Стволово-таламо-кортикальная система. Открытие Г. Мэгуном и Дж

Открытие Г. Мэгуном и Дж. 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 cervea isole), 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. Jasper) исполь­зовал реакцию вовлечения (recruting response). Эта реакция возника­ет в ответ на ритмическую электрическую стимуляцию неспеци­фических ядер таламуса и состоит в воспроизведении биопотен­циалами коры ритма электрического раздражения. Реакция вовлечения использовалась для моделирования ЭЭГ 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-

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 (6) коры; 1 — запись ЭМГ. Запись нейронной активности (внизу) по времени совпадает с участком суммарной активности мозга, выделенным двумя пунктирными линиями. Виден переход нейронов от пачечной активности к одиночным разрядам, совпадающий с активацией в суммарной активности мозга (после спонтанного движения) (по Н.Н. Даниловой, 1985).

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

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) (Данилова Н.Н., 1968, 1985). Нейронная таламическая реакция десинхронизации соответ­ствует появлению на ЭЭГ реакции активации, которая выглядит

83 б*

5 10 15 20 25

Номер раздражителя

Рис. 22. Угасание и растормаживание реакции активации у нейронов не­специфического таламуса, измеренной по длительности десинхрониза­ции пачечной активности (а) и сумме одиночных ПД (б). Реакция вызы­валась звуковыми щелчками (10/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 свойствами ОР. С повторением стимула она 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 в коре локальных форм активации. Из-за стратегической позиции одного из ядер неспецифического таламуса — ретикулярного ядра

(n.Ret) — предполагают его ключевую роль в происхождении ло­кальной активации; оно является воротами для сенсорной инфор­мации, поступающей в кору. Однако ретикулярное ядро не имеет прямого выхода на кору. Вместе с тем оно получает входы от коры, ствола мозга, а также от всех других ядер таламуса. При этом 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 n.Ret, и запускать генерализованный ОР.

В работах норвежских исследователей из Гетеборгского универ­ситета (Осло) П. Андерсена (P. Anderssen) 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 функцией РФ ствола мозга. Гене­рализованная активация более длительна и быстрее угасает по срав-

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-активацию.

Во время парадоксального сна активация также имеет холи-нергическую природу, которая развивается в коре на фоне редук­ции норадренергической и серотонинергической модуляций из-за снижения активности нейронов синего пятна и ядер шва. По дан­ным ПЭТ, 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 парадоксального сна 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 пути РФ среднего мозга распространяет свою активацию на кору. Утверж­дение, что РФ имеет прямой выход на кору, основано на косвен­ных доказательствах, полученных в поведенческих и физиологи-

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