Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.03.01, кандидат биологических наук Сердюк, Татьяна Сергеевна

• Сердюк, Татьяна Сергеевна
• кандидат биологических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Сердюк, Татьяна Сергеевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Неспецифические модулирующие системы.

1.1.1. Общие принципы организации неспецифических модулирующих систем.

1.1.2. Источники холинергических влияний в мозге.

1.2. Холинергические рецепторы.

1.2.1. Центральные никотиновые рецепторы.

1.2.2. Центральные мускариновые рецепторы.!.

1.3. Роль холинергических влияний в процессах возбудимости и пластичности.

1.3.1. Ацетилхолин и процессы возбудимости коры.

1.3.2. Ацетилхолин в регуляции процессов пластичности.

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ.

2.1.Объект исследования.

2.2.Методика проведения исследований.

2.2.1 Операционная подготовка животных к экспериментам (трепанация черепа, погружение микроэлектродов).

2.2.2 Электрофизиологические методы отведения биоэлектрической фокальной фоновой и вызванной активности.

2.2.3 Методика микроаппликации активных веществ к колонкам соматической коры.

2.3. Оборудование.

2.3.1. Программно-аппаратный комплекс для записи фоновой и вызванной активности.

2.3.2 Оборудование для микроаппликации активных веществ.

2.4 Методы анализа экспериментальных данных.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

3.1. Изменение возбудимости корковых колонок при общем изменении функционального состояния организма.

3.1.1.Длительные тонические изменения возбудимости.

3.1.2. Фазические изменения возбудимости.

3.1.3.Особенности процессов кратковременной пластичности.

3.1.4. Длительная пластичность при изменении общего уровня тонуса ретикулярной формации.

3.2. Изменение возбудимости после микроаппликации агонистов и антагонистов ацетилхолина.

3.2.1. Изменение фонового ритмогенеза после микроаппликации карбахола и атропина.

3.2.2. Изменение фонового ритмогенеза после микроаппликации прозерина и атропина.

3.2.3. Изменение ритмогенеза после микроаппликации прозерина и с1тубокурарина.

Глава 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

ВЫВОДЫ.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы»

Актуальность исследования. Изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности корковых колонок нейронов является одной из наиболее актуальных проблем современной нейрофизиологии, поскольку эти механизмы участвуют в регуляции воспринимающей, передаточной и распределительной функции коры головного мозга в процессах обработки информации и формировании того или иного функционального состояния мозга. Одной из характеристик нейронов является их способность к пластичности - изменению эффективности синаптической передачи. Синаптическая и нейронная пластичность рассматриваются в качестве основы, таких функций мозга как распознавание образов, обучение и хранение информации, (Kandel, 2001; Poirazi, Mel, 2001; Martin, Morris, 2002; Fusi, et al. 2005). При этом следует различать процессы эндогенной модуляции общего уровня возбудимости корковых колонок, связанного, прежде всего, с общим тонусом ретикулярной формации среднего мозга (РФСМ), с формированием определенного функционального состояния, и более локальные процессы постстимульного изменения возбудимости и пластичности отдельных колонок (Desai, Rutherford, Turrigiano, 1999), которые связаны с оценкой биологической значимости стимула и лежат в основе обучения и памяти (Janowitz, Rossum, 2006). Наибольший интерес с нашей точки зрения представляет исследование взаимодействия эндогенных и экзогенных, стимул-зависимых локальных процессов на уровне отдельных колонок, которые представляют собой основную структурно-функциональную единицу строения коры мозга млекопитающих.

Работы по изучению механизмов пластичности главным образом проводились на гиппокампе (Воронин, 1982; Клещевников, 1998; Voronin et al., 1995; Aihara et al., 2007; Nguyen, Woo, 2003; Papatheodoropoulos, 2010; Zhang et al., 2003), значительно меньше работ посвящено исследованию эффектов пластичности в соматосенсорной коре (Gil, Connors, Amitai, 1997;

Levy, Reyes, Aoki, 2008; Oldford, Castro-Alamancos, 2003; Сухов, Бездудная, Медведев, 2003), причем большинство из них проводились на переживающих срезах, в которых невозможно проследить эффекты неспецифических модулирующих влияний'подкорковых структур, например РФСМ, либо на наркотизированных животных. В тоже время известно, что механизмы функционирования структур головного мозга наркотизированных животных существенно отличаются от ненаркотизированных (Steriade, 2000, 2001). Поэтому экспериментальная модель исследования механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности на бодрствующем ненаркотизированном животном, выбранная,для выполнения нашей работы, является^ достаточно актуальной ^ обоснованной.

Важную роль в формировании процессов пластичности! играет и фоновая ритмическая активность мозга как один из параметров, организующих нормальную и патологическую мозговую деятельность (Гусельников, Супин, 1968; Виноградова, 1975; Бездудная, 2000; Steriade, 2006), поэтому актуальным вопросом является выяснение механизмов различных ритмов мозга и их функциональной роли в коре головного мозга. С начала электроэнцефалографических исследований головного мозга в 3040-х годах прошлого века велась дискуссия между сторонниками собственного внутрикоркового механизма ритмической активности коры, постулированного Бремером в 1935 году (Bremer, 1935), и его оппонентами, предлагающими в качестве ведущих генераторов ритмической активности коры другие структуры (Lewy, Gammon, 1940; Morison, Dempsey, 1942). Впоследствии многие исследователи отводили главную роль в корковом ритмогенезе подкорковым влияниям и таламокортикальному взаимодействию (Буриков, Сунцова, 1989; Моянова, 1977; Нарикашвили, 1975; Contreras et al., 1997). В то же время исследования роли фонового ритмогенеза в процессах восприятия и передачи сенсорной информации и в механизмах пластичности мозга сравнительно немногочисленны, а вопросы генерации нормальной и патологической ритмической активности в коре и по сей день остаются дискуссионными, в частности, широко обсуждается участие модулирующих систем в формировании эпилептиформной активности (ЭпиА) (Deisz, 1999; Gu, 2002; Potier, Psarropoulou, 2004; Shaw, 2004; Hanganu et al., 2009). Таким образом, становится очевидно, что, хотя существует ряд работ по исследованию возбудимости и пластичности корковых колонок, данные, представленные в них, порой противоречивы, в то время как изучение механизмов ритмогенеза и неспецифической модуляции возбудимости и пластичности может внести определенный вклад в понимание процессов регуляции и обработки информации, а также в формирование нормального и патологического состояний головного мозга, в частности, эпилептиформной активности.

Целью настоящей, работы являлось изучение механизмов неспецифической модуляции возбудимости и пластичности нейронных колонок соматической коры крысы. Задачи исследования

1. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при повышенном тонусе ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний в состоянии бодрствования животного.

2. Изучить характер модуляции возбудимости и кратковременной пластичности корковых колонок при снижении тонуса ретикулярной формации и общей активации ретикуло-корковых влияний после введения нембутала.

3. Определить механизмы частотно-фазовых влияний фоновой ритмической активности на возбудимость и пластичность корковых колонок в состоянии бодрствования животного.

4. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации агонистов ацетилхолина.

5. Выяснить роль холинергических влияний в модуляции возбудимости корковых колонок при локальной аппликации антагонистов ацетилхолина.

Научная новизна результатов исследования.

1. Разработан новый методический подход к исследованию нейрохимических механизмов развития фокальной активности с возможностью подведения физиологически активных веществ к идентифицированным колонкам соматической коры и одновременного мультиэлектродного отведения биоэлектрической активности от соматической коры и подкорковых структур.

2. Получены оригинальные данные о том, что неспецифическая модуляция эффектов кратковременной пластичности нейронных колонок соматической коры крысы зависит от характера фонового ритмогенеза и имеет фазозависимый характер.

3. Впервые показано, что снижение общего уровня активации коры» под действием нембутала приводит к замещению процесса парной фасилитации процессом парной депрессии в нейронных колонках соматической коры, что может быть обусловлено изменением характера постстимульного торможения с перераспределением соотношения быстрого (ТПСПа) и медленного (ТПСПб) коркового торможения.

4. В опытах с локальной микроаппликацией растворов агонистов и антагонистов ацетилхолина к корковым колонкам получены новые данные, свидетельствующие о возможности локального изменения характера ритмогенеза, возбудимости и пластичности корковых колонок.

5. Получены оригинальные данные, которые свидетельствуют о том, что холинергические влияния играют существенную роль в механизмах формирования эпилептиформной активности в нейронных колонках при активации Н- или М-холинорецепторов.

Научно-теоретическое и практическое значение работы. 1. Выявленные особенности неспецифической модуляции возбудимости и пластичности в соматической коре могут способствовать более глубокому пониманию процессов, лежащих в основе обучения, использоваться при планировании экспериментов, целью которых является дальнейшее изучение механизмов синаптической передачи.

2. Разработанный в. ходе исследования метод локального подведения активных веществ с помощью микроэлектрода может использоваться для доклинического испытания фармакологических препаратов и других физиологически активных веществ.

3. Полученные результаты могут быть использованы на кафедрах физиологии, биофизики, медицинской физики и ветеринарии при чтении спецкурсов студентам и магистрам ВУЗов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется, в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в- коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Возникающая в состоянии бодрствования животного фоновая веретенообразная активность оказывает зависимое от фазы волны влияние на процессы формирования кратковременной постстимульной пластичности. В подавляющем большинстве случаев при попадании первого стимула из серии на восходящую фазу фоновой волны наблюдается подавление ответа на второй стимул (парная депрессия), а при попадании первого стимула на нисходящую фазу фоновой волны - увеличение амплитуды ответа на второй стимул (парная фасилитация).

3. Снижение тонуса коры при ослаблении неспецифических активирующих влияний со стороны РФСМ приводит к модификации процессов кратковременной постстимульной пластичности, что проявляется в замещении процесса парной фасилитации вызванных потенциалов на процесс парной депрессии, когда первичный ответ на второй стимул при парной стимуляции становится меньше, чем ответ на первый стимул.

4. Переход парной фасилитации в парную депрессию обусловлен не столько усилением постстимульного торможения, сколько его качественным изменением, в частности, наблюдается сокращение длительности тормозной паузы и медленного отрицательного потенциала, что может быть связано с ослаблением медленного торможения (ТПСПб) при сохранении быстрого торможения (ТПСПа).

5. Холинергическая система играет существенную роль в механизмах генерации и иррадиации эпилептиформной активности в нейронных колонках соматической коры взрослых крыс, поскольку локальная внутрикорковая аппликация агонистов ацетилхолина вызывает значительное усиление локального ритмогенеза с последующей иррадиацией эпиразрядов на подкорковые структуры и контралатеральное полушарие.

Апробация работы. Материалы диссертации' были' представлены на Всероссийской научной конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической пластичности» (Москва, 2004, 2008), на XIX Съезд физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург, 2004), на международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005, 2009); на международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007); на X Пущинской школе-конференции молодых учёных «Биология - наука XXI века», посвященной 50-летию Пущинского научного центра РАН (Пущино, 2006); на 18м Конгрессе Европейского сомнологического общества (1пп8Ьгиск, 2006), на юбилейном XX Съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007), на II Всероссийской научно-практической конференции «Функциональное состояние и здоровье человека» (Ростов-на-Дону, 2008), на 5-ой Российской школе-конференции «Сон — окно в мир бодрствования» (Ростов-на-Дону, 2009), на Юбилейной конференции «125 лет Московскому психологическому обществу» (Москва, 2010), на заседаниях Ученого Совета НИИ НК ЮФУ и Ростовского-на-Дону отделения физиологического общества им. И.П.Павлова (2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ общим объемом 1,62 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, личный вклад автора 84%

Заключение диссертации по теме «Физиология», Сердюк, Татьяна Сергеевна

ВЫВОДЫ.

1. В экспериментах по регистрации вызванной активности корковых колонок показано, что значительную роль в регуляции как фоновой, так и вызванной активности коры играют ретикуло-корковые модулирующие влияния. Снижение тонуса РФСМ и ее ретикуло-корковых активирующих влияний проявляется в появлении и усилении фоновой веретенообразной активности в коре, а снижение возбудимости нейронных колонок ведет к росту порогов вызванных потенциалов.

2. Фазозависимый характер взаимодействия фоновой веретенообразной активности и фокальных вызванных потенциалов свидетельствует об участии фонового ритмогенеза, проявляющегося, в частности, в циклическом изменении уровня возбудимости корковых колонок, в процессах формирования кратковременной пластичности корковых колонок.

3. Снижение уровня неспецифических модулирующих влияний под действием нембутала сопровождается двумя одновременными, но независимыми процессами: а) появлением или усилением вторичных ритмичных фокальных потенциалов, связанных с циклическими колебаниями возбудимости корковых нейронов; б) реверсией процессов краткосрочной постстимульной пластичности нейронных колонок соматической коры, что проявляется в переходе процесса парной фасилитации ответов в парную депрессию.

4. Переход процесса парной фасилитации в парную депрессию обусловлен изменением характера поствозбудительного торможения, что проявляется в сокращении длительности первой тормозной паузы со 150-200 мс до 100 мс. Последнее может быть связано с подавлением медленного коркового торможения, обусловленного ТПСПб, при сохранении быстрого торможения ТПСПа.

5. Локальная микроаппликация агонистов АХ к нейронным колонкам вызывает усиление ритмогенеза фокальной активности корковых колонок соматической коры взрослых крыс в виде эпилептиформной активности за счет возникновения первоначального пароксизмального деполяризационного сдвига, связанного, возможно, с блокадой калиевых токов. Данный эффект подавляется микроаппликацией антагонистов . АХ, однако является обратимым. Результаты экспериментов по локальной микроаппликации агонистов и антагонистов АХ свидетельствуют о существенном вкладе холинергических механизмов в формирование не только нормального, но и патологического ритмогенеза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат биологических наук Сердюк, Татьяна Сергеевна, 2010 год

1. Сердюк Т.С. О роли ретикулярной формации в процессах посттетанической пластичности вызванных потенциалов в колонках соматической коры крысы. Приложение к журналу «Научная мысль Кавказа». 2006. №13, с. 346-351 (личный вклад 100%).

2. Сухов А.Г., Сердюк Т.С., Коняхина Л.А. Внутрикорковый механизм генерации веретенообразной активности в колонках соматической коры крысы. Вестник ЮНЦ. 2007, №3 Т.2, С. 86-94. (личный вклад 30%).

3. Сердюк Т.С., Сухов А.Г. О роли холинергических влияний в регуляции локального ритмогенеза в колонках соматической коры головного мозга. Валеология, 2008, №3, с.62-68. (личный вклад 50%)

4. Список работ, опубликованных по теме диссертации

5. Сердюк Т.С. О роли ретикуло-корковых влияний в формировании фоновой и вызванной активности соматической коры крысы. Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. Том X. Ростов н/Д: Изд-во Рост, ун-та, 2004. -с.83-85.

6. Сердюк Т.С. О роли афферентного и возвратного торможения в процессах постстимульной пластичности. Материалы Всероссийской конференции института мозга РАМН «Механизмы синаптической передачи». Москва. Изд-во «Икар». 2004 с. 86.

7. Yasenkov R., Lysenko L.V., Serdjuk T.S., Medvedev D.S. and Sukhov A.G. The probable mechanisms of autonomous spindle oscillations in the thalamus and neocortex on the ratII Journal of Sleep Research. 2006. V. 15. -Suppd. - p.100:

8. Сердюк Т.С. Фазозависимое влияние фонового ритмогенеза на-развитие процессов постстимульной пластичности. Материалы, Международного молодежного научного форума, "Ломоносов-2007". Москва. СП. «Мысль». Т.1. с. 154. 2007

9. Сердюк Т.С. Роль активирующих ретикуло-корковых влияний в развитии и поддержании длительных изменений возбудимости в колонках соматической коры крысы. Тезисы юбилейного XX Съезда Физиологического общества им. И.П. Павлова. 2007, с.414.

10. Сердюк Т.С. Об участии холинергических рецепторов в формировании локального ритмогенеза корковых колонок соматической коры мозга крысы. Материалы XV Международной конференции по нейрокибернетике. Ростов-на-Дону, 2009, Т.1, с. 135-138

11. Сердюк Т.С. О вкладе холинергических влияний в формирование функционального состояния корковых колонок соматической коры крысы// Сборник трудов 2-ой Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации». Волгоград. 2010. С.171-173.