Кіріспе

Нейрондық осцилляторлық үлгілер. Тета толқындары тета ырғағын тудырады, бұл мидағы нейрондық осцилляция, ол көптеген жануарларда таным мен мінез-құлықтың әртүрлі аспектілеріне, соның ішінде оқу, есте сақтау және кеңістіктік бағдарлауға негізделген. Оны түрлі электрофизиологиялық әдістермен тіркеуге болады, мысалы, электроэнцефалограмма (ЭЭГ), мидың ішінен немесе бас терісіне бекітілген электродтардан жазылған. Тета ырғағының кем дегенде екі түрі сипатталған. Гиппокамп тета ырғағы – гиппокампта және мидың басқа құрылымдарында кеміргіштер, қояндар, иттер, мысықтар және сумкалы жануарлар сияқты сүтқоректілердің көптеген түрлерінде байқалатын күшті осцилляция. "Қабықшалық тета ырғақтары" – бас терісінің ЭЭГ-нің төмен жиілікті компоненттері, көбінесе адамдардан тіркеледі. Тета ырғақтарын сандық электроэнцефалография (qEEG) арқылы, EEGLAB немесе Нейрофизиологиялық биомаркерлер құралдар жинағы (NBT) сияқты тегін қолжетімді құралдарды пайдалану арқылы мөлшерлеуге болады. Тышқандарда тета толқынының ырғақтылығы гиппокампта оңай байқалады, бірақ көптеген басқа қабықшалық және қабықшалық ми құрылымдарында да анықталуы мүмкін. Гиппокамптың тета толқындары 6–10 Гц жиілік диапазонында, тышқан жүру немесе иіскеу сияқты белсенді моторлық мінез-құлықпен айналысқанда, сондай-ақ REM ұйқысы кезінде пайда болады. Тета толқындары 6–7 Гц жиілік диапазонында, тышқан қозғалмай тұрғанда, бірақ сергек болғанда кейде байқалады. Тышқан тамақтанғанда, күтім жасағанда немесе ұйықтағанда гиппокамп ЭЭГ көбінесе үлкен ретсіз белсенділік немесе ЛИА деп аталатын ырғақты емес үлгіні көрсетеді. Гиппокамп тета ырғағы медиалды септалдық аймақтан шығатын проекцияларға тәуелді, ол өз кезегінде гипоталамустан және бірнеше ми сабағынан кіріс алады. Гиппокамптың тета ырғағы басқа түрлерде тышқандардағыдан кейбір жағынан өзгеше. Мысықтар мен қояндарда жиілік диапазоны төмен (шамамен 4–6 Гц), және тета тышқандардағыдай қозғалыспен тығыз байланысты емес. Шашқанаттарда тета эхолокациямен байланысты қысқа импульстарда пайда болады. Адамдарда гиппокамп тета ырғағы байқалады және ол есте сақтау мен бағдарлаумен байланысты. Тышқандар сияқты, адамдар да REM ұйқысы кезінде гиппокамптың тета толқыны белсенділігін көрсетеді. Адамдар REM ұйқысы кезінде негізінен қабықшалық тета толқыны белсенділігін де көрсетеді. Ұйқышылдықтың күшеюі альфа толқынының күшінің төмендеуімен және тета толқынының күшінің жоғарылауымен байланысты. Гиппокамп тета ырғағының функциясы толыққанды түсініксіз. Грин мен Ардуини бұл құбылыстың алғашқы зерттеуінде гиппокамп тетасы көбінесе неокортекстегі синхронды емес ЭЭГ-мен бірге болатынын атап өтті және оның оянумен байланысты екенін ұсынды. Вандервольф және оның әріптестері тета мен моторлық мінез-құлық арасындағы тығыз байланысты атап өтіп, оның сенсомоторлық өңдеумен байланысты екенін дәлелдеді. Джон О'Киф басқаратын тағы бір мектеп тета жануарлардың ортадағы орналасуын қадағалау механизмінің бөлігі деп санайды. Тағы бір теория тета ырғағын оқу және есте сақтау механизмдерімен байланыстырады (Hasselmo, 2005). Бұл теорияда тета толқындары кодтау және еске түсіру механизмдері арасындағы ауыстырғыш ретінде әрекет етуі мүмкін екендігі айтылады, ал кеміргіштер мен адамдардағы тәжірибелік деректер бұл идеяны қолдайды. Адамдардағы басқа зерттеулер тета тербелістері гиппокамптағы жоғары жиілікті гамма белсенділігімен өзара әрекеттескен кезде есте сақтау функциясын (кодтау немесе еске түсіру) анықтайтынын көрсетті. Бұл зерттеулер тета тербелістері басқа тербелістік ырғақтармен өзара әрекеттесу арқылы естеліктерді қалыптастыру мен қалпына келтіруді қолдайды деген пікірді қолдайды. Бұл әртүрлі теориялар біріктірілді, өйткені атыс үлгілері бағдарлауды да, есте сақтауды да қолдауы мүмкін екені көрсетілді. Адамдардағы ЭЭГ зерттеулерінде тета термині олардың көздеріне қарамастан 4–7 Гц диапазонындағы жиілік компоненттеріне қатысты. Жасы кішкентай балаларда қабықшалық тета жиі байқалады. Үлкен балалар мен ересектерде бұл ойлану, ұйқы, гипноз немесе ұйқы күйлерінде пайда болады, бірақ ұйқының терең кезеңдерінде емес. Ортаңғы алдыңғы қабырғаның тетасы когнитивтік бақылаумен ерекше байланысты және осы тета сигналдарының өзгеруі көптеген психиатриялық және нейробиологиялық даму бұзылыстарында кездеседі.

Тарих

Бұрынғы бірнеше меңзеулер болғанымен, гиппокамптың ЭЭГ-індегі тұрақты баяу тербелістердің алғашқы нақты сипаттамасы Юнг пен Корнмюллердің (1938) неміс тілінде жазған мақаласынан келді. Олар осы бастапқы байқауларды дамыта алмады, және 1954 жылға дейін ғана Джон Д. Грин мен Арнальдо Ардуинидің мысықтар, қояндар және маймылдардағы гиппокамп тербелістерінің негізгі қасиеттерін картаға түсірген жан-жақты зерттеуі арқылы қосымша ақпарат пайда болды (Грин және Ардуини, 1954). Олардың жарияланымдары кең қызығушылық тудырды, өйткені олар гиппокамп белсенділігін оянумен байланыстырды, бұл сол кезде нейроғылымдағы ең талқыланатын мәселе еді. Грин мен Ардуини гиппокамп және кортикальды белсенділік үлгілері арасындағы кері байланысты сипаттады, гиппокамптың ритмикасы кортекстегі десинхронизацияланған белсенділікпен бірге жүреді, ал гиппокамп белсенділігінің бұзылуы кортикальды ЭЭГ-де үлкен баяу толқындардың пайда болуымен байланысты. Келесі он жылдық ішінде тетаның фармакологиясы мен физиологиясын зерттеуге бағытталған көптеген тәжірибелер жүргізілді. 1965 жылы Чарльз Стампф жүздеген жарияланымдарға сілтеме жасай отырып, «Гиппокамптың электрлік белсенділігіне дәрілердің әсері» тақырыбында кең шолу жазды (Стампф, 1965), ал 1964 жылы осы кезеңдегі саланың жетекшісі болған Джон Грин гиппокамп электрофизиологиясының толық және егжей-тегжейлі шолуын жазды (Грин, 1964). Маңызды үлес Венадағы зерттеушілер тобынан, соның ішінде Штумпф пен Вольфганг Петшеден келді. Олар медиалды септумның гиппокамптың электрлік белсенділігін бақылаудағы маңызды рөлін анықтады және оның осы әсерді жүзеге асыру жолдарын анықтады.

Гиппокамп

Нейрондық қабаттарының тығыздығының арқасында гиппокамп ми құрылымының кез келген бөлігінен ең жоғары ЭЭГ сигналдарын тудырады. Кейбір жағдайларда ЭЭГ 4–10 Гц жиілігіндегі реттелген толқындармен үстемдік етеді, олар көбінесе бірнеше секундқа созылады. Бұл ЭЭГ үлгісі гиппокамп тета ритмі деп аталады. Тета болмаған кезде гиппокамп ЭЭГ-де әдетте үстемдік ететін үлкен, иррегулярлы белсенділікпен (ИББ) салыстыру үшін оны Ритмді баяу белсенділік (РББ) деп те атайды. Егешқұйрықтарда (тышқандарда) гиппокамп тетасы көбінесе екі жағдайда байқалады: бірінші, жануар жүгіргенде, серуендегенде немесе қоршаған ортасымен белсенді өзара әрекеттескенде; екінші, REM ұйқысы кезінде. Жүгіру жылдамдығы артқан сайын тета толқындарының жиілігі де артады, ең төменгі шегі шамамен 6,5 Гц-тен басталып, ең жоғары жүгіру жылдамдығында шамамен 9 Гц-ке жетеді, бірақ кейде кең аралықтардан секіру сияқты қысқа, жоғары жылдамдықты қозғалыстар үшін одан да жоғары жиіліктер байқалады. Ірі түріндегі жануарларда тета жиілігі көбінесе төмен болады. Мінез-құлыққа байланыстылық түрлерге қарай өзгеретін сияқты: мысықтар мен қояндарда тета көбінесе қозғалмайтын сергектік күйде байқалады. Бұл туралы егешқұйрықтарда да хабарланған, бірақ олар қорқынышқа ұшыраған кезде ғана (Сейнсбери және басқалар, 1987). Тета тек гиппокамппен ғана шектелмейді. Егешқұйрықтарда оны мидың көптеген бөліктерінде байқауға болады, оның ішінде гиппокамппен тығыз байланыста болатын бөліктері де бар. Ритмнің пайда болуы медиалды септалдық аймаққа байланысты: бұл аймақ тета ритмділігін көрсететін барлық аймақтарға проекция жасайды, ал оның жойылған жағдайында мидың барлық бөлігінде тета жоғалады (Стюарт және Фокс, 1990).

1- және 2-түрлері

1975 жылы Крамис, Бланд және Вандервольф егешқұйрықтарда екі түрлі гиппокампальды тета-ритм бар екенін, олардың мінез-құлқы және фармакологиялық қасиеттері әртүрлі екенін ұсынды (Крамис және басқалар, 1975). Олардың сөзіне сәйкес, 1-түр ("атропинге төзімді") тета қозғалыс кезінде және басқа да "ерікті" мінез-құлық түрлерінде, сондай-ақ REM ұйқысы кезінде пайда болады, жиілігі көбінесе 8 Гц шамасында болады және антихолинергиялық препарат атропинге әсер етпейді. 2-түр ("атропинге сезімтал") тета қозғалмау кезінде және уретанмен шақырылған анестезия кезінде пайда болады, жиілігі 4–7 Гц аралығында болады және атропин енгізу арқылы жойылады. Кейінгі көптеген зерттеулер гиппокампальды тетаның екі түрге бөлінуі мүмкін деген жалпы тұжырымдаманы растады, бірақ әр түрдің нақты қасиеттері туралы пікірталас болды. 2-түр тета анестезияланбаған егешқұйрықтарда салыстырмалы түрде сирек кездеседі: ол жануар қозғалысқа дайындалып жатқанда, бірақ оны орындамаған кезде қысқа мерзімге көрінуі мүмкін, бірақ ұзақ уақыт бойы тек мысық немесе күзен сияқты жыртқыштардың жанында мұздап қалған қозғалмаушылық күйдегі жануарларда ғана тіркелді (Sainsbury және басқалар, 1987).

Әдеппен байланысы

Вандервольф (1969) гиппокамптың ЭЭГ-індегі тета толқындарының пайда болуын жануардың не істеп жатқанына қарай болжауға болады, оның не үшін істеп жатқанына емес, деп нақты дәлелдеді. Тета толқындары жүгіру, секіру, тұғырды басу немесе зерттеу мақсатында мұрынмен иіскеу сияқты белсенді қозғалыстармен сенімді байланысты; ал тамақтану немесе күтім жасау сияқты белсенді емес жағдайлар ЛИАмен байланысты. Кейінгі зерттеулер тета толқындары көбінесе қозғалыс басталғанға дейін бірнеше жүз миллисекундерге бұрын басталатынын, және ол қозғалыс нәтижесінде туындайтын кері байланыс емес, қозғалысқа ниеттенумен байланысты екенін көрсетті (Whishaw & Vanderwolf, 1973). Жануар қаншалықты жылдам жүгірсе, тета толқындарының жиілігі соншалықты жоғары болады. Егешқұйрықтардағы ең баяу қозғалыстар шамамен 6,5 Гц жиілігін, ал ең жылдамдары шамамен 9 Гц жиілігін тудырады, бірақ үлкен секірулер сияқты өте қарқынды қозғалыстар кезінде қысқа мерзімге жоғары жиілікті тербелістерді байқауға болады.

Механизмдер

Көптеген зерттеулер медиалдық септал аймағының гиппокамп тетасын қалыптастыруда орталық рөл атқаратынын көрсетті (Стьюарт және Фокс, 1990). Медиалдық септал аймағын зақымдау немесе оны дәрілермен инактивациялау 1- және 2-типті теталарды жояды. Белгілі бір жағдайларда, септалдық кіріс болмаған кезде гиппокамп немесе энторинальды жасушаларда тетаға ұқсас тербелістер туындауы мүмкін, бірақ бұл тұтас, дәрі-дәрмексіз ересек егеуқұйрықтарда байқалмайды. Критикалық септал аймаққа медиалдық септал ядро және Брока диагональды жолағының тік бөлігі кіреді. Гиппокамптың негізгі қабылдағышы болып табылатын бүйірлік септал ядро тетаны қалыптастыруда маңызды рөл атқармайды. Медиалдық септал аймақ тета модуляциясын көрсететін көптеген ми аймақтарына проекция жасайды, оның ішінде гиппокамптың барлық бөліктері, сондай-ақ энторинальды қабық, перирингалдық қабық, ретросплениалдық қабық, гипоталамустың медиалдық сүтқоректік және супрамаммилярлық ядролары, таламустың алдыңғы ядролары, миндаль безі, төменгі төмпешік және бірнеше ми сабағының ядролары (Buzsáki, 2002). Медиалдық септал аймағынан шығатын проекциялардың кейбіреуі холинергиялық, ал қалғандары ГАБАергиялық немесе глютаматергиялық. Холинергиялық рецепторлар тета толқындарын тудыру үшін жеткілікті жылдамдықпен жауап бермейді, сондықтан ГАМК-ергиялық және/немесе глютаматергиялық сигналдар орталық рөл атқарады деп жиі айтылады (Ujfalussy and Kiss, 2006). Зерттеудің маңызды мәселесі – тета ритмінің «пейсмейкерін», яғни тербелістің жиілігін анықтайтын механизмді анықтау. Жауап әлі толыққанды анықталған жоқ, бірақ 1- және 2-типті тета әртүрлі пейсмейкерлерге тәуелді болуы мүмкін деген дәлелдер бар. 2-типті тета үшін гипоталамустың супрамаммилярлық ядросы бақылауды жүзеге асырады (Kirk, 1998). 1-типті тета үшін жағдай әлі де нақты емес, бірақ ең көп қабылданған гипотеза жиіліктің медиалдық септал аймақ пен гиппокампты қамтитын кері байланыс арқылы анықталатынын көрсетеді (Wang, 2002). Гиппокамп пен энторинальды нейрондардың бірнеше түрі стимуляцияланғанда тета жиілігіндегі мембраналық потенциал тербелістерін тудыруға қабілетті. Әдетте, бұл мембраналық потенциалдағы натрийге тәуелді, кернеуге сезімтал тербелістер болып табылады, олар әрекет потенциалының кернеуіне жақын (Alonso & Llinás, 1989). Атап айтқанда, CA1 және тісті гирустың нейрондарында бұл тербелістер дендриттік қозудың тұрақты натрий тогы (INaP) арқылы және перисоматикалық тежеудің өзара әрекетінен туындайды (Buzsáki, 2002).

Генераторлар

ЭЭГ сигналдары, әдетте, қабатқа орналасқан нейрондардың дендриттеріне синхронды синаптық енгізу арқылы пайда болады. Гиппокампта өте тығыз орналасқан нейрондардың бірнеше қабаты бар – дентатты гирус және CA3/CA1/субикулярлық қабат, сондықтан ол күшті ЭЭГ сигналдарын тудыруға қабілетті. ЭЭГ теориясының негізгі қағидасы бойынша, нейрон қабаты ЭЭГ сигналын тудырғанда, сигнал әрқашан белгілі бір деңгейде фазалық инверсияға ұшырайды. Осылайша, тета толқындары генерациялық қабаттың үстінен және астынан тіркелгенде, олардың полярлігі қарама-қарсы болады. Басқа да күрделіліктер бар: гиппокамп қабаттары күшті иілімді, ал тета модуляцияланған енгізулер бірнеше жолдар арқылы әртүрлі фазалық қатынастармен келіп түседі. Бұл факторлардың барлығының нәтижесінде тета тербелістерінің фазасы мен амплитудасы гиппокамптың ішіндегі орналасуына байланысты өте күрделі түрде өзгереді. Дегенмен, ең үлкен тета толқындары, әдетте, CA1 молекулалық қабаты мен дентатты гирус молекулалық қабатын бөлетін жарыққа жақын жерден тіркеледі. Егешқұйрықтарда (тышқандарда) бұл сигналдардың амплитудасы жиі 1 милливольттан асады. Гиппокамптың үстінен тіркелген тета толқындары кішкентайрақ болады және жарықтан тіркелген сигналдарға қарағанда полярлігі инверсияланған. Ең күшті тета толқындары CA1 қабаты арқылы туындайды, ал оларды қозғаушы ең маңызды енгізу тікелей EC→CA1 жолы арқылы энторинальды қабықтан келеді. CA3→CA1 проекциясы да маңызды қозғаушы күш болып табылады, ол энторинальды енгізумен фазадан тыс келеді, бұл CA1 ішіндегі тереңдікке байланысты кезеңдік ауысуға әкеледі (Brankack, et al. 1993). Дентатты гирус та тета толқындарын тудырады, оларды CA1 толқындарынан ажырату қиын, себебі олардың амплитудасы айтарлықтай кішкентай, бірақ дентатты гирус тетасының CA1 тетасынан шамамен 90 градусқа фазадан тыс екенін көрсететін деректер бар. Септалық аймақтан гиппокамп интернейрондарына тікелей проекциялар да тета толқындарын тудыруға қатысады, бірақ олардың әсері энторинальды енгізулерге қарағанда әлдеқайда аз (бірақ энторинальды енгізулердің өзі септаммен реттеледі).

Зерттеу нәтижелері

Гиппокамптан туындайтын тета жиілік белсенділігі кейбір қысқа мерзімді есте сақтау тапсырмалары кезінде байқалады (Vertes, 2005). Зерттеулер бұл ритмдердің гиппокамптың "қосылған" күйін көрсететінін, яғни кіріс сигналдарын өңдеуге дайын екенін ұсынады (Buzsáki, 2002). Керісінше, тета тербелістері егеуқырлардың (мысықтардың) әртүрлі ерікті мінез-құлықтарымен (зорлау, кеңістіктік бағдарлау және т.б.) және ояу күйлерімен (қаздың денесіндегі дірілдеу сияқты) байланысты болған (Vanderwolf, 1969), бұл олардың сенсорлық ақпаратты моторлық шығыспен интеграциялауын көрсетеді (толық шолу үшін Bland & Oddie, 2001 қараңыз). Көптеген деректер тета ритмінің кеңістіктік оқыту мен бағдарлауға тікелей қатысы бар екенін көрсетеді (Buzsáki, 2005). Тета ритмдері оқу және есте сақтау кезінде кеміргіштердің гиппокамбында және энториналдық қабығында өте күшті болып табылады және ұзақ мерзімді потенциацияны (LTP) – оқыту мен есте сақтаудың мүмкін жасушалық механизмін тудыру үшін өте маңызды деп есептеледі. Гиппокамптағы тета толқыны бойымен фазалық алға жылжу, жақын арада немесе күтілетін оқиғаларды бейнелейтін нейрондық сигналдарды ағымдағы оқиғалармен бір тета цикл ішінде жанына орналастыруға және бірнеше тета циклдары бойы қайталауға мүмкіндік береді. Бұл механизмнің ұзақ мерзімді потенциацияны (LTP) жад тізбегінің келесі элементтерін көрсететін гиппокамп нейрондары арасындағы байланыстарды нығайтуға көмектесетіні болжанады. Дейін, тета жиілігіндегі стимуляция гиппокамптың LTP индукциясы үшін ең қолайлы екені ұсынылған. Электрофизиологиялық зерттеулердің нәтижелеріне сәйкес, гиппокамп аймағы CA1-ге келіп түсетін синапты пластикалық және сигналдардың күші жүйелі түрде тета тербелістерімен өзгереді (Hyman et al., 2003; Brankack et al., 1993), сондықтан тета ритмі ағымдағы сенсорлық стимулдарды кодтау кезеңдерін және ағымдағы стимулдармен шақырылған эпизодтық есте сақтауды бөліп, кодтау мен алу бір мезгілде болғанда туындайтын кедергілерді болдырмау үшін жұмыс істейді.

Адамдар және басқа да приматтар

Жанұялардың ЭЭГ сигналдары көбінесе миға имплантацияланған электродтар арқылы тіркеледі; тета зерттемелерінің көп бөлігі гиппокампқа имплантацияланған электродтарды қамтиды. Адамдарда инвазивті зерттеулер этикалық жағынан рұқсат етілмегендіктен, кейбір неврологиялық пациенттерден басқа, ЭЭГ зерттеулерінің көп бөлігі бас терісіне жабыстырылған электродтарды пайдалану арқылы жүргізілді. Бас терісі электродтарынан алынған сигналдар салыстырмалы түрде кішкентай және тараңқы болып келеді және олар негізінен ми қабығынан пайда болады, себебі гиппокамп өте кішкентай және тым терең орналасқан, сондықтан бас терісінде анық ЭЭГ сигналдарын тудыра алмайды. Адамның ЭЭГ-сі кейбір жағдайларда нақты тета ырғақтылығын көрсетеді, бірақ техникалық қиындықтарға байланысты, бұл сигналдардың басқа түрлерден тіркелген гиппокамп тета сигналдарымен байланысы бар-жоғын анықтау қиын болды. Егер тышқандарда тета тербелістерін көптеген жерлерге имплантацияланған электродтарды қолдану арқылы ұзақ уақыт бойы оңай байқауға болатын болса, приматтарда тетаны анықтау қиын болды, тіпті интракортикальді электродтар қолданылған кезде де. Грин мен Ардуини (1954) тета ырғақтарын зерттеуде маймылдарда қысқа және нашар тета толқындары туралы хабарлады. Басқа зерттеушілер де ұқсас нәтижелерді келтірді, бірақ Стюарт пен Фокс (1991) уретанмен анестезияланған сиырлар мен бедеу маймылдардың гиппокамбында 7-9 Гц тета ырғағын сипаттады, бұл уретанмен анестезияланған тышқандарда байқалған 2-ші типті тетаға ұқсас. Адамның гиппокамп тетасы туралы барлық қолданылатын ақпараттың көп бөлігі эпилепсиямен ауыратын пациенттерде емдеу жоспарының бір бөлігі ретінде бас сүйегінің ішіне имплантацияланған электродтарды пайдаланатын шағын зерттеулерден алынған. Осы зерттеулердің ең ірісі және ең жүйелісінде Кантеро және авторлар (2003) 4-7 Гц жиілік диапазонындағы тербелістерді гиппокамптан және неокортекстен тіркеуге болатынын анықтады. Гиппокамптың тербелістері REM ұйқысымен және ұйқыдан оянуға өтумен байланысты болды және олар қысқа импульстар түрінде келді, әдетте бір секундтан кем. Кортикальді тета тербелістері ұйқыдан ояну кезінде және тыныш ояулық кезінде байқалды; алайда, авторлар гиппокамп пен кортикальді тета толқындары арасында ешқандай корреляцияны таба алмады және екі процесс тәуелсіз механизмдермен басқарылады деген қорытындыға келді. Зерттеулер гипноздың күшті тета жиіліктік белсенділігімен, сондай-ақ гамма жиіліктік белсенділіктің өзгеруімен байланысты екенін көрсетті (Jensen және авторлар, 2015). Сондай-ақ, «ойсыз» медитация кезінде адамдарда тета толқындарының жоғарылауы байқалды.