URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Кожедуб Р.Г. Мембранные и синаптические модификации в проявлениях основных принципов работы головного мозга
Id: 744
 
299 руб.

Мембранные и синаптические модификации в проявлениях основных принципов работы головного мозга

URSS. 2001. 176 с. Мягкая обложка. ISBN 5-8360-0180-4.

 Аннотация

В монографии представлены экспериментальные данные, указывающие на разную природу (изменение свойств электровозбудимой мембраны и синаптической эффективности), локализацию (пре- и постсинаптическую) и форму (автономную и совместно взаимодействующую) проявления мембранных и синаптических модификаций при обучении. Даны результаты исследования явления синхронизации и кооперативного взаимодействия на уровне отдельной клетки, функциональных нейронных объединений и целого мозга. Особое внимание уделено вопросу дифференцированности мотивацио- и эмоциогенных влияний на кору.

Осуществлялась регистрация суммарных ответов пирамидного тракта, мультинейронной активности и множественное отведение электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с последующим применением методов анализа формы ответов, корреляционного анализа импульсных потоков и топограммного анализа ЭЭГ.

Полученные данные позволили описать стадии выработки УР в терминах функционирования электровозбудимой мембраны и синапсов, а также простр анственной сопряженности ЭЭГ. Рассмотрены теоретические аспекты деятельности мозга в плане общности многих принципов и механизмов на клеточном и системном уровнях.


 Abstract

Experimental data which point to different nature (changes in electroexcitable membrane properties and synaptic efficiency), localization (pre- and postsynaptic) and mode (autonomous and joint-interacted) of manifestation of membrane and synaptic modifications during learning are presented in the monograph.

Phenomena of synchronization and cooperative interaction of plastic processes at the levels of an individual cell, functional neuronal ensemble and the whole brain are described. Considerable attention is paid to differentiation of motivatio- and emotiogenis influences on the neocortex.

The summary pyramidal tract responses, multineuronal activity and multichannel electroencephalograms (EEG) were recorded. The methods of shape analysis of responses, cross-correlation and topogram analysis was applied.

The data obtained make it possible to describe the stages of the conditioning in terms of functioning of electroexitable membrane and synapses, and EEG spatial synchronization. Theoretically, the brain activity is considered in the aspect of common principles and mechanisms at the cellular and system levels.

The book is of interest for a wide range of readers: biologists, physiologists, psychologists, philosophers.


 Введение

Нейробиологическая проблема механизмов связи процессов, от обеспечивающих ионную селективность мембранных каналов и нейронную дифференциацию до определяющих сознание и разум, должна решаться параллельно на всех уровнях, от молекулярного до системного. Первоочередного решения требуют такие вопросы системной деятельности мозга как механизмы перехода итогового результата деятельности с микроуровня на макроуровень, с одного иерархического уровня на другой, от старой функциональной системы к совершенно новой.

Для решения проблемы связи пластичности клетки с изменением поведения важно проанализировать динамику и пространственную организацию процессов, обуславливающих мембранно-синаптические модификации, формирование клеточных функциональных объединений и межкорковое взаимодействие. Начиная с 70-х гг. мы исследуем мембранные и синаптические механизмы условного рефлекса (УР) (по И.П.Павлову) и доминанты (по А.А.Ухтомскому), развивая традиционно сильную в нашей стране область физиологии высшей нервной деятельности [4--6, 12--15, 22, 50]. Параллельные исследования различных аналогов УР и явления длительной потенциации (ДП) сближают отечественную и зарубежную линии исследования ассоциативного процесса, в котором явление доминанты, с устойчиво закрепленным за ней понятием, выступает на генерализованной его стадии [2, 36--38, 45]. В последние годы мы пытаемся выяснить роль мембранных и синаптических модификаций в проявлении таких отражающих системную деятельность мозга феноменов как синхронизация, кооперативное взаимодействие [16, 17, 21, 24, 50, 51, 52] и межполушарная асимметрия [23].

Нам удалось установить клеточные модификации в новой коре, определяющие организацию разных стадий УР и имеющие различную природу (изменения свойств электровозбудимой мембраны и синаптической эффективности), локализацию (пре- и постсинаптическую) и форму (автономную и совместно-взаимодействующую) проявления, а также зависимость их участия в обучении от мотивацио- и эмоциогенной активации гипоталамуса. Мы были первыми экспериментально продемонстрировавшими на раннем этапе изучения клеточных механизмов обучения специфические изменения постсинаптических потенциалов (ПСП) неокортикальных нейронов при формировании клеточного аналога УР и доминантного состояния [5, 6]. Нами впервые выявлены условнорефлекторные и посттетанические изменения свойств электровозбудимой мембраны неокортикальных нейронов [12--14, 22]. Целый ряд характеризующих данную модификацию особенностей: временное, зависимое от мотивациогенной стимуляции, и параллельное проявление в обоих представительствах сочетаемых стимулов, результативная (с выходом возбуждения на пирамидный тракт (ПТ)) суммация на ее фоне возбуждений от полимодальных стимулов, позволяет сделать вывод о том, что повышение электровозбудимости мембраны является основным механизмом, обеспечивающим доминантные свойства стадии генерализации УР. Отставленное по отношению к проявлению мембранной пластичности, постепенно достигающее уровня "насыщения" и длительно сохраняющееся усиление синаптической эффективности является основным механизмом стадии специализации УР [15].

Впервые нами установлено, что последовательность событий при обучении, заключающаяся в первичности полного проявления мембранных модификаций (изменения электровозбудимости соматодендритной мембраны) и вторичности -- синаптических модификаций (изменения синаптической эффективности) повторяется в процессе индивидуального развития животного [6, 11]. Этот вывод сделан на основании данных онтогенетического созревания пластической функции корковой клетки, о чем судили по характеру проявления неспецифической (изменение средней частоты импульсации) и специфической (следовое воспроизведение ритма) реакций неокортикальных нейронов.

Дифференцированность в организации классических стадий УР заключается не только в разных на этих стадиях основных клеточных механизмах, но и в различном характере взаимодействия между процессами, лежащими в основе мембранной и синаптической пластичности. Нами выявлена положительная линейная корреляция между изменениями электровозбудимости и синаптической эффективности, наблюдаемая в течение часа после тетанизации, статистически значимая при сочетаниях, постепенно уменьшающаяся при угашении и существенно увеличивающаяся при дополнительной мотивациогенной стимуляции гипоталамуса, что предполагает наличие субстратов (внутриклеточных и/или ретроградных мессенджеров), обеспечивающих взаимодействие этих механизмов пластичности [16, 17, 51]. Эти данные позволили обосновать концепцию, согласно которой синхронизация и кооперативное взаимодействие пластических процессов на уровне отдельной клетки и клеточных объединений разной степени сложности образуют принцип мозговой интеграции [18].

Это концептуальное представление было подтверждено данными, полученными в исследованиях пространственной синхронизации (ПС) медленной электрической активности [21, 24, 50]. Представление А.А.Ухтомского о роли изолабильности в установлении связей между отдельными нервными центрами, позволило М.Н.Ливанову рассматривать ПС биопотенциалов как взаимонастроенность нервных структур, обеспечивающую возможность их рабочих взаимосвязей [8, 9, 28, 30--32]. По специально разработанным показателям топограммного анализа корковых медленных потенциалов продемонстрирован дифференцированный характер межрегионарных и межполушарных взаимоотношений в электроэнцефалограмме на разных стадиях УР [21]. При сопоставлении параметров, характеризующих деятельность коры на клеточном и системном уровнях, выявлена однонаправленность их изменений на разных стадиях обучения и при гипоталамической активации. Повышение клеточной возбудимости корковых нейронов сопряжено с увеличением значений среднего уровня топограмм, а следовательно, и с ростом значений уровня глобальной ПС корковых медленных потенциалов. Активация возбудительных и тормозных синаптических связей (с соответствующей стадиям УР их синаптической эффективностью) ответственна за формирование рельефов топограмм и пространственно ограниченную локальную ПС.

Синхронное протекание любых распределенных в пространстве и во времени мозговых процессов без кооперативного взаимодействия еще не свидетельствуют о функциональном значении параллельного хода этих процессов, о включении их в единую формирующуюся систему и о возможности перехода системы из одного состояния в качественно совершенно иное. Примером кооперативного взаимодействия (когда совместный эффект процессов не сводится к сумме отдельных эффектов) может служить продемонстрированная нами реорганизация памятного следа под влиянием мотивационно-эмоциональной системы латерального гипоталамуса (ЛГ) [13, 21]. Основным эффектом мотивациогенной активации ЛГ является изменение выраженности мембранных модификаций и значений среднего уровня рельефов топограмм, что характерно для организации стадии генерализации УР. Есть основания полагать, что положительно эмоциогенная активация ЛГ способствует максимальному проявлению синаптических модификаций, ведущих к увеличению степени выраженности рельефов топограмм. Эти показатели пластичности, являющиеся менее интегральными по сравнению с предыдущими, характеризуют стадию специализации УР.

При обучении выявлена межполушарная aсимметрия мозга, обусловленная выраженным усилением ПС медленных потенциалов в левом полушарии, а при поведенческой активности, направленной на удовлетворение внутренней потребности, -- в правом [7, 21]. Hа ранних стадиях обучения изменение ПС происходит преимущественно за счет изменения процессов корково-подкоркового взаимодействия, более отражающегося в параметрах среднего уровня последовательных топограмм, а на поздних -- за счет изменения процессов корково-коркового взаимодействия, более отражающегося в параметрах рельефа последовательных топограмм. Следовательно в проявлении то право-, то левосторонней латерализации при системной деятельности мозга участвуют как доминирующие функциональные связи подкорковых центров (в том числе ЛГ) с корой, так и внутрикорковые связи. С целью выяснения механизмов функциональной межполушарной асимметрии мозга [3] проведено сопоставление модификаций внутри- и межполушарных (каллозальных) связей, возникающих после односторонней локальной тетанизации коры и/или ЛГ [23]. Данные об изменениях электровозбудимости постсинаптических клеток в ипсилатеральном полушарии (ИЛП), пресинаптических терминалей в контралатеральном полушарии (КЛП) и синаптической эффективности в обоих полушариях, которые могли быть разнонаправленными, свидетельствуют о том, что асимметрия больших полушарий головного мозга, проявляющаяся в поэтапном перемещении при обучении зоны повышенной активности [40], обусловлена динамикой мембранно-синаптических модификаций, определяемой внутрикорковыми процессами и специфическими на разных стадиях обучения гипоталамическими влияниями на кору.

С целью дальнейшего подтверждения специфичности мотивацио- и эмоциогенных влияний на характер проявления неокортикальных механизмов пластичности изучены особенности функционирования нейронов гипоталамуса и коры в состояниях животного, характеризующихся разным соотношением мотивационного и эмоционального компонентов поведения [25--27, 52]. Результаты сравнительного анализа средней частоты разрядов, структуры импульсных последовательностей и характера зависимости импульсации корковых и гипоталамических нейронов, а также их функциональных объединений позволили выявить обобщенные характеристики их деятельности, в своей совокупности отражающие доминирование мотивационного или положительно эмоционального компонентов поведения, что подтверждает специфичность гипоталамических влияний на кору на разных стадиях УР.

Эти данные подтвердили нашу гипотезу о деполяризационном механизме мотивацио- и эмоциогенных диффузных подкорковых влияний на кору. Высокочастотные пачки, появляющиеся в активности нейронов коры и гипоталамуса во время выраженного мотивационного состояния, могут способствовать существенной деполяризации постсинаптических нейронов на стадии генерализации УР. Большее число случаев тормозных взаимоотношений между нейронами и меньшее среднее значение положительной корреляции, выявляемые при положительно окрашенной эмоции, могут отражать более низкий уровень деполяризации нейронов на стадии специализации УР. Сдвиг уровня деполяризации постсинаптического нейрона в результате изменения активности гипоталамуса, сопряженной с повторными активациями синаптических входов от сочетаемых стимулов, может играть ключевую роль в переключении процессов, обеспечивающих мембранные и синаптические модификации, а, следовательно, и в смене стадий обучения. Такая последовательность событий, определяемая динамикой гипоталамо-корковой интеграции, возможно, связана с функционированием N-метил-d-аспартат (НМДА)-комплекса, включающего НМДА-рецепторы и взаимодействующие с ними постсинаптические локусы, активируемые рядом других биологически активных веществ [49]. Активация ионных каналов, совмещающих свойства потенциалзависимости и медиаторной чувствительности, дает возможность корковому нейрону включаться в организацию УР в зависимости от состояния организма в текущей момент, отраженного в соответствующем уровне мембранного потенциала (МП) [53], и медиаторной специфики афферентного притока к нему, обусловленной сочетаемыми стимулами.

Обобщение результатов исследований, касающихся кооперативного взаимодействия процессов на уровне клетки, клеточных функциональных объединений и межкоркового взаимодействия, позволило выдвинуть концепцию динамического синапса [20], cогласно которой для полного и последовательного проявления лежащих в основе формирования УР и взаимодействующих между собой мембранных и синаптических механизмов в коре необходимы "санкционирующие" возбудительные влияния из мотивацио- и эмоциогенных подкрепляющих систем гипоталамуса. Она рассматривается как развитие представления П.В.Симонова [39] о четырехфакторном принципе формирования УР, заключающемся в необходимости согласованного афферентного притока возбуждения к коре по входам, активируемым 1) условным стимулом (УС), 2) безусловным стимулом (БС), подкорковыми 3) мотивацио- и 4) эмоциогенными подкрепляющими структурами.

Рассматривая теоретические аспекты деятельности мозга, мы пришли к заключению об общности ряда принципов и механизмов на клеточном и системном уровнях организации мозговой деятельности. Явление пространственной гетеросенсорной суммации на нейроне при повышении электровозбудимости мембраны напоминает основное свойство доминанты, а специфическое усиление эффективности отдельных входов нейронов -- суть явление ассоциативности. Появление ответа клетки на приток возбуждения по синаптическому входу, пластичность которого делает обучающиеся нейроны чувствительными к неэффективному ранее раздражителю, соответствует процессу замыкания. Для функционирования обеих систем, отдельной клетки и целого мозга, характерны 1) первичность глобального реагирования и вторичность локального, 2) топологическая конвергенция и мультисенсорная интеграция, 3) петли обратных связей и циклическая взаимозависимость процессов, 4) разномасштабные интегративные системы биохимической регуляции, 5) морфологическая и функциональная бифуркация, 6) принцип общего конечного пути, 7) реминисцентность, 8) проявление механизма доминантного состояния, ускоряющего переход к специализированной реакции и 9) сонастроенность процессов, определяемая соотношением вероятностного и ритмического компонентов функционирования.

Данные, позволившие нам сформулировать гипотезу динамического синапса, являются дальнейшим подтверждением вывода об общности принципов, поскольку последовательное изменение потенцированного его состояния на депрессированное при смене пачечного характера пресинаптических воздействий в тета-ритме на одиночные воздействия в этом ритме (явление "метапластичности") [47] может соответствовать переходу стадии генерализации УР с ее активационными процессами и глобальной ПС корковых медленных потенциалов по тета-ритму в стадию специализации с ее активным развитием тормозных процессов и локальной ПС медленных потенциалов по этому ритму.

Исследуемые в данной работе основные принципы (системность, доминантность, ассоциативность, синхронизация и кооперативное взаимодействие) и определяемые их мембранно-синаптические модификации в совокупности отражают проявление общего принципа самоорганизующейся деятельности головного мозга [19]. Этот вывод вытекает из выявленных при их изучении фактов, органично включающихся в следующую совокупность свойств самоорганизующихся систем: 1) пространственно-временная организация; 2) кооперативное взаимодействие; 3) колебательные процессы с их когерентными свойствами; 4) регуляция по типу обратной связи; 5) локальная оптимизация процессов. Эти особенности присущи самоорганизующимся системам, начиная со ставшей уже классической химической реакции Белоусова-Жаботинского до высших проявлений психических, социальных и эволюционных процессов. В явлении самоорганизации, присущей живой и неживой системе [1, 10, 29, 33--35, 41--44, 46, 48, 54], заключена существующая в определенной мере общность между человеком (микрокосмом) и Вселенной в целом (макрокосмом).

Целью данной работы было рассмотреть соотношение физико-химического, физиологического и психического в поведении по результатам изучения 1) условнорефлекторных и посттетанических мембранно-синаптических модификаций и перестроек импульсной активности, а также их зависимости от мотивациогенной активации ЛГ, 2) синхронности проявления и кооперативного взаимодействия мембранных и синаптических механизмов, 3) дифференцированного функционирования нейронов новой коры и гипоталамуса при преобладании мотивационных и эмоциональных компонентов поведения, 4) связи показателей пластичности на клеточном и системном уровнях.


 Оглавление

Введение

I Специфичность корковой организации разных стадий формирования памятного следа

1 Доминантные и ассоциативные перестройки клеточной активности
 1.Исследование клеточного аналога УР на электрическое раздражение двух пунктов сенсомоторной коры
  а)Перестройки импульсной активности
  б)Изменения постсинаптических потенциалов
  в)Следовые эффекты в межстимульный период
 2.Исследование клеточного аналога УР на время (онтогенетический аспект)
  а)Автокорреляционный анализ фоновой импульсной активности
  б)Анализ следового воспроизведения ритма стимуляции
  в)Длительность воспроизведения усвоенного ритма
  г)Изменение средней частоты разрядов нейронов
2 Условнорефлекторные и посттетанические мембранные и синаптические модификации: зависимость от мотивационно-эмоционального статуса
 1.Изучение аналогов УР с регистрацией суммарного ответа ПТ (параллельный анализ мембранных и синаптических модификаций)
  а)Аналог УР с регистрацией ответа ПТ на сочетанное раздражение двух пунктов коры
  б)Сравнительный анализ изменений ответа ПТ в экспериментальных ситуациях с разным характером подкрепления
 2.Анализ посттетанических мембранных и синаптических модификаций
  а)Неокортикальная ДП
  б)Влияние активации ЛГ на проявление неокортикальной ДП
 3.Особенности проявления мембранных и синаптических модификаций в корковых представительствах сочетаемых стимулов
 4.Временная специфика в проявлении условнорефлекторных мембранных и синаптических модификаций
Заключение

II Дифференцированность сопряженности процессов клеточного и системного уровня на разных стадиях формирования памятного следа

3 Сопряженность между проявлением мембранной и синаптической пластичности в новой коре
 1.Корреляционная связь между посттетаническими изменениями клеточной возбудимости и синаптической эффективности
 2.Корреляционная связь между условнорефлекторными изменениями клеточной возбудимости и синаптической эффективности
 3.Усиление корреляционной связи между условнорефлекторными изменениями клеточной возбудимости и синаптической эффективности под влиянием мотивациогенной активации ЛГ
4 Сопоставление пространственно-временной организации мембранно-синаптических модификаций и мгновенных топограмм медленных колебаний неокортикальных потенциалов
 1.Особенности проявления мембранно-синаптических модификаций на разных стадиях УР
 2.Скоррелированные изменения клеточной возбудимости в представительствах сочетаемых стимулов
 3.Топограммный анализ корковых потенциалов при образовании оборонительного отряхивательного УР
 4.Мембранные и синаптичесие модификации как основа межполушарной асимметрии
5 Организация мотивационных и эмоциональных компонентов поведения животного на уровне клетки и функциональных систем
 1.Особенности функционирования нейронов гипоталамуса и коры при разных мотивационно-эмоциональных состояниях животного
 2.Согласованная деятельность функционально разнотипных нейронов гипоталамуса при разных мотивационно-эмоциональных состояниях
 3.Согласованная деятельность функционально однотипных гипоталамических нейронов при разных мотивационно-эмоциональных состояниях
Заключение
Общее заключение
 1.Многокомпонентный характер корковой пластичности
 2.Механизмы клеточной возбудимости и синаптической эффективности как основа глобального и специализированного реагирования
 3.Участие в поэтапном развитии механизмов корковой пластичности мотивацио- и эмоциогенных структур
 4.Синхронизация и кооперативное взаимодействие как принцип мозговой интеграции
 5.Перспективы
Список литературы
Список сокращений
 
© URSS 2016.

Информация о Продавце