Сенсорные системы, 2021, T. 35, № 2, стр. 144-152

ВВЕДЕНИЕ

Слуховая кора демонстрирует пластические изменения на протяжении всей жизни (Eggermont, 2008), которые, с одной стороны, улучшают различение одних звуков, а с другой – уменьшают чувствительность к другим. Эти пластические изменения лежат в основе научения и памяти, обеспечивают адаптивность поведения. Долговременная потенциация (англ. Long-term potentiation, LTP) – усиление синаптической передачи между двумя нейронами, сохраняющееся на протяжении длительного времени после воздействия на синаптический проводящий путь. Механизм долговременной потенциации лежит в основе пластичности на клеточном и молекулярном уровне и играет ключевую роль в зависящей от опыта пластичности коры головного мозга (Takeuchi et al., 2013).

В основе LTP лежит усиление синаптических связей между нейронами под воздействием повторяющихся паттернов их активности. Было установлено, что ключевой вклад в возникновение эффекта LTP вносит активация постсинаптических NMDA-рецепторов (Collingridge, Bliss, 1987) и повышение плотности AMPA-рецепторов на поверхности постсинаптической мембраны, что увеличивает их экспрессию (Lu et al., 2001). К основным свойствам LTP относят специфичность (усиление связей стимулируемой группы синапсов не наблюдается среди остальных синапсов той же клетки); ассоциативность (выраженная активация одной группы синапсов может облегчить возникновение эффекта LTP другой группы синапсов той же клетки); и долгосрочность эффекта LTP наряду с быстротой его возникновения (эффект наступает в течение нескольких секунд и может сохраняться на протяжении часов, дней или месяцев) (Abraham, Williams, 2003; Malenka, Nicoll, 1999).

В классических парадигмах с привлечением животных LTP индуцируется извне посредством тетанизации – высокочастотной электрической стимуляции (Frey, Morris, 1997; Moser et al., 1998; Cooke, Bliss, 2006). Было показано, что часто повторяющаяся сенсорная стимуляция (LTP-подобная стимуляция) также вызывает эффекты, схожие с долговременной потенциацией (Clapp, Eckert et al., 2006; Cooke, Bear, 2012). Так, повторяющееся (с частотой 9 Гц) предъявление зрительных стимулов (решеток) крысам позволило выявить увеличение амплитуды инвазивно регистрируемых вызванных потенциалов в зрительной коре в сравнении с условием низкочастотного предъявления (Clapp, Eckert et al., 2006). При введении антагониста NMDA-рецепторов происходила блокировка потенциации, в то время как амплитуды вызванных потенциалов в условиях контроля не изменялись. Последний аспект указывает на то, что и зрительная долговременная потенциация, и стандартная процедура электрической тетанизации базируются на общих клеточных механизмах, регулируются ионотропными рецепторами глутамата. Таким образом, предположили, что часто повторяющаяся сенсорная стимуляция может использоваться для неинвазивных исследований долговременной потенциации in vivo у людей и сопоставления соответствующих поведенческих и электрофизиологических параметров.

Исследования LTP подобных эффектов, вызванных часто повторяющейся стимуляцией у людей, в основном проводились в зрительной модальности. Было показано, что такая стимуляция способствует билатеральному повышению амплитуды компонента N1b (Teyler et al., 2005; McNair et al., 2006; Ross et al., 2008), специфичному к свойствам стимула и сопровождающемуся такими поведенческими изменениями, как снижение порогов обнаружения и времени реакции (Beste et al., 2011; Clapp et al., 2012). Также зрительное LTP-подобное обучение сопровождается долгосрочной десинхронизацией альфа-ритма в затылочных областях (Clapp, Muthukumaraswamy et al., 2006), что может служить свидетельством повышения активации коры в результате осцилляторного распространения сигнала от нейронных ансамблей, вовлеченных в восприятие визуальных стимулов. Помимо компонента N1b, такая зрительная стимуляция может отражаться на раннем зрительном компоненте C1 (Çavuş et al., 2012).

Лишь несколько исследований нейрофизиологических эффектов LTP-подобной стимуляции было проведено для слуховой модальности (Clapp et al., 2005; Lei et al., 2017; Kompus, Westerhausen, 2018; Zaehle et al., 2007; Mears, Spencer, 2012). В данных исследованиях использовалась слуховая стимуляция с частотой предъявления 13 Гц, так как было предположено, что такая частота, соответствующая диапазону бета-ритма (13–30 Гц), может быть оптимальной для LTP-подобного обучения в слуховом домене с учетом потенциального вклада бета-осцилляций в процессы обработки звуковой информации и сенсомоторной интеграции (Rauschecker, Scott, 2009; Todorovic et al., 2015). Однако степень, в которой частота индукции (13 Гц) является критической для LTP-подобного обучения, еще не была проверена (Kirk et al., 2010).

Исследования с повторяющимся предъявлением одного типа звукового стимула показали увеличение амплитуды компонента N1 после воздействия стимуляции (Clapp et al., 2005; Lei et al., 2017). В исследовании (Lei et al., 2017) такая же парадигма использовалась для изучения влияния характеристик стимулов на данный эффект. Среди стимулов, включающих чистые тона, узкополосные шумы и белый шум, наибольшие изменения в компоненте N1 были индуцированы стимуляцией узкополосным шумом, в то время как использование белого шума приводило к наиболее стабильным по времени эффектам (Lei et al., 2017). Указанную модуляцию компонента N1 связывают с изменениями в BOLD-сигнале слуховой коры (Zaehle et al., 2007).

Иная парадигма, использованная в исследованиях LTP-подобной стимуляции, нацелена на оценку параметра негативности рассогласования (mismatch negativity, MMN) (Näätänen et al., 2007), который возникает в ответ на девиантные стимулы в череде повторяющихся стандартных и позволяет оценить эффективность пассивного обучения различению стимулов. Эта парадигма представляет особый интерес для изучения LTP-подобного обучения вследствие часто повторяющейся звуковой стимуляции в связи с предположениями о том, что долговременная потенциация связана с формированием памяти. Так, было установлено, что долговременная потенциация (LTP) и долговременная депрессия (LTD) могут активизировать или обратимо подавлять формирование условного рефлекса страха у крыс при оптогенетическом воздействии на сенсорные афференты латеральной амигдалы (Nabavi et al., 2014). Объективным индикатором успешности формирования слуховой сенсорной памяти в результате LTP-подобной стимуляции может выступать MMN. Данное предположение обуславливается тем, что повторение стандартного стимула обеспечивает формирование следа памяти в слуховой системе и именно наличие уже сформированной нейрональной репрезентации порождает MMN в ответ на девиант (Näätänen et al., 1989). Эффекты MMN могут обуславливаться не столько формированием следов памяти, сколько хабитуацией кортикальных нейронов в ответ на повторяющиеся стимулы (May, Tiitinen, 2010), что, впрочем, не противоречит предсказаниям модели долговременной потенциации.

Наконец, MMN может отражать улучшение различения стимулов на поведенческом уровне. Так, было установлено, что при увеличении различий между девиантным и стандартным тонами уменьшение латентности MMN коррелировало с уменьшением времени реакции на девиантный тон (Tiitinen et al., 1997); усложнение задачи различения приводило к увеличению латентности MMN и времени реакции (Novak et al., 1990). В другом исследовании увеличение в различиях приводило не только к уменьшению латентности MMN, но и к увеличению ее выраженности, что сопровождалось соответствующими изменениями во времени и точности реакции (Pakarinen et al., 2007).

В исследовании (Kompus, Westerhausen, 2018) в парадигме MMN (одд-болл парадигме) предъявляли стандартный стимул частотой 1000 Гц и два девианта (1025 и 975 Гц), блок MMN предъявляли до и после LTP-подобной стимуляции тоном частотой 1025 Гц. Было установлено, что после стимуляции выраженность MMN увеличивалась специфично для тона с частотой 1025 Гц, который использовался при стимуляции.

В работе (Mears, Spencer, 2012) авторы использовали другой вариант одд-болл парадигмы с целенаправленным поиском девианта и двумя стандартами (один из которых использовался в стимуляции), после стимуляции выявили длительный негативный сдвиг потенциала в интервале 60–350 мс в правых височных электродах на “стимулированный” стандарт.

Нам представляется важным проведение дополнительных исследований звуковой LTP-подобной стимуляции с использованием одд-болл парадигмы. Она позволяет оценить не только изменения волны MMN, являющейся одним из маркеров обучения различению стимулов и памяти, но и другие компоненты ВП, такие как N1, отражающий активность проекционных слуховых зон, и более поздние компоненты, связанные с активностью вышестоящих структур. Кроме того, такой подход позволит оценить влияние стимуляции на восприятие других близких тонов.

В настоящей работе мы изучали эффекты LTP-подобной звуковой стимуляции на компоненты N1 и MMN, используя парадигму, предложенную в исследовании (Kompus, Westerhausen, 2018). Кроме того, нас интересовал вопрос критичности частоты стимуляции для вызывания LTP-подобных эффектов, в связи с чем в настоящем исследовании мы использовали стимуляцию с модуляцией амплитуды с частотой 26 Гц. В настоящий момент показано, что эффекты LTP-подобной стимуляции сохраняются у людей, по крайней мере в течение часа, продолжительность сохранения эффектов точно не известна. Для того чтобы посмотреть долгосрочные эффекты стимуляции мы проводили повторное тестирование спустя 1–3 нед.

Установка систематических изменений активности мозга в результате LTP-подобной сенсорной стимуляции открывает перспективы для сопоставления выявленных эффектов с результатами, полученными при изучении долговременной потенциации на клеточном уровне, и разработки методов оценки когнитивных функций людей с нарушениями коммуникативных и иных навыков.

ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ

Участники. В исследовании приняли участие 21 испытуемый в возрасте от 18 до 35 лет без неврологических и психиатрических заболеваний, без нарушений слуха. Все испытуемые дали письменное добровольное согласие на участие в исследовании. Процедура исследования была одобрена этическим комитетом института Высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН.

Регистрация ЭЭГ. ЭЭГ регистрировалась от 32 каналов на энцефалографе “Neurotravel” (Fp1, Fp2, Fpz, F3, F4, Fz, F7, F8, FT7, FT8, T3, T4, FC3, FC4, FCz, C3, C4, Cz, T5, T6, CP3, CP4, CPz, P3, P4, Pz, PO3, PO4, POz, O1, O2, Oz). Референтами служили объединенные ушные электроды. Частота дискретизации составляла 500 Гц. Сопротивление – менее 10 кОм.

Стимулы и процедура. Во время всего исследования испытуемые сидели в затемненном помещении, слушали через наушники звуковые стимулы и смотрели беззвучный фильм, специального внимания к стимулам не привлекалось.

Стимулами служили три типа синусоидальных тонов различной частоты: 1000, 980 и 1020 Гц. Длительность каждого стимула – 50 мс, громкость – 85 Дб.

Использовали следующие экспериментальные парадигмы:

1. “Одд-болл” парадигма, 10 мин. Испытуемым через наушники предъявлялся стандартный тон с частотой 1000 Гц, вероятностью предъявления 80%, чередующийся с двумя девиантными синусоидальными тонами, вероятность предъявления каждого из которых составляла 10%, девиант 1 – 1020 Гц (“целевой”) и девиант 2 – 980 Гц (“контрольный”), межстимульный интервал составлял 400 мс. Всего предъявлялось по 150 девиантных стимулов каждого типа и 1200 стандартных.

2. LTP-подобная звуковая стимуляция – звуковая стимуляция в течение трех минут чистым тоном 1020 Гц, предъявляемого с синусоидальной модуляцией амплитуды с частотой 26 Гц (рис. 1).

Рис. 1.

Схематичное изображение LTP-подобной звуковой стимуляции тоном 1020 Гц с синусоидальной модуляцией амплитуды с частотой 26 Гц. На рисунке представлен интервал длительностью 100 мс.

3. “Одд-болл” парадигма после стимуляции (сразу после стимуляции, с теми же параметрами, что и в 1-м тесте).

4. “Отсроченное тестирование”. Долговременный эффект оценивался через 7–34 дня после первой записи, предъявлялась парадигма “Одд-болл” с теми же параметрами, как и в первый день.

Обработка ЭЭГ. Обработку ЭЭГ проводили в программном обеспечении MNE Python. ЭЭГ фильтровали в диапазоне 0.1–40 Гц, удаление артефактов проводили при помощи анализа независимых компонент ICA. Вызванные потенциалы (ВП) были усреднены отдельно для каждого типа стимулов (стандарт, девиант1, девиант2) в тесте до стимуляции, в тесте сразу после стимуляции и при отсроченном тестировании. Число вошедших в усреднение реализаций не различалось между сериями, их средние значения и стандартное отклонение представлены в табл. 1. Анализировали пиковую амплитуду компонентов N1 (70–120 мс) и среднюю амплитуду негативности рассогласования MMN (100–300 мс), полученной путем вычитания ВП на каждый из девиантов из ВП на стандартный стимул, в группе фронтально-центральных электродов F3, F4, C3, C4, FC3, FC4, Fz, Cz, FCz. Данные электроды были выбраны как оптимальные для анализа ответов на слуховую стимуляцию, которые характеризуются максимальной выраженностью во фронто-центральных отведениях. Для статистического анализа использовали дисперсионный анализ для повторных измерений (repeated measures ANOVA) отдельно для каждого компонента ВП. Анализ различий проводили для факторов “Условие” × × “Стимул” × “Электрод”. В качестве фактора “Условие” выступали серии (уровень 1 – до стимуляции, уровень 2 – после стимуляции и уровень 3 – отсроченное тестирование), а переменными “Стимул” выступали амплитуда соответствующих компонентов для стандартного и двух девиантных стимулов, а также измерения разностной волны MMN. Для уточнения эффектов использовали дисперсионный анализ для фактора “Условие” (1 – до стимуляции, 2 – после стимуляции и 3 – отсроченное тестирование) отдельно для каждого типа стимулов. Оценку долговременных эффектов проводили между условием 1 до стимуляции и условием 3 (отсроченное тестирование).

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 2–4 изображены усредненные по группе вызванные потенциалы (ВП) для каждого типа стимулов в различных условиях. Полученные вызванные потенциалы характеризуются типичной структурой слухового ВП с выраженными компонентами P1, N1, P2 и N2. Средние значения амплитуды и стандартные отклонения компонентов N1 и MMN представлены в табл. 2.

Рис. 2.

Усредненный по группе (n = 21) вызванный потенциал (ВП) на контрольный девиант частотой 980 Гц в отведении FCz до и после LTP-подобной стимуляции.

1 – до стимуляции; 2 – после стимуляции; 3 – при отсроченном тестировании.

Рис. 3.

Усредненный по группе (n = 21) вызванный потенциал (ВП) на целевой девиант частотой 1020 Гц в отведении FCz до и после LTP-подобной стимуляции.

1 – до стимуляции; 2 – после стимуляции; 3 – при отсроченном тестировании.

По группе электродов F3, F4, C3, C4, FC3, FC4, Fz, Cz, FCz для компонента N1 был значим эффект “Условие” F (2; 42) = 6.44, p ≤ 0.0036 и эффект “Стимул” F(2; 42) = 3.49, p ≤ 0.039. Для того чтобы понять, с какими параметрами связаны эти эффекты, провели сравнение для каждого стимула отдельно между условиями 1 и 2 (до стимуляции – после стимуляции), а также условиями 1 и 3 (до стимуляции – отсроченное тестирование). Изменений амплитуды компонента N1 на тон 1020 Гц до и после стимуляции не было (p > 0.5) (рис. 3), тогда как на контрольный девиант 2 (980 Гц ) (“Условие” F(1; 21) = 7.7677, p ≤ 0.01)) и стандарт (1000 Гц) (“Условие” F(1; 21) = 8.4094, p ≤ 0.0086) этот компонент после стимуляции стал меньше (позитивнее) (рис. 2 и 4). Отсроченный эффект наблюдался для девианта 1 (1020 Гц), амплитуда компонента N1 стала негативнее при отсроченном тестировании, по сравнению с первым контрольным тестированием (“Условие 1–3” F(1; 21) = 8.3930, p ≤ 0.0086) (рис. 3). Для девианта 2 и стандарта долгосрочных изменений компонента N1 не выявлено.

Рис. 4.

Усредненный по группе (n = 21) вызванный потенциал (ВП) на стандартный стимул частотой 1000 Гц в отведении FCz до и после LTP-подобной стимуляции.

1 – до стимуляции; 2 – после стимуляции; 3 – при отсроченном тестировании.

Значимых различий для MMN между условиями выявлено не было (“Условие” и взаимодействие “Условия” × “Стимул”, p > 0.5).

ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящем исследовании основной эффект, связанный с LTP-подобной стимуляцией, был выявлен для компонента N1: он стал менее негативным на “контрольный” девиантный стимул частотой 980 Гц и стандартный стимул частотой 1000 Гц, тогда как в ответ на “целевой” девиант частотой 1020 Гц (звук с этой частотой использовался во время стимуляции) амплитуда компонента N1 осталась неизменной. Помимо этого, впервые показан долгосрочный эффект стимуляции – проявляющееся спустя продолжительное время после нее (от одной до четырех недель) увеличение компонента N1 на девиант стимулируемой частоты.

Полученные нами результаты отличаются от выявленных в предыдущих работах эффектов. В исследовании с предъявлением одного типа стимулов (Clapp et al., 2005) эффект слуховой LTP-подобной стимуляции заключался в увеличении амплитуды компонента N1, что, по мнению авторов, было связано с пластическими изменениями первичной и вторичной слуховой коры. В работе (Kompus, Westernhausen, 2018) авторы использовали подобную нашей одд-болл парадигму, где было выявлено увеличение MMN на девиант “стимулируемой” частоты после LTP-подобной стимуляции, тогда как на звуки тех частот, которые не использовались в стимуляции, MMN не изменилась. Этот эффект исследователи связали с изменением нисходящей репрезентации “стимулированного” тона, что позволяет “нисходящей обработке” легче обнаружить такой девиант, чем “нестимулированный” девиантный тон. В нашей работе изменений MMN не выявлено, что может быть связано с некоторыми методическими различиями в наших экспериментальных сериях.

Одним из объяснений различий амплитуды N1 между часто предъявляемым стандартным стимулом и редкими девиантами является эффект “специфичной к стимулу нейронной адаптации” (Stimulus-specific adaptation (SSA)). Этот эффект заключается в снижении ответов избирательных нейронов в слуховой коре при повторяющемся предъявлении стимулов и в уменьшении амплитуды компонента N1. Редкие девиантные звуки активируют нейроны, которые менее “адаптированы”, чем нейроны, которые стимулируются частыми стандартными звуками, и, таким образом, вызывают большую реакцию (Nelken 2014). Таким образом, одно, несколько спекулятивное, объяснение выявленному нами снижению выраженности N1 на “нестимулируемые” тоны, является адаптация к ним, возникающая вследствие продолжительного тестирования, и нивелирование этого процесса адаптации к “простимулированному” тону с сохранением ответов на него на прежнем уровне посредством LTP-подобной стимуляции. Это предположение плохо объясняет снижение амплитуды N1 на второй девиант нестимулированной частоты, так как адаптация к редкому стимулу маловероятна.

Выявленные нами эффекты, наблюдаемые сразу после стимуляции, возможно, связаны с механизмом латерального торможения – ключевого свойства нейрональной сети. Слуховая кора имеет тонотопическую структуру (Pantev et al., 1995). Когда она получает афферентный вход от нижних уровней слуховой системы, возбуждающие нейроны с такими же характеристическими частотами активируются. Было высказано мнение, что латеральное торможение происходит при участии ингибирующих интернейронов в слуховой коре. В дополнение к возбуждающим путям эти тормозящие интернейроны, как предполагается, ингибируют латеральные нейроны, кодирующие звуки более высокой и более низкой частоты (Suga 1995). Например, в исследовании с использованием магнитоэнцефалографии (МЭГ) было обнаружено снижение компонента N1m, возникающего вследствие такого латерального торможения (Stein et al., 2013). Показано, что, когда слуховая система обрабатывает белый шум, в котором определенный частотный диапазон был удален режекторным фильтром, нейроны, кодирующие частоты в частотном диапазоне использованного фильтра, не активируются и не вызывают торможения соседних нейронов. Нейроны, кодирующие краевые частоты вокруг области с режекторной фильтрацией, становятся более возбужденными и распространяют усиленное торможение на соседние нейроны, особенно те, которые кодируют частоты режекторной фильтрации. Следовательно, обработка следующего тона с частотой, соответствующей центру режекторного фильтра, снижается, что демонстрируется значительным снижением слуховой вызванной реакции N1m (Pantev et al., 2004; Stein et al., 2013).

В соответствии с вышеприведенными данными, LTP-звуковая стимуляция с определенными характеристиками интенсивности и частоты, вероятно, может вызывать латеральное торможение “соседних” частот, что в настоящем исследовании проявилось в уменьшении компонента N1 на стимулы отличающейся от стимуляции частоты.

В нашей работе впервые показано, что увеличение компонента N1 на “стимулируемый” стимул может наблюдаться спустя довольно продолжительное время после стимуляции (до двух-трех недель), тогда как выявленный эффект подавления амплитуды N1 “соседних” стимулов пропадает. В работе (Clapp et al., 2005) эффект увеличения компонента N1 сохранялся в течение часа после стимуляции, а повторного тестирования в последующие дни не проводилось. В работах на животных было показано, что эффекты LTP могут сохраняться несколько дней и даже месяцев (Abraham, 2003). Можно предположить, что при стимуляции с частотой 26 Гц происходит “наложение” LTP-подобного научения и механизмов “латерального торможения”. При этом действие “латерального торможения” краткосрочно, проявляется только непосредственно после воздействия, а эффекты LTP более долгосрочны, могут сохраняться в течение нескольких недель.

Вероятно, что пластичность слуховой коры, возникающая вследствие высокочастотного воздействия, зависит от многих факторов – условий стимуляции (продолжительности, частоты) и используемой в исследовании парадигмы. Наше исследование показало, что частота LTP-подобной звуковой стимуляции, вероятно, влияет на вызываемый эффект. В дальнейшем мы планируем проверить эту гипотезу, сопоставив эффекты стимуляции различной частоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящее исследование с использованием одд-болл парадигмы показало, что в результате LTP-подобной звуковой стимуляции, осуществляемой тоном 1020 Гц с модуляцией амплитуды с частотой 26 Гц, происходит уменьшение амплитуды компонента N1 на стандартный и на один из девиантных стимулов, не использовавшихся в процессе стимуляции, при этом компонент N1 на “тон “стимулированной” частоты не изменился. Мы предположили, что этот эффект может быть связан с латеральным торможением нейронов, кодирующих тона близких частот. Выявленный эффект достаточно кратковременный и не регистрируется при повторном тестировании, проходившем через 1–4 нед после LTP-стимуляции. Однако как раз во время повторного исследования амплитуда компонента N1 для “стимулированного” звукового тона оказалась увеличенной, что может свидетельствовать об отсроченном эффекте “потенциации” стимула. Полученные результаты проливают свет на долговременные и кратковременные эффекты звуковой стимуляции на обработку звукового сигнала.