НЕЙРОХИМИЯ, 2015, том 32, № 1, с. 78-85
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ^^^^^^^^^^^^ РАБОТЫ
УДК 502.084;591.121.3
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПРОТОНОВ В ПИКЕ БРЭГГА НА ПОВЕДЕНИЕ КРЫС И ОБМЕН МОНОАМИНОВ
В НЕКОТОРЫХ СТРУКТУРАХ МОЗГА
© 2015 г. А. С. Штемберг1, 4, В. С. Кохан1, В. С. Кудрин1, 3, М. И. Матвеева1, К. Б. Лебедева-Георгиевская1, Г. Н. Тимошенко4, А. Г. Молоканов4, Е. А. Красавин4, В. Б. Наркевич2, 3, П. М. Клодт2, 3, А. С. Базян1, 2, 4*
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр РФ Институт медико-биологических проблем РАН, Москва Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН 3Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт фармакологии РАМН им. В.В. Закусова, Москва 4Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
Изучали влияние облучения протонами в дозах 1 и 2 Гр в пике Брэгга с энергией 170 МэВ на процессы обучения, воспроизведения навыков и концентрацию моноаминов и их метаболитов в префрон-тальной коре, прилежащем ядре (nucleus accumbens), гипоталамусе, стриатуме и гиппокампе крыс. В Т-образном лабиринте проводили дискриминантное обучение с пищевым подкреплением. Крыс обучали пять дней, из которых со второго до пятого дня животные выявили значимый уровень обучения по сравнению с первым днем. После облучения, на шестой день наметилась тенденция к снижению эффективности выполнения теста, достигшая значимых различий на седьмой день тестирования. Облучение протонами в дозах 1 и 2 Гр в пике Брэгга не повлияло на выработку и воспроизведение рефлекса пассивного избегания. То же самое воздействие вызывает уменьшение концентрации ка-техоламинов в префронтальной коре и концентрации 3-МТ — метаболита дофамина в стриатуме. На основании обнаруженных нарушений нейрохимических показателей в соответствующих структурах мозга можно достаточно логично объяснить наблюдаемые нарушения поведения.
Ключевые слова: облучение, протоны, пик Брэгга, моноамины, метаболиты, структуры мозга, поведение.
DOI: 10.7868/S1027813315010100
В дальних космических экспедициях, связанных с выходом за пределы магнитосферы Земли, в частности, при осуществлении Марсианской миссии, одним из основных лимитирующих возможность осуществления таких экспедиций факторов становится радиационный, который может привести к нарушениям функций ЦНС, лежащих в основе операторской деятельности космонавтов. А это, в свою очередь, представляет реальную опасность для выполнения ими полетного задания и самой их жизни. При этом следует подчеркнуть, что, в отличие от отдаленных последствий воздействия радиации (канцерогенез, катаракто-генез, цитогенетические нарушения, сокращение продолжительности жизни и др.), эргономический риск, обусловленный возможными нарушениями операторской деятельности космонавтов,
* Адресат для корреспонденции: 117485, Москва, ул. Бутлерова, 5а, тел.: (495) 334-77-89, e-mail: bazyan@mail.ru.
связан с угрозой их жизни непосредственно в процессе полета. Основную опасность представляют галактические космические лучи (ГКЛ), существенным компонентом которых являются протоны высоких энергий. К сожалению, экспериментальных данных о нарушениях высших ин-тегративных функций ЦНС и их нейрохимических механизмах при облучении протонами высоких энергий весьма мало. Показано, что воздействие протонов в дозах менее 3 Гр вызывало нарушение выработанной вкусовой аверсии в течение 3 дней после облучения [1]. Облучение протонами с энергией 250 МэВ в дозах 3 и 4 Гр приводило к преходящему угнетению двигательной и исследовательской активности крыс в "открытом поле", а также к снижению способности удержания на ротароде при облучении в дозе 4 Гр [2]. Эти данные согласуются с результатами ранее проведенных нами экспериментов по изучению воздействия электронов с энергией 165 МэВ в до-
зах 1.5 и 3 Гр (на пролете) на поведение в "открытом поле", выработку условных рефлексов активного избегания (УРАИ) в У-образном лабиринте и обмен моноаминов в некоторых ключевых структурах мозга. Было получено однонаправленное дозозависимое снижение активных компонентов поведения — двигательной и ориентировочно-исследовательской активности и возрастание тревожности и реакции страха в тесте "открытого поля". Значимых изменений в скорости обучения У-образном лабиринте не наблюдалось. Поведенческие данные в целом согласовались с результатами нейрохимических исследований. Основными структурами, в которых наблюдались достоверные изменения, оказались префронтальная кора и гиппокамп (снижение содержания серотонина и метаболита дофамина — 3-МТ) [3].
В цикле работ американских исследователей выявлены серьезные поведенческие и нейрохимические нарушения при воздействии ионов 5^е даже в незначительных дозах (0.2—1 Гр), что подтверждает базовую радиобиологическую закономерность зависимости относительной биологической эффективности (ОБЭ) от линейной передачи энергии (ЛПЭ) [4—8]. Эти данные позволили авторам оценить ОБЭ ионов 5<^е в величину порядка 50 [7]. Известно, что при замедлении прохождения заряженных частиц в ткани резко возрастает ЛПЭ и, соответственно, ОБЭ — так называемый пик Брэгга. Данных об эффектах воздействия высокоэнергетических протонов в пике Брэгга на функциональные реакции ЦНС нам не известно.
Исходя из изложенного, целью настоящей работы было исследование эффектов воздействия протонов с энергией 170 МэВ на поведение и концентрацию моноаминов и их метаболитов в различных структурах мозга крыс, принимающих активное участие в реализации поведения и моторного контроля и формирующих эмоциональные и мотивационные состояния.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Опыты проводили на самцах крыс линии Ви-стар массой 160—180 г. Для проведения работы было использовано 59 крыс. На 32 животных было исследовано поведение, а у 27 крыс определена концентрация моноаминов и их метаболитов в различных структурах мозга. Было облучено в дозе 1 Гр 8 животных для исследования поведения и 9 животных для нейрохимических исследований, а в дозе 2 Гр — 9 животных для исследования поведения и 9 животных для нейрохимических исследований. При поведенческих исследованиях группа контрольных животных состояла из 15 животных, а при нейрохимических — из 9 животных. Правила работы с животными и протоколы экс-
периментов утверждены Комиссией ИМБП РАН по биомедицинской этике.
Облучение крыс протонами проводили на установке "Фазотрон" в Объединенном институте ядерных исследований (Дубна). Дозы облучения составили 1 и 2 Гр в пике Брэгга, энергия протонов 170 МэВ. Животных исследовали на вторые сутки после облучения.
Поведенческие исследования. Для дискрими-нантного обучения крыс использовали Т-образный лабиринт (Open Science, Россия) с шириной аллеи 10 см, длиной рукавов 30 см и высотой стенок 16 см; боковые рукава рассекались параллельной центральному рукаву перегородкой длиной 17 см таким образом, что животное не могло видеть противоположный рукав, находясь в соседнем. Перпендикулярно этой перегородке была установлена другая, перекрывающая основной рукав; таким образом, можно было открывать и закрывать проход в боковые рукава лабиринта. В оба боковых рукава лабиринта устанавливали пластиковые емкости для пищевого подкрепления (диаметром 2.5 см и высотой 1 см). В одну из емкостей помещали кусочек сыра (подкрепление), другая лишь протиралась кусочком сыра для сохранения его запаха. Перед каждым тестированием животные находились двое суток в условиях пищевой депривации — отсутствие пищи при свободном доступе к воде; после тестирования животные одни сутки получали свободный доступ к воде и еде. Таким образом, тестирование повторялось каждый пятый день. Условным сигналом служил звук частотой 1 кГц (левый рукав) и 2 кГц (правый рукав). Процедура обучения заключалась в следующем. Крысу помещали в центральный рукав, подавали звук, соответствующий рукаву с подкреплением, и, поднимая перегородку, давали возможность крысе в течение трех минут свободно перемещаться до нахождения пищевого подкрепления; при этом в первый день время не лимитировалось: крысу вынимали лишь после нахождения пищевого подкрепления, результаты не документировали. В дальнейшем, в случае нахождения (касания носом кормушки) или поедания сыра ранее трех минут фиксировали время и такую попытку считали правильной. В случае не нахождения пищевой награды или поворота в рукав без пищевого подкрепления попытку считали неуспешной, а время документировали как 180 с. После каждой успешной или неуспешной попытки сыр перемещался по следующей схеме Л-П-Л-П-Л-П-П-Л-Л-П-П-Л-П-Л-П (Л - левый рукав, П — правый рукав лабиринта) или инверсно (на следующий день тестирования). Всего в день предоставляли 15 попыток, и определяли количество успешных попыток. Количество правильных реакций вычисляли в процентах относительно 15 попыток, принятых за 100%. После облучения тестирование возобновляли на пятый день.
Выработка условного рефлекса пассивного избегания (УРПИ). В тесте использовали стандартную челночную камеру, состоящую из двух отсеков [9]. В одном из отсеков освещенность составляла 250 лк (светлый отсек), в другом — 12 лк (темный отсек). Животное помещали в светлый отсек при открытой дверце между отсеками и фиксировали время перехода всеми четырьмя лапами в темный отсек. Как только животное полностью переходило в темный отсек, дверь между отсеками закрывали и подавали на пол темного отсека однополярные прямоугольные импульсы напряжением 40 В и частотой 100 Гц в течение 1 с, после чего животное перемещалось в домашнюю клетку. Через 30 мин тест повторяли, фиксировали время перехода в темный отсек. Через 7 дней тест повторяли для оценки долговременной памяти, фиксировали время перехода в темный отсек. Выработку УРПИ проводили на 2-й день после облучения на тех же животных, проверку воспроизведения проводили через 30 мин и 7 дней после выработки рефлекса.
Статистическая обработка результатов. Стандартную статистическую обработку данных проводили с помощью статистического пакета Statis-tica 8 ("StatSoft Inc.", США). Было показано, что полученные данные
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.