Введение к работе
Актуальность проблемы.
Изучение функциональной роли и особенностей участия различных отделов мозга в интегративной деятельности ЦНС является одной из наиболее актуальных проблем нейробиологии. Наряду с важным теоретическим значением, разработка этой проблемы имеет неоспоримую ценность для выяснения механизмов патогенеза нервно-психических заболеваний, разработки методов их диагностики и терапии. В последнее время все возрастающее внимание в этом плане привлекает мозжечок. Накопленные в лабораторных и клинических исследованиях данные убедительно свидетельствуют, что наряду с регуляцией моторных функций этот отдел мозга вовлечен в обеспечение механизмов памяти и эмоциональных процессов (Schmahmann et al., 2007, Ito, 2005, Калашникова и др., 2000). Однако симптомы, наблюдаемые в клинике при поражениях мозжечка: нарушения абстрактного мышления, внимания, рабочей и зрительно-пространственной памяти, расторможенность и неадекватное поведение (Heath еt al., 1978, 1980, Malm, 1998, Зуева, 2003), достаточно полиморфны, а их систематизация находится на начальном этапе.
В экспериментальных исследованиях участие мозжечка в когнитивных процессах было показано в моделях оборонительного поведения, в то время как в экспериментах с использованием положительного подкрепления были получены отрицательные результаты. Наиболее подробно изучена роль данного отдела мозга в формировании, консолидации и хранении условного мигательного рефлекса (Krupa and Thompson, 1997, Medina et al., 2001). Обнаружено, что с функциями полушарий мозжечка связана инициация мигательной реакции на условный сигнал на стадии генерализации рефлекса, а также структурирование условного ответа во времени на этапе его специализации.
Значительно менее исследовано участие в когнитивных процессах медиального отдела мозжечка – червя, поражения которого наблюдаются при многих нервно-психических заболеваниях, манифестирующих в раннем возрасте (Калашникова и др., 2000, Lawyer G, et al., 2009). Имеются сведения, что с этим отделом мозжечка связано формирование долговременного угашения акустической стартл-реакции (АСР) (Leaton & Supple, 1986, Maschke. et al., 2000), а также консолидация условного обстановочного замирания (Saccetti et al., 2002, 2005) - генерализованных реакций организма, включающих оборонительную и ориентировочную составляющие, обеспечивающих формирование и выполнение более сложных и специфичных оборонительных форм поведения (Н.А. Бернштейн, 1966, Davis, 1984, Richardson and al., 1996).
Высказана гипотеза, что роль мозжечка в процессах обучения и памяти обусловлена существованием в этой структуре собственных внутренних моделей организма и окружающей среды, (Kawato M, Gomi H. 1992, Ito M., 2005). Показано, что механизмы формирования таких моделей связаны со специфичным изменением активности отдельных нейромедиаторных систем. Поступление информации через основные афферентные проекции в мозжечок - лиановидные и мшистые волокна, опосредуется возбуждающими аминокислотами. Кроме того, все большее количество данных указывает, что в формировании и функционировании внутренней модели важную роль играют т.н. «модуляторные», в частности, моноаминергические проекции (Schweighofer N., et al., 2001, 2004). С активностью ГАМК- и глицинэргических интернейронов связывают фильтрацию информации, поступающей по основным афферентным входам, а также изменение свойств внутренней модели под влиянием «модуляторных» проекций (Cavelier P. et al., 2005)
В ряде работ показано, что существенное значение в молекулярно-клеточных механизмах пластичности в мозжечке принадлежит факторам, регулирующим пролиферацию, дифференцировку и выживаемость клеток, (Stansberg C., 2007, Bao et al., 1998, Willson ML et al., 2008). Нейродегенеративные изменения в различных отделах мозжечка выявлены при многих нервно-психических расстройствах (Steinlin M., 2008).
Таким образом, изучение роли мозжечка в процессах обучения и памяти вызывает активный исследовательский интерес. Вместе с тем, механизмы его участия в когнитивных процессах нуждаются в дальнейших исследованиях, а имеющиеся данные зачастую противоречивы. В частности, некоторые авторы (Supple et al., 1988, Fanselow, Poulous, 2005) ставят под сомнение значение медиального мозжечка для консолидации условного замирания, а изменения его активности при формировании угашения АСР, зарегистрированные в различных работах, носят противоположную направленность (Frings M., et al., 2006, Pissiota et al. 2002). Зависимость характера участия мозжечка в формировании следа памяти от интенсивности отрицательного подкрепления и уровня оборонительной мотивации была показана в модели условного замирания (Sacchetti et al., 2007).
В связи с этим, необходимым представляется одновременное изучение динамики АСР и поведения замирания при воздействии на активность червя мозжечка. Такое исследование позволяет оценить участие медиального мозжечка в механизмах пластичности и динамической интеграции ориентировочно-исследовательской, активно-оборонительной и пассивно-оборонительной реакций, а также привыкания и сенситизации, соотношение которых в значительной степени определяет характер и динамику более сложных когнитивных процессов. Однако работы, направленные на анализ формирования нескольких видов поведения при воздействии на функции медиального мозжечка в одних и тех же экспериментальных условиях, единичны, а одновременное изучение поведения замирания и АСР ранее не проводилось. Следует также отметить, что исследование нейрохимических механизмов пластичности в мозжечке в большинстве своем были выполнены in vitro. Оценка роли отдельных нейромедиаторных систем этого отдела мозга в механизмах обучения in vivo осуществлена лишь в немногочисленных экспериментах с использованием модели мигательного рефлекса (Jimnez-Daz L et al., 2007, Paredes DA et al., 2008). Данные относительно влияния факторов, регулирующих пролиферацию, дифференцировку и выживаемость клеток мозжечка, на процессы обучения, в литературе отсутствуют.
Цель исследования
Целью работы явилось изучение нейрофизиологических и нейрохимических механизмов участия медиального мозжечка в регуляции процессов обучения
и памяти при формировании различных видов оборонительного поведения
Задачи исследования:
-
Провести сравнительный анализ участия медиального мозжечка и гиппокампа в реализации безусловного (врожденного) поведения замирания, а также формировании кратковременного и долговременного привыкания АСР в условиях различного уровня обстановочного страха и тревоги.
-
Изучить функциональную роль медиального мозжечка в механизмах сенситизации и десенситизации АСР.
-
Исследовать временную динамику вовлечения медиального мозжечка в процессы консолидации долговременного угашения АСР и условного страха, вызванного воздействием обстановочных стимулов (обстановочного страха).
-
Исследовать изменения уровня нейромедиаторных аминокислот и моноаминов в медиальном мозжечке при кратковременном и долговременном угашении АСР, а также формировании условного обстановочного страха.
-
Изучить влияние экспериментально вызванных изменений активности отдельных нейромедиаторных систем червя мозжечка и модуляции процессов роста, развития и гибели клеток мозжечка на кратковременное и долговременное угашение АСР, а также формирование условного обстановочного страха.
-
Исследовать специфичность вовлечения отдельных нейромедиаторных систем червя мозжечка в механизмы консолидации долговременного угашения АСР и условного страха.
Положения, выносимые на защиту:
-
С активностью медиального отдела мозжечка (червя) связаны механизмы реализации врожденного поведения замирания при изменении обстановочной афферентации.
-
На различных этапах формирования приспособительного поведения в условиях оборонительной мотивации медиальный мозжечок принимает участие в процессах кратковременной и долговременной памяти, обеспечивающих выбор адекватной стратегии поведения на основе интеграции генерализованных пассивно-оборонительных, активно-оборонительных и ориентировочных реакций.
-
При отсутствии подкрепления медиальный мозжечок вовлечен в механизмы долговременной десенситизации, обеспечивающие достижение оптимального уровня активно-оборонительного поведения.
-
Специфичное вовлечение червя мозжечка в обеспечение отдельных форм оборонительного поведения обусловлено избирательными и разновременными изменениями активности нейромедиаторных систем различной эргичности в этом отделе мозга:
- с активностью глутаматэргических синаптических процессов, опосредующих сенсорную информацию, приходящую по мшистым волокнам, связано формирование долговременного угашения ориентировочно-исследовательской составляющей АСР;
- серотонинергические проекции в кору медиального мозжечка и ГАМК-глицинергические тормозные интернейроны участвуют в формировании долговременного угашения оборонительной составляющей АСР, а также в формировании обстановочного пассивно-оборонительного поведения замирания;
- механизмы консолидации долговременного привыкания оборонительной составляющей стартл-реакции связаны со снижением активности серотонинергической системы;
- активность тауринэргической системы сопряжена с механизмами кратковременной сенситизации и кратковременного привыкания, а также долговременной десенситизации и долговременного растормаживания стартл-реакции.
5. Участие медиального мозжечка в системных механизмах приспособительного поведения в условиях оборонительной мотивации связано с обеспечением процессов предпусковой интеграции возбуждений на стадии афферентного синтеза, а также с формированием и функционированием акцептора результата действия.
Научная новизна работы: Впервые получены доказательства участия медиального мозжечка в реализации врожденного пассивно-оборонительного поведения замирания при изменении обстановочной афферентации, а также в обеспечении кратковременного привыкания и кратковременной сенситизации генерализованной активно-оборонительной реакции - АСР. Получены ранее неизвестные результаты об особенностях участия червя мозжечка в механизмах сенситизации АСР обстановочными стимулами. Установлено, что вовлечение медиального мозжечка в обеспечение сенситизации АСР реализуется при более низком уровне обстановочного страха и более высокой активно-оборонительной мотивации в сравнении с участием гиппокампа в этом процессе.
Продемонстрировано участие медиального мозжечка в обеспечении процессов долговременной памяти при десенситизации и растормаживании ориентировочной составляющей генерализованной активно-оборонительной реакции - АСР.
Показано, что с функциями медиального мозжечка связаны процессы консолидации долговременного привыкания АСР. Документирована специфичность и временная динамика вовлечения мозжечка в консолидацию привыкания ориентировочной и оборонительной составляющих АСР: через 5 минут после обучения мозжечок участвует в консолидации долговременного угашения оборонительной составляющей АСР, обусловленного процессами десенситизации; спустя 2 часа - в консолидации долговременного привыкания ориентировочно-исследовательской составляющей АСР и условного обстановочного замирания.
Характеризованы особенности участия червя мозжечка в регуляции периодических колебаний амплитуды АСР.
Впервые изучена динамика содержания нейромедиаторов в коре медиального мозжечка на различных стадиях формирования долговременного привыкания АСР и поведения замирания, а также влияние на эти процессы апплицируемых на червь мозжечка агонистов и антагонистов, отдельных нейромедиаторов. Выявлено избирательное вовлечение серотонин- и ГАМК-эргических систем червя мозжечка в формирование условного обстановочного замирания и долговременного привыкания оборонительной составляющей АСР, а также участие глутамат- и таурин-эргических систем в механизмах долговременного угашения ориентировочной составляющей АСР.
Обнаружено нейропротекторное влияние пептида HLDF6 в условиях клеточной гипоксии червя мозжечка.
На основании полученных результатов выдвинуто положение об интегративной роли медиального мозжечка в обеспечении оптимального соотношения ориентировочных, пассивно-оборонительных и активно-оборонительных реакций на различных стадиях формирования приспособительного поведения в условиях оборонительной мотивации. Обосновано представление о том, что с функциями медиального мозжечка связаны механизмы афферентного синтеза и акцептора результата действия. Специфичное вовлечение червя мозжечка в обеспечение отдельных форм оборонительного поведения обусловлено избирательными и разновременными изменениями активности его нейромедиаторных систем.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные результаты расширяют и углубляют имеющиеся теоретические представления об участии мозжечка в процессах памяти и обучения. Сформулированные и обоснованные в работе положения о функциональном значении, нейрофизиологических и нейрохимических механизмах вовлечения медиального мозжечка в системную организацию различных видов оборонительного поведения вносят вклад в дальнейшее развитие исследований закономерностей участия этой структуры в интегративной деятельности ЦНС в норме и при развитии психопатологических состояний. Результаты, полученные при изучении динамики АСР и поведения замирания, уточняют современные взгляды на структуру и механизмы кратковременной и долговременной памяти при формировании оборонительного поведения
Оригинальный комплекс методических приемов, использованный в работе, может найти применение в лабораторных и клинических исследованиях, особенностей участия различных отделов мозга в обеспечении когнитивных функций, а также эмоциональных состояний в норме и патологии.
Полученные научные факты могут быть использованы в лекционных курсах по физиологии, нейробиологии и нейрохимии в вузах биологического, медицинского и психологического профиля.
Данные о нейропротекторных эффектах пептида HLDF6 в условиях клеточной гипоксии явились основой для разработки нового лекарственного препарата, обладающего комбинированным нейропротекторным и ноотропным действием, находящегося на данный момент в стадии доклинических испытаний.
Апробация диссертации.
Материалы диссертации были представлены на 1 Европейском форуме по нейронаукам (1st Forum of European Neurosciеnce) (Берлин, 1998 г.), Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения И.П. Павлова, (Москва, 1999 г.), научных конференциях «Интеграция: НИИ – ВУЗ - клиника» ( Москва, 2000, 2001 гг.), Российском симпозиуме по химии и биологии пептидов. (Москва 2003 г.), 6-ом конгрессе IBRO (Прага, 2003 г.) Всероссийской конференции «Нейрохимия: фундаментальные и прикладные аспекты» ( Москва, 2005), Международном симпозиуме «Гиппокамп и память»
(Пущино, 2006), Всероссийском съезде физиологического общества им. И. П. Павлова (Москва, 2007), Конференции с международным участием «Нейрохимические механизмы формирования адаптивных и патологических состояний мозга» (С.-Петербург-Колтуши, 2008 г.) итоговых сессиях НИИ НФ им. П. К. Анохина (Москва, 2004, 2005, 2006). Диссертационная работа была апробирована на совместном заседании лаборатории функциональной нейрохимии и лаборатории мотивации НИИ НФ им. П.К. Анохина РАМН 03 июля 2009 г.
Публикации: по материалам диссертации опубликовано 40 печатных работ, из них 19 - статьи в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации: Работа изложена на 263 страницах, включает разделы: введение, обзор литературы, характеристика методов исследования, результаты и их обсуждение, заключение, выводы и список цитируемой литературы. Работа иллюстрирована 42 рисунками и 27 таблицами. Список цитируемой литературы включает 540 источников, 521 из них на иностранных языках.
