Нейроанатомия функциональных состояний

Открытие исследователем из Лос-Анжелеса Г. Мэгуном и итальянским ученым Дж. Моруцци в 1949 г. ретикулярной активирующей системы мозга имело решающее значение для понимания механизмов регуляции функциональных состояний. Они показали, что электрическая стимуляция срединной части ствола мозга (ретикулярной системы) во время сна животного пробуждает его и поддерживает бодрствование.

По существу, изучение восходящей активирующей системы было начато еще раньше, уже классическими опытами Ф. Бремера с перерезками ствола мозга, результаты которых были опубликованы в 1935 г. Делая перерезки на уровне среднего мозга, он получил препарат, который назвал cerveau isolé (рис. 43). Его электрическая активность такая же, как у нормального спящего животного: в ЭЭГ постоянно возникают так называемые сонные веретена — регулярные высокоамплитудные колебания с частотой 8-12/с. При этом зрачок у животного сужен, что также типично для нормального сна.

Другой препарат Ф. Бремер получил в результате рассечения ствола мозга на уровне его соединения со спинным (рис. 43). Препарат получил название encéphale isolé. Он имел ЭЭГ и реакции зрачка такие же, как и у нормального животного. Для него было характерно чередование «сна» и «бодрствования» (по показателям ЭЭГ и диаметра зрачка) (рис. 44). Оба препарата различались тем, что у cerveau isolé сенсорными раздражениями можно было вызвать лишь краткие периоды пробуждения, тогда как у encéphale isolé аналогичная стимуляция вызывала длительное пробуждение. Таким образом, у нормального животного и у encéphale isolé, по-видимому, существует центральный

Рис. 43. Схема ствола мозга кошки, показывающая места перерезки при создании препаратов encéphale isolé и cerveau isolé

Рис. 43. Схема ствола мозга кошки, показывающая места перерезки при создании препаратов encéphale isolé и cerveau isolé; 1 — мозжечок, 2 — мозолистое тело, 3 — кора, 4 — таламус, 5 — Варолиев мост

механизм поддержания бодрствования во время интервалов между раздражениями, но эта система отсутствует у препарата cerveau isolé. Именно этому центральному механизму в экспериментах Дж. Моруцци и Г. Мэгуна было найдено место. Их открытия хорошо объясняли эксперименты Бремера: источником ЭЭГ-активации являются не только сенсорные пути, но и ретикулярная формация среднего мозга. Животные с ретикулярными разрушениями становились сонными, обездвиженными и оставались такими по крайней мере в течение нескольких дней после

Рис. 44. Сравнение ЭЭГ и величины зрачка у препаратов encéphale isolé и cerveau isolé

Рис. 44. Сравнение ЭЭГ и величины зрачка у препаратов encéphale isolé и cerveau isolé. Быстрая и

низкоамплитудная активность в ЭЭГ и расширенный зрачок, наблюдаемые у препаратов encéphale isolé, свойственны нормальному бодрствующему животному, а синхронизированные веретена в ЭЭГ и суженный зрачок типичны для cerveau isolé и нормального спящего животного (по Ф. Бремеру, 1937)

операции. В ЭЭГ у них регистрировались сонные веретена, а сильные слуховые и тактильные раздражители могли вызывать лишь кратковременное пробуждение. Таким образом, приход сенсорных импульсов в кору по специфическим путям не ведет еще к длительному бодрствованию, но если ретикулярная формация сохранна, то импульсы, приходящие в нее по коллатералям от сенсорных путей, приводят к длительной активации коры.

Не менее важен для регуляции сна и бодрствования задний гипоталамус. Как показали исследования, он обусловливает поведенческую активацию, а ретикулярная формация более важна для реакции пробуждения, отражающейся в изменении ЭЭГ. У человека она возникает в виде блокады альфа-ритма (8-13/с) и/или усиления бета-активности (14-30/с). У животных ЭЭГ-реакция пробуждения обычно представлена усилением гиппокампального тета-ритма или общей десинхронизацией ЭЭГ. Повреждение заднего гипаталамуса приводит к сонливости в поведении, тогда как в ЭЭГ регистрируется высокочастотная, низкоамплитудная активность бодрствования. Наоборот, кошки с повреждениями в ретикулярной формации по поведению были не сонными: они следили за зрительными стимулами, тогда как у них в ЭЭГ доминировали медленные волны сна. Т. е. возможна диссоциация поведенческой и ЭЭГ-активации, что указывает на существование двух относительно самостоятельных механизмов регуляций функционального состояния.

Способность ретикулярной формации регулировать сенсорные пороги впервые экспериментально была изучена Д. Линдсли. В опытах на кошках и обезьянах он наблюдал, что электрическая ритмическая стимуляция ретикулярной формации (100-300/с) сопровождалась снижением порогов дискретности. После ретикулярной стимуляции в зрительной коре на каждую вспышку света, следующую с интервалом в 50 мс, возникает по отдельно вызванному потенциалу, тогда как до раздражения обе вспышки воспринимались слитно: на две вспышки возникал один вызванный потенциал. В опытах Дт. Фустера, выполненных в той же лаборатории, облегчение процесса восприятия под влиянием электрической стимуляции ретикулярной формации было исследовано при распознавании обезьянами двух конусовидных предметов, различающихся ребристой и гладкой поверхностью. Предварительно у обезьян вырабатывался инструментальный рефлекс выбора одного из предметов, который всегда подкреплялся пищей. Выбирая предмет, обезьяна должна была протянуть руку в отверстие, над которым с помощью тахистоскопа экспонировалось его изображение. При выработке рефлекса время экспозиции было достаточным для рассмотрения фигур. В основной же серии эксперимента, после того как инструментальный условный рефлекс был уже выработан, определялось минимальное время экспозиции, при котором возможно зрительное различение. Этот опыт повторялся с ретикулярной стимуляцией и без нее. Электрическая стимуляция ретикулярной формации значительно увеличивала процент правильных реакций выбора и укорачивала время двигательной реакции. Если бы только сократилось время реакции, можно было бы предполагать, что главный эффект ретикулярной формации в увеличении тонуса мышц через нисходящие пути. Однако значительное увеличение числа правильных выборов, особенно на короткие экспозиции (1 мс), свидетельствует о росте кортикальной активации и улучшении селективного внимания, которое обусловлено восходящими активирующими влияниями.

Не менее важная роль в регуляции активности мозга принадлежит таламусу. Эта структура поражает своей склонностью к генерации ритмической электрической активности. В ответ на одиночное электрическое раздражение специфического, ассоциативного или неспецифического ядра

таламуса в нем возникает ритмический разряд последействия в виде серии волн затухающей амплитуды одной частоты (8-12/с).

Кроме того, в таламусе чаще, чем в других структурах мозга, спонтанно возникают медленные волны («сонные» веретена), которые сходны с корковыми веретенами (16-18/с).

Повторная электрическая стимуляция неспецифических ядер таламуса на частоте около 8-12/с вызывает в коре реакцию рекрутинга, которая воспроизводит частоту стимуляции и очень похожа на веретена, спонтанно возникающие в коре. На этом основании Р. Морисон и Ф. Демпси, первыми открывшие рекрутирующий ответ, предположили существование в срединной части таламуса генерального пейсмекера или ритмического осциллятора, распространяющего синхронизированные влияния на обширные области коры в виде медленных волн ЭЭГ.

Между ретикулярной активирующей системой и таламической системой выявлены реципрокные отношения: первая обусловливает пробуждение и активацию, вторая — подавление кортикальной возбудимости и сон.

Однако представление о функции таламуса только как тормозной было отвергнуто экспериментами Г. Джаспера. В 1955 г. появилась его теория о диффузно-проекционной таламической системе, согласно которой неспецифические структуры таламуса могут влиять на кору не только тормозно, но и активирующе. Реакции активации коры, вызываемые с таламуса, локальны и имеют более короткую продолжительность по сравнению с ЭЭГ-активацией, обусловленной активирующей системой ствола мозга. Они также более устойчивы к угашению, чем генерализованная ЭЭГ-активация.

Таким образом, ЭЭГ-реакции активации, вызываемые активизирующей системой ствола мозга и неспецифической системой таламуса, различаются как генерализованные и локальные, тонические и фазические, быстро и медленно угасающие. Эти особенности позволяют связывать функцию активирующей системы ствола мозга с поддержанием определенного уровня активности в нервной системе, а таламическую неспецифическую систему с селективным вниманием и локальным ориентировочным рефлексом.

Существование в неспецифическом таламусе двух систем: активирующей и тормозной — было экспериментально подтверждено также работами М. Монье с сотрудниками. По их данным, стимуляция неспецифического таламуса низкой частотой (3-25/с) при слабых интенсивностях и больших длительностях электрического импульса возбуждает тормозную систему таламуса, увеличивая в ЭЭГ процент дельта-волн и веретен, тогда как высокочастотная стимуляция импульсами меньшей длительности и большей интенсивности возбуждает активирующую систему таламуса. У одного и того же нейрона моторной коры низкочастотная стимуляция таламуса снижает, а высокочастотная увеличивает частоту его разрядов.

Исследование нейронных механизмов модулирующей функции таламуса показало существование в нем нейронных пейсмекеров ритмической активности. Они были найдены в специфических ядрах таламуса в неспецифическом таламусе. Эти нейроны в условиях покоя имеют тенденцию разряжаться последовательностью пачек спайков, их появление коррелирует с возникновением в ЭЭГ сонных веретен и медленных волн. Пачечные разряды нейронов таламуса фазовоспецифичны, они привязаны к определенным фазам медленных волн ЭЭГ (ВП и реакции перестройки биотоков мозга на мелькающий свет). Сенсорные раздражения (звуковые, кожные и др.) вызывают в таламусе реакцию десинхронизации в виде разрушения пачек спайков. Нейронной реакции десинхронизации соответствует появление ЭЭГ-реакции активации. Нейроны неспецифического таламуса, демонстрирующие реакции синхронизации и десинхронизации и контролирующие ЭЭГ-активность, обладают свойством авторитмичности. Они обнаруживают эффект резонанса, который может быть выявлен мелькающим световым раздражителем. Таламический пейсмекер ритмической активности — сетевой пейсмекер, включающий интернейроны с обратными отрицательными и положительными связями.

Таламические структуры мозга оказывают на кору двойное влияние. В режиме пачечной активности они тормозят ее, вызывая синхронизацию ЭЭГ. При одиночных спайковых разрядах кора испытывает активирующее воздействие, выражающееся в десинхронизации ЭЭГ. Передача эстафеты активирующих влияний с уровня ретикулярной формации ствола мозга на уровень таламический означает переход от генерализованной активации коры к локальной.

К структурам мозга, которые влияют на ЭЭГ- и поведенческую активацию, относится и фронтальная кора. Она сдерживает чрезмерное возбуждение в ЦНС. Один из классических синдромов повреждения фронтальной коры — появление у животных двигательной гиперактивности. Предполагают, что возбуждения ретикулярной формации активируют фронтальную кору, которая в свою очередь через отрицательную обратную связь снижает активность ретикулярной формации. С именем Дж. Моруцци связано открытие в средней части Варолиева моста тормозной системы, способной вызывать сон (синхронизирующего центра Моруцци). Им показано, что перерезка ствола мозга на уровне середины моста приводит к устойчивой ЭЭГ-десинхронизации в коре и, как можно судить по ограниченным двигательным реакциям такого препарата, к его постоянному бодрствованию. Сенсорный поток у такого препарата не больше, чем у cerveau isolé, который все время спит. Следовательно, при перерезке Варолиева моста исчезновение сна связано с устранением некоторых тормозных синхронизирующих влияний, обычно поступающих из ретикулярной системы моста. Одностороннее разрушение в середине моста вызывает появление десинхронизированной ЭЭГ только на стороне поражения. Раздельное фармакологическое выключение ростральных и каудальных частей ствола мозга также подтверждает существование синхронизирующего центра в его каудальной части. Введение барбитурата (теопентала), который блокирует нейроны ретикулярной формации, в сонную артерию, снабжающую кровью средний мозг и вышележащие структуры, вызывало синхронизацию ЭЭГ, что соответствовало отключению активизирующей ретикулярной системы. Введение того же вещества через позвоночную артерию, поставляющую кровь в заднюю часть моста и продолговатый мозг, вызывало десинхронизацию ЭЭГ. Этот эффект соответствует выключению тормозной синхронизирующей системы.

П. Делл и М. Бонвале выявили существование бульварного тормозного механизма, синхронизирующего ЭЭГ и оказывающего физическое торможение. Благодаря этому механизму в процессе угашения ориентировочного рефлекса укорачивается ЭЭГ-реакция активации.

В 1967 г. М. Жуве в стволе мозга была открыта новая структура, играющая критическую роль в развитии медленного сна, — ядра шва, которая захватывает срединную часть продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Ее разрушение устраняло синхронизацию ЭЭГ и медленный сон. С помощью специальной методики флуоресценции гистохимики в Швеции показали, что нейроны ядер шва синтезируют серотонин и направляют его через свои аксоны к ретикулярной формации, гипоталамусу, лимбической системе. Серотонин — тормозный медиатор моноаминергической системы мозга. Блокада синтеза серотонина устраняет у кошки медленный сон, у которой сохраняется лишь парадоксальный сон и бодрствование, удлиненное за счет медленного сна.

Предполагают, что тормозная функция фронтальной коры реализуется через систему ядер шва. С ядрами шва и фронтальной корой тесно взаимодействует и преоптическая область гипоталамуса, вызывающая синхронизацию ЭЭГ и поведенческий сон. Преоптическая область имеет мощные проекции к орбитальной коре и ядрам шва.

В латеральной части покрышки ствола мозга обнаружено скопление нейронов, синтезирующих норадреналин (синее пятно). Стимуляция синего пятна вызывает торможение нейронной активности во многих структурах мозга при росте двигательного возбуждения животного и ЭЭГ-десинхронизации. Полагают, что активирующее влияние синего пятна осуществляется через механизм торможения тормозных интернейронов. Ядра шва и синее пятно действуют как антагонисты. Их активация противоположно влияет на фоновую ЭЭГ. Обе системы находятся в реципрокных отношениях: разрушение одной из них усиливает метаболическую активность другой (процессы синтеза норадреналина или серотонина).

Рядом с синим пятном существует группа гигантских ретикулярных нейронов, которые направляют свои аксоны вверх и вниз к различным структурам мозга. Это тоже критическая структура для развития парадоксального сна. В бодрствовании и MC эти нейроны не активны, они редко разряжаются спайками. Но они первыми реагируют на наступление ПС. Их активность драматически возрастает и остается на этом уровне в течение всего периода ПС. Во время ПС кроме тонической активности у них можно видеть взрывы спайков, которые непосредственно предшествуют быстрым движениям глаз.

По мнению Г. Шеперда, управление сном и бодрствованием осуществляется группой структур, которые образуют распределенную систему в мозге. Важнейшую роль в этой системе играют три стволовых центра, в каждом из которых действует особый медиатор. Состояние бодрствования связано с активностью норадренергических волокон (синее пятно), а глубокий медленный сон — с активностью серотонинергических волокон (дорзальные ядра шва). Интересную гипотезу, объясняющую взаимодействие этих центров в 1977 г. выдвинули исследователи из Гарвардского университета А. Хобсон и Р. Мак-Карли. Они считают, что чередование бодрствования и сна задается холинергическими гигантскими ретикулярными нейронами гигантоклеточного ядра моста, которые характеризуются самовозбуждающимися связями. Возбуждаясь, эти нейрону посылают импульсы к синему пятну и дорзальным ядрам шва. Во время бодрствования их активность подавлена за счет тормозных влияний из синего пятна. Под влиянием гигантоклеточного ядра моста находятся многие структуры мозга, которые и обусловливают различные тонические и фазические проявления ПС.

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: