Роль мускариновых и дофаминовых рецепторов неостриатума в двигательном поведении и обучении
Российская академия Наук
Институт Физиологии им. И. П. Павлова
На правах рукописи
Камкина Юлия Васильевна
роль мускариновых и дофаминовых рецепторов неостриатума в двигательном поведении и обучении
03.00.13 физиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Санкт-Петербург
2008
Работа выполнена в лаборатории физиологии высшей нервной деятельности
Института физиологии им. И. П. Павлова РАН
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор К. Б. Шаповалова
Официальные оппоненты:
заслуженный деятель науки РФ, доктор медицинских наук, профессор Вера Георгиевна Шаляпина, Институт физиологии им. И. П. Павлова РАН
доктор медицинских наук, профессор Борис Федорович Толкунов, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН
Ведущая организация: Институт мозга человека РАН
Защита диссертации состоится « 19 » мая 2008 года в _______ часов на заседании Диссертационного Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 002.020.01 при Институте физиологии им. И. П. Павлова РАН
(199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии им. И. П. Павлова РАН
Автореферат разослан «___» __________ 2008 г.
Ученый секретарь
Диссертационного Совета,
доктор биологических наук Н. Э. Ордян
Общая характеристика работы
Актуальность исследования
Несмотря на очевидную важность понимания роли холинергических систем мозга в регуляции моторных, сенсорных и когнитивных процессов не только для теории, но и для клиники, большое внимание к этому направлению уделялось только c недавнего времени [Steriade, Biesold (Eds.), 1990; Шаповалова, 1996]. Центральная интегративная система базальных ганглиев - стриатум (corpus striatum) занимает одно из ведущих мест среди структур переднего мозга по содержанию ацетилхолина и активности ферментов его синтеза и метаболизма [Годухин, 1987] и имеет одну из самых высоких плотностей холинергических мускариновых рецепторов [Mavridis et al., 1994].
Нигростриатная система вовлекается главным образом в моторную координацию и в нарушения типа болезни Хантингтона и болезни Паркинсона. Термином «паркинсонизм» определяют обширную группу заболеваний экстрапирамидной системы мультифакториальной этиологии, для которых характерны двигательные расстройства, составляющие паркинсонический синдром. Перспективы изучения патогенеза болезни Паркинсона и ее лечения связаны с дальнейшей разработкой концепции паркинсонических синдромов. Главным видом патогенетического лечения остается медикаментозная терапия. Дофаминергические проекции от вентральной тегментальной области к стриатуму участвуют больше в процессах, которые создают формы поведения, приводящие к вознаграждению, и вызывающие привыкание лекарства влияют на эту систему [Zhou et al., 2003]. В соответствие с интенсивной дофаминовой иннервацией, стриатум характеризуется высочайшей экспрессией дофаминовых рецепторов в мозге [Missale et al., 1998].
В последние годы сильно возрос интерес к изучению роли нигростриатной дофаминергической системы в важнейших когнитивных процессах, таких как обучение, память, внимание [Дубровина, Лоскутова, 2003]. Особый интерес у исследователей вызывает диссоциация эффектов дофаминергических веществ на локомоторную активность, с одной стороны, и на механизмы памяти с другой стороны [Adriani et al., 2000; Silva et al., 2002].
Имеет место взаимодействие между холинергической и дофаминергической системами стриатума [De Boer, 1992; Gerfen, 1992]. Эти системы работают вместе, чтобы создавать скоординированное функционирование стриатума [Zhou et al., 2003]. Если идея о дофамин-холинергическом взаимодействии в стриатуме существует более десяти лет, то представления об эфферентных путях реализации стриатных влияний на его мишени существенно изменились. Простая теория дофамин-связанной двигательной дисфункции базальных ганглиев является недостаточной, чтобы объяснить накапливающиеся экспериментальные и клинические результаты [Parent et al., 2001; Zhou et al., 2003].
Цель и задачи исследования
Целью работы являлось исследование влияния активации или блокады разных типов мускариновых ацетилхолиновых и дофаминовых рецепторов неостриатума на выработку и реализацию двигательных инструментальных рефлексов и дискриминацию сенсорных стимулов у двух видов животных.
В задачи работы входило:
1. В хронических экспериментах на собаках изучить влияние билатеральных микроинъекций в неостриатум селективного антагониста M1 мускариновых ацетилхолиновых рецепторов - пирензепина, селективного антагониста D2 дофаминовых рецепторов - раклопрайда на реализацию инструментального оборонительного движения, связанного с поддержанием определенной позы.
2. В хронических экспериментах на собаках изучить влияние пирензепина и раклопрайда на дифференцирование звуковых сигналов в оборонительной ситуации.
3. В хронических опытах на крысах исследовать влияние микроинъекций в неостриатум пирензепина и раклопрайда на обучение дискриминационному активному избеганию и на двигательную активность в «открытом поле».
4. В экспериментах на крысах изучить влияние микроинъекций селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов - SCH23390, ингибитора захвата дофамина - номифензина в неостриатум на обучение дискриминационному условному рефлексу активного избегания и на двигательную активность в «открытом поле» и сравнить полученные данные с эффектами системных инъекций тех же препаратов.
5. В экспериментах на собаках сравнить эффекты интрастриатных и системных инъекций SCH23390 на инструментальное оборонительное поведение.
Положения, выносимые на защиту
1. Активация и блокада мускариновых и дофаминовых рецепторов разных типов в неостриатуме позволяют сдвигать равновесие между эфферентными стриатными проекциями и таким образом изменять моторный ответ.
2. Произвольное движение и соответствующая перестройка позы, а также фазический и тонический компоненты движения контролируются разными эфферентными системами неостриатума.
3. Неостриатум осуществляет комплексный контроль двигательного поведения: регуляцию двигательной активности (на уровне эфферентных нейронов) и регуляцию ментальных процессов (через холинергические интернейроны).
4. Эффекты системного и внутристриатного введения дофаминергических веществ (SCH23390, номифензин) на двигательное поведение существенно различаются.
Научная новизна
В данной работе сделан детальный анализ изменений моторных компонентов движения и решения инструментальной задачи на разных моделях для двух видов животных при введении дофаминергических и холинергических препаратов. Принципиальное значение имеет сделанное сравнение результатов микроинъекций блокатора D1 дофаминовых рецепторов и ингибитора захвата дофамина непосредственно в неостриатум с результатами системных инъекций этих препаратов при выучивании или реализации инструментальных рефлексов. В работе был получен ряд новых фактов.
Впервые показано, что произвольное движение и предшествующая ему перестройка позы контролируются разными эфферентными системами неостриатума.
Существенные отличия эффектов системного и внутристриатного введения дофаминергических препаратов (селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов и ингибитора захвата дофамина) позволяют сделать приоритетные выводы о том, что, по-видимому, другие дофаминовые системы, кроме нигростриатной, имеют большее значение для регуляции компонентов инструментального движения; второй вывод заключается в том, что D1 дофаминовые рецепторы других структур, также как и неостриатума, не принимают существенного участия в регуляции перестройки позы.
При сравнительном анализе исследований на разных моделях поведения показано, что в осуществлении двигательной активности участвуют как D1-, так и D2-подтип дофаминовых рецепторов неостриатума, тогда как в ментальные компоненты условных оборонительных рефлесов дофаминовые рецепторы неостриатума включаются в меньшей степени.
Научно-практическая значимость работы
Подавляющее большинство исследований рассматриваемой проблемы выполнено при системном введении агонистов и блокаторов различных типов, что затрудняет анализ полученных результатов. Важным шагом в понимании структурно-специфического участия разных дофаминовых рецепторов в двигательном поведении и, в том числе, в обучении задачам, сочетающим моторные и когнитивные компоненты, является введение препаратов в адекватных дозах непосредственно в ту или иную структуру. Изучение участия в моторной и когнитивной функциях D1- и D2-рецепторов неостриатума представляет большой интерес в связи с вовлечением нигростриатной системы в такие заболевания, как болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, шизофрения. Большое значение для понимания участия медиаторных систем мозга в механизмах двигательного поведения имеет изучение их роли в регуляции тонического и фазического компонентов движения и в регуляции перестройки позы. Эти факты могут лежать в основе координации позного и локомоторного механизмов во время ходьбы. Полученные результаты могут использоваться при чтении спецкурсов в высших учебных заведениях. Результаты исследований могут представлять интерес для физиологов, клиницистов, фармакологов.
Апробация работы
Материал диссертации докладывался на Всероссийской конференции молодых исследователей «Физиология и медицина» (Санкт-Петербург, 2005); I Съезде физиологов СНГ (Сочи, Дагомыс, 2005); Тринадцатом международном совещании по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 2006); I Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 2006 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 научных работ: статей – 4 и тезисов - 11.
Объем и структура диссертации
Диссертация изложена на 143 страницах, иллюстрирована 28 рисунками и 2 таблицами. Состоит из введения, обзора литературы, описания методов и результатов собственных исследований, обсуждения, выводов и списка литературы, включающего 267 источников (42 отечественных и 225 иностранных).
Материалы и методы исследования
Методические подходы к исследованию на собаках
Эксперименты проводились на 8 беспородных собаках, массой 15-35 кг. Использовалась модель инструментальной оборонительной реакции (ИОР), связанной с поддержанием флексорной позы, определенной амплитуды и длительности, разработанная В.П. Петропавловским (1934) и усовершенствованная К.Б. Шаповаловой. Условным оборонительным раздражителем был стук метронома с частотой 130 ударов/мин. (М130). В качестве дифференцировочных (не подкрепляемых током) сигналов использовали метроном с частотой 30 и 60 уд./мин. (М30, М60). Каждый сигнал длился 10 сек., на 5-ой секунде действия сигнала присоединялся электрический ток.
В головку хвостатого ядра направляющие канюли вводились билатерально по следующим стереотаксическим координатам [Lim et al., 1960], мм: A = 28-31, L = 6-7, H (от поверхности мозга) = 20-21. Операции проводили под золетиловым наркозом и рометаром в качестве премедикации.
В каждом фоновом эксперименте давали 10 оборонительных сигналов и 6 дифференцировочных, предъявляемых блоками по три сигнала, с интервалом 50-60 сек. Опыты с микроинъекциями проводили не чаще 1 раза в неделю на фоне возвращения показателей инструментального ответа к норме. Регистрацию эксперимента начинали через 10 мин. после введения вещества и продолжали 40-50 мин. Использовали микроинъекции в неостриатум карбахолина в дозе 0.05-0.4 мкг, раклопрайда (S(-)-RacloprideL-tartrate, RBI) в дозе 0.004 мкг, пирензепина в дозе 0.004 мкг, SCH23390 в дозах 0.1 и 1.0 мкг. Вещество растворяли в бидистиллированной воде (БДВ) и вводили посредством микроинъектора в объеме 1.5 мкл в каждую структуру. В работе применялся гибкий микроинъектор, разработанный А. Ф. Якимовским (1984). В качестве контроля проводились эксперименты с микроинъекциями только растворителя и удлиненные опыты (1 час) без микроинъекций. Внутримышечные инъекции SCH23390 в дозе 0.025 мг/кг в 0.9% растворе NaCl осуществляли не чаще 1 раза в неделю.
Включение сигналов в эксперименте, регистрацию данных, их анализ осуществляли средствами специальных программ для персональных компьютеров (Алешин Н.Ю., Пронин С.В.). В эксперименте регистрировали: латентный период решения инструментальной задачи; механограмму рабочей конечности; тензограммы (опорные давления на тензоплатформы) всех 4-х конечностей.
Методические подходы к исследованию на крысах
В экспериментах использовались крысы-самцы линии Sprague-Dawley средней массой 250-300 г. Эксперименты проведены на 135 животных.
Операции проводили под общим наркозом уретановым (рометар 2 % (Xyla) 0.2 мл/100 г веса i.m., затем уретан 0.6 г/кг i.p.) или золетиловым (рометар 2 % (Xyla) 0.2 мл i.m., затем Zoletil 5 мг/100 г веса i.m.). Направляющие канюли вживляли стереотаксически билатерально в дорсальную часть стриатума (Caudato-Putamen) по следующим координатам [Paxinos, Watson, 1986]: A = 2,0 мм ростральнее брегмы, L = 2,5 мм латеральнее средней линии, H = 4,0-4.5 мм от поверхности черепа.
Интрастриатное введение вещества производили бодрствующим животным с помощью гибкого микроинъектора. Раствор вещества вводился в мозг за 20-30 сек. в объеме 0.5 мкл в каждую структуру. Опыт начинался через 10 мин. после введения вещества. Использовали микроинъекции в неостриатум крыс селективного антагониста М1-рецепторов – пирензепина, 0.004 мкг (n=17); селективного антагониста D2-рецепторов - раклопрайда, 0.004 мкг (n=11); селективного антагониста D1-рецепторов SCH23390 в дозах 0.05-1.0 мкг (гр. 1, n=8; гр. 2, n=5); ингибитора захвата дофамина номифензина в дозах 0.1 и 1 мкг (гр. I, n=8), 5 и 10 мкг (гр. IIa, n=6; IIb, n=5). В группах активного контроля (n=6 и n=10) крысам вводили БДВ в неостриатум в том же объеме. После системного введения SCH23390 (0.01, 0.025 мг/кг i.m.) опыт начинался через 5 мин., после системного введения номифензина (2.5, 5 мг/кг i.p.) - через 30 мин.; растворителем был 0.9% раствор NaCl.
У крыс вырабатывали в течение десяти дней дискриминационный условный рефлекс активного избегания (УРАИ) электрического тока в Т-образном лабиринте. Изолированное действие условного сигнала (свет) составляло 8 сек., совместное действие условного и безусловного раздражителей - 10 сек. Каждый эксперимент включал 16 реализаций (по 8 сигналов левой и правой лампочки). Перед тестированием крыс в Т-образном лабиринте проводилось исследование их двигательной активности в «открытом поле». Крыса помещалась в центр поля и в течение 3 мин. регистрировались: 1) горизонтальная двигательная активность животного – по числу пересечений границ квадратов; 2) вертикальная двигательная активность – по числу стоек на задних лапах и опусканий головы в отверстия на полу.
По окончании экспериментов проводили морфологический контроль локализации направляющих канюль в мозге собак и крыс.
Полученные результаты опытов на собаках и крысах обрабатывались с использованием t-критерия Стьюдента и непараметрических критериев (Mann-Whitney, Wald-Wolfowitz).
Результаты исследования
Инструментальное поведение при микроинъекциях в неостриатум карбахолина, антагонистов M1 мускариновых или D2 дофаминовых рецепторов у собак
Опыты с билатеральными микроинъекциями неселективного агониста мускариновых рецепторов карбахолина в неостриатум проводили на четырех собаках (№№ 1-4). Наибольшие изменения были зарегистрированы для ответов на дифференцировочные сигналы. Как на применение М30, так и на применение М60 при микроинъекции карбахолина в большинстве случаев были зарегистрированы полные дифференцировки. Возвращение к исходному уровню дифференцирования наблюдалось через два-три дня после микроинъекции. Полная дифференцировка на фоне билатеральных микроинъекций карбахолина в неостриатум осуществлялась при отсутствии изменения давления на тензоплатформы (рис. 1; 2), чего не наблюдалось в фоновых опытах (рис. 1; 1).
Рис. 1. Ответы на дифференцировочный сигналы до и после микроинъекции карбахолина. 1 - фоновый опыт, М30. 2 - ответ на М30 через 10 мин. после билатеральной микроинъекции 0.1 мкг карбахолина в неостриатум. 1-2 - собака № 2.
Жирная линия - механограмма, тонкие линии - тензограммы. По оси абсцисс - время, с. По оси ординат: амплитуда механограммы, усл. ед.; амплитуда тензограмм, усл. ед. Вертикальные линии - время действия условного сигнала; горизонтальная черта - уровень зоны безопасности.
Как показали эксперименты на собаках №№ 2 и 3, микроинъекции антагониста D2 дофаминовых рецепторов раклопрайда в неостриатум сопровождались достоверным увеличением латентного периода инструментального ответа и сокращением числа фазических подъемов, накладывающихся на инструментальную реакцию (табл. 1). Как при микроинъекции раклопрайда, так и при микроинъекции карбахолина особенно, перестройка позы имела отчетливый диагональный характер, увеличилась амплитуда тензограмм по сравнению с фоновыми показателями.
Микроинъекции раклопрайда заметно улучшали дифференцирование сигналов в системе ИОР. В случае применения М30 этот эффект был выражен больше, чем в случае М60.
Последствия микроинъекций антагониста M1 мускариновых рецепторов пирензепина в неостриатум (собаки №№ 1, 2, 4) составляли контраст с эффектами карбахолина и раклопрайда. Достоверно сократился латентный период инструментальных ответов, увеличилось число фазических подъемов, накладывающихся на инструментальный ответ (табл. 1) и количество межсигнальных двигательных реакций. Во многих реализациях нарушалось тоническое поддержание флексии определенной амплитуды. Перестройка позы в основном имела беспорядочный характер, диагональный паттерн, как правило, не наблюдался.
После микроинъекции пирензепина дифференцировка была полностью расторможена, особенно в первые 10 мин. после микроинъекции. При этом собаки совершали резкие фазические движения высокой амплитуды.
Таблица 1
Влияние билатеральных микроинъекций в неостриатум некоторых препаратов на параметры инструментальной оборонительной реакции (ИОР)
________________________________________________________________________________________________
Параметры Фон Карбахолин Фон Пирензепин Пирензепин Фон Раклопрайд
ИОР введение 1 введение 2
n=9 n=12 n=7 n=15 n=7 n=7 n=9
Собака № 3---------------------------------Собака № 2--------------------------------------------------------------------
T, с 9.82+0.16 10.71+0.39*** 10.02+ 0.32 10.00+0.25 12.12+0.24*** 9.60+0.50 9.36+0.42*
L, с 1.40+0.10 0.76+0.56 1.48+0.09 0.88+0.06*** 0.94+0.08*** 1.36+0.14 2.10+0.42*
N 13+1 7+2*** 14+1 16+1* 19+1*** 16+1 12+1***
А, усл. ед. 1.07+0.11 0.95+0.24* 1.34+0.01 1.40+0.00*** 1.38+0.25 1.37+0.01 1.38+0.03*
________________________________________________________________________________________________
Примечания. * - значимость отличия при р<0.5; ** - при р<0.01; *** - при р<0.001. T – время удержания конечности в безопасной зоне; L – латентный период начала движения; N – число фазических подъемов конечности; А – максимальная амплитуда подъема конечности над уровнем размыкания реле.
Эффекты системного и внутристриатного введения селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов на двигательное поведение и перестройку позы у собак
При системном введении антагониста D1 дофаминовых рецепторов SCH23390 у трех собак (№№ 2, 5, 6) в целом были получены сходные данные, несмотря на индивидуальные отличия животных. Всего было проведено 16 системных инъекций. Максимум нарушений (отказ от выполнения инструментальной задачи) у спокойных собак наблюдали через 20-30 мин., у возбудимых собак через 30-45 мин. после инъекции. У всех собак нарушения в выполнении движения развивались постепенно.
После системного введения SCH23390 число фазических подъемов достоверно сокращалось не только в день инъекции, но и в последействии.
В то же время, анализ тензограмм показал, что у всех собак в большинстве случаев после системного введения антагониста D1 дофаминовых рецепторов регистрируется условнорефлекторная перестройка позы, несмотря на отсутствие моторного ответа (рис. 2). Почти всегда сохранялся диагональный паттерн перестройки позы. Латентный период начала перестройки позы для инструментального ответа после системного введения SCH23390 практически не отличался от латентного периода перестройки позы в фоне.
Рис. 2. Условнорефлекторная перестройка позы после системной инъекции антагониста D1 рецепторов SCH23390. 1 - Через 30 мин. после введения SCH23390. Собака № 2. Одиночное движение только на ток. 2 - Через 15 мин после введения SCH23390. Собака № 5. Остальные обозначения как на рис. 1.
Эксперименты с билатеральными микроинъекциями в неостриатум селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов были проведены на двух собаках (№№ 7 и 8). Произведено 10 микроинъекций. Как и в фоне, процент правильных реализаций ИОР после билатеральных внутристриатных микроинъекций составлял 90-100%, причем не только сразу после микроинъекции, но и через 30-50 мин. Однако после билатеральных микроинъекций в неостриатум SCH23390 был отмечен целый ряд моторных отличий инструментального ответа от нормы. Достоверно увеличился латентный период инструментального ответа и время удержания конечности в положении флексии (таблица 2), в ряде случаев, особенно после повторных микроинъекций, увеличивалась амплитуда ответа, резко сократилось число фазических подъемов, накладывающихся на ответ тонического типа в норме, уменьшилось количество межсигнальных подъемов конечности. Не изменился диагональный паттерн престройки позы, однако в ряде реализаций амплитуда компонентов перестройки позы увеличилась. Изменения моторики наблюдались не только в день микроинъекции, но и в последующие 2-4 дня.
Таблица 2
Влияние билатеральных микроинъекций (0.1 мкг) блокатора D1 рецепторов SCH23390 на компоненты инструментальной оборонительной реакции
| Латентный период решения ИОР, с | Время удержания, с | ||
| Собака № 8 | 1 введение | 1.3±0.48 | 11.46±0.41*** |
| 2 введение | 1.1±0.25* | 11.86±0.52*** | |
| 3 введение | 1.0±0.44* | 11.02±0.42*** | |
| 4 введение | 1.38±0.34 | 11.26±0.35*** | |
| 5 введение # | 1.4±0.21 | 11.07±0.21*** | |
| Фон | 1.34±0.14 | 10.32±0.33 | |
| Собака № 7 | 1 ведение | 1.33±0.11*** | 11.63±0.11*** |
| 4 введение | 1.35±0.06*** | 11.60±0.06*** | |
| 5 введение | 1.11±0.05*** | 11.85±0.06* | |
| Фон | 0.94±0.07 | 11.93±0.08 |
Примечание. Введение: обсчет с 30 по 40 мин. Везде n=10. # - введение 1.0 мкг.
* - значимость отличия при р<0.05; ** - при р<0.01; *** - при р<0.001.
Влияние микроинъекций селективных антагонистов M1 мускариновых или D2 дофаминовых рецепторов на двигательное поведение крыс
В группе интактных крыс при ежедневном обучении процент правильных реализаций дискриминационного УРАИ не превышал к 7-му дню у отдельных крыс 65 %, для большинства крыс был еще меньше, достигая в среднем только 50 % к концу обучения.
Микроинъекции селективного антагониста M1 рецепторов пирензепина сопровождались достоверным ухудшением обучения в дни микроинъекций (4-7-й). Средний уровень правильных реализаций к концу обучения (10-11-й дни) составлял 45-54 %, в дни микроинъекций – 25 %. Показателем уровня исследовательско-ориентировочной и двигательной и активности крыс является тест «открытое поле». Значительные различия были получены в дни тестирования после микроинъекции пирензепина. Если у интактных крыс двигательная активность не превышала 14, то на фоне микроинъекций пирензепина она увеличилась почти в два раза. Это главным образом касалось числа пересекаемых квадратов.
Микроинъекции в неостриатум крыс антагониста D2 рецепторов раклопрайда на 4, 5, 6-й дни обучения приводили к пролонгированному снижению процента правильных реализаций дискриминационного УРАИ по сравнению с интактным контролем (7-й день, p<0.05). При этом двигательная активность в тесте «открытое поле» увеличивалась по сравнению с группой интактных крыс (8-10-й дни, p<0.05) и активным контролем (8-й день, p<0.01).
Влияние системного и внутристриатного введения селективного антагониста дофаминовых D1 рецепторов на моторную и когнитивную функции у крыс
Системное введение антагониста D1 дофаминовых рецепторов SCH23390 в дозе 0.025 мг/кг крысам двух групп (гр. 1, n=8; гр. 2, n=5) в несколько раз снижает процент правильных реализаций дискриминационного УРАИ и двигательную активность (в горизонтальной и в вертикальной плоскости) в тесте «открытое поле» (рис. 3; II, IV). Латентный период инструментальной реакции при этом значительно увеличивается. При этом не наблюдали ослабления общей реакции крыс на болевое воздействие электротоком.
Напротив, у крыс (гр. 1, n=8 и гр. 2, n=5) при микроинъекциях в неостриатум SCH23390 в разных дозах (0.051.0 мкг) по сравнению с интактным контролем не выявили ухудшения обучения дискриминационному УРАИ, хотя отмечали торможение двигательной активности (в горизонтальной и в вертикальной плоскости) в тесте «открытое поле» (см. рис. 3).
Рис. 3. Вверху: влияние селективного антагониста D1 рецепторов SCH 23390 на уровень правильных реализаций дискриминационного УРАИ у крыс. I - группа интактных крыс (n=21); II - экспериментальная группа (n=8), SCH 23390. По оси абсцисс - дни тестирования; по оси ординат - уровень правильных реализаций дискриминационного УРАИ, %. *** - различия относительно I с уровнем значимости p<0.001.
Внизу: влияние селективного антагониста D1 рецепторов SCH 23390 на уровень двигательной активности в тесте "открытое поле" у крыс. III - группа интактных крыс (n=21); IV - экспериментальная группа (n=8), SCH 23390. По оси абсцисс - дни тестирования; по оси ординат - двигательная активность в "открытом поле". Различия IV и III с уровнем значимости * - p<0.05, ** - p<0.01, *** - p<0.001.
Тонкие стрелки указывают дни с микроинъекцией вещества в неостриатум и дозы (мкг); жирная стрелка - системное введение (0.025 мг/кг).
Влияние системного и внутристриатного введения ингибитора захвата дофамина номифензина на двигательную активность и обучение у крыс
Сравнение результатов обучения дискриминационному УРАИ групп I и активного контроля (АК) показывает, что введение 1 мкг номифензина в дорсальный стриатум сопровождалось достоверным улучшением реализации рефлекса (14 % в гр. АК и 37 % в гр. I, p<0.05). В 7-9 дни экспериментов (последействие) результаты обучения в гр. АК также были ниже, чем в гр. I, в том числе достоверно (рис. 4; A).
Поскольку между гр. IIa и IIb не было получено значимых отличий, они были объединены в одну (II). Двигательная активность в гр. II (рис. 4; B) при введении указанных доз номифензина в сравнении с группой интактных крыс (рис. 3; III) была в среднем в несколько раз ниже (на 5-й день - в 4 раза, на 6-й день – в 3 раза; p<0.01).
Также в данной работе на тех же моделях проверялись эффекты системного (i.p.) введения номифензина в гр. II 5мг/кг, в гр. АК 2.5 мг/кг на 10-й день. Номифензин 5мг/кг i.p. не оказывает влияния на реализацию дискриминационного УРАИ (гр. II), а введение номифензина 2.5 мг/кг i.p. сопровождается улучшением реализации дискриминационного УРАИ (в гр. АК). В то же время введение номифензина 2.5/5 мг/кг i.p. достоверно увеличивает двигательную активность через 30 мин.
Рис. 4. Влияние ингибитора захвата дофамина номифензина на двигательную активность и обучение у крыс
A - изменение уровня правильных реализаций дискриминационного УРАИ при введении ингибитора захвата дофамина номифензина (n=8). По оси абсцисс - дни тестирования; по оси ординат - уровень правильных реализаций УРАИ, %. Различия с уровнем значимости + - p<0.05 при сравнении с активным контролем.
B - уровень двигательной активности в тесте "открытое поле" у крыс при введении ингибитора захвата дофамина номифензина (n=11). По оси абсцисс - дни тестирования; по оси ординат - уровень двигательной активности. Различия с уровнем значимости ** - p<0.01 при сравнении с 3 III, + - p<0.05 при сравнении групп II и I.
Тонкие стрелки указывают дни с микроинъекцией вещества в неостриатум и дозы (мкг). Жирная стрелка - системное введение номифензина (5 мг/кг).
Обсуждение результатов
Селективные агонисты D2 дофаминовых рецепторов тормозят выброс нейромедиатора (ГАМК) в непрямом эфферентном выходе неостриатума [Delgado et al., 2000]. Поэтому можно было ожидать, что микроинъекции селективного блокатора D2 дофаминовых рецепторов раклопрайда в неостриатум должны оказывать сходный с карбахолином эффект - усиливать выброс ГАМК в непрямом эфферентном выходе неостриатума.
По-видимому, активация непрямого эфферентного выхода неостриатума может играть главную роль в регуляции тонического компонента движения задней конечности и в регуляции перестройки позы. Среди мишеней неостриатума важным регулятором мышечного тонуса задних конечностей является ретикулярная часть черной субстанции [Ellenbroek, 1988].
О возможности супраспинальных влияний на тонические двигательные единицы свидетельствуют и результаты нашего совместного исследования с Институтом медико-биологических проблем РАН [Шенкман и др., 2006]. Действительно, при стимулировании мускариновых рецепторов неостриатума при гравитационной разгрузке наблюдалось предотвращение трансформации мышечных волокон в позно-тонической m. soleus крыс.
Перестройка позы является также важным компонентом моторной готовности (intention). В частности, продолжительность перестройки позы может сигнализировать особенности предстоящего двигательного ответа. Холинергической системе неостриатума принадлежит важная роль в процессах внимания, о чем свидетельствует значительное улучшение процесса дифференцирования сенсорных сигналов после микроинъекций агониста мускариновых рецепторов карбахолина.
В норме, по-видимому, влияние двух стриатных эфферентных выходов на свои мишени сбалансировано [Shapovalova, 1993]. Баланс или дисбаланс этих выходов определяется взаимодействием различных типов мускариновых и дофаминовых рецепторов, локализованных на стриатных эфферентных нейронах. Степень вовлечения этих механизмов зависит от уровня мотивации, обстановочной афферентации, эмоционального и гормонального состояния животных [Шаляпина и др., 1998; 2002], от особенностей моторной задачи.
В этой работе получены два факта: ухудшение обучения в Т-образном лабиринте и увеличение двигательной активности в тесте «открытое поле» у крыс под действием микроинъекций селективного антагониста мускариновых M1-рецепторов пирензепина в неостриатум. Эти результаты совпадают с фактами, полученными нами в опытах на собаках на модели ИОР, связанной с поддержанием флексии определенной амплитуды, где было показано ухудшение реализации ранее выработанного инструментального рефлекса. Это могло быть связано, с одной стороны, с резким увеличением фазического компонента движения и с другой – с нарушением внимания к значимым стимулам, нарушением дифференцирования сигналов.
Сравнение эффектов системных и внутристриатных инъекций селективного антагониста D1 рецепторов SCH23390 выявило существенные отличия их влияния на двигательное поведение собак. Если системные инъекции вызывали полный отказ от выполнения инструментального движения, то билатеральные микроинъекции в неостриатум не нарушали программу выполнения инструментального ответа. Важно отметить, что и при системном, и при внутристриатном введении селективного антагониста D1 рецепторов принципиально не нарушалась перестройка позы, предшествующая выученному движению.
Результаты, полученные на собаках, в целом подтверждают данные, полученные нами на крысах Sprague-Dawley. Как и в экспериментах на собаках, на крысах сравнивали влияние на двигательное поведение системных и внутристриатных инъекций SCH23390. Анализировалась не только ментальная функция (обучение дискриминационному УРАИ), но и двигательная активность (в тесте «открытое поле»). После микроинъекций было получено торможение активности крыс в тесте «открытое поле» по сравнению с интактным контролем. Сильные эффекты системного введения антагониста D1-рецепторов проявлялись как в подавлении двигательной активности в тесте «открытое поле», так и в подавлении дискриминационного рефлекса активного избегания в Т-образном лабринте.
По данным Watanabe, Kimura (1998), микроинъекция антагониста D2-класса разрушала ответы четырех из пяти исследованных холинергических интернейронов на подкрепление–ассоциированные щелчки, тогда как ни в одной из пяти аппликаций антагонистов D1-класса (SCH23390) не наблюдали значительного эффекта.
Можно думать, что влияние антагонистов D1 и D2 дофаминовых рецепторов на двигательную активность реализуется через рецепторы, расположенные на эфферентных нейронах неостриатума. Можно предполагать, что действие микроинъекций антагонистов D1- и D2-рецепторов в неостриатуме на активность холинергических интернейронов слабо изменяет ментальные процессы при условно-рефлекторной деятельности в наших опытах с отрицательным подкреплением.
Номифензин - сильный ингибитор обратного захвата дофамина [Hunt et al., 1974]. Нами было показано положительное влияние микроинъекций номифензина в неостриатум на обучение дискриминационному УРАИ. Известно, что при любом условнорефлекторном обучении животных уровень ацетилхолина в мозге всегда возрастает [Overstreet, 1984]. По-видимому, повышение трансмиссии дофамина прерывает симметрию D1/D2 баланса, усиливая облегчающее влияние D1 на высвобождение ацетилхолина [Di Chiara, Morelli, 1994].
В данной работе микроинъекции номифензина в неостриатум в малых дозах (0.5 и 1 мкг) не оказывали значительного влияния на двигательную активность, а в более высоких дозах (5 и 10 мкг) – вызывали ее снижение, что не вполне согласуется с данными Al-Khatib at al. (1995).
В свою очередь отличия эффектов номифензина, как и SCH23390, при системном введении от эффектов интрастриатных микроинъекций, показанные в нашей работе, свидетельствуют о вкладе дофаминовых рецепторов других структур мозга, кроме неостриатума.
Выводы
- Установлено, что активация или блокада мускариновых и дофаминовых рецепторов разных типов в неостриатуме позволяют сдвигать равновесие между прямым и непрямым эфферентными стриатными выходами и таким образом изменять моторный ответ на разных моделях двигательного поведения.
- В исследовании на собаках билатеральные микроинъекции в неостриатум селективного антагониста M1 мускариновых ацетилхолиновых рецепторов пирензепина показывают противоположный результат, чем неселективный холиномиметик карбахолин, на фазический и тонический компоненты движения и соответствующую перестройку позы. При микроинъекциях пирензепина снижается процент правильных реализаций инструментального оборонительного рефлекса. Билатеральные микроинъекции в неостриатум селективного антагониста D2 дофаминовых рецепторов раклопрайда дают сходный, но менее выраженный эффект на моторные компоненты выученного движения, чем микроинъекции карбахолина.
- Микроинъекции карбахолина и раклопрайда в неостриатум улучшают дифференцирование звуковых сигналов в системе инструментального оборонительного рефлекса у собак. Микроинъекции пирензепина вызывают противоположный эффект. Микроинъекции карбахолина в неостриатум улучшают свойство престройки позы как показателя моторной готовности, что предполагает важную роль холинергической системы неостриатума в процессах внимания.
- Под действием микроинъекций пирензепина в неостриатум наблюдается снижение обучения дискриминационному условному рефлексу активного избегания и увеличение двигательной активности у крыс. В связи с этим можно предположить, что блокада высвобождения ГАМК в непрямом эфферентном выходе неостриатума через M1-рецепторы приводит к усилению влияний прямого эфферентного выхода, и как результат к дезингибированию тормозного влияния стриатных мишеней на целый ряд подкорковых сенсорных и моторных образований.
- Микроинъекции в неостриатум селективного антагониста D2 дофаминовых рецепторов раклопрайда в последействии вызывают у крыс снижение обучения дискриминационному условному рефлексу активного избегания и повышение двигательной активности. Микроинъекции в неостриатум селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов SCH23390 у крыс не снижают обучение дискриминационному условному рефлексу активного избегания, хотя наблюдается торможение двигательной активности.
- Системное введение селективного антагониста D1 дофаминовых рецепторов SCH23390 приводит к резкому снижению амплитуды инструментального оборонительного рефлекса у собак и в большинстве случаев к полному отказу от его выполнения. При этом сохраняется диагональный паттерн перестройки позы. Билатеральные микроинъекции в неостриатум собак того же препарата не изменяют процент правильного решения инструментальной задачи и диагональный паттерн перестройки позы, но в то же время вызывают ряд моторных изменений. Таким образом, D1 рецепторы неостриатума и других структур не участвуют в регуляции условнорефлекторной перестройки позы.
- Ингибитор захвата дофамина номифензин как при внутристриатном, так и при системном введении положительным образом влияет на обучение дискриминационному условному рефлексу активного избегания, хотя значительно модулирует двигательную активность при внутристриатных микроинъекциях и повышает ее при системном введении у крыс. Эффекты повышения уровня дофамина можно объяснить локализацией дофаминовых рецепторов на разных типах нейронов неостриатума, а также в других структурах мозга.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Шаповалова К. Б., Дюбкачева Т. А., Чихман В. Н., Мысовский Д. А, Камкина Ю. В. Инструментальное поведение при активации или блокаде мускариновых рецепторов неостриатума // Росcийский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. - 2002. - Т. 88, № 9. - С. 1146-1160.
- Шаповалова К. Б., Камкина Ю. В., Мысовский Д. А. Влияние микроинъекций селективного блокатора мускариновых М1 рецепторов пирензепина в неостриатум на двигательное поведение крыс // Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. - 2004. - Т. 90, № 2. - С. 129-136.
- Шенкман Б. С., Шаповалова К. Б., Мухина А. М., Козловская И. Б., Немеровская Т. Л., Камкина Ю. В. Активация мускариновых рецепторов неостриатума предотвращает изменение миозинового фенотипа волокон m. soleus крыс при гравитационной разгрузке // Доклады Академии Наук. – 2006. – Т. 407, № 6. - С. 842-844.
- Шаповалова К. Б., Камкина Ю. В. Моторная и когнитивная функции неостриатума при двусторонней блокаде его дофаминовых рецепторов // Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова. - 2006. - Т. 92, № 10. - С. 1173-1186.
- Камкина Ю.В. Влияние селективной блокады мускариновых M1-рецепторов неостриатума на двигательное поведение крыс // Вестник молодых ученых: Сборник материалов Всерос. конф. молодых исследователей «Физиология и медицина» / СПб. - 2005. - С. 49.
- Камкина Ю.В. Влияние селективной блокады медиаторных систем неостриатума на двигательное поведение и когнитивные функции у крыс // Научные труды I Съезда физиологов СНГ - Под редакцией Р.И. Сепиашвили. - Т. 1. - М.: Медицина-Здоровье, 2005. С. 211.
- Камкина Ю. В. Медиаторные системы неостриатума и двигательное обучение // Десятая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Аннотации работ по грантам конкурса 2005 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга. СПб., 2005. С. 32.
- Шаповалова К.Б., Камкина Ю.В. Влияние системной и внутристриатной аппликации блокатора Д1 дофаминовых рецепторов на двигательное поведение собак и крыс // Тезисы докладов и лекций XIII международного совещания и VI школы по эволюционной физиологии. Санкт-Петербург, 23-28 января 2006 г. – СПб.: ВВМ, 2006. С. 242-243.
- Шаповалова К. Б., Камкина Ю. В. Неостриатум: две системы управления произвольным движением // Управление движением: материалы I Всероссийской, с международным участием, конференции по управлению движением (Великие Луки, 14-16 марта 2006 г.) / Под общ. ред. И. Б. Козловской, О. Л. Виноградовой. – Великие Луки, 2006. С. 116-117.
- Шаповалова К.Б., Камкина Ю.В. Моторные и когнитивные функции неостриатума при системной и внутристриатной блокаде дофаминовых рецепторов // ХХ съезд Физиологического общества им. И.П. Павлова. - Тезисы докладов. – М.: Издательский дом «Русский врач», 2007. – С. 104.
- Shароvalova К.В., Kamkina J.V. Participation of the neostriatal cholinergic system in automation of motor skill in dogs // International Society of Postural and Gait Research. XVIIth Conference, Marseille, France, 2005. S62.
- Shароvalova К.В., Kamkina Yu.V., Chihman V.N. Comparision of effects of systemic and intrastriatal injection of blocator of D1 dopamine receptors on motor behavior // The International Congress on Gait and Mental Function, February 3 – 5, 2006, Madrid, Spain. Abstract book, 2006.
