ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2007, № 4, с. 454-461
ФИЗИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.825
АНАЛИЗ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКОЙ И ГАМК-ЕРГИЧЕСКОЙ МЕДИАТОРНЫХ СИСТЕМ В ОБОНЯТЕЛЬНОЙ КОРЕ МОЗГА СПОНТАННО ГИПЕРТЕНЗИВНЫХ КРЫС in vitro
© 2007 г. А. X. Хама-Мурад, А. А. Мокрушин
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, 199034 Санкт-Петербург, наб. Макарова, 6
E-mail: mok@inbox.ru Поступила в редакцию 15.05.2006 г.
На переживающих срезах обонятельной коры мозга крыс линии SHR исследовали влияние устойчивой гипертензии на активность нейронов и синаптической передачи. По сравнению с нормотен-зивными крысами профили фокальных потенциалов (ФП) гипертензивных крыс характеризовались: короткой длительностью АМПА (а-амино-3-гидрокси-5-метилизоксазол-4-пропионовая кислота) компонента, возбуждающего постсинаптического потенциала (ВПСП); низкой амплитудой и большой длительностью ^метил^-аспартатного (НМДА) компонента ВПСП; большой амплитудой ГАМКБ-зависимых медленных тормозных постсинаптических потенциалов. Показано, что чувствительность глутаматных рецепторов, отвечающих за генерацию АМПА и НМДА ВПСП, в срезах мозга гипертензивных крыс снижалась при действии экзогенного L-глутамата в концентрации 1 мМ. Тетанизация срезов нормотензивных крыс в срезах мозга гипертензивных крыс индуцировала развитие первоначальной кратковременной потенциации, которая затем сменялась депрессией. Полученные данные свидетельствуют о том, что устойчивая гипертензия оказывает депрессирую-щее влияние на базисные глутаматергические и ГАМК-ергические характеристики синаптической активности нейронов, а также угнетает процессы научения и памяти. Эти процессы, по-видимому, обусловлены перманентной глутаматной эксайтотоксичностью в мозге гипертензивных крыс.
Установлено, что устойчивая гипертензия вызывает изменения в функционировании многих систем организма, прежде всего она значительно сказывается на функционировании различных отделов мозга. Она является одной из главных причин возникновения ишемических и геморрагических инсультов мозга (Hachinski, 1991). Из клинических наблюдений известно, что устойчивая гипертензия индуцирует хроническую ишемию мозга, что, в свою очередь, приводит к нарушению когнитивных функций различной степени - от легких когнитивных расстройств до выраженных де-менций, особенно в пожилом возрасте (Kilander et а!., 1998; Tzourio et а!., 1999; Тзоурио, 2005).
Нейрофизиологическими коррелятами расстройств когнитивных функций являются снижение активности нейронов коры головного мозга, выявленное в экспериментах на спонтанно гипертензивных крысах при анализе электроэнцефалограмм (Chichibu et а!., 2002). Кроме того, длительная устойчивая гипертензия приводит и к морфологическим нарушениям в различных отделах мозга. Так, обнаружены структурные изменения астроцитов и уменьшение общего числа нейронов в гиппокампе, что сопровождается редукцией активности этой области мозга (Sabbatini et а!., 2000).
Очевидно такие изменения в мозге опосредуются различными патофизиологическими механизмами и приводят к снижению когнитивных функций. Полагают, что одним из главных факторов нарушения деятельности мозга, вызываемой устойчивой гипертензией, являются гипо-ксические/ишемические механизмы (Torre de la, 2002). К настоящему времени установлено, что гипоксическое или ишемическое воздействия вызывают массированный выброс клетками глутамата и аспартата в экстраклеточное пространство (Obrenovitch, Urenjak, 1997), что приводит к гиперактивации глутаматных рецепторов, нарушению механизма обратного захвата глутамата, интенсивному входу ионов кальция внутрь клеток, инициации каскадов событий, связанных с дисфункцией митохондрий, активацией эндогенных протеаз - явлениям, которые сопровождают глутаматную эксайтотоксич-ность и приводят к гибели клеток (Choi, 1988; Michaelis, 1988; Stover, Unterberg, 2000). Главной мишенью действия избыточной концентрации глутамата являются ионотропные глутаматные рецепторы - АМПА и НМДА.
Эти данные дают основание предполагать, что устойчивая гипертензия будет оказывать значительное и, по всей вероятности, негативное
влияние на одну из ключевых медиаторных систем - глутаматергическую. Мы полагаем, что в основе негативных изменений в мозге лежат процессы, вызываемые эксайтотоксичностью, индуцируемой устойчивой гипертензией.
Модификации возбуждающей глутаматерги-ческой медиаторной системы, возникающие при гипертензии, мало изучены. Между тем, известно, что глутаматергическая система является главной возбуждающей медиаторной системой в мозге, и нарушения ее функционирования могут негативно сказаться на механизмах трансляции сенсорных сигналов, а также на развитии процессов научения, формирования энграмм памяти.
Устойчивая гипертензия, вероятно, будет влиять и на функционирование тормозных систем мозга, опосредуемых ГАМК. Можно полагать, что нарушения нормального функционирования этих механизмов будут вызывать дисбаланс возбуждающих и тормозных процессов и, тем самым, способствовать развитию повышенной активности или даже судорожного состояния мозга. В этой связи важно отметить, что формирование ювенильной гипертензии сопровождается выраженной гиперактивностью (Sagvolden et al., 1993), что косвенным образом указывает на снижение активности тормозных механизмов. Однако данные о влиянии гипертензии на функционирование тормозных систем мозга, опосредуемых ГАМК, в литературе отсутствуют.
Глутаматная эксайтотоксичность является одним из наиболее вероятных механизмов негативных модификаций тормозных процессов. Она вызывается гиперактивацией НМДА рецепторов, локализованных на ГАМК-ергических нейронах. Появление и действие на эти рецепторы избыточной концентрации глутамата приведет к нарушению их нормального функционирования.
Таким образом, теоретической основой настоящей работы является предположение о том, что негативные эффекты хронической формы артериальной гипертензии проявляются в мозге через развитие совокупности каскадных процессов, объединяемых понятием глутаматная экс-айтотоксичность.
Для исследования молекулярно-клеточных процессов, вызываемых в мозге устойчивой гипертензией, представляется наиболее оптимальным использовать спонтанно гипертензивных крыс линии SHR. Эти животные также используются в качестве экспериментальной модели для изучения известного клинического феномена -дефицита внимания у детей с ювенильной гипертензией (Sagvolden, Sergeant, 1998). Крысы этой
линии характеризуются тем, что устойчивая гипертензия у них формируется в возрасте 3-4 нед, и высокие показатели систолического и диасто-лического артериального давления стабильно удерживаются на протяжение всей жизни (Christiansen et al, 2002).
Для проверки эксайтотоксического механизма воздействия устойчивой гипертензии на структуры мозга в настоящей работе проведено сравнение базисных характеристик возбуждающей глу-таматергической и тормозной ГАМК-ергической синаптических трансмиссий в переживающих срезах обонятельной коры мозга гипертензивных крыс линии SHR и крыс линии Вистар, использованных в качестве контроля. Кроме того, были исследованы эффекты, вызываемые аппликацией Z-глутамата, а также развитие процессов научения в переживающих срезах мозга крыс этих линий. Предварительные данные по этой проблеме опубликованы ранее (Хама-Мурад, Мокру-шин, 2005).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Эксперименты были проведены на переживающих тангенциальных срезах обонятельной коры мозга крыс-самцов линии SHR (виварий Института физиологии им. И.П. Павлова РАН) с устойчивой гипертензией (систолическое давление 180 ± 7 мм рт. ст.) в возрасте 4 мес. В качестве контроля были исследованы такие же срезы обонятельной коры мозга крыс линии Вистар с нормальным артериальным давлением (120 ± 4 мм рт. ст.). Артериальное давление у крыс определялось при помощи манжеты с датчиками давления, укрепленной на хвосте.
Срезы (рис. 1а) толщиной 500 мкм после приготовления преинкубировались в среде следующего состава: NaCl 124.0 мМ; KCl 5.0; CaCl2 2.6; KH2PO4 1.24; MgSO4 1.2; NaHCO3 3.0; глюкоза 10.0; трис-HCl 23.0 мМ. Раствор насыщался кислородом, температура поддерживалась на уровне 37°С, рН 7.2-7.3. Через 2 ч преинкубации срезы переносили в регистрирующую проточную камеру со скоростью перфузии 2 мл/мин, среда и атмосфера над срезами насыщались кислородом.
Ортодромное раздражение латерального обонятельного тракта (ЛОТ) производилось стимулами прямоугольной формы, длительностью 0.1 мс, интенсивностью 1-5 В от стимулятора ЭСУ-1 (Россия) через платиновые биполярные электроды (рис. 1а). В срезах регистрировались ФП стеклянными микроэлектродами, заполненными 1 M NaCl с сопротивлением 1-5 мОм (рис. 16). Индифферентный серебряный электрод располагался в камере.
10 мс
ТПСПм
Рис. 1. Схема среза обонятельной коры мозга (а) и регистрируемого в нем фокального потенциала (ФП) (б): ЛОТ - латеральный обонятельный тракт; СЭ -раздражающий электрод и стимулирующий импульс; ПК - пириформная кора, РЭ - регистрирующий электрод; ПД ЛОТ - суммарный потенциал действия волокон ЛОТ; АМПА и НМДА ВПСП - компоненты возбуждающего постсинаптического потенциала; ТПСПм - медленный (ГАМКБ-ергический) тормоз-ный постсинаптический потенциал. Пунктирная линия (б) - изолиния. Стрелки (б) показывают способы измерений амплитуд отдельных компонентов ФП. Калибровка: 0.1 мВ; 10 мс (для рис. 1-3).
ФП усиливались, оцифровывались при помощи аналогоцифрового устройства (МД 32, Россия) с частотой квантования 20 кГц и обрабатывались на компьютере с помощью специальной программы. Анализировались амплитуды возбуждающих компонентов ФП с соответствующими процессами ге-неза и опосредуемые разными рецепторными механизмами: суммарный потенциал действия латерального обонятельного тракта (ПД ЛОТ) (пресинаптический компонент ФП); АМПА и НМДА компоненты ВПСП. Кроме того, количественному анализу активности тормозных механизмов были подвергнуты изменения амплитуд медленного тормозного постсинаптического потенциала (ТПСПм), генерируемого ГАМКБ-ергическими процессами (рис. 16).
Отдельная группа срезов обонятельной коры мозга нормальны
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.