Кооперативная деятельность нейронов зрительной, фронтальной, сенсомоторной областей коры и дорзального стриатума в ситуации выбора пищевого подкрепления разной ценности у кошек

Наиболее ярко индивидуальные особенности поведения человека и животных проявляются в случаях, когда присутствует выбор, при котором оцениваются и сравниваются между собой разные по величине, качеству или вероятности подкрепления. Выбор одного из двух подкреплений зависит от его ценности, а психологическая оценка ценности убывает пропорционально росту неопределенности его достижения. Выбор малоценного и немедленного подкрепления определяют как «импульсивность», в противоположность выбору высокоценного, но отсроченного во времени, называемого «самоконтролем». Изучение этих крайних характеристик поведения остается интересным в связи с немалой вовлеченностью патологической импульсивности во многие заболевания ЦНС, таких как гиперактивный синдром с серьезными нарушениями внимания, хронический стресс и депрессии, предрасположенность к наркотикам и алкоголизму, психопатии «шизоидного» типа. Исследования в этом направлении на животных помогают в понимании механизмов индивидуально-типологических особенностей поведения и возможности медикаментозной коррекции тех или и иных отклонений от нормы.

Исследователи, занимающиеся этой проблемой, полагают, что наиболее важными структурами для проявления таких противоположных параметров поведения как импульсивность/самоконтролируемость" являются префронтальная кора и базальные ганглии, в частности, вентральный (прилежащее ядро) и дорзолатеральный стриатум. Побуждающая мотивация осуществляется через лимбические структуры с выходом на прилежащее ядро, куда поступает информация из вентральной тегментальной области, дорзального стриатума, фронтальной коры, миндалины, гиппокампа, таламуса. Важность этих структур мозга в отдельности, и их взаимодействия еще до конца неизвестно, но, возможно, именно в этих структурах формируется и распространяется каскад возбуждений, трансформирующихся в психоэмоциональное состояние «импульсивности» или «самоконтроля». Функциональное назначение прилежащего ядра как связующего звена между мотивационной и двигательной системами мозга было определено в работах Г. Могенсона и соавт [Мо§ епзоп й а1., 1980]. Дорзальный стриатум обычно связывают с моторными функциями. Однако в настоящее время считается, что моторный контроль не является единственной функцией этого ядра, а, скорее всего с участием этой структуры происходит выбор соответствующей реакции для достижения подкрепления в ответ на стимул [Нлкозака е1 а1., 2006]. Дорзолатеральный стриатум имеет соматотопические проекции из сенсорных и моторных корковых зон. Особенно распространенным является мнение, что дорзальный стриатум осуществляет контроль поведения при выработке стимулреакции [ИоЬЫш, ЕуепИ, 2002]. Электрофизиологические исследования из областей хвостатого ядра, представляющих специфические части тела (например, руки или глаз), показывают усиление активности нейронов в связи с разными событиями при выполнении задания. Так, показано, что нейроны дорзального стриатума активируются в период ожидания подкрепления и, таким образом, кодируют ожидаемую награду [ВаББагео, СЫага, 1999; Шуваев, Суворов, 2001; Kawagoe ег а1., 2004; Шшэака а1., 2006], что предполагает его участие в организации «самоконтролируемого» и «импульсивного» поведения.

В пределах лобного неокортекса обнаруживается преимущественная причастность дорсолатеральных отделов к информационной системе, а медиобазальных — к мотивационной системе мозга. Такому разделению функций соответствуют 5 анатомические связи этих областей: дорзальной части — с гиппокампом, вентральной — с миндалиной. Повреждение латеральной области префронтальной коры нарушало селективное внимание, а орбитальной — вызывало потерю тормозного контроля в осуществлении инструментальной реакции и способности к различию эмоционального значения стимулов [Eagle, Baunez, 2010]. Результаты опытов с повреждением орбитальной области префронтальной коры у обезьян и крыс [Baylis, Gaffan, 1991; Schoenbaum et al., 2003], а также исследований передней цингулярной и медиальной префронтальной областей у человека [Baylis, Gaffan, 1991; Rogers et al., 2004; Ptarson et al., 2009] приводят авторов к выводу, что эти области коры вовлекаются в мотивационный контроль при выборе целенаправленного поведения.

В связи с тем, что поведение животных формируется на значимые раздражители и осуществляется с помощью двигательных реакций, в реализацию поведения включены структуры моторной и сенсорной систем головного мозга.

В последнее время исследователи все чаще обращаются к изучению сетевой деятельности мозга, обеспечивающей поведение. На простых нервных системах (улитка) показана роль модуляторных нейронов в сети при ассоциативном обучении [Балабан, Коршунова 2011]. Взаимодействие четырех корково-стриатальных петельмоторной, зрительной, мотивационной и «управляющей» при разных типах обучения рассматривается в работах [Seger, 2008; Seger, Spiering, 2011]. На основе выявленных коррелированных осцилляций (бета и гамма ритмов) в корковых структурах мозга обезьян и человека в заданиях с принятием решения [Siegel et al., 2012] авторы приходят к выводу о формировании корковой сети, лежащей в основе принимаемого решения.

Вопрос состоит в том, как складываются локальные и распределенные нейронные сети структур мозга, обеспечивающих индивидуальное поведение животных в условиях возможности выбора подкрепления. Ранее были выявлены различия при «импульсивном» и «самоконтролируемом» поведении во взаимодействии лимбических структур, а также в пределах двух структур мезокортикальной системы — фронтальной коры и прилежащего ядра [Мержанова с соавт., 2006, Кулешова с соавт., 2008а, 20 086]. Взаимодействие корковых структур, вовлеченных в формирование «импульсивного» и «самоконтролируемого» поведения, не может оставаться в стороне. И это в первую очередь касается восприятия условного раздражителя и его взаимодействия со структурами, формирующими двигательную реакцию.

Рабочая гипотеза настоящего исследования состояла в том, что организация сети фронтальная — зрительная — сенсомоторная кора — хвостатое ядро является той распределенной сетью, которая может по-разному складываться при «импульсивном» и «самоконтролируемом» поведении.

Цель исследования.

Исследовать одиночную и сетевую деятельность нейронов трех корковых структур — зрительной, фронтальной, сенсомоторной областей коры и дорзального стриатума при реализации поведения в условиях выбора разного по ценности пищевого подкрепления.

Задачи исследования.

— Использовать методику «права выбора» между малоценным немедленным и высокоценным задержанным подкреплением и на ее основе оценить индивидуально-типологические особенности поведения у кошек;

— Сравнить сетевую деятельность нейронов в зрительной, фронтальной, сенсомоторной областях коры и дорзальной части хвостатого ядра при реализации целенаправленного пищевого поведения;

— Сравнить проявления межнейронных взаимодействий в выбранных структурах головного мозга в ситуациях с выбором и без выбора пищевого подкрепления.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Взаимосвязанная деятельность нейронов в локальных сетях зрительной, сенсомоторной, фронтальной коры и дорзального стриатума определяет «самоконтролируемое» и «импульсивное» поведение животных, выявленное в ситуации с «правом выбора» ценности пищевого подкрепления.

2. Впервые на уровне сетевой деятельности нейронов показано, что межнейронные взаимодействия фронто-стриатального направления характеризуют длиннолатентные рефлексы, наиболее часто проявляющиеся у животных, способных к «самоконтролю».

Научная новизна работы.

В настоящей работе впервые в опытах на кошках исследованы межнейронные взаимодействия трех корковых областей коры (зрительной, фронтальной, сенсомоторной) и дорзального ядра стриатума, вовлеченных в организацию поведенческого акта, при «импульсивном» и «самоконтролируемом» типах поведения.

Впервые установлено, что сетевая деятельность нейронов исследуемых структур мозга у животных разных поведенческих групп организуется по-разному. У животных, способных к «самоконтролируемому» поведению, сетевая деятельность клеток зрительной и сенсомоторной коры характеризовалась наибольшим числом межнейронных корреляционных связей при задержанных реакциях и ошибках. При этом во фронтальной коре и дорзальном ядре стриатума найдено наименьшее число взаимодействий у животных 8 самоконтрольной" группы. Уменьшение встречаемости кросскорреляционных связей предполагает включение в образовавшуюся сеть тормозных цепочек, что особенно характерно для полисинаптических взаимодействий с интервалом 30 и более миллисекунд. Для «импульсивных» животных характерно наибольшее проявление межнейронных взаимодействий во фронтальной коре при всех типах поведения, что предполагает растормаживание в нейронной сети.

Впервые на уровне сетевой деятельности нейронов показано, что межнейронные взаимодействия фронто-стриатального направления характеризуют длиннолатентные рефлексы, наиболее часто проявляющиеся у животных, способных к «самоконтролю».

Установлено, что в условиях выбора разноценного пищевого подкрепления при осуществлении отставленных рефлексов число возбудительных межнейронных взаимодействий в сенсомоторной коре и дорзальном стриатуме снижается по сравнению с условиями без выбора подкрепления, что предполагает организацию тормозных сетей в условиях выбора.

Научно-теоретическое и практическое значение работы.

Полученные на нейронном уровне результаты данной работы дополняют и расширяют представления об особенностях организации «импульсивного» и «самоконтролируемого» поведения, указывают на ключевую роль фронтальной коры при реализации «самоконтролируемого» поведения. Данные настоящего исследования, полученные на уровне сетевой и одиночной деятельности нейронов, позволяют лучше понять процессы, лежащие в основе индивидуального поведения. Наши данные в совокупности с результатами других исследований в будущем могут быть использованы для коррекции медикаментозной терапии заболеваний.

ЦНС — таких как синдром дефицита внимания и гиперактивности, алкогольная зависимость, наркомания, др., одним из симптомов которых является патологическая импульсивность.

Список сокращений.

МНА — мультинейронная активность ПД — потенциал действия ККГ — кросскорреляционная гистограмма АКГ — автокорреляционная гистограмма РСА — анализ принципиальных компонент ПСГ — перистимульная гистограмма.

МШфункциональная магнитно-резонансная томография.

выводы.

1. В зависимости от индивидуальных особенностей пищедобывательной стратегии кошек в поведенческой модели «права выбора» разного по пищевой ценности подкрепления животные были классифицированы как: «самоконтрольные», «амбивалентные» и «импульсивные».

2. Доля ошибочных реакций была достоверно больше, а межсигнальных — меньше у «самоконтрольных» животных по сравнению с животными других групп.

3. При анализе коротко -, длиннолатентных и ошибочных реакций в исследованных корковых областях и дорзальном ядре стриатума была показана разница в организации сетевой деятельности нейронов при реализации разных типов поведения животных.

4. Сравнение сетевой деятельности нейронов при реализации длиннолатентных и ошибочных рефлексов выявило достоверное превышение числа межнейронных взаимодействий у «самоконтрольных» животных в зрительной и сенсомоторной коре, у «импульсивных» — во фронтальной коре, у «амбивалентных» — в дорзальном стриатуме.

5. При длиннолатентных рефлексах межнейронные взаимодействия от нейронов фронтальной коры к нейронам дорзального стриатума проявились в достоверно большем числе по отношению ко всем исследованным связям, что предполагает контроль клеток дорзального стриатума со стороны фронтальной коры при данном типе поведения.

6. На стадии «без выбора» в сравнении со стадией «с выбором» пищевого подкрепления межнейронные взаимодействия в сенсомоторной коре и дорзальном стриатуме проявлялись в большем, а в зрительной и во фронтальной коре — в меньшем числе случаев, что предполагает реорганизацию сетевой деятельности в ситуации с выбором стратегии поведения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Оказалось, что у животных с «самоконтролирующим» типом поведения сетевая деятельность нейронов в двух исследованных корковых зонах (зрительной и сенсомоторной) характеризовалась большим числом межнейронных взаимодействий, по отношению к таковым показателям для животных «импульсивных» и «амбивалентной» группы. В то же время зрительные нейроны по результатам анализа одиночной клеточной активности тормозились на первой секунде действия условного раздражителя, как при коротко-, так и длиннолатентных рефлексах у животных, способных к «самоконтролю». Это, возможно, говорит о том, что для этих животных значение условного раздражителя было одним и тем же, а дальнейшее поведение определялось другими структурами. В связи с этим выходит на арену фронтальная кора, которая по параметру сетевой деятельности значительно более активирована у «импульсивных» животных. Кроме того, при внутригрупповом сравнении, у «импульсивных» животных сетевая активность фронтальной коры не меняется при выполнении разных типов реакций и остается на высоком уровне. Можно предположить на основании литературных данных, что при «импульсивном» поведении происходит некоторое усиление выброса дофамина во фронтальной коре, которая тесно связана с прилежащим ядром. Как было показано [Кулешова с соавт., 20 086], слабая выраженность межнейронных взаимодействий на уровне прилежащего ядра трансформируется в недостаточно активный характер взаимодействий нейронов прилежащего ядра с нейронами фронтальной коры. С другой стороны, активный вентрально-тегментальный дофаминовый вход на пирамидных клетках фронтальной коры, а также ослабление торможения амигдалярно-фронтального входа при недостаточном выделении дофамина, приводят к усилению активности одиночных нейронов фронтальной коры и увеличению числа связей в ней между отдельными нейронами. У животных, способных к «самоконтролю», все вышеназванные процессы проходят в обратном порядке.

При межгрупповом сравнении оказалось, что нейроны хвостатого ядра наименее активны по сетевой деятельности у животных «самоконтрольной» группы при проявлении длиннолатентных и ошибочных реакций, особенно по отношению к животным «амбивалентной» группы. Межструктурные взаимодействия нейронов показали, что дорзальный стриатум находится под контролем фронтальной коры, что и приводит к формированию тормозных сетей в дорзальном стриатуме.

Есть мнение [Nicola, 2007], что нейроны дорзального стриатума контролируют выбор действия в ответ на предсказуемые во времени стимулы, в то время как прилежащее ядро контролирует выбор действия в ответ на непредсказуемые стимулы. Гипотеза предполагает, что прямые (тормозные) и непрямые (возбуждающие) проекции как от дорзального стриатума, так и прилежащего ядра к выходным ядрам базальных ганглиев, создают распределенную сеть, в которой выбрано единственно нужное целенаправленное действие и другие действия заторможены. Дорзолатеральный стриатум (центральная и латеральная часть хвостатого ядра и putamen) имеет соматотопическую карту, которая исходит из топографических проекций от сенсорной и моторной коры [McGeorge, Faull, 1989]. По нашим данным достоверных различий по числу взаимодействий между нейронами дорзального стриатума не было выявлено при коротко — и длиннолатентных рефлексах, хотя мы использовали соматотопическую карту стриатума и вживляли электроды в область движения конечности. Исследования нейронной активности дорзального стриатума [Schultz et al., 2003; Hikosaka et al., 2006] в областях, содержащих клетки, представляющие специфические части тела (рука или глаза), показали различные, но частично перекрывающиеся популяции, которые активировались при разных событиях в течение одного задания. В большинстве случаев активирование начиналось после инструктирующего сигнала, но до триггерного стимула — «premovement firing». В случаях, где инструктирующий сигнал был связан с направлением движения, активирование нейронов было в соответствии с выбором направления движения. [Hikosaka et al., 2006]. Более сильная активация клеток на инструктирующий стимул коррелировала с более быстрым целенаправленным движением, и это было гарантом появления самого движения [Lee, Assad, 2003]. В наших опытах не менялось ни направление двигательного акта, ни усилия нажима на педаль, не было выбора движения, что также в соответствие с литературными данными не может изменять картину сетевой активности хвостатого ядра при реализации инструментального рефлекса.

Есть данные о том, что нейроны дорзального стриатума кодируют прогноз подкрепления, происходит усиление активировации нейронов при движении в том направлении, которое приводит к подкреплению. Высказана гипотеза, что дофаминергические проекции от среднего мозга к дорзальному ядру стриатума ответственны за возбуждение клеток предваряющих стимулы с подкреплением [Kawagoe et al., 2004; Takikawa, Hikosaka, 2004; Hikosaka et al., 2006]. В поддержку этой идеи были зарегистрированы короткие пачки активности дофаминовых нейронов среднего мозга в ответ на сигнал, предваряющий подкрепление [Schultz, 2010]. Величина пачек была больше при высокой вероятности или при большем вознаграждении [Satoh et al., 2003; Tobler, 2009; Schultz, 2010]. Если большее число пачек связано с большим выбросом дофамина в дорзальный стриатум [Montague et al., 2004], то дофамин, вероятно, является важным модулятором предварительного активирования нейронов, за которым следует выбор направления движения. В наших опытах прогноз.

93 подкрепления выражался в том, что животные выжидали время и не нажимали на педаль в период, когда можно было получить хлебо-сухарную смесь, т. е. необходимо было переждать временную задержку, по крайней мере, в Зс. Об оценке самого подкрепления можно говорить, основываясь на ансамблевой деятельности клеток всех исследуемых структур при получении самого подкрепления. Получение мяса вызывало активацию нейронов всех исследованных структур, получение хлебо-мясной смеси не показало активации ансамбля клеток. По-видимому, желаемое вознаграждение в виде мяса, полученное после принятия решения животным не нажимать в первые Зс, и затем длительное ожидание на протяжении 6с, вызывает активацию всего ансамбля клеток. Это может происходить в результате либо общей синхронизации клеток исследуемых структур, либо созданием из межнейронных взаимодействий клеток особой сети, которая является отражением результата действия животного, получившего прогнозируемое вознаграждение.

Литературные данные указывают на связь нейронов дорзального стриатума с выбором соответствующего целенаправленного поведения в ответ на условный стимул [ШкоБака, Иакатига, 2006]. В наших исследованиях животные совершали одну и ту же двигательную инструментальную реакцию нажатия на педаль для получения пищевого подкрепления, но с разной короткой или длинной временной задержкой, что определяло ценность подкрепления. Организация самого двигательного акта одна и та же, а его реализация в случае длиннолатентных реакций должна быть только задержана. Период задержки при длиннолатентных реакциях характеризовался достоверным усилением торможения фронтальных нейронов. Нейроны зрительной коры отвечали торможением одиночной активности на условный раздражитель при двух типах инструментальных реакций и оставались нереагирующими при ошибках поведения. Анализ.

94 одиночной клеточной активности непосредственно перед нажатием на педаль при обоих типах рефлексов показал, что ансамбль нейронов по составу существенно не различался, (фронтальные нейроны тормозились, моторные активировались). Однако анализ сетевой деятельности клеток в зрительной и фронтальной областях коры показал существенную разницу при реализации разных типов поведения. В частности при длиннолатентных реакциях число возбудительных межнейронных взаимодействий в этих структурах достоверно уменьшалось по сравнению с реализацией коротколатентных рефлексов. Интересным оказался факт, выявленный при анализе одиночной активности клеток фронтальной коры. Оказалось, что наиболее крупные нейроны фронтальной коры показали тормозную реакцию с 5-ой секунда по 9-ую секунду действия условного раздражителя, что соответствует времени задержки до получения высокоценного подкрепления. Таким образом, эти факты предполагают организацию тормозных сетей в зрительной и фронтальной коре при реализации задержанных рефлексов. Нейроны сенсомоторной коры и дорзального ядра стриатума не показали достоверных различий при разных типах поведения, что, скорее всего, говорит об отношении этих структур не к анализу предстоящей стратегии поведения, а к самой реализации моторного акта.

Анализ результатов по внутриструктурным взаимодействиям у животных, принадлежащим разным группам при трех типах поведения (коротко-, длиннолатентные реакции, ошибки), показал сходство и различия в организации сетевой деятельности в разных структурах мозга. Сетевая активность зрительной и фронтальной коры сходна у животных «амбивалентной» (достоверно) и «самоконтрольной» групп (в виде тенденции), а именно: число выявленных пиков на ККГ при длиннолатентных рефлексах снижалось. Сетевая деятельность сенсомоторной коры сходна для животных «импульсивной» и самоконтрольной" групп, она не отличалась при коротко — и длиннолатентных и активировалась при ошибочных реакциях. В дорзальном стриатуме наибольшие внутригрупповые различия по типам реакций были выявлены у «самоконтролирующих» кошек, что наводит на мысль о причастности дорзального стриатума к выбору стратегии поведения на этом уровне. Было обнаружено [Ар1се11а, 2002] два типа активности нейронов в дорзальном стриатуме, а именно: фазический и тонический. Фазически активные клетки имеют средний размер, ОАВА-ергические, проецируются к стриатальным эфферентным ядрам. Тонические клетки, по-видимому, холинергические и их аксоны оканчиваются на проекционных клетках. Активация тонических клеток с одной стороны может быть связано с возбуждением стриатальных афферентов (от коры, гиппокампа, миндалины, таламуса), что актуализирует сложившиеся сети при реализации поведения, с другой стороны может просто отражать спонтанную активацию корковых нейронов.

Таким образом, ведущими структурами в обработке зрительной и обстановочной информации и создании программы действий являются зрительная и фронтальная кора, а в реализации программы целенаправленного поведения участвует сенсомоторная кора. Организация поведенческой программы у животных, способных к «самоконтролю», происходит с участием дорзального стриатума.

Наиболее важным результатом анализа межструктурных связей при реализации длиннолатентных рефлексов было достоверное превышение числа взаимодействий между клетками фронтальной коры и дорзального стриатума по сравнению со всеми другими функционирующими взаимодействиями исследуемых структур мозга. При этом по направлению взаимодействий дорзальный стриатум находился под контролем фронтальной коры. Можно предположить, что межструктурная фронто-стриатальная организация взаимодействий при длиннолатентных реакциях экономично и четко определяет программу поведения, которая рассыпается при ошибках. Таким образом, распределенные сети наиболее полно отражают выбор стратегии поведения, предполагающий прогноз высокоценного пищевого подкрепления, при котором основными взаимодействующими структурами являются фронтальная кора и дорзальный стриатум.

Установлено, что ситуация с выбором пищевого подкрепления характеризуется уменьшением числа возбудительных взаимодействий в сенсомоторной коре и дорзальном стриатуме, что возможно связано с формированием тормозных сетей в этих структурах, содействующих прогнозированию, принятию решения и задержки условнорефлекторных реакций. В то же время в зрительной коре число межнейронных взаимодействий увеличивается, что свидетельствует о возрастании роли сигнала в ситуации выбора стратегии поведения. О фронтальной коре и ее участии в организации целенаправленного поведения в условиях выбора разноценностного пищевого подкрепления следует сказать особо. Три факта, а именно, число межнейронных взаимодействий достоверно выше у «импульсивных» животных при всех типах реакций, уменьшение числа межнейронных взаимодействий с торможением отдельных нейронов у животных, способных к «самоконтролю», а также устойчивое функционирование межструктурной фронто-стриатальной связи при проявлении длиннолатентных реакциях, говорят с нашей точки зрения о ключевой роли этой области мозга в организации процесса «принятия решения» для достижения желаемого вознаграждения, что связано с тормозным контролем поведения. Действительно, для «импульсивных» животных фронтальные нейроны расторможены в связи с генетически выраженной общей активацией, слабыми тормозными процессами, и в результате реакции на условный раздражитель — коротколатентные. По литературным данным, у «импульсивных» субъектов, как с использованием fMRI на человеке [Tanaka et al., 2004], так и на клеточном уровне в опытах на животных [Tanaka et al., 2004; Watanabe et al., 2006], регистрировалась повышенная активность во фронтальных областях коры в тестах, предполагающих маленькую задержку подкрепления. Это, по мнению исследователей, отражает готовность субъекта к быстрой двигательной реакции и получению немедленной награды. Причем, орбитофронтальная кора по данным [Tanaka et al., 2004; Watanabe et al., 2006] активировалась при немедленном, a дорзолатеральная фронтальная кора — при задержанном подкреплении.

Полученные нами данные сопоставимы с результатами, полученными при исследовании орбитофронтальной коры обезьян. В этой области были обнаружены нейроны, увеличивающие свою активность в период ожидания, и их активность была приурочена к подаче подкрепления. В связи с этим авторы предполагают, что орбитофронтальная кора отражает величину времени задержки и связана с оценкой величины подкрепления [Roesch, Olson, 2007]. Также было отмечено, что увеличение активности нейронов этой области коры в период задержки, может отражать готовность животного к моторному ответу. В другой работе на людях с изучением индивидуально-типологических особенностей опознания эмоциональной лицевой экспрессии было отмечено, что более тревожные, эмоционально-лабильные субъекты демонстрировали более короткое время двигательной активности, и при этом у них наблюдалась большая амплитуда негативных волн вызванных потенциалов в передних отделах коры [Михайлова, Розенберг, 2006].

Анализ сетевой и одиночной деятельности нейронов выявил различия в организации клеточного ансамбля при реализации «импульсивного» и «самоконтролируемого» поведения кошек, и дал картину специфического реагирования нейронов как внутри исследуемых структур, так и между ними.