ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2007, том 57, № 6, с. 702-711
ФИЗИОЛОГИЯ ПОВЕДЕНИЯ; ОБУЧЕНИЕ И ПАМЯТЬ
УДК 612.821.6
ЕСТЕСТВЕННАЯ АКТИВАЦИЯ КАСПАЗЫ-3 НЕОБХОДИМА ДЛЯ РАЗВИТИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ В ПОСТНАТАЛЬНОМ ОНТОГЕНЕЗЕ
© 2007 г. И. В. Кудряшова, М. Ю. Степаничев, Н. В. Гуляева
Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва,
e-mail: iv_kudryashova@mail.ru Поступила в редакцию 24.04.2007 г. Принята в печать 18.06.2007 г.
Ранее нами было показано, что в гиппокампе крысят, начиная с 17-дневного возраста, наблюдается транзиторное увеличение активности каспазы-3. В настоящей работе было исследовано влияние ингибирования каспазы-3 в этот период на выработку реакции двустороннего избегания. На 18-й постнатальный день крысятам интрацеребровентрикулярно вводили ингибитор каспазы-3 (Z-DEVD-FMK). Контрольным животным того же возраста вводили неактивный пептид (Z-FA-FMK) или изотонический раствор NaCl. Обнаружено, что ингибирование каспазы-3 в период ее естественной активации в гиппокампе в раннем онтогенезе нарушает развитие инструментального поведения крыс. Это выражалось в снижении эффективности обучения при выработке реакций активного избегания и избавления, а также в сокращении числа межсигнальных реакций. Введение ингибитора не оказывало специфического действия на виды условнорефлек-торной деятельности, связанные с инструментальным поведением в меньшей степени. Так, не обнаружено различий между экспериментальной и контрольной группами по числу эмоциональных реакций на условный стимул. Число ориентировочно-исследовательских условных реакций также не изменялось после введения Z-DEVD-FMK. На фоне снижения эффективности выработки условного рефлекса активного избегания число незавершенных актов в отличие от других типов условных реакций достоверно увеличивалось после введения Z-DEVD-FMK, что свидетельствует о сохранении способности к образованию ассоциативной связи между включением условного сигнала и необходимостью перехода в другой отсек. Затруднения у этих животных возникают на стадии принятия решения при выборе адекватной формы поведения. Изменение ориентировочно-исследовательского поведения не связано с ингибированием каспазы-3 в критический период развития, поскольку эффекты Z-DEVD-FMK и Z-FA-FMK были сходными.
Ключевые слова: условный рефлекс активного избегания, инструментальное поведение, пост-натальное развитие, каспаза-3.
Developmental Caspase-3 Activation in the Rat Hippocampus is Involved in the Maturation of Instrumental Behavior
I. V. Kudryashova, M. Yu. Stepanichev, N. V. Gulyaeva
Institute of Higher Nervous Activity and Neurophysiology, Russian Academy of Sciences, Moscow,
e-mail: iv_kudryashova@mail.ru
Previously the developmental switch to caspase-3 activation in the rat hippocampus has been shown during the third week of life. The goal of this study was to explore effects of caspase-3 inhibition during this period on learning in a two-way avoidance paradigm. On postnatal day 18, the pups were intracerebroven-tricularly administered with caspase-3 inhibitor Z-DEVD-FMK. Control groups were injected with either the control peptide Z-FA-FMK or saline. Caspase-3 inhibition, naturally activated in this critical period, was found to disturb the maturation of instrumental behavior. In particular, the young adult rats of Z-DEVD-FMK group displayed less effective elaboration of escape and active avoidance reactions in two-way avoidance paradigm, accompanied with a decrease in inter-trial crossings. However, associative components of the learning did not change after caspase-3 inhibition. Conditioned emotional behavior was, in general, similar in all groups, and the number of responses related to conditioned stimulus exploration did not differ in Z-DEVD-FMK and Z-FA-FMK groups. In spite of the deficit in active avoidance conditioning in Z-DEVD-FMK group, a significant increase in incomplete or preparatory reactions to conditioned stimulus was demonstrated suggesting that the association between predictive conditioned stimulus and possibility of crossing can be elaborated. The change of exploratory behavior is unlikely to be specific for caspase-3 inhibition, being similar in Z-DEVD-FMK and Z-FA-FMK groups.
Key words: two-way avoidance, instrumental behavior, postnatal development, caspase-3.
В последние годы накапливается все больше фактов, свидетельствующих об участии протеаз в пластических процессах в ЦНС [1, 2, 11]. Было обнаружено, что биохимический каскад, имеющий непосредственное отношение к апоптозу нервных клеток, активируется локально в конусе роста и синапсах, принимая участие в регуляции структурно-функциональной пластичности нервных клеток [10]. Показано, что обработка срезов гиппокампа крысы ингибитором каспазы-3 приводит к снижению величины длительной потенциации [3, 12]. Кроме того, было обнаружено, что введение ингибитора каспазы-3 in vivo нарушало процесс обучения как при тестировании в водном лабиринте [9], так и при выработке условного рефлекса активного избегания [6, 22].
При исследовании постнатального развития гиппокампа в наших экспериментах был обнаружен достаточно короткий период естественной активации каспазы-3 (несколько дней), после чего на фоне поступательного развития (увеличения) эффективности межнейронных взаимодействий происходило временное снижение величины реакций нейронов поля СА1 на афферентную активацию [13]. Похожие изменения обнаружены и при выработке условного рефлекса активного избегания, причем депрессия наблюдалась именно после формирования условнорефлекторного избегания [4]. Разумеется, такое совпадение еще не подтверждает причинной зависимости, однако наводит на определенные размышления. Тем более, что оба явления сходным образом подвержены действию одних и тех же факторов внешней среды [14].
Полагают, что механизмы, лежащие в основе апоптоза, в раннем онтогенезе могут быть ответственны также за элиминацию синапсов и структурную реорганизацию нейронных ансамблей [16, 17]. Каспаза активируется в синаптических терминалях в ответ на целый ряд стимулов [15]. Субстратами каспазы-3 являются, среди прочих, белки цитоскелета [2]. Среди них актин и спектрин, взаимодействие которых играет важную роль в регуляции поведения конусов роста и в формировании дендритных шипиков. Не исключено, что эти перестройки могут осуществляться на основе индивидуального опыта и иметь отношение к механизмам, обеспечивающим созревание определенных форм приспособительного поведения. Исходя из этого, мы выдвинули гипотезу об участии каспазы-3 в реорганизации синап-
тических контактов в критические периоды развития, а возможно, и при обучении.
Ранее мы обнаружили ряд фактов, косвенно свидетельствующих в пользу этой гипотезы. Оказалось, что до начала интересующего нас периода (до 18-го постнатального дня) вырабатываются классические условные рефлексы, такие, например, как условнорефлек-торный страх и другие аффективные условные реакции. Инструментальные рефлексы в этом возрасте приобретаются с большим трудом. Было установлено, что реакция избавления вырабатывается в среднем с 18-го постнатального дня, что по времени совпадает с периодом активации каспазы-3 [5]. Сходные результаты были обнаружены у животных в тесте "водный лабиринт" [7], в котором латентный период достижения платформы постепенно сокращался у 18-дневных, но не у 17-дневных крысят. Задержку формирования этого вида обучения связывают с более поздними сроками созревания гиппокампа по сравнению с другими структурами мозга [18]. Полученные результаты позволили нам несколько уточнить наши первоначальные представления и предположить, что активация каспазы-3 в интересующий нас период развития может иметь отношение к становлению именно инструментального поведения и способности к выработке инструментальных рефлексов.
Настоящая работа является продолжением этой серии исследований. С целью дальнейшего подтверждения гипотезы об участии проте-иназ мозга в механизмах обучения и памяти, в данной работе мы поставили задачу выяснить, оказывает ли центральное введение ингибитора каспазы-3 в период ее естественной активации влияние на последующее развитие компонентов оборонительного поведения, определяющих характер обучения у крыс.
МЕТОДИКА
В работе использовали крыс (самцов и самок) линии Вистар (питомник "Столбовая", Московская обл.), начиная с 18-го постнатального дня, массой 25-30 г (п = 44). Появление потомства проверяли 2-3 раза в день в дневное время суток. День появления потомства считали нулевым и, начиная с этого дня, производили отсчет для определения возраста. Таким образом, ошибка в измерении возраста не превышала 0.5 сут. Животных содержали в виварии (потомство в одной клетке с матерью) при естественном освещении и свободном доступе
к воде и пище. Все эксперименты выполняли в соответствии с требованиями Директивы Совета Европейского сообщества (86/609/EEC) об использовании животных для экспериментальных исследований.
В 18-дневном возрасте всех животных распределяли по четырем группам, в трех из них была проведена операция по интрацеребро-вентрикулярному введению ингибитора кас-пазы-3 (группа Z-DEVD-FMK, n = 9), контрольного пептида (группа Z-FA-FMK, n = 10) или изотонического раствора NaCl (n = 18). Крыс анестезировали внутрибрюшинной инъекцией хлоралгидрата в дозе 350 мг/кг. На определенном нами в предварительных экспериментах расстоянии от глаз и ушей (1.5 мм латерально) череп прокалывали остро заточенной направляющей, имеющей ограничитель по глубине погружения. Этот же ограничитель контролировал перпендикулярное направление введения относительно кости. Введение ингибитора каспазы-3 или контрольного пептида проводили непосредственно во время операции. Иглу для инъекции вводили через отверстие направляющей так, чтобы глубина погружения составила 5.5 мм. Координаты и глубину погружения определяли в предварительных экспериментах с использованием красителя. У незрелых животных желудочки в процентном отношении относительно целого мозга занимают больший объем. Поэтому по результатам морфол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.