Сверхмедленные колебания потенциалов нейромодуляторных центров головного мозга и корковых отделов сенсорных систем

Известно, что различные биоэлектрические процессы головного мозга являются коррелятами его функциональной активности [1].Тем не менее в клинических и фундаментальных дисциплинах не отводится должного внимания сверхмедленным биоэлектрическим процессам, протекающим в ЦНС. В связи с этим все большую актуальность приобретают исследования, направленные на понимание роли сверхмедленных колебаний потенциалов (СМКП) в функционировании головного мозга [2 – 4]. В соответствии с общепринятыми взглядами, СМКП представляют собой совокупность сложноорганизованной квазипериодической динамики биопотенциалов головного мозга человека и животных с частотами менее 0,5 Гц [5]. Исходя из существующей классификации [1], СМКП подразделяются на следующие частотные диапазоны: секундные (период от 2 до 10 с), многосекундные (от 10 до 60 с) и минутные (более 1 мин) волны. Ранее было доказано присутствие СМКП в различных сенсорных представительствах головного мозга: в первичной зрительной коре (ПЗК), первичной слуховой коре (ПСК), во вкусовой коре (ВК), а также в латеральном коленчатом теле, медиальном коленчатом те- ле и в вентральном задне-срединном ядре таламуса [2–4]. Также установлено участие СМКП в процессах переработки сенсорной информации в этих структурах и во взаимодействиях перечисленных отделов ЦНС при переработке сенсорной информации различных модальностей. На основании полученных в наших исследованиях данных была выдвинута гипотеза о возможной обусловленности динамики СМКП в первичных корковых представительствах сенсорных систем с динамикой аналогичных процессов на уровне различных нейромо-дуляторных центров. Это представляется возможным в контексте существующих сведений о присутствии норадренергических (от голубого пятна), серотонинергических (от дорсального ядра шва) и ацетилхолинергических (от базального крупноклеточного ядра) волокон в различных отделах коры больших полушарий, в том числе в сенсорных представительствах неокортекса [6, 7]. Однако до настоящего времени данные о наличии СМКП и об их сравнительном анализе в различных нейромо-дуляторных центрах отсутствовали, в частности голубом пятне (ГП), дорсальном ядре шва (ДЯШ) и базальном крупноклеточном ядре (БКЯ), а также в высших корковых представительствах зрительной, слуховой и вкусовой сенсорных систем. Все эти вопросы представляют существенный интерес, поскольку позволяют более детально понять вклад (норадреналина, серотонина и ацетилхолина) в модуляцию как функциональных состояний различных отделов неокортекса, так и переработку афферентной информации на уровне высших сенсорных представительств ЦНС.

Учитывая актуальность проблемы, цель настоящей работы: выявить в условиях отсутствия действия сенсорных стимулов сверхмедленные колебания потенциалов в голубом пятне, дорсальном ядре шва и базальном крупноклеточном ядре и сопоставить у анестезированных крыс в условиях хронического эксперимента динамику СМКП в указанных нейромодуляторных центрах с аналогичными процессами на уровне первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры.

Основные задачи исследования:

• 1.    Выявить и проанализировать динамику сверхмедленных колебаний потенциалов в голубом пятне, дорсальном ядре шва и базальном крупноклеточном ядре головного мозга крыс при отсутствии действия зрительных, слуховых и вкусовых раздражителей.

• 2.    Сопоставить временные и амплитудночастотные характеристики сверхмедленной активности голубого пятна, дорсального ядра шва и базального крупноклеточного ядра с аналогичными процессами в области первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры в тех же условиях.

Материалы и методы

Работа проведена на 30 самцах взрослых нелинейных крыс альбиносов с массой тела 230– 280 г (n=150 повторных экспериментальных наблюдений). Все опыты выполнены согласно основным положениям Европейской конвенции об обращении с животными при проведении биомедицинских исследований (2010/63/EU). Первоначально, руководствуясь атласом головного мозга крыс [8], каждому экспериментальному животному под нембуталовым наркозом производилась стереотаксическая имплантация золотых долгосрочных интрацеребральных электродов (золото 98 %, площадь активной поверхности 0,2 мм2) в ГП, ДЯШ, БКЯ, а также в ПЗК, ПСК и ВК. Использование золотых электродов объясняется современными представлениями о том, что металлические электроды оптимальны для изучения очень медленных форм биоэлектрической активности ЦНС в условиях хронического эксперимента [9]. До начала проведения стереотаксической операции каждая электродная пара была предварительно протестирована в физиологическом растворе, а для имплантации использовались лишь те электродные пары, которые имели стабильный межэлектродный потенциал. После операции крысы помещались на 14 суток в стандартные условия вивария с целью завершения репаративных процессов в исследуемых структурах ЦНС.

Затем осуществляли многократную монопо-лярную синхронную регистрацию СМКП в голубом пятне, дорсальном ядре шва и базальном крупноклеточном ядре, а также в ПЗК, ПСК и ВК. Для этого животные помещались в звуко-свето-непроницаемый индивидуальный контейнер, который располагался в экранированной камере. Эксперименты проводились в темноте (0 люкс) и тишине (0 дБ). Крысы во время исследований находились под легким уретановым наркозом (0,2–0,3 г/кг, интраперитонеально). Использование уретана объясняется тем, что, по данным литературы, он практически не искажает нативную динамику СМКП головного мозга [10]. Для усиления, записи и анализа СМКП применялся компьютерный электрофизиологический комплекс с высокоимпен-дансным многоканальным усилителем биопотенциалов (модель УУ-93, ЭПМ НИИЭМ РАМН), аналогоцифровым преобразователем (модель Е-154, Л-Кард) и персональным компьютером с набором соответствующего программного обеспечения.

Изучение динамики СМКП предусматривало амплитудно-временной анализ различных диапазонов СМКП, основанный на применении алгоритма быстрого прямого преобразования Фурье, а также корреляционный анализ. Статистическую значимость отличий оценивали с использованием однофакторного дисперсионного анализа. Отличия с p<0,05 рассматривались как статистически значимые. После завершения экспериментальных исследований осуществлялся забой крыс (уретан, 2-2,5 г/кг, интраперитонеально) и производилась морфологическая верификация расположения активной части электродов в исследуемых структурах головного мозга.

Результаты и обсуждение

Анализ и обобщение полученных в ходе настоящего исследования данных позволили установить, что для основных структур норадренергической (ГП), серотонинергической (ДЯШ) и холинергической (БКЯ) системы характерно наличие фоновых спонтанных сверхмедленных колебаний потенциалов различных частотных диапазонов. Это были регулярные синусоидальные секундные волны с преобладанием частот в диапазоне от 0,1 до 0,32 Гц и амплитудой до 0,3 мВ в голубом пятне (рис. 1а; 2а). В дорсальном ядре шва доминировали секундные СМКП с частотами от 0,1 до 0,33 Гц и амплитудой до 0,15 мВ (рис. 3а, 4а). Схожие по частотно-амплитудным характеристикам колебания потенциалов секундного диапазона зарегистрированы и в базальном крупноклеточном ядре – преобладающие частоты находились в пределах от 0,1 до 0,2 Гц и с амплитудой до 0,25 мВ (рис. 5а, 6а).

Помимо секундных СМКП были обнаружены регулярные синусоидальные многосекундные волны во всех изученных структурах в диапазонах частот 0,0167–0,04 Гц и амплитудой до 0,27 мВ в голубом пятне (рис. 1б, 2б), 0,0167–0,035 Гц и амплитудой до 0,15 мВ в дорсальном ядре шва (рис. 3б, 4б), 0,0167–0,047 Гц и амплитудой до 0,2 мВ в базальном крупноклеточном ядре (рис. 5б, 6б).

Рис. 1. Примеры нативных записей сверхмедленных колебаний потенциалов различных диапазонов в голубом пятне головного мозга крысы: (а) волны секундного диапазона, (б) волны многосекундного и минутного диапазонов.

Рис. 3. Примеры нативных записей сверхмедленных колебаний потенциалов различных диапазонов в дорсальном ядре шва головного мозга крысы: (а) волны секундного диапазона, (б) волны многосекундного и минутного диапазонов.

Рис. 2. Суммарные арифметически усредненные спектрограммы (по данным n=50 экспериментов) СМКП различных диапазонов в голубом пятне головного мозга крыс: (а) секундные, (б) многосекундные и (в) минутные волны.

Рис. 4. Суммарные арифметически усредненные спектрограммы (по данным n=50 экспериментов) СМКП различных диапазонов в дорсальном ядре шва головного мозга крыс: (а) секундные, (б) многосекундные и (в) минутные волны.

В голубом пятне, дорсальном ядре шва и базальном крупноклеточном ядре также обнаружены спонтанные одиночные минутные волны синусоидальной формы с частотой менее 0,006 Гц (рис. 1б, 2в; 3б, 4в; 5б, 6в). Подобные результаты позволяют сделать заключение о том, что для каждого из изученных нейромодуляторных центров характерно явление спонтанной фоновой сверхмедленной ритмической биоэлектрической активности.

Кроме того, нами зарегистрированы и проанализированы фоновые сверхмедленные колебания потенциалов в первичных корковых представительствах сенсорных систем головного мозга крыс – в первичной зрительной, первичной слуховой и вкусовой коре. Данные о динамике СМКП первичной зрительной коры, первичной слуховой коры и вкусовой коры головного мозга крыс описаны и ранее [2–4]. Несмотря на это, они проанали-

Рис. 5. Примеры нативных записей сверхмедленных колебаний потенциалов различных диапазонов в базальном крупноклеточном ядре головного мозга крысы: (а) волны секундного диапазона, (б) волны многосекундного и минутного диапазонов.

Рис. 6. Суммарные арифметически усредненные спектрограммы (по данным n=50 экспериментов) СМКП различных диапазонов в базальном крупноклеточном ядре головного мозга крыс: (а) секундные, (б) многосекундные и (в) минутные волны.

зированы нами в контексте взаимосвязи динамики СМКП изученных нейромодуляторных центров и первичных корковых сенсорных представительств. Это связано с необходимостью сопоставить фоновые взаимосвязи СМКП в интрацеребральных функциональных системах нейромодуляторный центр – первичные корковые сенсорные представительства (т.е. ГП-ПЗК, ГП-ПСК, ГП-ВК; ДЯШ-ПЗК,

ДЯШ-ПСК, ДЯШ-ВК; БКЯ-ПЗК, БКЯ-ПСК и БКЯ-ВК) в условиях отсутствия действия зрительных, слуховых и вкусовых раздражителей. С этой целью проведена линейная корреляция фоновых СМКП различных диапазонов в парах ГП-ПЗК, ГП-ПСК, ГП-ВК; ДЯШ-ПЗК, ДЯШ-ПСК, ДЯШ-ВК; БКЯ-ПЗК, БКЯ-ПСК и БКЯ-ВК.

В результате анализа указанных данных установлены слабые положительные корреляционные связи в диапазоне секундных волн во всех изученных парах (таблица). Коэффициенты линейной корреляции, отражающие взаимосвязь СМКП в многосекундном и минутных диапазонах (т.е. в едином объединенном диапазоне частот 0,0167–0,1 Гц) можно охарактеризовать как положительные средние.

Коэффициенты линейной корреляции фоновых нативных записей (по данным n=150 экспериментов) различных диапазонов СМКП

Пары сравнения	Коэффициент линейной корреляции (r) секундных СМКП	Коэффициент линейной корреляции (r) многосекундных и минутных СМКП
ГП-ПЗК	0,24	0,64
ГП-ПСК	0,22	0,63
ГП-ВК	0,14	0,61
ДЯШ-ПЗК	0,28	0,63
ДЯШ-ПСК	0,24	0,65
ДЯШ-ВК	0,14	0,60
БКЯ-ПЗК	0,25	0,64
БКЯ-ПСК	0,20	0,57
БКЯ-ВК	0,17	0,45

Примечание: пары сравнения – голубое пятно – первичная зрительная, слуховая и вкусовая кора; дорсальное ядро шва – первичная зрительная, слуховая и вкусовая кора; базальное крупноклеточное ядро – первичная зрительная, слуховая и вкусовая кора.

При этом следует обратить внимание на положительные средние значения коэффициентов линейной корреляции, которые указывают на фоновую спонтанную взаимосвязь СМКП многосекундного и минутного диапазонов во всех проанализированных парах сравнения (ГП-ПЗК, ПСК, ВК; ДЯШ-ПЗК, ПСК, ВК; БКЯ-ПЗК, ПСК, ВК). Эти данные сопоставимы с результатами исследований связей нейромодуля-торных центров с различными отделами неокортек-са (норадренергические, серотонинергические и холинергические проекции), в том числе с высшими корковыми представительствами зрительной, слуховой и вкусовой сенсорных систем [11 – 13]. Они указывают на тесные нейроанатомические моноси-наптические связи ГП, ДЯШ и БКЯ с ПЗК, ПСК и ВК, что предположительно является структурной основой подобных функциональных взаимодействий в системах ГП-ПЗК, ПСК, ВК; ДЯШ-ПЗК, ПСК, ВК; БКЯ-ПЗК, ПСК, ВК.

Трудность анализа полученных данных сопряжена с отсутствием в литературе сведений о динамике СМКП в ГП, ДЯШ и БКЯ. Для интерпретации в парах изученных структур корреляционных связей многосекундных СМКП, а следовательно и характера взаимодействий нейромодуляторных, можно привлечь существующие нейрофизиологические и нейрохимические работы. Например, показано, что активация ГП при действии сенсорных стимулов (как и его электростимуляция) вызывает увеличение выделения норадреналина и его производных метаболитов в коре больших полушарий [14, 15]. Установлено также, что различные ритмы ЭЭГ (низкоамплитудная высокочастотная активность и/или высокоамплитудные медленные волны) в коре, по-видимому, связаны с импульсной активностью ГП, которое оказывает регулирующее влияние на уровень возбудимости корковых нейронов [16].

Изучение особенностей тета-ритма у крыс выявило участие ДЯШ и серотонина в этих процессах, и существенный вклад серотонинергической системы ДЯШ в регуляцию уровня бодрствования. Продемонстрированы непосредственные влияния ДЯШ на процессы поддержания уровня активности популяций нейронов неокортекса [17, 18].

Существуют данные об участии БКЯ в модуляции функциональных состояний коры и уровня ответных реакций «настораживания» при действии краткосрочных сенсорных стимулов [19]. Также предполагается, что БКЯ изменяет эндогенную ос-цилляторную активность нейронов пейсмейкеров неокортекса, что указывает на важнейшую роль холинергических нейронов БКЯ в модуляции биоэлектрической активности коры и ее функциональных состояний [20].

Приведенные работы (косвенно) сопоставимы с полученными нами данными о средней степени обусловленности наиболее медленных диапазонов СМКП, протекающих в ПЗК, ПСК и ВК, c динамикой аналогичных биоэлектрических процессов на уровне рассмотренных нейромодуляторных центров. Однако следует обратить внимание и на то, что в секундном диапазоне СМКП наблюдались слабые значения корреляционных связей в системах ГП-ПЗК, ПСК, ВК; ДЯШ-ПЗК, ПСК, ВК; БКЯ-ПЗК, ПСК, ВК. Эти результаты соответствуют нашим предыдущим результатам о вовлеченности СМКП секундного диапазона в специфические процессы переработки сенсорной информации, тогда как потенциалы многосекундного диапазона отражали глобальные колебания уровня общей возбудимости нейронов неокортекса [2 – 4]. Поскольку в настоящей работе записи СМКП в нейромодуляторных центрах и в высших корковых представительствах изученных сенсорных систем проводились в условиях отсутствия действия соответствующих по своей модальности сенсорных раздражителей, можно обоснованно предположить, что в этих условиях переработка сенсорной информации в ПЗК, ПСК и ВК отсутствовала. Это и объясняет слабые корреляционные связи динамики секундного диапазона в системах ГП-ПЗК, ПСК, ВК; ДЯШ-ПЗК, ПСК, ВК; БКЯ-ПЗК, ПСК, ВК. В то же самое время, по-видимому, даже в этих условиях со стороны ГП, ДЯШ и БКЯ существуют постоянные фоновые спонтанные сверхмедленные регуляторные влияния на общий уровень возбудимости нейронов ПЗК,

ПСК и ВК, что и объясняет выраженные корреляционные связи динамики многосекундных СМКП между этими структурами в состоянии покоя.

Выводы

• 1.    В голубом пятне, дорсальном ядре шва и базальном крупноклеточном ядре продемонстрировано наличие фоновых эндогенных спонтанных сложноорганизованных сверхмедленных колебаний потенциалов секундного (0,1–0,5 Гц), многосекундного (0,0167–0,1 Гц) и минутного (менее 0,0167 Гц) диапазонов.

• 2.    Голубое пятно, дорсальное ядро шва и базальное крупноклеточное ядро оказывают постоянные регуляторные влияния на глобальный уровень возбудимости нейронов первичной зрительной, слуховой и вкусовой коры, что преимущественно отражается в средних значениях коэффициентов линейной корреляции многосекундных (0,0167–0,1 Гц) волн сверхмедленных колебаний потенциалов между этими структурами.

Данная поисковая научно-исследовательская работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 гг.», а также при частичной поддержке гранта РФФИ (проект 1404-00028).