Модулирующая система мозга

Модулирующая система мозга реализует свои функции через особый класс функциональных систем, регулирующих процессы активации в составе различных видов деятельности.Она регулиру­ет цикл бодрствование — сон, стадии и фазы сна, уровни и спе­цифику функциональных состояний во время бодрствования, а также процессы внимания благодаря ее способности создавать как

локальные, так и генерализованные эффекты активации и инак­тивации в нервной системе.

Модулирующая система мозга представлена многими активи­рующими и инактивирующими структурами, находящимися в сложных взаимоотношениях друг с другом и локализованными на разных уровнях ЦНС. Среди них выделяют неслецифическую сис­тему (ретикулярную формацию) среднего мозга, которая регули­рует состояние и вызывает генерализованные и тонические реак­ции активации, а также активирующую—инактивирующую сис­тему неспецифического таламуса, причастную к возникновению локальных и фазических реакций активации. К структурам с тор­мозными функциями относят синхронизирующий центр Моруц-ци в срединной части варолиевого моста ствола мозга, преопти-ческую область латерального гипоталамуса. Тормозные функции выявлены и у фронтальной коры. Важную роль в регуляции цикла бодрствование—сон, формировании парадоксального сна с быст­рыми движениями глаз (КЕМ &1еер), а также ортодоксального сна (МК.ЕМ 51еер) играет комплекс синего пятна (1осиа соеги1еи5) и ядер шва (п.гарЬе). Синее пятно — скопление нейронов в покрышке ствола мозга, в котором осуществляется синтез НА. Последний в составе переднемозгового пучка доставляется в кору и передний мозг. Ядра шва, локализованные в средней части продолговатого мозга, моста и среднего мозга, являются центром синтеза серото-нина, который по системе длинных волокон достигает многих

структур мозга: коры, латерального гипоталамуса, гиппокампа и др.

5.9.1. Гетерогенность модулирующейсистемы

Ранее предполагалось, что по динамике любой из физиологи­ческих реакций (ЭЭГ, ЭМГ, диаметр зрачка, кожное сопротивле­ние, ЧСС), испытывающих влияние неспецифической системы, можно предсказать изменение всех остальных реакций. Такой под­ход основывался на концепции Д. Линдсли (О. 1лпа81еу) о един­стве и синергизме влияний от восходящих и нисходящих неспеци­фических систем мозга, обусловливающих параллелизм всех элек-троэнцефалографических, вегетативных и двигательных реакций, Предполагалось, что активация в ЭЭГ (проявление действия вос­ходящей активирующей неспецифической системы) развивается параллельно эффектам нисходящей неспецифической системы в виде соматических и вегетативных реакций (изменения тонуса мышц, движения глаз, изменения частоты дыхания и сердцебие­ния, КГР, изменения диаметра сосудов). Однако в дальнейшем 80

между ними были найдены очень низкие коэффициенты корреля­ции. На основе обзора литературных данных Р. Лазарус (К. Ьагагих) Приходит к выводу, что максимальные значения коэффициентов корреляции не превышали 0,5.

Кроме того, при определенных условиях была обнаружена дис­социация между поведенческой и электроэнцефалографической активациями. Так, введение атропина собаке вызывало ЭЭГ-кар-тину медленного сна, при этом животное поведенчески продол­жало бодрствовать. Аналогичные данные были получены и на кош­ках. С помощью физостигмина у них можно было вызвать актива­цию на ЭЭГ, но поведенчески животное могло находиться в состоянии дремоты. Дж. Моруцци показал, что если перерезать ствол мозга выше варолиевого моста, но ниже ретикулярной формации, то в результате прерывания синхронизирующих влияний, посту­пающих из него в кору, в ЭЭГ развивается десинхронизация. В это время животное может спать.

Более того, в 1957 г. Дж. Лейси (.1. Ьасеу) впервые обнаружил реципрокные отношения между вегетативными и электроэнцефа-лографическими показателями активации- В его опытах появление депрессии альфа-ритма сочеталось не с ростомЧСС, а с ее сни­жением. Этот комплекс реакций в дальнейшем был связан с ори­ентировочным рефлексом. Полученные данные легли в основу кон­цепции Дж. Лейси о «дирекционной фракционности активации», согласно которой неспецифическая активация мозга обеспечива­ется несколькими субсистемами активации. Каждаяиз них прояв­ляется в своих вегетативных, моторных и электроэнцефалографи-ческих реакциях.

П.К. Анохину принадлежит концепция «специфичности не­специфической активации». Она утверждает, что каждый тип мо­тивации обеспечивается возбуждением собственной неспецифи­ческой активирующей системы, обладающей особой химической специфичностью. В опытах на кроликах он выделил и описал раз­личные паттерны ЭЭГ для оборонительных, пищевых и ориенти­ровочных мотивационных состояний. Применяя различные фар­макологические вещества, он продемонстрировал возможность избирательной блокады каждого из них. На необходимость выде­лять две системы активации — лимбическую и ретикулярную фор­мации с их относительным антагонизмом — указывал А. Роуттен-берг (КоипепЬегё А.). По его мнению, активирующая ретикуляр­ная формация обеспечивает энергетическую базу исполнения реакций, тогда как лимбическая система связана с подготовитель­ными фазами поведения и преимущественно имеет отношение к вегетативной активации,

6-3341

5.9.2. Субсистемы активации

Изучение биохимических основ активационных процессов в мозге и роли в этом основных медиаторов позволяет выделять три главные системы активации, причастные к регуляции уровня бодр­ствования и реакции активации. Это стволово-таламо-кортикаль-ная система, базальная холинергическая система переднего мозга и кауд о-таламо-кортикальная система.

5.9.2.1. Стволово-таламо-кортикальная система

Открытие Г. Мэгуном иДж. Моруцци в 1949 г. в среднем мозге неспецифической, ретикулярной формации (РФ) сыграло огром­ную роль в раскрытии механизмов реакции активации. В опытах с электрической стимуляцией РФ и отключением ее хирургически­ми и фармакологическими методами они установили, что уро­вень активности коры больших полушарий находится под непре­рывным контролем ретикулярной формации. Высокочастотная электрическая стимуляция РФ пробуждает животное от сна и под­держивает его бодрствование. У бодрствующей обезьяны элект­рическое раздражение РФ сокращает время реакции на сигналь­ный стимул и уменьшает дифференцировочный временной порог — критический интервал различения следующих друг за другом вспышек света. Противоположный успокаивающий эффект имеет электрическая стимуляция на низкой частоте. Перерезка ствола мозга, отсекающая активирующую РФ (препарат сегуеа

15о1ё), вызывала на ЭЭГ картину сна, характерную для спящего животного.

РФ долгое время рассматривалась как главная система актива­ции с восходящими проекциями, облегчающими сенсорные про­цессы, и нисходящими путями, облегчающими моторную актив­ность. Позже неспецифическая система активации была найдена в таламусе. Для изучения ее функций Г. Джаспер(Н. .}а5рег) исполь­зовал реакцию вовлечения (гесшип@ гезропзе). Эта реакция возника­ет в ответ на ритмическую электрическую стимуляцию неспеци­фических ядер таламуса и состоит в воспроизведении биопотен­циаламикоры ритма электрического раздражения. Реакция вовлечения использовалась для моделированияЭЭГ медленновол-нового сна. Применение сенсорных раздражителей разной модаль­ности на этом фоне вызывало блокаду волн вовлечения, что рас­сматривалось как аналог реакции активации. На такой модели впер­вые было показано существование локальных реакций активации, они были модально-специфичны и возникали в коре того анали-82

_1 с } - 100мкВ

V^^^|V^/нд^^^^^ з| I

-^^»А|^А^^^^ '^^4^^^А^^^/Г^^^

5 1 1 ^V^'^••••»7•^Л''^{^}•^//^''*'^^^^^

Л^Л^М^М^^^

мс

>• м | -I и

4Н-

4^

Рис. 21. Параллельное возникновение реакций активации и инактивации в суммарной электрической активности мозга кролика и у двух нейронов неспецифического таламуса.

Суммарная электрическая активность регистрировалась от дорзального гиппокампа (2), неспецифического таламуса (3), ретикулярной формации среднего мозга (4), Зрительной (5) и лобной (б) коры;1 —запись ЭМГ. Запись нейронной активности (внизу) по времени совпадает сучастком суммарной активностимозга, выделенным двумя пунктирными линиями. Виден переход нейронов от пачечной активности к одиночным разрядам,совпадающий с активацией в суммарнойактивности мозга (после спонтанного движения) (поН.Н. Даниловой,1985).

затора, для которого модальность сенсорного стимула была адек­ватной. В 1955 г. Джаспер изложил свою теорию о диффузно-проек-ционной толами ческой системе, согласно которой неспецифичес­кие ядра таламуса через линии своих проекций на кору вызывают на ЭЭГ реакцию десинхронизации — разрушение регулярной мед-ленноволновой активности.

¹ Таламическое происхождение реакций активации в коре в даль­нейшем получило подтверждение при параллельной регистрации ЭЭГ коры и нейронной активности неспецифических ядер тала­муса. Показано, что сенсорные раздражения (звуковое, кожное и Др.) вызывают у нейронов неспецифического таламуса реакцию десинхронизации в виде разрушения пачек спайков и замены их одиночными потенциалами действия (ПД) (ДаниловаН.Н., 1968, 1985). Нейронная таламическая реакция десинхронизации соответ­ствует появлению наЭЭГ реакции активации, которая выглядит

5 и §2 ^ 5 ^ •Д ;5 ^ 2 и = О = = О л о. с: х ^ ^

^ё §1

5 10 15 20 25 Номер раздражителя

Рис. 22. Угасание и растормаживание реакции активации у нейронов не­специфического таламуса, измеренной по длительности десинхрониза-ции пачечной активности (д) и сумме одиночныхПД (б). Реакция вызы­валась звуковыми щелчками (1 О/с). Кружком отмечен экстрараздражитель (звуковые щелчки 4/с).

как блокада медленных ритмов ЭЭГ или появление гиппокампаль-ного тета-ритма. На рис. 21 показана связь импульсной активности двух нейронов таламуса с электрической активностью коры и под­корковых структур у кролика- Видны усиление пачечной активно­сти нейронов во время медленных волн и замена их одиночными спайками во время реакции ЭЭГ-активации.

Реакция десинхронизации нейронов неспецифического таламуса обладает свойствамиОР. С повторением стимулаона ослабевает и восстанавливается после экстрараздражителя.Рис. 22 демонстриру­ет динамику одного из таких нейронов, реакция которого оцени­валась по продолжительности нейронной реакции десинхрониза­ции и по частоте одиночных спайков во время нее.

Таламическая неспецифическая система определяет появление вкоре локальных форм активации.Из-за стратегической позиции одногоиз ядер неспецифического таламуса — ретикулярного ядра

(п.К.е1) — предполагают его ключевую роль в происхождении ло­кальной активации; оно является воротами для сенсорной инфор­мации, поступающей в кору. Однако ретикулярное ядроне имеет прямого выхода на кору. Вместе с тем оно получает входы от коры, ствола мозга, а также от всех других ядер таламуса. Приэтом его собственный выход может выборочно тормозить или не тормозить те или другие специфические ядра таламуса. Это единственное ядро, которое не имеет своих проекций в коре, и единственное ядро с тормозным выходом, по-видимому, выполняющее функцию внут-

риталамического регулятора.

Кроме того, возможно, что это ядро через неспецифический таламус регулирует паттерны активации, необходимые для произ­вольных движений. Ретикулярное ядро находится под контролем РФ, которая может перекрывать селективное торможение, созда­ваемое п.Кег, и запускать генерализованный ОР.

В работах норвежских исследователей из Гетеборгского универ­ситета (Осло) П. Андерсена (Р. Апаег8зеп) с сотрудниками была изучена роль нейронов специфических ядер таламуса в происхож­дении локальных корковых реакций активации и инактивации. Они показали таламическое происхождение сонных и барбитуровых веретен коры и определили размеры участков коры и таламуса, образующих линии проекции, по которым из таламуса распрост­раняются на кору синхронизирующие и десинхронизирующие вли­яния. Двигая один из подкорковых электродов, они определяли корреляцию электрической активности обеих структур. Высокая корреляция была найдена между корковыми и таламическими вол­нами для всех специфических ядер таламуса (латерального и меди­ального коленчатых тел, вентро-базального комплекса). Участки с высокой корреляцией в коре имели площадь диаметром 0,8 мм, в таламусе — 100—150 мкм. На основании расчета исследователи пред­положили, что в специфическом таламусе существует около 25000— 30000 локальных пейсмекеров медленноволновой активности, что со­впадает с предполагаемым количеством колонок в коре одного полушария кошки. Согласно их теории локальных пейсмекеров спе­цифического таламуса каждый из таких пейсмекеров контролирует одну из корковых колонок через те же нейроны, которые переда­ют в кору специфическую информацию. В зависимости от режима работы локального пейсмекера (одиночные спайки или пачечные разряды) в кору локально приходят либо активирующие, либо

тормозные посылки.

Генерализованная активация охватывает обширные зоны коры. Ее происхождение связывают с функциейРФ ствола мозга. Гене­рализованная активация более длительна и быстрее угасает по срав-85

нению с локальной активацией таламического происхождения. Принято считать, что функция стволовой неспецифической сис­темы состоит в поддержании в мозге определенного функциональ­ного состояния, тогда как неспецифическая система в неспеци­фических и специфических ядрах таламуса связана с селективным вниманием.

Как показало изучение биохимических основ ЭЭГ-реакции активации, кора получает широкие проекции от четырех основ­ных медиаторных систем — ДА-ергической, НА-ергической, се-ротонинергической и холинергической, однако только последняя причастна к ее активации. Кортикальная активация, вызванная электрической стимуляцией РФ ствола, сопровождается высвобож­дением ацетилхолина (АХ) в коре, т.е. РФ действует на кору через холинергические афференты. Конечное звено корковой активации холинергично и представлено мускариновыми (М-) рецепторами нейронов коры, чувствительными к АХ. Локальное наложение АХ на кору возбуждает примерно до 50% ее нейронов. Атропин, изби­рательно угнетающий М-рецепторы, блокирует этот эффект. Сен­сорные раздражения разной модальности увеличивают количество высвобождающегося АХ в коре, а деафферентация животного со­провождается падением свободного АХ. Реакция ЭЭГ-активации коррелирует с ростом количества АХ в жидкости, омывающей

поверхность коры. Наркоз снижает выход АХ, одновременно бло­кируя ЭЭГ-активапию.

Во время парадоксального сна активация также имеетхоли-нергическую природу, которая развивается в коре на фоне редук­ции норадренергической и серотон и нерги ческой модуляций из-за снижения активности нейронов синего пятна и ядер шва.По дан­нымПЭТ, во время парадоксального сна активацию находят в покрышке варолиева моста, в лимбической системе: миндалине, парагиппокампальной коре, передней поясной коре и тесно свя­занной с лимбическими структурами медиальной префронталь-ной коре при одновременной деактивации дорзолатеральной пре-фронтальной коры, в которой представлен аппарат рабочей памя­ти (см. главу «Память»). Такой паттерн возбуждения во время парадоксальногосна создает уникальные условия для обработки исключительно внутренней информации, функционально изоли­рованной от сенсорного входа и от выхода (через дорзолатераль-ную префронтальную кору) относительно внешнего мира.

Однако до сих пор остается неясным, через какие путиРФсреднего мозга распространяет свою активацию накору. Утверж­дение,что РФ имеет прямой выход на кору, основано на косвен­ных доказательствах, полученных в поведенческих и физиологи-86

ческих опытах. Никогда не были точно показаны анатомические связи стволовойРФ с корой. Более детальное изучение этой про­блемы показало,что выход стволовойРФ на кору осуществляется, по-видимому, через базальную холинергическую систему переднего мозга, которая моносинаптически проецируется на кору. Кроме того, она имеет вход отРФ и один из ее выходов на кору проходит через таламус.