The alterations of neurophysiological parameters of the anterior cingulate cortex in the experimental depressive syndrome of different genesis

Full Text

Передняя поясная кора (ППК) расположена вокруг рострального отдела мозолистого тела. В соответствии с направлением проекций в ППК выделяют «аффективный» и «когнитивный» компоненты. Аффективный отдел ППК включает области 25, 33, ростральные отделы области 24 (по Бродману), которые имеют широкие связи с миндалевидным комплексом, серым веществом периакведук-та, моторными ядрами ствола мозга. Этот отдел ППК участвует в формировании эмоциональных состояний, в оценке мотивационного содержания и эмоциональной валентности внутренних и внешних стимулов, а также в экспрессии внутренних состояний. Когнитивный отдел ППК включает области 24' и 32' и регулирует ряд процессов, в первую очередь целенаправленное поведение [1]. ППК является центральным звеном системы самооценки [(CC) - default mode network]. В СС, помимо ППК, входят также вентромедиальная префронтальная (ПФК) и другие области коры [2, 3]. Активность и функциональные связи внутри СС возрастают в состоянии покоя или, когда субъект решает сфокусированные внутрь задачи. В тоже время, СС существенно деактивируется при действии внешних и внутренних стимулов, требующих внимания и когнитивного кон троля. Фронто-цингулятные и фронтолимбические взаимодействия внутри СС обеспечивают адаптивную регуляцию сознания и эмоций. У здоровых людей при столкновении когнитивных и эмоциональных заданий усиливается связь ростральной ППК и дорсолатеральной ПФК и последней с дорсальной ППК. Эти взаимодействия ослабляют амигдалярную активацию, обеспечивая адаптивную регуляцию сознания и эмоций [4]. При депрессивном синдроме существенно возрастает функциональная связь между ростральной ППК и миндалинами только во время негативных самооценочных процессов наряду со снижением структурных связей между этими образованиями [5, 6]. Кроме того, при депрессии снижены функциональные связи между ростральной ППК и дорсолатеральной ПФК, между последней и дорсальной ППК, но существенно повышена функциональная связь между дорсальной и ростральной ППК [7]. Это повышает функциональную активность и препятствует деактивации ростральной ППК и миндалин, т. е. делает невозможной коррекцию негативных эмоциональных состояний. В данном исследовании мы попытались выяснить нейрофизиологическую основу повышения функциональной активности ростральной ППК в условиях 22 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. экспериментального депрессивного синдрома у крыс. Материалы и методы Исследования выполнены на белых беспородных крысах массой 150-250 г., которые содержались в клетках по 4-6 особей, в условиях 12 часового цикла светлое/тёмное время (включение света в 7.00) со свободным доступом к воде и пище. Исследования выполнены в соответствии с требованиями комиссии по биоэтике Дон-НМУ им. М. Горького. Хроническое асептическое воспаление у крыс вызывали по методу, предложенному [8]. Животным под кожу спины вводили 0,5 мл 9 % раствора уксусной кислоты; сразу после этого крысам внутрибрюшинно вводили декст-ран в дозе 200 мг/кг. Через 2-3 дня на месте введения уксусной кислоты появлялся воспалительный инфильтрат. В поведенческие и электрофизиологические исследования животных брали через 7 суток после введения флогогенов. Резерпиновую депрессию воспроизводили внутрибрюшин-ным введением резерпина (Rausedil, Gideon Richter, Венгрия) в дозе 1 мг/кг и через 24 часа животных брали в поведенческие, а через 48 часов - в электрофизиологические исследования. Контрольным животным подкожно (в первом случае) или внутрибрюшинно вводили равные объемы 0,9 % раствора NaCl. В поведенческих исследованиях уровень депрессивности животных определяли по общепринятой методике [9]. Крыс помещали в аквариумы высотой 50 см, заполненные водой на 2/3 высоты; температура воды - 22-25°С. Регистрировали время иммобилизации крыс, которая проявлялась пассивным плаванием без движений конечностями, причем передние лапы были прижаты к груди, задние вытянуты, в течение сеанса вынужденного плавания продолжительностью 300 с. Также регистрировали время активного плавания и количество вскарабкиваний крыс на стенки аквариума. Электрофизиологические исследования выполнены на срезах коры, содер 23 жащих ростральную ППК. Крыс наркотизировали внутрибрюшинным введением кетамина в дозе 50 мг/кг. По достижению наркоза животных декапитировали, из черепа извлекали головной мозг, который охлаждали раствором для препарирования, имеющим температуру 4-6°С. Срезы толщиной 400 мкм готовили с помощью вибратома. Далее срезы помещали в инкубационную камеру, где их суперфузи-ровали раствором Кребса следующего ионного состава в мМ: NaCl - 124, KCl -3; K^PO4 - 1,25; NaHCOs - 26, CaCh - 2, MgSO4 - 1, глюкоза - 10. Раствор Кребса в инкубационной камере насыщался карбогеном, температура поддерживалась на уровне 25°С, скорость протока 2 мл/мин. Через 90 мин инкубации один из срезов помещался в рабочую камеру объёмом 0,5 мл, где он суперфузировался насыщенным карбогеном раствором Кребса при температуре 28°С; скорость протока раствора - 2 мл/мин. В срезах, содержащих ППК, регистрировали популяционные (п) ВПСП пирамидных нейронов II/III и V слоев, которые вызывали электрической стимуляцией V и П/Ш слоев соответственно. Стимуляцию синаптических входов осуществляли с помощью биполярного нихромового электрода прямоугольными импульсами тока длительностью 0,1 мс, частотой 1 в 10 с. АМРА и НМДА компоненты пВПСП пирамидных нейронов II/III и V слоев коры выделяли фармакологически. Для этого в первом случае срезы коры су-перфузировали раствором Кребса, содержащим блокатор НМДА рецепторов D-APV в концентрации 50 мкМ; во втором случае в растворе Кребса снижали до 0,2 мМ концентрациею Мg2+ и добавляли 10 мкМ блокатора АМРА рецепторов DNQX, 50 мкМ неконкурентного блокатора ГАМ-КА рецепторов пикротоксина и 1 мкМ ко-агониста НМДА рецепторов глицина. Длительную потенциацию (ДП) синаптической передачи вызывали тета-стимуляцией синаптических входов: 10 серий частотой 5 Гц 3 раза с интервалом 15 с; каждая серия состояла из 5 импульсов с межимпульс- Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. ным интервалом 10 мс и межсерийным интервалом 150 мс. Интенсивность преси-наптической стимуляции подбирали таким образом, чтобы амплитуда пВПСП не превышала 50% от максимальной. Каждая серия опытов выполнена на 6-9 срезах мозга, взятых от 3-4 животных. Результаты исследований обработаны общепринятыми методами вариационной статистики с помощью лицензионной программы «Medstat». Для каждой серии определяли среднюю и стандартную ошибку средней. Достоверность различий сравниваемых величин оценивали с помощью парного критерия t Стьюдента. Результаты и их обсуждение Как хроническое воспаление, так и введение животным резерпина в дозе 1 мг/кг вызывали изменения поведения животных. О развитии депрессивного синдрома у крыс свидетельствуют результаты теста форсированного плавания. Так у контрольных крыс время иммобилизации равнялось 125,3 ± 5,2 с. На 7-й день хронического воспаления время иммобилизации достоверно увеличилось до 221,4 ± 7,8 с (Р < 0,05). Подобным образом через 24 часа после введения резерпина время иммобилизации в тесте форсированного плавания возросло до 244,6 ± 8,1 с (Р < 0,05). В обоих случаях параллельно с ростом времени иммобилизации наблюдали укорочение времени активного плавания крыс и уменьщение вскарабкивания животных на стенки емкости с водой. Рис. 1. Изменения амплитуд пВПСП пирамидных нейронов ППК и их фармакологически изолированных АМРА и НМДА компонентов при разных формах депрессивного синдрома Слева образцы пВПСП (1) и их НМДА (2) и АМРА (3) компонентов пирамидных нейронов II/III (сверху) и У(внизу) слоев, зарегистрированные в отдельных экспериментах. Калибровка: 0,5 мВ, 20 мс. Справа усредненные пВПСП (А) и их АМРА (Б) и НМДА (В) компоненты пирамидных нейронов II/III (сверху) и V (внизу) слоев. В каждом ряду 1 - контроль, 2 - хроническое воспаление, 3 - действие резерпина. * величины достоверно отличаются от контроля при Р < 0,05 Одной из вероятных причин развития депрессивного синдрома на фоне хронического воспаления или действия резерпина может быть нарушение активно сти ППК, обусловленное изменениями релейных и пластических свойств глута-матергических синапсов. Как следует из рисунка 1 в условиях хронического вос 24 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. паления выявлены существенные изменения синаптической передачи в пирамидных нейронах поверхностных II/III слоев ППК. В этих слоях коры выявлено тотальное усиление синаптической передачи, а именно возрастание амплитуд пВПСП, их АМРА и НМДА компонентов. Увеличение амплитуд пВПСП пирамидных нейронов II/III слоев переднего отдела ППК сопровождалось снижением величин парного облегчения при межстимуль-ном интервале 50 мс: у контрольных животных его величина составляла 141,7 ± 4,2 %, а на фоне хронического воспаления снижалась до 115,6 ± 3,4 % (Р < 0,05). Уменьшение величин парного облегчения указывает на усиление пресинаптического высвобождения глутамата [10]. Не исключено, что усиление синаптической передачи в пирамидных нейронах II/III слоев ППК хотя бы частично обусловлено повышением хемосенситивности постсинап-тических глутаматных рецепторов (Р). В исследованиях на крысах с обусловленным хронической нейропатической болью депрессивным синдромом вследствие повреждения седалищного нерва, продемонстрировано как усиление пресинаптического высвобождения глутамата, так и увеличение плотности содержащих GluA1 и NR2B субъединицы АМРА Р и НМДА Р соответственно в постсинаптических уплотнениях нейронов тех же слоев той же структуры [11]. Наблюдаемые изменения релейных свойств глутаматергических синапсов пирамидных нейронов II/III слоев ППК авторы связывают с повышением активности активируемой Са2+ аденилатциклазы (АС1) и усилением фосфорилирования цАМФ-зависимой протеинкиназой А пре- и постсинаптических субстратов. Не исключено, что выявленные нами изменения синаптической передачи развиваются по такому же сценарию, поскольку еще с античных времен известно, что один из симптомов воспаления - хроническая боль. На фоне дефицита моноаминов, вызываемого воздействием резерпина, также выявлены изменения релейных свойств 25 пирамидных нейронов II/III слоев ППК (рис. 1). Это проявлялось достоверным (Р < 0,05) возрастанием амплитуд пВПСП и их АМРА компонентов и недостоверной тенденцией к увеличению амплитуд НМДА компонентов пВПСП. Вызываемое резерпином увеличение амплитуд пВПСП нейронов II/III слоев ППК сопровождалось снижением величины парного облегчения при межимпульсном интервале 50 мс до 122,4 ± 3,6 % (Р < 0,05). Усиление пресинаптического высвобождения глутамата в этом случае может быть следствием ослаблением пресинаптического тормозного контроля релиза глутамата, опосредуемого серотониновыми 1В и а2-адренорецепторами из-за дефицита моноаминов [12]. В тоже время, отсутствие влияния резерпина на НМДА компоненты пВПСП может быть связано с заменой агонист-предпочитающих (GluN2B) на антагонист-предпочитаюшие (GluN2A) НМДА Р в постсинаптических уплотнениях нейронов несмотря на увеличение их плотности [13]. Подобные изменения амплитуд пВПСП пирамидных нейронов II/Шслоев и их АМРА и НМДА компонентов наблюдали при депрессивном синдроме у потомства крыс, которые во время беременности подвергались стрессогенным воздействиям [14]. На фоне вызываемого хроническим воспалением депрессивного синдрома изменения релейных свойств глутаматергических синапсов проекционных нейронов V слоя ППК выражены в меньшей степени (рис. 1). Наблюдается недостоверная тенденция к снижению амплитуд пВПСП и его АМРА компонента, но к возрастанию амплитуд НМДА компонента пВПСП пирамидных нейронов V слоя ППК. То, что амплитуды АМРА компонента пВПСП достоверно не изменяются, а амплитуды НМДА компонентов пВПСП возрастают, исключает пресинаптический механизм наблюдаемых изменений. Поскольку при хронической боли и депрессивном синдроме наблюдается существенное повышение активности базо- Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. латеральных отделов миндалины, это через посредство амигдало-цингулярных путей вызывает опосредуемое мГР возбуждение тормозных интернейронов и угнетение пирамидных нейронов V слоя [15]. Вероятно наблюдаемая нами тенденция к снижению амплитуд пВПСП пирамидных нейронов V слоя обусловлена остаточным ГАМКергическим торможением. Тем не менее, можно думать, что в целостном мозге в отличие от срезов имеет место выраженное торможение выходных нейронов V слоя, которое разобщает связи ростральной ППК с мПФК и миндалинами. Природа усиления НМДА компонента пВПСП пирамидных нейронов V слоя ППК (рис. 1, таблица) не ясна и требует дополнительных специальных исследований. При «резерпиновом» депрессивном синдроме также наблюдали недостоверную тенденцию к снижению амплитуд пВПСП пирамидных нейронов V слоя ППК и их АМРА компонентов, но достоверное уменьшение амплитуд НМДА компонентов (рис. 1). Функциональная активность глутаматных НМДА (Р) и АМРА (Р) повышается при их фосфорилировании ПКА и ПКС, которые активируются связанными с аденилатциклазой и фосфоли-пазой С моноаминергическими рецепторами. В условиях дефицита моноаминов под действием резерпина понижается уровень фосфорилирования и активность глутаматных рецепторов. Поскольку НМДА Р в большей степени по сравнению с АМРА Р зависят от уровня фосфорилирования [16], снижение их активности на фоне резерпина выражено в большей степени (рис. 1). Помимо изменения релейных свойств выявлены изменения пластических свойств глутаматергических синапсов пирамидных нейронов ППК, судя по изменениям длительной потенциации (ДП) синаптической передачи. Стимуляция V слоя с частотой тета-диапазона (ТС) вызывала развитие ДП пВПСП нейронов II/III слоев ППК (рис. 2). Действительно, амплитуда пВПСП через 30 мин после прекращения ТС достоверно (Р < 0,05) возрастала до 137,2 ± 6,4 % по отношению к контролю, принятому за 100 %. В тоже время, ТС V слоя ППК у крыс с вызванным хроническим воспалением депрессивным синдромом не вызывала развития ДП - на 30-й мин после прекращения ТС амплитуда пВПСП пирамидных нейронов II/III слоев составляла 109,6 ± 4,4 % (Р = 0,43). ТС V слоя ППК на фоне действия резерпина не приводила к развитию ДП в синапсах пирамидных нейронов II/III слоев (табл.). В условиях хронического воспаления выявлено, что при тех же параметрах ТС ДП в синапсах пирамидных нейронов V слоя не развивается - на 30-й мин после прекращения стимуляции амплитуда пВПСП составляла 106,3 ± 4,9 % и практически (Р = 0,67) не отличается от контроля. На фоне воздействия резерпина наблюдали существенное угнетение экспрессии ДП в синапсах пирамидных нейронов V слоя - 122,4 ± 5,3% против 142,7 ± 5,6 % в контроле (Р < 0,05), хотя умеренно выраженная ДП синаптической передачи имела место (табл.). Наиболее вероятно, что угнетение экспрессии ДП в синапсах пирамидных нейронов II/III слоев ППК обусловлено уже существующей вызванной хроническим воспалением или действием резерпина ДП (патологическая синаптическая пластичность), которая препятствует развитию тетанус-индуцируемой ДП. В соответствии с законами метапластичности вероятность развития ДП в уже потенцированных синапсах существенно уменьшается, зато возрастает вероятность экспрессии длительной депрессии, что мы наблюдали в ранее проведенных исследованиях [13]. Угнетение же развития ДП в синапсах пирамидных нейронов V слоя ППК менее понятно. С одной стороны, на фоне действия резерпина ослабляется активность НМДА Р (рис. 1), а поскольку индукция ДП в ППК НМДА-зависима, это и определяет угнетение ее экспрессии. С другой стороны, в условиях хронического воспаления активность НМДА рецепторов повышается (рис. 1) и в этих условиях ДП должна быть выраже 26 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. на сильнее. Наблюдаемое же угнетения развития ДП может быть обусловлено предварительным действием в организме каких-то факторов, которые отсутствуют в срезах мозга. В частности, при воспалении в крови и мозге повышаются уровни глюкокортикоидов, провоспалительных интерлейкинов и др., которые при хроническом воздействии препятствуют экспрессии ДП [17, 18]. Установлено, что повышение активности ростральной ППК, вызванное электрической стимуляцией или активацией ее глутаматергических синапсов усиливает восприятие боли, аверсивное обучение, формирование условного страха [19], т.е. способствует фиксации негативных сторон внешнего и внутреннего мира. В клинических условиях в ППК у больных депрессией выявлено повышение глутаматергической активности и патологической синаптической пластичности [20]. Рис. 2. Экспрессия длительной потенциации в синапсах пирамидных нейронов II/III слоев ППК у контрольных крыс и животных с хроническим воспалением. А, внизу - динамика изменений амплитуд пВПСП пирамидных нейронов II/III слоев после тета-стимуляции Услоя ППК у контрольных крыс (1) и животных с хроническим воспалением (2). Сверху - наложение полученных в отдельных экспериментах пВПСП до (а1, а2) и на 30-й мин после тета-стимуляции (б1, в2). Калибровка 0,5 мВ, 20 мс. Б - усредненные результаты; а, б1 и в2 - то же, что и на правой части рисунка. Вертикальная шкала - изменения амплитуд пВПСП в %; горизонтальная - время в мин Таблица Влияние хронического воспаления и воздействия резерпина на экспрессию длительной потенциации синаптической передачи Изменение амплитуд пВПСП на 30-й минуте после прекращения стимуляции Контроль Хроническое воспаление Воздействие резерпина Стимуляция V слой Отведение II/III слои 137,2 ± 6,4 % 109,6 ± 4,4 %* 115,3 ± 4,5 % * Стимуляция II/III слои Отведение V слой 142,7 ± 5,6 % 106,3 ± 4,9 %* 122,4 ± 5,3% * * величины достоверно отличимы от контроля при Р < 0,05 27 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 2, 2016 г. Выводы 1. Повышенная функциональная активность передней поясной коры снижает ее чувствительность к угнетающему влиянию со стороны других структур мозга. 2. Это приводит к нарушению деактивации системы самооценки при решении задач, требующих внимания и когнитивного контроля.

References

Supplementary files