CC BY
103
УДК: 612.84:612.85:612.87:612.82:612.014.423-092.9
МУЛЬТИСЕНСОРНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ПЕРВИЧНЫХ КОРКОВЫХ ПРЕДСТАВИТЕЛЬСТВАХ СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ ГОЛОВНОГО МОЗГА
К.С. ПУГАЧЕВ, А.А. КРЕБС, И.В. ФИЛИППОВ
Ярославская государственная медицинская академия, г. Ярославль [email protected]
Выявлены и проанализированы перестройки динамики сверхмедленных колебаний потенциалов в первичной зрительной коре, первичной слуховой коре и во вкусовой коре головного мозга при действии сенсорных стимулов различных типов разных модальностей у крыс в условиях хронического эксперимента. Установлено участие секундных (0,1-0,5 Гц) и многосекундных (0,0167-
0,1 Гц) волн в мультисенсорных процессах переработки зрительной, слуховой и вкусовой информации на уровне первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры. Секундные волны отражают динамическую настройку рецептивных полей полимодальных нейронов, а многосекундные волны связаны с уровнем полимодального сенсорного внимания.
Ключевые слова: нейрофизиология, первичная зрительная кора, слуховая, вкусовая кора, сверхмедленные колебания потенциалов головного мозга
K.S. PUGACHEV, A.A. KREBS, I.V. FILIPPOV. MULTISENSORY INFORMATION PROCESSING IN PRIMARY SENSORY CORTICAL AREAS OF BRAIN SENSORY SYSTEMS
The aim was to identify and analyze dynamical changes of infraslow fluctuations of brain potentials in primary visual, auditory, and gustatory cortices in rats during application of sensory stimuli of various types and modalities in chronic experiments. Participation of seconds (0.1-0.5 Hz) and multisecond waves in multisensory neural processing of visual, acoustic and taste information in the primary visual, auditory, and gustatory cortices is established. Seconds waves reflect neural receptive field dynamic reset, whereas multisecond waves are associated with the level of poly-modal sensory attention.
Key words: neurophysiology, primary visual, auditory, gustatory cortex, infraslow brain potentials
Одним из актуальных направлений современной нейрофизиологии является изучение ассоциативных процессов в различных отделах коры головного мозга. В частности, значительный интерес представляют исследования, направленные на выяснение роли различных видов биоэлектрической активности в мультисенсорных процессах анализа и переработки афферентной сенсорной информации на уровне высших корковых представительств зрительной, слуховой и вкусовой сенсорных систем. Анализ существующей литературы показал, что подобная проблематика остается недостаточно исследованной, а единичные публикации основаны исключительно на анализе быстрых форм биоэлектрической активности головного мозга с частотами от десятков до сотен Гц [1]. В то время как процессы мультисенсорной переработки информации с участием динамических перестроек сверхмедленных колебаний потенциалов (СМКП) с периодом более 2 с (с частотами менее 0,5 Гц) остаются неизвестными. В настоящий момент СМКП
классифицируются на различные диапазоны - секундные (период от 2 до 10 с), многосекундные (от 10 до 60 с) и минутные (более 1 мин) волны. Ранее нами было выявлено [2-4] не только присутствие, но и участие секундного и многосекундного диапазонов СМКП в переработке информации различных модальностей в соответствующих высших первичных корковых представительствах сенсорных систем.
Вместе с тем, в последнее время все большее количество публикаций указывает на присутствие в первичных корковых областях не только мо-номодальных, но и полимодальных нейронов, участвующих в ассоциативных процессах [5]. Основываясь на этих данных, существовавшая вплоть до недавнего времени точка зрения о том, что первичные сенсорные отделы коры специализируются на мономодальной переработке стимулов и вовлечены в переработку исключительно стимулов определенной модальности, рассматривается некоторыми исследователями как малосостоятельная, являясь,
по мнению ряда авторов [6], не более чем одним из догматов нейрофизиологии. Исходя из вышесказанного, нами выдвинуто предположение об участии СМКП в мультисенсорных процессах анализа и переработки информации зрительной, слуховой и вкусовой модальностей на уровне первичной зрительной коры (ПЗК), первичной слуховой коры (ПСК) и вкусовой коры (ВК). Учитывая неизученность данной проблематики и ее высокую актуальность, а также для проверки указанного предположения и было проведено настоящее исследование.
Цель работы - выявить и проанализировать перестройки динамики СМКП в первичной зрительной коре, первичной слуховой коре и во вкусовой коре головного мозга при действии сенсорных стимулов различных типов разных модальностей у крыс в условиях хронического эксперимента. В соответствии с целью были поставлены следующие основные задачи:
1. Выявить и провести сравнительный анализ перестроек динамики СМКП первичной зрительной коры головного мозга при действии различных зрительных, слуховых и вкусовых стимулов;
2. Установить, проанализировать и сопоставить перестройки СМКП первичной слуховой коры головного мозга при действии различных слуховых, зрительных и вкусовых стимулов;
3. Выявить, сравнить и провести анализ изменений СМКП вкусовой коры головного мозга при действии различных вкусовых, зрительных и слуховых стимулов.
Материал и методы
Работа проведена на 30 самцах взрослых нелинейных крыс альбиносов с массой тела 230280 г (п=720 повторных экспериментальных наблюдений). Все опыты выполнены согласно основным положениям Европейской конвенции о гуманном обращении с животными при проведении биомедицинских исследований (директива совета Европейского Союза от 24.11.1986 г., 86/609/ЕЕС). Первоначально, руководствуясь атласом головного мозга крыс [7], осуществляли стереотаксическую имплантацию золотых долгосрочных интрацеребральных электродов (золото 98%, площадь активной поверхности 0,2 мм2) в ПЗК, ПСК и ВК. Использование золотых электродов объясняется современными представлениями о том, что металлические электроды адекватны для изучения очень медленных форм биоэлектрической активности центральной нервной системы (ЦНС) в хроническом эксперименте [8]. Однако для исключения артефактов до имплантации каждая электродная пара была предварительно протестирована в физиологическом растворе, а для имплантации выбирали лишь те пары электродов, которые имели стабильный межэлектродный потенциал. После операции крысы помещались на 14 суток в стандартные условия вивария с целью завершения репаративных процессов в ЦНС.
Затем по истечении 14 суток с момента имплантации производилась многократная монопо-лярная регистрация СМКП в ПЗК, ПСК и ВК при
последовательном предъявлении сенсорных стимулов различных модальностей (зрительных, слуховых и вкусовых) и разных типов (темноты и фотостимуляции; тишины и фоностимуляции; дистиллированной воды, растворов глюкозы и папаверина гидрохлорида). Животные во время проведения исследований находились под легким уретановым наркозом (0,2-0,3 г/кг). Применение уретана объясняется тем, что он практически не влияет на нативную динамику СМКП головного мозга [9]. Экспериментальные животные при регистрации СМКП помещались в индивидуальный свето- и звукоизолированный контейнер. Для усиления, записи и анализа СМКП использовался компьютерный электро-физиологический комплекс, включавший многоканальный усилитель биопотенциалов (модель УУ-93, ЭПМ НИИЭМ РАМН), аналого-цифровой преобразователь (модель Е-154, Л-Кард) и персональный компьютер с набором программного обеспечения, управлявший работой фото- и фоностимуляторов.
Исследования проводились в трех различных условиях наблюдения: СМКП параллельно регистрировались в ПЗК, ПСК и ВК при последовательных предъявлениях зрительных, слуховых и вкусовых стимулов со следующими характеристиками: 1) зрительные - темнота и ритмическая фотостимуляция (стробоскопические вспышки с интенсивностью 02500 лк, частотой 4 Гц, длительностью вспышки менее 50 мкс); 2) слуховые - тишина и ритмическая фоностимуляция («щелчки», уровень интенсивности звука 80 дБ, частота основного звукового тона 2000 Гц, частота предъявления 8 Гц); 3) вкусовые -растворы, обладавшие различными вкусовыми свойствами: нейтральный вкусовой раздражитель (дистиллированная вода); раствор, имевший горький вкус - 2%-ный водный раствор папаверина гидрохлорида; раствор, имевший сладкий вкус - 10%-ный водный раствор глюкозы. Используемые растворы имели одинаковую температуру 25-27°С, жидкую консистенцию и поступали в ротовую полость испытуемых животных с постоянной скоростью и концентрацией при помощи специальной канюли и модифицированной капельной системы подачи.
Изучение динамики СМКП включало амплитудно-временной анализ различных диапазонов СМКП, основанный на применении алгоритма быстрого прямого преобразования Фурье полученных записей. Статистическую значимость отличий оценивали с использованием однофакторного дисперсионного анализа. Отличия с р<0,05 рассматривались как статистически значимые.
После завершения экспериментов осуществлялся забой крыс и производилась морфологическая верификация расположения электродов в исследуемых структурах головного мозга.
Результаты и обсуждение
Получены следующие ключевые данные.
Во-первых, в условиях темноты в ПЗК наблюдались регулярные квазипериодические секундные СМКП (с частотами 0,1-0,5 Гц). При ритмической фотостимуляции (рис. 1) происходило ста-
Рис. 1. Секундные сверхмедленные колебания потенциалов в первичной зрительной коре при действии различных сенсорных стимулов. Здесь и далее на рисунках приведены суммарные площади спектрограмм, соответствующих диапазонов в указанных условиях наблюдения (средние значения и доверительный интервал).
тистически значимое (р<0,05) снижение спектральной мощности секундных волн по сравнению с их динамикой в условиях темноты. Важно подчеркнуть, что на динамику секундных волн в ПЗК влияли не только зрительные стимулы, но и другие сенсорные раздражители иной сенсорной модальности: например, предъявление ритмической фоностимуляции приводило к статистически значимому (р<0,05) увеличению спектральной мощности секундных СМКП в ПЗК по сравнению с их динамикой в условиях тишины (рис. 1). При действии вкусовых стимулов (раствора папаверина гидрохлорида или раствора глюкозы) в ПЗК также наблюдались статистически значимые (р<0,05) перестройки секундных СМКП (рис. 1). Сходная, но не аналогичная тенденция наблюдалась в ПЗК и в многосекундном диапазоне (рис. 2).
Рис. 2. Многосекундные сверхмедленные колебания потенциалов в первичной зрительной коре при действии различных сенсорных стимулов.
Фотостимуляция, фоностимуляция, а также орошение ротовой полости растворами глюкозы и папаверина гидрохлорида приводили к статистически значимому (р<0,05) уменьшению спектральной мощности в диапазоне от 0,02 до 0,05 Гц в группах сравнения (парах) темнота - фотостимуляция, тишина - фоностимуляция, дистиллированная вода -раствор папаверина гидрохлорида и дистиллированная вода - раствор глюкозы. Также было обнаружено присутствие в ПЗК в различных условиях наблюдений нерегулярных минутных волн с частотами менее 0,005 Гц, динамика которых не претерпевала статистически значимых изменений при действии всех примененных сенсорных стимулов.
Во-вторых, установлено, что предъявление различных слуховых стимулов (тишина и фоностимуляция) приводило к статистически значимым изменениям динамики секундного диапазона СМКП в ПСК (рис. 3), а мощность секундных СМКП статистически значимо (р<0,05) увеличилась (по сравнению с условиями тишины). Выявлены изменения секундных СМКП в ПСК в темноте и при ритмической фотостимуляции (рис. 3), имевшие статистически значимый характер (р<0,05). Вкусовые сенсор-
0.8 т------------------------------------------
|0.5-,__________________1____- _________1
О
л0А
Рис. 3. Секундные сверхмедленные колебания потенциалов в первичной слуховой коре при действии различных сенсорных стимулов.
ные стимулы также приводили к статистически значимым перестройкам СМКП секундного диапазона в ПСК. Например, при орошении ротовой полости крыс раствором глюкозы (рис. 3) спектральная мощность секундных колебаний ПСК уменьшалась (р<0,05) по сравнению с их динамикой в условиях действия дистиллированной воды. Сходная тенденция наблюдалась и при орошении полости рта дистиллированной водой по сравнению с применением раствора папаверина гидрохлорида (рис. 3). В диапазоне многосекундных СМКП при действии слуховых стимулов перестроек в ПСК не наблюдалось (рис. 4), в то время как предъявление зрительных и вкусовых стимулов значительно влияло на динамику этих СМКП. Например, ритмическая фотостимуляция приводила к увеличению (р<0,05)
Рис. 4. Многосекундные сверхмедленные колебания потенциалов в первичной слуховой коре при действии различных сенсорных стимулов.
спектральной мощности многосекундных СМКП (рис. 4). Сходные изменения спектральной мощности были выявлены в условиях действия раствора глюкозы по сравнению с характером этих волн при аппликации дистиллированной воды (р<0,05). При действии раствора папаверина гидрохлорида происходили обратные перестройки динамики многосекундных волн в ПСК: их спектральная мощность статистически значимо (р<0,05) уменьшалась (рис. 4). В ПСК в различных условиях наблюдений были также выявлены одиночные минутные волны с частотами менее 0,005 Гц, остававшиеся неизменными при действии всех использованных сенсорных стимулов.
В-третьих, обнаружено, что предъявление не только различных вкусовых раздражителей, но также зрительных и слуховых стимулов приводило в ВК к статистически значимым перестройкам динамики различных диапазонов СМКП. При орошении ротовой полости крыс раствором глюкозы наблюдались статистически значимые (р<0,05) перестройки динамики секундного диапазона СМКП в ВК (рис. 5) по сравнению аппликацией дистиллированной воды. При действии раствора глюкозы спектральная мощность секундных волн в ВК снижалась (р<0,05), сходная тенденция статистически значимого (р<0,05) снижения мощности наблюдалась в секундном диапазоне и при действии раствора папаверина гидрохлорида (рис. 5). Перестройки динамики секундных волн в ВК возникали не только при действии вкусовых стимулов, но и при предъявлении зрительных и слуховых стимулов. Ритмическая фотостимуляция приводила к статистически значимым (р<0,05) перестройкам динамики секундных волн в ВК (рис. 5) по сравнению с условиями тишины. Ритмическая фоностимуляция приводила к статистически значимому (р<0,05) увеличению спектральной мощности секундных СМКП в ВК по сравнению с их динамикой в этой структуре в условиях тишины (рис. 5). Сходная тенденция наблюдалась в ВК и в многосекундном диапазоне при действии различных сенсорных сти-
Рис. 5. Секундные сверхмедленные колебания потенциалов во вкусовой коре при действии различных сенсорных стимулов.
мулов. В случае действия вкусовых стимулов (раствор глюкозы и раствор папаверина гидрохлорида) перестройки были обнаружены в диапазоне многосекундных СМКП (0,0167-0,045 Гц) в ВК (рис. 6). При ритмической фотостимуляции происходило увеличение спектральной мощности (р<0,05) многосекундных СМКП в ВК (рис. 6). В условиях ритми-
Рис. 6. Многосекундные сверхмедленные колебания потенциалов во вкусовой коре при действии различных сенсорных стимулов.
ческой фоностимуляции также прослеживалось увеличение спектральной мощности (р<0,05) многосекундных волн в ВК. В различных условиях наблюдений в ВК были обнаружены и одиночные минутные волны с частотами менее 0,005 Гц, остававшиеся неизменными при действии различных типов сенсорных стимулов.
Для обсуждения можно выделить следующие наиболее важные результаты. Впервые установлена вовлеченность секундного и многосекундного диапазонов СМКП в мультисенсорную переработку не только зрительной, но и слуховой, и вкусовой информации на уровне ПЗК. Впервые выявлено участие секундных и многосекундных СМКП секундного в мультисенсор-ных процессах переработки не только слуховых, но и
зрительных, и вкусовых стимулов на уровне ПСК. Обнаружены корреляты участия секундных и многосекундных волн в мультисенсорной переработке как вкусовой, так и зрительной, и слуховой информации на уровне ВК.
В соответствии с полученными данными и их принципиальным сходством на уровне корковых отделов различных сенсорных систем можно предложить рабочую гипотезу о том, что секундный и многосекундный диапазоны СМКП принимают непосредственное участие в мультисенсорных процессах переработки сенсорной информации на уровне ПЗК, ПСК и ВК (или являются физиологическими эквивалентами подобных феноменов). В контексте данной гипотезы обоснованным представляется также предположение о том, что перестройки различных диапазонов СМКП отражают явления диф-ференцировки друг от друга не только стимулов различных модальностей - зрительных, слуховых, вкусовых, но и различных типов (или с различными свойствами) идентичной сенсорной модальности.
Развивая эту рабочую гипотезу, следует указать на функциональные различия тех диапазонов СМКП, которые принимают участие в подобных процессах. С одной стороны, это секундный диапазон, который может участвовать в подготовке корковых отделов различных сенсорных систем к более эффективной переработке афферентных стимулов за счет повышения уровня функциональной активности нейронных сетей. Это выражается в переходе от стационарного состояния системы к динамическому. В том числе роль секундного диапазона, вероятно, сопряжена и с кооперативными коммуникационными эффектами. Это проявляется в снижении энтропии взаимодействий рецептивных полей, в состав которых, помимо мономодальных нейронов, входят и полимодальные [10, 11]. Выдвинуты предположения и о связи секундных ритмов СМКП в первичных сенсорных корковых представительствах с процессами динамической настройки рецептивных полей мономодальных нейронов [2- 4], что позволяет говорить об экстраполяции этих результатов и на би- или полисенсор-ные нейроны указанных областей мозга. В этой связи правомерно предположение о том, что секундный диапазон СМКП на уровне первичных корковых представительств ЦНС принимает участие не только в мономодальных, но и в би- и мульти-сенсорных процессах переработки афферентной сенсорной информации. Амплитудно-частотные свойства данного диапазона СМКП отражают кооперативные взаимодействия би- и полимодальных нейронов неокортекса, а также степень согласованности динамических характеристик и взаимоотношений их рецептивных полей, что и объясняет роль и значение секундных СМКП в мультисенсор-ной переработке сигналов в ПЗК, ПСК и ВК.
С другой стороны, в мультисенсорных процессах переработки информации принимает участие многосекундный диапазон, выполняющий другую роль и не дублирующий перестройки секундных волн. Многосекундные СМКП, по-видимому, связа-
ны с поддержанием необходимого уровня возбудимости (активации) нейронов различных отделов сенсорных систем (в том числе и высших корковых представительств), а также с регуляцией уровня внимания при анализе и переработке сенсорных стимулов различных модальностей. Многосекундные волны СМКП также отражают модулирующие влияния стволовых ядер, нейромедиаторных центров [12] и структур лимбической системы [13] на первичные корковые представительства зрительной, слуховой и вкусовой сенсорных систем, а также процессы пластичности. В этой связи можно предположить связь динамики многосекундных волн СМКП в ПЗК, ПСК и ВК с характерными сти-мул-специфическими перестройками сенсорного внимания, моно-, би- и полисенсорного характера, что объясняет вовлеченность перестроек динамики многосекундных волн не только в мономодальные, но и в би- и мультисенсорные процессы переработки афферентной информации в ПЗК, ПСК и ВК.
Вместе с тем в ПЗК, ПСК и ВК при действии разных типов стимулов различной сенсорной модальности отсутствовали перестройки минутных волн, что объяснимо с позиций существующих представлений о связи минутных волн СМКП с процессами энергетического метаболизма (соотношением между уровнем дыхания и фосфорилирова-ния) в ткани головного мозга [14]. Правомерно предположить, что динамика минутных волн отражает преимущественно процессы энергетического метаболизма и не связана с переработкой информации в сенсорных системах ЦНС.
В заключение следует упомянуть о необходимости дальнейших исследований СМКП в связи с их возможной диагностической значимостью в клинической практике. Например, для оценки течения компенсаторных процессов на уровне высших корковых представительств сенсорных систем при нарушении или полной потере зрения, слуха или вкусового восприятия, что сопоставимо с мнением других авторов [15], рассматривающих необходимость расширения исследований частотных характеристик регистрируемой ЭЭГ. Поскольку отсутствие возможности регистрации при помощи стандартной методики ЭЭГ сверхмедленного диапазона частот головного мозга приводит к ситуации, когда физиологически значимые особенности активности головного мозга остаются без внимания [15].
Данная поисковая научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».
Литература
1. Гусельников В.И., Изнак А.Ф. Ритмическая активность в сенсорных системах. М.: Изд-во МГУ, 1983. 214 с.
2. Филиппов И.В., Кребс АА., Пугачев К.С. Сверхмедленная биоэлектрическая активность структур слуховой системы головного мозга // Сенсорные системы. 2006. Т. 20. №3. С. 238-244.
3. Филиппов И.В. Сверхмедленные колебания потенциалов латерального коленчатого тела и первичной зрительной коры как корреляты процессов переработки зрительной информации // Сенсорные системы. 2007. Т. 21. № 3. С. 165-173.
4. Филиппов И.В., Кребс АА., Пугачев К.С. Сверх-
медленные колебания потенциалов центральных представительств вкусовой системы головного мозга крыс при действии различных вкусовых стимулов // Сенсорные системы. 2008. Т. 22. №2. С. 162-174.
5. Wallace M.T., Ramachandran R, Stein B.E. A revised view of sensory cortical parcellation // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2004. Vol. 101. No. 7. P. 2167-2172.
6. Collignon O., Voss P., Lassonde M, et al. Cross-modal plasticity for the spatial processing of sounds in visually deprived subjects // Exp. Brain Res. 2009. Vol. 192. No. 3. P. 343-358.
7. Swanson L.W. Brain Maps: Structure of the Rat Brain // Second revised edition. Elsevier.: Amsterdam, 1998. 267 p.
8. Ikeda A., Nagamine T., Yarita M., et al. Reappraisal of the effect of electrode property on recording slow potentials // Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1998. Vol. 107. P. 59-63.
9. Ebenezer I.S. The generation of cortical slow
potentials in the rat anaesthetized with urethane and their modification by nicotine // Neuropharmacol. 1986. Vol. 25. No.6. P. 639643.
10. Bullock T.H., McClune M.C., Achimowicz J.Z., et al. Temporal fluctuations in coherence of brain waves // Procl. Natl. Acad. Sci. USA. 1995. Vol. 92. P. 11568-11572.
11. Fadel P.J., Orer H.S., Barman S.M. et al. Fractal properties of human muscle sympathetic nerve activity // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2004. Vol. 286. P. H1076-H1087.
12. Кребс АА., Пугачев К.С., Филиппов И.В. и др. Нейромедиаторные центры в регуляции сверхмедленной биоэлектрической активности первичных корковых сенсорных представительств мозга // Ученые записки Санкт-Петербургского государственного медицинского университета. 2011. Т. 17. №2. С. 153154.
13. Пугачев К.С., Кребс АА., Филиппов И.В. и др. Миндалина модулирует сверхмедленную биоэлектрическую активность первичных корковых сенсорных представительств ЦНС // Ученые записки Санкт-Петербургского государственного медицинского университета. 2011. Т. 18. №2. С. 125-126.
14. Бородкин Ю.С., Лапина ИА., Гоголицин Ю.М. и др. Зависимость минутных сверхмедленных колебаний от уровня энергетического обмена в ткани головного мозга // Физиологический журнал СССР им. И.М. Сеченова. 1979. Т. 65. № 3. С. 336-343.
15. Vanhatalo S., Voipio J., Kaila K. Full-band EEG (FbEEG): an emerging standard in electroencephalography // Clin. Neurophysiol. 2005. Vol. 116. P. 1-8.
Статья поступила в редакцию 24.06.2012.
