Автореферат (Системная организация работы мозга при обеспечении целенаправленного поведения)

На правах рукописиКИРЕЕВМаксим ВладимировичСИСТЕМНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ МОЗГА ПРИ ОБЕСПЕЧЕНИИЦЕЛЕНАПРАВЛЕННОГО ПОВЕДЕНИЯ03.03.01 – физиологияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степенидоктора биологических наукСанкт-Петербург – 20172Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждениинауки Институт мозга человека им. Н.П. Бехтеревой Российской академии наук.Официальныеоппоненты:Шеповальников Александр Николаевич,доктор медицинских наук, профессор, заслуженный деятельнауки РФ, главный научный сотрудник лабораториинейрофизиологии ребенка ФГБУН Институт эволюционнойфизиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАНАлександров Юрий Иосифович,доктор психологических наук, профессор,заведующий лабораторией психофизиологии имениВ.Б.

Швыркова ФГБУН Институт психологии РАНИваницкий Георгий Алексеевич,доктор биологических наук, ведущий научный сотрудникФГБУН Институт высшей нервной деятельности инейрофизиологии РАНВедущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждениенауки Институт физиологии им. И.П. Павлова Российской академии наук,г. Санкт-Петербург.Защита состоится «25» мая 2017 года в 16:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.232.10 по защите докторских и кандидатскихдиссертаций на базе ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет», по адресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб.7/9, аудитория № 90.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им.

М.Горького ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный университет» поадресу: 199034, г. Санкт-Петербург, Университетская наб. 7/9 и на сайте СанктПетербургского государственного университета по адресу:https://disser.spbu.ru/files/disser2/disser/7RVTfqx4wg.pdfАвтореферат разослан «____» __________2017 г.Ученый секретарь диссертационного советадоктор биологических наук, профессорАлексеев Н.П.3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. Настоящая работа посвящена изучениюорганизации функциональных взаимодействий структур мозга человека, которыевовлекаются в обеспечение целенаправленной деятельности.

В данной работе подфункциональным взаимодействием понимается факт влияния активности однойструктуры мозга, регистрируемой с помощью функциональной МРТ, на активность вдругой. Основной целью исследования является изучение характера реорганизациифункциональных отношений между структурами мозга, обеспечивающими текущуюдеятельность разной степени сложности.Благодаря широкому распространению технологий томографическойнейровизиуализации накоплен большой объем экспериментальных данных офункциональной специализации отдельных структур мозга человека относительновидов высшей нервной деятельности.

Сейчас, для любой произвольно выбраннойобласти мозга установлены виды деятельности, а также мозговые механизмы иоперации, в обеспечение которых такая область мозга может вовлекаться. Уже давноперестали быть редкостью т.н. мета-аналитические работы, в которых в качествеэкспериментального материала используются и обрабатываются большие объемы ужеопубликованных результатов (см., например, Eickhoff, et al., 2012). Несмотря навесомый вклад таких работ в изучение физиологии мозга, обратной стороной этогоявилась неизбежная множественность экспериментальных данных и, как следствие, ихпротиворечивость. Не в последнюю очередь, из-за неопределенности в том, какойименно нейрофизиологический процесс отражается в регистрируемом с помощьюфункциональных томографических методов сигнале (см., например, Logothetis, 2008).В том числе и поэтому, на основании анализа множества таких работ можно прийти квыводу, что одни и те же структуры мозга, а также их группы, участвуют в обеспечениимножества видов высшей психической деятельности.

Сложившаяся ситуациязатрудняет дальнейшее развитие представлений о том, как именно работает мозг. Ведьфизиологическая сущность наблюдаемых локальных изменений активности мозгаостается, в общем, малопонятной. Таким образом, доступные современные методынейровизуализации позволяют обнаруживать структуры мозга, вовлекаемые вобеспечение исследуемой деятельности, но этого недостаточно для понимания ихработы. Во многом это связано с тем, что до сих пор малоизвестно, как именноорганизованы взаимодействия между структурами мозга и каковы основныехарактеристики их перестроек при изменении исследуемой деятельности или условийее реализации. Поэтому решение этой проблемы связано с целенаправленнымизучением организации сочетанной работы функционально связанных структур мозга,которые вовлекаются в обеспечение исследуемой деятельности.Несмотря на то, что методы по изучению функциональных взаимодействийструктур мозга с использованием данных, в основном получаемых методомфункциональной МРТ, принципиально позволяют исследовать организацию работы4мозговых систем в масштабе всего мозга (Friston, et al., 1997, Friston, 2010), такиеисследования имеют узконаправленный характер, и их пока что слишком мало длявыявления общих закономерностей.

Кроме того, руководящей логикой такихисследований является принцип активационных исследований, когда повышениерегистрируемой активности рассматривается как отражение относительно большегововлечения выявленной структуры мозга в обеспечение исследуемого механизма илиоперации. Аналогичным образом организованы экспериментальные исследованияфункциональных взаимоотношений, в которых проверка гипотез о вовлеченииисследуемых операций и механизмов построена на той же логике. В рамках такого«активационно-ресурсного» подхода подразумевается, что факт относительнобольшего вовлечения изучаемого механизма доказывается демонстрацией усиленияфункциональных взаимодействий между вовлекаемыми структурами мозга.

На этомосновании можно ожидать, что, например, усложнение деятельности на фонеотносительного увеличения локальной активности будет сопровождаться усилениемвзаимодействий со структурами, связанными с обеспечением когнитивного контроля иуправлением поведения (как правило, со структурами префронтальной коры). Однако,такой подход не учитывает сложившихся представлений о свойствах организациимозговых систем, которые были выявлены при изучении активности мозга на уровнеотдельных нейронных популяций. Так, в ходе целенаправленных исследованийсистемной организации мозга человека Н.П. Бехтеревой и ее сотрудниками быливыявлены ключевые принципы работы нейрональных систем.

В ходе исследований поизучению активности нейронов с помощью долгосрочных имплантируемыхэлектродов при специализированной методической ориентации именно на вскрытиесистемной организации мозга было показано, что нейрональные системы состоят изкорко-подкорковых звеньев разной степени жесткости (Бехтерева, 1966, Бехтерева,1974). При этом подчеркивалось, что характеристика того, насколько часто даннаяструктура мозга выступает в качестве участника группы взаимодействующих звеньев,отражает его жесткость или гибкость относительно данной нейрональной системы (т.е.относительно частое или редкое вовлечение соответственно). Показано, что жесткостьзвена может проявляться и как привязанность к определенной функции, и как участиеконкретной области мозга в широком спектре исследуемых видов деятельности.

Былоустановлено, что нейроны ведут себя индивидуально и принципиальнополифункциональны (т.е. не закреплены за какой-то одной функцией или видомповедения). Дальнейшие исследования раскрыли важные свойства динамическойорганизации мозговых систем, которые подтвердили концепцию Н.П. Бехтеревой окорково-подкорковых нейрональных системах, состоящих из звеньев различнойжесткости (Медведев, 1987, Медведев, Пахомов, 1989).

Было показано, чтофункциональная роль звена системы может меняться не только при переходе от однойдеятельности к другой, но и при повторном выполнении одной и той же деятельности(Пахомов, 1983, Гоголицин, и др., 1987). При этом, обеспечивающая решение5поведенческой задачи мозговая система в разные моменты времени могла быть разнойи по своему звеньевому составу, и по характеру связей между этими звеньями(Медведев, Пахомов, 1989). Данный принцип был справедлив не только длясложноорганизованных, но и для относительно стереотипизированных видовдеятельности.

Выявленные свойства динамической организации нейрональных системмозга указывают на принципиальную несводимость внешне одинакового результатадеятельности к работе какой-то одной системы. Это соответствует принципу«повторение без повторения», сформулированному в работах Н.А. Бернштейна, всоответствии с которым внешне одинаковые движения в терминах биомеханики ихнервно-мышечного обеспечения никогда не повторяются (Бернштейн, 1990).Сформулированные принципы не противоречили и представлениям теориифункциональных систем мозга П.К.

Анохина (Анохин, 1975).Работы этого направления доказали перспективность изучения взаимосвязей вактивности дистантно расположенных областей мозга (Медведев, Пахомов, 1989).Полученные данные указывали на недостаточность изучения только локальныхперестроек активности в звеньях мозговых систем, вовлекаемых в обеспечениеисследуемой деятельности, поскольку совпадение формы локальных реакций не всегдаозначало их функциональную связь. И наоборот, функциональные взаимодействиямогли фиксироваться между дистантно расположенными популяциями нейронов безрегистрируемых в них локальных реакций.

А продемонстрированная, даже в условияхотносительно монотонной деятельности, динамичность их образований легла в основуконцепции об обеспечении деятельности «распределенной в пространстве ипринципиально динамичной во времени системой» (Медведев, 1987), которая отражаетфундаментальное свойство работы мозга.В описанных выше исследованиях, явившихся важными этапами на путираскрытия принципов функционирования мозга, в основном исследовались популяциинейронов только тех структур мозга, долгосрочная имплантация электродов в которыестрого соответствовала клиническим задачам (Бехтерева, 1988, Медведев, Пахомов,1989, Пахомов, 1983, Гоголицин, и др., 1987). Во-первых, по сравнению с объемомвсего мозга их количество было чрезвычайно мало, т.е. изучался лишь фрагментработающей системы. Во-вторых, до сих пор оставался невыясненным вопрос о том,можно ли указанные закономерности динамической организации системнойактивности нейронных популяций (микрозвеньев) применять в качестве принципарассмотрения организации нейрональных систем в масштабе мозга, т.е.

когда вкачестве звеньев такой системы выступают отдельные структуры мозга. Однако,целенаправленных исследований этого вопроса не проводилось. Хотя это являетсявысокоактуальной проблемой, поскольку функциональная диагностика с применениемсовременных методов медицинской томографической нейровизуализации выявляетименно локальные интегральные энергетические и биохимическое показателисостояния мозга. С учетом вышесказанного очевидно, что ограничиваясь только6анализом изменений локальных процессов вовлекаемых структур мозга, сложнополноценно определить влияние отклонений в их функционировании на организациюсистемной работы мозга при его заболеваниях.