Трансформация ритма возбуждения: Трансформация ритма возбуждения

Содержание

Трансформация ритма возбуждения

изменение количества импульсов возбуждения, выходящих из нервного центра, по сравнению с числом импульсов, приходящих к нему.

Различают два вида трансформации:

понижающая трансформация, в основе которой, в основном, лежит явление суммации возбуждений (пространственной и временной), когда в ответ на несколько возбуждений, пришедших к нервной клетке, в последней возникает только одно возбуждение;

повышающая трансформация, в ее основе лежат механизмы умножения (мультипликации), способные резко увеличить количество импульсов возбуждения

Трансформация ритма возбуждений.

Частота и ритм импульсов, поступающих к нервным центрам, и посылаемых ими на периферию, могут не совпадать.

В ряде случаев на одиночный импульс, приложенный к афферентному волокну, мотонейрон отвечает серией импульсов (в ответ на одиночный выстрел нервная клетка отвечает очередью).

Чаще это бывает при длительном постсинаптическом потенциале и зависит от триггерных свойств аксонного холмика.

Другой механизм трансформации связан с эффектами сложения фаз двух или более волн возбуждения на нейроне → возможны эффекты как увеличения , так и снижения частоты выходящих из центра стимулов.

Последействие.

Рефлекторные акты, в отличие от потенциалов действия, заканчиваются не одновременно с прекращением вызвавшего их раздражения, а через некоторый период времени.

Продолжительность последействия может во много раз превышать продолжительность раздражения.

Основные механизмы последействия:

  1. первый связан с суммацией следовой деполяризации мембраны при частых раздражениях (посттетаническая потенциация), когда нервная клетка продолжает давать разряды импульсов, несмотря на то, что кончилась серия раздражений.

  2. второй механизм связывает последействие с циркуляцией нервных импульсов по замкнутым нейронным сетям рефлекторного центра

Утомление нервных центров

Проявляется в постепенном снижении и в конечном итоге полном прекращении рефлекторного ответа при продолжительном раздражении афферентных нервных волокон.

Утомление в нервных центрах связано прежде всего с нарушением передачи возбуждения в межнейронных синапсах.

Утомление зависит от:

уменьшения запасов синтезированного медиатора;

— уменьшения чувствительности к медиатору постсинаптической мембраны;

— уменьшение энергетических ресурсов нервной клетки.

Рефлекторный тонус нервных центров.

  • Нервные центры обладают тонусом, который выражается в том, что даже при отсутствии специальных раздражении, они постоянно посылают импульсы к рабочим органам.

  • В его поддержании участвуют как афферентные импульсы, поступающие непрерывно от периферических рецепторов в ЦНС, так и различные гуморальные раздражители (гормоны, углекислота, и др.)

Высокая чувствительность к гипоксии.

Показано, что 100 г нервной ткани в единицу времени потребляет кислорода в 22 раза больше, чем 100 г мышечной ткани. Поэтому нервные центры очень чувствительны к его недостатку.

Чем выше центр, тем более страдает он от гипоксии.

Для коры мозга 5-6 минут достаточно, чтобы без кислорода произошли необратимые изменения, клетки ствола мозга выдерживают 15-20 минут полного прекращения кровообращения, а клетки спинного мозга — 20-30 минут.

При гипотермии, когда снижается обмен веществ, ЦНС дольше переносит гипоксию.

Трансформация ритма возбуждения — Студопедия

изменение количества импульсов возбуждения, выходящих из нервного центра, по сравнению с числом импульсов, приходящих к нему.

Различают два вида трансформации:

понижающая трансформация, в основе которой, в основном, лежит явление суммации возбуждений (пространственной и временной), когда в ответ на несколько возбуждений, пришедших к нервной клетке, в последней возникает только одно возбуждение;

повышающая трансформация, в ее основе лежат механизмы умножения (мультипликации), способные резко увеличить количество импульсов возбуждения

 

Трансформация ритма возбуждений.

Частота и ритм импульсов, поступающих к нервным центрам, и посылаемых ими на периферию, могут не совпадать.

В ряде случаев на одиночный импульс, приложенный к афферентному волокну, мотонейрон отвечает серией импульсов (в ответ на одиночный выстрел нервная клетка отвечает очередью). Чаще это бывает при длительном постсинаптическом потенциале и зависит от триггерных свойств аксонного холмика.

Другой механизм трансформации связан с эффектами сложения фаз двух или более волн возбуждения на нейроне →

возможны эффекты как увеличения , так и снижения частоты выходящих из центра стимулов.


Последействие.

Рефлекторные акты, в отличие от потенциалов действия, заканчиваются не одновременно с прекращением вызвавшего их раздражения, а через некоторый период времени.

Продолжительность последействия может во много раз превышать продолжительность раздражения.

Основные механизмы последействия:

  1. первый связан с суммацией следовой деполяризации мембраны при частых раздражениях (посттетаническая потенциация), когда нервная клетка продолжает давать разряды импульсов, несмотря на то, что кончилась серия раздражений.
  2. второй механизм связывает последействие с циркуляцией нервных импульсов по замкнутым нейронным сетям рефлекторного центра

Утомление нервных центров

Проявляется в постепенном снижении и в конечном итоге полном прекращении рефлекторного ответа при продолжительном раздражении афферентных нервных волокон.

Утомление в нервных центрах связано прежде всего с нарушением передачи возбуждения в межнейронных синапсах.

Утомление зависит от:

    уменьшения запасов синтезированного медиатора;

— уменьшения чувствительности к медиатору постсинаптической мембраны;

— уменьшение энергетических ресурсов нервной клетки.

• Мало утомляемы проприоцептивные тонические рефлексы.

 

Рефлекторный тонус нервных центров.

• Нервные центры обладают тонусом, который выражается в том, что даже при отсутствии специальных раздражении, они постоянно посылают импульсы к рабочим органам.


• В его поддержании участвуют как афферентные импульсы, поступающие непрерывно от периферических рецепторов в ЦНС, так и различные гуморальные раздражители (гормоны, углекислота, и др.)

Высокая чувствительность к гипоксии.

Показано, что 100 г нервной ткани в единицу времени потребляет кислорода в 22 раза больше, чем 100 г мышечной ткани. Поэтому нервные центры очень чувствительны к его недостатку.

Чем выше центр, тем более страдает он от гипоксии.

Для коры мозга 5-6 минут достаточно, чтобы без кислорода произошли необратимые изменения, клетки ствола мозга выдерживают 15-20 минут полного прекращения кровообращения, а клетки спинного мозга — 20-30 минут.

При гипотермии, когда снижается обмен веществ, ЦНС дольше переносит гипоксию.

Избирательная чувствительность к химическим веществам

Нервные центры, как и синапсы, обладают высокой чувствительностью к действию различных химических веществ, особенно ядов. На одном нейроне могут располагаться синапсы, обладающие различной чувствительностью к различным химическим веществам.

Поэтому можно подобрать такие химические вещества, которые избирательно будут блокировать одни синапсы, оставляя другие в рабочем состоянии. Это делает возможным корректировать состояния и реакции как здорового, так и больного организма.

 

 

Нервный центр | Кинезиолог

Определение понятия нервного центра

Нервный центр — это совокупность связанных между собой нейронов, совместно выполняющих определённую функцию путём преобразования входящего возбуждения в выходящее с изменёнными характеристиками.

Данное определение содержит 7 критериев нервного центра, найдите и назовите их.

Суперкраткое определение: Нервный центр — это «полисинаптический трансформатор возбуждения».

Нервный центр — это та нервная структура, которая связывает сенсорную систему с эффекторной и преобразует сенсорное возбуждение в эффекторное или модулирующее.

Нервный центр — это многозначное понятие.

Анатомический подход: нервный центр — это совокупность сходных нервных клеток, выполняющих общую функцию и компактно расположенных в определенном участке ЦНС.


Здесь используется морфологический подход, т.е. нервные центры определяются по строению. Нервные клетки, образующие такой нервный центр, соединены в локальные компактные структуры:  нервные узлы (ганглии) в периферической нервной системе или мозговые ядра в центральной нервной системе.

Физиологический подход (по деятельности): нерный центр — это система взаимосвязанных клеток, которые объединяются для выполнения определённой функции, а физически могут находится в различных местах нервной системы.
Такое определение созвучно понятию «функциональной системы», которое было предложено П.К. Анохиным. Но если функциональная система подразумевает временное объединение нейронов, то нервный центр — это обычно устойчивое образование.

По П.К. Анохину различные анатомические нервные центры при необходимости могут на время объединяться в функциональную систему для получения определенного полезного результата.

Нервные центры биорегуляции. В функциональном отношении нервный центр также может представлять собой сложное объединение нескольких анатомических нервных центров, расположенных в разных отделах ЦНС и обусловливающих сложные рефлекторные акты. В этом смысле говорят о «пищевом нервной центре», «болевом нервном центре» и т.п. Это центры регуляции функций организма.

Понятие нерный центр может также пересекаться с понятием доминанты. Доминанта — это устойчивый очаг возбуждения, подчиняющий себе другие очаги. Кроме единичного очага возбуждения в состав доминанты также могут входить и другие связанные с ним очаги. Создатель учения о доминанте А.А. Ухтомский называл такие объединения возбуждённых очагов «созвездиями» («констелляциями»).

Эволюция выбирает путь концентрации нервных элементов и увеличение количества связей между ними. Поэтому из рассеянных диффузно нервных клеток образуются компактные нервные центры.

Линия эволюционного развития структуры нервной системы

1) Отдельные нервные клетки соединены примерно равными связями.
2) Нервные цепи — нервные клетки соединены последовательно более сильными связями, образуя предопределённый путь для движения возбуждения от одного пункта к другому.
3) Нервные сети — нервные клетки соединены в виде решеток с неравноценными связями.
4) Нервные узлы (ганглии) — нервные клетки собраны в компактные структуры, соединёнными между собой продолными связями (коннективами) и поперечными (комиссурами) в виде лестницы.
5) Нервная трубка — нервные клетки расположены в виде сплошных слоёв, закрученных в виде трубы.
6) Нервные ядра — обособленные нейронные структуры из тесно связанных сходных между собой нейронов в составе нервной трубки, специализирующиеся на определённых функциях.
7) Нейронные поля — зоны коры головного мозга. Они состоят из вертикальных колонок, в которые сгруппированы нейроны.

Свойства нервных центров

Полисинаптические связи. Это означает, что каждый нейрон имеет множественные контакты с другими нейронами. Наличие полисинаптических (множественных) контактов между нейронами нервного центра является основным свойством нервных центров, из которого исходят прочие свойства, как следствие полисинаптических связей между нейронами. Уже на уровне нервной цепи синапсами обеспечивается одностороннее проведение возбуждения. В нервном же центре за счёт множественных контактов между нейронами возбуждение может «гулять по кругу», не выходя за пределы нервного центра, а также его можно изменять.

Наличие входов и выходов для возбуждения. В нервном центре можно различить приносящие (афферентные) входы и выносящие (эфферентные) выходы.

Одно­стороннее проведение возбуждения. Это свойство отдельного синапса и нервной цепи. В нервном центре может быть множество путей между входами и выходами. За счёт обратных связей возможно возвратное движение возбуждения. Но это происходит внутри нервного центра. А если рассматривать нервный центр целиком, то возбуждение приходит внего по приходящим путям, а выходит по эфферентным выходящим. Таким образом, можно говорить об одностороннем проведении возбуждения нервным центром.
Задержка (замедление) проведения возбуждения. В нервных центрах возникает задержка в проведении возбуждения, так называемый латентный (скрытый) период. Задержка обусловлена синаптической передачей возбуждения. Чем больше синапсов участвует в проведении возбуждения, тем более длительной получается задержка.
Суммация возбуждения. Если одновременно подавать возбуждение на несколько входов нервного центра, то на выходе можно получить более сильное возбуждение. Свойством суммации обладает и отдельный нейрон за счёт суммации локальных потенциалов.
Трансформация (преобразование) входящего возбуждения в иное — выходящее. Нервный центр осуществляет изменение, перекодирование поступающих в него потоков импульсов. Трансформация возбуждения — это, пожалуй, самое главное свойство нервного центра. Наиболее известное свойство из этого ряда – трансформация ритма. Нервный центр получает на входе один ритм импульсации, а на выходе дает другой (более медленный или более частый).
Последействие (облегчение). Это означает, что после возбуждения нервного центра он некоторое время ещё сохраняет повышенную возбудимость. Поэтому последующее возбуждение даёт более сильный эффект и получение эффекта от работы нервного центра облегчено.
Утомляемость и низкая лабильность. Лабильность — это предельная частота импульсации, доступная данной нервной структуре. Нервные центры могут пропускать через себя потоки возбуждения с ограниченной частотой импульсации вследствие задержки передачи возбуждения, которая происходит в многочисленных синапсах. Повышенная утомляемость нервных центров объясняется высокой утомляемостью синапсов и ухудшением метаболизма (обменнных процессов) в нейронах после нагрузки.
Тонус. Это означает, что даже без внешнего воздействия нервный центр сохраняет определённый уровень возбудимости и самостоятельно поддерживает у себя определённый уровень возбуждения.
Чувствительность к кис­лороду и к действию биологически активных веществ (нейротропных). Это создаёт предпосылки к хеморегуляции — химическому управлению деятельностью нервного центра. Например, усиление или ослабление кровоснабжения изменяет работу нервных центров.
Возбудимость (воз­буждение). Это способность нервных центров переходить в более возбуждённое состояние, например, при внешнем воздействии на них (стимуляции) или под влиянием других нервных центров.

Торможение («тормозимость»). Это способность нервных центров переходить в менее возбуждённое состояние, например, при внешнем воздействии на них или под влиянием других нервных центров.
Иррадиация возбуждения. Это «растекание возбуждения» по нервному центру, распространение возбуждения на новые участки от места его первоначального появления.
Конвергенция (схождение). Это объединение двух или нескольких входящих потоков возбуждения в один выходящий поток. Т.е. в нервный центр входит больше потоков возбуждения, че выходит из него.
Дивергенция (расхождение). Это разделение входящего потока возбуждения на несколько выходящих потоков. За счёт дивергенции получается, что в нервный центр входит меньше потоков возбуждения, чем выходит из него.

Окклюзия (запирание). Это блокирование одним из входящих потоков возбуждения другого входящего потока. В результате выходящий поток возбуждения получается слабее, чем сумма этих входящих потоков.
Индукция (отдача). Это наведение противоволожного (возбуждённого или тормозного) состояния на другие нервные центры или на себя самого. Для понятия индукции очень важно, что данной структурой наводится именно противоположное состояние, а не то, в котором находится она сама. Так, возбуждённая структура индуцирует торможение, а заторможенная — возбуждение.

Автоматия (спонтанная активность, автономность) нервных центров. Это означает, что даже без внешнего воздействия нервный центр может самостоятельно порождать возбуждение на выходе или поддерживать свой тонус (как бы развлекать сам себя). Объясняется это свойство нервного центра существованием в нём специальных нейронов-пейсмекеров (водителей ритма). В них самопроизвольно возникает возбуждение, независимо от работы их афферентных входов. Таким образом, в нервных центрах может происходить периодическая или постоянная генерация (порождение) нервных импульсов, которые возникают даже при отсутствии входящего возбуждения. Самопроизвольная импульсация пейсмекеров обусловлена колебаниями процессов метаболизма в нейронах и действием на них гуморальных факторов.
Реципрокные (взаимоисключающие) отношения. Это означает, что возбуждение одного нейрона (или центра) подавляет работу другого, связанного с ним, нейрона (или центра).
Пластичность. Это способность перестраивать свою структуру и\или деятельность под влиянием предыдущей деятельности. Пластичность — это одно из важнейших свойств биологических систем, которое отличает их от технических систем.

Адаптация. Нервный центр способен приспосабливаться к новой нагрузке и новым условиям работы.

Компенса­торные возможности. При частичном повреждении нервный центр продолжает свою деятельность за счёт сохранившихся нейронов. Для этого он использует свои способности к пластичности и адаптации.

Основные принципы в работе нервных центров

Принцип общего конечного пути («воронка Шеррингтона»). Как правило, центры имеют больше афферентных входов, чем эфферентных выходов. Поэтому входящие потоки возбуждения конкурируют за выход, имея общий конечный путь. В итоге количество афферентных входов превышает количество эфферентных выходов.
Принцип обратной связи. Это означает, что последующий элемент (нейрон или центр) в последовательной цепи взаимосвязанных элементов влияет на состояние предыдущего элемента. Обратная связь позволяет произвести отладку взаимодействия между элементами и добиться их оптимального взаимодействия для достижения предельно возможного положительного результата в работе системы, состоящей из этих элементов.
Принцип доминан­ты. Это означает, что нервный путь или нервный центр наиболее активный получает преимущество по отношению к другим путям или центрам и начинает доминировать, господствовать над ними. Он тормозит их деятельность и перехватывает их возбуждение, чтобы усилить своё.
Принцип иерархии (соподчинения). Это означает, что одни элементы (нейроны и/или центры) подчиняются влиянию других элементов. Как правило, вышерасположенные центры подчиняют себе нижерасположенные центры.

Принцип пластичности. Это означает, что нервный центр перестраивает свою деятельность, приспосабливаясь к наилучшему выполнению своей функции для достижения общего конечного системного результата. Пластичность является важнейшей отличительной особенностью биосистем по сравнению с техническими системами.

Низшие нервные центры

Низшие нервные центры играют важную роль в работе любой сенсорной системы. Они являются одним из необходимых элементов сенсорной системы, по которому это понятие отличается от понятия «анализатор». Нервные центры не просто переключают возбуждение с одних нейронов на другие с помощью вставочных нейронов, т.е. выполняют «релейную» функцию, как это считалось ранее. Важно понять, что нервные центры занимаются трансформацией поступающего в них возбуждения, т. е. его преобразованием, или перекодированием. В результате этой трансформации входящее афферентное возбуждение превращается в выходящее эфферентное, отличающееся от входящего.

Работа (функции) низших нервных центров

1. Трансформация возбуждения, т.е.преобразование входящего потока сенсорного возбуждения в новый поток — выходящий. Выходящий поток может сильно отличаться от входящего, например, в том случае, если он должен управлять мышцами, а не строить нервную модель раздражения в виде сенсорного образа.

 Виды трансформации возбуждения в нервном центре

1. Усиление.
2. Ослабление.
3. Блокировка.
4. Изменение паттерна (узора, характера).

5. Контрастирование границ в пространстве. Обычно оно достигается с помощью латерального (бокового) торможения. Латеральное торможение усиливает возбуждение по контуру раздражителя и рецептивного поля и ослабляет возбуждение в центральной области рецептивного поля.

6. Контрастирование границ во времени. Происходит за счёт преобразования тонического (постоянного) возбуждения в кратковременное фазическое. Таким способом отмечаются начало и конец действия раздражителя.

2. Распределение входящих потоков сенсорного возбуждения по выходящим потокам, которые направляются в различные нервные структуры. Эта функция нервного центра наглядно показана с помощью нашей схемы «Пути сенсорного возбуждения«.

Виды распределения возбуждения в нервном центре

1. Конвергенция (схождение).
2. Дивергенция (расхождение).
3. Окклюзия (запирание).
4. Иррадиация (распространение).

3. Детекция. С помощью детекции выделяются раздражители с определёнными характеристиками за счёт срабатывания специальных нейронов-детекторов с соответствующими рецептивными полями. На любые другие раздражители, неадекватные для них, такие нейроны-детекторы не срабатывают, т. к. просто не возбуждаются такими стимулами.

 © 2014-2016 Сазонов В.Ф.  © 2014-2016 kineziolog.bodhy.ru.  © 2016 kineziolog.su.

 

Трансформация ритма и силы импульсов

Лат. transformatio — преобразование, превращение — одно из свойств проведения возбуждения в центре, заключающееся в способности нейрона изменять ритм приходящих импульсов. Особенно четко проявляется трансформация ритма возбуждения при раздражении афферентного волокна одиночными импульсами. На такой импульс нейрон отвечает серией импульсов. Это обусловлено возникновением длительного возбуждающего постсинаптического потенциала, на фоне которого развивается несколько ликов (спайков). Другой причиной возникновения множественного разряда импульсов являются следовые колебания мембранного потенциала. Когда его величина достаточно велика, следовые колебания могут привести к достижению критического уровня деполяризации мембраны и обусловливают появление вторичных спайков. В нервных центрах может происходить и трансформация силы импульсов: слабые импульсы усиливаются, а сильные ослабевают.

СУММАЦИЯ

(от позднелат. summatio — сложение), взаимодействие синап-тич. процессов (возбуждающих и тормозных) на мембране нейрона или мышечной клетки, характеризующееся усилением эффектов раздражения до рефлекторной реакции. Явление С. как характерное свойство нервных центров впервые описано И.. М. Сеченовым в 1868. На системном уровне различают С. пространственную и временную. Пространственная С. обнаруживается в случае одновременного действия неск. пространственно разделённых афферентных раздражений, каждое из к-рых неэффективно для разных рецепторов одной и той же рецептивной зоны. Временная С. состоит во взаимодействии нервных влияний, приходящих с определ. интервалом к одним и тем же возбудимым структурам по одним и тем же нервным каналам. На клеточном уровне такое разграничение видов С. не оправдано, поэтому её наз. пространственно-временной. С. — один из механизмов осуществления координир. реакций организма.

В нервном волокне каждое одиночное раздражение (если оно не подпороговой и не свехпороговой силы) вызывает один импульс возбуждения. В нервных же центрах, как показал впервые И.М.Сеченов, одиночный импульс в афферентных волокнах обычно не вызывает возбуждения, т.е. не передается на эфферентные нейроны. Чтобы вызвать рефлекс необходимо быстрое нанесение допороговых раздражений одно за другим. Это явление получило название временной или последовательной суммации. Ее сущность состоит в следующем. Квант медиатора, выбрасываемого окончанием аксона при нанесении одного допорогового раздражения, слишком мал для того, чтобы вызвать возбуждающий постсинаптический потенциал, достаточный для критической деполяризации мембраны. Если же к одному и тому же синапсу идут быстро следующие один за другим допороговые импульсы, происходит суммирование квантов медиатора, и наконец его количество становится достаточным для возникновения возбуждающего постсинаптического потенциала, а затем и потенциала действия. Кроме суммации во времени, в нервных центрах возможна пространственная суммация. Она характеризуется тем, что если раздражать одно афферентное волокно раздражителем допороговой силы, то ответной реакции не будет, а если раздражать несколько афферентных волокон раздражителем той же допороговой силы, то возникает рефлекс, так как импульсы, приходящие с нескольких афферентных волокон суммируются в нервном центре.

Вопрос № 3

Механизм поддержания равновесия тела: статические и статокинетические рефлексы.

Равновесие тела — состояние покоя тела относительно какой-либо системы отсчета, в частном случае — неподвижность тела относительно окружающей его среды. Равновесие тела бывает статическим и динамическим. При статическом равновесии тела проекция общего центра тяжести тела находится внутри площади опоры (рис. 1). При ходьбе, беге, катании на коньках и т. п. динамическое равновесие тела достигается путем балансирования, т. е. подведением площади опоры под сместившуюся проекцию центра тяжести тела (рис. 2).

В поддержании состояния равновесия тела принимает участие целый ряд сложных систем. Важная роль принадлежит вестибулярному аппарату. Его рецепторная часть расположена во внутреннем ухе и состоит из мешочков преддверия и трех полукружных каналов. При возбуждении вестибулярного аппарата происходит раздражение волосков чувствительного эпителия. Возникающие импульсы передаются по вестибулярному нерву в мозг. В процессе поддержания равновесия тела вестибулярная система осуществляет тесное взаимодействие со зрительным аппаратом. Оба эти аппарата (вестибулярный и зрительный) имеют обширные двусторонние связи с мозжечком. Мозжечок также является очень важным иннервационным звеном в сохранении равновесия тела. Большую роль играют многочисленные рецепторы мышц, сухожилий, суставов и кожи, и прежде всего механизмы мышечного тонуса, а также проприоцептивные рефлексы. Координация всех этих механизмов, обеспечивающих равновесие тела, происходит на разных уровнях нервной системы — в спинном мозге, стволе мозга и в коре больших полушарий.

Статокинетические рефлексы возникают при вращении и при любых перемещениях тела в пространстве независимо от того, активно или пассивно совершаются эти перемещения.

Ярким примером подобных рефлексов является лифтный рефлекс: подъем лифта вызывает сгибание ног, остановка — их выпрямление. Морская и воздушная бо-лезни, проявляющиеся в плохом самочувствии, тошноте и т. д., тоже являются статокинетическими рефлексами, но здесь воздействие оказывается главным образом на внутренние органы.

После многократных (10-15 раз) вращений на месте в одном направлении тело отклоняется в противополож-ную сторону, Это происходит из-за рефлекторного напряжения мышц другой стороны тела, препятствующих вращению. Вращение влево вызывает отклонение вправо и наоборот.

Продолговатый мозг организует рефлексы поддержания позы. Эти рефлексы формируются за счет афферентации от рецепторов преддверия улитки и полукружных каналов в верхнее вестибулярное ядро; отсюда переработанная информация оценки необходимости изменения позы посылается к латеральному и медиальному вестибулярным ядрам. Эти ядра участвуют в определении того, какие мышечные системы, сегменты спинного мозга должны принять участие в изменении позы, поэтому от нейронов медиального и латерального ядра по вестибулоспинальному пути сигнал поступает к передним рогам соответствующих сегментов спинного мозга, иннервирующих мышцы, участие которых в изменении позы в данный момент необходимо.

Изменение позы осуществляется за счет статических и статокинетических рефлексов. Статические рефлексы регулируют тонус скелетных мышц с целью удержания определенного положения тела. Статокинетические рефлексы продолговатого мозга обеспечивают перераспределение тонуса мышц туловища для организации позы, соответствующей моменту прямолинейного или вращательного движения.

Большая часть автономных рефлексов продолговатого мозга реализуется через расположенные в нем ядра блуждающего нерва, которые получают информацию о состоянии деятельности сердца, сосудов, пищеварительного тракта, легких, пищеваритель­ных желез и др. В ответ на эту информацию ядра организуют двигательную и секреторную реакции названных органов.

Основные свойства нервных центров и проведение возбуждения в них (одностороннее проведение возбуждения, суммация возбуждений, трансформация ритма возбуждения, иррадиация и др.)

Рефлекторная деятельность организма во многом определяется общими свойствами нервных центров.

Нервный центр — совокупность структур центральной нервной системы, координированная деятельность которых обес­печивает регуляцию отдельных функций организма или опреде­ленный рефлекторный акт. Представление о структурно-функци­ональной основе нервного центра обусловлено историей развития учения о локализации функций в центральной нервной системе. На смену старым теориям об узкой локализации, или эквипотенциальности, высших отделов головного мозга, в частности коры большого мозга, пришло современное представление о динамической локализации функций, основанное на признании существо­вания четко локализованных ядерных структур нервных центров и менее определенных рассеянных элементов анализаторных си­стем мозга. При этом с цефализацией нервной системы растут удельный вес и значимость рассеянных элементов нервного центра, внося существенные различия в анатомических и физиологических границах нервного центра. В результате функциональный нервный центр может быть локализован в разных анатомических структу­рах. Например, дыхательный центр представлен нервными клет­ками, расположенными в спинном, продолговатом, промежуточном мозге, в коре большого мозга.

Нервные центры имеют ряд общих свойств, что во многом определяется структурой и функцией синаптических образований.

1. Односторонность проведения возбуждения. В рефлекторной дуге, включающей нервные центры,

процесс возбуждения распро­страняется в одном направлении (от входа, афферентных путей к выходу, эфферентным путям).

2. Иррадиация возбуждения. Особенности структурной органи­зации центральных нейронов, огромное

число межнейронных со­единений в нервных центрах существенно модифицируют (изменя­ют) направление распространения процесса возбуждения в зависи­мости от силы раздражителя и функционального состояния центральных нейронов. Значительное увеличение силы раздражи­теля приводит к расширению области вовлекаемых в процесс воз­буждения центральных нейронов — иррадиации возбуждения.

3. Суммация возбуждения. В работе нервных центров значи­тельное место занимают процессы пространственной и временной суммации возбуждения, основным нервным субстратом которой яв­ляется постсинаптическая мембрана. Процесс пространственной суммации афферентных потоков возбуждения облегчается наличием на мембране нервной клетки сотен и тысяч синаптических контактов. Процессы временной суммации обусловлены суммацией ВПСП на постсинаптической мембране.

4. Наличие синаптической задержки. Время рефлекторной ре­акции зависит в основном от двух факторов: скорости движения возбуждения по нервным проводникам и времени распространения возбуждения с одной клетки на другую через синапс. При относи­тельно высокой скорости распространения импульса по нервному проводнику основное время рефлекса приходится на синаптическую передачу возбуждения (синаптическая задержка). В нервных клетках высших животных и человека одна синаптическая задержка при­мерно равна 1 мс. Если учесть, что в реальных рефлекторных дугах
имеются десятки последовательных синаптических контактов, ста­новится понятной длительность большинства рефлекторных реак­ций — десятки миллисекунд.

Высокая утомляемость. Длительное повторное раздражение рецептивного поля рефлекса приводит к ослаблению рефлекторной реакции вплоть до полного исчезновения, что называется утомле­нием. Этот процесс связан с деятельностью синапсов — в последних наступает истощение запасов медиатора, уменьшаются энергетиче­ские ресурсы, происходит адаптация постсинаптического рецептора к медиатору.

6. Тонус. Тонус, или наличие определенной фоновой активности нервного центра, определяется тем, что в покое в отсутствие специальных внешних раздражений определенное количество нервных клеток находится в состоянии постоянного возбуждения, генерирует фоновые импульсные потоки. Даже во сне в высших отделах мозга остается некоторое количество фоновоактивных нервных клеток, формирующих «сторожевые пункты» и определяющих некоторый тонус соответствующего нервного центра.

7. Пластичность. Функциональная возможность нервного центра существенно модифицировать картину осуществляемых рефлектор­ных реакций. Поэтому пластичность нервных центров тесно связана с изменением эффективности или направленности связей между нейронами.

8. Конвергенция. Нервные центры высших отделов мозга яв­ляются мощными коллекторами, собирающими разнородную аф­ферентную информацию. Количественное соотношение перифери­ческих рецепторных и промежуточных центральных нейронов (10:1) предполагает значительную конвергенцию («сходимость») разномодальных сенсорных посылок на одни и те же центральные нейроны. На это указывают прямые исследования центральных нейронов: в нервном центре имеется значительное количество поливалентных, полисенсорных нервных клеток, реагирующих на разномодальные стимулы (свет, звук, механические раздражения и т. д.). Конвергенция на клетках нервного центра разных аффе­рентных входов предопределяет важные интегративные, перераба­тывающие информацию функции центральных нейронов, т. е. вы­сокий уровень интеграционных функций. Конвергенция нервных сигналов на уровне эфферентного звена рефлекторной дуги опре­деляет физиологический механизм принципа «общего конечного пути» по Ч. Шеррингтону.

9. Интеграция в нервных центрах. Важные интегративные фун­кции клеток нервных центров ассоциируются с интегративными процессами на системном уровне в плане образования функцио­нальных объединений отдельных нервных центров в целях осу­ществления сложных координированных приспособительных цело­стных реакций организма (сложные адаптивные поведенческие акты).

10. Свойство доминанты. Доминантным называется временно господствующий в нервных центрах очаг (или доминантный центр) повышенной возбудимости в центральной нервной системе. По А.А.Ухтомскому, доминантный нервный очаг характеризуется та­кими свойствами, как повышенная возбудимость, стойкость и инер­тность возбуждения, способность к суммированию возбуждения.
В доминантном очаге устанавливается определенный уровень ста­ционарного возбуждения, способствующий суммированию ранее подпороговых возбуждений и переводу на оптимальный для данныхусловий ритм работы, когда этот очаг становится наиболее чувст­вительным. Доминирующее значение такого очага (нервного центра) определяет его угнетающее влияние на другие соседние очаги воз­буждения. Доминантный очаг возбуждения «притягивает» к себе возбуждение других возбужденных зон (нервных центров). Принцип доминанты определяет формирование главенствующего (активиру­ющего) возбужденного нервного центра в тесном соответствии с ведущими мотивами, потребностями организма в конкретный момент времени.

11. Цефализация нервной системы. Основная тенденция в эво­люционном развитии нервной системы проявляется в перемещении, сосредоточении функции регуляции и координации деятельности организма в головных отделах ЦНС. Этот процесс называется цефализацией управляющей функции нервной системы. При всей сложности складывающихся отношений между старыми, древними и эволюционно новыми нервными образованиями стволовой части мозга общая схема взаимных влияний может быть представлена следующим образом: восходящие влияния (от нижележащих «ста­рых» нервных структур к вышележащим «новым» образованиям) преимущественно носят возбуждающий стимулирующий характер, нисходящие (от вышележащих «новых» нервных образований к нижележащим «старым» нервным структурам) носят угнетающий тормозной характер. Эта схема согласуется с представлением о росте в процессе эволюции роли и значения тормозных процессов в осуществлении сложных интегративных рефлекторных ре­акций.

Нервный центр — физиология и свойства: понятия, трансформация и иррадиация ритма возбуждения в ЦНС


В сложном по структуре человеческом организме есть много жизненно важных систем: пищеварительная, дыхательная, мышечная и нервная. Последняя играет ведущую роль. Нервы – очень важные образования, которые посылают импульсы по всему человеческому организму и в результате дают способность двигаться, чувствовать, реагировать на внешнее воздействие. Дотронулись до льда – почувствовали холод, наступили на стекло – испытали боль. Отдельные нервы и вся система в целом выполняют ключевые функции.

Нейрон – основа системы

Для лучшего понимания его функций и процессов, происходящих в нервном центре, надо иметь понятие о его строении.

Центр состоит из нервов, образованных из клеток, которые называются нейронами.

Они сохраняют и при помощи электрических сигналов передают информацию внутри организма. Это является их основной задачей.

Работа всей системы зависит от взаимодействия между этими клетками.

Строение нейрона практически такое же, как у обычной клетки, но имеются некоторые отличия:

  1. На картинке мы видим нейрон. Область жёлтого цвета, похожего на пламя, называют телом этой клетки. Оно состоит из цитоплазмы и ядра, которое на изображении показано оранжевым цветом.
  2. У клетки есть отростки. Они бывают двух видов и служат для передачи импульсов по всему телу. На отростке располагается цитоскелет, не позволяющий клетке деформироваться, поддерживает и сохраняет его форму.
  3. Первый вид отростка называется аксон. Его длина довольно велика, а функции, он отвечает за проведение возбуждения от нейрона к исполнительному органу.
  4. Дендриты — второй вид отростков, но уже поменьше, и функция его немного отличается: дендриты принимают электрический или химический сигнал от других клеток, а затем передают его телу нейрона.
  5. Синапс – это место, где соединяются, контактируют между собой две клетки. Его отсутствие сделало бы невозможным передачу импульсов.

[warning]Внимание! Здесь перечислены не все компоненты клетки, а только те, что отличают нейроны от обыкновенных клеток. Ядро, аппарат Гольджи, мембрана и прочие элементы также присутствуют в нервной клетке[/warning]

Основные функции

Совокупность клеток, о которых говорилось выше, представляет собой нервный центр.

Большие скопления нейронов формируют его ядро. Нужно понимать, что такой центр – не единичный. Подобные ему центры расположены практически во всех отделах нервной системы.

Каждый чувствительный центр делится на отделы, которых насчитывается всего три:

  • рабочий: ответственен за функционирование системы;
  • регуляторный располагается в коре полушарий головного мозга человека. Его главная задача – регулирование действий рабочего отдела. А вот деятельность и активность регуляторного отдела зависит от рабочего;
  • исполнительный называют двигательным центром, который находится в спинном мозге и выполняет функцию передачи информации от рабочего отдела к исполнительным органам.

[warning]Внимание! Разумеется, такое образование существует не просто так, а выполняет функции, и весьма важные.[/warning]

Ведущие процессы

Два главных процесса существует во всей нервной ткани – торможение и возбуждение. Органы, да и вообще любые чувствительные элементы человеческого организма, вынуждены постоянно приспосабливаться к малейшим изменениям, как во внешней среде, так и внутри организма. Именно это и объясняет протекания таких процессов. Распространение торможения и возбуждения по ЦНС называется иррадиацией.

По сути, иррадиация возбуждения и торможения – виды импульсов, проходящих по нервам. Они обуславливают деятельность всей системы.

Эти процессы охватывают вначале участки полушарий головного мозга, а после распространяются по всему организму.

Вспомните пример в начале статьи – наступил на стекло и почувствовал боль: сама боль – это и есть импульс, а, следовательно, иррадиация возбуждения – главная причина возникновения болевых симптомов.

Если человек попадает в какую-то стрессовую ситуацию, то у него появляются спонтанные двигательные реакции: резкое движения руками, крик, невнятная речь и так далее. Почему это происходит? Просто активные области в центральной нервной системе распространяются прямо к двигательным мышцам и другим областям.

Торможение является ровно противоположным процессом. Оно как бы расслабляет нервную систему. Представьте себе гипноз: сначала у человека потихоньку расслабляется психика, а после происходит иррадиация к конечностям, шее, ступням и другим областям организма.

Можно сказать, что иррадиация торможение и возбуждения в цнс – это процесс распространения нервных импульсов.

Мы говорили, что у нервных клеток есть отростки, которые проводят импульсы. На каждой из них сходятся много таких образований. Конвергенция возбуждения — это явление, при котором к одному и тому же нейрону поступают импульсы по различным афферентным волокнам (тем самым отросткам). Для лучшего понимания приведём следующий пример: на улице стоит дом, к которому ведут 15 дорожек. Эти дорожки и есть различные пути проведения импульсов, а дом – это единственный нейрон.

Как происходит трансформирование

Нервные центры имеют одну значительную функцию, или её можно назвать способностью: могут изменять ритм импульсов, которые к ним поступили. Поступил какой-нибудь одиночный раздражитель, а клетки взяли и ответили серией подобных импульсов. Поступили к ним раздражители одной частоты, а они при передаче увеличили или уменьшили эту частоту.

Но почему это происходит? Вспомним предыдущее свойство чувствительного центра: к одному нейрону одновременно могут поступать несколько импульсов, и не обязательно они должны быть одинаковой частоты.

А на выходе нейрон может взять и изменить частоту. Изображение ниже прекрасно иллюстрирует, как осуществляется трансформация ритма возбуждения.

Теперь посмотрим, как происходит суммация возбуждения. В нашем организме могут проходить такие импульсы и существовать раздражители, которые мы не в состоянии заметить.

Они как бы проходят по клеткам, но настолько незначительны и малы, что ощутить их без особого старания невозможно. Но бывают случаи, когда такие незаметные раздражители могут неоднократно и очень часто повторяться. В результате этого происходит их суммирование, они начинают создавать довольно сильное и более заметное возбуждение.

Такой процесс разделяют на два вида:

  • последовательная. Такая штука возникает в том случае, если сигналы к нейронам поступают из одного и того же отростка.
  • пространственная. Это ровно противоположное явление, происходящее в том случае, когда происходит суммирование сигналов, пришедших по разным отросткам.

Бывают ситуации с совершенно с незаметными импульсами, но ведь есть и противоположное явление. Ситуация, когда в нейрон поступает одновременно два очень сильных импульса возбуждения, называется окклюзия.

Другие функции

Выше были описаны основные функции, а сейчас мы рассмотрим все остальные:

  1. Замедление передачи между нейронами возбуждения называют задержкой. Основное правило или закономерность формулируется следующим образом: чем сложнее должна быть ответная реакция, тем больше понадобиться времени для этого рефлекса.
  2. Последействием называют способность сохранять возбуждение уже после того, как раздражитель закончил своё действие.
  3. Индукцией называют создание центром противоположной ответной реакции. Например, ответом на сильный процесс возбуждения является торможение. Если же происходит тормозной процесс, то возникает сильное возбуждение.
  4. Доминанты – это такие образования, где происходит повышенная возбуждаемость. Существуют более слабые центры и более сильные. Подчиняют себе более слабые, захватывают их энергию и усиливаются ещё больше.
  5. Утомляемость является неотъемлемым свойством центров, так как они находятся в состоянии постоянной нагрузки и обладают очень низкой лабильностью (скоростью протекания циклов возбуждения).

В ходе взросления человека его физиология претерпевает значимые изменения.

Меняются мышечная активность, артериальное давление, и подобные перемены происходят во всех внутренних системах и органах.

В связи с этим возникают некоторые дегенерационные заболевания центральной неервной системы — болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, рассеянный склероз.

Какие возрастные особенности свойств нервных центров могут появиться:

  • в нейронах скапливается липофусцин — пигмент старения, который образуется при окислении НЖК и обязательно присутствует в стареющем организме;
  • нейронные тела и отростки у старых людей увеличиваются в размере;
  • нарушаются мембраны у лизосом;
  • происходит гомогенизация цитоплазмы и другие клеточные изменения.

Морфология и физиология ЦНС

Строение и функции нервной системы

Вывод

Мы перечислили свойства и функции нервных центров. ЦНС человеческого организма — сложная, многофункциональная система, в которой происходят различные процессы взаимодействия между компонентами. Основой этой структуры являются скопления чувствительных клеток, обеспечивающие передачу импульсов по всему телу.

Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал Волгоградского государственного медицинского университета

Согласно Приказу Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации № 434 от 28 апреля 2012 года 1 октября 2012 года завершилась реорганизация государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации и государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пятигорская государственная фармацевтическая академия» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации в форме присоединения второго учреждения к первому с последующим образованием на основе присоединённого учреждения обособленного подразделения (филиала).

Определено, что полное наименование филиала вуза (бывшей Пятигорской государственной фармацевтической академии), с учетом разделения Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации на два министерства, следующее:

Пятигорский филиал государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

Сокращённое наименование: «Пятигорский филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрава России».

Согласно Приказу Министерства здравоохранения Российской Федерации № 51 от 04 февраля 2013 года указаны изменения, которые вносятся в устав государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации.

В пункте 1.10 абзацы третий и четвёртый изложить в следующей редакции:

«полное наименование: Пятигорский медико-фармацевтический институт — филиал государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации»,

сокращённое наименование:

«Пятигорский медико-фармацевтический институт — филиал ГБОУ ВПО ВолгГМУ Минздрава России».

Переименование произведено с 14.03.2013.

В соответствии с приказом по Университету от «15» июля 2016  г. №1029-КМ «О введение в действие новой редакции Устава и изменении наименования Университета» с 13.07.2016 г. в связи с переименованием Университета  считать:

полным наименованием Университета: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации;

— сокращенным наименованием Университета: ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России;

полным наименованием филиала Университета: Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Волгоградский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации;

— сокращенным наименованием филиала Университета: Пятигорский медико-фармацевтический институт – филиал ФГБОУ ВО ВолгГМУ Минздрава России.

Переименование произведено с 13.07.2016.

Узнать больше о вузе

Противодействие коррупции

     Платежные реквизиты вуза     

Взаимосвязь между интенсивностью возбуждения и реакцией сердечного ритма на возбуждение | СОН

Аннотация

Цели исследования:

Визуальное проявление корковых возбуждений значительно варьируется — от едва соответствующих критериям оценки до очень интенсивных возбуждений. Пробуждение от сна связано с увеличением частоты сердечных сокращений (ЧСС). Наша цель состояла в том, чтобы количественно оценить интенсивность возбуждения объективным образом, используя временные и частотные характеристики электроэнцефалограммы (ЭЭГ), и определить, коррелирует ли реакция ЧСС на возбуждение с определенной таким образом интенсивностью возбуждения.

Дизайн:

Последующий анализ 20 ранее существовавших файлов полисомнографии (PSG).

Место расположения:

Лаборатория исследований и разработок (YRT Limited).

Измерения и результаты:

пробуждений оценивали с использованием критериев Американской академии медицины сна. Временные и частотные характеристики сигналов ЭЭГ определяли с помощью вейвлет-анализа. Для масштабирования интенсивности возбуждения был разработан автоматический алгоритм, основанный на изменении характеристик вейвлета и данных обучающей выборки, полученных из 271 возбуждения, визуально масштабируемых от нуля до девяти (наиболее интенсивные).В 20 масштабируемых ПСЖ было 2695 возбуждений. ЧСС-ответ (ΔHR) определяли как разницу между самой высокой ЧСС в интервале [от начала возбуждения до (конец возбуждения +8 сек)] и самой высокой ЧСС между 2 и 12 секундами перед началом возбуждения. Была сильная корреляция между шкалой возбуждения и ΔHR у каждого субъекта (среднее значение r: 0,95 ± 0,04). Наклон зависимости варьировался среди испытуемых (0,7-2,4 мин -1 / шкала единиц).

Выводы:

Интенсивность возбуждения, количественно определенная с помощью вейвлет-преобразования, прочно связана с тахикардией, связанной с возбуждением, и степень усиления взаимосвязи варьируется между испытуемыми.Количественная оценка интенсивности возбуждения с помощью ПСГ дает дополнительную информацию, которая может иметь клиническое значение.

ВВЕДЕНИЕ

Электрокортикальные возбуждения очень часто встречаются у пациентов с нарушениями сна. Частые возбуждения приводят к фрагментации сна, что приводит к нарушению когнитивных функций. 1–4 Также хорошо задокументировано, что пробуждение от сна связано с активацией вегетативного рефлекса, который увеличивает кровяное давление и частоту сердечных сокращений (ЧСС). 5–9

Стандартное определение возбуждения — это «резкий сдвиг ЭЭГ на более высокую частоту, включая альфа, тета или бета, по крайней мере на 3 секунды, с не менее чем 10 секундами стабильного сна, предшествующими изменению». 10,11 Однако хорошо известно, что изменения электроэнцефалограммы (ЭЭГ), которые соответствуют этому определению, охватывают широкий спектр визуальных проявлений, от изменений, которые едва соответствуют критериям оценки, до очень интенсивных изменений, связанных с бета-волнами большой амплитуды. .Есть некоторые свидетельства того, что визуальная интенсивность возбуждения коррелирует с величиной физиологических изменений, сопровождающих возбуждение. Таким образом, Юнес сообщил, что визуальная интенсивность возбуждений ЭЭГ (классифицированная по четырем уровням) коррелировала с величиной вентиляционного выброса, который следует за обструктивными явлениями у пациентов с обструктивным апноэ во сне. 12 Также Sforza et al. обнаружили, что ЧСС больше увеличивается при возбуждении, связанном с движением. 7 Выраженность фрагментации сна при полисомнографии (ПСГ) обычно обозначается как частота пробуждений, несмотря на тот факт, что этот индекс не позволяет надежно предсказать, какие пациенты испытают клинические последствия нарушения сна. 13 Таким образом, возможно, что оценка интенсивности пробуждений может дать дополнительное руководство, при котором у пациентов с нарушениями сна разовьются когнитивные и сердечно-сосудистые осложнения.

Визуальная оценка интенсивности возбуждения потребует много времени и из-за своей субъективной природы подвержена значительной вариабельности по каждому из участников. Чтобы эффективно и точно проверить клиническое значение интенсивности возбуждения, оптимальным вариантом будет автоматизация процесса. В этом исследовании большое количество возбуждений, которые соответствовали критериям 11 Американской академии медицины сна (AASM), были дополнительно классифицированы на один из 10 уровней на основе визуальной оценки экспертом (MY).Вейвлет-характеристики пробуждений, имеющие различные визуально определяемые шкалы интенсивности, использовались в качестве обучающей выборки. Впоследствии возбуждения в тестовых файлах были классифицированы по одному из 10 уровней на основе их вейвлет-характеристик и данных из обучающей выборки. Чтобы подтвердить достоверность этого алгоритма автоматического масштабирования, мы определили взаимосвязь между автоматически рассчитанной интенсивностью и соответствующим увеличением ЧСС. Результаты показывают отличную корреляцию внутри каждого предмета, но с наклоном, который весьма варьируется среди испытуемых.

МЕТОДЫ

Файлы

YRT Limited разработала автоматическую систему подсчета баллов PSG, которая недавно была утверждена в независимом многоцентровом исследовании. 14 Файлы, используемые в данном исследовании, были получены во время бета-тестирования автоматической системы на 60 файлах PSG, записанных в Центре сна в Университете Калгари в 2011 году. Файлы, доступные YRT, были анонимными и содержали стандартные данные PSG, включая трехканальная ЭЭГ (C3 / A2, C4 / A1, O1 / A2), субментальная электромиограмма (ЭМГ), двухканальная электроокулограмма, оксиметрия (Biox 3740, Ohmeda, Boulder, CO, США), полосы грудной клетки и живота (Respitrace, Амбулаторный мониторинг, Ардсли, Нью-Йорк, США), назальное давление и сигнал термистора (двойной датчик давления Ultima 0585, Braebon Medical Corporation, Каната, Онтарио, Канада), датчик храпа, положение тела, электрокардиограмма и двусторонняя ЭМГ передней большеберцовой мышцы для регистрации движений ног .Все переменные непрерывно регистрировались компьютеризированной системой сбора данных (Sandman, Natus Medical Inc, Сан-Карлос, Калифорния) и сохранялись в электронном виде для последующего анализа.

Файлы уже были оценены автоматической системой по стандартным параметрам сна, и автоматическая оценка была отредактирована опытным технологом PSG (MO). Оценка возбуждения соответствовала требованиям 2007 AASM 11 как во время автоматической оценки, так и на этапе редактирования MO. Начало и конец возбуждения определяли строго по ЭЭГ без учета каких-либо других сигналов (например,g., ЭМГ, ЧСС или дыхание).

Анализирует

Отчеты, созданные на основе отредактированной автоматической оценки, были просмотрены в случайном порядке, и были выбраны первые 20 файлов, которые содержали более 70 возбуждений и не имели аритмий (фибрилляция предсердий, частые эктопические сокращения). Из этих 20 файлов случайным образом были выбраны три файла. Файлы принадлежали одному пациенту (возраст 49 лет, индекс массы тела [ИМТ] 59 кг / м 2 , индекс апноэ-гипопноэ [AHI] 56 часов -1 ) с тяжелым синдромом обструктивного апноэ сна (СОАС) и двум пациентам. у которых не было ОАС (возраст 35 и 34 года, ИМТ 26 и 23 кг / м) 2 , AHI 1.4 и 2,4 часа -1 ). Каждому ранее полученному пробуждению во время сна с небыстрым движением глаз (NREM) в этих трех файлах была присвоена шкала интенсивности от 0 до 9 по шкале MY. Шкала 0 была присвоена, когда возбуждение было едва ощутимым, и MY не считал, что оно соответствует минимальным критериям AASM. Примеры четырех других шкал (1, 3, 6 и 9) показаны на рисунке 1. Визуальное масштабирование было полностью субъективным, а не осмысленным и полностью основывалось на появлении ЭЭГ на двух центральных электродах (C3 / A2 и C4 / A1). ).Интенсивность возбуждения была масштабирована для каждого из двух электродов, и высшая из двух шкал была назначена для возбуждения. Визуальное масштабирование в первую очередь сосредоточено на наиболее интенсивной области в пределах продолжительности возбуждения. Продолжительность возбуждения сознательно не учитывалась. Полное пробуждение (возбуждение> 15 сек) не анализировалось. ЧСС не была доступна для подсчета очков во время масштабирования интенсивности. Был проведен только ограниченный анализ пробуждений во время сна с быстрым движением глаз (REM) ввиду небольшого количества таких пробуждений в большинстве файлов (см. Результаты).

Рисунок 1

Примеры возбуждения с разными шкалами интенсивности у одного и того же пациента. C3 / A2 и C4 / A1 — центральные электроэнцефалограммы.

Рисунок 1

Примеры возбуждения с разными шкалами интенсивности у одного и того же пациента. C3 / A2 и C4 / A1 — центральные электроэнцефалограммы.

Вейвлет-анализ сигналов ЭЭГ C3 / A2 и C4 / A1 был выполнен для каждого из масштабированных возбуждений в трех обучающих файлах (подробности вейвлет-анализа см. В следующих параграфах).Была создана таблица, содержащая визуально определяемую шкалу интенсивности возбуждения и различные вейвлет-характеристики для каждого из 271 возбуждения в трех обучающих файлах. Был выбран ряд вейвлет-характеристик, которые лучше всего коррелировали с интенсивностью возбуждения в этих трех файлах. После этого эти характеристики были сгенерированы для всех возбуждений NREM в оставшихся файлах, и шкала интенсивности была автоматически назначена каждому возбуждению на основе обучающего набора и характеристик вейвлета нового тестового возбуждения.В этом автоматическом процессе не использовался никакой сигнал, кроме ЭЭГ.

Масштабирование возбуждения

Масштабирование возбуждения выполнялось с использованием вейвлет-преобразования (WT). 15,16 WT особенно хорош для анализа нестационарных сигналов, таких как ЭЭГ, где другие традиционные методы (основанные на преобразовании Фурье) не так эффективны. WT определяется его уникальными вейвлет-функциями и функциями масштабирования. 17 В литературе было предложено несколько WT. В данном исследовании мы использовали вейвлеты Добеши 18 порядка 4.Вейвлеты Добеши известны своей ортогональностью и эффективной реализацией, и их порядок 4 оказался наиболее эффективным для анализа ЭЭГ. 19 WT выполняли в MATLAB (Math-Works, Натик, Массачусетс, США). Поскольку наш интересующий сигнал (ЭЭГ) дискретен, мы использовали дискретное вейвлет-преобразование (DWT), которое получается путем взятия вейвлет-функций и масштабных функций при дискретных значениях. DWT сигнала можно эффективно вычислить, пропустив сигнал через серию каскадных фильтров.На рисунке 2 показано двухуровневое вейвлет-разложение сигнала с использованием DWT.

Рисунок 2

Диаграмма, показывающая двухуровневое вейвлет-разложение сигнала с использованием дискретного вейвлет-преобразования. На каждом уровне разложения сигнал (или коэффициенты аппроксимации) проходит через два специальных фильтра: фильтр верхних частот (или вейвлет) ( h ( n )) и фильтр нижних частот (или масштабирующий). ( г ( n )).

Рисунок 2

Диаграмма, показывающая двухуровневое вейвлет-разложение сигнала с использованием дискретного вейвлет-преобразования.На каждом уровне разложения сигнал (или коэффициенты аппроксимации) проходит через два специальных фильтра: фильтр верхних частот (или вейвлет) ( h ( n )) и фильтр нижних частот (или масштабирующий). ( г ( n )).

Как показано на рисунке 2, на каждом уровне разложения сигнал (или коэффициенты аппроксимации) проходит через два специальных фильтра: фильтр верхних частот (или вейвлет) ( h ( n )) и фильтр нижних частот (или масштабирующий) ( g ( n )).На рисунке 3 показаны вейвлет-фильтры и фильтры масштабирования для порядка 4 вейвлетов Добеши. Фильтры верхних и нижних частот связаны друг с другом и являются квадратурными зеркальными фильтрами. Частотные диапазоны, соответствующие разным уровням разложения, зависят от количества уровней и частоты дискретизации. В таблице 1 показан частотный диапазон детализации и коэффициенты аппроксимации для пяти уровней разложения и частоты дискретизации 128 Гц.

Рисунок 3

Вейвлет-фильтры и фильтры масштабирования для порядка вейвлетов Добеши 4.

Рисунок 3

Вейвлет-фильтры и фильтры масштабирования для порядка 4 вейвлетов Добеши.

Таблица 1

Частотные диапазоны, соответствующие пяти уровням разложения с использованием порядка 4 вейвлетов Добеши

Таблица 1

Диапазоны частот, соответствующих пяти уровням разложения с использованием порядка 4 вейвлетов Добеши

Мы рассчитали все вейвлет-коэффициенты, показанные в таблице 1 для двух сигналов ЭЭГ (C3 / A2 и C4 / A1). Пятиуровневые коэффициенты разложения (D 1 -D 5 и A 5 ) были рассчитаны для периода между началом и окончанием возбуждения, а также для равного периода, предшествующего началу возбуждения (Рисунок 4).Из этих коэффициентов мы рассчитали среднюю мощность (P avg , всего шесть признаков), среднее абсолютное значение (MABS, всего шесть признаков), отношение MABS для всех комбинаций коэффициентов (например:… и т. Д .; всего 15 признаков) и общее изменение 20 коэффициентов на каждом уровне (TV, всего шесть функций). TV — это среднее значение всех двухточечных абсолютных разностей амплитуд соответствующего коэффициента за период анализа. Таким образом, на каждое возбуждение рассчитывались 33 характеристики.Все признаки были разделены по значениям до возбуждения, в результате получилось 33 нормализованных признака на возбуждение.

Рисунок 4

Пример сигнала электроэнцефалограммы (ЭЭГ) (канал C3) до и во время возбуждения с его коэффициентами вейвлет-разложения на всех пяти уровнях. На верхней панели показан необработанный сигнал ЭЭГ, который является входом для банков вейвлет-фильтров. D 1 -D 5 показывает коэффициенты детализации от уровня 1 до уровня 5, соответственно. D 1 показывает высокую частоту активности мозга, а также время возникновения этой активности.А 5 и D 5 показывают медленную активность мозга. Обратите внимание, что мощности коэффициентов детализации вейвлета на уровнях 1 и 2 (и в некоторой степени 3) больше во время возбуждения, чем в период до возбуждения.

Рисунок 4

Пример сигнала электроэнцефалограммы (ЭЭГ) (канал C3) до и во время возбуждения с его коэффициентами вейвлет-разложения на всех пяти уровнях. На верхней панели показан необработанный сигнал ЭЭГ, который является входом для банков вейвлет-фильтров. D 1 -D 5 показывает коэффициенты детализации от уровня 1 до уровня 5, соответственно.D 1 показывает высокую частоту активности мозга, а также время возникновения этой активности. А 5 и D 5 показывают медленную активность мозга. Обратите внимание, что мощности коэффициентов детализации вейвлета на уровнях 1 и 2 (и в некоторой степени 3) больше во время возбуждения, чем в период до возбуждения.

33 характеристики были получены для каждого из 271 тренировочного пробуждения. Односторонний дисперсионный анализ (ANOVA) использовался, чтобы определить, какие из этих характеристик отличают разные визуальные шкалы.Четырнадцать функций были очень важными. Это были:

Затем мы построили несколько классификаторов для классификации (масштабирования) нового возбуждения на основе обучающей выборки. Мы построили три классификатора k-ближайших соседей 21 (классификатор 1: k = 3, классификатор 2: k = 4, классификатор 3: k = 5), три дискриминантных классификатора 21 (классификатор 4: линейный дискриминант, классификатор 5: квадратичный дискриминант, классификатор 6: дискриминант Махаланобиса) и один древовидный классификатор 21 с отсечкой на уровне 6.Всего мы построили семь классификаторов, используя нашу обучающую выборку. Это было сделано для устранения эффекта переобучения обучающего набора данных и для достижения большей предсказуемости по сравнению с новыми данными тестирования. Каждый классификатор генерирует шкалу возбуждения, в результате чего получается семь шкал возбуждения. Среднее значение по всем семи шкалам было вычислено и округлено, чтобы получить единую целочисленную шкалу от 0 до 9. Как уже упоминалось, мы использовали два канала ЭЭГ для расчета интенсивности возбуждения. Окончательная шкала для данного возбуждения была наивысшим из двух каналов ЭЭГ.

В качестве контроля для каждого файла мы случайным образом выбрали 10-14 9-секундных интервалов из периодов со стабильным сном (т. Е. Без пробуждений, оцененных специалистом по сну). Эти интервалы называются фиктивными возбуждениями.

HR Измерение

Измеряли пульс за ударом, и самое высокое значение в интервале 2–12 секунд, предшествующих возбуждению, использовали в качестве исходного уровня ЧСС. При определении исходного уровня избегали 2-секундных предшествующих возбуждений, поскольку Sforza et al. 7 сообщили, что тахикардия, связанная с возбуждением, может начаться за 2 секунды до возбуждения.Также измерялась самая высокая ЧСС в интервале [от начала возбуждения до (конец возбуждения +8 сек)], и разница с исходной ЧСС (ΔHR) представляла изменение ЧСС, связанное с возбуждением.

Статистика

Парный тест t и ANOVA использовались там, где это было необходимо (см. Результаты). Для каждого файла мы усреднили все значения ΔHR по каждой шкале возбуждения. Для каждого файла определялась корреляция (коэффициент корреляции Пирсона) между шкалой возбуждения и средним ΔHR на каждой шкале.Анализ множественной линейной регрессии использовался для оценки влияния других характеристик возбуждения на реакцию ЧСС на возбуждение.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Пациентами были восемь женщин и 12 взрослых мужчин с ИМТ 31,1 ± 8,8 кг / м. 2 (диапазон 22-59). Двенадцать исследований были диагностическими (т.е. не получали постоянного положительного давления в дыхательных путях [CPAP]). У девяти из них не было ОАС (AHI <5 ч -1 ) и, за исключением чрезмерного возбуждения, было нормальным, тогда как у других трех было ОАС от легкой до тяжелой степени (AHI 10-65 ч -1 ).В семи исследованиях участвовали пациенты с СОАС, которым проводилось ночное исследование (первая часть была диагностической, а вторая — титрованием CPAP). В одном исследовании пациент с СОАС все время проходил терапию СРАР (исследование лечения).

Визуальная интенсивность 271 возбуждения, использованных в обучающей выборке, варьировалась от 0 до 9. Не было разницы в средней визуальной шкале между двумя электродами (3,7 ± 2,6 и 3,8 ± 2,6). Однако визуальные шкалы, присвоенные двум электродам, различались в 101 из 271 возбуждения (37%).Из них разница между двумя шкалами составляла один или два балла в 81 возбуждении и> 3 только в восьми случаях возбуждения. Была обнаружена слабая, но очень значимая корреляция между визуальной шкалой и продолжительностью возбуждения (r = 0,37; P <0,0001).

Из 244 фиктивных пробуждений 168 (74%) получили шкалу 0, 35 (15%) шкалу 1 и 24 (11%) шкалу 2 для средней шкалы 0,4 ± 0,2.

Характеристики возбуждения в разных файлах

Таблица 2 показывает характеристики возбуждений в отдельных файлах.Среднее количество возбуждений, проверенных на файл, составило 134,8 ± 61,2, всего 2695 возбуждений. На рисунке 5 показаны частоты в разных масштабах. Наиболее частыми были возбуждения по шкале 3, на которые приходилось 34,3% всех исследованных возбуждений. Частота постепенно уменьшалась в любом направлении, достигая 2,1% для шкалы 1 и 3,4% для шкалы 9. Только одно из 2695 визуально оцененных возбуждений получило шкалу 0. Шкалы от 2 до 7 были представлены во всех файлах. Не было возбуждений по шкале 1 в девяти файлах, и не было возбуждений по шкале 8 или 9 в двух и шести файлах, соответственно.

Таблица 2

Характеристики возбуждений в разных файлах полисомнографа

Таблица 2

Характеристики возбуждений в разных файлах полисомнографа

Рисунок 5

Частотное распределение интенсивности возбуждения.

Рисунок 5

Частотное распределение интенсивности возбуждения.

Шкала возбуждения сильно различалась в пределах каждого файла. В большинстве файлов наблюдался практически весь спектр интенсивностей (таблица 2).Возбуждения, связанные с движением, связанным с возбуждением (то есть без периодических движений конечностей), в среднем были более интенсивными, чем те, которые не связаны с движением (5,4 ± 1,0 против 3,8 ± 0,6; P <0,0001, таблица 2), но оба типа охватывали весь спектр интенсивности возбуждения по данным ЭЭГ (таблица 2).

Как и в случае визуального масштабирования, во всех файлах была высокозначимая корреляция между интенсивностью возбуждения и продолжительностью возбуждения (r = 0,47 ± 0,09; P <0,001 или лучше).

Средняя шкала возбуждения варьировала от 3,4 до 5,9 в разных файлах (4,1 ± 0,7; таблица 2)). Различия между файлами (субъектами) были очень значимыми при дисперсионном анализе (P <0,0001). Обнаружилась значимая корреляция между интенсивностью возбуждения с движениями и без движений (r = 0,59; n = 20, P <0,01), что позволяет предположить, что у некоторых пациентов обычно развивается более интенсивное возбуждение, чем у других.

Интенсивность возбуждения и ЧСС

В соответствии с предыдущими исследованиями, 7,22 пик ЧСС приходился в среднем 7.1 ± 0,9 сек после начала возбуждения. На рисунке 6 показана взаимосвязь между шкалой возбуждения и ΔHR у репрезентативного пациента. Каждая точка представляет одно или несколько наблюдений. Был значительный разброс на всех шкалах интенсивности. При фиктивном возбуждении (шкала 0) стандартное отклонение (SD) ΔHR составляло 2,6 ± 0,9 мин. -1 с диапазоном от 1,5 до 4,5 мин. -1 среди различных файлов. Не было последовательного изменения среднего стандартного отклонения по мере увеличения интенсивности возбуждения; среднее SD варьировалось от 3.4 и 4,7 мин. –1 для шкал от 2 до 8 в разных файлах без значимой корреляции между двумя переменными (r = -0,4; P = 0,37). Скорее, среднее SD было связано с количеством наблюдений в каждой шкале (Рисунок 6). Поскольку фоновый шум оказался независимым от интенсивности возбуждения, независимый эффект от интенсивности возбуждения был получен путем усреднения значений ΔHR на каждой шкале возбуждения (жирная линия, рисунок 6).

Рисунок 6

Изменение частоты сердечных сокращений при возбуждении разной интенсивности у репрезентативного пациента.Каждая точка представляет одно или несколько возбуждений. Горизонтальные полосы — ± стандартное отклонение. Сплошная линия представляет средний отклик.

Рисунок 6

Изменение частоты сердечных сокращений при возбуждении разной интенсивности у репрезентативного пациента. Каждая точка представляет одно или несколько возбуждений. Горизонтальные полосы — ± стандартное отклонение. Сплошная линия представляет средний отклик.

На рисунке 7 показана взаимосвязь между интенсивностью (шкалой) возбуждения и средним значением ΔHR в отдельных файлах.Среднее значение ЧСС при шкале возбуждения 0 (т.е. в основном мнимое возбуждение) было очень маленьким, но значительно отличалось от 0 (0,4 ± 0,3 мин -1 (P <0,001)). Между двумя переменными в каждом файле была высокозначимая линейная корреляция (Таблица 3). Кроме того, усиление взаимосвязи сильно варьировалось среди субъектов, с ΔHR в диапазоне от 3,1-11,7 мин -1 при шкале возбуждения 5 (Таблица 3) и 8-22 мин -1 при наивысшей шкале 9 ( Рисунок 7). Общий средний наклон имел тенденцию к увеличению по мере увеличения интенсивности (жирная средняя линия, Рисунок 7), что объясняется слегка отрицательными пересечениями линейной аппроксимации в отдельных файлах (Таблица 3).Среднее соотношение лучше всего соответствовало степенной функции: y = 0,4 (x + 1) 1,56 ; r = 1.0).

Рисунок 7

Средняя реакция сердечного ритма на разную интенсивность возбуждения у отдельных субъектов и общее среднее значение (светлые кружки).

Рисунок 7

Средняя реакция сердечного ритма на разную интенсивность возбуждения у отдельных субъектов и общее среднее значение (белые кружки).

Таблица 3

Значения линейной регрессии среднего изменения частоты сердечных сокращений по каждой шкале возбуждения по сравнению со шкалой возбуждения

Таблица 3

Значения линейной регрессии среднего изменения частоты сердечных сокращений по каждой шкале возбуждения по сравнению со шкалой возбуждения

Другие детерминанты ответа ЧСС

Таблица 4 показывает результаты корреляционного анализа между ΔHR и различными характеристиками возбуждения в отдельных файлах.При прямой корреляции (левые столбцы) значимые корреляции были обнаружены между ΔHR и интенсивностью возбуждения во всех файлах, между ΔHR и продолжительностью возбуждения в 16 файлах и между ΔHR и наличием движений ног, связанных с возбуждением, в 17 файлах. Когда связь между ΔHR и тремя переменными была исследована с помощью множественного регрессионного анализа (правые столбцы), корреляция с интенсивностью возбуждения оставалась значимой во всех файлах, тогда как значительный независимый эффект продолжительности возбуждения оставался только в одном файле и значительный независимый эффект от связанное с этим движение ноги осталось в восьми файлах.

Таблица 4

Корреляция между частотой Дхарта и различными характеристиками возбуждения

Таблица 4

Корреляция между частотой Дхарта и различными характеристиками возбуждения

Возбуждение во время быстрого сна

Только девять файлов содержали 10 или более возбуждений REM (восемь файлов содержали более пяти возбуждений). Средняя шкала возбуждения в этих девяти файлах составила 4,4 ± 1,2, что незначительно отличалось (P = 0,15) от средней шкалы возбуждений NREM в тех же файлах (3.9 ± 0,4). Не было корреляции между средними шкалами REM- и NREM-возбуждений (r = -0,27, n = 9). Средний отклик ЧСС с возбуждением REM составлял 7,6 ± 3,4 мин –1 , что незначительно выше, чем ответ при тех же шкалах возбуждения при возбуждении NREM в тех же девяти файлах (5,7 ± 2,3 мин –1 , P = 0,056).

ОБСУЖДЕНИЕ

Основные результаты этого исследования: (1) интенсивность возбуждения может быть объективно определена количественно с использованием временных и частотных характеристик сигнала ЭЭГ; (2) возбуждение с движением ног и без него связано с широким диапазоном интенсивности возбуждения, но с движением, в среднем, более интенсивно; (3) средняя интенсивность возбуждения значительно различается у разных испытуемых; (4) ЧСС реакция на возбуждение, по-видимому, наиболее сильно связана с интенсивностью возбуждения; и (5) увеличение ЧСС для данной интенсивности возбуждения значительно варьируется среди субъектов.

Оценка интенсивности возбуждения

Хотя все практикующие, знакомые с PSG, согласятся, что возбуждения, соответствующие критериям AASM, варьируются от едва видимых до очень интенсивных (рис. 1), в клинических исследованиях PSG возбуждения оцениваются как присутствующие или отсутствующие, независимо от их визуальной интенсивности. Существует немного исследований физиологических и клинических последствий интенсивности возбуждения. Насколько нам известно, было только одно исследование, в котором возбуждения, отвечающие стандартным критериям, классифицировались в соответствии с их интенсивностью визуальной ЭЭГ, и ни одно из них не пыталось автоматизировать масштабирование интенсивности возбуждения.Юнес 12 разделил возбуждение на четыре категории в зависимости от внешнего вида ЭЭГ и обнаружил, что выброс вентиляции после обструктивных событий увеличивается с увеличением визуальной интенсивности, что указывает на физиологическую взаимосвязь между двумя переменными.

Настоящее исследование — первое, в котором описан метод автоматизации измерения интенсивности возбуждения. Мы обнаружили, что WT 15–19 может дублировать визуальное масштабирование интенсивности, по крайней мере, как определено одним экспертом-наблюдателем.Достоверность этого метода подтверждается тем фактом, что <1% возбуждений, независимо оцененных опытными сертифицированными технологами, получили нулевую шкалу, а средняя шкала фиктивных возбуждений составила 0,4. Очень значимая взаимосвязь между шкалой, присвоенной этим методом, и увеличением ЧСС (Таблицы 3 и 4) не только подтверждает обоснованность используемого подхода, но также расширяет более раннее наблюдение, касающееся респираторной реакции на возбуждение 12 , показывая, что ЧСС-реакция также связана с интенсивностью возбуждения.В совокупности текущее и предыдущее исследования 12 предполагают, что количественная оценка интенсивности пробуждений, а также их частоты дает дополнительную информацию, которая может улучшить наше понимание нарушения сна. Кроме того, текущий подход предоставляет инструмент для исследования клинических последствий пробуждений как эффективно, так и без неизбежной межэкспертной изменчивости, которую можно ожидать при визуальной оценке.

Объективные частотные корреляты интенсивности возбуждения

Трудно объективно описать визуальные корреляты интенсивности возбуждения, особенно потому, что возбуждения, которые соответствуют рекомендациям AASM 11 , сильно различаются не только по интенсивности, но и по способу «сдвига частоты ЭЭГ».Таким образом, некоторые возбуждения могут отображать в первую очередь усиление альфа-ритма, в то время как другие демонстрируют в основном увеличение бета-ритма. Часто наблюдается учащение обоих ритмов медленными волнами или изменение основного ритма время от времени во время одного и того же возбуждения. Используемый здесь аналитический метод позволил определить характеристики сигнала ЭЭГ, которые коррелировали с тем, что наблюдатель считал более интенсивным, что, случайно или нет, оказалось в сильном соответствии с соответствующими физиологическими реакциями.Вейвлет-характеристиками, которые коррелировали с субъективной интенсивностью, были относительное увеличение (по сравнению с исходным уровнем до родов) мощности (P avg ) и MABS частот> 16 Гц (D 1 и D 2 ) и, что важно, < 2 Гц (A 5 ), увеличение отношения абсолютного значения на частотах> 16 к значениям на частотах от 2 до 16 Гц (D 3 до D 5 ), а также увеличение общего изменение частот> 16 Гц (TV (D 1 ) и TV (D 2 )).В пределах данного диапазона частот наблюдалась отличная корреляция (> 0,85) между средней мощностью, MABS и TV, так что характер изменения любой из этих характеристик с интенсивностью возбуждения отражает изменения в других характеристиках. На рисунке 8 показаны изменения одной из характеристик, MABS, в различных частотных диапазонах в зависимости от визуально масштабируемой интенсивности возбуждения. Все значения относятся к исходному уровню до начала беременности. Значение 1.0 означает отсутствие изменений. Основные изменения при низкой интенсивности возбуждения (от 1 до 4) — это умеренное увеличение амплитуды всех частотных диапазонов.Изменения амплитуды в бета-диапазоне (D 2 ) пропорциональны изменениям в альфа-сигма-диапазоне (D 3 ), так что соотношение (D 2 / D 3 ) остается неизменным или уменьшается. немного. Различия между шкалами 2 и 4 невелики и состоят в основном из уменьшения амплитуды тета-волн (D 4 / D 5 ) и в сверхнизкочастотном диапазоне (A 5 ). Начиная с шкалы 5, наблюдается резкое постепенное увеличение амплитуды бета-волн и волн сверхнизкой частоты с небольшим изменением альфа-амплитуды или тета-амплитуды.В результате соотношение D 2 / D 3 постепенно увеличивается. Первоначальное увеличение сверхнизкочастотной амплитуды, вероятно, отражает истинные дельта-волны, которые иногда наблюдаются во время возбуждения низкой интенсивности. Последующее увеличение этого частотного диапазона отражает базовые колебания, часто наблюдаемые при интенсивном возбуждении (рис. 1, нижняя панель).

Рисунок 8

Изменения средней абсолютной амплитуды (MABS) в разных частотных диапазонах с различной визуально оцененной интенсивностью возбуждения в тренировочном файле.Также показано отношение MABS (D 2 ) к MABS (D 3 ) (D 2 / D 3 ), и это приближает отношение амплитуды в диапазоне бета-частот к амплитуде в альфа-диапазоне. частотный диапазон. Все значения представляют изменение относительно исходного уровня до начала беременности, так что значение 1,0 не отражает никаких изменений по сравнению с исходным уровнем.

Рисунок 8

Изменения средней абсолютной амплитуды (MABS) в разных частотных диапазонах с различной визуально оцененной интенсивностью возбуждения в тренировочном файле.Также показано отношение MABS (D 2 ) к MABS (D 3 ) (D 2 / D 3 ), и это приближает отношение амплитуды в диапазоне бета-частот к амплитуде в альфа-диапазоне. частотный диапазон. Все значения представляют изменение относительно исходного уровня до начала беременности, так что значение 1,0 не отражает никаких изменений по сравнению с исходным уровнем.

Важно отметить, что изменения, задокументированные здесь в разных частотных диапазонах, не обязательно отражают изменения на ЭЭГ. Некоторое или полное увеличение бета-активности (D 2 ) и медленноволновой активности (A 5 ), наблюдаемое при интенсивном возбуждении, могло быть вызвано активностью мышц скальпа и артефактами движения, соответственно.Таким образом, наши результаты относятся исключительно к поверхностным записям, как это сделано в клинических исследованиях, и не обязательно отражают то, что происходит внутри мозга.

Факторы, влияющие на интенсивность возбуждения

Файлы, изученные в этом исследовании, дали возможность определить некоторые факторы, влияющие на интенсивность возбуждения. Все испытуемые демонстрировали широкий диапазон интенсивности возбуждения. Возбуждение с движением ног или без него охватило широкий диапазон интенсивности возбуждения у всех испытуемых (таблица 2).Однако средняя интенсивность возбуждения при движении была выше, чем при отсутствии движения. Шкала возбуждения также значимо коррелировала с продолжительностью возбуждения во всех файлах. Поскольку цифровая шкала отражает среднюю интенсивность в течение периода возбуждения, это и соответствующая корреляция между визуальной интенсивностью и продолжительностью возбуждения предполагают, что абсолютная интенсивность возбуждения достигает более высоких уровней по мере увеличения продолжительности.

Важным выводом этого исследования является то, что общая средняя интенсивность возбуждения значительно варьировалась среди субъектов (таблица 2).Теоретически эту изменчивость можно объяснить большим количеством факторов, включая возраст, пол, преобладающую стадию сна, лекарства, сопутствующие заболевания и механизм возбуждения. Для определения детерминант средней интенсивности возбуждения требуется дальнейшее изучение достаточно большого набора данных.

Интенсивность возбуждения и тахикардия

При прямой корреляции и в соответствии с предыдущими исследованиями 7,9 увеличение ЧСС сильно коррелировало с продолжительностью возбуждения и наличием движений ног (Таблица 4, слева).Однако корреляция между ΔHR и интенсивностью возбуждения была значительно сильнее у всех испытуемых (таблица 4, слева). Когда все переменные были исследованы с помощью множественной регрессии, корреляция между ΔHR и продолжительностью возбуждения исчезла у всех, кроме одного, и осталась слабая корреляция между ΔHR и движением ног только у восьми субъектов (таблица 4, справа). Эти данные предполагают, что ΔHR в первую очередь отражает интенсивность возбуждения и что более ранние корреляции, наблюдаемые с продолжительностью возбуждения 9 и движением ног 7 , в значительной степени вторичны по отношению к их связи с интенсивностью возбуждения.

Хотя наблюдалась отличная корреляция между интенсивностью возбуждения и ΔHR у каждого испытуемого (Таблицы 3 и 4), угол наклона зависимости значительно варьировался среди испытуемых (Таблица 3). Для возбуждения средней интенсивности (шкала 5) среднее увеличение ЧСС составило 3,1-11,7 мин. 1 . Различия между субъектами могут отражать разные реакции возбуждения и / или разные ответы ЧСС на данный стимул возбуждения. Таким образом, высокий наклон ответа ЧСС может быть следствием притупленной корковой реакции на стимулы возбуждения или чрезмерной реакции ЧСС на стимулы возбуждения.Не было значимой корреляции между средней интенсивностью возбуждения у разных субъектов и соответствующей реакцией ЧСС на возбуждение, независимо от того, была ли реакция ЧСС на возбуждение выражена как наклон зависимости (r = 0,027) или ответ ЧСС по шкале 5 ( r = 0,034). Если бы различия в наклонах отражали разные ответы коры на стимулы возбуждения, можно было бы ожидать более низкой средней интенсивности возбуждения у субъектов с высоким наклоном и , наоборот, . Это было не так, что позволяет предположить, что разные наклоны отражают разные реакции ЧСС на стимулы возбуждения.

Механизм связи между возбуждением и тахикардией

Принято считать, что пробуждение от сна само по себе является причиной связанной с ним тахикардии, гипертонии и увеличения вентиляции в силу связанной с ним вегетативной активации. Это представление основано на наблюдениях, что увеличение этих переменных с возбуждением больше, чем разница между их значениями сна и полного бодрствования 5,23,24 и на прямых 5,25 и косвенных 26,27 доказательствах. об увеличении симпатических выделений.Хотя эти результаты ясно показывают, что возбуждение связано с активным процессом, который приводит к активации симпатической системы, нет, насколько нам известно, свидетельств того, что такой активный процесс является результатом возбуждения, per se , в отличие от результат раздражителя, вызвавшего возбуждение. Наши данные можно интерпретировать как угодно. Таким образом, можно утверждать, что более интенсивное возбуждение приводит к более сильному состоянию активации или что более интенсивное возбуждение является результатом более сильного стимула возбуждения, который вызвал более сильное состояние активации.Существуют данные, позволяющие предположить, что по крайней мере компонент тахикардии связан со стимулом, вызвавшим возбуждение, а не с возбуждением per se . Каждый стимул, вызывающий возбуждение при достаточной интенсивности, вызывает тахикардию или гиперпноэ (в зависимости от исследуемой переменной) при подпороговой интенсивности. Таким образом, слуховые стимулы, которые вызывают возбуждение коры головного мозга, когда доставляются с пороговой интенсивностью, связаны с увеличением, хотя и меньшим, ЧСС, когда доставляются с подпороговой интенсивностью. 28 К-комплексы связаны с тахикардией, даже если за ними не следует корковое возбуждение. 7 Обструктивные события, которые прекращаются спонтанно без возбуждения, 29 или прекращаются преднамеренно до кортикального возбуждения (путем увеличения CPAP), 22 сопровождаются градуированной тахикардией, пропорциональной тяжести предшествующего обструктивного события. Хотя разряды симпатического нерва высоки в конце обструктивных событий, усиление разрядов начинается задолго до возбуждения и фактически внезапно прекращается, когда возникает возбуждение. 25 Периодические движения конечностей, которые иногда связаны с возбуждением, тахикардией и гиперпноэ, также связаны с тахикардией и гиперпноэ при отсутствии возбуждения. Даже спонтанным возбуждениям предшествует увеличение ЧСС, 7 , что указывает на то, что неизвестный стимул может независимо увеличивать ЧСС. Казалось бы разумным ожидать, что когда возбуждающий стимул (например, шум, асфиксия, боль), который слишком слаб, чтобы вызвать корковое возбуждение, приводит к тахикардии, реакция ЧСС будет выше, когда стимул доставляется на более высоких пороговых уровнях.В более широком смысле, более сильный надпороговый стимул должен быть связан с еще большей тахикардией и одновременно приводить к более интенсивному возбуждению. Согласно этой интерпретации, возбуждение не является посредником реакции «бей или беги», а является компонентом механизма выживания; сердечно-легочный компонент подготавливает организм к физическим нагрузкам, а компонент возбуждения позволяет организму более разумно справляться с угрозами. Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить независимый эффект от возбуждения.

Ограничения

Учебный файл, использованный для создания автоматических шкал, был основан на визуальной оценке только одного счетчика. Однако обнадеживает тот факт, что только одному из 2695 пробуждений, оцененному технологами сна, была присвоена шкала 0, а шкала, присвоенная мнимым возбуждениям, в среднем составила 0,4. Превосходная корреляция между автоматическими шкалами и реакциями ЧСС также подтверждает достоверность первоначальной визуальной оценки, во время которой счетчик не имел доступа к ЧСС.Описанный здесь аналитический подход позволяет создавать шкалы интенсивности на основе пользовательских файлов обучения, созданных другими исследователями или комитетом.

КЛИНИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

Клиническое значение интенсивности возбуждения в этом исследовании не было установлено. Однако возможно, что более сильные возбуждения более разрушительны для сна. Таким образом, включение интенсивности возбуждения среди других переменных, которые обычно используются для оценки качества сна (например,g., эффективность сна, общее время сна, индекс возбуждения) может помочь объяснить случаи чрезмерных дневных симптомов, когда другие показатели качества сна относительно нормальны, и наоборот . Стоит отметить, что наиболее распространенная шкала возбуждения (шкала 3) связана только с небольшими изменениями ЧСС (рис. 7), поэтому большое количество возбуждений низкой интенсивности может быть не столь клинически значимым. Более того, в той степени, в которой наклон зависимости между ЧСС и интенсивностью возбуждения может отражать более лабильную сердечно-сосудистую реакцию на стимулы возбуждения, наклон может иметь некоторую прогностическую ценность для развития сердечно-сосудистых осложнений.Эти возможности требуют дальнейшего изучения.

ССЫЛКИ

1« и др.

Оценка возбуждения во сне: надежность, достоверность и альтернативы

,

J Clin Sleep Med

,

2007

, vol.

3

(стр.

133

45

) 2,,.

Гипоксемия и фрагментация сна как причина чрезмерной дневной сонливости при обструктивном апноэ во сне

,

Chest

,

1991

, vol.

100

(стр.

1542

8

) 3,,,.

Когнитивные функции при синдроме апноэ / гипопноэ во сне (SAHS)

,

Sleep

,

2000

, vol.

23

(стр.

S102

8

) 4,.

Полное недосыпание, хроническое ограничение сна и нарушение сна

,

Prog Brain Res

,

2010

, vol.

185

(стр.

91

103

) 5,,,,.

Непосредственные эффекты пробуждения от сна на сердечный автономный отток при отсутствии дыхания у собак

,

J Appl Physiol

,

1995

, vol.

79

(стр.

151

62

) 6.

Вегетативные последствия пробуждения от сна: механизмы и последствия

,

Сон

,

1996

, vol.

19

(стр.

S193

5

) 7,,.

Активация сердца во время возбуждения у людей: дополнительные доказательства иерархии реакции возбуждения

,

Clin Neurophysiol

,

2000

, vol.

111

(стр.

1611

9

) 8,,, et al.

Сердечная и дыхательная активность при пробуждении от сна в условиях контролируемой вентиляции

,

J Appl Physiol

,

2001

, vol.

90

(стр.

1455

63

) 9« и др.

О природе сердечно-сосудистой активации при пробуждении от сна

,

Сон

,

2003

, т.

26

(стр.

543

51

) 10

Пробуждение ЭЭГ: правила подсчета баллов и примеры: предварительный отчет Целевой группы Атласа расстройств сна Американской ассоциации расстройств сна

,

Sleep

,

1992

, т.

15

(стр.

173

84

) 11,,,. ,

Руководство AASM по оценке сна и связанных с ним событий

,

2007

Вестчестер, Иллинойс

Американская академия медицины сна

12.

Роль пробуждений в патогенезе обструктивного апноэ сна

,

Am J Respir Crit Care Med

,

2004

, т.

169

(стр.

623

33

) 13,,.

Познание и функционирование в дневное время при нарушениях дыхания во сне

,

Prog Brain Res

,

2011

, vol.

190

(стр.

53

68

) 14« и др.

Эффективность автоматизированной системы оценки результатов полисомнографии по сравнению с ручной системой оценки с помощью компьютера

,

Sleep

,

2013

, vol.

36

(стр.

573

82

) 15. ,

Десять лекций по вейвлетам

,

1992

Филадельфия

Общество промышленной и прикладной математики

16,.

Разложение функций Харди на квадратные интегрируемые вейвлеты постоянной формы

,

SIAM J Math Anal

,

1984

, vol.

15

(стр.

723

36

) 17,. ,

Вейвлеты и кодирование поддиапазонов

,

1995

Аппер Сэддл Ривер, Нью-Джерси

Прентис-Холл, Inc.

18.

Ортонормированные основы компактно поддерживаемых вейвлетов

,

Communications Pure Appl Mathematics

,

1988

, vol.

41

(стр.

909

96

) 19,,.

Анализ записей ЭЭГ пациента с эпилепсией с использованием вейвлет-преобразования

,

J Neurosci Methods

,

2003

, vol.

123

(стр.

69

87

) 20,.

Итерационные методы шумоподавления полной вариации

,

SIAM J Scientific Computing

,

1996

, vol.

17

(стр.

227

38

) 21,,.

Классификация образов

,

Wiley-Interscience

,

2000

22,,,,.

Вклад пробуждения во сне в тахикардию после события у пациентов с обструктивным апноэ во сне

,

Сон

,

2013

, vol.

36

(стр.

881

9

) 23,,,.

Активация отчетливого состояния возбуждения сразу после спонтанного пробуждения ото сна

,

Brain Res

,

1997

, vol.

778

(стр.

127

34

) 24,,,.

Вентиляционная реакция на пробуждение от сна не полностью объясняется различиями в уровнях CO (2) между сном и бодрствованием

,

J Physiol

,

2001

, vol.

534

(стр.

881

90

) 25« и др.

Симпатические нейронные механизмы при обструктивном апноэ во сне

,

J Clin Invest

,

1995

, vol.

96

(стр.

1897

904

) 26.

Гемодинамические и вегетативные изменения у взрослых с обструктивным апноэ во сне

,

Adv Cardiol

,

2011

, vol.

46

(стр.

197

266

) 27,,,.

Обструктивное апноэ во сне и вегетативная нервная система

,

Sleep Med Rev

,

1998

, vol.

2

(стр.

69

92

) 28« и др.

Влияние активации ЦНС по сравнению с возбуждением ЭЭГ во время сна на частоту сердечных сокращений и дневные тесты

,

Clin Neurophysiol

,

2006

, vol.

117

(стр.

731

9

) 29,,,,,.

Прекращение респираторных событий с корковым возбуждением и без него при обструктивном апноэ во сне

,

Am J Respir Crit Care Med

,

2011

, vol.

184

(стр.

1183

91

) 30,.

Вариабельность сердечного ритма, нарушения сна и сна

,

Sleep Med Rev

,

2012

, vol.

16

(стр.

47

66

)

© ООО «Ассошиэйтед профессиональное общество сна», 2014 г.

Контроль скорости движения, возбуждения и тета-ритмов гиппокампа ядром incertus

NI NMB нейроны кодируют движения, возбуждение и тета-ритмы

Воспользовавшись предыдущим открытием, что в стволе мозга находится нейромедин B ( NMB ), предпочтительно экспрессируется в гене NI 19 , мы использовали метод CRISPR-Cas9 для создания линии мышей knockin ( NMB-Cre ), в которой рекомбиназа Cre экспрессируется под контролем промотора NMB ( Дополнительный рис.1а). Путем инфузии векторов аденоассоциированного вируса (AAV) для Cre-зависимой экспрессии красного флуоресцентного белка [двойная перевернутая открытая рамка считывания (DIO) -mCherry], мы смогли пометить нейроны внутри NI без маркировки окружающих областей ствола мозга ( Рис. 1а). Мы количественно оценили специфичность экспрессии Cre в нейронах NI мышей NMB -Cre: гибридизация in situ в сочетании с экспрессией вируса показала, что ~ 90% экспрессирующих mCherry клеток в NI были положительными по экспрессии мРНК NMB (рис. .1а). Возможно, это число является заниженным, поскольку некоторые нейроны, экспрессирующие mCherry, могут экспрессировать NMB на уровне ниже предела обнаружения нашего анализа гибридизации in situ, но на уровне, достаточном для управления Cre-зависимой экспрессией mCherry. Среди нейронов NMB, экспрессирующих mCherry, ~ 50% экспрессируют Rln3 и ~ 37% экспрессируют CRFR1 (дополнительный рис. 1b, c). В тесте открытого поля как гетерозиготные, так и гомозиготные мыши демонстрировали в целом нормальную двигательную активность (дополнительный рис.1г – е). Таким образом, линия мышей NMB -Cre позволяет нам специфически экспрессировать генетические зонды в нейронах NI NMB , чтобы проанализировать их функциональные роли.

Рис. 1. Активность нейронов NI NMB коррелирует с движением, возбуждением и тета-мощностью.

a Up, изображения, показывающие совместную локализацию мРНК NMB (зеленый), mCherry (красный) и NeuN (синий) в NI мыши NMB-Cre (98,4% экспрессии нейронов NMB + mCherry, n = 2284/2322 нейронов; 89.0% mCherry + нейронов экспрессировали NMB, n = 2284/2565 нейронов, 24 среза от 4 мышей), масштабные линейки = 100 мкм. NI NMB нейроны метили mCherry путем инъекции векторов AAV-DIO-mCherry в NI мыши NMB-Cre. Внизу, увеличенный вид пунктирной прямоугольной области, масштабные полосы = 50 мкм. b Экспрессия GCaMP6m в нейронах NI NMB. Масштабные линейки = 200 мкм. c Метод одновременного мониторинга сигналов GCaMP, движения животных, возбуждения и потенциалов локального поля гиппокампа (LFP) от мыши с фиксированной головой, работающей на беговой дорожке с колесом.DM — дихроичное зеркало; ФЭУ, фотоэлектронный умножитель. Инфракрасная камера использовалась для измерения диаметра зрачка как показателя возбуждения. d Парадигма поведения и пример данных из одного экспериментального испытания. Сигналы LFP показаны в виде необработанных сигналов с полосой пропускания (0,1–200 Гц) вместе со спектрограммой 1–20 Гц. Показаны изображения видеокадров глаза мыши (1–4), полученные в моменты времени, указанные в записи записи зрачка. Диаметр зрачка определяли posthoc через подобранный эллипс (красный). Левая пунктирная линия указывает начало сигнала, а правая пунктирная линия указывает начало жидкого вознаграждения. и Групповые данные сигналов GCaMP, скорости движения, нормализованного диаметра зрачка, сигнала лизания и спектрограммы тета-ритма ( n = 6 мышей). Красные сегменты указывают на статистически значимое увеличение по сравнению с исходным уровнем ( P <0,01; многомерный тест перестановки). Заштрихованные области обозначают SEM. f Кросс-корреляционный анализ сигнала GCaMP, скорости движения (локомотива), нормализованного диаметра зрачка, изменения тета-мощности и скорости облизывания. Цветовая шкала справа указывает значения корреляции.

Используя изменения внутриклеточных уровней свободного Ca 2+ в качестве индикатора активности нейронов, мы исследовали активность нейронов NI NMB у свободно ведущих мышей. Мы экспрессировали индикатор GCaMP6m Ca 2+ , а затем применили волоконную фотометрию для измерения изменений флуоресценции GCaMP в нейронах NI NMB (рис. 1b). Учитывая, что нейроны NI могут быть вовлечены в стрессовую реакцию 24,28 , мы сначала протестировали мышей, экспрессирующих GCaMP6m, в рамках парадигмы условного рефлекса Павлова, которая включает доставку слухового сигнала, за которым следуют удары ногами, хинин или сахароза (см. Методы).NI NMB нейроны демонстрировали устойчивое увеличение флуоресценции GCaMP при нанесении электрических ударов ног, когда такие удары вызывали немедленную локомоцию (дополнительный рис. 2a). Однако в испытаниях, которые доставляли хинин или сахарозу, но не вызывали локомоцию, мы не наблюдали значимых сигналов GCaMP (дополнительный рис. 2b, c). Когда мыши свободно передвигались в открытом поле, средние сигналы GCaMP нейронов NI NMB были значительно выше во время локомоции, чем во время фаз покоя (дополнительный рис. 2d, e), а наклон фазы нарастания сигналов GCaMP положительно коррелировал с скорость локомотора (дополнительный рис.2е). Эти результаты предполагают, что активность нейронов NI NMB соответствует движению, а не стрессу или вознаграждению как таковым.

Затем мы разработали задание на движение с фиксацией головы, чтобы тщательно проверить, как активность нейронов NI NMB связана со скоростью движения, а также с возбуждением и тета-ритмами гиппокампа. Мы обучили мышей с ограничением воды бегать в ответ на сигнал запаха: капля раствора сахарозы давалась, если мыши бежали более 3 с в течение 5 с временного окна после начала сигнала (рис.1в, г). При регистрации сигналов GCaMP с помощью волоконной фотометрии мы одновременно использовали инфракрасную камеру для измерения размера зрачка для отслеживания возбуждения 8,14,29,30 и использовали вольфрамовый микроэлектрод для регистрации потенциалов локального поля (LFP) в CA1 гиппокампа (рис. 1c, d и дополнительный рис. 2g, h). Согласование сигналов GCaMP с началом реплики выявило увеличение активности нейронов NI NMB, начиная с начала локомоторного ускорения (рис. 1d, e; дополнительный рис. 2i, j; дополнительный фильм 1).Данные сигнала GCaMP из эксперимента с динамикой времени были сильно коррелированы (Pearson’s r ) с данными о скорости движения, динамике зрачка и тета-мощности (рис. 1f и дополнительный рис. 2k).

Учитывая, что локомоция часто тесно связана с возбуждением и тета гиппокампа 12,13,14 , мы спросили, могут ли нейроны NI NMB активироваться после повышенного возбуждения, но в отсутствие локомоции. Чтобы отделить возбуждение от движения, мы вызывали состояние усиленного возбуждения, выдыхая воздух на спину фиксированных за голову мышей 14 (см. Методы).В подгруппе испытаний подача воздуха увеличивала уровни возбуждения (увеличение диаметра зрачка на 15%) и уменьшала тета-мощность (23%), но не вызывала двигательную активность. В этих испытаниях вдыхание воздуха приводило к умеренному, но значительному увеличению (~ 7,1%) сигналов GCaMP, что положительно коррелировало с уровнями возбуждения ( r = 0,66; дополнительный рис. 3a, b). Мы не наблюдали каких-либо явных изменений флуоресценции, когда воздушная струя применялась к контрольным мышам, которые экспрессировали GFP в нейронах NI (дополнительный рис.3c) или когда GFP-экспрессирующие мыши двигались во время задачи извлечения вознаграждения (дополнительный рис. 3d, e), подтверждая, что изменения флуоресценции GCaMP6 представляли сигналы Ca 2+ , а не артефакты движения животных. Вместе эти результаты указывают на то, что активность нейронов NI NMB сильно связана с локомоцией, возбуждением и тета-колебаниями гиппокампа. Более того, активность этих нейронов также положительно коррелирует с уровнем возбуждения, даже при отсутствии движения.

Эффекты оптогенетического ингибирования нейронов NI NMB

Затем мы исследовали, как ингибирование активности нейронов NI NMB резко влияет на поведение мышей. Инъекция векторов AAV-DIO-GtACR1-P2A-GFP в NI мышей NMB-Cre приводила к экспрессии светочувствительного хлоридного канала GtACR1, который при световом освещении немедленно подавлял возбуждение потенциалов действия в NI NMB нейроны (рис. 2а, б; дополнительный рис. 4а, б). Затем мы имплантировали оптическое волокно, чтобы изучить эффекты оптогенетического ингибирования нейронов NI у животных с фиксированной головой (рис.2а; Дополнительный рис. 4c). Интересно, что оптическое ингибирование заставляло бегущих животных быстро замедляться, часто до полной остановки, тогда как контрольные GFP-экспрессирующие мыши с доставкой света показали только постепенное снижение средней скорости с течением времени (рис. 2c – e; дополнительный рис. 4d – g; Дополнительный фильм 2). Более того, по сравнению с исходным уровнем, оптогенетическое ингибирование нейронов NI NMB вызвало значительное уменьшение нормализованного диаметра зрачка (ингибирование ~ 15%; контроль ~ 4%; рис. 2f, g). Во время доставки света мыши, экспрессирующие GtACR1, демонстрировали десинхронизированный LFP в гиппокампе и, следовательно, значительно более слабую тета-мощность, чем контрольные мыши (рис.2h, i). У неподвижных мышей, которые получали воздух в спину, но не демонстрировали увеличения локомоции, оптогенетическое ингибирование нейронов NI NMB уменьшало диаметр зрачка, но не влияло на тета-мощность гиппокампа (дополнительный рис. 4h – l). В совокупности наши результаты показывают, что активность нейронов NI NMB необходима для поддержания локомоции, возбуждения и высокой тета-мощности.

Рис. 2: Ингибирование нейронов NI NMB подавляет локомоцию, возбуждение и тета-силу.

a Схема эксперимента по ингибированию нейронов NI NMB и регистрации LFP гиппокампа у мышей с фиксированной головой. b Синий лазерный импульс (5 с) отменял возбуждение потенциала действия, вызванное инъекцией тока в нейрон, экспрессирующий GtACR1, в NI ( n = 7 протестированных клеток). c Необработанные кривые, показывающие влияние оптогенетического ингибирования (синяя полоса) нейронов NI NMB на локомоцию, возбуждение и тета-ритмы. d Скорость локомотора согласована с началом лазерного излучения. e Столбиковая диаграмма, показывающая эффекты ингибирования на скорость локомоторного движения ( n = 6 мышей для всех групп). f , g Влияние оптогенетического ингибирования на диаметр зрачка во времени ( f ) и сводные данные ( g ). h , i Общее среднее значение спектрограмм LFP гиппокампа, согласованных с началом лазерного излучения ( h ), и сводные данные оптогенетического ингибирования тета-мощности, нормированные на сумму мощности 0,1–12 Гц ( i ). j , k Схема ( j ) и временная шкала ( k ), иллюстрирующая задачу по поиску пищи, в которой мышь преследовала движущийся лоток с едой, чтобы достать гранулы еды.В третьем поведенческом сеансе мы оптогенетически ингибировали нейроны NI ( k ). l , m Оптогенетическое ингибирование нейронов NI подавляло скорость преследования ( l ) и прервало успешное достижение движущегося пищевого лотка ( m ). Заштрихованные области ( d , f ) и полосы ошибок ( e , g , i , l , m ) указывают на SEM. * P <0,05, ** P <0.01, *** P <0,001; непарные т проба; см. дополнительную таблицу 1 для подробного статистического анализа. Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Затем мы проверили, играют ли нейроны NI NMB роль в аппетитной локомоции у свободно перемещающихся животных. Мы обучили мышей, экспрессирующих GCaMP6m, в открытом поле получать пищевые гранулы, преследуя движущийся кормовой лоток (рис. 2j). Волоконная фотометрия выявила значительную корреляцию между сигналами Ca 2+ и данными о скорости движения, полученными при поиске пищи (дополнительный рис.5а – г). Затем мы доставляли свет в NI мышей, экспрессирующих GtACR1, или контрольных мышей, экспрессирующих GFP, когда мышь инициировала погоню за лотком с едой (рис. 2j, k). Оптогенетическое торможение замедлило скорость передвижения на 50% и почти лишило животных способности успешно собирать пищу из движущегося пищевого лотка (рис. 2l, m; дополнительный фильм 3). Несмотря на неудачи, вызванные оптическим ингибированием, мыши продолжали предпринимать попытки начать преследование (неудачи / общее количество испытаний в контрольной группе: 47/61; в экспериментальной группе: 99/101; дополнительный рис.5д – з). Таким образом, эти результаты показывают, что активность нейронов NI NMB необходима для аппетитной локомоции. Более того, инактивация нейронов NI нарушает контроль скорости опорно-двигательного аппарата, но не снижает мотивацию к поиску вознаграждения.

Эффекты оптогенетической активации нейронов NI NMB

Затем мы исследовали функциональные эффекты активации нейронов NI NMB. Мы экспрессировали светочувствительный катионный канал ChannelRhodopsin-2 (ChR2) в нейронах NI NMB после инфузии векторов AAV-DIO-ChR2-mCherry в NI мышей NMB-Cre (рис.3а, б; Дополнительный рис. 6а). Записи целых клеток из срезов мозга подтвердили, что яркие последовательности тонических импульсов (20 импульсов, ширина 5 мс при 5, 10, 20 или 50 Гц) надежно активируют ChR2-экспрессирующие нейроны NI (рис. 3c; дополнительный рис. 6b). Затем мы имплантировали оптическое волокно для доставки серий световых импульсов различной частоты в NI мышей с фиксированной головой. Оптическая активация нейронов NI NMB достоверно вызывала синхронизированное по времени увеличение скорости движения, диаметра зрачка и мощности тета-ритма у этих мышей (рис.3d и дополнительный фильм 4). Стимуляция на 5 Гц вызвала небольшое, но статистически значимое увеличение, а стимуляция на более высоких частотах (10, 20, 50 Гц) привела к большему увеличению скорости движения и диаметра зрачка, причем эффекты достигли насыщения при 20 Гц (рис. 3e-h) . Скорость движения достигает пика в конце стимуляции, а затем постепенно снижается со временем (рис. 3e, f). Оптогенетическая стимуляция нейронов NI NMB также увеличивала тета-мощность гиппокампа (рис. 3i, j; дополнительный рис.6в). Такая стимуляция способствовала двигательной активности у свободно ведущих мышей в открытом поле (дополнительный рис. 6d-h), что указывало на стимулирующий эффект в различных поведенческих состояниях. В качестве контроля у мышей, экспрессирующих mCherry, не наблюдали значительных изменений в скорости передвижения, размере зрачка или тета-мощности (Fig. 3e-j). Таким образом, тоническая стимуляция нейронов NI NMB ускоряет передвижение, увеличивает возбуждение и усиливает тета-ритмы гиппокампа.

Рис. 3. Активация нейронов NI NMB способствует движению, возбуждению и тета-мощности.

a Экспериментальная схема вирусной экспрессии ChR2, стимуляции нейронов NI NMB и регистрации LFP гиппокампа. b На корональном срезе показана экспрессия ChR2-mCherry в нейронах NI NMB. Шкала шкалы = 200 мкм. c Запись срезов мозга подтвердила, что короткие синие лазерные импульсы с частотой 5, 10, 20 и 50 Гц (ширина 5 мс, 5 мВт) надежно вызывают возбуждение потенциалов действия в нейроне NI, экспрессирующем ChR2. d Типичный пример, показывающий эффект оптогенетической активации нейронов NI NMB (синяя полоса) на индукцию локомоции, возбуждения и тета-колебаний. e Скорость локомотора согласована с лазерным излучением разной частоты. f Сводная информация о влиянии стимуляции на скорость опорно-двигательного аппарата. г , ч Влияние оптогенетической активации нейронов NI NMB на диаметр зрачка во времени ( г ) и сводные данные ( ч ). i , j Общее среднее значение спектрограмм LFP для всей тестовой группы ( i ) и сводные данные о тета-мощности ( j ). Заштрихованные области ( e , g ) и полосы ошибок ( f , h , j ) указывают на SEM.* P < 0,05, ** P < 0,01, *** P < 0,001, **** P < 0,0001; нс, не имеет значения; Тест множественных сравнений Тьюки; см. дополнительную таблицу 1 для подробного статистического анализа. Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Учитывая, что локомоция, возбуждение и тета-ритмы часто связаны, мы исследовали, являются ли стимулирующие эффекты диссоциативными. Сначала мы заблокировали возбуждение, применив клонидин (0.1 мг / кг -1 , внутрибрюшинно), который снижает центральные уровни норадреналина и вызывает миоз 31,32,33 . В присутствии клонидина стимуляция нейронов NI NMB не вызывала расширения зрачка, но оставалась эффективной для стимулирования локомоции и тета-силы (рис. 4a – c, e – g), что позволяет предположить, что эффект активации NI на локомоцию и тета-колебания является не вторично по отношению к повышенному возбуждению. Затем мы вводили панкуроний (0,18 мг / кг -1 , внутрибрюшинно), который блокирует нервно-мышечный переход и, таким образом, предотвращает передвижение 34 .В присутствии панкурония стимуляция нейронов NI NMB не вызывала ускорения локомоции, но оставалась эффективной для усиления возбуждения и тета-мощности гиппокампа (рис. 4d – g), что предполагает, что стимулирующее действие нейронов NI NMB на возбуждение и тета-осцилляции не происходит. вторичный по отношению к передвижению животных.

Рис. 4. Влияние нейронов NI NMB на локомоцию, возбуждение и тета-мощность можно разложить.

a На схемах показан метод оптогенетической стимуляции нейронов NI NMB (слева), временная шкала поведенческого теста (в центре) и протокол стимуляции (справа). b Влияние оптогенетической стимуляции на среднюю скорость движения (слева), изменение диаметра зрачка (в центре) и общее среднее значение спектрограмм LFP (справа) для мышей NMB-NI ChR2 с контрольной инъекцией физиологического раствора (ip; n = 7 мышей). c Эффект от применения агониста адренергических рецепторов альфа-2 клонидина (0,1 мг кг -1 , ip) нейронов NI NMB ( n = 7 мышей). d Эффект от применения миорелаксанта панкурония (0.18 мг кг -1 , внутрибрюшинно; n = 4 мыши). e g Сводные данные, показывающие влияние клонидина и панкурония на изменение скорости движения, изменение диаметра зрачка и изменение тета-мощности в ответ на оптогенетическую стимуляцию нейронов NI NMB. Заштрихованные области ( b d ) и полосы ошибок ( e g ) указывают на SEM. * P < 0,05, ** P < 0,01, *** P < 0.001, **** П < 0,0001; нс, не имеет значения; Парный тест t и тест Манна – Уитни; см. Таблицу Приложения 1 для подробного статистического анализа. Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Мы также наблюдали, что оптогенетическая стимуляция нейронов NI NMB увеличивает плазменные уровни адреналина — гормона, связанного с возбуждением (дополнительный рис. 7a). Чтобы проверить, влияет ли изменение активности нейронов NI NMB на эмоциональную валентность животного, мы выполнили тест на условное предпочтение места и тест на предпочтение места в реальном времени.Ни стимуляция, ни ингибирование нейронов NI NMB не влияли на предпочтение или избегание места (дополнительный рис. 7b, c), предполагая, что активность этих нейронов не сигнализирует о прямом вознаграждении или отвращении.

Пресинаптические партнеры нейронов NI NMB

Затем мы спросили, как нейроны NI NMB соединяются с областями мозга, связанными с локомоцией, возбуждением и тета-ритмами. Для картирования пресинаптических партнеров нейронов NI NMB мы провели монотранссинаптическое ретроградное отслеживание с использованием рекомбинантного вируса бешенства (RV) (рис.5а, б). Мы наблюдали входящие сигналы в основном из подкорковых областей, связанных с двигательной активностью и двигательным контролем (например, медиальное ядро ​​перегородки (МС), внутренняя зона (ZI), межпедикулярное ядро ​​(IPN), периакведуктальное серое (PAG), дорсальное тегментальное ядро). (DTg)) 12,27,35,36,37 ; возбуждение и состояния мозга (например, рассеянный склероз, боковой гипоталамус (ЛГ)) 6,38 ; и генерация тета-ритмов (например, MS, супраммиллярное ядро ​​(SUM), среднее ядро ​​шва (MRN)) 12,39,40,41,42 .Мы также наблюдали менее плотные входы из других регионов, включая латеральную габенулу (LHb), DRN, ретикулярное ядро ​​моста (Pn), орбитальную кору (OFC), переднюю поясную извилину (ACC) и ретросплениальную кору (RSC). ), которые согласуются с предыдущими литературными данными 18,43 (рис. 5c, d, f, h, j, l, дополнительный рис. 8a). Наконец, мы наблюдали входы от ядра Darkschewitsch (DK), верхнего холмика (SC) и ретикулярного тегментального ядра моста (RtTg), которые ранее не наблюдались 43 (рис.5c, дополнительный рис. 8a). Мы не наблюдали мечения в областях extra-NI у контрольных мышей, у которых отсутствовали компоненты, необходимые для инфицирования RV или кросс-синаптического прыжка (дополнительный рис. 8b-d), что демонстрирует обоснованность использования рекомбинантного RV для ретроградного транссинаптического мечения.

Рис. 5: NI NMB нейроны получают сигналы от областей мозга, связанных с возбуждением и движением.

a Стратегия моносинаптического ретроградного отслеживания нейронов NI NMB. b Характер экспрессии TVA-mCherry (красный) и RV-GFP (зеленый) в месте инъекции внутри NI.Клетки с двойной меткой указывают на стартовые клетки, компетентные для ретроградного транссинаптического обхода. c Отношение общего количества ретроградно-меченых нейронов в различных вышестоящих станциях нейронов NI NMB ( n = 4 мыши). d Схема, показывающая входы нейронов NI NMB. e Схематическая диаграмма, показывающая терминальную фотостимуляцию вышележащих нейронов и запись участка целой клетки NI NMB + клеток. f Пресинаптические клетки RV + в МС. г Постсинаптические ответы нейрона NMB + в NI после фотостимуляции ChR2 + MS нейронов аксональных окончаний в условиях контроля (латентность, 8,1 ± 0,8 мс), аппликаций лекарств и промывки. Постсинаптический ток измеряли при -65 мВ. На правой панели показан суммарный эффект DNQX и добавления габазина ( n = 6 клеток NMB + от 2 мышей). h , i Пресинаптические клетки RV + в LH ( h ) и физиологический эффект фотостимуляции ChR2-экспрессирующих аксональных окончаний LH на нейронах NI NMB ( i ; латентность, 6.6 ± 0,6 мс). Правая панель в ( i ) показывает эффекты лекарственного средства ( n = 9 клеток NMB + от 2 мышей). j , k Пресинаптические клетки RV + в LHb ( j ) и физиологический эффект активации аксональных окончаний LHb на нейроны NI NMB ( k ; латентность 8,5 ± 1,0 мс; n = 6 клеток NMB + от 2 мышей). l , m Пресинаптические клетки RV + в IPN ( l ) и физиологический эффект активации аксональных окончаний IPN на нейронах NI NMB ( m ; латентность, 6.2 ± 1,2 мс; n = 6 клеток NMB + от 2 мышей). Планки погрешностей ( c , g , i , k , m ) указывают на SEM. Масштабные линейки = 200 мкм ( b , f , h , j и l ). Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Затем мы попытались подтвердить концепцию того, что наше анатомическое отображение соответствует функциональным взаимодействиям. Мы оптогенетически активировали четыре области мозга, которые, как известно, посылают сильные проекции в NI (MS, LH, LHb и IPN), и определили, какие (если есть) нейротрансмиттеры их соответствующие проекции выпускают в NI. AAV-EF1a-DIO-mGFP вводили в NI мышей NMB-Cre и вводили смесь AAV-hSyn-Cre и AAV-EF1a-DIO-ChR2-mCherry (равные объемы). в каждую из вышележащих областей (отдельные мыши для каждой из четырех вышестоящих областей) (дополнительный рис. 8e). Мы приготовили срезы мозга, содержащие NI и записанные с GFP-экспрессирующих нейронов внутри NI (рис. 5e; дополнительный рис. 8f – i). Оптогенетическая стимуляция MS ChR2-экспрессирующих окончаний вызывала постсинаптические ответы в нейронах NI NMB.Антагонист ионотропного рецептора глутамата DNQX блокировал 46,04% ответов на световую стимуляцию, а совместное присутствие DNQX и антагониста рецептора GABA A Габазин блокировал 92,0% этих ответов (рис. 5g), что позволяет предположить, что как глутаматергические, так и ГАМКергические нейроны нейронов NMB мишени MS в NI. Мы также наблюдали как глутаматергический, так и ГАМКергический компоненты в проекции от ЛГ к НИ (рис. 5i). Стимуляция LHb ChR2-экспрессирующих окончаний вызвала EPSC в шести нейронах NI NMB (рис.5к). Стимуляция IPN ChR2-экспрессирующих окончаний вызывала чистые IPSCs в 6/8 нейронах NI NMB (фиг. 5m) и смесь EPSC и IPSC в 2/8 нейронах NI NMB (дополнительный рисунок 8j). Эти ответы были зарегистрированы в присутствии 4-AP и тетродотоксина 44 , что указывает на то, что нейроны из MS, LH, LHb и IPN каждый образуют функциональные моносинаптические связи с нейронами NI NMB. Таким образом, наши результаты этих анатомических и электрофизиологических экспериментов показывают, что нейроны NI NMB получали как ГАМКергические, так и глутаматергические проекции от MS, LH и IPN, и исключительно глутаматергические проекции от LHb.

Проекционные мишени нейронов NI NMB

Далее мы исследовали, как нейроны NI NMB функционально регулируют активность нижестоящих нейронов. Мечение mCherry и гибридизационное картирование транскриптов мРНК для везикулярного транспортера ГАМК ( Vgat ) показало, что ~ 76% нейронов NMB, по-видимому, являются ГАМКергическими (рис. 6a), что позволяет предположить, что нейроны NI NMB обеспечивают в основном ГАМКергические выходы. Чтобы визуализировать паттерн терминальной проекции, мы выполнили антероградное отслеживание, нацелив Cre-зависимый AAV, экспрессирующий синаптофизин-EGFP, на нейроны NI NMB (рис.6б). Это выявило плотные выступы от NI к ряду областей мозга, которые, как известно, участвуют в контроле двигательной активности (например, нижнее оливковое ядро ​​(IO), латеральное маммиллярное ядро ​​(LM), IPN и MRN) 36, 40,45,46 ; возбуждение (например, ЛГ и латеральное преоптическое ядро ​​(ПОЛ)) 6,47 ; и тета-ритмы (например, MS) 12,41,42 (Рис. 6c, e, g, i; Дополнительный Рис. 9a – d). В спинном мозге явных аксонов не наблюдалось.

Фиг.6: Нейроны NI NMB проецируются на несколько областей мозга.

a Наличие мРНК VGAT ( slc32a1 ) (зеленый) в нейронах NI NMB, экспрессирующих mCherry ( n = 937 VAGT + /1234 mCherry + нейронов; 937 mCherry + нейронов; 937 mCherry / 2089 VGAT + нейронов; 20 срезов от 4 мышей). Стрелки — клетки с двойной меткой; Стрелки, mCherry + клетки, в которых явно отсутствовала экспрессия мРНК VGAT . b Схема показывает, что экспрессия синаптофизина-EGFP в нейронах NI NMB маркирует терминалы в нескольких подкорковых структурах. c Нормализованная плотность иннервации (общее количество EGFP + пикселей, разделенное на площадь каждого ядра; n = 4 мыши). d Схематическая диаграмма, показывающая метод оптогенетической стимуляции и записи из MS, LH или IPN в срезах мозга. e, f Терминальная экспрессия синаптофизина-EGFP в MS ( e ) и влияние активации ChR2-экспрессирующих терминалов на активацию IPSC из нейронов MS ( f ). Левая панель в ( f ) показывает репрезентативные следы вызванных светом IPSC от нейрона МС до (красный; латентность, 4.8 ± 1,1 мс), во время (черный) и после (серый) применения габазина. На правой панели показаны групповые данные о влиянии габазина на блокирование индуцированных светом IPSC ( n = 9 клеток от 4 мышей). Постсинаптический ток измеряли при -10 мВ. г , ч Паттерн концевой проекции нейронов NI NMB в ЛГ ( г ) и эффекты активации нейронов NI NMB на активацию IPSC из нейронов ЛГ ( ч ; латентность 3,9 ± 1,8 мс; н. = 5 клеток на 5 мышей). i , j Распределение аксональных окончаний NI NMB в IPN ( i ) и эффекты активации терминалов на габазин-чувствительных IPSC нейронов IPN ( j ; латентность, 6,1 ± 0,5 мс; n = 8 клеток от 5 мышей). Планки погрешностей ( c , f , h , j ) указывают на SEM. Масштабные линейки = 50 мкм ( и ), 200 мкм ( и , г , и ). Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Чтобы подтвердить, что наше анатомическое картирование соответствует функциональным взаимодействиям, мы выбрали три репрезентативных мишени (MS, LH и IPN) для характеристики нейротрансмиттеров, выпущенных нейронами NI NMB. Мы приготовили срезы мозга, содержащие эти целевые области, от мышей NMB-Cre , экспрессирующих ChR2 в NI, и выполнили записи патч-кламп от нейронов, расположенных на концах проекций NI в каждой целевой области (рис. 6d; дополнительный рис. 9e– грамм). Оптическая стимуляция проекционных терминалов, экспрессирующих ChR2, вызвала быстрые GABA A -опосредованные ингибирующие постсинаптические токи (IPSC) в каждой из целевых областей (MS, n = 9/9 клеток с латентностью = 4.8 ± 1,1 мс; LH, n = 5/15 ячеек с задержкой = 3,9 ± 1,8 мс; IPN, n = 8/8 ячеек с задержкой = 6,1 ± 0,5 мс) (рис. 6f, h, j). В 10/15 нейронах LH мы также обнаружили быстрые AMPA-опосредованные ответы возбуждающего постсинаптического тока (EPSC) с короткой латентностью (3,8 ± 0,5 мс; дополнительный рис. 9h). Синаптические ответы регистрировались в присутствии блокатора натриевых каналов тетродотоксина и блокатора калиевых каналов 4-AP 44 , что снова указывает на то, что нейроны NI NMB образуют моносинаптические связи с MS, LH и IPN.Эти результаты предполагают, что большинство нейронов NI NMB являются ГАМКергическими, но некоторые глутаматергические; это согласуется с нашими результатами гибридизации in situ (рис. 6а). Таким образом, наши результаты этих анатомических и электрофизиологических экспериментов показывают, что нейроны NI NMB обеспечивают как ГАМКергические, так и глутаматергические проекции на целевые области мозга, которые связаны с локомоцией, возбуждением и генерацией тета-ритма. Мы сравнили эффекты стимуляции клеток NMB + , нейронов ГАМК и глутаматных нейронов в NI с использованием мышей NMB-Cre , мышей Vgat-Cre и мышей Vglut2-Cre .Мы наблюдали довольно сложные эффекты, специфичные для разных типов клеток, на различные процессы: для локомоции NMB> глутамат> GABA = 0; для возбуждения глутамат> NMB> GABA> 0; и, наконец, для тета NMB ≥ глутамат> ГАМК> 0 (дополнительный рис. 10).

Роли, специфичные для проекций в локомоции, возбуждении и тета.

Картирование паттернов аксональных проекций нейронов NI NMB привело нас к исследованию роли (ей) нижестоящих целевых областей мозга нейронов NI NMB. Мы стимулировали экспрессирующие ChR2 аксональные терминалы нейронов NI NMB в четырех основных мишенях и подавляли тельца клеток путем вливания блокатора рецепторов ГАМК мусцимола в NI, чтобы минимизировать антидромную активацию 48 (рис.7а). Стимуляция аксональных окончаний в MS и IPN значительно повышает скорость передвижения, уровень возбуждения, связанный со зрачком, и тета-мощность гиппокампа, при этом MS особенно влияет на локомоцию, а IPN более влияет на возбуждение (Рис. 7b – g). Интересно, что такая стимуляция в ЛГ значительно увеличивала размер зрачка, но не изменяла локомоцию или тета-мощность (рис. 7b – g), несмотря на то, что многие нейроны NI NMB посылают аксональные коллатерали, чтобы нацеливаться на эти области мозга (дополнительный рис.11). Эти результаты обеспечивают анатомическую поддержку наших выводов о том, что множественные проекции нейронов NI NMB способны регулировать локомоцию, возбуждение и тета гиппокампа, каждый из которых может контролироваться перекрывающимися, но разными мишенями проекции.

Рис. 7: Проекции NI-MS по-разному модулируют движение, возбуждение и тета-силу.

a Экспериментальная схема вирусной экспрессии ChR2 и стимуляции окончаний NI в различных областях-мишенях. b, c Средние кривые ( b ) и сводные данные ( c ), показывающие изменение скорости движения, вызванное терминальной стимуляцией в MS (красный; n = 5 мышей), LH (синий; n = 7 мышей), IPN (голубой; n = 5 мышей) и IO (пурпурный; n = 6 мышей), а также стимуляция области сомы в NI ( n = 7 мышей) . Пунктирной синей линией отмечена продолжительность лазерной стимуляции. d, e Средние кривые ( d ) и сводные данные ( e ), показывающие изменение нормализованного диаметра зрачка, вызванное стимуляцией различных проекций и соматов NI. f, g Общее среднее значение спектрограмм LFP ( f ) и сводных данных об изменении тета-мощности ( g ), вызванных терминальными стимуляциями в различных целевых областях и области NI сомы (тета-мощность нормализована к ее основанию в каждой группа). h Экспериментальная схема вирусной экспрессии GtACR1 и оптогенетического ингибирования NI-концов в различных областях-мишенях. i, j Средние нормализованные кривые скорости движения ( i ) и сводные данные, показывающие эффект оптогенетического ингибирования аксональных окончаний в MS (красный; n = 4 мыши), LH (синий; n = 5 мышей ) и IPN (голубой; n = 4 мыши).Синяя горизонтальная линия и пунктирные вертикальные линии обозначают продолжительность подавления света. k, l Средние кривые ( k ) и сводные данные, показывающие влияние терминального ингибирования и ингибирования сомы на диаметр зрачка. m, n Общее среднее значение спектрограмм LFP и сводка изменения тета-мощности в различных целевых регионах и области NI сомы. Данные для активации и ингибирования сомы на этом чертеже идентичны данным, представленным на фиг. 2 и 3 для сравнения.Планки погрешностей ( c , e , g , j , l , n ) указывают на SEM. * P < 0,05, ** P < 0,01, *** P <0,001, **** P < 0,0001; нс, не имеет значения; Тест множественных сравнений Даннета; см. дополнительную таблицу 1 для подробного статистического анализа. Исходные данные представлены в виде файла исходных данных.

Поскольку результаты оптогенетической стимуляции могут быть дополнены аксональными коллатералями и взаимосвязями между нижележащими целевыми областями мозга, мы провели оптогенетическое ингибирование для дальнейшего изучения вклада (-ов) конкретных проекций.Мы экспрессировали GtACR1 в нейронах NI NMB и оптогенетически ингибировали GtACR1-экспрессирующие аксональные терминалы в различных областях-мишенях (рис. 7h). Ингибирование окончаний аксонов в MS слегка, но значительно снижает скорость движения, резко снижает возбуждение и практически не влияет на тета-ритмы (Рис. 7i – n). Напротив, подавление проекций на IPN и LH явно не изменяет локомоцию, возбуждение или тета гиппокампа (Fig. 7i-n). Эти результаты предполагают, что проекции нейронов NMB на РС играют важную роль в регуляции возбуждения.Хотя этот путь способствует поддержанию локомоции на определенном уровне, контроль локомоции и тета гиппокампа нейронами NI NMB, вероятно, требует скоординированной активности по их проекциям на множественные нижестоящие цели.

Учитывая важную роль проекции NI в MS, мы непосредственно активировали нейроны MS, чтобы исследовать способность различных типов клеток MS способствовать локомоции, возбуждению и тета гиппокампа. РС содержит три основных типа нейронов: глутаматергический, ГАМКергический и холинергический 12,19,41,42 .Мы экспрессировали ChR2 отдельно в этих популяциях нейронов путем инфузии Cre-зависимых векторов AAV в MS мышей Vglut2-ires-Cre , Vgat-ires-Cre или Chat-Cre (дополнительный рис. 12а). Мы проанализировали поведенческие эффекты в ответ на стимуляцию с частотой 10 и 50 Гц. Активация глутаматергических нейронов MS значительно увеличивает скорость движения, возбуждение и тета-мощность (дополнительный рис. 12b – k). Точно так же активация холинергических нейронов MS способствовала локомоции, увеличивала тета-мощность и повышала уровни возбуждения, особенно при стимуляции 50 Гц (дополнительный рис.12б – к). В соответствии с предыдущими исследованиями 41,49 , активация ГАМКергических нейронов РС во время покоя слегка индуцировала тета-ритмы, значительно повышала уровень возбуждения и, по существу, не вызывала явной локомоции (дополнительный рис. 12b – k), предполагала дифференциальную регуляцию возбуждения и передвижения посредством ГАМКергические нейроны МС. Вместе эти результаты показывают, что нейроны MS способствуют локомоции, возбуждению и тета гиппокампа специфическим для типа клеток образом.

Возможный эффект вазопрессина

Пожалуйста, цитируйте эту статью в прессе как:

Miani, A.(2016). Сексуальное возбуждение и ритмическая синхронизация: возможный эффект вазопрессина. Медицинские гипотезы, 93, 122–

125. https://doi.org/10.1016/j.mehy.2016.05.030

Адаптация в совместном нарезании. Ежеквартальный журнал экспериментальной психологии, 63 (11), 2220–2230.

http://doi.org/10.1080/17470218.2010.497843

Левитин, Д. Дж. Дж. (2006). Это ваш мозг о музыке: наука о человеческой одержимости. Нью-Йорк: Даттон.

Ли, Г., Хэ, Х., Хуанг, М., Чжан, X., Лу, Дж., Лай, Ю.,… Яо, Д. (2015). Выявление усиленных петель кортико-базальных ганглиев

, связанных с длительным обучением танцам. Scientific Reports, 5, 10271. http://doi.org/10.1038/srep10271

Лим М. М., Хаммок Э. А. Д. и Янг Л. Дж. (2004). Роль вазопрессина в генетической и нейронной регуляции моногамии

. Журнал нейроэндокринологии, 16 (4), 325–332. http://doi.org/10.1111/j.0953-8194.2004.01162.x

Лопес, Х. Х., Хэй, А.К., и Конклин, П. Х. (2009). Привлекательные мужчины вызывают выработку тестостерона и кортизола у женщин. Гормоны

и поведение, 56 (1), 84–92. http://doi.org/10.1016/j.yhbeh.2009.03.004

Merchant, H., & Honing, H. (2014). Способны ли нечеловеческие приматы к ритмическому увлечению? Доказательства гипотезы постепенной

аудиомоторной эволюции. Границы неврологии, 7 (8 января), 1–8. http://doi.org/10.3389/fnins.2014.00274

Миани А. (2016). Секс, наркотики и рок-н-ролл: нейрохимия музыки и любви.Семиколонь, 29, 21–35.

Майлз, С. А., Миранда, Р. А., и Ульман, М. Т. (2016). Половые различия в музыке: преимущество женщин в распознавании знакомых

Мелодии. Границы в психологии, 7 (март), 1–12. http://doi.org/10.3389/fpsyg.2016.00278

Миллер, Г. Ф. (2000). Эволюция человеческой музыки через половой отбор. В: Н. Л. Валлин, Б. Меркер и С. Браун (ред.),

Истоки музыки (стр. 329–360). Кембридж, Массачусетс: MIT Press. http://doi.org/10.1177/0040573683031

Миллер Г. Ф., Тайбур Дж. М. и Джордан Б. Д. (2007). Влияние овуляторного цикла на заработок танцоров на коленях: экономические данные

для течки человека? {Звезда, открыто}. Эволюция и поведение человека, 28 (6), 375–381.

http://doi.org/10.1016/j.evolhumbehav.2007.06.002

Mithen, S. (2005). Поющие неандертальцы: происхождение музыки, языка, разума и тела. Лондон: Вайденфельд и

Николсон.

Мерфи, М.Р., Секл, Дж. Р., Бертон, С., Чекли, С. А., и Лайтман, С. Л. (1987). Изменения окситоцина и вазопрессина

Секреция во время сексуальной активности у мужчин. Журнал клинической эндокринологии и метаболизма, 65 (4), 738–741.

http://doi.org/10.1210/jcem-65-4-738

Патель, А. Д. (2006). Музыкальный ритм, языковой ритм и эволюция человека. Восприятие музыки, 24 (1), 99–104.

http://doi.org/10.1525/mp.2006.24.1.99

Патель, А. Д., Иверсен, Дж.Р., Брегман М. Р. и Шульц И. (2009). Экспериментальные доказательства синхронизации с музыкальным ритмом

у животного, не являющегося человеком. Текущая биология, 19 (10), 827–830. http://doi.org/10.1016/j.cub.2009.03.038

Пиллсворт, Э. Г., Хазелтон, М. Г., и Басс, Д. М. (2004). Овуляторные сдвиги женского полового влечения. Журнал сексуальных исследований,

41 (1), 55–65. http://doi.org/10.1080/002244552213

Пинкер, С. (1997). Как работает разум. Лондон: Аллен Лейн.

Пуннонен, Р., Виинамяки, О., и Мултамяки, С. (1983). Плазменный вазопрессин во время нормального менструального цикла. Гормональные исследования,

17 (2), 90–2. http://doi.org/10.1007/s13398-014-0173-7.2

Раггенбасс, М. (2008). Обзор клеточного электрофизиологического действия вазопрессина. Европейский журнал фармакологии,

583 (2–3), 243–254. http://doi.org/10.1016/j.ejphar.2007.11.074

Раух, С. Л., Шин, Л. М., Догерти, Д. Д., Альперт, Н. М., Орр, С.П., Ласко М.,… Питман Р. К. (1999). Активация нейронов

во время сексуального и соревновательного возбуждения у здоровых мужчин. Психиатрические исследования — нейровизуализация, 91 (1), 1–10.

http://doi.org/10.1016/S0925-4927(99)00020-7

Риджпкема, М., Эвераерд, Д., ван дер Поль, К., Франке, Б., Тендолкар, И., И Фернандес, Г. (2012). Нормальный половой диморфизм в

базальных ганглиях человека

. Картирование человеческого мозга, 33 (5), 1246–1252. http://doi.org/10.1002/hbm.21283

Риллинг, Дж.К., ДеМарко, А.С., Хакетт, П.Д., Чен, X., Гаутам, П., Стейр, С.,… Паньони, Г. (2014). Половые различия в нервной и поведенческой реакции

на интраназальный окситоцин и вазопрессин во время социального взаимодействия человека.

Психонейроэндокринология, 39 (1), 237–248. http://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2013.09.022

Rilling, JK, DeMarco, AC, Hackett, PD, Thompson, R., Ditzen, B., Patel, R., & Pagnoni, G . (2012). Влияние интраназального окситоцина и вазопрессина

на кооперативное поведение и связанную с ним активность мозга у мужчин.Психонейроэндокринология,

37 (4), 447–461. http://doi.org/10.1016/j.psyneuen.2011.07.013

Рони, Дж. Р. (2003). Эффекты визуального воздействия на противоположный пол: когнитивные аспекты влечения к партнеру у мужчин.

Бюллетень личности и социальной психологии, 29 (3), 393–404. http://doi.org/10.1177/0146167202250221

Рони, Дж. Р., Лукашевский, А. В., и Симмонс, З. Л. (2007). Быстрые эндокринные реакции молодых мужчин на социальные взаимодействия с

молодыми женщинами.Гормоны и поведение, 52 (3), 326–333. http://doi.org/10.1016/j.yhbeh.2007.05.008

Руд, Б. Д., и Де Врис, Г. Дж. (2011). Иннервация вазопрессином головного и спинного мозга мышей (Mus musculus). Журнал

сравнительной неврологии, 519 (12), 2434–2474. http://doi.org/10.1002/cne.22635

Розен, М. Л., и Лопес, Х. Х. (2009). Менструальный цикл сдвигается в смещении внимания к языку ухаживания ☆. Эволюция и человек

Поведение, 30 (2), 131–140.http://doi.org/10.1016/j.evolhumbehav.2008.09.007

Шахнер А., Брэди Т. Ф., Пепперберг И. М. и Хаузер М. Д. (2009). Спонтанное двигательное увлечение музыкой у множественных

видов, имитирующих вокал. Текущая биология, 19 (10), 831–836. http://doi.org/10.1016/j.cub.2009.03.061

Stoleru, S., Gregoire, M.-C., Gerard, D., Decety, J., Lafarge, E., Cinotti, L .,… Комар, Д. (1999). Нейроанатомические корреляты

визуально вызванного сексуального возбуждения у мужчин.Архивы сексуального поведения, 28 (1), 1–21.

http://doi.org/10.1023/A:1018733420467

Тарр, Б., Лаунай, Дж., И Данбар, Р. И. М. (2016). Тихая дискотека: синхронные танцы приводят к повышению болевого порога и социальной близости. Эволюция и поведение человека (ФЕВРАЛЬ). http://doi.org/10.1016/j.evolhumbehav.2016.02.004

Теки, С., Грубе, М., Кумар, С., и Гриффитс, Т. Д. (2011). Отчетливые нейронные субстраты слухового восприятия на основе продолжительности и биений

времени.Журнал неврологии, 31 (10), 3805–12. http://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.5561-10.2011

Томпсон, Р., Джордж, К., Уолтон, Дж. К., Орр, С. П., и Бенсон, Дж. (2006). Влияние вазопрессина на социальную коммуникацию человека с учетом пола.

. Труды Национальной академии наук, 103 (20), 7889–94.

Эмоции, возбуждение и фронтальная асимметрия альфа-ритма во время 5-й симфонии Бетховена

  • Афтанас Л.И., Голочекин С.А. (2001) Передняя и лобная тета и нижняя альфа-линия средней линии человека отражают эмоционально позитивное состояние и внутреннее внимание: ЭЭГ-исследование медитации с высоким разрешением .Neurosci Lett 310: 57–60

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Афтанас Л., Варламов А.А., Павлов С.В., Махнев В.П., Рева Н.В. (2002) Зависящие от времени корковые асимметрии, вызванные эмоциональным возбуждением: анализ ЭЭГ связанной с событием синхронизации и десинхронизации в индивидуально определенных частотных диапазонах. Int J Psychphysiol 44: 67–82

    Статья Google Scholar

  • Аллен Дж. Дж., Коан Дж. А., Назарян М. (2004) Проблемы и предположения на пути от необработанных сигналов к показателям фронтальной асимметрии ЭЭГ в эмоциях.Биол Психол 67: 183–218

    PubMed Статья Google Scholar

  • Barry RJ, Clarke AR, Johnstone SJ, Magee CA, Rushby JA (2007) Различия ЭЭГ между условиями покоя с закрытыми и открытыми глазами. Clin Neurophysiol 118: 2765–2773

    PubMed Статья Google Scholar

  • Bigand E, Tillmann B, Poulin-Charronnat B (2006) Модуль для синтаксической обработки в музыке? Тенденции Cogn Sci 10 (5): 195–196

    PubMed Статья Google Scholar

  • Blood AJ, Zatorre RJ (2001) Интенсивно приятные реакции на музыку коррелируют с активностью в областях мозга, связанных с вознаграждением и эмоциями.Proc Natl Acad Sci 20: 11818–11823

    Статья Google Scholar

  • Blood AJ, Zatorre RJ, Bermudez P, Evans AC (1999) Эмоциональные реакции на приятную и неприятную музыку коррелируют с активностью в паралимбических областях мозга. Nat Neurosci 2 (4): 382–387

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Коан Дж. А., Аллан Дж. Дж. (2004) Фронтальная асимметрия ЭЭГ как модератор и посредник эмоций.Биол Психол 67: 7–49

    PubMed Статья Google Scholar

  • Крейг А.Д. (2005) Эмоциональная асимметрия переднего мозга: нейроанатомическая основа? Trends Cogn Sci 9: 566–571

    PubMed Статья Google Scholar

  • Дэвидсон Р.Дж. (1995) Асимметрия мозга. MIT Press, Кембридж

    Google Scholar

  • Дэвидсон Р.Дж. (2004) Что «делает» префронтальная кора при аффекте: перспективы исследования фронтальной асимметрии ЭЭГ.Биол Психол 67: 219–233

    PubMed Статья Google Scholar

  • Dellacherie D, Hugueville RL, Peretz I, Samson S (2010) Влияние музыкального опыта на эмоциональные самоотчеты и психофизиологические реакции на диссонанс. Психофизиология 48 (3): 337–349

    Статья Google Scholar

  • Delorme A, Sejnowski T, Makeig S (2007) Улучшенное обнаружение артефактов в данных ЭЭГ с использованием статистики более высокого порядка и независимого компонентного анализа.NeuroImage 34 (4): 1443–1449

    PubMed Статья Google Scholar

  • Eldar E, Ganor O, Admon R, Bleich A, Hendler T (2007) Ощущение реального мира: лимбическая реакция на музыку зависит от связанного содержания. Cereb Cortex 17 (12): 2828–2840

    PubMed Статья Google Scholar

  • Флорес-Гутьеррес Е.О., Диас Дж.Л., Барриос Ф.А., Фавила-Хумара Р., Гевара М.А., дель Рио-Портилья Й, Корси-Кабрера М. (2007) Метаболические и электрические паттерны мозга во время приятных и неприятных эмоций, вызванных музыкальными шедеврами .Int J Psychophysiol 65: 69–84

    PubMed Статья Google Scholar

  • Frego R (1999) Влияние звуковых и визуальных условий на реакцию на воспринимаемое художественное напряжение в музыке и танце. J Res Music Edu 47: 31–43

    Статья Google Scholar

  • Гейбл П.А., Хармон-Джонс Э. (2009) Постаурикулярные рефлекторные реакции на изображения, различающиеся по валентности и возбуждению.Психофизиология 46 (3): 487–490

    PubMed Статья Google Scholar

  • Gosselin N, Samson S, Adolphs R, Noulhiane M, Roy M, Hasboun D, ​​Baulac M, Peretz I (2006) Эмоциональные реакции на неприятную музыку коррелируют с повреждением коры парагиппокампа. Brain J Neurol 129: 2585–2592

    Статья Google Scholar

  • Gosselin N, Peretz I, Johnsen E, Adolphs R (2007) Повреждение миндалины ухудшает распознавание эмоций от музыки.Нейропсихология 45: 236–244

    PubMed Статья Google Scholar

  • Granot R, Eitian Z (2011) Музыкальное напряжение и взаимодействие динамических слуховых параметров. Music Percept 28 (3): 219–245

    Статья Google Scholar

  • Hailstone JC, Omar R, Henley SM, Frost C, Kenward MG, Warren JD (2009) Дело не в том, что вы играете, а в том, как вы это играете: тембр влияет на восприятие эмоций в музыке.Q J Exp Psychol 62 (11): 1–15

    Google Scholar

  • Heller W, Nitschke JB, Lindsay DL (1997) Нейропсихологические корреляты возбуждения в самооценке эмоции. Cogn Emotion 11 (4): 383–402

    Статья Google Scholar

  • Huron D (2001) Музыка — это эволюционная адаптация? Ann N Y Acad Sci 930: 43–61

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Huron D (2006) Сладкое ожидание.MIT Press, Кембридж

    Google Scholar

  • Илие Г., Томпсон В. (2006) Сравнение акустических сигналов в музыке и речи для трех измерений аффекта. Music Percept 23: 319–329

    Статья Google Scholar

  • Джеймс К.Э., Бритц Дж., Вюльимье П., Хауэрт К.А., Мишель С.М. (2008) Ранние нейронные реакции в правых лимбических структурах опосредуют обработку несовместимости гармонии у музыкальных экспертов.Neuroimage 42 (4): 1597–1608

    PubMed Статья Google Scholar

  • Jann K, Dierks T, Boesch C, Kottlow M, Strik W, Koenig T (2009) ЖИРНЫЙ коррелятор коррелирует альфа-фазовую синхронизацию ЭЭГ и сеть режима по умолчанию для фМРТ. NeuroImage 45 (3): 903–916

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Янн К., Коттлоу М., Диркс Т., Бош С., Кениг Т. (2010) Топографические электрофизиологические сигнатуры сетей состояния покоя FMRI.PLoS ONE 5 (9): e12945

    PubMed Статья Google Scholar

  • Juslin PN, Vastfjall D (2008) Эмоциональные реакции на музыку: необходимость учитывать основные механизмы. Behav Brain Sci 31 (5): 559–621

    PubMed Google Scholar

  • Klimesch W (1999) Альфа- и тета-колебания ЭЭГ отражают когнитивные функции и память: обзор и анализ. Brain Res Brain Res Rev 29 (2–3): 169–195

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Klimesch W, Doppelmayr M, Russegger H, Pachinger T, Schwaiger J (1998) Вызванные изменения мощности альфа-диапазона в ЭЭГ и внимании человека.Neurosci Lett 244 (2): 73–76

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Klimesch W, Doppelmayr M, Hanlsmayr S (2006) Абсолютная мощность верхнего альфа ERD: их значение для производительности памяти. Prog Brain Res 159: 151–165

    PubMed Статья Google Scholar

  • Koelsch S (2005) Исследование эмоций с помощью музыки: нейробиологические подходы. Ann N Y Acad Sci 1060: 412–418

    PubMed Статья Google Scholar

  • Koelsch S (2009) Нейробиологический взгляд на музыкальную терапию.Ann N Y Acad Sci 1169: 374–384

    PubMed Статья Google Scholar

  • Koelsch S, Fritz T, v. Cramon DY, Muller K, Friederici AD (2006) Исследование эмоций с помощью музыки: исследование с помощью фМРТ. Hum Brain Mapp 27 (3): 239–250

    PubMed Статья Google Scholar

  • Koelsch S, Fritz T, Schlaug G (2008) Активность миндалины может модулироваться неожиданными функциями аккорда во время прослушивания музыки.NeuroReport 19 (18): 1815–1819

    PubMed Статья Google Scholar

  • Koenig T, Melie-Garcia L (2010) Метод определения наличия усредненных полей, связанных с событиями, с использованием тестов рандомизации. Brain Topogr 23 (3): 233–242

    PubMed Статья Google Scholar

  • Кениг Т., Мели-Гарсия Л., Стейн М., Стрик В., Леманн С. (2008) Установление корреляций карт поля кожи головы с другими экспериментальными переменными с использованием методов ковариационного анализа и повторной выборки.Clin Neurophysiol 119: 1262–1270

    PubMed Статья Google Scholar

  • Krause CM (2006) Связанные с познанием и памятью ERD / ERS-ответы в модальности слуховых стимулов. Prog Brain Res 159: 197–207

    PubMed Статья Google Scholar

  • Крумхансл Ч. (1995) Музыкальная психология и теория музыки: проблемы и перспективы. Теория музыки Spectr 17 (1): 53–80

    Статья Google Scholar

  • Krumhansl C (1997) Исследовательское исследование музыкальных эмоций и психофизиологии.Can J Exp Psychol 51 (4): 336–352

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Krumhansl C (2003) Экспериментальные стратегии для понимания роли опыта в музыкальном познании. Ann N Y Acad Sci 999: 414–428

    PubMed Статья Google Scholar

  • Ли К.М., Скоэ Э., Краус Н., Эшли Р. (2009) Выборочное подкорковое усиление музыкальных интервалов у музыкантов.J Neurosci 29 (18): 5832–5840

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Мэдсон А.Т., Сильверман М.Дж. (2010) Влияние музыкальной терапии на расслабление, беспокойство, восприятие боли и тошноту у взрослых пациентов с трансплантацией твердых органов. J Music Ther 47 (3): 220–232

    PubMed Google Scholar

  • Медоуз М.Э., Каплан Р.Ф. (1994) Диссоциация вегетативных и субъективных реакций на эмоциональные сдвиги у пациентов с повреждениями правого полушария.Нейропсихология 32: 847–856

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Менон В., Левитин Д. Д. (2005) Награды от прослушивания музыки: реакция и физиологическая связь мезолимбической системы. NeuroImage 28 (1): 175–184

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Мейер Л (1956) Эмоции и смысл в музыке. Издательство Чикагского университета, Чикаго

    Google Scholar

  • Moradipanah F, Mohammadi E, Mohammadil AZ (2009) Влияние музыки на уровни тревоги, стресса и депрессии у пациентов, подвергающихся коронарной ангиографии.East Mediterr Health J 15 (3): 639–647

    PubMed CAS Google Scholar

  • Muller TJ, Federspiel A, Fallgatter AJ, Strik WK (1999) ЭЭГ-признаки флуктуаций бдительности, предшествующих переворотам восприятия в мультистабильном иллюзорном движении. NeuroReport 10 (16): 3423–3427

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Нармур Э. (1990) Анализ и познание основных мелодических структур.Издательство Чикагского университета, Чикаго

    Google Scholar

  • Nitschke JB, Heller W, Palmieri PA, Miller GA (1999) Контрастные модели мозговой активности при тревожных предчувствиях и тревожном возбуждении. Психофизиология 36: 628–637

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Ochsner KN, Ray RR, Hughes B., McRae K, Cooper JC, Weber J, Gabrieli JD, Gross JJ (2009) Процессы снизу вверх и сверху вниз в генерации эмоций: общие и различные нейронные механизмы.Psychol Sci 20: 1322–1331

    PubMed Статья Google Scholar

  • Панксепп Дж., Бернатцкий Г. (2002) Эмоциональные звуки и мозг: нейроаффективные основы музыкальной оценки. Behav Proc 60: 133–155

    Статья Google Scholar

  • Patel AD (2003) Язык, музыка, синтаксис и мозг. Nat Neurosci 6 (7): 674–681

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Pfurtscheller G (2006) Модель активации коры (CAM).Prog Brain Res 159: 19–27

    PubMed Статья Google Scholar

  • Рассел Дж. (1980) Окружная модель аффекта. J Pers Soc Psychol 39 (6): 1161–1178

    Статья Google Scholar

  • Салимпур В.Н., Беновой М., Лонго Дж., Куперсток Дж. Р., Заторре Р. Дж. (2009). Благоприятные аспекты прослушивания музыки связаны со степенью эмоционального возбуждения. PLoS ONE 4 (10): e7487

    PubMed Статья Google Scholar

  • Sammler D, Grigutsch M, Fritz T, Koelsch S (2007) Музыка и эмоции: электрофизиологические корреляты обработки приятной и неприятной музыки.Психофизиология 44 (2): 293–304

    PubMed Статья Google Scholar

  • Сартер М., Гивенс Б., Бруно Дж. П. (2001) Когнитивная нейробиология устойчивого внимания: где сверху вниз встречается снизу вверх. Brain Res Brain Res Rev 35: 146–160

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Scherer KR (1995) Выражение эмоций в голосе и музыке. J Voice 9 (3): 235–248

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Schubert E (2004) Моделирование воспринимаемых эмоций с непрерывными музыкальными элементами.Music Percept 21: 561–585

    Статья Google Scholar

  • Steinbeis N, Koelsch S, Sloboda JA (2006) Роль нарушений гармонического ожидания в музыкальных эмоциях: данные субъективных, физиологических и нервных реакций. J Cogn Neurosci 18: 1380–1393

    PubMed Статья Google Scholar

  • Suetsugi M, Mizuki Y, Ushijima I., Kobayashi T., Tsuchiya K, Aoki T (2000) Появление лобной средней тета-активности у пациентов с генерализованным тревожным расстройством.Нейропсихобиология 41: 108–112

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Tsang CD, Trainor LJ, Santesso DL, Tasker SL, Schmidt L, Aalto S (2001) Фронтальные ЭЭГ-ответы как функция аффективных музыкальных особенностей. Ann N Y Acad Sci 930: 439–442

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Цуно Н., Шигета М., Хёки К., Фабер П.Л., Леманн Д. (2004) Колебания местоположений источников активности ЭЭГ во время перехода от бодрствования ко сну при болезни Альцгеймера и сосудистой деменции.Нейропсихобиология 50 (3): 267–272

    PubMed Статья CAS Google Scholar

  • Ву Д., Ли Ц., Инь И, Чжоу Ц., Яо Д. (2010). Музыкальная композиция из сигнала мозга: музыкальное представление психического состояния. Comput Intell Neurosci. DOI: 10.1155 / 2010/267671

  • Заре М., Эбрахими А.А., Бирашк Б. (2010) Влияние музыкальной терапии на снижение ажитации у пациентов с болезнью Альцгеймера, исследование до и после операции.Int J Geriatr Psychiatry 25 (12): 1309–1310

    PubMed Статья Google Scholar

  • Zendel BR, Alain C (2009) У музыкантов улучшено одновременное разделение звука. J Cogn Neurosci 21 (8): 1488–1498

    PubMed Статья Google Scholar

  • Центнер М., Гранджин Д., Шерер К.Р. (2008) Эмоции, вызываемые звуком музыки: характеристика, классификация и измерение.Emotion 8 (4): 494–521

    PubMed Статья Google Scholar

  • Zhang J, Zhou R, Oei T (2011) Влияние валентности и возбуждения на асимметрию эмоций в полушарии: данные из потенциалов, связанных с событием. J Psychophysiol 25: 95–103

    Статья CAS Google Scholar

  • Высоко настраиваемый дофаминергический осциллятор генерирует ультрадианные ритмы поведенческого возбуждения

    В совокупности наши результаты предоставляют убедительные доказательства того, что дофаминергический ультрадиановый осциллятор (DUO), управляющий ритмами поведенческого возбуждения, постоянно действует в мозге млекопитающих.Мы предполагаем, что в нормальных условиях этот DUO циклически гармонирует с циркадным кардиостимулятором SCN и чтобы ритмическая информация как SCN, так и DUO была интегрирована в общий нижележащий участок для создания суточного паттерна локомоторной активности (рис. 9A). Однако повышение тона DA может привести к удлинению периода DUO, что приводит либо к автономному запуску DUO (например, рис. 7D, G), либо к восстановлению синхронности генератора, хотя и на другой гармонике (рис. 9B, например, 48 часов). DUO выглядит как легко настраиваемый осциллятор, способный принимать длительность периода от нескольких часов до нескольких дней.Это резко контрастирует с циркадным таймером, который не может принимать периоды, которые отличаются от 24 часов более чем на несколько часов, когда его пределы вовлечения проверяются экспериментально (Aschoff and Pohl, 1978).

    Предложенная модель интеграции выходного сигнала циркадного и ультрадианного осцилляторов для управления ежедневным двигательным поведением.

    ( A ) Входящий свет захватывает циркадные (SCN) и (косвенно) ультрадианные (DUO) осцилляторы, создавая стабильное фазовое соотношение.Их ритмические выходы после интеграции в общий нижестоящий эффектор создают суточный паттерн локомоторной активности. ( B ) В условиях высокого тонуса DA (например, удаление DAT или обработка Meth) период DUO удлиняется, что приводит к второму, отдельному ритму активности. Этот ритм либо произвольный (см. Рис. 7D, G), либо синхронизируется по фазе с кардиостимулятором SCN, принимая субгармонический, то есть 48-часовой период, как это часто наблюдается при лечении метанатом. Типичные выходные графики показывают среднюю активность отдельных мышей, рассчитанную из 8 дней амбулаторной активности ( A ) или 14 дней активности бегового колеса при обработке Meth ( B ).

    https://doi.org/10.7554/eLife.05105.011

    Учитывая, что DA, как известно, стимулирует двигательную активность (Zhou and Palmiter, 1995), наше наблюдение циклического повышения внеклеточного стриатального DA, которое синхронно с ритмами ультрадианной активности, утверждает, что DA действует как выход DUO. Наше открытие, что манипуляции, влияющие на уровни внеклеточного DA, изменяют период осциллятора и что тон внеклеточного DA демонстрирует удивительно высокую корреляцию с длиной цикла активности, убедительно свидетельствует о том, что DA является детерминантом периода и, следовательно, должен быть неотъемлемым компонентом самого колебательного механизма.Поскольку все манипуляции, изменяющие период, напрямую влияют на физиологию DA нейронов, это предполагает, что либо (i) DA-нейроны являются местом генерации ультрадианных ритмов, либо (ii) они являются ключевыми винтиками в колебательном механизме. Эксперименты по хемогенетической активации показывают, что релевантная популяция DA нейронов расположена в среднем мозге, поскольку избирательная активация DA нейронов в этой области оказывает эффект удлинения периода на активность ультрадиана. Будущие эксперименты будут направлены на определение точной популяции DA, необходимой для процесса генерации ультрадианного ритма, и того, как поддерживается ритмическая синхронность между нейронами, если DUO действительно состоит из популяции клеточных осцилляторов.

    Наши данные показывают, что циркадный и ультрадианный локомоторные ритмы обычно гармонизированы (например, рис. 9A), что позволяет предположить, что циркадный кардиостимулятор и DUO взаимодействуют. Следует отметить, что внеклеточный DA, как сообщается, колеблется в течение суток в полосатом теле грызунов (Hood et al., 2010), что было отменено у Slc6a3 — / — мышей (Gallardo et al., 2014). В этих исследованиях были представлены только усредненные по группе профили DA, и DA был измерен исключительно у циркадных интактных мышей и крыс, поэтому можно предположить, что любой ультрадианный компонент (в WT) или инфрадианный компонент (в Slc6a3 — / — ) избежал обнаружения.Критически важно наблюдение, что уровни DA в среднем следовали дневному графику с пиком в ночное время, вместе с наблюдением, что ультрадианный локомоторный период у самок хомяков длиннее в темноте по сравнению с дневной фазой света (Prendergast et al. 2012), согласуется с циклом LD и / или циркадным кардиостимулятором, влияющим на ритмику DUO путем изменения (внеклеточного) DA. Однако следует отметить, что содержание дофамина в экстрактах всего головного мозга крыс с интактными циркадными ритмами, содержащихся ниже LD, показало сильные ультрадианные вариации без очевидных доказательств суточного ритмического компонента (Scheving et al., 1968). Кроме того, микродиализ не выявил разницы между днем ​​и ночью во внеклеточных уровнях DA в полосатом теле NAcc при измерении в DD (Chung et al., 2014). В этом же исследовании сообщалось о повышенных уровнях DA и гиперактивности у мышей, лишенных часового гена Rev-erbα , предполагая, что циркадные часы, возможно, присущие самим DA нейронам, играют роль в регуляции DA. Действительно, нокдаун основного компонента циркадных часов Clock в нейронах DA мышей VTA увеличивает частоту электрического возбуждения в нейронах VTA и усиливает локомоторный ответ на новые объекты (Mukherjee et al., 2010). Интересно, что мы не наблюдали каких-либо систематических различий в ультрадианном локомоторном периоде между SCNx и Bmal1 — / — мышей в условиях постоянной темноты, независимо от статуса DAT (рисунки 1, 2), что позволяет предположить, что циркадные часы вне SCN не играют никакой роли в генерации ультрадианного локомоторного ритма, опосредованного DUO.

    Наши данные также свидетельствуют о том, что постулируемый MASCO (Tataroglu et al., 2006) представляет собой долгосрочное проявление DUO в результате действия метамфетамина на переносчик дофамина, блокируя обратный захват дофамина, тем самым увеличивая уровни внеклеточного DA.Интересно, что дофаминовая система также вовлечена в другую поведенческую временную систему: пищевой осциллятор (FEO). Этот независимый циркадный осциллятор (Pitts et al., 2003; Pendergast et al., 2009; Storch and Weitz, 2009) управляет опережающей локомоторной активностью (FAA), которая возникает, когда доступ к пище ограничен несколькими часами каждый день (Mistlberger, 2011). Антагонисты рецепторов D1 (DRD1) и D2 (DRD2) аддитивно ослабляют FAA (Liu et al., 2012), в то время как фармакологическая активация DRD2, но не DRD1, изменяет фазу FAA (Smit et al., 2013). Совсем недавно с использованием мышей с нокаутом было обнаружено, что DRD1, но не DRD2, необходим для соответствующей экспрессии FAA, и что избирательного восстановления передачи сигналов дофамина в дорсальном полосатом теле было достаточно для восстановления FAA у мышей с дефицитом дофамина (Gallardo et al., 2014 ). Учитывая связи с дофаминергической системой, будет интересно исследовать, играет ли DUO роль во временном регулировании FAA.

    В то время как эти данные свидетельствуют о том, что пищевые сигналы задействуют дофаминовую систему для изменения повседневных моделей двигательной активности, ясно, что передача сигналов дофамина также влияет на потребление пищи, поскольку мыши, лишенные дофамина, летаргичны и не активно потребляют пищу (Zhou and Palmiter, 1995).Принимая во внимание, что DUO является универсальным драйвером ультрадианных поведенческих ритмов у млекопитающих, открытие того, что ультрадианные приступы бега колеса и активности кормления коэкспрессируются у обыкновенной полевки (van der Veen et al., 2006), предполагает, что дофамин может синхронно стимулируют поиск пищи и общую активность, что согласуется с мнением о том, что дофамин действует как общий стимулятор мотивированного возбуждения.

    Slc6a3 — / — мыши были предложены в качестве модели шизофрении (Gainetdinov et al., 2001), а гипотеза шизофрении DA утверждает, что повышение DA является причиной поведенческих симптомов этого психического состояния. Интересно, что циркабидиальные (48 часов) или свободные ритмы в двигательной активности, напоминающие поведенческие паттерны, которые мы обнаружили у Slc6a3 — / — или мышей, получавших Meth (рисунки 4F, 7C, F, 9B), были обнаружены. наблюдается у субъектов с шизофренией (Wirz-Justice et al., 2001; Wulff et al., 2012), предполагая, что дисрегуляция DUO лежит в основе аберраций покоя-активности, связанных с шизофренией.Кроме того, записи актиграфии у больных шизофренией также показали, что лечение Hal снижает циркадную / суточную локомоторную амплитуду и приводит к появлению приступов ультрадианной активности (Wirz-Justice et al., 1997, 2009), эффекты, которые мы также наблюдали у Slc6a3 — / — мышей в ответ на Hal. Кратковременное удлинение периода DUO может в равной степени объяснять нарушения паттерна покоя-активности, наблюдаемые во время маниакальных эпизодов при биполярном расстройстве, которые также были связаны с измененным тонусом DA (Berk et al., 2007). Сообщалось, что у биполярных субъектов наблюдается быстрое 48-часовое переключение между манией и депрессией (Gann et al., 1993; Wilk and Hegerl, 2010), от одного до нескольких 48-часовых циклов сна-бодрствования при переходе от депрессии к мании (Wehr et al., 1982), или длительный «свободный» ритм бодрствования (Wehr et al., 1998). Таким образом, шизофреники и биполярные субъекты, по-видимому, демонстрируют аберрации цикла покой-активности, поразительно похожие на те, которые наблюдались у Slc6a3 — / — или мышей, получавших Meth, что позволяет предположить, что нарушение регуляции DUO является общим индикатором этих психопатологий и, возможно, даже частая причина болезни.

    Переход к циклам сна-бодрствования с периодом намного более 24 часов также наблюдался у субъектов, которые изучались во временной изоляции (Aschoff, 1965). Поскольку другие физиологические параметры, такие как секреция мочи и внутренняя температура тела, демонстрировали фазовые циркадные колебания с периодом, намного более близким к 24 часам, субъекты считались внутренне десинхронизированными. Примечательно, что пораженные субъекты склонны демонстрировать высокие баллы невротизма (Wever, 1979). Следовательно, можно предположить, что наблюдаемая внутренняя десинхронизация также является следствием нарушения регуляции DUO.

    Beta Rhythm — обзор

    2.1 Записи у пациентов с БП

    Нейрофизиологические исследования бета-ритма при болезни Паркинсона все еще выявляют патологическую и функциональную роль этой ритмической активности в отношении конкретных симптомов. Было показано, что бета-активность напрямую коррелирует с моторными симптомами паркинсонизма, что измеряется клинически с помощью единой шкалы оценки болезни Паркинсона, часть III; UPDRS-III (Neumann et al., 2016a). Более того, подавление бета-активности с помощью дофаминергических препаратов (Kühn et al., 2006, 2009) и DBS (Kühn et al., 2008; Oswal et al., 2016), как было показано, коррелируют со степенью облегчения симптомов посредством соответствующего терапевтического вмешательства. Важно отметить, что эти корреляции зависят от наличия гипокинетических / ригидных симптомов, поскольку бета-активность не отражает тяжесть тремора (Neumann and Kühn, 2017), что само по себе может подавлять бета-колебания (Hirschmann et al., 2016). Точно так же известно, что произвольное движение подавляет бета-активность в базальных ганглиях. Тем не менее, даже во время движения можно было продемонстрировать, что более высокие амплитуды бета-активности отражают одновременное присутствие брадикинетических двигательных признаков (Steiner et al., 2017). Бета-активность, связанная с брадикинезией, демонстрирует обратную зависимость от более высокочастотной активности в диапазоне гамма-частот (60–80 Гц), которая, как было показано, напрямую коррелирует со скоростью движения и параллельна ее снижению в дофаминергическом состоянии ВЫКЛЮЧЕНО (Lofredi et al., 2018).

    Недавние исследования, посвященные временной динамике патологических колебаний при БП, демонстрируют, что бета-активность проявляется короткими всплесками длительностью 100–1000 мс (Tinkhauser et al., 2017б). Эти анализы предполагают, что продолжительность всплеска, а не амплитуда отражает гипокинетическое состояние (Tinkhauser et al., 2018), и обнаружили, что продолжительность бета-всплеска выше при БП по сравнению с пациентами с дистонией (Lofredi et al., 2019a), а также присутствует во время двигательной активности. казнь (Lofredi et al., 2019b).

    На другом краю шкалы времени бета-активность также была охарактеризована с точки зрения ее продолжительности, так как все исследования, упомянутые выше, регистрировали LFP только на стадии острой имплантации DBS без длительного наблюдения.Здесь технические достижения в разработке имплантируемых генераторов импульсов для терапевтических DBS теперь позволили регистрировать бета-активность в долгосрочной перспективе, и первые исследования продемонстрировали, что повышенная бета-активность может быть надежно обнаружена даже через несколько месяцев после имплантации (Neumann et al. ., 2016b, 2017b; Quinn et al., 2015; Trager et al., 2016).

    В заключение, клинические и экспериментальные исследования на основе инвазивных нейронных записей у пациентов с БП установили характеристики активности ритмических базальных ганглиев, связанные с брадикинезией, которые могут быть использованы для улучшения нейромодулирующей терапии за счет технических инноваций в методологии DBS (Kühn and Volkmann, 2017).

    Бета-волна — обзор

    2.1 Записи у пациентов с БП

    Нейрофизиологические исследования бета-ритма при болезни Паркинсона все еще выявляют патологическую и функциональную роль этой ритмической активности в отношении конкретных симптомов. Было показано, что бета-активность напрямую коррелирует с моторными симптомами паркинсонизма, что измеряется клинически с помощью единой шкалы оценки болезни Паркинсона, часть III; UPDRS-III (Neumann et al., 2016a). Более того, подавление бета-активности с помощью дофаминергических препаратов (Kühn et al., 2006, 2009) и DBS (Kühn et al., 2008; Oswal et al., 2016), как было показано, коррелируют со степенью облегчения симптомов посредством соответствующего терапевтического вмешательства. Важно отметить, что эти корреляции зависят от наличия гипокинетических / ригидных симптомов, поскольку бета-активность не отражает тяжесть тремора (Neumann and Kühn, 2017), что само по себе может подавлять бета-колебания (Hirschmann et al., 2016). Точно так же известно, что произвольное движение подавляет бета-активность в базальных ганглиях. Тем не менее, даже во время движения можно было продемонстрировать, что более высокие амплитуды бета-активности отражают одновременное присутствие брадикинетических двигательных признаков (Steiner et al., 2017). Бета-активность, связанная с брадикинезией, демонстрирует обратную зависимость от более высокочастотной активности в диапазоне гамма-частот (60–80 Гц), которая, как было показано, напрямую коррелирует со скоростью движения и параллельна ее снижению в дофаминергическом состоянии ВЫКЛЮЧЕНО (Lofredi et al., 2018).

    Недавние исследования, посвященные временной динамике патологических колебаний при БП, демонстрируют, что бета-активность проявляется короткими всплесками длительностью 100–1000 мс (Tinkhauser et al., 2017б). Эти анализы предполагают, что продолжительность всплеска, а не амплитуда отражает гипокинетическое состояние (Tinkhauser et al., 2018), и обнаружили, что продолжительность бета-всплеска выше при БП по сравнению с пациентами с дистонией (Lofredi et al., 2019a), а также присутствует во время двигательной активности. казнь (Lofredi et al., 2019b).

    На другом краю шкалы времени бета-активность также была охарактеризована с точки зрения ее продолжительности, так как все исследования, упомянутые выше, регистрировали LFP только на стадии острой имплантации DBS без длительного наблюдения.Здесь технические достижения в разработке имплантируемых генераторов импульсов для терапевтических DBS теперь позволили регистрировать бета-активность в долгосрочной перспективе, и первые исследования продемонстрировали, что повышенная бета-активность может быть надежно обнаружена даже через несколько месяцев после имплантации (Neumann et al. ., 2016b, 2017b; Quinn et al., 2015; Trager et al., 2016).

    В заключение, клинические и экспериментальные исследования на основе инвазивных нейронных записей у пациентов с БП установили характеристики активности ритмических базальных ганглиев, связанные с брадикинезией, которые могут быть использованы для улучшения нейромодулирующей терапии за счет технических инноваций в методологии DBS (Kühn and Volkmann, 2017).