Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ИНСТИТУТ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
И НЕЙРОФИЗИОЛОГИИ РАН
На правах рукописи
ПАВЛОВА Ольга Геннадиевна
ФОРМИРОВАНИЕ НОВЫХ ДВИГАТЕЛЬНЫХ КООРДИНАЦИЙ:
РОЛЬ МОТОРНОЙ КОРЫ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
03-00-13 Физиология
Москва - 2010 год
Работа выполнена в лаборатории двигательного обучения
Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
(зав. лаб. - доктор медицинских наук М.Е. Иоффе)
Научный консультант:
доктор медицинских наук М.Е. Иоффе
Официальные оппоненты:
- член-корр. РАН Инесса Бенедиктовна Козловская (Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем РАН)
- доктор биологических наук, профессор Валерий Викторович Шульговский (Биологический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова)
- доктор биологических наук Юрий Сергеевич Левик (Учреждение Российской академии наук Институт проблем передачи информации РАН)
Ведущая организация:
Учреждение Российской академии наук Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН
Защита состоится 27 октября 2010 года в часов на заседании Диссертационного совета
Д-002.044.01 по защите докторских диссертаций при Институте высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН по адресу: 117485, Москва, ул. Бутлерова, д. 5а.
Факс (495) 3388500б; e-mail: admin@ihna.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института высшей
нервной деятельности и нейрофизиологии РАН
Автореферат разослан 2010 года
Ученый секретарь Диссертационного совета
доктор биологических наук, профессор В.В. Раевский
Посвящается Марии Евгеньевне Варга
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Выученные движения занимают важное место в адаптивной деятельности человека и животных. Формирование новых движений принято связывать, прежде всего, с первичной моторной корой (MI). В эволюции MI впервые появляется у высших млекопитающих, ее значение резко возрастает от животных к человеку. Повреждение MI у четвероногих животных вызывает нарушения лишь некоторых манипуляторных навыков, у обезьян - стойкую утрату изолированных движений пальцев, у человека параличи или парезы контралатеральных конечностей и лица. Вместе с тем есть основания считать, что и у животных, и у человека движения, контролируемые MI, имеют общие принципы организации. Н.А. Бернштейн (1947) писал: Возникновение в филогенезе очередной н о в о й м о з г о в о й н а д с т р о й к и знаменует собой биологический отклик на н о в о е к а ч е с т в о и л и к л а с с
д в и г а т е л ь н ы х з а д а ч. ЕКаждый новый уровень приносит с собой комплект новых движений, какие раньше были организму недоступны. Несмотря на то, что MI является одной из наиболее хорошо изученных структур мозга, ее специфический вклад в организацию двигательных функций организма остается не до конца ясным.
В середине позапрошлого столетия невролог H. Jackson писал о значении двигательной коры: Множественное представительство одних и тех же мышц в разных комбинациях с другими мышцами создает базу для интеграции многообразных движений (цит. по Phillips a. Porter, 1977). Со времен Шеррингтона распространена точка зрения, что MI участвует в формировании новых движений путем трансформации естественных координаций. A.S.F. Leyton и C.S. Sherrington (1917) характеризовали двигательную кору как синтетический орган, формирующий разнообразные двигательные акты из элементарных движений и поз бульбоспинального аппарата, которые двигательная зона коры извлекает и разнообразно комбинирует в пространстве и времени. R. Wise в Encyclopedia of Neuroscience (1999) пишет, что MI Енеобходима для разделения двигательных синергий, чтобы обеспечить независимое управление мышечными группами, которые обычно работают вместе.
Участию MI в формировании двигательных координаций уделяется большое внимание в современных исследованиях (McKiernan et al., 2000; Holdefer a. Miller, 2002; Jackson et al., 2003; Graziano, 2006; Stinear et al., 2009). В решении такого рода задачи существенное преимущество имеет модель выученных движений, эфферентная организация которых принципиально отличается от естественных координаций. Разработка таких моделей является приоритетом отечественной физиологии. В лаборатории И.П. Павлова в опытах М.Н. Ерофеевой (1912) было установлено, что у собак при регулярном подкреплении болевого раздражения пищей можно изменить врожденную реакцию отдергивания лапы на противоположную пищевую, - слюноотделение. Зеленый с соавт. (1937) показали, что естественную координацию движений можно также переделать в процессе обучения на противоположную. Эта высоко адаптивная двигательная перестройка, как впервые было выявлено М.Е. Иоффе (1975) в опытах на собаках, тесно связана с сохранностью MI и пирамидного тракта. Наиболее убедительно этот факт был продемонстрирован на модели переделки естественной координации движений головы и передней лапы. Проведенные нами ранее опыты с использованием этой методики показали, что локальное удаление теменной и премоторной областей коры, дающих прямые входы в MI (Павлова с соавт., 1986), а также зубчатых ядер мозжечка (Балезина, 1988) либо не влияло на выученную координацию, либо вызывало лишь кратковременные ее нарушения. Эти данные указывают на то, что основной структурой, участвующей в формировании новой координации, является именно MI. Механизм переделки естественной координации на новую не достаточно изучен. Его исследованию посвящена настоящая работа.
М.Е. Иоффе (1973; 1991) высказал гипотезу, что MI участвует в реорганизации врожденных координаций, вытормаживая движения этих координаций, мешающих осуществлению вырабатываемой реакции. Подобной точки зрения придерживается M. Wiesendanger (1973); он полагает, что движения отдельных пальцев руки становятся возможными, благодаря осуществляемому через пирамидный тракт вытормаживанию активности синергично работающих мышц кисти.
Иное представление о механизме переделки естественной координации можно составить, исходя из теории построения движений Н.А. Бернштейна (1947). Врожденные и выученные движения он относил к разным классам, разным уровням построения, где вышестоящий уровень не подправляет движения нижестоящего, а своим появлением привносит новые полноценные движения, качественно иначе строящиеся и иначе управляемые. Исследование роли MI в переделке естественных координаций поднимает важные вопросы. Является ли переделка естественных координаций особым видом двигательного обучения, в основе которого лежат тормозные влияния со стороны моторной коры? Или же моторная кора участвует в построении новых координаций относительно самостоятельно? Решение этих вопросов может иметь значение как для понимания функции моторной коры, так и общих принципов центральной организации движений.
Хорошо известно о решающей роли MI в тонком и точном контроле движений, в которых участвует высокодифференцированная дистальная мускулатура. Значительно меньше изучено участие MI в регуляции активности филогенетически старых проксимальных и аксиальных мышц, также представленных на карте тела в MI. Исследование механизма выработки новой двигательной координации головы и лапы позволит подойти к оценке роли MI в управлении аксиальной и проксимальной мускулатуры, что важно для целостного представления о двигательной функции моторной коры.
Цели и задачи исследования
Цель настоящей работы состояла в изучении роли MI в переделке естественной координации движений головы и передней конечности у собаки, происходящей в процессе выработки инструментальной реакции, - удерживания чашки с пищей во время еды с помощью тонического подъема передней лапы при наклоне головы к кормушке. Такая координация движений достигается только в процессе обучения.
В соответствие с этой целью были поставлены следующие задачи:
- детально описать исходную взаимосвязь движений головы и лапы у собак, которая
проявляется на ранней стадии выработки инструментальной реакции и у
предварительно обученных животных после удаления MI;
- оценить участие магнусовских вестибулярных и шейных рефлексов, а также роль биомеханического фактора в организации естественной координации;
- исследовать динамику формирования новой, противоположной исходной координации
движений головы и лапы;
- изучить участие различных проекционных областей MI в организации новой
координации;
- сравнить организацию инструментального движения передней конечности в исходной и
выученной координациях (на основании анализа активности мышц конечности).
Научная новизна работы
Впервые зарегистрировано, как путем изменения набора мышц и перестройки их активности на противоположную MI участвует в организации нового, ранее не свойственного животному движения.
Впервые показано, что механизм переделки естественной двигательной координации в ходе обучения связан не с модификацией ее отдельных движений, мешающих проявлению вырабатываемой реакции, а с формированием программы нового движения.
Показана роль MI в управлении филогенетически старой аксиальной и проксимальной мускулатурой (на примере выработки новой координации движений головы и лапы).
Получены новые данные о естественной координации движений головы и лапы и ее природе у четвероногого млекопитающего. Показано, что подъем лапы у собак происходит с опережающим смещением головы вверх, где движение головы выполняет вспомогательную роль для подъема лапы. До настоящего времени было принято считать, что влияние положения головы на движение передних конечностей связано с магнусовскими вестибулярными и шейными рефлексами. Впервые показано, что устойчивая связь движений головы и лапы, - разгибание поднятой лапы при опускании головы, - внешне похожая на вестибулярный рефлекс, может иметь другую природу.
Теоретическое и научно-практическое значение работы
Подтверждены теоретические представления Н.А. Бернштейна (1947) об уровнях построения движений. На примере естественной и выученной координаций движений головы и лапы экспериментально показано, что внешне одно и то же движение, - подъем передней лапы у собаки - может иметь разное происхождение, организацию и структурную основу. Этот вывод имеет большое значение для понимания механизмов нарушения и компенсации двигательной функции при различных поражениях мозга высших млекопитающих и человека.
Показано, что участие моторной коры в переделке естественной координации связано с созданием независимой программы нового движения. Таким образом, получено экспериментальное подтверждение сформулированного Н.А. Бернштейном важного принципа построения движений: каждый новый уровень построения не подправляет движения нижестоящего, не добавляет им новые качества, а приносит с собой новые полноценные движения.
Известные факты участия моторной коры в организации тонких и точных движений дистальной мускулатуры дополнены данными о роли этой области в управлении филогенетически старыми аксиальными и проксимальными мышцами, что позволяет составить общее представление о двигательной функции MI. Моторная кора, обладая возможностью контролировать активность отдельных мышц, способна создавать разнообразные паттерны мышечной активности, необходимые для построения совершенно новых, не свойственных ранее организму движений.
Новые данные о естественной координации движений головы и лапы у собаки показали, что исходная устойчивая связь между движениями головы и передних конечностей может зависеть не только от рефлекторного механизма (магнусовские рефлексы), но и биомеханики тела. Описанная естественная координация движений головы и лапы может быть использована для изучения структурных основ двигательных синергий у высших животных.
Результаты проведенной работы расширяют представления об организации как врожденных, так и приобретенных форм двигательной активности и открывают перспективы их дальнейшего углубленного анализа.
Основные положения, выносимые на защиту
- Естественная координация движений головы и лапы у собак отражает присущий этим животным способ подъема передней конечности, при котором упреждающий подъем головы играет роль позной реакции, облегчающей движение лапы. Эта двигательная координация не связана с магнусовскими вестибулярными и шейными рефлексами.
- Роль моторной коры в переделке естественной координации на противоположную - подъем лапы с одновременным опусканием головы - состоит не в образовании новых связей между движениями головы и лапы, а в изменении организации (мышечного паттерна) подъема передней конечности, обеспечивающей возможность выполнения этого движения в необычной позе с опущенной головой.
- Моторная кора способна осуществлять тонкий контроль не только дистальных, но и филогенетически более старых проксимальных и аксиальных отделов мускулатуры. Это свойство лежит в основе ее общей двигательной функции, обеспечивающей возможность создавать разнообразные паттерны мышечной активности для осуществления новых двигательных координаций.
Апробация работы
Материалы диссертации многократно докладывались на отечественных и международных симпозиумах и конференциях.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 статей, из них 16 в отечественных и 3 в международных изданиях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методик, пяти глав с изложением результатов, обсуждения, выводов, приложения Результаты морфоконтроля и списка литературы. Работа содержит 41 рисунок и 6 таблиц.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объект исследования. Работа выполнена на 25 взрослых беспороднных собаках обоего пола массой от 8 до 20 кг. Эксперименты осуществляли в соответнствии с положением Института ВНД и НФ РАН о работе с экспериментальными животнными с соблюдением принципов гуманности, изложенных в директивах Европейского сообнщества (86/609IEС) и одобренных комитетом по медицинской этике.
Исследование поведения. У всех животных вырабатывали пищевую инструментанльную реакцию по методике Е.И. Поповой (1970) (рис. 1, А). Собаку обучали подъемом передней лапы, привязанной к штоку, перемещать чашку с пищей вверх, к узкому окошку закрытой кормушки, и удерживать ее в этом положении во время еды, так как при разгибании лапы чашка опускалась. В первоначальную коннструкцию кормушки были внесены изменения, позволяющие, во-первых, существенно снизить вес поднимаемого лапой груза, во-вторых, варьировать высоту корнмушки в зависимости от размеров животных таким образом, чтобы ее верхний край находился на уровне середины груди собаки. При работе с маленькими собаками на станок устанавливалась дополнительная платформа, Рис. 1. Пищевая инструментальная
высоту которой можно было менять в зависимости от реакция
размера животного.
Подтягивание штока вверх собака осуществнляла сгибанием лапы в плечевом и локтевом суснтавах. Максимальная амплитуда подъема лапы со штоком составляла 18.5 см; У разных животных величина тонического подъема лапы во время еды конлебалась от 10 до 15 см над уровнем опоры. Животных обучали выполнять инструменнтальную реакцию сначала одной, затем другой ланпой. Перед подачей пищи собака стояла с приподнятой головой, глядя прямо перед собой. Амплитуда опусканния головы во время еды у разных животных колебалась от 10 до 20 см от ее исходного положения. Кринтерием обучения служило успешное выполнение пищедобывательной реакции со стабильными временными и амплитудными характеристиками движений головы и лапы. Опыт состоял из 15-20 проб с варьирующим интервалом от 30 с до 1.5 мин.
Подъем "рабочей" лапы регистрированли с помощью потенциометра, укрепленного на одном из блоков подъемного устройства кормушнки, вертикальные смещения головы - с помощью тензодатчика, расположенного над ней на расстонянии 0.5 м. Тензодатчик был связан с головой тонкой резиновой нитью, которая крепилась на уровне переносицы к эластичному кольцу,
надентому на морду. К этому же кольцу под нижней ченлюстью прикрепляли угольный датчик для региснтрации жевательных движений.
Запись движений головы и лапы осуществлянлась на персональном компьютере с шагом 10 или 20 мс; она начиналась в момент включенния поворотного устройства диска при подаче
пинщи. Одновременно эти движения, а также отметку поданчи пищи и акт еды регистрировали на чернилопиншущем приборе.
В инструментальной реакции анализиронвали две последовательные фазы. Начальная фаза включала первое после подачи пищи опускание головы к кормушке и подъем лапы. Следующая фаза - удерживание поднянтой лапы и опущенной головы - по продолжительности соответствовала длительности акта еды. В ходе тренировки характер удерживания головы и лапы изменялся от нестабильного к стабильному. В фазе удержинвания выделяли фазические реакции и периоды стабильного удерживания. Периодами стабильного удерживания, или фиксациями считали те, которые не содержали относительно быстрых смещений (~0.5 см) за время, не превыншающее 0.15 с, а также относительно медленных, но непрерывных смещений (~0.6 см) за время, не превышающее 0.6 с. Подобные смещения выбинрали в скользящих интервалах (0.15 и 0.6 с соотнветственно). Периоды устойчивого положения короче 0.2 с не учитывали. Длительности устойнчивого положения как головы, так и лапы сумминровали и нормировали в процентах к общей длинтельности периода удерживания в каждой пробе. За основной критерий фазических движений принимали ненпрерывное смещение, по меньшей мере, на 0.5 см за время, не превышающее 80 мс. Производили анализ связи между фазическими движениями гонловы и лапы в период удерживания. С этой целью выделяли начала однонаправленных движений головы и лапы и между двумя последовательноснтями строили кросскорреляционные гистограмнмы. Достоверность пика на гистограмме оцениванли путем прямого вычисления вероятности слунчайного появления пика такой же или большей амплитуды в любом из 20 бинов по упрощенной версии теста достоверности А.Г. Фролова (1977).
Оперативные вмешательства. Все операции производили в стерильных условиях под нембутанловым (35 мг/кг массы, внутрибрюшиннно) или кетаминовым наркозом (премедикация: реланиум 0.5%, 0.5 мг/кг, внутнримышечно; через 15-20 мин. вводный наркоз: калипсол 5%, 5мг/кг и рометар 2%, 0.1-0.2 мг/кг, внутримышечно в одном шприце; базисный нарнкоз: смесь калипсола 5%, 1 мл, рометара 2%, 1 мл, хлористого нартрия 0.9%, 3 мл, внутривеннно через канюлю по 1.0-0.5 мл в течение операнции по мере пробуждения). В течение операции животное обогревали с помощью электрической грелки, измеряли частоту дыхания и сердечных сокращений. В конце операции внунтримышечно вводили противоотечные средства и антибиотики пролонгированного действия.
Двусторонняя вестибулоэктомия проведена на четырех собаках С6, С7, С9 и С10. Тупым способом открывали bulla ossea височной кости, вскрывали ее, удаляли костные стенки улитнки и вылущивали улитку, преддверие и ампулы понлукружных каналов. Для того чтобы расширить доступ к последним, через овальное отверстие уданляли также musculus tensor tympani. Лицевой нерв оставался неповрежденным.
Шейная деафферентация у трех собак С11-С13 достигалась билатеральной перерезкой дорзальнных корешков первых трех шейных сегментов (СI-СШ) спинного мозга. Корешки первого шейного сегмента перерезали субдурально через щель между задним краем большого ченрепного отверстия и первым шейным позвонком. Субдуральную перерезку корешков второго сегмента осуществнляли между заднелатеральным краем первого и переднелатеральным краем второго шейного понзвонка. Корешки третьего сегмента удаляли такнже субдурально через костные окошки во втором шейном позвонке, которые выпиливали симметнрично по обе стороны от остистого отростка.
Повреждения MI проведены у восьми собак с помощью субпиальноro отсасынвания. У собак С6 и С7 удаляли всю моторную кору на стороне, контралатеральной рабочей лапе, у С8 - полное представительство рабочей лапы, у С15 и С17 - латеральную треть MI с одной стороны, включающую основную (т.н. ядерную) часть пронекции "рабочей" лапы, у С2, С3 и С5 - среднюю треть МI в обоих полушанриях, захватывающую основную часть проекции шеи, у С4 и С16 - медиальную треть MI, включающую основную часть представительства задней конечности в полушарии "рабочей" лапы. У собаки С4 сначала удаляли медиальную треть МI в одном полушарии, а через 2 месяца - латеральную треть в другом. По окончании операции дефект ткани заполняли гемостатической губкой, послойно зашивали твердую мозговую оболочку и мягкие ткани.
Вживление хронических электродов для регистрации миограммы проведено на семи собаках (С2-С4, С15, С17-С19), у пяти из них после частичных повреждений MI. Доступ к мышцам осуществлялся через кожный разрез длиной около 10 см. По окончании операции края кожи совмещали и накладывали швы.
Усовершенствования для регистрации электромиограммы в хронических опытах у собак. Для проведения опытов, сочетающих хроническую регистрацию электромиограммы (ЭМГ) с черепно-мозговыми операциями у собак была разработана специальная модель разъема. Внешне она именет вид патронташа и представляет собой понлоску плотной тканевой корсажной ленты (10 х 4) см с расположенными на ней в ряд металлическинми контактами - штырьками (рис. 2, а). Задние утолщенные части штырьков с подпаянными проводами электродов плотнно пришивали к ленте; к передним, свободным окончаниям во время опыта присоединяли встречные контакты разъема, идущие к миографу. Ленту разъема раснполагали на дорзальной поверхнности шеи (кпереди от места выхода на кожу проводов внутримышечных электродов) и фиксировали по углам толстой шелконвой нитью к коже (рис. 2, б).
Двойная липкая матерчатая лента (УVelcroФ) обеспечивала основную защиту разъема. Один слой ленты пришивали к задннему краю ленты разъема так, что она закрынвала собой провода и контакты (рис. 2, а), второй накладывали на разъем сверху и обвондили вокруг шеи. Лента полностью закрывала разъем и имела вид ошейника (рис. 2, 6), котонрый собака носила постоянно. Наружный слой ленты снимали во время опытов при манипуляциях с разъемом.
Рис. 2. Разъем для регистрации миограммы.
А - крепление контактов разъема, б - общий вид разъема на шее собаки.
Внутримышечные элекнтроды представляли собой пару оголенных на конце стальных многожильных проводов в тенфлоновой изоляции с внешним диаметром 0.3 мм (Cooner Wire, AS632, USA). Электроды вводили в мышцу с помощью инъекционных игл, закрепленных в держателе на расстоянии 3 мм параллельно друг другу. Пронвод, освобожденный от изоляции на 3 мм, пронводили через задний конец иглы и у переднего скошенного края загибали неизолированную часть в виде крючка (Basmajian a. De Luca, 1985). Обе иглы одновренменно вкалывали в середину брюшка мышцы и вынимали в обратном направленнии, оставляя в мышце электроды. Свободные концы проводов проводили подкожно к шее и выводили через расположенное перед разъемом отверстие в коже диаметром 3-4 мм. Провода припаивали к соответнствующим контактам разъема и фиксировали швами на ленте. Вживляли от 8 до 20 пар электродов. Часто в одну и ту же мышцу вводили по 2 пары отнводящих электродов. Регистрировали активнность мышц предплечья, плеча, лопатки, спинны, груди и шеи. Длительность отведений колебалась от 2 до 8 недель. Малая травматичность разъема, его легкая заменяемость позволяли использовать экспериментальное животное как угодно долнго, изучая активность мышц при последовательной выработке инструментальной реакции на двух лапах, до и после повреждений MI.
Регистрация сигналов. Одновременную регистрацию 4 отведений ЭМГ производинли с помощью аналого-цифрового компьюнтерного устройства, обеспечивающего усиленние исходного сигнала в полосе 50-5000 Гц, апнпаратного выпрямления и интегрирования в течение временного интервала 10 мс (Hoffer et al., 1987; Thomson et al., 1994). Результаты интегрирования по каждому иннтервалу оцифровывались с помощью 12-разнрядного аналого-цифрового преобразователя. Для калибровки по амплитуде на вход устройнства подавался синусоидальный сигнал амплинтудой 400 мкВ и частотой 500 Гц. ЭМГ регинстрировали во время выполнения пищевой иннструментальной реакции вместе с механограммами головы и лапы.
Обработку ЭМГ производили по программе, разработанной В.Н. Пономаренвым, которая позволяла сглаживать миограммы и механограммы методом скользящей средней по пяти точкам, а также производить усреднение методом наложения кривых относительно нанчала подъема лапы и относительно момента постановки лапы на опору.
Гистологический контроль. Морфологический контроль результатов повреждения проведен в лаборатории морфологии ИВНД и НФ канд. биол. наук В.Н. Мац у всех подопытных животных, подвергшихся оперативному вмешательству. По окончании опытов часть животных была усыплена передозировкой наркотического вещества. Другая часть, участвовавшая в течение нескольких лет в ряде серий экспериментов, умерла естественной смертью. Мозг собак извлекали и фиксировали в 10%-ном растворе формалина. Гистологический контроль локалинзации повреждений проводили по серийным срензам толщиной 30 мкм, окрашенным по методу Ниссля. Определяли границы удаленной ткани, а также зоны разрушения, вызванные лизисом детнрита ткани, и зоны перерождения вокруг участка удаления, выявляемые по глиозу. Воспроизводили реконструкцию области повреждения.
Статистическая обработка. В программе обработки механограмм А.В. Александрова указанные выше временные и амплитудные ханрактеристики движений усредняли для каждого опыта, а иногда и для нескольких опытов определенного этапа обучения, достоверность различий оценивали по кринтерию Стьюдента. С помощью кросснкорреляционного анализа по методике А.Г. Фролонва (1977) оценивали достоверность связи между однонаправленными смещениями головы и лапы в фазе удерживания. В опытах с регистрацией ЭМГ программа, разработанная В.Н. Пономаренвым, позволяла производить усреднение с вычислением стандартного отклонения (SD).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1. Естественная координация движений головы и лапы у собак
Известно (Иоффе, 1975), что при выработке у собак пищевой инструментальной реакции - подъема и удерживания чашки с пищей во время еды с помощью тонического сгибания передней лапы - происходит переделка естественной двигательной координации головы и лапы на новую, ранее не свойственную животным. На ранней стадии обучения опускание головы к кормушке вызывает разгибание поднятой лапы. Необходимое для получения пищи удерживание поднятой лапы в позе с опущенной головой - координация, противоположная исходной - достигается только в результате обучения. Установлено (Иоффе, 1975), что выученная координация движений головы и лапы критически зависит от сохранности MI, контралатеральной рабочей конечности. Ее повреждение приводит к стойкому нарушению выработанного навыка и восстановлению исходной координации.
Изучение механизма переделки естественной координации и роли MI в этом процессе нуждалось, прежде всего, в детальном исследовании исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Известное описание естественной координации основывалось только на регистрации движений рабочей лапы и простого наблюдения за движениями головы. Встала задача: на основании объективной регистрации движений головы и лапы качественно и количественно оценить исходную связь этих движений, которая, как упомянуто выше, проявляется у интактных собак на ранней стадии выработки инструментальной реакции и у животных с выученной координацией после удаления MI. Опыты были проведены на пяти интактных собаках и трех собаках с односторонним удалением MI.
1.1. Естественная координация у интактных собак на ранней стадии обучения
Обучение интактных собак начинали с выработки условной пинщевой реакции на щелчок поворотного устройства, сопровождающий перемещение чашки с пищей под окошко кормушки. Фиксация конечности к штоку первонанчально вызывала освободительные флексии, которые приводили к подъемам чашки с пищей. После нескольких подкреплений подъемы лапы приобретали пищевой характер и начинали проявнляться вместе с наклонами головы к кормушке. При этом наблюдалась всегда одна и та же последовательность движений: подача пищи вызывала быстрый наклон головы к кормушке, за которым следовал подъем лапы. Таким образом, сгибание лапы начиналось при опущенной голове. Обнаружено, что при подъеме лапы голова также смещалась вверх, удаляясь от кормушки. Наклон головы к поднятой чашке сопровождался разгибанием лапы: чашка опускалась, и пища снонва становилась недоступной. Описанная связь движений головы и лапы носила устойчивый характер и многократно повторялась при безуспешных попытках собаки достать пищу (Рис. 3, А).
Рис. 3. Исходная взаимосвязь движений головы и лапы на начальной стадии выработки
двигательного навыка (А) и в первых самостоятельных пищедобывательных реакциях (Б).
1- механограммы головы, 2 - жевания, 3 - лапы, 4 - отметка подачи пищи. На механограммах
. головы и лапы: отклонение кривой вниз - опускание, вверх - подъем. Пунктирные линии
показывают соотношение начала подъемов головы и лапы. Кросскорреляционные гистограммы
иллюстрируют распределение задержек между подъемами (стрелка вверх) и опусканиями
(стрелка вниз) головы и лапы; n - число суммаций движений головы; достоверность пика на
каждой гистограмме p < 0.001.
Чтобы предупредить угашение пищедобывательных движений при наклоне головы к кормушке мы слегка поддерживали поднятую лапу снизу, замедляя ее опускание так, чтобы собака успевала схватывать пищу. Очень скоро собаки начинали работать без помощи экспериментатора. Но и в первых самостоятельных пищедобывательных реакциях отчетливо проявлялась исходная взаимосвязь движений головы и лапы (рис. 3, Б).
Временная связь между движениями головы и лапы была изучена с помощью кросскорреляционного анализа. С этой целью выделяли начала однонаправленных движений головы и лапы и между двумя последовательностями строили кросскорреляционные гистограммы (рис. 3, В). Начало каждого движения лапы принимали за нулевую точку на шкале времени. Далее, за 2 с до и после начала движения лапы подсчитывали число движений головы, которые суммировались в соответствующие бины по 100 мс на гистограмме.
Результаты кросскорреляционного анализа показали, что между однонаправнленными движениями головы и лапы существует два типа связи, - подъем лапы с опережающим смещением головы вверх и опускание головы с последующим опусканием лапы. Эти два типа связи иллюстрируют гистограммы на рис. 4. Задержки между движениями головы и лапы наиболее часто колебались от 100 до 300 мс. Минимальные задержки составляли 40 мс, максимальные достигали нескольких сотен мс.
1.2. Естественная координация после удаления моторной коры
Ранее у собак с выработанной пищевой инструментальной реакцией были изучены последствия совместного удаления соматосенсорной и премоторной областей (Иоффе, 1975). В проведенной работе область удаления ограничивалась первичной моторной корой, цитоархитектонически соответствующей полю 4. Было известно, что нарушение выработанной и восстановление исходной координации происходит после разрушения моторной области на стороне, контролирующей движения рабочей лапы. Этот факт указывал на то, что представительство рабочей конечности играет важную роль в выполнении новой координации. У двух собак были изучены последствия одностороннего удаления всей MI контралатерально рабочей лапе, у одной - области проекции рабочей лапы, занимающей значительную часть MI. Гистонлогический контроль показал, что по глубине обнласть разрушения во всех случаях захватывала все корковые слои, а частичнно и белое вещество.
Перед операцией у собак была прочно выработана инструментальная пищевая реакция. Звук подачи вызывал наклон головы к кормушке и подъем ланпы, которые выполнялись как быстрые и слитные движенния, переходящие в тоническую реакцию удержинвания (Рис. 4, А).
Повреждение MI приводило к грунбым нарушениям выработанного навыка. Через неделю после операции в ответ на предъявление пищи собака опускала голову к кормушке, но подъема лапы со штоком не происходило. Если чашку с пищей устанавливали на кормушку свернху, или экспериментатор перемещал ее в доступнуюн для еды позицию с помощью пассивного сгинбания лапы, собака легко доставала пищу из узнкого окошка, демонстрируя тем самым отсутствие каких-либо нарушений движений головы. Такое кормление могло
Рис. 4. Выработанная пищевая инструментальная реакция у интактной собаки (А) и ее
нарушение после удаления MI (Б, В). На А и Б: х - положение головы, при котором начинался
подъем лапы до операции. На В: а - пищедобывательные движения, выполняемые животным
самостоятельно и с помощью экспериментатора (соответственно до и после метки); б -
изменение характера удерживания лапы при поднятой голове. Остальные обозначения как на
рис. 3.
спронвоцировать единичные спонтанные подъемы ранбочей лапы. Подъем рычага стал осуществляться рывком. Эти быстрые фазические двинжения конечности сопровождались подъемами головы, как у интактных собак до обучения (рис. 4, Б). При опускании головы собака роняла поднятую лапу, и чашка пандала вниз. После одной-двух безуспешных попыток животные отворачивались от кормушки и переставали реагировать на сигнал подачи пищи. После единичных тестиронваний самостоятельных реакций приступали к рентренингу, при котором собаке помогали удержинвать лапу и получать пищу. На фоне такой тренировки через 1-1.5 месяца понсле операции подача пищи начинала вызывать не только регулярный наклон головы к кормушке, но и последующий подъем лапы. Собака с удалением области рабочей лапы могла выполнить даже серию самостоятельных фазических подъемов конечности (рис. 4, В, а). Подъемам лапы предшествовали подъемы головы, а за наклонами гонловы следовали опуснкания поднятой лапы. Исходная связь движений головы и лапы с высокой степенью достоверности (p < 0.001) проявлялась у всех оперированных собак. Они не способны были одновременно удерживать поднятую лапу и опущенную голову, но каждое из этих движений в отдельности было возможно. Удерживание поднятой лапы успешно выполнялось, если только голова была поднята (рис. 4, В, б). Чем ниже собака пыталась приблизить голову к пище, тем ниже был подъем лапы. И наоборот, чем выше был подъем лапы, тем меньше был наклон головы к кормушке. То есть, естественная координация прослеживалась как между фазическими, так и тоническими движениями головы и лапы.
Через два года после операции у собаки с удалением представительства рабочей лапы началось восстановление выученной координации, у собак с полным удалением MI сохранялась естественная координация.
2. Механизм исходной координации движений головы и лапы
2.1. Участие магнусовских рефлексов в организации естественной координации
Единственно изученным механизмом, объясняющим влияние положения головы на движения конечностей, являются описанные R. MagnusТом (1924) вестибулярные и шейные рефлексы. Рефлекторные влияния от вестибулярных и шейных рецепторов на мышцы конечностей обеспечивают организму поддержание равновесия, стабильного положения головы и адекватных поз в пространстве. Как установлено Магнусом (1962), при таком положении головы, когда ротовая щель образует прямой угол с горизонтальной плоскостью, (а именно в этом положении находится голова собаки во время еды из узкого окошка кормушки), начинают возбуждаться вестибулярные рецепторы, вызывая рефлекторное ослабление тонуса флексоров передних конечностей. В этой связи опускание головы к кормушке может вызывать разгибание поднятой лапы. Этот же рефлекс должен мешать сгибанию конечности, если голова опущена к кормушке. Возможно, поэтому всякий раз, прежде чем поднять лапу, собака поднимает голову. Подъем головы в этом случае предположительно снимает возбуждение вестибулярных рецепторов.
Вестибулярный рефлекс можно было бы рассматривать как единственный механизм естественной координации, если бы положение обеих передних лап у собаки было симметричным. Однако, при выполнении инструментальной реакции рабочая лапа находится в состоянии флексии, а другая лапа, выполняющая опорную функцию, резко эктензирована. По механизму шейного рефлекса опускание головы приводит к снижению тонуса экстензоров передних конечностей. Такое влияние может оказаться критичным для опорной конечности, когда рабочая лапа поднята. Снижение опорного давления и устойчивости положения тела и может являться причиной немедленного разгибания поднятой лапы. Подъем головы должен изменять эту ситуацию, обеспечивая устойчивое положение опорной конечности. Как и в рассмотренном выше случае с вестибулярным рефлексом, подъем лапы с упреждающим подъемом головы может быть предупредительной реакцией, снимающей рефлекторные влияния с шейных мышц, мешающие выполнению инструментальной реакции.
2.1.1. Влияние вестибулоэктомии на естественную координацию
Последствия вестибулоэктомии (ВЭ) были изучены у четырех собак. Две из них, интактные, находились на ранней стадии выработки инструментальной реакции, у двух других предварительно обученных животных была удалена MI контралатерально рабочей конечности.
ВЭ у всех подонпытных собак вызывала типичные симптомы вестибулярных расстройств: Маятникообразные движения головы и соответствующую им зигзангообразную траекторию передвижения, нистагм, отсутствие лифтной реакции (сгибательно-разгибательных движений передних конечностей при резком опускании жинвотных в подвешенном состоянии), широкое положение задних конечностей. К концу первой недели эти симптомы ослабевали. Через 10-14 дней после операции, когда тремор головы уменьшался настолько, что собаки могнли доставать пищу из узкого окошка кормушки, начинали тестирование естественной координации.
У собак с разрушенной MI тестирование проводили 1 раз в неделю (5-7 проб) на пронтяжении 2 месяцев. До ВЭ естественная координация движений головы и лапы у этих животных носила устойчивый характер и сохранялась в течение двух лет после удаления MI, несмотря на ретренинг. После ВЭ у обеих собак по-прежнему проявлялись только фазические подъемы лапы, которым сопутствовали смещения головы вверх. Причем, у одной из них инструментальные реакции стали проявляться заметно хуже и реже, чем до операции. У обоих животных между однонаправленными колебаниями головы и лапы сохранялась исходная взаимосвязь (p < 0, 001).
У интактных собак была продолжена выработка инструментальной реакции; опыты, состоящие из 10-15 проб, проводили ежедневно в течение 1 месяца. Перед ВЭ инструментальное обучение у этих животных было прервано на самой ранней стадии. После операции подъемы лапы продолжали проявляться с сопутствующим смещением головы вверх, при опусканиях головы собаки роняли поднятую лапу. Движения головы достоверно опережали однонаправленные движения лапы. Спустя два опыта одна из собак начала самостоятельно доставать пищу из корнмушки, подтягивая чашку с пищей повторяющимися фазическими подъемами конечности. По мере тренировки инструментальные реакнции совершенствовались. Единственным параметром, который не улучшался в ходе обучения, являлась фиксация положения головы. Удерживание опущенной головы во время еды сопровождалось небольшими по величине (1-3 см) колебаниями. Между колебаниями головы и более редкими колебаниями лапы выявлялась исходная взаимосвязь. У интактных собак она, как правило, исчезала в течение 1-3 опытов.
У другого животного, несмотря на то, что все фазические пищедобывательные движения подкреплялись (собаке помогали удернживать лапу во время еды), выработать инструментальную реакцию не удалось. После 5-6 проб собака отворачивалась от кормушки, и у нее возникали освободительные реакции. В целом она выполнила более 100 активных подъемов лапы с рычагом. Все они сопровождались опережающим на 300-400 мс смещением головы вверх.
Таким образом, после ВЭ как у интактных собак, так и у собак с удаленной MI естественная координация движений головы и лапы оставалась сохранной.
2.1.2. Влияние шейной деафферентации на естественную координацию
Опыты проведены на трех собаках, находившихся на ранней стадии выработки инструментальной реакции. После перерезки дорзальных корешков первых трех шейных сегментов спинного мозга, приводящей к шейной деафферентации (ШД), у всех подопытных собак наблюдались характерные двигательные расстройства: тремор головы в виде частых, небольших по величине колебаний в вертикальной плоскости, ненловкие движения как передних, так и задних лап, нарушения координнации ходьбы, главным образом, за счет задних коннечностей, - их тонус был ослаблен, а задняя часть туловища неустойчива. Спунстя 3-4 недели после операции, когда тремор головы иснчезал, походка становилась более координированнной, возобновляли опыты с тестированием естественной координации и выработкой инструментальной реакции.
Опыты с обучением возобновляли ченрез 3-4 недели после операции. Каждый опыт состоял из 10-н15 проб. Выработку инструментальной реакции у оперированных животных сравнивали с контрольной группой из трех интактных собак.
После ШД у всех собак выявлена достоверная исходная взаимосвязь движений головы и рабочей лапы. Первые самостоятельные инструментальные реакции имели характерный для естественной координации зубчатый вид, когда подъему лапы предшествовал опережающий подъем головы, а опускание головы к кормушке вызывало разгибание поднятой лапы. Выработка инструментальной реакции у собак с ШД происходила медленнее, чем у интактных. Оперированные собаки начинали самостоянтельно удерживать чашку с пищей после 5-8 опынтов тренировки, интактные животные - после 4-5 опытов. У интактных собак быстрее стабилизировалось положение головы и лапы во время еды, и уже к пятому опыту период устойчивого удерживания головы составлял 72-96 % от общей продолжительности фазы удерживания. У собак с ШД к этому времени сохранялись размашистые (3-6 см) колебания головы, а общее время устойчивого положения головы в отдельной пробе не превышало 10%.
Если у интактных собак естественная координация исчензала спустя 2-3 опыта после появнления самостоятельных пищедобывательных ренакций, то у собак с ШД она наблюдалась длительное время. Причем, чаще и с более высокой степенью достоверности проявлялась связь между подъемами лапы и опережающими подъемами головы (рис. 5).
Результаты проведенных опытов показали, что деафферентация шейных мышц, как и ВЭ, не приводит к распаду исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Это означает, что опускание головы, вызывающее разгибание поднятой лапы, не связано ни с вестибулярным, ни с шейным рефлексом. Оба вида деафферентаций не только не облегчали, а ухудшали выработку новой координации. Выявлено, что более устойчивой и проявляющейся с большей степенью достоверности оказалась не предполагаемая рефлекторная связь между опусканиями головы и лапы, а связь между подъемами лапы и опережающими смещениями головы вверх.
Рис. 5. Длительное проявление исходной координации движений головы и лапы у собак (С11-С13) с ШД, самостоятельно выполняющих инструментальную реакцию. По вертикали со знаком "+" - задержка (в мс) между подъемами головы и лапы, со знаком "-" - задержка между их опусканиями; по горизонтали - опыты. Столбики - нслучаи достоверной корреляции между движениями лапы и опережающими движениями головы в том же направлении, их цвет указывает степень достоверноснти: темные - р < 0.001, заштрихованные - р < 0.01, светнлые - р < 0.05.
2.2. Роль биомеханического фактора в организации естественной координации
Gurfinkel et al. (1988) обнаружили, что у человека при подъеме руки вперед также наблюдается опережающее непроизвольное отклонение головы назад. Оно возникает в результате активации осевой мускулатуры, что, по мнению авторов этой работы, способствует повышению жесткости позвоночника и обнлегчает удерживание руки. Возникло предположение, что наблюдаемая у необученных собак связь между подъемом лапы и упреждающим подъемом головы может быть обусловлена биомеханикой тела, связанной с особенностями анатомических связей головы и передних конечностей.
У собаки нет жесткой связи передней конечности со скелетом тела (Miller, 1964) (рис. 6, А). Плечо соединено с лопаткой, которая удерживается на туловище только с помощью мышц, соединяющих ее с ребрами, грудным и шейным отделами позвоночника и головой. Таким образом, лопатка является промежуточным звеном в кинематической цепи, связывающей движение головы и передней лапы. Для того чтобы понять суть этой связи, необходимо было выяснить, как действуют на лопатку подъемы головы и лапы.
Рис. 6. Костно-мышечный аппарат, участвующий в инструментальном подъеме передней лапы.
А - силы, противоположно действующие на лопатку при подъеме головы (стрелка сверху) и при подъеме лапы (снизу); Б - подъем рычага осуществляется сгибанием лапы в плечевом и локтевом суставах (обозначены кружками); В - основные флексоры плеча m. deltoideus (DEL) и m. teres major (T. MAJ), соединяющие лопатку с плечом; Г - участие флексоров плечевого и локтевого суставов в инструментальном подъеме лапы на ранней стадии обучения. Амплитуды ЭМГ в условных единицах (100 у.е. соответствует калибровочному синусоидальному сигналу амплитудой 330 V). Остальные обозначения как на рис. 3.
В исследуемой инструментальной реакции подъем лапы достигается сгибанием конечности в плечевом и локтевом суставах (рис. 6, Б). Регистрация мышц плеча и предплечья у пяти собак с хронически вживленными внутримышечными электродами показала, что подъем лапы у собаки на ранней стадии обучения сопровождается выраженной активацией двух главных флексоров плеча m. teres major и m. deltoideus (рис. 6, В, Г). M. biceps brachii в подъеме не участвовал. Это означало, что решающую роль в инструментальном движении передней конечности играет сгибание в плечевом суставе. Видимое сгибание в локтевом суставе, очевидно, происходит пассивно за счет подъема плеча. Прикрепление m. teres major и m. deltoideus на плече и лопатке (рис. 6, В) указывает на то, что при их сокращении (то есть при подъеме лапы) лопатка должна поворачиваться назад.
Чтобы выявить, как влияют на смещение лопатки подъемы головы, у пяти собак были прослежены смещения гребня лопатки при разных положениях головы. Для этого шерсть над областью лопатки тщательно выбривали, а положение гребня отмечали на коже фломастером. Первая метка наносилась, когда собака ела из кормушки с опущенной головой, вторая - когда собака стояла с поднятой головой, глядя прямо перед собой. Было обнаружено, что при подъеме головы лопатка поворачивается вперед, при опускании назад. Угол поворота составлял
около 30.
Таким образом, было установлено, что подъем головы и подъем лапы действуют на лопатку в противоположных направлениях (рис. 6, А). В целом развитие естественной координации можно представить следующим образом. Подъем головы, упреждающий подъем лапы, ведет к смещению лопатки вперед, что вызывает растяжение флексоров плеча. Предварительное растяжение этих мышц позволяет им развить большую силу сокращения при подъеме лапы.
То есть, подъем головы создает оптимальные условия для подъема конечности. Кроме того, одновременные сокращения флексоров плеча и дорзальных мышц шеи, действуя на лопатку в противоположных направлениях, должны способствовать фиксации ее положения и облегчать удерживание поднятой конечности. Описанный механизм позволяет понять, почему при опускании головы поднятая лапа разгибается.
Полученные данные свидетельствуют в пользу того, что биомеханический фактор играет значимую роль в организации исследуемой естественной координации движений головы и лапы у собак.
3. Переделка естественной координации движений головы и лапы на противоположную координацию в процессе обучения
Относительно механизма переделки естественной координации движений головы и лапы существует гипотеза (Иоффе, 1975), согласно которой в ходе обучения MI вытормаживает движения исходной координации, мешающие проявлению вырабатываемой реакции. Согласно этой точке зрения выработка пищевой инструментальной реакции должна быть связана с трансформацией движений естественной координации, то есть, вытормаживанием подъема головы, упреждающего подъем лапы, и разгибания поднятой лапы, вызываемого опусканием головы. Следует отметить, что, если в движениях передней конечности участвует только контралатеральная MI, то симметричные опускания и подъемы головы контролируются MI обоих полушарий. Это дает основание предполагать, что гипотетическое выученное торможение подъемов головы перед инструментальным подъемом лапы должно способствовать переносу выработанного навыка с рабочей лапы на нетренированную конечность или заметно ускорять вторую по счету выработку инструментальной реакции у одного и того же животного. Таким образом, нашей задачей было изучить динамику изменений взаимосвязи движений головы и лапы в ходе выработки пищевой инструментальной реакции сначала на одной, а затем на другой лапе.
3.1. Изменение координации движений головы и лапы на разных стадиях выработки пищевой инструментальной реакции
Опыты были проведены на 5 собаках; четырех из них обучали выполнять инструментальную реакцию правой, одну - левой лапой. Каждый опыт состоял в среднем из 15 проб.
В выработке инструментальной реакции выделено четыре стадии. На первой стадии в пищедобывательных движениях проявлялась естественная координация движений головы и лапы. Напомним, что пищевая реакция, возникающая на звук подачи чашки с пищей, начиналась с быстрого наклона головы к кормушке, за которым следовал подъем лапы. При подъеме лапы голова снова смещалась вверх, удаляясь от кормушки (рис. 3). Последующее движение головы вниз, к пище приводило к разгибанию поднятой лапы. Доставать пищу из кормушки собаки могли только с помощью экспериментатора. В течение 1-3 опытов животные обучались выполнять инструментальную реакцию самостоятельно.
На второй стадии появлялись первые самостоятельные пищедобывательные реакции (Рис. 7, II). Этот период отличался специфическими изменениями начальной фазы инструментальной реакции. Движение головы в ответ на подачу чашки с пищей утрачивало быстрый и стереотипный характер, присущий первой стадии обучения, когда время опускания головы составляло около 1 с. Для второй стадии характерным было замедленное опускание головы к кормушке: животное как бы выбирало оптимальный уровень наклона головы, при котором оно способно было поднять и удержать лапу.
Первый подъем лапы у одного и того же животного также варьиронвал как по времени (0.6-2.5 с), так и по амплитуде (8.6-14.8 см) и мог выполнняться и как быстрое, и как медленное ступенчантое движение. Ему предшествовало дополнительное смещение головы вверх. Задержки между подъемами головы и лапы оставались такими же, как на первой стадии обучения (диаграмма на рис. 7).
Рис. 7. Пищевая инструментальная
реакция на разных стадиях (II-IV)
обучения. На диаграмме
распределение задержек между
первым после подачи пищи
подъемом лапы и опережающим
смещением головы вверх на первой
(темные столнбики) и второй (светлые)
стадиях для всей группы подопытных
животных; п на вертикальной оси -
число измерений. Различие между
медианами выборок по критерию
Манна-Уитни статистически
недостоверно (p = 0.54). Остальные
обозначения как на рис. 3.
За начальной фазой следовала фаза удерживания, в течение которой лапа оставалась поднятой. На этой стадии зафиксировать поднятую лапу на необходимом для еды уровне собакам не удавалось. Величина тонической флексии была невелика, поэтому подтягивания чашки с пищей к окошку кормушки продолжали осуществляться повторными фазическими движениями, которые сопровождались почти синхронными опережающими подъемами головы. Опускание головы приводило к разгибанию лапы, в течение которого собаке удавалось схватывать пищу из чашки. Как показал кросскорреляционный анализ, задержки между однонаправленными колебаниями головы и лапы в фазе удерживания на второй стадии оставались такими же, как на первой. То есть, изменений временного паттерна естественной координации не обнаружено. От пробы к пробе инструментальные движения быстро совершенствовались: уровень тонического подъема лапы возрастал, а амплитуда синхронных колебательных движений головы и лапы уменьшалась. Исходная взаимосвязь между этими движениями проявлялась в течение 1-2 опытов и исчезала. Причем, дольше сохранялась связь между подъемами головы и лапы.
На третьей стадии в начальной фазе инструментальной реакции движения головы и лапы вновь приобретали стереотипный характер. За быстнрым (до 0.7-0.9 с) наклоном головы следовал бынстрый (0.3-0.4 с) подъем лапы. Величина наклона головы к моменту подъенма лапы становилось в 1.5 раза ниже и достигала 72-90% от положения головы во время еды. Иными словами, в противоположность исходной координации животные начинали поднимать лапу при низнком положении головы. Несмотря на это у некоторых собак перед отрывом лапы от опоры сохранялся опережающий заброс головы вверх. Тонические реакции - подъем лапы и опускание головы - достигали уровней, необходимых для успешного выполнения инструментальной реакции (рис. 1, III). Удерживание головы и лапы оставалось нестабильным, но их колебания были невелики и проявлялись независимо друг от друга.
На четвертой стадии обучения (рис. 7, IV), отличавшейся наибольшей продолжительностью (15-20 опытов) происходила дальнейшая стабилизация положения опущенной головы и поднятой лапы. Время фиксированного положения лапы достигало 60-80%, а головы 70-90% от общей длительности фазы удерживания.
Опыты показали, что ведущим моментом в формировании новой координации являлась нарастающая по амплитуде и продолжительности флексия рабочей лапы с одновременным опусканием головы к кормушке.
Обнаружено, что у хорошо обученных собак в отдельных случаях в фазе удерживания могут возникать небольшие по величине содружественные колебания головы и лапы, между которыми проявляется исходная взаимосвязь (рис. 8), которая не нарушала выполнение
Рис 8. Восстановление исходной связи между фазическими движениями головы и лапы у обученной собаки. А - механограммы головы (сверху) и лапы (снизу); вертикальные линии обозначают начала подъемов и опусканий, горизонтальные - периоды фиксаций положений головы и лапы. Б - кросскорреляционные гистограммы движений
головы и лапы. Остальные обозначения как на рис. 3.
инструментальной реакции. Задержки между однонаправленными движениями головы и лапы оставались такими же, как на ранней стадии обучения. Это означало, что временной паттерн естественной координации в ходе обучения не меняется и остается сохранным даже в момент выполнения новой координации.
3.2. Существует ли перенос выработанного навыка?
После того, как собаки были обучены выполнять инструментальную реакцию одной лапой, манжету штока перевязывали на нетренированную соседнюю лапу и тестировали возможность переноса выработанного навыка. Опыты показали, что собака, уже обученная во время подъема лапы удерживать у кормушки опущенную голову, выполняла подъем нетренированной лапы всегда по типу естественной координации, то есть с предварительным подъемом головы. Выработка удерживания второй лапы в позе с опущенной головой требовала повторного обучения. Переделка исходной координации в ходе повторного обучения по своей динамике не отличалась от первого обучения.
4. Роль различных проекционных областей моторной коры в осуществлении выработанной координации движений головы и лапы
Хорошо известно, что MI у человека и животных топографически организована. Двигательная карта тела в MI у собаки исследована T. Gorska (1974). Эти данные позволяют поставить вопрос: каково участие отдельных проекционных зон в построении новой координации движений головы и лапы. Были изучены последствия одностороннего выключения представительства передней рабочей лапы, билатеральных проекций шеи и зоны представительства задней лапы, непосредственно не связанной с управленнием движениями головы и передней конечности.
Поскольку проекционные зоны MI широко перекрываются (Wong et al., 1978; Murphy et al., 1978; Kwan et al., 1979 и др.), для наиболее дифференцированной оценки влияния их выключения в каждом представительстве разрушению подвергалась только основная, так называнемая ядерная зона, то есть область с наиболее плотной локализацией низкопороговых двигательных ответов на стимуляцию MI (по данным T. Gorska (1975)). Опыты были проведены на шести собаках, предварительно обученных выполнять инструментальную реакцию обеими лапами. В каждом опыте собаки выполняли по 5-н10 проб как правой, так и левой лапой. Опыты проводили 1-2 раза в неделю в течение 1-8 месяцев.
Одностороннее удаление представительства задней лапы у двух собак вызвало нарушение рефлекса постановки на опору (так называемой плейсинг-реакции) контралатеральной задней конечности. В результате при ходьбе или стоянии эта лапа иногда подворачивалась на тыльную сторону. С первых дней после операции обе собаки успешно выполнняли инструментальную реакцию пенредней лапой, управляемой поврежденной MI. Через 1 месяц после операции, когда завершаются процессы рубцевания поврежденной ткани, у одной собаки показатели удерживания головы и лапы (как правой, так и левой) в выученной координации не отличались от дооперационных, у другой незначительно снизилась стабильность удерживания головы и лапы, контралатеральной поврежденной MI. Однако такое же изменение удерживания было зарегистрировано и для здоровой лапы, контролируемой интактной MI.
Удаление проекции головы и шеи в обоих полушариях, проведенное у трех собак, у двух животных не вызвало каких-либо видимых двигательных расстройств. Начиная с первой недели после операции, они успешно выполняли инструментальную реакцию обеими лапами.
У третьей собаки после операции было обнаружено нарушение плейсинг-реакции левой передней лапы, что свидентельствовало о том, что в контралатеральном (правом) понлушарии помимо области шеи была задета также и область этой лапы. Морфологический контроль подтверндил этот факт. Результаты тестирования инструментальной реакции правой и левой лапы также оказались разными. Эта собака с первой недели успешно выполняла пищедобывательную реакцию правой лапой, тогда как инструментальные движения левой лапы оказались нарушенными. Инструментальные подъемы левой лапы появились на второй неделе после операнции, им сопутствовали опережающие смещения головы вверх. Через 1.5 месяца после операции выученная координация движений головы и левой лапы восстановилась.
Сравнение параментров выученной координации до и через 1-1.5 месяца после операции показало, что удерживание опунщенной головы и поднятой лапы у одной собаки не изнменилось, у второй понизилась устойчивость удержинвания как правой, так и левой лапы, у третьей менее стабильным стало положение и голонвы, и лапы. Спустя полгода после операции эти показатели полностью восстановились у второй и частично у третьей собаки.
Удаление проекции "рабочей" конечности в МI у трех собак привело к нарушеннию плейсинг-реакции контралатеральнной передней лапы. Все подопытные животные успешно выполняли инструментальную реакцию лапой, ипсилатеральной по отноншению к области разрушения. В то же время они отканзывались работать, если к рычагу прикрепляли контралатеральную лапу, утратившую контроль MI. В этом случае подача пищи чаще всего не вынзывала пищедобывательного движения, а те движения, которые иногда возникали, резко отличались от выученных ранее. Вместо тонического подъема лапа совершала короткие одиночные рывки, сопровождаемые упреждающим смещением головы вверх.
Через 3-6 месяцев после операции и ретренинга у собак стали появляться самостоятельные успешные пищедобывательные реакции. У каждой из них отчетливо проявлялась исходная координация движений головы и лапы. Если до операции при первом обучении исходная взаимосвязь движений головы и лапы исчезала обычно очень быстро, после 30-40 самостоятельно выполненных проб, то после операции в период восстановления ее можно было регистрировать и после 80-100 реализаций. В ходе тренировки оперированные животные быстро уставали и, в отличие от здоровых, в конце опыта выполняли инструментальную реакцию хуже, чем в начале. Удерживание головы и лапы, утратившей контроль MI, оставалось неустойчивым до конца опытов. В то же время удерживание ипсилатеральной лапы не ухудшилось ни у одного из животных.
Проведенные опыты показали, что единственной областью в MI, от которой зависело выполнение новой координации, была проекционная зона рабочей лапы. Это означало, что основные изменения, происходящие при выработке новой координации, связаны с областью рабочей лапы. Возникло предположение, что осуществление новой координации - подъема лапы в необычной для животного позе с опущенной головой - может быть обусловлено изменением организации самого подъема передней конечности.
5. Особенности организации инструментального подъема передней конечности в исходной и выученной координациях
Сравнительный анализ активности мышц при подъеме "рабочей" лапы в естественной и в выученной координнациях был проведен у интактных собак и у собак с различнными повреждениями MI с хронически вживленными 8-20 парами внутримышечных электродов в мышцы одной или двух передних лап и лопатки. Опыты нанчинали через 5-7 дней после вживления электродов. Каждый опыт состоял из 15-20 проб. Срок регистрации мышцы одними и теми же вживленными электродами составлял от двух недель до двух месяцев.
5.1.Мышечный паттерн подъема лапы в естественной координации у интактных собак
У трех интактных собак миографический анализ подъема передней конечности был проведен на ранней стадии выработки инструментальной реакции сначала на правой, а затем на левой лапе. Наиболее устойчивый тип активности выявлен у трех основных сгибателей плеча: mm. deltoideus, teres major, teres minor. Активность сгибателя локтя m. biceps brachii при подъеме лапы носила эпизодический характер. При подъеме лапы активировались два больших сгибателя плеча m. deltoideus и m. teres major. В отличие от них третий основной сгибатель m. teres minor в подъеме не участвовал, а, напронтив, был активен при опоре на рабочую лапу. Эта активность прекращалась, как только лапа отрывалась от опоры (рис. 9). Часто аналогичным образом вел себя m. infraspinatus - сгибатель плеча, реже разгибатель плеча m. supraspinatus, а также передняя часть m. trapezius, соединяющего лопатку с шейными позвонками. Активность последних трех мышц, по сравнению с m. teres minor, на ранней стадии обучения была более вариативна.
Рис. 9. Паттерн мышечной активности подъема лапы, выполняемого в виде естественной координации. Обозначения: жирные линии - усредненные (n = 5) механо- и миограммы, тонкие - SD. Усреднения выполнены относительно момента отрыва лапы от опоры и постановки лапы на опору (вертикальные линии). Справа на механограмме головы "0" - положение головы, при котором собака стоит, глядя прямо перед собой, отклонение кривой вверх - подъем головы; на механограмме лапы "0" - положение ланпы на опоре, отклонение кривой вверх - подъем лапы. DEL - m. deltoideus, T.MAJ - m. teres major, T.MIN - m. teres minor, SS - m. supraspinatus, IS - m. infraspinatus. Остальные обозначения как на рис. 7.
Зарегистрированный паттерн активности, по-видимому, можно объяснить тем, что при опоре на рабочую конечность коактивация двух мышц-антагонистов m. infraspinatus и m. supraspinatus обеспечивает фиксацию плечевого сустава. Есть основания думать, что в этой фиксации участвует и m. teres minor, идущий от нижнего края лопатки к передней поверхности плеча, как хомут охватывающий верхнюю часть плечевой кости. Следует отметить, что такое прикрепление позволяет ему фиксировать плечевой сустав как в состоянии экстензии, так и флексии.
5.2. Мышечный паттерн подъема лапы в выученной координации у интактных собак
По мере выработки инструментальной реакции у трех интактных собак активность m. deltoideus и m. teres major не изменялась или усиливалась. Активность же m. teres minor постепенно полностью перестраивалась. Она переставала проявляться при опоре на рабочую лапу и стала возникать при подъеме конечности. На стадии упроченного навыка эта мышца вместе с m. deltoideus и m. teres major работала с момента подъема лапы до начала ее опускания. При подъеме и удерживании лапы также стали активироваться m. trapezius и mm. supra- и infraspinatus. Ранее они, как и m. teres minor, были активны при опоре на рабочую конечность. В результате на стадии упроченной инструментальной реакции в выученной координации при подъеме лапы с одновременным опусканием головы синхронно работали основные флексоры плеча, а также указанные мышцы лопатки (рис. 10). Их активность сохранялась на протяжении всей фазы удерживания лапы и прекращалась при ее постановке на опору.
Рис. 10. Паттерн
мышечной активности
при подъеме лапы в
выученной координации.
Начало записи соответствует
моменту подачи чашки с пищей.
Обозначения как на рис. 9
.
5.3. Мышечный паттерн подъема лапы у обученных собак после удаления проекционной области мышц шеи или задней лапы в MI
После двустороннего повреждения области головы и шеи в МI у двух собак предварительно выработанная иннструментальная реакция и, соответственно, вынученная новая координация движений головы и ланпы оставались сохранными. Мышечный паттерн подъема лапы у этих животных не отличалнся от описанного выше у интактных собак. Аналогичный рензультат наблюдался и у собаки после повреждения проекционной области задней лапы в левом полушарии.
5.4. Мышечный паттерн подъема лапы у обученных собак с повреждением области передней "рабочей" лапы в MI
Повреждение основной части представительства "рабочей" ланпы в МI (у двух собак правой, у одной левой) привело к грубому наруншению новой координации движений головы и лапы и восстановлению естественной координации.
Паттерн акнтивности мышц у оперированной собаки становился таким, как у необученного животного (рис. 11). А именно, при подъеме лапы активированлись m. deltoideus и m. teres major. M. teres minor был активен при опоре на рабочую конечность, перед ее подъемом активность мышцы прекращалась.
Рис. 11. Возврат к исходной координации головы и лапы и соответствующему паттерну активности мышц плеча при подъеме лапы после разрушения области "рабочей" конечности в МI у ранее обученной собаки.
а - схема повреждения (заштриховано) в МI, точки - локализация контранлатеральных двигательных ответов лапы на электростимуляцию мозга (Gorska, 1974); борозды: mdl - срединная, cr - крестовидная, prs - пресильвиева, cor - коронарная, d - димпл, a - анзатная, l - латеральная ; 6 - менханограммы головы и лапы и миограммы флексоров плеча, Г - голова, ПЛ -
правая лапа. Остальные
обозначения как на рис. 7 и 9.
Неполное удаление проекции передней лапы обеспечивало возможность восстановления утраченного навыка. Через 3-6 месяцев после операции в ходе тренировки значительно медленнее, чем при обучении у интактных собак во время подъема рабочей лапы начинала перестраиваться активность m. teres minor. Первоначально исчезала его активация перед подъемом лапы. Затем она эпизодически возникала во время тонической флексии. И только после нескольких десятков проб мышца начинала работать непрерывно от начала до конца подъема. Вместе с ней в тоническом подъеме лапы участвовали m. trapezius, m. infraspinatus и m. supraspinatus.
Проведенные опыты показали, что подъем лапы в выученной координации резко отличается по своей организации (паттерну мышечной активности) от такого же подъема лапы в естественной координации. Иными словами, выученная координация отражает новый способ подъема передней конечности. Решающую роль в его построении играет представительство рабочей лапы в MI. Участии этой области MI в процессе обучения обеспечивало перестройку исходной активности отдельных мышц плеча и лопатки на противоположную.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В ходе выяснения роли MI в переделке естественной координации в процессе обучения была более детально изучена исходная взаимосвязь движений головы и лапы, исследована природа этой взаимосвязи, проанализирована динамика переделки исходной координации движений головы и лапы в ходе обучения, выявлено участие различных проекционных зон MI в осуществлении выработанной координации. Проведена сравнительная оценка организации мышечного паттерна инструментального движения передней конечности на ранней стадии обучения и у хорошо обученных собак.
Показано, что естественная координация, проявляющаяся у собак в условиях пищедобывательной методики, имеет более сложную, чем считалось ранее, организацию и описывается двумя видами связей: 1) подъем лапы со штоком осуществляется с опережающим отклонением головы вверх, 2) опускание головы вызывает разгибание поднятой лапы. Первый вид связи проявляется как более устойчивый, то есть дольше сохраняется при переделке естественной координации. Задержки между однонаправленными движениями головы и лапы варьируют от 40 до нескольких сотен мс. Естественная координация проявляется у интактных собак на ранней стадии выработки пищевой инструментальной реакции, а также у собак с предварительно выработанным двигательным навыком после удаления MI.
До настоящего времени единственно изученным механизмом, объясняющим влияние положений головы на тонус мышц передних конечностей, являлись магнусовские вестибулярные и шейные рефлексы (Magnus, 1924; Roberts, 1967). Результаты проведенного в работе разрушения вестибулярного аппарата и деафферентации шейных мышц показали, что ни одна из этих операций не устраняет исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Это означало, что исследуемая у собак естественная координация движений головы и лапы не связана с магнусовскими рефлексами. Из этого также следовало, что у четвероногих млекопитающих помимо магнусовских рефлексов существуют и другие механизмы, определяющие устойчивую связь движений головы и передней конечности.
Данные, полученные Gurfinkel et al. (1988) на человеке, указывали на то, что в основе двигательной координации головы и руки лежит биомеханический фактор. Чтобы оценить роль этого фактора в координации движений головы и лапы у собаки мы изучили влияние движений естественной координации - подъема лапы и подъема головы - на положение лопатки, которая является промежуточным звеном в кинематической цепи, связывающей движение головы и передней конечности. Регистрация мышц плеча и предплечья показала, что, хотя инструментальный подъем лапы сопровождается сгибанием в локтевом и плечевом суставах, при этом движении активируются только флексоры плеча m. deltoideus и m. teres major, тогда как флексор локтя m. biceps brachii при подъеме лапы не активен. Это означало, что подъем лапы в естественной координации осуществляется благодаря активному сгибанию в плечевом суставе; сгибание лапы в локтевом суставе происходит пассивно за счет подъема плеча. При сокращении m. deltoideus и m. teres major лопатка поворачивается назад. Регистрация положения гребня лопатки при подъемах и опусканиях головы показала, что при опускании головы до уровня кормушки лопатка поворачивается против часовой стрелки, а верхняя точка ее гребня смещается кзади. При подъеме головы лопатка поворачивается вперед, и угол между ее задним ребром и плечевой костью увеличивается. Таким образом, подъем головы и подъем лапы действуют на лопатку в противоположных направлениях. Как известно (Бернштейн, 1947), фактическое движение каждого звена кинематической цепи определяется геометрической суммой трех составляющих: 1) силы мышц, 2) внешних сил (тяжести, сопротивления внешней среды и т.д.) и 3) реактивных сил (силы мышц других, удаленных суставных систем самого организма). Влияние подъема головы, упреждающего подъем лапы, можно сравнить с хорошо знакомыми движениями руки при работе с молотком: первоначально всегда происходит замах руки назад, приводящий к растяжению экстензоров, которые затем более эффективно срабатывают при ударе. В наших опытах поворот лопатки вперед при подъеме головы должен приводить к растяжению основных флексоров плечевого сустава, - m. teres major и m. deltoideus. В результате при подъеме лапы сокращение этих мышц становится более эффективным. Чем больше в движении участвуют реактивные и внешние силы, тем экономичнее оно построено в отношении расходования активной мышечной работы (Бернштейн, 1947). Изучение естественной координации на мышечном уровне полностью подтвердило это положение. Оказалось, что исходный подъем лапы организован достаточно просто, - из многих мышц плечевого и локтевого суставов в нем участвуют только два упомянутых выше главных флексора плеча.
В различных опытах выявлено, что в естественной координации связь между подъемами головы и лапы является более устойчивой, чем связь между их опусканиями. Это говорит в пользу того, что именно подъем лапы с опережающим подъемом головы представляет собой базисную синергию, играющую ведущую роль в естественной координации. Естественную координацию, проявившуюся у всех 19 подопытных собак, мы рассматриваем как генетически закрепленный способ подъема передней конечности, в котором существенное значение имеет биомеханический фактор, - упреждающий подъем головы играет вспомогательную роль для подъема лапы. Такой механизм позволяет понять, почему при опускании головы поднятая лапа также опускается.
Описанный способ подъема лапы первоначально был единственно доступным, но неадекватным для решения поставленной перед животным двигательной задачи. Чтобы получать пищу, собака должна была в тех же условиях освоить подъем лапы без смещения головы вверх, удерживая ее в опущенном состоянии около кормушки. Переход к новой координации, противоположной исходной, достигался только в результате обучения.
Чему же обучались животные, осваивая новую координацию движений головы и лапы? Существует точка зрения (Иоффе, 1975), что собака не может выполнить инструментальную реакцию потому, что ей мешает естественная координация. На этом основании делается вывод, что роль MI в выработке новой координации сводится к тому, чтобы затормозить движения естественной координации, мешающие осуществлению вырабатываемого навыка. К таким движениям относится подъем головы перед подъемом лапы и разгибание поднятой лапы, вызываемое опусканием головы. Изучение динамики выработки инструментальной реакции показало, что переход от фазических движений головы и лапы исходной координации к самостоятельным пищедобывательным реакциям был связан с появлением тонической флексии лапы, выполняемой с одновременными наклонами головы к кормушке. Нарастание тонической флексии лапы сопровождалось уменьшением амплитуды синхронных колебательных движений головы и лапы. Исходная взаимосвязь этих движений в течение 1-2 опытов исчезала. Далее следовал наиболее продолжительный этап обучения, связанный со стабилизацией удерживания опущенной головы и поднятой лапы во время еды. Опыты показали, что ведущим моментом в формировании новой координации являлась нарастающая по амплитуде и длительности тоническая флексия рабочей лапы при наклоне головы к кормушке. Постепенное улучшение параметров удерживания в ходе обучения, согласно современным представлениям, может быть связано с активацией горизонтальных связей в MI и вовлечением в процесс новых клеток
(Jackobs a. Donoghue, 1991; Hess et al., 1994; Sanes a. Donoghue, 2000; Майоров, 1999, 2002, 2004).
Обнаружено, что у хорошо обученных собак возможно восстановление естественной координации. Она проявлялась между небольшими по величине колебаниями головы и лапы в фазе удерживания, не нарушая выполнения инструментальной реакции. Задержки между однонаправленными движениями головы и лапы оставались такими же, как на ранней стадии обучения. Это означало, что программа естественной координации в ходе обучения не меняется и остается сохранной даже в момент выполнения новой координации. Это также указывало на то, что на ранней стадии обучения подъем лапы с одновременным опусканием головы не может быть выполнен не потому, что этому мешает исходная координация, а потому, что животное еще не обучилось удерживанию поднятой лапы в позе с опущенной головой. Процесс переделки естественной координации дал основание рассматривать его как постепенное замещение исходного способа подъема лапы новым, формирующимся в процессе обучения.
После выработки инструментальной реакции на одной лапе представлялось интересным выяснить, происходит ли перенос выработанного навыка на другую конечность. Этот тест позволял проверить, действительно ли выработка новой координации связана с обучением вытормаживать подъем головы, упреждающий подъем лапы. Опыты показали, что собаки, уже обученные удерживать голову в опущенном состоянии при подъеме конечности, при выполнении инструментального подъема другой, нетренированной лапой выполняют этот подъем с опережающим забросом головы вверх. Новая координация движений головы и нетренированной лапы требовала повторного обучения.
Иоффе (1975) было установлено, что выученная координация стойко нарушается как после удаления моторной области коры, так и при перерезке пирамидного тракта. Это означает, что программа новой координации передается из моторной коры по кортикоспинальному тракту. Чтобы оценить, на какие группы мышц в новой координации влияет MI, у предварительно обученных собак были изучены эффекты изолированных повреждений проекционных зон, управляющих движениями головы, передней рабочей лапы и, в качестве контроля, задней лапы. Было установлено, что после одностороннего удаления проекционной зоны задней конечности в полушарии рабочей лапы выученная координация оставалась сохранной. Это означало, что целостность MI не является необходимым условием для выполнения этой координации.
После билатерального повреждения основной части представительства шеи новая координация также не нарушалась. Этот факт указывает на то, что эта координация не зависит ни от прямого влиняния МI на мышцы шеи, ни от связей между проекционными зонами шеи и лапы. Это также расходится с предположением, что переделка естественной координации связана с обучением вытормаживанию подъема головы, упреждающего подъем лапы.
Выявлено, что только сохранность проекционной области рабочей конечности важна для осуществления выработанной координации движений головы и лапы. Эффект частичного повреждения этой области - грубое нарушение выученной и восстановление исходной координации - был сопоставим с результатами полного одностороннего удаления MI. Различия проявлялись в сроках нарушений. После удаления всей MI ретренинг, регулярно проводившийся в течение двух лет, не приводил к восстановлению выработанной координации. После локального удаления представительства передней лапы выученная ранее координация начинала восстанавливаться через 3-6 месяцев. Изучению механизмов восстановления двигательных навыков после повреждения MI придается большое значение (Rouiller a. Olivier, 2004). В опытах с частичным повреждением MI (Nudo et al., 1996; 1997), спинного мозга (Schmidlin et al., 2004) у обезьян после ретренинга обнаружены пластические перестройки, благодаря которым утраченное двигательное представительство, например руки, появляется в соседних проекционных зонах. Восстановление выученного движения передней лапы в наших опытах можно объяснить сохранностью так называемых рассеянных элементов представительства передней конечности в перекрывающихся соседних областях (рис. 11, а). Показательно, что удаление этих клеток, например, при повреждении области шеи, не вызывало нарушения движений передней лапы. Но их роль становилась значимой при повреждении ядерной проекционной зоны лапы. Важную роль в расширении функциональных возможностей клеток коры играет обучение (Tyc et al., 2005; Tyc a. Boyadjian, 2006), в процессе которого расширяются горизонтальные связи (Karni et al., 1995; Nudo et al., 1996; Sanes a. Donoghue, 2000), повышается синаптическая эффективность (Kleim et al., 2004; Monfils et al., 2005). Обучение в ходе ретренинга у оперированных собак происходило значительно медленнее, чем у интактных животных. В большей степени страдала устойчивость удерживания лапы. Очевидно, что повреждение основной части представительства лапы существенно обедняло состав специфических клеток MI, способных к управлению движениями передней конечности.
В целом, результаты локальных повреждений MI показали, что основные изменения, которые происходят в процессе обучения, должны быть связаны с областью рабочей лапы. Этот факт позволил предположить, что осуществление новой координации - подъема лапы в необычной для животного позе с опущенной головой - может быть обусловлено изменением организации самого подъема передней конечности. Чтобы проверить эту гипотезу, мы сравнили мышечный паттерн подъема лапы в естественной и в выученной координациях, а также проследили, как изменяется организация подъема рабочей лапы у обученных собак после локальных удалений представительств задней лапы, шеи и рабочей конечности в MI.
Миографический анализ инструментального подъема лапы у собак на ранней стадии обучения и у хорошо обученных животных показал, что эти движения существенно отличаются по своей организации. В подъеме лапы, выполняемом со вспомогательным подъемом головы, участвовали два основных флексора плеча (m. deltoideus и m. teres major). Выученный подъем лапы, выполняемый в позе с опущенной головой, имел гораздо более сложную организацию с активацией флексоров плеча (mm. deltoideus, teres major, teres minor, infraspinatus), экстензора плеча (m. supraspinatus), мышцы лопатки (m. trapezius), в ряде случаев сгибателя локтя (m.biceps). Исключение внешних сил при построении нового подъема конечности привело к внедрению активных мышечных добавок. В смысле мышечной работы это движение стало более сложным и затратным. Но таким способом моторной корой достигалась главная цель - адекватное решение сложной двигательной задачи.
Полученные результаты продемонстрировали, что внешне одно и то же движение, каким в наших опытах являлся подъем передней лапы, может иметь совершенно разную организацию, разную структурную основу, а также отличаться по своему происхождению, т.е. может быть генетически препрограммированным или приобретенным в процессе индивидуального опыта. Подъемы лапы в исходной и новой координации с позиций теории Н.А. Бернштейна могут рассматриваться как движения, относящиеся к разным уровням построения. Естественная координация движений головы и лапы по своему стереотипному, цикличному, штампообразному характеру проявления соответствует классу синергий. Этот уровень обеспечивает высокослаженные движения всего тела, которые строятся в системе координат собственного тела и имеют позную обусловленность. Морфологической основой этих движений Н.А. Бернштейн рассматривал таламо-паллидарный комплекс. Наши опыты подтвердили, что естественная координация не связана с двигательными областями коры, - MI, теменной и премоторной областями (Павлова с соавт., 1986), и, очевидно, имеет подкорковое происхождение.
Новая координация движений головы и лапы контролируется MI и относится к пирамидному уровню, который Н.А. Бернштейн определил как уровень пространственного поля. В его движениях, нацеленных на овладение внешним пространством, решающую роль играют сигналы из внешней среды. В естественной координации движение лапы неразрывно связано с непроизвольным движением головы. В выученной координации собака может произвольно удерживать голову около окошка кормушки, к которому движением лапы перемещает чашку с пищей. В этой координации и движения головы, и движения лапы нацелены на внешние ориентиры. Факты, подтверждающие, что MI контролирует не мышечные сокращения как таковые, а специфический класс движений, отмечены в ряде работ. R.B. Muir и R.N. Lemon (1983) показали, что у обезьян нейроны МI, контролирующие движения большого пальца руки, возбужданются при сжатии пружины большим и указательным пальцами, но эти же нейроны бездействуют, когда мышцан-сгибатель большого пальца активируется в составе силового хвата при сжимании бруска всей кистью. D.S. Hoffman и E.S. Luschei (1980) также в опытах на обезьянах, обученных контролировать силу сжатия нижней челюсти, обнаружили, что подавляющее большинство нейронов MI, участвующих в инструментальной реакции сжатия челюсти, не изменяет своей активности при обычных жевательных движениях.
Возникает вопрос: чем определяется выбор уровня построения движений? Согласно Н.А. Бернштейну в выборе уровня построения решающую роль играет его афферентация, его, так называемое сенсорное поле. Каждая двигательная задача находит себе, в зависимости от своего содержания и смысловой структуры, тот или иной уровень, иначе говоря, тот или иной сенсорный синтез, который наиболее адекватен по качеству и составу образующих его афферентаций Е требующемуся решению задачи. Этот уровень и определяется как ведущий. (Бернштейн, 1966, стр. 97). Исходя из этого положения, у собаки, уяснившей смысловую часть пищедобывательной задачи, решающее значение для выбора ее адекватного решения должна иметь афферентация от движущейся чашки с пищей и управляющей ей лапы. Подкрепление успешных движений в ходе тренировки закрепляет новый двигательный навык в данной экспериментальной обстановке.
Значение соответствия различного афферентного контроля и различных по своей организации движений подчеркивали многие авторы (Асратян, 1966; Анохин, 1935; 1970). И.Б. Козловская (1976), подробно изучавшая значение сенсорного обеспечения для врожденных и выработанных двигательных реакций, пришла к заключению, что эффект проприоцептивной деафферентации имеет исключительное значение для новых, выученных координаций. При этом результаты деафферентации имеют сходство с повреждением MI. Например, известно (Foerster, 1936; Lassek, 1953; Twitcell, 1954), что деафферентации приводят к грубым нарушениям изолированных движений пальцев, тогда как общая двигательная синергия кисти, сгибание руки в больших суставах страдают значительно меньше. Распад сложных координаций и возникновение синергий после деафферентаций отмечен рядом авторов (Twitcell, 1965; Gilman a. Denny-Brown, 1966). В наших опытах деафферентация шейных мышц или вестибулоэктомия заметно ухудшала, а у некоторых животных нарушала выработку новой двигательной координации, контролируемой MI. При этом у оперированных животных перестройка естественной координации существенно замедлялась, исходная синергия движений головы и лапы сохранялась у них значительно дольше, чем у интактных животных. Очевидно, что разного рода деафферентации создают существенный дефицит информации, необходимой для создания новых двигательных программ в MI.
В противовес господствовавшей в 70-80 гг. идее о том, что в центральной организации движений MI играет чисто исполнительную роль (Allen a. Tsukahara, 1974), более поздние работы, проведенные на клеточном (Asanuma, 1989 и др.), синаптическом (Kleim, 2002) и биохимическом (Hess a. Donoghue, 1999; Майоров, 2002; 2004) уровнях свидетельствуют о том, что MI непосредственно участвует в процессе обучения. Контролируемый MI процесс формирования программы совершенно нового, ранее недоступного животному движения, был прослежен в наших опытах. Показательной в этом обучении была перестройка исходной активности мышц mm. teres minor, infra- и supraspinatus на противоположную. Эта перестройка происходила постепенно и являлась результатом тренировки. Полученные данные показали, как в ходе выработки двигательного навыка реализуется важная особенность MI, отличающая ее от других двигательных структур головного мозга, - это способность управлять деятельностью отдельных мышц (Bernard et al., 1953; Preston and Whitlock, 1961; Landgren et al., 1962a; Phillips and Porter, 1964; Rosen and Asanuma, 1972).
Выявленный механизм переделки естественной координации не стоит особняком от других вариантов двигательного обучения, в которых участвует MI. Формированием новых двигательных программ в MI можно объяснить изолированные движения пальцев у приматов, так как в конкурирующей двигательной синергии всей кисти MI не участвует (Muir a. Lemon, 1983). Еще одним примером движения, контролируемого MI, является пищедобывательная реакция у кошки по методике T. Gorskа и E. Sybirska (1980) (доставание лапой кусочка пищи из узкой трубки или стакана). Наиболее стойким нарушениям этого навыка после удаления MI является ротационное движение лапы, позволяющее удерживать пищу. Известно, что это движение осуществляется с помощью одной мышцы - т. supiпаtor, управление которой доступно только MI.
Деятельность MI принято связывать, прежде всего, с движениями дистальной мускулатуры (Lawrence a. Kuypers, 1968; Gorska a. Sybirska, 1980; Wiesendanger, 1973 и др.). О роли MI в управлении проксимальными и аксиальными мышцами известно значительно меньше. H.G.J.M. Kuypers (1964) обнаружил, что у человека в грудном отделе спинного мозга на мотонейронах, иннервирующих межреберные дыхательные мышцы имеются моносинаптические окончания пирамидных волокон (Kuypers, 1964). Phillips a. Porter (1977) высказали предположение, что эти окончания, возможно, позволяют контролировать дыхательную мускулатуру во время речи и пения, создавая для старых (аксиальных) мышц новые паттерны активности. Это предположение экспериментально подтверждено в наших опытах. Показано, что у собак в ходе переделки исходного способа подъема лапы на новый при участии MI формируются совершенно новые паттерны активности мышц плеча и лопатки. Обобщая сказанное, можно заключить, что способность MI контролировать работу отдельных мышц, как дистальных, так и филогенетически старых, аксиальных и проксимальных, обеспечивает ей неограниченное число степеней свободы в реализации основной функции - построении новых координаций в соответствие с изменяющимися условиями внешней среды.
В Ы В О Д Ы
- Роль моторной коры в формировании новых движений изучалась на модели переделки естественной координации движений головы и лапы в ходе выработки пищевой инструментальной реакции - подъема и удерживания чашки с пищей во время еды с помощью тонического сгибания передней лапы.
- Естественная координация движений головы и лапы, проявляющаяся у собак на ранней стадии выработки пищевой инструментальной реакции, описывается двумя видами связей: подъем лапы сопровождается опережающим смещением головы вверх, при опускании головы к кормушке поднятая лапы разгибается. Связь между подъемами головы и лапы отличается большей устойчивостью.
- Исходная двигательная координация головы и лапы не связана с магнусовскими рефлексами. Она сохраняется после вестибулоэктомии и деафферентации шейных мышц.
- В исходной координации между движениями головы и лапы существует биомеханическая связь. Подъем головы, упреждающий подъем лапы, приводит к смещению лопатки вперед и растяжению флексоров плеча (m. deltoideus, m. teres major), что способствует эффективному выполнению флексии лапы.
- Выработка новой координации - подъема лапы с одновременным опусканием головы - проявляется в постепенном нарастании величины и продолжительности тонической флексии лапы и опускания головы и уменьшением амплитуды колебательных движений головы и лапы исходной координации. Динамика выработки новой координации отражает постепенное замещение исходного способа подъема лапы с сопутствующим подъемом головы на новый способ, выполняемый в позе с опущенной головой.
- Временной паттерн движений головы и лапы естественной координации остается сохранным у собак с выработанной координацией. Исходная координация может проявляться у обученных собак при коррекции положения поднятой лапы в виде небольших по величине содружественных смещений головы и лапы, которые не нарушают выученную координацию.
- У собак с выученной координацией движений головы и лапы не наблюдается переноса выработанного навыка на другую конечность. Между движением головы и нетренированной лапы сохраняется естественная координация.
- Осуществление выработанной координации движений головы и лапы не требует целостности всей MI и зависит от сохранности только проекционной зоны рабочей лапы. Удаление этой области приводит к длительному нарушению выученной координации и восстановлению исходной взаимосвязи движений головы и лапы. Двустороннее выключение представительства мышц шеи не влияет на выученную координацию.
- Естественная и выученная координации включают два разных способа подъема передней конечности. Сходные внешне подъемы лапы резко отличаются по своей
организации (паттерну мышечной активности).
- Роль моторной коры в переделке естественной координации связана с формированием в ходе обучения двигательной программы нового способа подъема передней конечности. В построении этой программы проявляется присущая только моторной коре способность к управлению активностью отдельных мышц. В ходе обучения происходит дополнительная активация ряда мышц, ранее не участвовавших в подъеме лапы, а также перестройка активности отдельных мышц на противоположную.
- Полученные данные подтверждают положения теории Н.А. Бернштейна о разных уровнях построения движений.
СПИСОК СТАТЕЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Павлова О.Г., Балезина Н.П., Иоффе М.Е., Мац В.Н. Влияние повреждения теменной ассоциативной коры на состояние выработанной двигательной координации у собак. Журн. высш. нерв. деят., 1986. 36 (1) : 33-43.
2. Павлова О.Г., Балезина Н.П., Иоффе М.Е. Нарушение выработанной двигательной координации после повреждения теменной и премоторной ассоциативных областей у собак. Журн. высш. нерв. деят., 1986. 36 (3) : 450-459.
3. А.Г. Фролов, М.Е. Варга, О.Г. Павлова, В.Н. Мац. Изменение периферического соматосенсорного входа в моторную кору после повреждения соматосенсорных областей коры у собак. Журн. высш. нерв. деят. 1989. 39 (2) : 366-370.
4 Балезина Н.П., Варга М.Е., Васильева О.Н., Иванова Н.Г.. Иоффе М.Е., Павлова О.Г., Фролов А.Г. Исследование механизмов реорганизации двигательных координаций при обучении. Мозг и поведение. М.: Наука, 1990. С. 105-119.
5. А.Г. Фролов, М.Е. Варга, О.Г. Павлова, В.Н. Мац. Динамика изменений соматосенсорного входа в моторную область коры после повреждения соматосенсорных корковых зон у собак. Нейрофизиология. 1990. 22 (1) : 61-68.
6. Балезина Н.П. Павлова О.Г. Влияние стимуляции ядер мозжечка на инструментальные реакции разной координационной сложности у собак. Материалы VI Междунар. Симпоз. Структурная и функциональная организация мозжечка. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1991. С. 76-91.
7. Pavlova O.G., Alexandrov A.V. Head-forelimb movement coordination and its rearrangement by learning in the dog. The role of the motor cortex. In: The Head-Neck Sensory-Motor System. Eds. A. Berthoz. W. Graf a. P.P. Vidal. Oxford University Press: New-York - Oxford. 1991. Ch. 96. pp. 591-596.
8. O.G. Pavlova. Role of vestibular and neck reflexes in the innate head-forelimb coordination in dogs. In: Motor Control Symposium VIII, Borovetz, Bulgaria, June 21-25, 1993. Ed. D.G. Stuart, pp. 187-189.
9. O.G. Pavlova. Role of the motor cortex projection areas in reorganization of the innate head-forelimb coordination on dogs. In: Motor Control Symposium VIII, Borovetz, Bulgaria. Eds. G.N. Guntchev, V.S. Gurfinkel, D. Stuart, M. Wiesendanger, S. Mori. 1996. pp. 164-167.
10. О.Г. Павлова, А.Г. Фролов, А.А. Александров. Естественная координация движений головы и лапы у
собак и ее переделка в процессе обучения. Журн. высш. нерв. деят. 2001. 51 (1) : 40-51.
11. О.Г. Павлова, В.Н. Мац. Нарушение выработанной координации движений головы и лапы после одностороннего повреждения моторной коры у собак (кинематический анализ). Журн. высш. нерв. деят. 2001. 51 (6) : 661-670
12. А.Г. Фролов, О.Г. Павлова. Инструментализация движений, вызванных стимуляцией моторной коры при пищевом подкреплении у собак. Журн. высш. нерв. деят. 2002. 52 (1) : 57-62.
13. О.Г. Павлова. Возможен ли перенос выработанной координации движений головы и передней лапы у собак? Журн. высш. нерв. деят. 2002. 52 (2) : 228-234.
14. Т. Гавриленко, А.Г. Фролов. М.Е. Иоффе, Г.Н. Ганчев. А.В. Александров, О.Г. Павлова. Соматосенсорные вызванные потенциалы во время натуральной и выученной перестройки позы, сопровождающей подъем конечности у собак. Журн. высш. нерв. деят. 2002. 52 (5) : 583-591.
15. О.Г. Павлова, А.Б. Яворский. Естественная координация движений головы и передней лапы у собаки после выключения вестибулярной афферентации. Журн. высш. нерв. деят. 2004. 54 (6) : 810-819.
16. О.Г. Павлова, О.В. Ючкина. Влияние деафферентации шейных мышц на естественную координацию движений головы и передней лапы у собак. Журн. высш. нерв. деят. 2005. 55 (3) : 400-409.
17. О.Г. Павлова, В.Н. Мац. Роль различных проекционных областей моторной коры в переделке естественной координации движений головы и передней лапы у собаки. Журн. высш. нерв. деят. 2005. 55 (6) : 816-826.
18. Павлова О.Г. , Ючкина О.В. Регистрация электромиограммы в хронических опытах у собак. Журн. высш. нерв. деят., 2007. 57 (2) : 237-242.
19. Павлова О.Г., В.Н Мац, В.Н. Пономарев. Роль моторной коры в переделке естественной двигательной координации у собаки. Журн. высш. нерв. деят., 2007. 57 (4) : 461-470.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное