Basal Nucleus of Meynert – a source of cholinergic innervation of the cortex – undergoes extensive degeneration in various neuropsychiatric conditions accompanied by impaired mental status (Alzheimer's disease, Parkinson's disease, schizophrenia, etc.). Destruction of the basal nucleus (BN) attracts attention as a model of cortical cholinergic deficiency in various dementing conditions. The aim of this work is to identify the pathways for compensating disorders of complex, non-automated (Adrianov et al., 1987) animal behavior, which is comparable to human cognitive functions, following the destruction of the BN.
The study was performed on 20 cats using an alternative choice method modified to model complex forms of behavior at the limit of physiological capabilities, considered as a precursor of preverbal "thinking" in animals (Mukhin, 1984). Experiments were conducted on intact (10) and operated (10) cats, the latter receiving ibotenic acid injections into the BN. Five of the operated animals were exposed to various pharmacological substances (galantamine, phenamine, and GABA) during training in the apparatus; the remaining animals were trained without stimulation. The task involved learning to choose the larger stimulus from two figures. One pair of basic stimuli and seven sets of new tests were used.
Experiments showed that while an intact cat can respond to 50–70 stimulus-reinforcement pairings, an operated animal stops making decisions after 8–12 runs, although it eats normally outside the experiment. There are more "hesitant" runs, and decision time increases to 15–20 seconds (compared to 1–5 seconds in intact cats). Gaze fixation time on the screen is reduced by half. The first presentations of the task have a stressful effect on the cat: signs of psychomotor agitation and displacement activities appear.
Along with changes in the emotional-motivational sphere, attention, and performance, the animals show an impaired ability to solve complex problems and to transfer the solution to similar situations. Whereas intact animals solve the main task by "insight" and transfer the found solution to seven groups of increasingly complex tests, operated individuals learn the main task gradually, show no transfer, and only generalize responses to stimuli close to the original ones.
Training of operated animals under pharmacological stimulation revealed differential effects of the drugs on behavior. Galantamine (0.3 mg/kg) – an active anticholinesterase agent – increases activity: the cat works for 20–40 pairings; improves attention (gaze fixation time on the figures is 4–5 seconds instead of 1–2 seconds after surgery). Refusals to make decisions are extremely rare. Only after galantamine injection do operated animals show insight-like solutions and transfer of such solutions to simple figures. The percentage of correct decisions increases by 10–20%. Phenamine (0.3 mg/kg) – a dopamine mimetic – increases animal activity (50–60 pairings), but there are no displacement reactions or psychomotor agitation. Reaction time is reduced to 4–5 seconds. The main task is learned as a conditioned reflex solution, with no transfer, but the process of learning new tasks is facilitated due to optimization of dynamic behavioral parameters – attention, activity, reactivity, etc. GABA (70 mg/kg) – a GABAergic receptor stimulator – affects activity (30–40 pairings), attention (animals look at the screen for 4–5 seconds), and reactivity (reaction time 5–7 seconds) of experimental animals. Their behavior is calm, without displacement reactions or "hesitant" runs. There are no refusals to make decisions; animals learn well, although no transfer of the solution to new stimuli is observed. The percentage of correct decisions is increased by 10–20%.
The results achieved after administration of a stimulating drug are not maintained after its withdrawal unless they have been reinforced over several days. Training without pharmacological substances also has a positive effect – in this case, the results are more stable and do not disappear after drug withdrawal. However, if an animal with a destroyed BN is unable to train for long periods in the experiment, injections of neurostimulating substances optimize the dynamic characteristics of behavior so much that the animal can train for a long time to solve all test tasks.
It can be concluded that not only neurochemical stimulation of the cholinergic, dopaminergic, and GABAergic systems per se leads to compensation of impaired functions, but training and learning under the influence of stimulating drugs contribute to an even greater extent.
REFERENCES
Adrianov, O. S., Molodkina, L. N., Yamshchikova, N. G. Associative brain systems and extrapolation behavior. Moscow, Meditsina, 1987.
Mukhin, E. I. Doctoral dissertation. Moscow, 1984.
Базальное ядро Мейнерта - источник холинергической иннервации коры - подвержено обширной дегенерации при различных нейропсихиатрических состояниях, сопровождающихся нарушением ментального статуса (болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, шизофрения и т. д.). Разрушение базального ядра (БЯ) привлекает внимание как модель холинергического дефицита в коре при различных дементных состояниях. Цель работы - выявить пути компенсации нарушений сложноорганизованного неавтоматизированного (Адрианов и др., 1987) поведения животных, соотносимого с когнитивными функциями человека, при разрушении БЯ.
Работа выполнялась на 20 кошках но методике альтернативного выбора в модификации, которая позволяет моделировать сложные формы поведе-ния на грани физиологических возможностей и рассматривающиеся, как прекурсор довербального "мышления" животных (Мухин, 1984). Опыты проводились на интактных (10) и оперированных путем введения иботеновой кислоты в БЯ (10) кошках. Пять из оперированных животных подвергались воздействию различных фармакологических веществ (галантамин, фенамин и ГАМК) во время обучения в установке, остальные обучались без стимуляции. Опыт состоял из обучения выбору большего раздражителя из двух фигур. Использовалась пара основных стимулов и семь наборов новых тестов.
Эксперименты показали, что если интактная кошка может реагировать на 50 - 70 сочетаний стимула с подкреплением, то у оперированной после 8 - 12 побежек следует отказ от решений, хотя вне опыта животное ест. Отмечается больше «нерешительных» побежек, время решения увеличено до 15-20 секунд (с 1-5 секунд у интактных). Время фиксации взгляда на экране уменьшено в 2 раза. Первые предъявления задачи оказывают стрессовое воздействие на кошку: появляются признаки психомоторного возбуждения, замещающие действия.
Наряду с изменениями в эмоционально-мотивационной сфере, внимании и работоспособности, животные обнаруживают нарушение способности решать сложные задачи и переносить решение на сходные ситуации. В то время, как интактные животные решают основную задачу по типу «инсайта» и найденное решение переносится на 7 групп усложняющихся тестов, оперированные особи усваивают основную задачу постепенно, переноса нет, есть лишь генерализация ответа на стимулы, близкие к исходным.
Обучение оперированных животных на фоне фармакологической стимуляции выявило различное влияние препаратов на поведение. Галантамин (0,3 мг/кг) - активный антихолинэстеразный препарат - увеличивает активность: кошка работает на протяжении 20—40 сочетаний; улучшает процесс внимания (время фиксации взгляда на фигурах составляет 4 - 5 секунд вместо 1 - 2 после операции). Отказы от решений наблюдаются крайне редко. Лишь после инъекции галантамина у оперированных животных появляются решения по типу «инсайта» и перенос его на простейшие фигуры. Процент правильных решений увеличивается на 10 - 20%. Фенамин (0,3 мг/кг) - дофаминомиметик - повышает активность животного (50—60 сочетаний), но нет замещающих реакций и психомоторного возбуждения. Время реакции уменьшено и составляет 4-5 секунд. Основная задача усваивается по типу решения условного рефлекса, переноса нет, а процесс обучения решению новых задач облегчается вследствие оптимизации динамических параметров поведения - внимания, активности, реактивности и т.д. ГАМК (70 мг/кг) - стимулятор ГАМКергических рецепторов - влияет на активность (30-40 сочетаний), внимание (животные смотрят на экран в течение 4-5 секунд), реактивность (время реакции - 5-7 секунд) экспериментальных животных. Их поведение спокойное, без замещающих реакций, «нерешительных» побежек. Нет отказов от решений, животные хорошо обучаются, хотя переноса решения на новые стимулы не наблюдается. Процент правильных решений увеличен на 10-20%.
Результаты, достигнутые после введения стимулирующего препарата, не сохраняются после его отмены, если они не были закреплены в течение нескольких дней. Положительный эффект оказывает и обучение без применения фармакологических веществ - в этом случае результаты более стойкие и не исчезают после отмены препарата. Но если животное с разрушенным БЯ неспособно долго обучаться в эксперименте, то инъекции нейростимулирующих веществ настолько оптимизируют динамические характеристики поведения, что животное в состоянии длительное время обучаться решению всех тестовых заданий.
Можно сделать вывод о том, что не только сама нейрохимическая стимуляция холинергической, дофаминергической и ГАМКергической систем приводит к компенсации нарушенных функций, но в большей степени этому способствует тренинг и обучение под воздействием стимулирующих препаратов.
ЛИТЕРАТУРА
Адрианов О. С, Молодкина Л. Н., Ямщикова Н. Г. Ассоциативные системы мозга и экстраполяционное поведение. М., Медицина, 1987.
Мухин Е. И. Докт. дисс. М., 1984.