебаний в контралатеральном полушарии и урежение их в ипсилатеральном были выше, если латеральность подкрепления совпадала с доминирующей по лапе стороной, и наоборот.

В динамике выработки рефлекса изменялся рисунок позднего позитивного колебания: передний фронт его удлинялся, задний - укорачивался. Эти изменения в основном отмечались в полушарии, контралатеральном относительно подкрепления.

Таким образом, в динамике выработки условного рефлекса поздний позитивный потенциал вначале появляется в контралатеральном полушарии, затем в ипсилатеральном, что в итоге приводит к однотипности характера активности обоих полушарий, а на пятом этапе он вызывается только в контралатеральном. На пятом этапе число сигнальных вспышек, сопровождающихся поздними позитивными колебаниями, уменьшается. Так как эти колебания свидетельствуют об усилении тормозных процессов, то, следовательно, по мере выработки рефлекса торможение вначале растет в контралатеральном, а затем ипсилатеральном полушариях; при упроченном же рефлексе оно более выражено в контралатеральном.

Анализ нейронной активности, регистрируемой в симметричных пунктах зрительной и соматосенсорной коры, показал, что условно-рефлекторное обучение сопровождается определенным изменением последовательности разрядов отдельных нейронов. Эти изменения в разных полушариях были выражены неоднозначно.

Хорошо известно, что в динамике выработки условного рефлекса уменьшается или полностью исчезает условная активность нейронов сигнальной зоны коры Шульговский, Котляр, 1968. Однако, исчезновение реакции нейронов в форме изменения частоты разрядов (признак, на который опирается большинство авторов) не может служить доказательством прекращения участия нейронов в условно-рефлекторном процессе.

В работах Doty 1974, Э.Г. Заркешева 1980, 1982 указывается, что в любой структуре мозга имеются обучающиеся клетки, реализующие замыкание данного вида временной связи. В нашем исследовании нейроны, усиливающие реакцию на сигнал в начале угашения рефлекса были отнесены к «обучающимся», а не изменявшие - к «необучающимся». У «обучающихся» нейронов в динамике выработки условного рефлекса независимо от зоны регистрации вариабельность частоты разрядов уменьшалась в фоне при зарегистрированных одновременно по одному каналу. «Обучающиеся» нейроны реагировали на сигнальные стимулы с более длинными латентными периодами. В структуре их импульсного потока (в динамике выработки условного рефлекса), как правило, формировалась тормозная пауза, которая по времени строго соответствовала позитивному колебанию фокального ответа, регистрируемого тем же электродом, что и импульсный разряд. При предъявлении сочетаний и в последействии. Параллельно этому увеличивалась корреляция потоков импульсных разрядов нейронов, если для «необучающихся» нейронов было характерно изменение степени активности - вначале усиление с последующим снижением ее до исходного уровня, то у большинства «обучающихся» на первых этапах выработки рефлекса частота разрядов в ответах на сигнал также увеличивалась, а затем их разряды приобретали особый порядок следования импульсов Рис.20.

Рис .21 Импульсная активность пары нейронов симметричных пунктов зрительной коры. Верхние нейронограммы -- из ипсилатерального, нижние -- из контралатерального относительно стороны подкрепления полушария. Цифры слева -- номера сочетаний. Стрелка -- момент предъявления сигнальной вспышки света. Отметка времени -- 50 мс

Как уже отмечалось, исследования нейрональных механизмов обучения по электрическим проявлениям показали, что по мере становления и упрочения рефлекса реакции фоновой ритмики, а также вызванные потенциалы и импульсная активность, сопровождающие условно-рефлекторную реакцию, ярко выраженные вначале, на более поздних стадиях ослабевают или не выявляются вовсе Н.Н. Василевский, 1968. Это может быть связано как с реализацией выработанного условного рефлекса лишь небольшим числом клеточных элементов, так и обеспечением условно-рефлекторных реакций скорее перестройками узора импульсного потока, чем существенными изменениями его интенсивности.

Исследования в опытах с оборонительным условным рефлексом, динамики его становления, позволили нам предположить, что значительная часть нейронов для организации условной реакции вначале использует частотный код, который по мере упрочения условного рефлекса не выявляется. Однако, анализ узора потока межимпульсных интервалов позволил заметить стабильное увеличение частоты встречаемости некоторых из них - определенных для данного нейрона.

...