Ulyanovsk Medico-biological Journal

NORMAL AND PATHOLOGICAL PHYSIOLOGY

Download article

THE NEUROPLASTICITY OF RABBIT’S SOMATOSENSORY CORTEX DURING PAVLOVIAN AVERSIVE LEARNING AND OPERANT CONDITIONING OF SINGLE AND MULTIUNIT ACTIVITY TO NEUROFEEDBACK’S NOCICEPTIVE STIMULATION

V.V. Trubachev

 

It was found that neuronal activity of the rabbit somatosensory cortex could be operantly conditioned according to the given algorithm of biofeedback control of nociceptive stimulation leading to rising or lowering of firing rate of multiunit activity, or to changes of range of units interspike intervals, or neuronal firing patterns for conditional stimulus, which become operants. Neuronal interactions of its population with feedback and systems of cardiovascular and pain regulation lead to appearance of wave patterns, combining elements to integrative activity by conditioning. Low-frequency oscillations of neuronal assemblies within range of 0,02–0,5 Hz act as operant processor in mechanisms of system plasticity and conditioning.

Keywords: neuroplasticity, neuron’s operant, slow 0,02–0,5 Hz neuronal oscillations, multiunit activity, somatosensory cortex, nociceptive neuron’s feedback.

 

References

  1. Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М. : Медицина, 1968. 547 с.

  2. Асанума Хи. Моторная кора : монография / пер. Р. А. Григорьян. СПб. : ФГУП СМЭП МВД РФ, 2007. 137 с.

  3. Балабан П. М., Коршунова Т. А. Cетевые, клеточные и молекулярные механизмы пластичности в простых нервных системах // Успехи физиол. наук. 2011. Т. 42, № 4. С. 3–19.

  4. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Воспроизведение частотных параметров безусловных ответов в условнорефлекторных реакциях нейронов соматосенсорной коры // Журн. высш. нервн. деят. 1972. Т. 22, № 5. С. 801–809.

  5. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Выработка устойчивых изменений частоты разрядов корковых нейронных популяций // Физиол. журн. СССР. 1972. Т. 58. №5. С. 639–646.

  6. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Эндогенная ритмика нейронных популяций и адаптивное регулирование // Физиол. журн. СССР. 1973. Т. 59, № 12. С. 1852–1859.

  7. Василевский Н. Н., Трубачев В. В. Системный анализ адаптивной саморегуляции функций организма: экспериментальные и теоретические основания, перспективы // Адаптивная саморегуляция функций. М. : Медицина, 1977. С. 11–49.

  8. Василевский Н. Н., Трубачев В. В., Суворов Н. Б. Изменения импульсной активности корковых нейронов при избирательном подкреплении выбранного диапазона их межимпульс-ных интервалов // Нейрофизиология. 1972. Т. 4. С. 339–348.

  9. Гондарева Л. Н. Прогнозирование и коррекция состояния человека по биоритмологическим характеристикам физиологических процессов при различных видах деятельности : автореф. дис. … д-ра биол. наук. СПб., 1996. 37 с.

  10. Кандель Э. В поисках памяти: Возникновение новой науки о человеческой психике. М. : Астрель : Corpus, 2012. 736 с.

  11. Павлов И. П. Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных. М. : Наука, 1973. 661 с.

  12. Симонов П. В. Лекции о работе головного мозга. М. : Ин-т психологии РАН, 1998. 95 с.

  13. Соколов Е. Н. Восприятие и условный рефлекс: новый взгляд. М. : УМК «Психология» ; Московский психолого-социальный институт, 2003. 287 с.

  14. Сороко С. И., Трубачев В. В. Нейрофизиологические и психофизиологические основы адаптивного биоуправления. СПб. : Политехника-сервис, 2010. 607 с.

  15. Судаков К. В. Условный рефлекс в системной организации поведенческих актов // Физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1993. Т. 79, № 5. С. 23–35.

  16. Трубачев В. В. Медленные нейронные осцилляции как оперантный процессинг механизмов интеграции, обучения, пластичности // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2012. Т. 98, № 1. С. 155–171.

  17. Ухтомский А. А. Доминанта. СПб. : Питер, 2002. 448 с.

  18. Balaban P. M. Cellular mechanisms of behavioral plasticity in terrestrial snail // Neurosci. behav. Rev. 2002. Vol. 26, № 5. P. 597–630.

  19. Buonomano D. V., Merzenich M. M. Cortical plasticity: from synapses to maps // Annu. Rev. Neurosci. 1998. Vol. 21. P. 149–186.

  20. Clark R. The classical origins of Pavlov's conditioning // Integrat. Physiol. Behav. Sci. 2004. Vol. 39, № 4. P. 279–294.

  21. Deadwyler S. A., Hampson R. E. The Significance of Neural Ensemble Codes During Behavior and Cognition // Annu. Rev. Neurosci. 1997. Vol. 20. P. 217–244.

  22. Fetz E. E. Operant control of single unit activity and correlated motor responses // Operant Control of Brain Activity. Los Angeles, California : UCLA Press, 1974. P. 61–90.

  23. Fetz E. E. Volitional control of neural activity: implications for brain–computer interfaces // J. Physiol. 2007. Vol. 579 (3). P. 571–579.

  24. Francis J. T., Song W. Neuroplasticity of the Sensorimotor Cortex during Learning // Neural Plasticity. 2011. Vol. 20. P. 11.

  25. Freeman W. J. Role of chaotic dynamics in neural plasticity // Prog. Brain Res. 1994. Vol. 102. P. 319–333.

  26. Gabriel M., Wheeler W., Thompson R. F. Multiple-unit activity of the rabbit cerebral cortex in single-session avoidance conditioning // Physiologi-cal Psychology. 1973. Vol. 1. P. 45–55.

  27. Gray C. M. Synchronous oscillations in neuronal systems: Mechanisms and functions // J. Comput Neurosci. 1994. Vol. 1 (1–2). P. 11–38.

  28. Heart rate variability is encoded in the spontaneous discharge of thalamic somatosensory neurons in cat / M. Massimini [et al.] // J. Physiol. 2000. Vol. 526, № 5. P. 387–396.

  29. Kimble G. A. Foundations of conditioning and learning. NY : Appleton Century Crofts, 1967. 696 p.

  30. Kolb B., Whishaw I. Q. Brain Plasticity and Behavior // Annu. Rev. Psychol. 1998. Vol. 49. P. 43–64.

  31. Lambertz M., Langhorst P. Simultaneous changes of rhythmic organization in brainstem neurons, respiration, cardiovascular system and EEG between 0,05 Hz and 0,5 Hz // J. Autonomic Nervous System. 1998. Vol. 68. P. 58–77.

  32. Lebedev M. A., Nicolelis M. Brain-machine interfaces: past, present and future // TRENDS in Neurosciences. 2006. Vol. 29, № 9. P. 536–546.

  33. Lennartz R. C., Weinberger N. M. Analysis of response systems in Pavlovian conditioning reveals rapidly versus slowly acquired conditioned responses support for two factors, implications for behavior and neurobiology // Psychobiology. 1992. Vol. 20 (2). P. 93–119.

  34. Midbrain Dopaminergic Neurons and Stria-tal Cholinergic Interneurons Encode the Difference between Reward and Aversive Events at Different Epochs of Probabilistic Classical Conditioning Trials / M. Joshua [et al.] // J. Neurosci. 2008. Vol. 28, № 45. P. 11673–11684.

  35. Moritz C.T., Perlmutter S. I., Fetz E. E. Direct control of paralysed muscles by cortical neurons // Nature. 2008. Vol. 456. P. 639–642.

  36. Price D.D., Dubner R. Neurons that subserve the sensory-discriminative aspects of pain // Pain. 1977. Vol. 3. P. 307–338.

  37. Randich A., Maxiner W. The role of sinoaortic and cardiopulmonary baroreceptor reflex arcs in nociception and stress-induced analgesia // Stress-induced analgesia. NY : Acad. Sci., 1986. № 41. P. 385–401.

  38. Schroeder C., Lakatos P. Low-frequency neuronal oscillations as instruments of sensory selection // Trends in Neurosciences. 2008. Vol. 32, № 1. P. 9–18.

  39. Schultz W. Multiple Dopamine Functions at Different Time Courses // Annu. Rev. Neurosci. 2007. Vol. 30 (1). P. 259–288.

  40. Steriade M. Impact of network activities on neuronal properties in cortico-thalamic systems// J. Neurophysiol. 2001. Vol. 86. P. 1–39.

  41. Thompson R. F. The Neurobiology of Learning and Memory // Science. 1986. Vol. 233. P. 941–947.

  42. Trubachov V. V. The activity of neurons of sensomotor cortex of the rabbit with constant and partial reinforcement // J. Neuroscience and Behav. Physiology. 1991. Vol. 20, № 4. P. 339–341.

  43. Weinberger N. M. Associative representatio-nal plasticity in the auditory cortex: A synthesis of two disciplines // Learn. Mem. 2007. Vol. 14. P. 1–16.

 

 

Скачать статью

УДК 612.821

НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ СОМАТОСЕНСОРНОЙ КОРЫ КРОЛИКА В ПАВЛОВСКОМ АВЕРСИВНОМ ОБУЧЕНИИ И ОПЕРАНТНОМ ОБУСЛОВЛИВАНИИ ЕДИНИЧНОЙ И МУЛЬТИКЛЕТОЧНОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ БИОУПРАВЛЯЕМОЙ НОЦИЦЕПТИВНОЙ СТИМУЛЯЦИИ

В.В. Трубачев

Московская открытая социальная академия, Марийский филиал, г. Йошкар-Ола

 

Нейронная активность соматосенсорной коры кролика может инструментально обучаться в соответствии с алгоритмом биоуправляемой ноцицептивной стимуляции, увеличивать или снижать частоту разрядов мультиклеточной активности, изменять диапазон межспайковых интервалов, формировать паттерн нейронных разрядов на условный сигнал, которые являлись оперантами в этих опытах. Взаимодействия изменений активности нейронных популяций при биоуправляемой ноцицептивной стимуляции с синергетичной модуляцией системы сердечно-сосудистой и болевой регуляций ведут к появлению медленных 0,02–0,5 Гц волновых паттернов, объединяющих элементы в интегративную деятельность при обучении.

Ключевые слова: нейропластичность, нейронный оперант, нейробиоуправление, соматосенсорная кора, ноцицептивная обратная связь, медленные нейронные 0,02–0,5 Гц осцилляции.

 

Литература

  1. Анохин П. К. Биология и нейрофизиология условного рефлекса. М. : Медицина, 1968. 547 с.

  2. Асанума Хи. Моторная кора : монография / пер. Р. А. Григорьян. СПб. : ФГУП СМЭП МВД РФ, 2007. 137 с.

  3. Балабан П. М., Коршунова Т. А. Cетевые, клеточные и молекулярные механизмы пластичности в простых нервных системах // Успехи физиол. наук. 2011. Т. 42, № 4. С. 3–19.

  4. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Воспроизведение частотных параметров безусловных ответов в условнорефлекторных реакциях нейронов соматосенсорной коры // Журн. высш. нервн. деят. 1972. Т. 22, № 5. С. 801–809.

  5. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Выработка устойчивых изменений частоты разрядов корковых нейронных популяций // Физиол. журн. СССР. 1972. Т. 58. №5. С. 639–646.

  6. Василевский Н. Н., Суворов Н. Б., Трубачев В. В. Эндогенная ритмика нейронных популяций и адаптивное регулирование // Физиол. журн. СССР. 1973. Т. 59, № 12. С. 1852–1859.

  7. Василевский Н. Н., Трубачев В. В. Системный анализ адаптивной саморегуляции функций организма: экспериментальные и теоретические основания, перспективы // Адаптивная саморегуляция функций. М. : Медицина, 1977. С. 11–49.

  8. Василевский Н. Н., Трубачев В. В., Суворов Н. Б. Изменения импульсной активности корковых нейронов при избирательном подкреплении выбранного диапазона их межимпульс-ных интервалов // Нейрофизиология. 1972. Т. 4. С. 339–348.

  9. Гондарева Л. Н. Прогнозирование и коррекция состояния человека по биоритмологическим характеристикам физиологических процессов при различных видах деятельности : автореф. дис. … д-ра биол. наук. СПб., 1996. 37 с.

  10. Кандель Э. В поисках памяти: Возникновение новой науки о человеческой психике. М. : Астрель : Corpus, 2012. 736 с.

  11. Павлов И. П. Двадцатилетний опыт объективного изучения высшей нервной деятельности (поведения) животных. М. : Наука, 1973. 661 с.

  12. Симонов П. В. Лекции о работе головного мозга. М. : Ин-т психологии РАН, 1998. 95 с.

  13. Соколов Е. Н. Восприятие и условный рефлекс: новый взгляд. М. : УМК «Психология» ; Московский психолого-социальный институт, 2003. 287 с.

  14. Сороко С. И., Трубачев В. В. Нейрофизиологические и психофизиологические основы адаптивного биоуправления. СПб. : Политехника-сервис, 2010. 607 с.

  15. Судаков К. В. Условный рефлекс в системной организации поведенческих актов // Физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 1993. Т. 79, № 5. С. 23–35.

  16. Трубачев В. В. Медленные нейронные осцилляции как оперантный процессинг механизмов интеграции, обучения, пластичности // Рос. физиол. журн. им. И. М. Сеченова. 2012. Т. 98, № 1. С. 155–171.

  17. Ухтомский А. А. Доминанта. СПб. : Питер, 2002. 448 с.

  18. Balaban P. M. Cellular mechanisms of behavioral plasticity in terrestrial snail // Neurosci. behav. Rev. 2002. Vol. 26, № 5. P. 597–630.

  19. Buonomano D. V., Merzenich M. M. Cortical plasticity: from synapses to maps // Annu. Rev. Neurosci. 1998. Vol. 21. P. 149–186.

  20. Clark R. The classical origins of Pavlov's conditioning // Integrat. Physiol. Behav. Sci. 2004. Vol. 39, № 4. P. 279–294.

  21. Deadwyler S. A., Hampson R. E. The Significance of Neural Ensemble Codes During Behavior and Cognition // Annu. Rev. Neurosci. 1997. Vol. 20. P. 217–244.

  22. Fetz E. E. Operant control of single unit activity and correlated motor responses // Operant Control of Brain Activity. Los Angeles, California : UCLA Press, 1974. P. 61–90.

  23. Fetz E. E. Volitional control of neural activity: implications for brain–computer interfaces // J. Physiol. 2007. Vol. 579 (3). P. 571–579.

  24. Francis J. T., Song W. Neuroplasticity of the Sensorimotor Cortex during Learning // Neural Plasticity. 2011. Vol. 20. P. 11.

  25. Freeman W. J. Role of chaotic dynamics in neural plasticity // Prog. Brain Res. 1994. Vol. 102. P. 319–333.

  26. Gabriel M., Wheeler W., Thompson R. F. Multiple-unit activity of the rabbit cerebral cortex in single-session avoidance conditioning // Physiologi-cal Psychology. 1973. Vol. 1. P. 45–55.

  27. Gray C. M. Synchronous oscillations in neuronal systems: Mechanisms and functions // J. Comput Neurosci. 1994. Vol. 1 (1–2). P. 11–38.

  28. Heart rate variability is encoded in the spontaneous discharge of thalamic somatosensory neurons in cat / M. Massimini [et al.] // J. Physiol. 2000. Vol. 526, № 5. P. 387–396.

  29. Kimble G. A. Foundations of conditioning and learning. NY : Appleton Century Crofts, 1967. 696 p.

  30. Kolb B., Whishaw I. Q. Brain Plasticity and Behavior // Annu. Rev. Psychol. 1998. Vol. 49. P. 43–64.

  31. Lambertz M., Langhorst P. Simultaneous changes of rhythmic organization in brainstem neurons, respiration, cardiovascular system and EEG between 0,05 Hz and 0,5 Hz // J. Autonomic Nervous System. 1998. Vol. 68. P. 58–77.

  32. Lebedev M. A., Nicolelis M. Brain-machine interfaces: past, present and future // TRENDS in Neurosciences. 2006. Vol. 29, № 9. P. 536–546.

  33. Lennartz R. C., Weinberger N. M. Analysis of response systems in Pavlovian conditioning reveals rapidly versus slowly acquired conditioned responses support for two factors, implications for behavior and neurobiology // Psychobiology. 1992. Vol. 20 (2). P. 93–119.

  34. Midbrain Dopaminergic Neurons and Stria-tal Cholinergic Interneurons Encode the Difference between Reward and Aversive Events at Different Epochs of Probabilistic Classical Conditioning Trials / M. Joshua [et al.] // J. Neurosci. 2008. Vol. 28, № 45. P. 11673–11684.

  35. Moritz C.T., Perlmutter S. I., Fetz E. E. Direct control of paralysed muscles by cortical neurons // Nature. 2008. Vol. 456. P. 639–642.

  36. Price D.D., Dubner R. Neurons that subserve the sensory-discriminative aspects of pain // Pain. 1977. Vol. 3. P. 307–338.

  37. Randich A., Maxiner W. The role of sinoaortic and cardiopulmonary baroreceptor reflex arcs in nociception and stress-induced analgesia // Stress-induced analgesia. NY : Acad. Sci., 1986. № 41. P. 385–401.

  38. Schroeder C., Lakatos P. Low-frequency neuronal oscillations as instruments of sensory selection // Trends in Neurosciences. 2008. Vol. 32, № 1. P. 9–18.

  39. Schultz W. Multiple Dopamine Functions at Different Time Courses // Annu. Rev. Neurosci. 2007. Vol. 30 (1). P. 259–288.

  40. Steriade M. Impact of network activities on neuronal properties in cortico-thalamic systems// J. Neurophysiol. 2001. Vol. 86. P. 1–39.

  41. Thompson R. F. The Neurobiology of Learning and Memory // Science. 1986. Vol. 233. P. 941–947.

  42. Trubachov V. V. The activity of neurons of sensomotor cortex of the rabbit with constant and partial reinforcement // J. Neuroscience and Behav. Physiology. 1991. Vol. 20, № 4. P. 339–341.

  43. Weinberger N. M. Associative representatio-nal plasticity in the auditory cortex: A synthesis of two disciplines // Learn. Mem. 2007. Vol. 14. P. 1–16.