НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ ім. О.О. БОГОМОЛЬЦЯ

ПАВЛЕНКО Володимир Борисович

УДК 612. 821 : 612.822.3

РОЛЬ КОРИ МОЗКУ Й ПІДКОРОВИХ

АМІНЕРГІЧНИХ СТРУКТУР В ОРГАНІЗАЦІЇ ЦІЛЕСПРЯМОВАНОГО ПОВЕДІНКОВОГО АКТУ

03.00.13 – фізіологія людини і тварин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора біологічних наук

КИЇВ – 2004

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Таврійському національному університеті

ім. В. І. Вернадського

Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти:–

| доктор біологічних наук, професор

Макарчук Микола Юхимович,

завідувач кафедрою фізіології людини та тварин Київського Національного університету

ім. Т.Г. Шевченко;–

| доктор медичних наук, професор

Йолтухівський Михайло Володимирович,

Вінницький державний медичний університет ім. М.І. Пирогова МОЗ України;–

| доктор біологічних наук

Василенко Дмитро Артурович,

провідний науковий співробітник Інституту

фізіології ім. О.О. Богомольця НАН України.

Провідна установа: Київський Національний медичний університет ім. О.О.Богомольця.

Захист відбудеться “1” лютого 2005 р. о 14 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.198.01 при Інституті фізіології ім.. О.О. Богомольця НАН України

(252024, Київ, вул. О.О. Богомольця, 4).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології.

Автореферат розіслано “23” грудня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор біологічних наук З.О. Сорокіна-Марина

Актуальність проблеми. Будь-яка діяльність людини і тварин значною мірою складається з цілеспрямованих поведінкових актів, у тому числі довільних рухів. Вивчення процесу формування поведінкового акту, який містить в собі планування, програмування, реалізацію рухів й оцінювання отриманого результату, є одним з найважливіших завдань фізіології. Найбільш дискусійними в даному аспекті є питання, що стосуються етапу планування руху, який розпочинається появою спонукання до дії (Eccles, 1990). Є підстави вважати, що формування спонукання до дії значною мірою обумовлене активністю нейронів амінергічних систем стовбура мозку. Ці системи іннервують усі основні, в тому числі моторні, регіони головного мозку й справляють на них як полегшувальні, так і пригнічувальні впливи (Foote, Morrison, 1987; Dunnet, Robbins, 1992).

Фундаментальне вивчення зв'язків активності окремих амінергічних систем з конкретними моторними функціями поки що лише розпочалося (Лиманський, 1990). Традиційно вважається, що з організацією рухової діяльності тісно пов'язана активність дофамінергічної (ДА-) системи (Bauer, Rebert, 1990; Rebert et al., 1993). Відомо, що загибель ДА-нейронів ділянки чорної субстанції (ЧС) стовбура мозку є основною причиною розвитку хвороби Паркінсона, котра супроводжується різноманітними руховими розладами; при цьому найбільш страждає фаза ініціації руху (Шаповалова, 1985; Trouche et al., 1989). З іншого боку, ряд авторів зазначають, що активація ДА-нейронів пов'язана не з організацією власне рухів, а, наприклад, при реалізації оперантного умовного рефлексу – з одержанням винагороди (Ljunberg et al., 1992; Schultz, 1999).

Роль інших амінергічних систем у забезпеченні цілеспрямованої поведінки вивчена недостатньо. Показано, що збудження норадренергічної (НА-) й серотонінергічної (СТ-) систем мозку призводить до загальної поведінкової активації, зокрема до генералізованого посилення рухової активності (Jacobs, Fornal, 1995; Nistico, Nappy, 1993; Berridge, Waterhouse, 2003). В той же час питання про можливе залучення цих систем у підготовку й реалізацію самоініційованих рухових актів поки що залишається відкритим.

Детальний аналіз участі амінергічних систем стовбура мозку в організації цілеспрямованої рухової поведінки особливо важливий у зв'язку з їх кардинальною, але недостатньо вивченою роллю в процесах навчання, становленні вищих психічних функцій, підтриманні оптимального емоційного балансу, контролі й розвитку ряду патологічних станів (Cloninger, 1988, 1999; Лиманський, 1990; Сторожук, 1990; Malon et al., 1994; Jacobs, Fornal, 1995; Aston-Jones et al., 2000; Саченко, Хоревін, 2001; Bond, 2001; Oades, 2002). Не виключено, що дослідження в цій сфері дозволять наблизитися до ідентифікації поведінкових індикаторів стану центральних амінергічних систем.

Ряд ключових процесів планування руху базуються на активності нейронних мереж асоціативних зон неокортексу, у тому числі тім’яної асоціативної ділянки (ТАД), яка є однією з основних проекційних мішеней амінергічних нейронів (Mountcastl et al., 1975; Сторожук, 1986; Foote, Morrison, 1987; Шевко, Афонський, 1987; Kalaska, 1996; Gu, 2002; Cunnington et al., 2002). Ушкодження ТАД призводять до порушення сприйняття спонукальних стимулів, розладу свідомої підготовки рухів, розвитку стану апраксії (Полякова, 1977; Батуєв, 1981; Sirigu et al., 2004). Функціональне значення ТАД привертало істотну увагу дослідників, проте конкретні нейронні механізми участі ТАД у плануванні, запуску й контролі різних видів довільних рухів вивчено не повною мірою.

У зв'язку з викладеним стає очевидним, що вивчення ролі амінергічних нейронів стовбура головного мозку й нейронів ТАД кори в процесах підготовки довільного руху, його реалізації й оцінки досягнутого результату є необхідною ланкою в намаганнях інтерпретувати структурно-функціональні основи організації цілеспрямованого поведінкового акту. Адекватними для проведення досліджень у цій сфері можуть бути експериментальні моделі з реєстрацією активності нейронів відповідних відділів мозку у тварин, що не сплять і реалізують оперантну моторну поведінку, наближену до натуральної. Певною паралеллю до згаданих вище експериментів на тваринах може бути використання моделей, заснованих на неінвазивной реєстрації електрографічних проявів діяльності ЦНС у людей в експериментальних парадигмах, також пов’язаних з виконанням моторних актів. Незважаючи на те, що рухи, котрі включені у склад досліджуваної моторної поведінки, детерміновані певними (насамперед, часовими) рамками, вони принципово не відрізняються від довільних. Наявність же певних обмежень забезпечує оптимальні можливості для кількісного аналізу спостережуваних феноменів.

Зрозуміло, що пряме вивчення активності амінергічних систем стовбура мозку людини на даному етапі розвитку нейрофізіології є практично неможливим. Але деяку інформацію в цьому аспекті можна одержати шляхом дослідження психологічних характеристик особистості тестованого, оскільки існують підстави вважати, що стан амінергічних систем мозку є істотним детермінантом цих характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася як фрагмент теми: “Психофізіологічні механізми забезпечення досліджень моделей оптимізації навчально-виховного процесу в середній школі” (тема виконується на кафедрі фізіології людини й тварин та біофізики Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського; № держреєстрації 0101 U 005768) і за темою проблемної лабораторії вищої нервової діяльності “Психофізіологічні механізми забезпечення й корекції процесів навчання” (№ держреєстрації 0103 U 001210).

Мета й завдання дослідження. Метою роботи було визначення ролі амінергічних систем стовбура головного мозку й нейронних систем неокортексу, насамперед його асоціативних ділянок, в організації цілісного поведінкового акту, що містить в собі самоініційований рух й оцінювання досягнутого результату.

Для досягнення зазначеної мети було поставлено такі завдання:

1. Проаналізувати зміни активності поодиноких ДА-, НА-, і СТ-нейронів стовбура мозку кішки в умовах обумовленого часовими параметрами цілісного поведінкового акту з основним моторним компонентом, виявити можливий зв'язок такої активності із самоініційованим оперантним рухом, сприйняттям сигналів про наступне отримання або відсутність підкріплення, а також з підкріпленням як таким.

2. Дати характеристику активності нейронів ТАД кори кішки, котра пов’язана з організацією різних видів довільних рухів, у тому числі самоініційованих.

3. В умовах виконання кішкою самоініційованих поведінкових актів порівняти часову організацію реакцій поодиноких амінергічних нейронів та клітин ТАД, з одного боку, та кортикальних викликаних ЕЕГ-потенціалів (ВП), з іншого.

4. Виявити амплитудно-часову організацію комплексу ЕЕГ-потенціалів, що супроводжують виконання людиною цілеспрямованого поведінкового акту у відповідних експериментальних парадигмах з реалізацією детермінованого руху, та визначити вікову динаміку такої організації.

5. Описати міжіндивідуальну варіативність параметрів ЕЕГ-потенціалів людини та часових характеристик поведінкових актів і визначити можливі причини такої варіативності, зокрема пов’язані з психологічними характеристиками особистості.

Об'єктом дослідження дисертаційної роботи є мозкові механізми, які забезпечують керування цілеспрямованим поведінковим актом у тварин (кішок) і людини.

Предмет дослідження – пов’язані з організацією цілеспрямованих поведінкових актів імпульсна активність нейронів кори головного мозку та підкорових амінергічних структур та масові електричні потенціали неокортексу.

Методи дослідження. У роботі використовували реєстрацію й аналіз параметрів рухів, імпульсної активності нейронів і викликаної ЕЕГ-активності головного мозку тварин, котрі виконували цілісний поведінковий акт з моторним компонентом. В тестах на людях реєстрували й аналізували параметри рухів та ЕЕГ-потенціалів в контексті відповідних експериментальних парадигм, а також виконували психологічне тестування випробуваних. Дані обробляли з використанням стандартних методів варіаційної статистики. Деталі методики наведено у відповідних розділах.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше докладно вивчено зміни активності амінергічних нейронів ділянки ЧС, блакитної плями (БП) і дорсального та верхнього центрального ядер шва (ЯШ) кішки в умовах реалізації обумовленого часовими параметрами самоініційованого поведінкового акту. Показано, що активність ДА-, НА- і СТ-клітин пов'язана з моторними, когнітивними й емоційно значущими компонентами експериментальної ситуації, причому патерни нейронних реакцій специфічні для кожної з цих мозкових систем. Одержано вказівки на те, що реакції ДА-нейронів тісніше пов'язані з організацією руху як такого та наявністю або відсутністю підкріплення, а активність НА- і СТ-клітин – із сприйняттям умовних стимулів. Вперше виявлено наявність позитивного зв’язку інтенсивності реакцій амінергічних нейронів, які розвиваються в період підготовки рухового акту, з швидкістю виконання умовнорефлекторного руху, а також зв’язку інтенсивності фонової активності ДА- і НА-нейронів з тривалістю інтервалів між самоініційованими рухами (негативна кореляція). Залежність між активністю СТ-клітин і тривалістю відповідного інтервалу була складною та нелінійною.

Уточнено характер участі нейронних мереж ТАД кори кішки у підготовці й запуску різних видів довільних рухів, у тому числі самоініційованих. Показано, що при переході від жорстко детермінованих рухів, які запускаються умовним сигналом, до самоініційованих рухів збільшується інтервал між початком нейронних реакцій та ініціацією руху (початком ЕМГ-активності відповідних м’язів), збільшується частка гальмівних нейронних реакцій, що передують руху.

Детально досліджений факт збігу у часі розвитку кортикальних ВП та реакцій поодиноких клітин ТАД, з одного боку, та основних компонентів реакцій амінергічних нейронів, з іншого: це може свідчити про взаємодію активності кортикальних асоціативних ділянок і субкортикальних амінергічних центрів у формуванні поведінкових актів.

Підтверджено, що в ситуації внутрішнього відліку людиною часу, обмеженого моторними актами, у дорослих здорових випробуваних розвивається характерний комплекс ЕЕГ-потенціалів, пов’язаних з подією (ППП), що включає в себе потенціал готовності (ПГ), умовну негативну хвилю (УНХ) і потенціал Р300, та докладно проаналізовано параметри цих потенціалів. Вперше показано, що варіативність амплітудних параметрів зазначених ППП певним чином пов'язана із індивідуальними психологічними характеристиками випробуваних. Також вперше встановлено, що параметри часового інтервалу, продукованого в межах даної експериментальної ситуації, корелюють із низкою показників ЕЕГ спокою, ППП і психологічних характеристик випробуваних.

Вперше показано, що при виконанні завдання на визначення часу простої сенсо-моторної реакції з попередженням і сигналом зворотного зв'язку, який інформує випробуваного про успішність виконання завдання, у здорових дорослих випробуваних розвиваються ППП, що корелюють із характеристиками особистості. В умовах даної експериментальної парадигми у дітей і підлітків вперше виявлено позитивну кореляцію такої характеристики, як увага, з амплітудними параметрами компонентів ВП, котрі розвиваються у відповідь на попереджувальний сигнал.

Запропоновано гіпотезу, що виявлений взаємозв'язок патерну ЕЕГ-потенціалів з характеристиками особистості випробуваних може пояснюватися індивідуальною специфікою активності амінергічних систем мозку.

Теоретичне і практичне значення роботи. Проведене дослідження має в основному фундаментальний характер, оскільки спрямоване на розкриття механізмів підготовки й реалізації довільних рухів, оцінювання їх результату, взаємодії кортикальних і стовбурових структур у цих процесах. Результати роботи, в якій розглянуто специфічні реакції амінергічних груп нейронів стовбура мозку як один із факторів формування індивідуального патерну кортикальних ЕЕГ-потенціалів і характерних рис поведінки, можуть становити інтерес для фахівців в царинах нейрофізіології, психофізіології і психіатрії. Виявлені кореляційні взаємовідношення між параметрами ЕЕГ, ВП та значеннями часу реакції випробуваних з одного боку, і психологічними характеристиками особистості, з іншого, свідчать, про те, що реєстрація відповідних електрографічних феноменів в умовах застосованих експериментальних парадигм може бути ефективно використана з діагностичною метою в клінічній та профорієнтаційній роботі.

Результати дослідження розширюють уявлення про принципи організації довільних поведінкових актів і формування їх індивідуальних особливостей; тому матеріали роботи можуть бути використані в лекційних курсах “Фізіологія вищої нервової діяльності”, “Психофізіологія”, “Диференціальна психофізіологія” та “Фізіологія центральної нервової системи”, що викладаються в університетах та медичних і педагогічних вищих навчальних закладах.

Результати проведеного дослідження й аналізу динаміки вікових змін ЕЕГ-потенціалів та інших показників діяльності дитини можуть бути використані в клінічній і психологічній практиці у перебігу діагностики затримок у розвитку вищої нервової діяльності у дітей, в тому числі при впливі несприятливих факторів зовнішнього середовища. Отримані популяційні значення параметрів ЕЕГ-феноменів можуть бути використані як нормативні дані у відповідних сферах досліджень.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем особисто визначено мету і завдання дослідження, розроблені основні методичні прийоми і технічні завдання для написання комп'ютерних програм, проведено експериментальні дослідження й проаналізовано отримані дані, сформулювано основні положення і висновки цієї роботи. Здобувач брав активну персональну участь у створенні експериментальних установок. Частину експериментального матеріалу одержано у перебігу спільних робіт, виконаних під керівництвом або з участю автора (див. список публікацій). У дисертації не використовувалися ідеї й розробки, які належать співавторам опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що увійшли до цієї роботи, були представлені на XІІІ і XVІ з'їздах фізіологів України (Харків, 1990; Вінниця, 2002); міжнародній конференції: “The Biological Roots of Human Behavior” (Крим, 1993); Міжнародному симпозіумі “Стріарна система в нормі та патології” (Алушта, 1996); I установчій і II конференціях Українського товариства нейронаук (Київ, 1998; Донецьк, 2001), Всеукраїнській науковій конференції “Психофізіологічні функції в нормі та патології” (Київ, 2002), науковому семінарі нейрофізіологічних відділів Інституту фізіології ім. О.О. Богомольця НАНУ (Київ, 2003), наукових конференціях Таврійського національного університету ім. В.І. Вернадського (1990-2004).

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 26 статей у наукових періодичних виданнях, три розділи в колективних монографіях та 12 публікацій матеріалів і тез з'їздів й конференцій.

Структура дисертації. Дисертацію викладено на 338 сторінках друкованого тексту; вона складається із вступу, п’яти розділів, висновків, а також списку використаної літератури на 45 сторінках, що містить 561 найменування (з них 140 – російською й українською та 421 – іноземними мовами). Роботу ілюстровано 65 рисунками та 24 таблицями (з них 6 – на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

Матеріали і методи досліджень. Основний принцип проведення досліджень був таким: нейронну активність і ВП у кішок, а також ЕЕГ-потенціали у людей реєстрували при виконанні цілеспрямованих поведінкових актів, яки містили в собі довільні рухи.

Вивчення активності амінергічних клітин стовбура мозку, масової та імпульсної активності нейронів тім’яної асоціативної кори кішок. Імпульсну активність здогадно амінергічних клітин реєстрували у восьми дорослих ненаркотизованих кішок у стані неспання (у двох тварин у ділянці ЧС, у трьох в зоні БП, та трьох у ділянці дорсального та верхнього центрального ЯШ). Тварину тренували виконувати самоініційований (довільний) оперантний рух: для одержання харчового підкріплення кішка підіймала праву передню кінцівку з опорної площадки та натискала нею на педаль. Коректними вважали проби, лімітовані певними часовими обмеженнями (утримування лапи на опорі ?4 с, тривалість руху ?1 с, інтервал між тест-рухами ?12 с). В разі коректного виконання через 1 с після натискання на педаль пред'являли позитивний умовний звуковий сигнал (тон 1600 Гц тривалістю 0,2 с), за яким ще через 1,0-1,5 с вручну подавали харчове підкріплення. При некоректному виконанні проби вмикався негативний умовний сигнал (400 Гц), а харчове підкріплення тварина не одержувала.

Після завершення навчання (кількість коректних проб 50-80%) тваринам стереотаксично вживляли металеву канюлю, спрямовану на відповідну структуру-мішень; таку канюлю та платформу для установки мікроманіпулятора кріпили до кісток черепа. Над м'язами робочої (правої передньої) кінцівки підшкірно вживляли електроди для відведення ЕМГ, а у зоні ТАД неокортексу – позолочені електроди діаметром 0.3 мм (трансдурально).

Імпульсну активність здогадно ДА-нейронів ЧС та вентрального тегментуму, НА-нейронів БП, та СТ-нейронів ЯШ відводили контралатерально робочій кінцівці в зонах з координатами А 6...7, L 3...5, Н 5...7; Р -1, L 1...3, Н 7...10 та Р -1...-2, L=2...0, Н=5...9 відповідно. Використовували пересувний металічний електрод (заточений навскіс срібний мікропровід 12 мкм у скляній ізоляції; загальна товщина 70 мкм). Місця відведення веріфікували по електрокоагуляційним міткам на фронтальних зрізах мозку.

Активність нейронів ТАД вивчали в 11 кішок, що не сплять. Дев'ять тварин тренували у відповідь на умовний стимул (відчинення дверцят годівниці) підіймати праву лапу з опорної площадки і натискати нею на педаль; двох інших кішок навчали виконувати такий рух у довільному ритмі як самоініційований (без умовного сигналу). Тренованим тваринам під загальним наркозом над середньою супрасильвієвою закруткою лівої півкулі (поле 5) встановлювали на череп платформу і фіксатори для кріплення маніпулятора та підсилювача.

Відведені потенціали фільтрували й підсилювали. Смуга пропускання трактів імпульсної активності нейронів й ЕМГ становила 10-10000 Гц; для реєстрації масової активності неокортексу постійна часу дорівнювала 10 с при верхній межі смуги пропускання 30 Гц. Відведені потенціали через інтерфейс надходили на вхід комп'ютера IBM PC. Частота оцифровки для нейронної активності, ЕМГ та масової активності неокортексу становила 104, 103 та 102 с-1 відповідно. Для наступного аналізу потенціали дії формували у стандартні імпульси.

Здогадно амінергічні нейрони ідентифікували за низькою частотою фонової активності (ФА, до 6-8 с-1) і значною тривалістю потенціалів дії (ПД, не менше 2-2,5 мс) (Strecker, Steinfels, 1983, Foote, Morrison, 1987; Лиманський, 1990; Kirby et al., 2003). Після реєстрації ФА відкривали тварині доступ до раніше прикритої педалі, і кішка починала виконувати оперантні рухи.

Кількість реагуючих нейронів і потужність (відносну інтенсивність) змін їх активності оцінювали на підставі перистимульних гістограм . Для розрахунку потужності визначали нормовану різницю між кількістю імпульсів у часовому вікні, виділеному в тому чи іншому періоді реакції, та в аналогічному за тривалістю вікні в межах ФА. Момент початку рухового акту ідентифікували згідно з ініціацією ЕМГ-відповідей в правому дельтаподібному і двоголовому м'язах.

Вивчення ЕЕГ-потенціалів головного мозку людини при виконанні детермінованого довільного руху. У дослідженні взяло участь 185 дорослих випробуваних (19-35 років, обох статей, правші) і 129 дітей. Діти обох статей мали вік 5-7 років (24 особи), 10-12 років (30 здорових і 30 – із затримками психічного розвитку та загальним порушенням мови) і 15-16 років (45 осіб). Основна частина дослідження проводилася за такою схемою:

1) реєстрація поточної ЕЕГ спокою (із закритими і відкритими очима);

2) реєстрація ППП у дорослих випробуваних у парадигмі відліку часових інтервалів (задача “А”);

3) реєстрація ППП у дорослих випробуваних та ВП і ППП дітей у парадигмі визначення часу простої сенсо-моторної реакції з попередженням (задача “Б”);

4) психологічне тестування.

Крім того, у 20 дорослих випробуваних реєстрували ППП у завданні “Б” перед сеансом біологічного зворотного зв'язку згідно з патерном ЕЕГ (ЕЕГ-ЗЗ), проведеним за традиційною методикою (Sterman, 1996) й орієнтованим на збільшення відношення потужностей альфа- і тета-ритмів, і після такого сеансу. Контрольну групу становили 20 осіб, у яких реєстрували ППП у межах завдання “Б” дo і після сеансу індиферентного звукового впливу (прослуховування музики).

У завданні “А” випробуваний відлічував часовий інтервал в діапазоні 20 ± 3 с, обмежуючи його натисканнями на кнопку (запускаючим та фінішним). Випробуваного попереджали про те, що про правильність виміру такого інтервалу він дізнається за сигналом зворотного зв'язку, поданому на світлодіодному табло. Якщо з’являвся сигнал про коректне виконання завдання, випробуваний повинен був швидко натиснути на кнопку ще раз (підтверджувальне натиснення). У деяких експериментах випробуваний не одержував реальної інформації про тривалість відміряних інтервалів, оскільки сигнали, незалежно від якості виконання, інформували про “правильне” відмірювання. Таким чином, виявлялася природна схильність пере- або недооцінювати час.

У завданні “Б” випробуваний повинен був якнайшвидше натискати на кнопку у відповідь на пред’явлений другий звуковій стимул у парі. Про успішність виконання завдання випробуваний дізнавався по візуальних сигналах зворотного зв'язку.

Відведення й аналіз ЕЕГ і ВП людини здійснювали за загальноприйнятою методикою за допомогою автоматизованого комплексу, що складався з електроенцефалографа ЕЕГ-16S (“Medicor”, Угорщина), інтерфейсу та комп'ютера IBM PC. Оскільки виконуване завдання включало моторні компоненти, нами було обрано центральні (С3 і С4) локуси відведення ЕЕГ. ЕЕГ-потенціали відводили монополярно; з’єднані референтні електроди розташовували над соскоподібними відростками. При реєстрації ППП постійна часу складала 10 с. Частота оцифровки сигналу у всіх випадках становила 100 с-1.

Аналізуючи ЕЕГ-потенціали, розраховували величини спектральної потужності (мкВ2/Гц) компонентів поточної ЕЕГ (спокою), а також її параметри у період відмірювання часових інтервалів. Як характеристики ПГ й УНХ використовували усереднені інтегральні значення їх амплітуд (середнє арифметичне поточних амплітуд, вимірюваних кожні 10 мс). Амплітуду Р300 оцінювали за максимальним відхиленням, виміряним через 250-600 мс після подання сигналу зворотного зв'язку. У дітей і підлітків аналізували також комплекс середньо- і довголатентних слухових ВП, що виникали у відповідь на попереджувальний сигнал.

Психологічне тестування проводили за допомогою опитувальників Стреляу, Айзенка (PEN), Русалова (ОСТ), Кеттела (16 PF), Спілбергера та САН. Для визначення особливостей уваги у дітей використовували таблиці Шульте і методику “Знайди та викресли” (Мельников, Ямпольский, 1985; Русалов, 1989; Немов, 1995).

Дані електрофізіологічного дослідження і показники психологічного тестування були оброблені з використанням стандартних методів параметричної і непараметричної статистики (залежно від характеру розподілу значень). Міжгрупові відмінності й кореляційні зв'язки вважалися статистично значущими при р? 0,05.

РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ

Активність амінергічних нейронів стовбура мозку і тім’яної асоціативної кори кішки, пов'язана з організацією цілеспрямованого поведінкового акту.

Самоініційовані поведінкові реакції, вивчені у тварин при дослідженні амінергічних нейронів, мали такі часові характеристики: середній інтервал між тест-рухами – 17,9±0,7 с (7,5...129,2 с), тривалість руху (від відриву лапи до натискання на педаль) – 361,6±5,2 мс (152,4...994,1 мс). Тут і далі наведені значення середнього ± помилка середнього та діапазон значень.

Активність нейронів ділянки чорної субстанції мозку кішки при реалізації самоініційованого поведінкового акту. У досліджуваній ділянці було зареєстровано 117 нейронів. У 50 з них частота ФА не перевищувала 8,0 с-1 (в середньому 4,6±0,4 с-1). ПД були поліфазними й відносно тривалими (2,5–5,0 мс). На підставі цих показників зазначені клітини було віднесено до здогадно ДА-нейронів. Середня частота ФА інших 67 клітин становила 21,7±1,2 с-1 (10,5...62,5 с-1), а тривалість їх ПД варіювала в межах 1,5-3,0 мс. Ці клітини розглядалися як недофамінергічні одиниці.

Досліджувані нейрони могли змінювати свою активність протягом усього поведінкового акту. Відповідно до ключових моментів поведінкового акту реакції мали такі часові характеристики. ДА-нейрони починали активуватися в середньому за 275,6±37,3 мс (максимум за 760 мс), а гальмуватися – за 447,1±101,5 мс (максимум за 660 мс) перед початком руху. Зміни активності могли зберігатися протягом усього руху (рис. 1). Латентні періоди гальмівних й активаційних реакцій відносно умовних стимулів становили для позитивного сигналу в середньому 108,2±11,9 мс (32...240 мс), а для негативного – 78,7±21,4 мс (24...230 мс).

Дані про кількість ДА-нейронів, що активувалися й гальмувалися протягом зазначених стадій, а також про потужність їх реакцій наведено в табл. 1. Звертає на себе увагу, що дві третини (66%) ДА-нейронів змінювали свою активність раніше початку руху, і число клітин, що реагували, зростало у перебігу виконання цього руху. Реакція на позитивний умовний сигнал була більш типова для нервових клітин, що активуються, і характеризувалася більшою потужністю збуджувальних відповідей у порівнянні з потужністю відповідей на негативний сигнал. Найхарактернішою для ДА-нейронів була активація на одержання власне підкріплення та гальмування за його відсутності. Потрібно відзначити, що потужність пов'язаних з поведінковим актом реакцій ДА-нейронів була значно вищою, ніж у не ДА-клітин.

Рис. 1. Пов'язані із самоініційованим руховим актом реакції здогадно дофамінергічних нейронів ділянки чорної субстанції мозку кішки.

А – приклад активності окремого нейрона (вгорі – растрова діаграма, внизу – відповідна гістограма; 25 реалізацій), Б – усереднена нормована гістограма для нейронів, що активувалися; обидві гістограми побудовані відносно моменту початку руху (нуль відповідає моменту ініціації ЕМГ в m. biceps brachii, позначено стрілкою 1). Стрілкою 2 позначено момент натискання на педаль. N – кількість нейронів. По осі абсцис – час с; по осі ординат – частота імпульсів, с-1; ширина біну 40 мс.

Для дослідження взаємозв'язку активності ДА-нейронів стовбура мозку кішки з часом руху було відібрано 20 ДА-нейронів з найбільш вираженими реакціями. Розрахунок кореляцій, за Спірменом, показав, що потужність пов'язаних з рухами реакцій у більшості досліджених нейронів (14 з 20) негативно корелює з часом, необхідним для виконання руху натискання на педаль. Інакше кажучи, чим інтенсивніший розряд ДА-клітин в період формування рухового акту, тим з більшою швидкістю виконується оперантний рух. Кореляційний аналіз було також проведено для частоти ФА клітин і значень часових інтервалів між тест-рухами. У більшості випадків (у 13 з 20 нейронів) між цими двома показниками також було виявлено негативну залежність. Тобто, чим вища частота фонової імпульсації ДА-клітин, тим менше часу проходить між послідовними натисканнями на педаль.

Таблиця 1

Відносне число амінергічних нейронів стовбура мозку кішки, що реагують на різних стадіях поведінкового акту (% до загальної кількості нейронів у групі), і потужність їх реакцій (наведено в дужках, %)

Стадія поведінкового акту | Дофамінергічні нейрони (n=50) | Норадренергічні нейрони (n=61) | Серотонінергічні нейрони (n=79)

активація | гальмування | активація | гальмування | активація | гальмування

підготовка руху | 52,0

(218,6

±49,4) | 14,0

(-35,5

±7,0) | 49,2

(104,2

±36,5) | 21,3

(-59,6

±7,9) | 30,4

(170,1

±35,8) | 21,5

(-52,0

±7,7)

реалізація руху | 64,0

(489,0

±176,5) | 24,0

(-51,0

±9,4) | 45,9

(167,5

±84,7) | 29,5

(-48,2

±9,6) | 41,7

(252,8

±61,9) | 35,4

(-47,8

±7,3)

очікування умовного сигналу | 58,0

(533,8

±199,3) | 16,0

(-35,7

±11,8) | 37,7

(97,6

±24,8) | 14,8

(-38,2

±10,4) | 27,9

(210,2

±62,1) | 30,4

(-42,0

±5,6)

пред’явлен-ня позитивного сигналу | 60,0

(350,7

±177,2) | 6,0

(-56,9

±56,9) | 86,9

(207,8

±37,1) | 1,6

(-40,7

±7,8) | 58,2

(224,2

±48,7) | 8,9

(-35,5

±3,4)

одержання підкріплення | 70,0

(317,0

±130,9) | 0 | 82,0

(244,3

±44,1) | 1,6

(-23,5

±5,9) | 84,8

(390,7

±101,8) | 0

пред’явлен-ня нега-тивного сигналу | 20,0

(199,3

±69,7) | 14,0

(-68,1

±14,0) | 63,8

(377,8

±85,4) | 8,2

(-13,7

±5,2) | 27,8

(80,7

±17,4) | 17,7

(-64,9

±11,9)

відсутність підкріплення | 8,0

(189,1

±25,5) | 50,0

(-49,4

±6,4) | 8,2

(64,7

±18,8) | 32,8

(-35,6

±6,3) | 22,8

(116,1

±49,2) | 8,9

(-70,1

±13,3)

Активність нейронів ділянки блакитної плями мозку кішки при реалізації самоініційованого поведінкового акту. Всього було зареєстровано активність 61 нейрона ділянки БП, яки генерували ФА із середньою частотою 2,8 ± 0,3 с-1 (0,3...6,0 с-1). ПД у складі ФА були поодинокими, рідше згрупованими, поліфазними й тривалими (2,5-3,0 мс). На підставі подібних характеристик такі нервові клітини ділянки БП було віднесено до здогадно НА-нейронів.

Найбільш вираженими у досліджених нейронів виявилися зміни активності, які були пов'язані із запуском і реалізацією довільного тест-руху, а також з надходженням умовних звукових сигналів (табл. 1). НА-нейрони починали активуватися у середньому за 186,1±47,1 мс (максимум за 650 мс), а гальмуватися – за 217,1±52,0 мс (максимум за 580 мс) перед початком руху. Всього до початку руху істотно змінювали свою активність більше половини (60,5%) НА-клітин. Відповіді на пред'явлення умовних позитивних і негативного звукових стимулів були, як правило, збуджувальними й виникали з латентними періодами 46,2±3,2 мс (32...80 мс) і 52,2±6,3 мс (32...120 мс) відповідно.

Для 22 НА-клітин з найбільш вираженими активаційними реакціями, пов'язаними з рухами, було розраховано кореляції з часовими параметрами рухів. Потужність реакцій 10 нейронів була негативно пов'язана з часом руху, причому у двох клітин кореляції виявилися статистично значущими. Отже, чим інтенсивніший розряд таких НА-нейронів у період формування самоініційованого рухового акту, тим з більшою швидкістю виконується рух. У 17 з 22 нейронів між частотою ФА й часовими інтервалами між рухами також було виявлено негативну залежність. Іншими словами, чим вища частота ФА НА-клітин, тим менше часу проходить між послідовними натисканнями на педаль.

Активність нейронів ділянки ядер шва мозку кішки при реалізації самоініційованого поведінкового акту. Всього в ділянці дорсального й центрального ЯШ було зареєстровано активність 79 нейронів. Для них була характерна одиночна, рідше групова ФА із низькою середньою частотою 2,1 ± 0,2 с-1 (0,1...6,0 с-1). Потенціали дії були поліфазними й тривалими (2,5-3,0 мс). На підставі таких характеристик ці нервові клітини ділянки ЯШ розглядалися як здогадно СТ-нейрони.

Найбільш вираженими в активності подібних клітин виявилися зміни, пов'язані з підготовкою, запуском і реалізацією довільного руху, відповіді на пред'явлення умовних звукових сигналів, що інформують про видання підкріплення, а також реакції власне на підкріплення (табл. 1). СТ-нейрони починали активуватися у середньому за 304,3 ± 44,4 мс (максимум за 980 мс), гальмувалися – за 401,1 ± 65,7 мс (максимум за 760 мс) перед початком руху. Всього до початку руху змінювали свою активність дещо більше половини досліджених (51,9%) СТ-клітин. Відповіді на пред'явлення умовних позитивного й негативного сигналів найчастіше були збуджувальними та виникали з латентним періодом 53,0 ± 3,4 мс (32...120 мс) і 59,1 ± 7,8 мс (32...130 мс), відповідно.

Виявилося, що у більшості (у 15 з 23) СТ-нейронів, активність яких досліджувалася за допомогою кореляційного аналізу, потужність реакцій котрі розвиваються в період підготовки й виконання руху, негативно корелювала з часом, необхідним для виконання руху натискання на педаль. Таким чином, чим інтенсивніший розряд цих клітин у період формування самоініційованого рухового акту, тим з більшою швидкістю виконується рух. Між частотою ФА клітин і тривалістю інтервалів між рухами в більшості випадків (у 19 з 23 нейронів) також виявлялася деяка негативна залежність, але вона мала складний криволінійний характер. При відносно низькій і високій частотах розрядів СТ-одиниць рухи відбувалися занадто часто, що призводило до зростання частоти помилок, і тварина не одержувала підкріплення. Очевидно, що тестоване поведінкове завдання найбільш адекватно виконується при деякому середньому, “оптимальному” рівні фонової імпульсації цих клітин.

Взаємовідношення реакцій нейронів амінергічних систем мозку та викликаних ЕЕГ-потенціалів неокортексу кішки, що розвиваються при виконанні цілеспрямованого поведінкового акту. У комплексі ВП кішки, відведених у ТАД контралатерально кінцівці, що виконує рух, можна виділити компоненти, подібні описаним у складі ППП у людини. Так, перед початком руху розвивається повільне негативне зрушення, подібне до ПГ людини (рис. 2, верхній фрагмент). У період очікування умовних сигналів зворотного зв'язку й підготовки до одержання підкріплення розвивається негативна хвиля, подібна до УНХ людини. У відповідь на пред'явлення акустичного сигналу зворотного зв'язку розвивається комплекс компонентів ВП – P1, N1, P2 та N2, що завершується великою позитивною хвилею, аналогічною потенціалу Р300 у людини.

У нижній частині рис. 2 наведено усереднені популяційні гістограми активності всіх зареєстрованих амінергічних нервових клітин стовбура мозку кішки. Для виявлення найбільш типових характеристик і більш наочного співставлення імпульсації ДА-, НА- і СТ-нейронів нами було підсумовано активність клітин з реакціями різної спрямованості, а також тих, які не демонстрували істотних змін імпульсації на різних стадіях поведінкового акту. Видно, що патерни реакцій були досить специфічними для кожної із зазначених груп нервових клітин. При цьому основні компоненти реакцій амінергічних нейронів збігалися у часі з розвитком ПГ, УНХ та “пізніх” компонентів слухових ВП.

Рис. 2. Комплекс ЕЕГ-потенціалів, що розвиваються в тім’яній корі (А), і популяційні гістограми активності дофамінергічних, норадренергічних та серотонінергічних нейронів (Б, В і Г, відповідно) при виконанні твариною самоініційованого рухового акту.

ЕЕГ-активність усереднено відносно моменту натискання твариною на педаль (нуль відповідає моменту спрацьовування датчика педалі, позначеному стрілкою 2). Стрілкою 1 позначено момент ініціації ЕМГ-активності, стрілкою 3 – увімкнення позитивних і негативних умовних звукових сигналів (зворотного зв'язку), n – кількість реалізацій, N – кількість досліджених нейронів відповідної групи. Інші позначення – як на рис. 1.

Активність нейронів ТАД кори кішки при різних видах довільних рухів. У першій серії досліджень, при виконанні кішкою умовнорефлекторного руху у відповідь на пусковий стимул, було зареєстровано активність 224 нейронів поля 5 ТАД кори. Істотні зміни активності більшості з них випереджали рух на 655,5±46,3 мс (42...1640 мс), виникаючи через 20 – 250 мс після подання сигналу; такі реакції могли починатися збудженням або, рідше, гальмуванням (табл. 2). 147 нейронів поля 5 було досліджено при стимуляції моторної кори у фокусі парієтальних проекцій, встановленому раніше співробітниками нашої лабораторії (Коренюк, Хитрова, 1985). На таку стимуляцію моторної кори антидромно відповідали 59 клітин, які було таким чином ідентифіковано як парієто-фронтальні одиниці. Серед парієто-фронтальних клітин відносна кількість тих, котрі реагували до початку рухового акту, становила 78,9%, що достовірно більше, ніж відповідна частка тім’яних нейронів без проекції у фронтальну кору (62,5%).

У кішок іноді виникали міжсигнальні рухові акти, і у 69 нейронів вдалося вивчити зміни активності, що передували таким моторним феноменам. При міжсигнальних рухах випереджаюча активація у нервових клітин зустрічалася значно рідше, ніж збудження у відповідь на умовний сигнал – у 40,6 % випадків.

У другій серії дослідів, коли тварин було навчено виконувати самоініційований рух, ми дослідили активність 98 нервових клітин. Третина з них активувалися раніше початку руху. Активація виникала за 10-880 мс (330,8±48,6 мс), гальмування – за 280-1800 мс (838,6±65,9 мс) до руху.

Таблиця 2.

Відносне число нейронів (% від загального числа, n) поля 5 тім’яної асоціативної кори кішки, що активуються або гальмуються до початку різних видів довільних рухів

Характер запуску руху | Активація | Гальмування | Всього

реагували

умовним стимулом (n=224) | 119 (53,1) | 31 (13,9) | 150 (67,0)

міжсигнальний (n=69) | 28 (40,6) | 15 (21,7) | 43 (63,3)

самоініційований (n=98) | 33 (33,7) | 36 (36,7) | 69 (70,0)

ЕЕГ-потенціали головного мозку людини, пов'язані з організацією цілеспрямованого поведінкового акту.

Патерн ЕЕГ-потенціалів, що реєструються у дорослих випробуваних у перебігу самоініційованого поведінкового акту, та його індивідуальні особливості. У цьому підрозділі відбито результати досліджень масової електричної активності головного мозку людини в умовах експериментальної парадигми, наближеної до парадигми, використовуваної при дослідженні нейронних реакцій тварин (дивись Методику). У досліджуваній експериментальній ситуації реєструвалися декілька ендогенних компонентів ВП, або так званих ППП (рис. 3, А). Перед фінішним натисканням на кнопку реєструвався ПГ (середня амплітуда -3,9±0,5 мкВ у лівій та -3,3±0,5 мкВ у правій півкулі), перед сигналом зворотного зв'язку та другим (підтверджувальним) натисканням (якщо воно було потрібно) спостерігалася УНХ (-1,5±1,1 і -2,2±0,9 мкВ), а після сигналу зворотного зв'язку – потенціал Р300, пов'язаний із сприйняттям значущої для випробуваного інформації про виконання тесту (середні амплітуди 17,0±0,7 і 17,3±0,7 мкВ відповідно). Відзначимо, що значущих розходжень між показниками ВП у чоловіків і жінок виявлено не було, і тому результати експериментів було проаналізовано для всієї тестованої групи в цілому. Для зазначених ВП виявилася характерною висока інтеріндивідуальна варіабельність, що була значущо пов'язана з особистісними психологічними особливостями випробуваних. Так, виявлено негативні кореляції між амплітудами ПГ і показниками психотизму (r=-0,32 і r=-0,29 для лівої й правої півкуль відповідно), УНХ та емоційною стійкістю (r=-0,29 і r=-0,33), а також екстравертованістю (r=-0,26 і r=-0,24), Р300 і домінантністю (r=-0,34 і r=-0,33). Різниця між амплітудами Р300 на позитивний і негативний сигнали лівої півкулі позитивно корелює з рівнем психотизму випробуваних (r=0,29). Тобто, учасники дослідження, що мають високі показники за шкалою психотизму запитальника Айзенка, демонструють істотно більші Р300 у відповідь на позитивні сигнали зворотного зв'язку, ніж на негативні сигнали.

Патерн викликаних ЕЕГ-потенціалів, що рєструються у дорослих випробуваних при реалізації сенсо-моторної реакції, та його індивідуальні особливості. Загальний вигляд комплексу ВП, зареєстрованих у даній експериментальній ситуації, представлено на рис. 3, Б. Середня амплітуда УНХ, зареєстрованої в завданні “Б” від лівої й правої півкуль, становила -7,17± 0,49 мкв і -6,71 ± 0,44 мкв, а потенціалу Р300 – 28,14± 1,07 мкв і 27,05 ± 0,99 мкв, відповідно. Амплітуда УНХ позитивно й значущо корелювала з показником “сила процесу збудження” (r=0,21 для правої півкулі) і негативно з фактором “тривожність” (r=-0,27 для лівої й r=-0,23 – правої півкуль). Виявлено також позитивну кореляцію амплітуди Р300 правої півкулі з “силою процесу збудження” (r=0,19), “рухливістю нервових процесів” (r=0,19). Виявлено негативну кореляцію амплітуди даного потенціалу в лівій півкулі з нейротизмом (r=-0,19). Виявлено також негативну кореляцію між амплітудою УНХ і величиною часу реакції (коефіцієнти кореляції для лівої й правої півкуль становили відповідно r=-0,26 і r=-0,39).

Найбільшу ефективність відліку часу демонстрували ті випробувані, комплекс ВП у яких містив у собі одночасно добре виражені негативні ПГ і найбільш позитивні