Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Ноздренко Дмитро Миколайович

УДК: 577.352:612.822

Динаміка формування моторних команд у сенсомоторній корі котів при виконанні цілеспрямованих рухів

03.00.02 - біофізика

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у відділі фізіології рухів Інституту фізіології імені О. О. Богомольця НАН України

Науковий керівник : доктор біологічних наук,

Костюков Олександр Іванович,

Інститут фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України

завідувач відділу фізіології рухів

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук,

Лях Юрій Єремійович,

Донецький державний медичний університет МОЗ України, завідувач кафедри медичної інформатики, біофізики з курсом медичної апаратури

доктор біологічних наук, професор

Курський Михайло Дмитрович,

Інститут біохімії ім. О. В. Палладіна НАН України

провідний науковий співробітник відділу біохімії м’язів

Провідна установа: Національний медичний університет ім. О. О. Богомольця МОЗ України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 27 ” жовтня 2003р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.38 при Київському національному університету імені Тараса Шевченка за адресою: Київ-22, вул. Глушкова 2. біологічний факультет, ауд. 215.

Поштова адреса: 01033, Київ – 33, вул. Володимирська, 64

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, Київ – 33, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “ 25 ” вересня 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О. В. Цимбалюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. З'ясування принципів і механізмів контролю цілеспрямованих моторних реакцій центральною нервовою системою (ЦНС) є однією з найважливіших задач сучасної біофізики головного мозку. Ця проблема викликала й продовжує викликати значний інтерес дослідників, але загальноприйнятих положень у цій області поки що не розроблено. Широко розповсюджені уявлення про те, що керування м'язовою активністю здійснюється за допомогою, зміни порога найпростіших спинальних м'язових рефлексів, [гіпотеза рівноважної точки, Фельдман, 1979], сьогодні в багатьох аспектах є сумнівними. Крім того, накопичено досить багато даних щодо нелінійних властивостей м'язового скорочення [Korchak, 1998; Kostyukov, 1999]. Все це ставить під сумнів, існування однозначної залежності між основними макропараметрами руху і обумовлює актуальність подальших досліджень механізмів керування цілеспрямованими рухами.

В даний час реакції нейронів головного мозку, пов`язані зі здійсненням різних видів рухів, досліджуються досить широко, але питання, як і де амплітуда і напрямки руху закодовані і представлені в ЦНС, залишається відкритим. У моторній корі виявлена тільки слабка кореляція нейронної активності з амплітудою руху [Georgopoulos, 1998; Schwars and Georgopoulos, 1999]. Відсутність кореляції виявлено у вивченні односпрямованого руху [Hamada and Kubota, 1979], і спроби знайти більш чітку кореляцію між активністю однієї нервової клітини з амплітудою руху були невдалими. В деяких роботах передбачається, що параметри руху, які можуть кодуватися в первинній моторній корі, включають силу, [Montgomeri er al., 1992; Wannier et al., 1991] та м'язову активність [Crutcher and Alexandern, 1990; Maier et al., 2001]. Параметри, які контролюють швидкість руху вивчені менше, і гіпотези про цей контроль дуже суперечливі [Burbaud et al, 1991; Flament and Hore, 1999; Schwartz, 2002]. При дослідженні первинної моторної і премоторної кори Fu Q.G, Flament D, показали, що напрямок руху, відстань, і цільове положення співвідносяться з активністю окремих нейронів, але питання про те, як ці структури кодують численні параметри руху, залишається відкритим.

У дослідах на людині [Talnov et al., 1998, 1999], було показано, що при здійсненні повільних односуглобних рухів із наступним утриманням досягнутої позиції, стаціонарний рівень електроміограмної (ЕМГ) активності на фазах утримання не залежав від величини сталого рівноважного суглобного кута. При цьому, амплітуда динамічної фази ЕМГ активності, яка пов'язана із власне переміщенням, корелювала з величиною суглобного кута й швидкістю руху. Такі параметри, як швидкість, тривалість і амплітуда переміщення були пов'язані з розвитком у часі динамічних фаз ЕМГ активності.

Прогрес у цій області досліджень, можливий на основі одержання детальних даних про структуру моторних команд і співвіднесення їхніх параметрів з параметрами відповідних рухових реалізацій. Необхідні дані доцільно одержувати на найпростіших моделях з максимальним обмеженням кількості змінних. Це визначило наш вибір односуглобних рухів як основного рухового компоненту досліджень.

Виявлене різне відношення фаз моторних команд до регуляції сили і суглобного кута здавалося нам перспективним для дослідження контролю цих параметрів з боку центральних областей рухової системи, на рівні поодиноких нейронів кішки. Враховуючи викладене, ми досліджували динаміку формування моторних команд у сенсомоторній корі котів при виконанні цілеспрямованих точнісних згинальних рухів передпліччя.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи було виявлення закономірностей контролю рухів з боку первинної моторної кори, з урахуванням нелінійних властивостей м'язового скорочення, визначення структури та динаміки формування моторних команд у сенсомоторній корі під час виконання цілеспрямованого руху, і функціональної ролі різних фаз таких команд.

Для досягнення мети дослідження були поставлені наступні задачі:

1. З'ясувати залежність між параметрами розрядів нейронів первинної моторної кори й амплітудно-часовими характеристиками інструментальних рухів.

2. Вивчити паттерн моторних команд, що надходить до м'язів-згиначів ліктьового суглоба кішки при виконанні повільних (небалістичних) згинальних рухів без навантаження та при постійному зовнішньому навантаженні яке спрямоване у бік розгинання суглоба.

3. Визначити функціональну роль динамічних і стаціонарних фаз моторних команд під час точнісного переміщення передпліччя з однієї позиції на іншу.

Об`єкт дослідження – нейрони моторної кори котів.

Предмет дослідження - механізми контролю цілеспрямованих моторних реакцій центральною нервовою системою.

Методи дослідження - Експерименти виконані із застосуванням відведення потенціалів дії поодиноких нейронів моторної кори кішки та відведення електроміограмної активності від mm.biceps та triceps brachii, в процесі виконання цілеспрямованого інструментального руху у ліктьовому суглобі

Наукова новизна роботи. Показано, що цілеспрямовані небалістичні рухи, що відбуваються без виникнення значних моментів інерції, контролюються, насамперед, динамічними змінами керуючих сигналів, певним чином скоординованих у часі. Свідченням цього є встановлення цільового рівноважного стану суглоба ще до переходу моторної команди в стаціонарну фазу. Продемонстровано принципову неоднозначність співвідношення між рівнем еферентної активності, що надходить до м`язів-агоністів, і рівноважним суглобним кутом. Показано, що досягнення рівноважного стану під час виконання найпростіших цілеспрямованих рухів неможливо цілком пов'язувати з генерацією еферентної активності на стаціонарній ділянці руху, як це робилося в рамках різних модифікацій теорії рівноважної точки. З'ясовано, що стаціонарна ділянка моторної команди не несе в собі ніякої інформації про абсолютне значення суглобного кута. Переміщення і зупинка суглоба в заданій позиції, імовірніше всього, контролюється послідовністю потоків імпульсної активності моторної кори, які відповідають динамічній фазі моторної команди. Показано непродуктивність використання надмірно спрощених уявлень про принципи керування моторними реакціями (зокрема тих, котрі не враховують нелінійні властивості м'язового скорочення та складність і лабільність моторних програм). Особлива увага звернена на складний багатокомпонентний склад динамічних фаз керуючих сигналів при монотонній зміні суглобного кута, який може служити ще одним свідченням відсутності простих лінійних співвідношень між паттернами моторних команд і відповідними рухами. Виявлена невелика кількість нейронів, що змінюють імпульсні характеристики, тільки в момент початку і припинення руху. Ці реакції, на нашу думку, є свого роду, коректором точнісного позиціонування суглоба для даного типу рухів.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані результати істотно доповнюють сучасні уявлення про механізми центрального керування цілеспрямованими рухами. Результати роботи можуть бути використані при аналізі механізмів центральної регуляції рухів. Отримані дані про організацію моторних команд і їхніх співвідношеннях із макрохарактеристиками рухів можуть бути використані в клінічній медицині при корекції патологічних порушень, викликаних захворюваннями і травмами м'язів і периферичних нервів. Крім того, результати представленої роботи можуть бути корисними в розробці методик післяопераційної реабілітації хворих, які були піддані трансплантації і транспозиції м'язів. Результати роботи можуть бути використані в ергономіці для оптимізації режиму операторської діяльності.

Особистий внесок. Усі експерименти, описані в роботі, були виконані особисто автором. Обробка результатів, аналіз та узагальнення експериментального матеріалу виконувалися особисто автором. У розробці концепції роботи та обговоренні її результатів брав участь керівник роботи.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідались і обговорювались на семінарах Інституту фізіології ім. О. О. Богомольця НАН України (1999-2001р.); 6-й Пущинській конференції молодих вчених (Пущино, Росія, 2002р.), ІІІ з’їзді українського біофізичного товариства (Львів, 2002р.), III Міжнародній науковій конференції молодих вчених (Дніпропетровськ, 2002р.), з`їзді Українського фізіологічного товариства (Вінниця, 2002р.), Всеукраїнській конференції молодих вчених (Сімферополь, 2003р.)

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано дванадцять робіт, (5 статей і тези 7 доповідей).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, огляду літератури, матеріалів та методів досліджень, результатів досліджень, обговорення результатів, висновків та списку використаних джерел із 143 найменувань. Робота викладена на 128 сторінках та ілюстрована 28 рисунками.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Матеріали та методи досліджень

Дослідження були проведені на кішках обох статей, попередньо навчених виконувати їжездобуваючі інструментальні рухи. Для відведення нейронної активності в хронічному досліді, проводили хірургічну операцію на тварині. За допомогою стереотаксичних карт знаходили ділянку трепанації. Далі у череп тварин вживляли металеву циліндричну втулку діаметром 1см, яку закріплювали шурупами і швидкодіючою пластмасою. Наявність отвору у втулці давало можливість вільного доступу до 3-4 зон моторної кори. Для відведення нейронної активності використовували скляні мікроелектроди з опором 0.5-1 МОм і низькою селективністю, що дозволяло одночасно відводити активність декількох нервових клітин. Мікроелектроди заповнювали розчином NaCl (3.5 моль/л). Пошук точок відведення здійснювали відповідно до топографічних карт кори. Відведення нейронної активності проводили в областях кори, мікростимуляція яких викликала згинання ліктьового суглоба. Про початок рухової активності судили по ЕМГ біцепсу. Отримані дані, у вигляді миттєвих частот активності, вводили в ЕОМ. На їхній основі будували перестимульні гістограми. Довірчий інтервал (рівний двом стандартним відхиленням) був розрахований для фонової активності. В кінці кожної серії дослідів тварину забивали, та знаходили місця відведення нейронної активності на поверхні мозку.

У ході експерименту робили відведення ЕМГ-активності від mm. biceps і triceps brachii. Для цього перед початком досліду тварині у відповідні м'язи вколювали по 2 електроди, на відстані 5 мм один від одного. Після підсилення ЕМГ піддавали двохнапівперіодному випрямленню, смуговій фільтрації (смуга пропускання 50-500 Гц) і наступному згладжуванню. Аналогові сигнали

(ЕМГ-активність, піддана описаному вище електронному перетворенню, а також сигнали від датчиків, що вимірювали момент сили і суглобний кут) подавали на аналого-цифровий перетворювач і оцифровували з частотою опитування 1 кГц і 12-розрядним дозволом. Аналізовані рухи згинання виконувались в умовах фіксації плеча. У ході експерименту тварину поміщали в мішок із щільної тканини з прорізами для голови та передніх кінцівок, який обмежував рух тулуба і задніх кінцівок. На передні кінцівки вдягався жилет армований металевим дротом. Жилет добре іммобилізував плече і лопатку піддослідної правої передньої кінцівки тварини, але не перешкоджав рухам у ліктьовому суглобі. Передпліччя досліджуваної передньої кінцівки прибинтовували до легкого важеля, вісь якого збігалася з фронтальною віссю ліктьового суглоба. Системою сталевих тросиків і шківів важіль був жорстко зв'язаний із сервокерівним механостимулятором – електромагнітним лінійним двигуном, у якому була передбачена можливість незалежного контролю сили і положення. Як датчики сили використовували тензорезистори, а датчику положення прецизійний потенціометр. Власна піддатливість механостимулятору складала 50 Н/мм. Постійні часу перехідних процесів зміни сили і суглобного кута при навантаженні двигуна еластичним навантаженням із жорсткістю 50 Н/мм не перевищувала 60 мс, піддатливість сервосистеми складала 0.035 град/Н. При нульовому зовнішньому навантаженні і неактивному стані м'язів–антагоністів, піддослідна кінцівка займала рівноважне положення, при якому кут між плечем і передпліччям складав 400 (за нуль суглобного кута приймалася повністю розігнута кінцівка). У цьому місці був розташований упор, що запобігав активному розгинанню, викликаному зовнішнім навантаженням. Завдяки цьому діапазон інструментальних рухів знаходився в межах 400-700. Командні сигнали задавали з персонального комп'ютера за допомогою програмного забезпечення, створеного в нашій лабораторії. Метою інструментального руху була доставка годівниці з їжею в район розташування голови тварини. Годівницю розташовували на важелі, до якого кріпили передпліччя піддослідної кінцівки. У ході вироблення інструментального умовного рефлексу тварину навчали згинати досліджувану праву кінцівку в ліктьовому суглобі. При цьому годівниця з їжею переміщалася в область рота тварини. Таким чином, досліджувався інструментальний рух, що являв собою односуглобний згинальний рух у ліктьовому суглобі. Якщо тварина утримувала лапу в зігнутому положенні протягом 2-3 с, відкривалася шторка, що раніше перешкоджала одержанню їжі і годування ставало можливим. Змінюючи початкові положення годівниці, вдавалося задавати різні амплітуди інструментальних рухів.

Статистичну обробку даних проводили з використанням t- критерію Стьюдента і критерію Пірсона (?2) за допомогою аналітичних пакетів COPLOT і STATGRAPHICS. Вірогідними вважались результати із рівнем значущості p<0,05.

Результати досліджень

Активність флексорів, екстензорів і нейронів моторної кори при виконанні точнісних рухів згинання передпліччя за умов відсутності зовнішнього навантаження. На рисунку 1 представлені результати ЕМГ-активності м'язів – антагоністів ліктьового суглоба (m. biceps brachii і m. triceps brachii), отримані при виконанні інструментальних рухів з різними амплітудами згинання кінцівки. Кожен запис є результатом усереднення 10 поодиноких записів. Динамічна фаза ЕМГ змінювалася стаціонарною фазою, генерованою протягом усього періоду утримання досягнутої рівноважної позиції. З наведених даних видно, що при істотно різних за величиною суглобних кутах рівень ЕМГ-активності на стаціонарних ділянках практично однаковий, і мало відрізняється від фонових значень. Одним з найбільш істотних фактів, отриманих у ході даних експериментів, є те, що цільовий рівноважний кут суглоба у всіх випадках установлювався під час розвитку динамічної фази ЕМГ, ще до виходу останньої на стаціонарний рівень. Отже, саме динамічна фаза моторної команди, яка складається із декількох компонентів, несе в собі інформацію про переміщення на іншу позицію, і повинна розглядатися як складний компонент рухової програми, а не простий перехід від однієї рівноважної позиції до іншої.

Була вивчена імпульсна активність 161 нейрону моторної кори, реакції яких випереджали зміну ЕМГ- активності пов'язаної зі здійсненням моторної команди на 50-150 мс. На рисунку 2 приведений приклад зміни реакції нейронів моторної кори при виконанні односуглобних згинальних рухів із наступним утриманням досягнутої позиції з трьома різними амплітудами без прикладання зовнішнього навантаження.

Рис. 2. Реакції нейронів моторної кори і зміна суглобного кута при виконанні згинальних рухів ліктьового суглоба при відсутності зовнішнього навантаження.

А, В, С - реакції трьох нейронів відповідно. По осі абсцис - час (тривалість біна 50 мс). По осі ординат – середня частота імпульсів у біні. Лінією паралельній осі абсцис позначена середня частота фонової активності нейрона. Вертикальними лініями позначені межі рухових і стаціонарних фаз руху. кут 200, 400, 600, відповідно кути згинання ліктьового суглоба. N- кількість реалізацій.

Добре видно, що на фазі утримання при істотно різних рівнях суглобних кутів (200, 400 і 600), частота активності нейронів практично не змінюється і істотно не відрізняється від фонової. При порівнянні рухових реакцій однакової амплітуди, але виконаних з різною швидкістю (рис. 3) стає помітно, що частота активності нейрону на динамічній ділянці руху збільшується по мірі збільшення швидкості руху.

Динамічна фаза нейронної активності моторної кори в багатьох випадках мала свою власну складну структуру. У цій фазі, як правило, можна було виділити дві складові: дуже швидке початкове збільшення активності (перша ділянка), за якою відбувався більш повільний спад рівня активності (друга ділянка динамічної фази). Початковий спалах активності з високою частотою імпульсації (перша ділянка) виникав за декілька мілісекунд до початку руху.

Слід зазначити, що це запізнювання було відносно лабільним. Можна уявити, що кожна з цих модальностей має свої канали для реалізації впливу на центральні механізми рухових команд. Таким чином, моторні команди, які адресовані флексорним м`язам ліктьового суглоба, мають свою особливу специфіку. Цей факт сам по собі вказує на те, що припущення про кодування рівноважного стану суглоба рівноважним рівнем еферентної активності має дуже серйозні недоліки.

Виявилось, що зупинка кінцівки, що переміщується, також пов'язана з нейронною активністю яка відповідає динамічній фазі руху. На рис. 3 видно незначне, але досить помітне підвищення рівня нейронної активності за декілька мілісекунд до виходу суглоба на задану позицію. Цей пік активності погано корелював із зміною амплітуди суглобних кутів, але проявляв тенденцію до росту при збільшенні швидкості згинання суглоба. На нашу думку зупинка і фіксація суглобного кута викликає запуск наступної програми руху – експонентного спаду активності до нового стаціонарного рівня, що визначається точкою зупинки. Такий спосіб кодування параметрів руху допускає існування деякого неоднозначного нелінійного зв'язку між інтенсивністю імпульсації нейронів моторної кори й амплітудою руху.

Важливим видається той факт, що, незважаючи на відсутність істотних розходжень по максимальній частоті імпульсації нейрона при різних суглобних кутах, чітко просліджується збільшення сумарної величини нейронної активності в динамічній фазі до тривалості самої динамічної фази зі збільшенням величини суглобного кута. При виконанні рухів з різною швидкістю згинання суглоба, але з однаковою величиною амплітуди переміщення, відбувається збільшення цього показника зі збільшенням швидкості згинання. Ця особливість дозволяє припустити існування зв'язку швидкості руху з амплітудно-часовими параметрами динамічного компонента.

Такий зв'язок між вираженістю відповідей нейронів і виконанням рухової задачі спостерігався на нейронах, які відповідають зміною активності протягом усієї динамічної фази руху. Інші амплітудно-часові показники виявили в реакціях нейронів, які відповідають двома спалахами активності в динамічній фазі (рис 4). Перший пул імпульсації не проявив тенденції до зміни імпульсно-часових параметрів ні зі збільшенням суглобного кута, ні зі збільшенням швидкості згинання суглоба.

Рис. 3. Реакції нейрону моторної кори і зміна суглобного кута при виконанні згинальних рухів з різною швидкістю згинання суглоба.

По осі абсцис - час (тривалість біна 50 мс). 1, 2, 3 - відповідно різні швидкості згинання суглоба, кут 200, 400, 600, відповідно кути згинання ліктьового суглоба. Інші позначення як на рис. 2.

Другий спалах активності, що виникає в момент виходу суглоба на задану позицію, істотно менше першого, але і в цьому випадку не просліджується чітка кореляція з величиною суглобного кута. Однак зі збільшенням швидкості згинання суглоба чітко просліджується збільшення максимальної частоти нейронної активності на рівні другого пулу. Слід зазначити, що перший, і особливо другий пік активності нейронів, що відповідають таким пулом реакцій, виявляє опосередковану кореляцію до активності m. triceps brachii.

Дані реакції, на нашу думку, є одним із компонентів програми точнісного позиціонування суглоба для даного типу рухів. Звертає на себе увагу той факт, що в проміжках між піками активності частота реакцій нейрона істотно не перевищує фонового рівня, як у динамічній, так і протягом стаціонарної фази руху.

Слід зазначити, що нейронів, які відповідають такими змінами характеру імпульсації, було зареєстровано відносно небагато, у відношенні 1:8 до загальної кількості досліджених клітин.

Рис. 4. Реакції нейрону моторної кори і зміна суглобного кута при виконанні згинальних рухів за умов відсутності зовнішнього навантаження з різною швидкістю згинання суглобу.

По осі абсцис - час (тривалість біна 50 мс). Вертикальними лініями позначені межі рухових і стаціонарних фаз руху. N- кількість реалізацій. 1, 2, 3 - відповідно різні швидкості згинання суглоба, кут 200, 400, 600, відповідно кути згинання ліктьового суглоба. Інші позначення як на рис. 2.

Активність нейронів моторної кори, флексорів і екстензорів при виконанні точнісних рухів згинання передпліччя за умов прикладення постійного зовнішнього навантаження, спрямованого проти зусилля, яке розвиває аналізована група м'язів. При наявності навіть невеликого зовнішнього навантаження, прикладеного у бік розгинання суглоба (рис. 5), амплітуда стаціонарної ділянки ЕМГ-активності стає вище фонової. Варто відмітити, що в цьому випадку спостерігається чітка кореляція між величиною зовнішнього навантаження і ЕМГ-активністю в стаціонарній фазі. Амплітуда ЕМГ у динамічній фазі не залежала від величини суглобного кута і була однакова при трьох різних сталих суглобних кутах.

Заслуговує увагу той факт, що збільшення фонового навантаження викликало не тільки приріст інтенсивності ЕМГ на фазах утримання, але і супроводжувалось складними змінами тимчасового плину динамічних фаз.

На рисунку 6 наведено приклад зміни реакції нейронів моторної кори в процесі виконання односуглобних згинальних рухів із наступним утриманням досягнутої позиції з трьома різними амплітудами і зовнішнім навантаженням 0.05 Н/м та 0.1 Н/м.

Рис. 5. Електроміограмна активність м'язів ліктьового суглоба і зміна суглобного кута при виконанні згинальних рухів в умовах відсутності зовнішнього навантаження (а), та з прикладеним навантаженням спрямованим у бік розгинання суглобу (б).

Bic.br., Tr.br. – Електроміограмна активність біцепсу та трицепсу відповідно, кут. - зміна суглобного кута. 1, 2-зовнішне навантаження 0.05 та 0.1 Н/м відповідно. Вертикальними лініями позначений початок руху і момент виходу суглоба на задану позицію. 200, 400, 600, відповідно кути згинання ліктьового суглоба. Кожен запис є результатом усереднення 10 окремих записів.

На стаціонарній фазі руху помітне істотне збільшення частоти активності нейрону по мірі збільшення прикладеного зовнішнього навантаження в порівнянні з фоновою активністю. Варто звернути увагу на те, що у випадках відсутності зовнішніх сил, що розгинають суглоб, подібних реакцій знайдено не було. Разом с

тим помітно, що на фазі утримання при різних рівнях суглобних кутів (200, 400 і 600) частота активності нейронів з однаковим постійним навантаженням залишалась практично на одному рівні.

При прикладанні навіть невеликого зовнішнього навантаження 0.05 Н/м, перший пул активності нейрона, що був пов`язаний з початком руху, зменшувався. Надалі, при збільшенні сили прикладеного зовнішнього навантаження чітко просліджувалось зменшення його максимальної частоти зі збільшенням прикладеної сили. Другий пул нейронної активності, пов`язаний з виходом суглоба на задану позицію, при додаванні зовнішнього навантаження істотно зменшувався і мало відрізнявся від фонових значень. При подальшому збільшенні прикладеного зовнішнього навантаження він не виявляв тенденції до зміни імпульсно-часових параметрів. Звертає на себе увагу те, що в проміжках між піками активності частота реакцій нейрона істотно не перевищувала фонового рівня, як у динамічній, так і протягом стаціонарної фази руху.

Рис. 7. Реакції нейрону моторної кори та зміна суглобного кута при здійсненні згинальних рухів в умовах дії постійного зовнішнього навантаження спрямованого у бік розгинання суглоба.

По осі абсцис - час (тривалість біна 50 мс). По осі ординат – середня частота імпульсів у біні, зов.н. – рівні прикладеного зовнішнього навантаження. Інші позначення як на рис. 2.

Обговорення

В зв`язку з надзвичайною складністю дослідження механізмів контролю цілеспрямованих моторних реакцій центральною нервовою системою, необхідні дані доцільно одержувати на найпростіших моделях із максимальним обмеженням кількості змінних. Для аналізу механізмів керування цілеспрямованими руховими реакціями найбільш доцільними руховими задачами в процесі дослідження, на наш погляд, є односуглобні рухи. При вивченні цього класу рухів відсутній вплив міжсуглобних взаємодій, що ускладнює амплітудно-часові характеристики нейронних реакцій. В той же час забезпечується гранична просторово-часова організація активності м'язів, відповідальних за реалізацію руху, а також, без особливих труднощів, може бути забезпечена їхня висока стереотипність, що особливо важливо для роботи з тваринами.

Дослідження реакцій моторної кори, та паттерна ЕМГ-активності м'язів, що забезпечують ці рухи, показали, що перехід між двома рівноважними станами суглоба завжди супроводжується генерацією динамічної фази, за якою установлюється фаза стаціонарної активності, що відповідає утриманню суглоба на новій рівноважній позиції. Результати дослідження показують, що залежність між суглобним кутом, амплітудою стаціонарної фази ЕМГ і нейронної активності моторної кори, як правило, неоднозначна. В умовах відсутності зовнішнього навантаження при істотно різних по величині суглобних кутах рівень активності на стаціонарних ділянках практично однаковий, і мало відрізняється від фонового значення. В умовах дії постійного зовнішнього навантаження, спрямованого убік розгинання суглоба, на стаціонарних ділянках були істотно вище як і ЕМГ, так і середня частота активності нейронів, але в той же час їхній рівень був практично однаковий зі зміною амплітуди руху при контролі прикладеної сили.

Цей факт вже сам по собі вказує на те, що припущення про строге кодування рівноважного положення суглоба рівноважним рівнем еферентної активності стикається з явними труднощами. Нами показано, що частота імпульсації пірамідних нейронів корелювала із зусиллям, що розвивається, і практично не залежала від поточного значення суглобного кута.

Аналіз отриманих даних дозволяє зробити висновок про те, що конкретний рух являє собою рішення більш складної рухової задачі, ніж проста генерація сили. З цієї причини просте виявлення кореляції між траєкторією руху й активністю окремих коркових нейронів, очевидно, не є в достатньому ступені адекватним прийомом для аналізу процесів рухового контролю.

На підставі отриманих даних можна припустити, що характеристики стаціонарної фази неможливо передбачати на основі простих біомеханічних показників, як це робиться в межах різних модифікацій гіпотези про рівноважну точку. Як відомо, ця найбільш розповсюджена концепція постулює існування для кожного певного навантаження однозначного коду: рівень моторної команди (еферентної активності) - рівноважний кут. Очевидно, що при цьому основна інформація, що визначає цільове рівноважне положення, міститься саме в стаціонарній фазі рухової команди, а динамічна фаза останньої розглядається або як фаза, що відображає разовий перехід від одного рівноважного рівня еферентної активності до іншого, або як ділянка активності, що зв'язана з реалізацією рівноважної траєкторії, що забезпечує перехід до заданого рівноважного кута.

На підставі отриманих даних є вагомі причини вважати, що при реалізації даних рухів і утриманні цільового положення в механічній активності м'язів присутні складові, не керовані моторною командою. Зокрема, при переході до стаціонарної фази рівень м'язової активності може різко падати при збереженні значного рівня зусилля, що розвивається м'язом. Таким чином, стаціонарний рівень моторної команди є лише одним з ряду факторів (а не єдиним фактором), що відповідають за досягнення й утримання цільової рівноважної позиції. Очевидно, що істотну роль у визначенні цієї позиції відіграють нелінійні гістерезисні властивості м'язового скорочення. Досягнення ж рівноваги в системі суглоб – зовнішнє навантаження реалізується в першу чергу на основі взаємодії динамічних складових нейронних моторних команд.

Важливим являється той факт, що незважаючи на відсутність істотних розходжень по максимальній частоті імпульсації нейрона при різних суглобних кутах, чітко прослідковується збільшення сумарної величини нейронної активності в динамічній фазі до тривалості самої динамічної фази. При виконанні рухів з різною швидкістю згинання суглоба, але з однаковою величиною переміщення, відбувається збільшення цього показника зі збільшенням швидкості згинання. Оскільки сумарна активність нейрона в динамічній фазі корелює з амплітудою рухової команди, а імпульсація нейронів на стаціонарній ділянці руху мало відрізняється від фонового рівня, можна з великим ступенем імовірності припустити, що контроль переміщення й амплітуди опосередковується тільки динамічною фазою руху. Отримані дані підтверджують положення, що рівень моторної команди, що надходить до м'яза при виконанні цілеспрямованого руху, дуже чуттєвий до зміни навантаження, проти якого м'яз виконує роботу і, відповідно, сили, що розвивається цим м'язом.

Той факт, що виявлена невелика кількість нейронів, що змінюють імпульсні характеристики, тільки в момент початку і припинення руху, також підтверджує припущення про чільну роль динамічної фази в точнісному позиціонуванні суглоба. Слід зазначити, що в цих нейронах не виявлено кореляції активності зі збільшенням величини суглобного кута. Але в теж час простежується залежність зміни активності цих нейронів у момент виходу суглоба на задану позицію зі швидкістю переміщення та зміною прикладеного до суглоба зусилля. На нашу думку, перший спалах активності такого нейрона, який пов'язаний з початком виконання рухової програми, запускає програму руху з приблизною та невточненною амплітудою зупинки. Другий пул активності, пов'язаний із зупинкою суглоба в заданій позиції, контролює момент зупинки і є, свого роду, коректором точнісного позиціонування.

При такому способі кодування рухових команд стає очевидним наявність гістерезисних ефектів м'язового скорочення. Ці ефекти з'являються у вигляді додаткової м'язової сили на ділянці спадання нейронної активності і можливо є причиною незалежності рівня стаціонарної ЕМГ-активності від величини суглобного кута.

ВИСНОВКИ

1. Співвідношення між стаціонарним рівнем еферентної активності, що надходить до м'язів ліктьового суглоба, нейронної активності на фазах утримання кінцівки й величиною сталого суглобного кута є принципово неоднозначним, що, пов'язано з гістерезисними властивостями м'язового скорочення.

2. Встановлено, що при виконанні односуглобних згинальних рухів в ліктьовому суглобі та утриманні цільового положення, нейрони моторної кори розряджалися з частотою, пропорційною зусиллю, що розвивається м'язом, та зміні швидкості цього зусилля.

3. Виявлена невелика кількість нейронів, що змінюють імпульсні характеристики, тільки в момент початку і припинення руху. На нашу думку дані реакції є одним із компонентів програми точнісного позиціонування суглоба для даного типу рухів

4. Фази нейронної активності відповідні динамічному компоненту ЕМГ, та динамічні фази ЕМГ-активності м'язів, що реалізують цілеспрямований рух, містять у собі функціонально різні компоненти, що корелюють з окремими кінематичними характеристиками руху ( швидкістю, рівнем прикладеного зусилля).

5. Отримані дані підтверджують припущення про здійснення центрального контролю цілеспрямованих рухів на основі динамічних змін керуючих сигналів, певним чином скоординованих у часі, стаціонарна ж фаза таких сигналів є лише одним із ряду факторів, що визначають рівноважне цільове положення суглоба.

6. Сукупність отриманих даних неможливо задовільно інтерпретувати, ґрунтуючись тільки в рамках різних модифікацій гіпотези рівноважної точки, яка базується на строгому кодуванні рівноважного положення суглоба рівноважним рівнем еферентної активності, у той же час ці дані в загальному узгоджуються з імпульсно-часовою гіпотезою керування рухами.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Ноздренко Д.Н., Сорока В.М., Шеремет Л.П. Електроміограмна активність м`язів ліктьового суглоба при зміні суглобного кута // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Біологія. – 2002. – Вип. 38. – С. 19-20.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М., Мірошниченко М.С. Реакції нейронів моторної кори кішки при виконанні згинальних рухів за умов дії постійного зовнішнього навантаження // Фізика живого. – 2002. – №1. – С. 41-48.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М., Мірошниченко М.С. Реакції пірамідних нейронів сенсомоторної кори кішки при зміні суглобного кута з різними швидкостями згинання ліктьового суглоба // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Біологія. – 2003. – Вип. 39. – С. 32-33.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М., Мірошниченко М.С. Дослідження активності нейронів моторної кори кішки при виконанні односуглобних згинальних рухів // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Біологія. – 2003. – Вип. 40. – С. 63-65.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М., Мірошниченко М.С. ЕМГ-активність м`язів ліктьового суглоба кішки при виконанні цілеспрямованого руху в умовах постійного зовнішнього навантаження // Вісник Київського університету імені Тараса Шевченка. Біологія. – 2003. – Вип. 41. – С. 17-19.

Ноздренко Д.Н., Тальнов А.Н. Реакції нейронів первинної моторної кори кішки при переході передньої лапи з одного рівноважного положення в інший // Фізіологічний журнал. – 2002. – Том 48, №2. – С. 57-58.

Ноздренко Д.Н., Сорока В.М. Анализ моторных команд возникающих в моторной коре кошек в процессе выполнения инструментального движения в локтевом суставе при приложении внешней нагрузки // 6- Пущинська конференція молодих вчених. – Пущино (Росія). – 2002 .– Т№1. – С. 119-120.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М. Динаміка формування моторних команд у сенсомоторній корі ненаркотизованих кішок при виконанні цілеспрямованих рухів в умовах дії постійного зовнішнього навантаження // Тези доповідей ІІІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – С. 172.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М. Реакції нейронів моторної кори кішки при зміні суглобного кута передпліччя // Тези доповідей ІІІ з’їзду Українського біофізичного товариства. – Львів. – 2002. – С. 173.

Nozdrenko D.M., Soroka.V.М. Responses of motor cortex neurons of cats under the change of composite angle of a forearm // III Міжнародна наукова конференція молодих вчених. – Дніпропетровськ. – 2002. – С. 97.

Nozdrenko D.M., Soroka.V.М. Dynamics of motor commands in the cortex sensmotor of nonnarcotics cats under the action of constant external force // III Міжнародна наукова конференція молодих вчених. – Дніпропетровськ. – 2002. – С. 103-104.

Ноздренко Д.М., Сорока В.М. Амплитудно-часова структура моторних команд при виконанні цілеспрямованих рухів кішки // Всеукраїнська конференція молодих вчених. – Сімферополь.–2003. – С. 65.

Анотація

Ноздренко Д.М. Динаміка формування моторних команд у сенсомоторній корі котів при виконанні цілеспрямованих рухів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.02 – біофізика. – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню механізмів контролю цілеспрямованих моторних реакцій з боку центральної нервової системи. Експерименти виконані із застосуванням відведення потенціалів дії поодиноких нейронів моторної кори кішки та ЕМГ-активності mm.biceps та triceps brachii, в процесі виконання цілеспрямованого інструментального руху у ліктьовому суглобі. Встановлено, що нейрони моторної кори розряджалися з частотою, пропорційною зусиллю, що розвивається м'язом, чи зміні швидкості цього зусилля. Частота імпульсації пірамідних нейронів практично не залежала від поточного значення суглобного кута.

Показано, що нове стаціонарне значення суглобного кута встановлюється протягом часу, що відповідає динамічній фазі активності моторної кори. Стаціонарна фаза моторної команди не несе в собі ніякої інформації про значення встановлюваного суглобного кута. Виявлено невелику кількість нейронів, імпульсні характеристики яких змінюються тільки в моменти початку й припинення руху.

На підставі отриманих даних є вагомі причини вважати, що при реалізації даних рухів і утриманні цільового положення в механічній активності м'язів присутні складові, не керовані моторною командою. Отримані дані підтверджують припущення про здійснення центрального контролю цілеспрямованих рухів на основі динамічних змін керуючих сигналів, певним чином скоординованих у часі, стаціонарна ж фаза таких сигналів є лише одним із ряду факторів, що визначають рівноважне цільове положення суглоба.

Ключові слова: моторна кора, нейрона активність, суглобний кут, електроміограма, зовнішнє навантаження.

АННОТАЦИЯ

Ноздренко Д.Н. Динамика формирования моторных команд в сенсомоторной коре кошек при выполнении целенаправленных движений. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.02 – биофизика. – Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2003.

Диссертация посвящена исследованию механизмов контроля целенаправленных моторных реакций со стороны центральной нервной системы. Эксперименты выполнены с использованием отведения потенциалов действия одиночных нейронов моторной коры кошки и ЕМГ-активности mm.biceps и triceps brachii, в процессе выполнения целенаправленного инструментального движения в локтевом суставе.

Проведенное исследование, выявило отсутствие однозначного соответствия между основными макропараметрами, описывающими состояние сустава: суставным углом и уровнем эфферентной активности поступающей к мышцам сустава. Установлено, что нейроны моторной коры разряжались с частотой, пропорциональной усилию, которое развивается мышцей и изменению скорости этого усилия. Частота импульсации пирамидных нейронов практически не зависела от текущего значения суставного угла.

Показано, что новое стационарное значение суставного угла устанавливается на протяжении времени, которое отвечает динамической фазе активности моторной коры. Стационарная фаза моторной команды не несет в себе никакой информации о значении установившегося суставного угла. Увеличение внешней нагрузки вызвало не только прирост интенсивности импульсации на фазах удержания сустава, но и сопровождалось сложными изменениями временного течения динамических фаз. Максимальный уровень активности мотонейронов зависел, прежде всего, от скорости перемещения и уровня приложенной внешней нагрузки, в тоже время амплитуда движения не определяла этот уровень.

Выявлено небольшое количество нейронов, импульсные характеристики которых изменяются только в момент начала и прекращение движения. В этих нейронах также не выявлено корреляции нейронной активности соответствующей стационарной фазе движения с увеличением суставного угла. Но в тоже время прослеживается зависимость изменения активности этих нейронов в момент выхода сустава на заданную позицию со скоростью перемещения и изменениями прилагаемой к суставу силы.

По нашему мнению первый всплеск активности такого нейрона, связан с началом выполнения двигательной программы, и запускает программу движения с приблизительной и нуждающейся в уточнении амплитудой остановки. Второй всплеск активности, связанный с остановкой сустава в заданной позиции, контролирует момент остановки, являясь, своего рода, корректором точностного позиционирования. Это позволяет предположить, что величина перемещения не кодируется в виде простой зависимости от интенсивности импульсации нейронов и количества активных клеток.

На основании полученных данных есть причины считать, что при реализации исследованных движений и удержании целевого равновесного положения сустава в механической активности мышц присутствуют составляющие, не управляемые моторной командой.