Избранные труды. Том 1

Борис Георгиевич Режабек

В этом томе представлены основные работы Б. Г. Режабека в области биофизики, биологической кибернетики и рассмотрены прикладные вопросы, связанные с основными подходами к увеличению продолжительности активной жизни.

ЗАХВАТЫВАНИЕ РИТМА ПРИ РАЗДРАЖЕНИИ

НЕЙРОРЕЦЕПТОРНОЙ КЛЕТКИ РЕЧНОГО РАКА

БИОФИЗИКА Том XVIII, вып. 21973

А. Б. Коган, Б. Г. Режабек, О. С. Васильева

Ростовский государственный университет

При локальном раздражении синусоидальным током через микроэлектрод быстро адаптирующегося и медленно адаптирующегося нейронов обнаружено захватывание частот с отношением 1: 1 в области 2—4 и 19 — 23 гц, а также с отношением 2:1 в области 5—7 и 24 — 27 гц. Увеличение амплитуды стимула приводит к расширению полос захвата. Обсуждается связь наблюдаемых эффектов с проблемой самоорганизации нейронных сетей.

Проблема самоорганизации нейронных структур требует выяснения двух основных вопросов:

1) какие свойства элементов систем существенны для самоорганизации, 2) какими должны быть законы взаимодействия элементов, позволяющие реализовать самоорганизацию.

То, что элементы самоорганизующихся систем должны обладать определенной спецификой, неоднократно подчеркивали как математики [1—3], так и биологи [4—8]. Поведение элементов биосистем в свою очередь определяется спецификой физико-химического состояния живого вещества, находящегося в состоянии «устойчивого неравновесия» [6], которое, с современной точки зрения, можно интерпретировать, как результат взаимодействия многоуровневых внутри — клеточных нелинейных осцилляторов как кинетической, так и молекулярно-структурной природы.

По-видимому, механизм взаимодействия нелинейных осцилляторов является одним из механизмов самоорганизации [9, 10].

В особенности существенным этот механизм может считаться при рассмотрении внутриклеточной самоорганизации как механизма синхронизации пространственно разобщенных процессов в клетке и взаимодействия нейронов, каждый из которых непрерывно подвергается воздействию ритмических импульсных потоков.

Хотя этот вопрос несомненно важен, в современных моделях нейронов, к сожалению, не представлены ни способность нейрона к целесообразному приспособлению, ни возможность наличия эндогенных ритмов, свойст — венных данному нейрону и позволяющих ему избирательно реагировать на входной импульсный поток. Наличие таких ритмов обсуждалось в ряде физиологических работ в связи спроблемой «пейсмекеров» [11].

В настоящей работе представлены эксперименталь — ные данные, свидетельствующие о наличии таких ритмов в изолированной нейрорецепторной клетке речного рака.

Методика

Потенциалы действия (ПД) отводились внеклеточно от нервного ствола с помощью серебряного электрода диаметром 0,3 мм. Импульсы усиливались УБП1—02 и регистрировались с помощью шлейфного осциллографа Н-102.

Раздражение производилось стеклянными микроэлек — тродами, заполненными 3М раствором КСl. Диаметр кончика измерялся под микроскопом МБР-1 и составлял 2—5мк, сопротивление 1—5 Мом.

Микроэлектрод подводили с помощью микроманипулятора ММ-1 к избранной точке нейрона под контролем микроскопа МБР-1 (рис.1). В качестве источника раздражающего тока использовался генератор Г3—47.

Результаты экспериментов

— Реакция быстроадаптирующегося нейрона.

Реакция быстроадаптирующегося (БА) нейрона на механичеcкое (адекватное) раздражение достаточно подробно изучена многими авторами [12, 13].

При электрическом раздражении наиболее эффективным является положение микроэлектрода в области аксонного холмика (АХ), при этом возбуждение происходит, когда на микроэлектроде отрицательное напря — жение. Порог раздражения в этом случае минимален. Располагая микроэлектрод вблизи сомы или удаляясь от АХ по волокну, можно наблюдать изменение порога и даже инверсию знака раздражающего потенциала.

При условии одинаковой реакции на толчок постоянного тока, которой можно добиться, расположив микроэлектрод при подготовке к опыту соответствующим образом, реакции различных препаратов на ритмическое раздражение совпадают с точностью до 10%.

Такое раздражение не вызывает импульсной активности нейрона, пока f_c <1,5 гц.

Рис.2

На рис. 2 показано изменение частоты БА-нейрона (f_H) при изменении частоты стимула (f_c); амплитуда раздражения 11 в. Микроэлектрод расположен вблизи АХ.

При достижении этой частоты наблюдается резкий переход к режиму, при котором нейрон работает с частотой, совпадающей с f_c (рис. 3,а). Диапазон захватывания частоты (ЗЧ) зависит от амплитуды стимула.

В данном опыте ЗЧ скачком прекращается при fc = 7 гц. При изменении f_с от 7 до 8 гц наблюдается ЗЧ с делением в отношении 2:1, при частотах, незначительно превышающих 8 гц, нейрон реагирует на каждый третий или четвертый стимул и затем реакция вообще исчезает вплоть до частоты 13 гц (рис. 3,б). От 13 до 14 гц реакция является вероятностной, т. е. однозначного соответствия между f_с и f_H установить не удается и при повторных стимуляциях реакция в этом диапазоне оказывается каждый раз иной. С 14 гц начинается ЗЧ вплоть до 27 гц. В диапазоне от 27 до 30 гц наблюдается переходной режим реакции, при котором можно обнаружить отклик нейрона, соответствующий либо каждому периоду стимула, либо с выпадением одного периода. С 30 до 42 гц наблюдается ЗЧ с делением частоты 2:1, и, наконец, при более высоких частотах реакция вновь становится вероятностной.

При дальнейшем увеличении частоты стимуляции вплоть до 20 000 гц импульсная реакция нейрона отсутствует. На рис. 3, в представлен ход процесса от 15 до 60 гц. Если изменять амплитуду стимула, общий ход реакции закономерно изменяется.

Результаты можно объединить с помощью рис.4. Линия а представляет собой геометрическое место точек, соответствующих началу первой полосы ЗЧ с отношением частот f_c: fa равным 1:1. Линия б соответ ствует переходу в вероятностный режим, в — началу первой полосы ЗЧ с отношением частот 2:1, г — ее окончанию и д — исчезновению импульсной реакции. Линия е соответствует началу новой полосы ЗЧ.

Реакция становится детерминированной (отношение частот 1:1), начиная с линии ж, и остается таковой вплоть до линии з. Между з и и реакция недетерминированна, между и и к захватывание происходит с делением частоты 2:1. В области между к и л реакция опять становится вероятностной, и, наконец, линия л соответствует оконча — тельному исчезновению импульсной реакции нейрона вплоть до f_с= 20 000 гц. Таким образом, можно наб — людать три четко выраженных полосы ЗЧ (а-б, ж — з, и — к) и одну (в — г) менее выраженную.

Рис.4 Пояснения в тексте

Эти эффекты мы наблюдали на 30 препаратах. На одном и том же препарате измерения можно проводить многократно (10 и более раз) без заметных изменений в результатах. Для различных препаратов соответствующие частоты несколько отличаются вследствие небольших различий в положении микроэлектрода, а также в зависимости от физиологического состояния препарата.

Наиболее стабильна область второго ЗЧ с отноше — нием частот 1:1 (ж-з), в то время как предыдущие области захватывания на некоторых препаратах отсутствовали. Иногда отсутствовала и область и-к (рис.3, г).Если кончик микроэлектрода расположить вдали от АХ, общий ход кривой f_н = φ (f_с) изменяется.

В области низких частот в этих опытах до того, как начинается захватывание 1:1, можно наблюдать пачечную активность. Число импульсов в пачке с увеличением f_c уменьшается, и пачка вырождается в одиночные импульсы, затем происходит деление частоты в 2, 3,… п раз и где-то на 10—15 гц импульсная активность исчезает. Приведенные результаты относятся к опытам, в которых частота стимула линейно нарастала со временем.

В следующей серии опытов исследовалась реакция БА-нейрона на включение стимула фиксированной частоты (f_c).

Рис. 5. Длительность реакции БА-нейрона при включении стимулов различной частоты

Если f_c находится за пределами зон ЗЧ, то БА-нейрон некоторое время τ, зависящее от f_cи амплитуды стимула, работает с частотой f_н= f_c, затем адаптируется и прекращает импульсную активность (рис. 5).

При f_c, принадлежащей области ЗЧ τ = ∞ в этих условиях нейрон не проявляет адаптации.

Зависимости τ от f_c для одного из препаратов (два первых диапазона не показаны) представлены на рис. 6.

Рис.6.Зависимость времени реакции от частоты и амплитуды стимула: 1—амплитуда 20 В; 2 — амплитуда 10 В; 3 — амплитуда 8 В

От препарата к препарату эффект варьирует незначительно.

— Реакция медленно адаптирующегося нейрона.

Реакция МА-нейрона качественно во многом сходна с реакцией БА. Основное отличие связано с тем, что МА-нейрон при отсутствии раздражения может генерировать импульсы с собственной фоновой частотой (2—30 гц), определяемой степенью приложенного растяжения.

При включении ритмического раздражения, начиная от 0,1гц, частота нейрона модулируется изменениями стимула (рис.7,а), затем появляются пачки импульсов (рис.7,б и в), дальнейшее увеличение f_с вызывает ЗЧ с отношением 1:1 (рис.7, г).

Ширина этого диапазона ЗЧ и значения его граничных частот зависят как от фоновой частоты работы нейрона f_ф, так и от амплитуды стимула. С увеличением f_ф диапазон захватывания расширяется. Зависимость этого диапазона от амплитуды стимула при f_ф = 9 гц представлена на рис. 8.

На рис. 9 представлены результаты опыта при f_ф = 2 гц и амплитуде стимула 8В. Микроэлектрод расположен вблизи АХ.

Первая область ЗЧ с отношением 1:1 наблюдается при f_с =1,5—3,5 гц. Затем следует область захватывания 2:1 и довольно широкая полоса вероятностной реакции.

Интересно отметить, что в области 11гц <f_с <16гц импульсная активность МА не возвращается к фоновой частоте (2гц), а отсутствует, что указывает на тормозящее влияние стимула в этом диапазоне. Дальнейшее увеличение f_cвыявляет, как и в случае БА, вторую полосу ЗЧ с отношением 1:1, ширина которой также зависит от амплитуды стимула и не зависит от f_ф.

Вхождение в эту область предваряется участком вероятностной реакции, которая может быть обнаружена и при переходе от режима 1:1 к 2:1 и затем после последнего (на рис.9. в интервалах 23—24 и 26—32 гц соответственно). При частотах выше 32 гц не удается обнаружить воздействие стимула данной амплитуды на импульсную активность МА, нейрон возвращается к исходной фоновой активности.

В пяти опытах на МА-ней роне наблюдалась третья область ЗЧ с отношением 2:1 на частотах 40—50 гц.

При большой f_ф и определенной амплитуде стимула обе области ЗЧ с отношением 1:1 сливаются (рис. 7, г и д).

При удалении от АХ наблюдается то же изменение эффекта, что и на БА, только при f_с> 10—15 гц частота нейрона не равна нулю, а соответствует степени растяжения.

Обсуждение

Полученные результаты дают конкретный материал, подтверждающий представление о наличии в нейроне эндогенных ритмических процессов, связанных с механизмами, управляющими порогом нейрона и генерацией импульсов. То, что в данном случае ЗЧ наблюдается при раздражении изолированного нейрона, представляет решающее преимущество в сравнении с опытами такого же типа на центральных нейронах. Относительно физико-химической природы интрацел — люлярных осцилляторов мы можем высказываться лишь спекулятивно. Представляется, например, привлекате — льной мысль о связи наблюдаемых нами полос захватывания с осцилляциями мембранных структур, регулирующими критический уровень деполяризации нейрона. Можно допустить, что эти структуры, в свою очередь, связаны с внутриклеточными структурами, определяющими белковый синтез, как это делает Хиден [13].

Для кибернетического рассмотрения наибольший интерес имеет представление о том, что отдельный нейрон может обладать набором резонансных ритмов, позволяющих избирательно реагировать на входной поток импульсов. Полученные данные свидетельствуют в пользу такого предположения.

Способность нейрона избирательно реагировать на различные входные частоты необходимо учитывать при разработке моделей нейронов и нейронных сетей. Наличие собственных частот у нейронов может привести к появлению в сетях из таких элементов существенно новых свойств, в частности самопроизвольного распада такой сети на функциональные ансамбли, самоподстройку нейронной сети к наиболее эффективному режиму функционирования, самовосстановлению функциональных свойств при выходе из строя отдельных элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бир Ст., Кибернетика и управление производством, «Мир», М., 1966.

2. Цитлин М. Л. Исследования по теории автоматов и моделированию биологических систем, «Наука» М.,1969.

3. Гельфанд И. М., Цетлин М. П., В сб.: Модели структурно-функциональной организации некоторых биологических систем, с. 9,«Наука», М., 1966.

5. Васильев Ю. М., Гельфанд И. М. и др., «Природа», №6, 13 и №7, 24, 1969.

6. Бернштейн Н. А., Проблемы кибернетики, вып. 6, 101, 1961.

7. Бауэр Э. С., Теоретическая биология, ВИЭМ, М. — Л., 1935.

8. Коган А. Б., ДАН СССР, 154,1231, 1964.

9. Режабек Б. Г., Материалы III Всесоюзной научной конференции по нейрокибернетике, Ростов-на-Дону, 1967.

10. Блехман И. И., Синхронизация динамических систем, М.,«Наука»1971.

11. Экклс Дж.,Физиология нервных клеток, ИЛ, М., 1969.

12.Ильинский О. Б., «Механорецепторы. Вопросы физиологии сенсорных систем», «Наука», Л., 1967.

13. Нуden H., Proc. Fourth Inter. Congr. Biochemistry, 3, 64, L., Pergamon Press, 1959.

Поступила в редакцию 8.VI.1972