Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Электроэнцефалографический анализ взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Электроэнцефалографический анализ взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга"

На правах рукописи

РГБ ОД

1 / АВГ 2003

Ахметова Елена Ралифовна

Электроэнцефалографический анализ взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга

03.00.13 - физиология человека и животных

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Пущино- 2000

Работа выполнена в лаборатории медицинской биофизики Института биофизики клетки РАН, г. Пущино.

Научные руководители:

доктор биологических наук О.В. Годухин доктор медицинских наук Г.И. Ковалев доктор бйологических наукВ.В. Воробьев

Официальные доктор биологических наук Т.П. Семенова

оппоненты: доктор медицинских наук, профессор М.М. Козловская

Ведущая организация: Институт высшей нервной деятельности РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится 2000 г. в ¿3 часов Зомину:

на заседании Диссертационного совета Д 200.22.01 в Институте теоретической I экспериментальной биофизики РАН по адресу 142290, г. Пущино Московское области, проспект Науки, ИТЭБ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭБ РАН.

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета —у <

Кандидат биологических наук Т/члй //¿¿^¿ГГА^Делипович

1 I

Актуальность проблемы.

Актуальность исследования взаимодействия различных нейромедиаторных систем определяется не только задачами, связанными с пониманием механизмов деятельности мозга, но и необходимостью разработки фармакологических средств коррекции разного рода нейропатологий. Использование для этой цели электроэнцефалограммы (ЭЭГ) предоставляет уникальную возможность неинвазивиого исследования динамических аспектов взаимодействия медиаторных систем мозга. ЭЭГ- подход с успехом использовался ранее и продолжает применяться в настоящее время при изучении различных фармакологических препаратов [Раевский, Георгиев, 1986; Воробьев, Гальченко, 1988; Каминка и др., 1990; Knott et al., 1996]. В настоящее время получен обширный материал по отражению в ЭЭГ изменений в активности многих нейромедиаторных систем мозга [Abercrombie et al., 1986; Sainsburi, Partió, 1990; Emilien, 1990; Воробьев и др., 1992; Панюшкина и др., 1994]. ЭЭГ- подход в исследовании фармакологических препаратов удобен и тем. что он имеет ряд преимуществ перед экспериментами in vitro (возможность прижизненного исследования динамических характеристик электрической активности мозга, возможность сравнения изменений одновременно в нескольких структурах), а также поведенческими методиками, не позволяющими исследовать тонкие механизмы действия этих препаратов на активность нейронов и нервных сетей.

Как показывают многочисленные данные, в нейрохимическом обеспечении интегративной деятельности мозга важную роль играют "классические" медиаторные системы. Это реализуется как на основе собственных эффектов каждой из систем, так и в результате их взаимодействия. Особый интерес в этом отношении представляет изучение особенностей отражения в частотном спектре ЭЭГ активности глутамат- и холинергической систем в отдельности, а также их взаимодействия, поскольку известна их важная роль в механизмах обучения и памяти, в возникновении таких патологических состояний как, например, эпилепсия [Медцрум, 1982; Foster et al., 1987; Dingledine et al., 1990; March, 1998], нейродегенеративные расстройства [Dickenson, 1990], нарушения памяти [Вертоградова и др., 1984], травматические повреждения мозга, а также при действии наркоза [Irifune et al., 1992].

Ранее в рамках единого методического подхода не было проведено сравнительного изучения отражения отдельных медиаторных систем мозга и их взаимодействия в частотном составе ЭЭГ. Это существенно ограничивает понимание механизмов действия исследуемых фармакологических препаратов, многие из которых могут влиять на активность различных медиаторных систем мозга.

Цель работы заключалась в доказательстве участия медиатор-рецепторного взаимодействия глутамат- и холинергической систем в формировании частотного состава ЭЭГ и исследование особенностей отражения в частотном составе ЭЭГ взаимодействия между этими системами.

Задачи исследования:

1. Исследовать динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях. применения агонистов и антагонистов рецепторов глутаматной системы мозга при различных дозах этих веществ,^а также при их совместном введении.

2. Исследовать динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях применения агонистов и антагонистов рецепторов холинергической системы мозга при различных дозак этих веществ и при их совместном введении.

3. Изучить изменения частотного спектра ЭЭГ коры мозга крыс при совместном использовании агониста одной из нейромедиаторных систем с антагонистом другой системы.

4. Показать перспективность ЭЭГ- подхода для анализа участия нейромедиаторных систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

Научно-практическая ценность работы.

Экспериментально доказано участие рецегтгорных механизмов в формировании частотного спектра ЭЭГ и показаны особенности отражения в частотном спектре ЭЭГ взаимодействия глутамат- и холинергической систем. Это позволяет использовать полученные данные и сам подход для анализа нейромедиаторных механизмов фармакологических воздействий на' головной мозг. Выявленные специфические изменения ЭЭГ позволяют отработать методику обнаружения изменения рецепторного генеза при применении различных биологически активных препаратов, что имеет большое значение для лечения различных нарушений мозга, связанных с той или иной нейромедиаторной системой, а также с их. взаимодействием. Научная новизна работы.

Проведен комплексный анализ отражения в частотном составе ЭЭГ медиатор- рецепторного взаимодействия для глутамат- и холинергической систем. Впервые проведен анализ изменений частотного спектра ЭЭГ при одновременном использовании агонистов и антагонистов различных нейромедиаторных систем. Показано, что снижение активности холинергической системы повышает активность глутаматергической системы, тогда как угнетение глутаматной системы антагонистами разных подтипов глутаматных рецепторов может как усиливать, так и понижать активность холинергической системы.

Положения, вынесенные на защиту.

1. Медиатор- рецепгорные взаимодействия в мозге отражаются закономерным образом на частотном составе ЭЭГ.

2. Изменения частотных спектров ЭЭГ зависят от доз применяемых агонистов и антагонистов как глутамат-, так и холинорецеггторов.

3. Изменение активности одной из исследуемых нейромедиаторных систем может влиять на активность другой системы.

4. ЭЭГ- подход является перспективным методом для анализа участия нейромедиаторных систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

Апробация работы.

Материалы диссертации были представлены на "II открытой научной конференции молодых ученых" (Пущино,1997), "10th Biennal Congress of International Pharmaco-EEG Sosiety" (Италия, 1998), Всероссийской школе молодых ученых "Актуальные проблемы нейробиологии" (Казань, 1998). Структура н объем работы.

Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания метода, изложения результатов исследования, обсуждения, заключения и выводов. Список цитируемой литературы включает 212 наименований (37 отечественных и 175 зарубежных работ). Диссертация изложена на 99 страницах, иллюстрирована 15 таблицами и 17 рисунками. Экспериментальный подход п методы исследования. Экспериментальные животные и технология операций Опыты проведены на 40 ненаркотизированных и необездвнженных крысах- самцах (Wistar, массой 250-400 г) с хронически вживленными электродами в симметричные области сомато- сенсорной коры мозга и канюлей в его правый латеральный желудочек. Все операции производились под общим наркозом с использованием подкожных инъекций нембутала в начальной дозе 40 мг/кг и с последующим дробным ее увеличением в зависимости от сложности операции и состояния животного. Вживление корковых электродов проводили с помощью модифицированного аппарата P.M. Мещерского в соответствии со стереотаксическим атласом мозга крыс [Pellegrino at al., 1979] по следующим координатам: АР=0.4, L=3.3, Н=3.7, а=20, где а- угол между сагиттальной плоскостью и плоскостью введения канюли. Индифферентный электрод изготавливался из нержавеющей стальной проволоки диаметром 0.4 мм и вводился в решетчатую кость над носовыми пазухами. Для фиксации электродов и канюль на черепе, а также изоляции мест подсоединения электродов к микроразъему применялся зубной цемент.

Послеоперационный период и схема экспериментов Через двое суток после операции производили адаптацию животных к условиям опытов вплоть до их начала. Она включала помещение животных в экспериментальную камеру (плексигласовый бокс 15x15x30 см), присоединение отводящего кабеля и имитацию опыта без

применения препаратов. Схема последовательности экспериментов состояла из чередования опытов с физиологическим раствором (контроль) и с исследуемыми препаратами. Время введения всего объема (5-6 мкл) исследуемых растворов составляло 1-1.5 мин (в условиях центрального введения). Объем подкожных инъекций составлял 0.5 мл. Перед опытом на протяжении 20-30 мин производили адаптацию крыс к экспериментальной установке, что выражалось в развитии у них состояния физиологического сна. Последующая 10- минутная запись ЭЭГ служила показателем исходного состояния животного. После манипуляций, необходимых для проведения эксперимента, в дальнейшем производилась непрерывная запись ЭЭГ на всем его протяжении. В зависимости от решаемых задач она продолжалась до 1.5 часов. На каждом животном обязательно проводилось несколько контрольных опытов, в которых вместо исследуемого препарата применялась его имитация (физиологический раствор). Данный подход (у каждого животного свой контроль) в значительной степени снимает проблемы, связанные с анатомической, химической и фармакологической специфичностью отдельных животных, что особенно важно для исследований, в которых применяется центральное введение препаратов [Myers, 1974].

Используемые препараты и способы их применения В настоящей работе были исследованы различные фармакологические препараты, являющиеся агонистами и антагонистами рецепторами глутамат- и холинергической систем (табл. 1).

Все препараты готовили на основе изотонического физиологического раствора. Подавляющее большинство из них использовалось только центрально- вводились в латеральный желудочек мозга через вживленную канюлю. Для этого в канюлю вводилась инъекционная игла, которая подсоединялась через гибкий катетер, наполненный исследуемым раствором, к микрошприцу. Время инъекции 5-6 мкл раствора составляло 1.5-2 мин. Подобные манипуляции не вызывали существенного изменения в состоянии животных за исключением слабой ориентировочной реакции. С учетом этого, а также быстрого распространения по мозгу введенного в его латеральный желудочек вещества [Ghersi-Egea et al., 1996] регистрацию ЭЭГ начинали практически сразу после инъекции. Физостигмин и скополамин применяли подкожно. Операции и эксперименты проводились в строгом соответствии с Ethical principles and guidelines for experiments on animals [Experienta, 1995, v.51, n. 1, p. 1-3].

Номенклатурное название (используемое название) Свойства Используемые дозы (нмоль) Изготовитель

L-glutamic acid hydrochloride (L-глугамат) аг. глут. p. 100 Reanal, Hungary

D-glutamic acid hydrochloride (D-глутамат) аг. глут. p. 100 Sigma, USA

N-Memn-D-аспартат (НМДА) аг. НМДА-р. 0.1; 1; 5; 10 Sigma, USA

(+)-3-(2-carboxypiperazin-4-yl)-propyl-l-phosphonie acid (CPP) ант. НМДА-р. 0.1; 1 RBI, USA

(+)-QuisquaIic acid (квисквалат) аг. квискв. p. 0.1; 1; 5 дар проф. J.Levi, Italy

Glutamic acid diethyl ester (GDEE) ант. квискв. р. 100;1000 дар проф. Л.Б.Пиотровского

3N-oxalyl-L-2,3,diamino-propionic add (ODAP) аг. квиск. р. 50; 100;500 дар проф. Л.Б. Пиотровского

6.7-dinitroc]uinoxaline-2,3-dione (DNQX) ант. квиск. р. 1; 10 дар проф. Л.Б.Пиотронского

(-)-Physostigmine sulfate (физостигмин) инг. АХЭ 0.05; 0.25; 1 (мг/кг) Merck

(-)-Scopolamine hydrobromide (скополамии) ант. МХР 0.5; 2; 10 (мг/кг) Katayama

Примечания: аг.- агоиист, ант.- airraroimcT, р.- рецептор, глут.- глутамат; квиск,-квисквалат, АХЭ- ацетилхолитстераза, МХР- мускаринов.ый холинорецептор.

Регистрация и анализ ЭЭГ

Регистрацию и анализ ЭЭГ (использовали, соответственно, усилитель биопотенциалов УБФ4-03 и IBM РС/286 совместимый персональный компьютер) начинали за 10 мин до (фон) и через 30 с после введения препаратов и проводили непрерывно на протяжении всего эксперимента (60 мнн).

В данной работе использовался комплексный анализ частотного спектра ЭЭГ с использованием модифицированного амплитудно-интервального алгоритма, а на его основе исследовали эффекты комбинированного воздействия веществ на медиаторные системы мозга. Данный подход, составивший основу всех дальнейших исследований, был разработан в нашей лаборатории совместно с A.A. Гальченко [Воробьев, Гальченко, 1997]. Полученные с помощью данной программы частотные спектры ЭЭГ (от 0.5 до 30 Гц) для выбранных эпох анализа (обычно от 5 до 30 с.) затем усредняются на исследуемых интервалах времени (от единиц до десятков минут) с использованием программы статистической обработки. При этом определяются средние значения амплитуд отдельно для каждого частотного поддиапазона, доверительные интервалы и стандартные ошибки среднего для этих величин.

Анализ результатов

После каждого эксперимента производилась оперативная оценка его рпулътато» у каждого нгниогного путем сравнения усредненных

спектров в соответствующие интервалы времени с фоновыми значениями, полученными в этот же день. Результаты такого анализа позволяли производить исследования в условиях проведения опыта как на конкретном животном в один и тот же день, так и на том же самом животном в последующие дни. По завершении серии экспериментов производилось усреднение данных, полученных на всех животных как в контроле, так и в опытах с исследуемым воздействием. Затем осуществляли сравнение усредненных данных между собой и с соответствующими фоновыми значениями. Выраженное сходство полученных результатов указывало на наличие истинного эффекта исследуемого воздействия. Достоверность (р<0.05) обнаруженных различий определяли по Т- и U-критериям [Урбах, 1964]. Определение локализации электродов и канюль

После завершения экспериментов с целью оценки положения канюли в желудочке мозга производили инъекцшо ангиотензина II в дозе 10 мкг на крысу. Усиленное потребление животным воды в 15- минутный период после введения препарата указывало на расположение кончика канюли в желудочке мозга [Severs, Summy-Long, 1976]. На начальном этапе отработки техники вживления канюль с этой же целью использовали введение в них 6-8 мкл раствора метиленового синего [Myers, 1974].

По окончании опытов крыс забивали ингаляцией эфира в летальной дозе, производили коагуляцию мозговой ткани в области расположения кончиков глубинных электродов пропусканием через них в течение 10 секунд постоянного тока силой 1 мА. Сразу после этого мозг выделяли и фиксировали в 10% растворе формалина для последующего изготовления тонких срезов на замораживающем микротоме и морфологического контроля локализации кончиков электродов и канюли. Результаты исследований.

В контрольных опытах лишь в первые 5 мин после введения физиологического раствора в правый латеральный желудочек мозга наблюдались умеренная активация в поведении крыс и достоверные изменения в частотных спектрах ЭЭГ по отношению к соответствующим значениям в фоне: усиление ритмов 20-26 Гц и ослабление 8-12 Гц. Подобные ЭЭГ-эффекты, но более продолжительные, наблюдались и при подкожном применении физиологического раствора Обязательное сравнение с контрольными опытами в настоящем исследовании позволило вычленить этот неспецифический компонент из эффектов анализируемых препаратов. Глутаматергическая система

Методологически данный раздел построен на последовательном для каждого из исследуемых подтипов глутаматных рецепторов представлении данных о дозовой зависимости и фармакодинамике ЭЭГ-эффектов как агонистов, так и антагонистов и о модифицирующем влиянии антагониста на выявленные ЭЭГ- эффекты соответствующего агониста.

Инъекции СРР, НМДА, квисквалата, СОЕЕ и ОБ АР вызывали дозозависимые эффекты в ЭЭГ (рис.1). Так, если вероятность появления достоверных изменений в ЭЭГ правого полушария контрольных экспериментов по отношению к фону за весь опыт составляла лишь 12%, то после введения НМДА в дозах 0.1, 1, 5 и 10 нмолъ равнялась 39, 68, 86 и 96 %, соответственно; в опытах с СРР- 48 и 90% при дозах препарата 0.1 и 1 нмолъ; при применении квискалата в дозах 0.1, 1 и 5 нмоль- 15, 63 и 79%, соответственно, а для СБЕЕ в дозах 100 и 103 нмоль- 8 и 31%. После введения (ЖАР в дозах: 10, 50 и 500 нмоль вероятности достоверных изменений равнялась 25, 56 и 83%, а при применении БИОХ в дозах 1 и 10 нмоль- 13 и 27%. Для Б- и Ь-Глу (100 нмоль) значения вероятностей составляли 29 и 52%, соответственно. Приведенные показатели эффективности действия препаратов достоверно (р<0.01, и-критерий) отличались от контрольных значений.

д, %

100

ва! О-вИП-Ои ХМ0Д

ББЕЕ ООАГ ОКОХ

Рис.1. Вероятность достоверных изменений в частотных спектрах ЭЭГ коры правого полушария мозга крыс в опытах с введением исследуемых препаратов (указаны под осью абсцисс в соответствующих дозировках, нмоль). Ордината- вероятность в % достоверных изменений по отношению к соответствующим значениям в контроле.

При внутрижелудочковом введении Б- и Ь- глутамата в дозе 100 нмоль (рис.2) наблюдается выраженная реакция активации (усиление ритмов 20-26 Гц и ослабление 8-14 Гц) в электрограммах правого полушария мозга в первые 10 мин после инъекции. Кроме этого, после ведения Ь-глу выявляется достоверное усиление колебаний в низкочастотной части (1.5 Гц) и тета- диапазона (4.9 Гц). Подобных эффектов при введении О-глу практически не наблюдалось.

л. %

- 1-Эи|

- - - с-<зы

Рис.2. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мин. интервалы после внутрижелудочкового введения Ь- и Б-глутамата в дозе 100 нмоль.

1 ;—I—I—г—;—г~1—!—I—I—I )—I—I—1 г I—г~ 05 1.5 2.5 36 49 64 82 104 138 20.3 Частота. Гц

1—1—1 Г 1—г~г

о - достоверные отличия от контроля, р<0.05; абсцисса - центральные частоты анализируемых поддиапазонов спектра; ордината -суммарная мощность ритмов соответствующих поддиапазонов в относительных единицах.

НМДА- подтип глутаматныхрецепторов

Основные эффекты НМДА (внутримозговое введение) в дозах 0.1 и 1 нмоль выражались в усилении ритмов в высокочастотной области спектра ЭЭГ (26 Гц), в диапазоне частот 4-6 Гц (только при использовании дозы 1 нмоль) и ослаблении частот в диапазоне 8-16 Гц (данные не показаны) При дозах 5 (рис.3) и 10 нмоль наблюдалось дополнительное возрастание мощности ритмов низкочастотной области спектра (диапазон 0.5-3 Гц), а ослабление в высокочастотной области спектра затрагивала более широкий диапазон 8-26 Гц. Подобные спектральные профили формировались практически сразу после инъекции препарата и сохранялись в течение всего опыта.

На рисунке 3 представлены характерные спектральные профили ЭЭГ после внутрижелудочкового введения СРР- антагониста НМДА-рецепторов. Прежде всего необходимо отметить появление активационного эффекта на частотах 20.3-26.5 Гц для меньшей дозы (данные не показаны). Для большей дозы СРР характерно усиление колебашгак в диапазоне 2-5 ГЦ. При применении как дозы 0.1, так 1 нмоль наблюдалось угнетение частот в диапазоне 8-16 Гц. Характерной особенностью действия препарата является наличие латентной паузы (20 мин) в развитии эффектов.

Учитывая предыдущие данные о наличии латентного периода в развитии эффектов СРР, агонист (НМДА) вводили в желудочек мозга через 20 мин после применения антагониста. На рисунке 3 представлены результаты сравнения этой серии экспериментов с контрольным опытом. Предварительная инъекция СРР (1 нмоль) устраняла эффекты последующего применения НМДА (5 нмоль) в низкочастотной области спектра ЭЭГ (0.5-1.5 Гц). При этом результирующий спектр ЭЭГ в значительной степени совпадал со спектральным профилем, характерным для соответствующего интервала при отдельном применении антагониста.

КвискваяатныП (АМРА) подтип глутаматных рецепторов. Внутрпжелудочковые инъекции агониста и антагониста квисквалатных рецепторов, соответственно, квисквалата и СОЕЕ, вызывают дозозависимые изменения в спектре ЭЭГ по отношению к соответствующим контрольным значениям, полученных в опытах с физиологическим раствором. Основные эффекты квисквалата при дозе 1 нмоль (данные не показаны) выражались в усилении медленных (1 Гц) и быстрых (20-26 Гц) ритмов и в ослаблении- в диапазоне 7.2-13.8 Гц.

Частоте. Гц Частота Гц

Рис.3. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мин. интервалы после применения агонистов: НМДА (5 нмоль), квисквалата (5 нмоль); антагонистов: СРР (1 нмоль), СБЕЕ (1 мкмоль) и НМДА и квисквалата в условиях предварительного введения СРР и СБЕЕ, соответственно, х- достоверные отличия между сериями опытов.

При большей дозе (5 нмоль) наблюдается существенно большее усиление низкочастотных колебаний с расширением диапазона до 4.3 Гц и одновременным угнетением высокочастотных ритмов (рис.3). Подобные спектральные профили формировались практически сразу же после инъекции препарата и сохранялись в течение всего опыта. Квисквалат в дозе 0.1 нмоль не вызывал существенных и закономерных изменений в спектре ЭЭГ.

В условиях применения СОЕЕ при использовании дозы 1 мкмоль (рис.3) наблюдалось усиление колебаний 3.6-4.3 и 12 Гц и ослабление -

1.5 и 16.4-26.5 Гц. В отличие от квисквалата, эффекты антагониста развивались с задержкой на 30 мин.

В контрольном эксперименте при совместном введении препаратов вместо СОЕЕ использовали физиологический раствор. На рисунке 3 представлены результаты сравнения этих двух серий экспериментов. Предварительная (за 20 мин) инъекция СОЕЕ (1 мкмоль) не только устраняла эффекты последующего применения квисквалата (5 нмоль), но и вызывала противоположные изменения в поддиапазонах, демонстрирующих эффекты агониста.

На рисунке 4 показаны изменения частотных спектров электрограмм коры при внутршкелудочковом введении различных доз (ЮАР и ЭИС^Х (агонист и антагонист квисквалатных рецепторов, соответственно). В ЭЭГ коры характерными эффектами СЮ АР при применении дозы 100 нмоль являются раннее усиление ритмов в области тета-диапазона (4-6 Гц) и высоких частот (20.3-26.5 Гц), сохраняющееся на протяжении всего опыта, а также более медленно развивающееся угнетение ритмов в диапазоне 8-16 Гц (данные не показаны). При максимальной дозе наблюдаются усиление низких частот (0.5-2.5 Гц) и ослабление низкочастотной области спекта ЭЭГ с расширением диапазона от 7 до 26 Гц.

Через 5 мин после инъекции минимальной дозы БМ<ЗХ наблюдается небольшое ослабление низкочастотной области спектра (1.5 Гц) и усиление ритмов в диапазонах 8-14 Гц. При применении большей из исследуемых доз выявляется угнетение частот в диапазоне 2.5-4 Гц и усиление высокочастотной области спектра (26 Гц). В целом, данный антагонист оказался малоэффективным препаратом и поэтому совместного введения БИС^Х и ОБ АР не проводилось. Холинергическая система

В данном разделе представлены результаты анализа частотного спектра ЭЭГ соматосенсорной коры в условиях фармакологического воздействия на холинергическую систему при периферическом применении физостигмина- ингибитора активности АХЭ и скополамина- блокатора

60 ч

Рис.4. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мин. интервалы после внутрижелудочкового применения (ЮАР (500 нмоль) и ОЫС?Х (1 нмоль).

п—г—I—I—1—1—I—I—I—I—I 1—I—I—I—1—I—1—I— 0 5 1.5 2.5 3 8 4.9 6.4 8 2 10.4 13 8 20] Частота, Гц

МХР.

Общая вероятность достоверных изменений в контрольном эксперименте составила 24%. При подкожной инъекции физостигмина показатель вероятности достоверных изменений увеличивался до 57, 60 и 81% при дозах 0.05, 0.25 и 1.0 мг/кг, соответственно. В опытах со скополамином общая вероятность достоверных изменений по отношению к соответствующим значениям в фоне составляла при дозах препарата 0.5, 2 и 10 мг/кг- 42, 58 и 68%, соответственно, что достоверно (р<0.01, Ц-критерий) больше соответствующих показателей в контрольных опытах (рис.5).

л, %

80 -

60 -

40 -

20 -

I 1

1

F Р 1

g

fe fe

i 1 1 1 0.05 0.25

Sal Phys

2

3 0.S0 2.00 10.00

Scop

Рис.5. Вероятность достоверных изменений в частотных спектрах ЭЭГ коры правого полушария мозга крыс в опытах с введением исследуемых препаратов (указаны под осью абсцисс в соответствующих дозировках, мг/кг). Ордината- вероятность в % достоверных изменений по отношению к соответствующим значениям в контроле.

В частотных спектрах ЭЭГ коры эффекты физостигмина (рис.6) при дозе 0.05 мг/кг по отношению к соответствующим значениям в контрольных опытах проявились в достоверном усилении ритмов в поддиапазонах 1, 4-6.4 и 20.3-26.5 Гц и угнетении 1.9-3 Гц. Доза физостигмина 0.25 мг/кг вызывала угнетение в полосе частот 8.2-16.4 Гц и усиление диапазонов 20-26Гц (данные по дозам 0.05 и 0.25 мг/кг не показаны}. Максимальная из исследованных доз препарата (1 мг/кг) добавляла к описанному эффекту усиление ритмов в диапазонах 1-1.5 и 3.6-4.9 Гц и нарастание угнетения от 6 до 16 Гц. Данные эффекты развивались в первые минуты после введения препарата и сохранялись на протяжении всего опыта.

о

Рис.6. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мин. интервалы после применения ингибитора АХЭ физостигмина, скополамина (антагониста МХР) и физостигмина (1 м г/кг) в условиях предварительного введения скополамина (0.5 мг/кг).

В частотных спектрах ЭЭГ эффекты скополамина в дозе 0.5 мг/кг при сопоставимых с контрольными значениями проявлялись в достоверном усилении ритмов 2-3.6, 26 Гц и ослаблении 4, 8.2 и 11-20.3 Гц (данные не показаны). Повышение дозы препарата до 2 (рнс.6) или 10 мг/кг вызывало усиление ритмов в диапазонах 2-5, 7 и 9-10 Гц и угнетение высокочастотной области спектра ЭЭГ (26 Гц). Все изменения в частотном спектре формировались в первые 10 мин после применения скополамина.

В экспериментах с совместным использованием препаратов (рис.6) скополамнн вводили за 30 мин до введения физостигмина. Предварительная инъекция скополамина (0.5 мг/кг) снимала ЭЭГ-эффекты последующего применения физостигмина (1 мг/кг). а результирующий спектр ЭЭГ при этом в значительной степени совпадал со спектральным профилем, наблюдающимся при изолированном введении скополамина.

Взаимодействиехопин- и гяутаматергической систем В данном разделе представлены результаты анализа частотного спектра ЭЭГ соматосснсорной коры в условиях одновременного фармакологического воздействия на холин- и глутаматергичсскую системы. Для исследования взаимодействия систем использовали совместное введение антагониста одной системы с агонистом другой. Предполагалось, что изменения ЭЭГ-эффектов агонистов в этом случае отражают взаимодействия между системами. При этом проводилось три серии экспериментов: физиологический раствор +- агонист, антагонист + агонист и контрольный опыт с использованием идентичного 'введения физиологического раствора.

Эффекты НМДА (агонист НМДА-подтипа глутаматных рецепторов) в условиях предварительного введения скополамина (антагонист мускариноашхолинпрецепторов).

При одновременном применении скополамина (системное введение) в п

*

дозе 0.5 мг/кг и НМДА в дозе 5 нмоль (внутримозговая инъекция) в частотном спектре ЭЭГ можно наблюдать усиление частот от 0.5 до 5 Гц и ослабление частот в диапазоне 7.2-26.5 Гц (рис.7). Анализ результатов дает возможность заключить, что скополамин не устраняет эффектов НМДА в частотном спектре ЭЭГ, а лишь модифицирует их. Сравнение спектральных профилей двух серий экспериментов с совместным введением препаратов и контрольного опьгга показывает, что скополамин усиливает ЭЭГ- эффекты НМДА в диапазонах частот 0.5-2.5 и 7-16.4 Гц. Поэтому можно сделать заключение, что угнетение холинергической системы, вызванное введением скополамина, повышает активность глутаматной системы.

Рис.7. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мик. интервалы после применения НМДА (5 нмоль) в условиях предварительного введения скополамина (0.5 мг/кг).

Частота, Гц

Эффекты физостигмина (ингибитор АХЭ) в условиях предварительного применения СРР (антагонист НМДА-подтипа глутаматных рецепторов).

Основные ЭЭГ-эффекгы физостигмина (ингибитор АХЭ, 1 мг/кг) в условиях предварительного применения СРР (антагонист НМДА-рецепторов, 2 нмоль) проявляются в усилении частот в диапазонах 0.51.9, 4.3-4.9, 20.3-26.5 Гц и ослаблении частотных колебаний в диапазоне 7.2- 16.4 Гц (рис.8). Сравнительный анализ результирующего спектра ЭЭГ, полученного в опыте с совместным использованием СРР и физостигмина, со спектральным профилем, наблюдающимся в контрольном эксперименте, выявляет их значительное сходство. Можно видеть, что СРР не устраняет ЭЭГ- эффектов физостигмина, но модифицирует их: например, снижается влияние физостигмина на частотный диапазон 2.5-3 Гц и происходит эволюция эффекта на низких частотах (усиление колебания частот в медленноволновой области спектра расширяется от 0.5 до 1.9 Гц). В целом можно отметить, что СРР усиливает ЭЭГ- эффекты физостигмина в частотных диапазонах 0.5-2 и 7-16.4 Гц. Таким образом, угнетение глутаматной системы вызывает повышение активности холинергической системы.

Частота, Гц

Рис.8. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мин. интервалы после применения физостигмина (1 мг/кг) в условиях предварительного введения СРР (1 нмоль).

Эффекты физостигмина (ингибитора АХЭ) в условиях предварительного введения СБЕЕ (антагонист ЛМРА/ квискваяатного подтипа глутаматных рецепторов).

Рассматривая результаты экспериментов с другим антагонистом глутаматных рецепторов- СБЕЕ (1 мкмоль) при его с совместном введении с физостигмином (1 мг/кг) можно отметить, что основными эффектами в частотном спектре ЭЭГ являются. достоверное усиление колебаний частот в диапазонах 1.5, 4.9-6.4 Гц, 20.3-26.5 Гц и ослабление ритмов в диапазонах 2.5-3.0 и 11.9-16.4 Гц (рис.9).

Частота, Гц

Рис.9. Усредненные спектральные профили ЭЭГ правого полушария мозга крыс в 10-мнн. интервалы после применения физостигмина (1 мг/кг) в условиях предварительного введения вБЕЕ (1 мкмоль).

При сравнении этих данных с результатами кошрольного эксперимента можно видеть, чго эффекты во всех приведённых частотных диапазонах практически аналогичны эффектам, наблюдаемым в контрольных опытах. Исключение составляет только низкочастотная область спектра- эффект усиления данной области в опытах с совместным применением вБЕЕ и физостигмина значительно ослабляется и сохраняется лишь фрагментарно. Однако, при сравнении спектральных профилей, полученных в обеих сериях экспериментов, можно заметить, что вБЕЕ ослабляет ЭЭГ- эффекты физостигмина (хотя и в небольшой степени) в следующих диапазонах частот: 1, 4-4.9, 7-10.4 и 20.3-26.5 Гц, то есть антагонист квисквалатных рецепторов угнетает активность холинергической системы.

Обсуждение результатоп

При сопоставлении спектральных профилей ЭЭГ, полученных в опытах с агонистами исследуемых медиаторных систем головного мозга, обращает на себя внимание. выраженное н дозозависимое усиление высокочастотных (20.3-26.^5 Гц) ритмов, что указывает на общее активирующее влияние каждой из этнх систем на функциональное состояние мозга при умеренном воздействии агонистов на соответствующие рецепторы. Сопутствующим активационному эффекту является одновременное ослабление мощности колебаний соседнего более низкочастотного (8.2-13.8 Гц) диапазона спектра ЭЭГ. Однако следует отметить, что, по-видимому, существуют пороговые дозы агонистов, при превышении которых наблюдается угнетающий эффект на быстрые ритмы, что наглядно проявилось при воздействии на глутаматные рецепторы. Кроме того, по мере повышения дозы наблюдается усиление ритмов в области 4.3-7.2 Гц, затем формирование пика на самых низких частотах (1-3 Гц) и одновременное ослабление предыдущего эффекта. Как следует из визуального контроля ЭЭГ и спектрального анализа соответствующих фрагментов ЭЭГ, указанная эволюция частотного спектра отражает в большинстве случаев развитие судорожной (пик- волновой) активности.

Антагонисты по их ЭЭГ-эффектам можно разделить на: а) снижающие мощность высокочастотных колебаний с одновременным усилением медленных ритмов (скополамин (антагонист МХР), вОБЕ и БЫОХ (антагонисты АМРА/ квисквалатного подтипа глутаматных рецепторов) и б) усиливающие быструю активность без проявления эффекта в низкочастотной области (СРР, антагонист НМДА- подтипа глутаматных рецепторов). В целом, эффекты антагонистов были менее выраженными по сравнению с изменениями в ЭЭГ, которые вызывались агонистами в тех же дозах.

Совместное применение агонистов и антагонистов исследуемых медиаторных систем позволяет дать более прямой ответ на вопрос о вовлечении ее рецепторного аппарата в наблюдаемые изменения ЭЭГ. Показано, что при подобном воздействии на каждую из исследуемых систем наблюдалось модифицирующее влияние предварительно введенного антагониста на ЭЭГ- эффекты агониста. Выявленные спектральные профили ЭЭГ при действии агонистов исследуемых систем, их эволюция во времени и при изменении дозы могут иметь важное значение для предварительной оценки возможного вовлечения тех или иных медиаторных систем в механизмы действия анализируемых препаратов. Известным является факт, что эффекты препаратов реализуются не только благодаря отдельным нейромедиаторным системам мозга, но и в результате взаимодействия между ними. Поэтому следующим этапом настоящей работы было исследование особенностей отражения взаимодействия глутамат- и холинергической. систем мозга в частотном спектре ЭЭГ

Анализируя данные, полученные при исследовании взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга, обнаруживается, что антагонисты разных подтипов глутаматных рецепторов оказывают противоположное действие на активность холинорецепторов. Исключение составляет тета- ритм. Наши результаты выявили, что и СРР, и GDEE снижают ЭЭГ- эффекты физостигмина в этой области спектра, хотя некоторые авторы, исследующие влияние антагонистов разных подтипов глутаматных рецепторов на формирование тета- ритма, показывают, что происходит усиление частотных колебаний в этой области спектра ЭЭГ [Воробьев, Гальченко, 1988; Kinney et al, 1994]. Необходимо отметить, что в экспериментах с совместным применением скополамина и НМДА, антагонист М-ХР, наоборот, усиливает данный частотный диапазон. Возможно, что угнетение тета- ритма антагонистами глутаматных рецепторов и активация- антагонистом ХР является специфическим проявлением эффектов антагонистов разных нейромедиаторных систем.

Разнонаправленность действия антагонистов разных подтипов глутаматных рецепторов, а также показанное ранее повышение активности глутаматной системы вследствии угнетения холинергической системы, не противоречат литературным данным. Снижение активности медиаторной системы в результате угнетения другой находит подтверждение в исследованиях, проведенных методами как in vitro, гак и in vivo (Kiss et al., 1991; Петров и др., 1995; Didier et al., 1995; Knauber et al., 1999]. Однако и противоположная направленность влияния медиаторов одной системы на другую отмечается в работах некоторых авторов. Например, Кендрик с коллегами [Kendrick et al.. 1996] в экспериментах in vivo показал, что глутамат в мозге может оказывать как ингибиторный, так и возбуждающий эффект на высвобождение АХ посредством НМДА- рецепторов, благодаря взаимосвязанным нейронным цепям. Более того, имеются данные, что ингибитор АХЭ разнонаправленно действует на глутаматные рецепторы: угнетает связывание медиаторов на AMP А/ квисквалатных рецепторах и повышает связывание с НМДА- рецепторами [Sihver et al., 1998], а стимуляция мускаршговых холинорецепторов снижает уровень глутамата [McGinty, 1999]. Прямым подтверждением тому, что активность одной нейромедиаторной системы может повышаться при угнетении другой, является исследование, проведенное in vivo методом микродиализа [Giovannini et al., 1994]. Антагонист НМДА- рецепторов фосфоновая кислота (внутрижелудочковое введение) дозозависимо повышал выход АХ в течение 6 часов.

Таким образом, полученные результаты показывают, что угнетение холинергической системы мозга повышает активность глутаматной системы, тогда как угнетение разных подтипов рецепторов глутаматной системы может как повышать, так и снижать активность холинергической системы.

Выводы

1. Результаты исследования выявили участие медиатор- рецепторного взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга в формировании частотных спектров ЭЭГ.

2. Основными ЭЭГ-эффектами активации рецепторов глутамата являются усиление ритмов в диапазоне 0.5-3 Гц и ослабление- в полосе частот 8-26 Гц. Действие агонистов глутаматных рецепторов зависело от дозы и устранялось соответствующими антагонистами.

3. Основными ЭЭГ-эффектами активации рецепторов ацетилхолина было усиление ритмов в частотных диапазонах 0.5-2.5, 4-5.7 и 20-26 Гц и ослабление ритмов в диапазоне 6-16 Гц. Действие агонистов холинорецепторов зависело от дозы и устранялось соответствующими -антагонистами.

4. Были выявлены ЭЭГ-эффекты взаимовлияния исследуемых медиаторных систем: угнетение холинергической системы повышает активность глутаматергической, тогда как угнетение разных подтипов глутаматных рецепторов может как усиливать, так и снижать активность холинергической системы.

5. Представленные данные показывают перспективность применения ЭЭГ-подхода для анализа участия нейромедиаторных систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

Список работ по материалам диссертации

1. Участие NMDA в модификации частотного состава ЭЭГ крыс (Воробьев В.В., Ковалев Г.И.)/ Экспериментальная и клиническая фармакология, 1997, т.60, н.5, с.11-14.

2. Muscarinic elicitation of EEG asymmetry in freely moving rats (Vorobyov V.V.)/ Brain Research, 1998, v.794, n.2, p.299-303.

3. НМДА-зависимый компонент в ЭЭГ-эффекгах пирацетама и ГВС-111 (дипептида с ноотропной активностью) в коре и гиппокампе ненаркотизированных крыс (Ковалев Г.И., Воробьев В.В.)/ Бюллютень медицинской и экспериментальной биологии, 1999, н.8, с. 190-193.

4. NMDA-dependent component in EEG-effects of piracetam and GVS-111 in brain cortex and hippocampus of non-anaesthetized rats (Kovalev G.I., Vorobyov V.V.)/ Proceedings of the 10th Biennal Congress of International Pharmaco-EEG Society (Milan, Italy), 1998, p. 19.

5. Влияние NMDA-рецепторов мозга на формирование частотного спектра электрокортикограммы крыс (Воробьев B.B.)/ II Открытая научная конференция молодых ученых (Пущино), 1997, с. 130.

6. ЭЭГ-асимметрия, вызванная агонистом и антагонистом мускариновых холинорецепторов у свободно движущихся крыс/Актуальные проблемы нейробиологии, V Всероссийская школа молодых ученых (Казань), 1998, с.29-30.

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Ахметова, Елена Ралифовна

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Глутаматергическая система

2.1.1. Рецепторы возбуждающих аминокислот

2.1.2. Возбуждающие аминокислоты, их роль в патологии ЦНС и пути ее фармакологической коррекции

2.1.3. Электрофизиологические исследования рецепторов возбуждающих аминокислот

2.2. Холинергическая система

2.2.1. Ацетилхолиновыерецепторы

2.2.2. Роль холинергической системы мозга в патологии ЦНС

2.2.3. Электрофизиологические исследования рецепторов АХ

2.3. Взаимодействие глутамат- и холинергической систем

2.3.1. Совместная локализация рецепторов глутамата и ацетихолина в мозге

2.3.2. Пресинаптические взаимодействия глутаматной и холинергической систем

2.4. Постановка задачи

3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Экспериментальные животные и технология операций

3.2. Послеоперационный период и схема экспериментов

3.3. Используемые препараты и способы их применения

3.4. Регистрация и анализ ЭЭГ

3.5. Анализ результатов

3.6. Определение локализации электродов и канюль

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 37 4.1. Изменения частотного спектра ЭЭГ, вызванные активацией глутаматных рецепторов 37 4.1.1. Изменение частотных спектров электрограмм коры при внутрижелудочковом введении 2)- и

Ь- глутамата в дозе 100 нмолъ

4.1.2. Изменение частотных спектров электрограмм коры при внунрижелудочковом введении агониста (НМДА) и антагониста (СРР) НМДА-рецепторов и при их совместном применении

4.1.3. Изменение частотных спектров электрограмм коры при внутрижелудочковом введении агонистов (квисквалат, ОПАР) и антагонистов (ОБЕЕ, квисквалатных рецепторов

4.1.4. Обсуждение результатов 53 4.2. Изменения частотного спектра ЭЭГ, вызванного активацией холинорецепторов

4.2.1. Обсуждение результатов

4.3. Взаимодействие холинергической и глутаматергической систем

4.3.1. Эффекты НМДА (агонист НМДА-подтипа глутаматныхрецепторов) в условиях предварительного введения скополамина (антагонист мускариновых холинорецепторов)

4.3.2. Эффекты физостигмина (ингибитор ацетилхолинэстеразы) в условиях предварительного применения СРР (антагонист НМДА- рецепторов)

4.3.3. Эффекты физостигмина (ингибитор АХЭ) в условиях предварительного введения СБЕЕ (антагонист АМРА/ квисквалатного подтипа глутаматных рецепторов)

4.3.4. Сравнительный анализ эффектов физостигмина (ингибитор АХЭ) при совместном применении с антагонистами НМДА- (СРР) и квисквалатного (ОБЕЕ) подтипов глутаматных рецепторов

4.3.5. Обсуждение результатов

Введение Диссертация по биологии, на тему "Электроэнцефалографический анализ взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга"

Актуальность исследования взаимодействия различных нейромедиаторных систем определяется не только задачами, связанными с пониманием механизмов деятельности мозга, но и необходимостью разработки фармакологических средств коррекции разного рода нейропаталогий. Использование для этой цели электроэнцефалограммы (ЭЭГ) предоставляет уникальную возможность неинвазивного исследования динамических аспектов взаимодействия медиаторных систем мозга. ЭЭГ- подход с успехом использовался ранее и продолжает применяться в настоящее время при изучении различных фармакологических препаратов [Раевский, Георгиев, 1986; Воробьев, Гальченко, 1988; Каминка и др., 1990; Knott et al., 1996]. В настоящее время получен обширный материал по отражению в ЭЭГ изменений в активности многих нейромедиаторных систем мозга [Abercrombie et al., 1986; Sainsburi, Partió, 1990; Emilien, 1990; Воробьев и др., 1992; Панюшкина и др., 1994]. ЭЭГ- подход в исследовании фармакологических препаратов удобен и тем, что он имеет ряд преимуществ перед экспериментами in vitro (возможность прижизненного исследования динамических характеристик электрической активности мозга, возможность сравнения изменений одновременно в нескольких структурах), а также поведенческими методиками, не позволяющими исследовать тонкие механизмы действия этих препаратов на активность нейронов и нервных сетей.

Как показывают многочисленные данные, в нейрохимическом обеспечении интегративной деятельности мозга важную роль играют «классические» медиаторные системы. Это реализуется как на основе собственных эффектов каждой из систем, так и в результате их взаимодействия. Особый интерес в этом отношении представляет изучение особенностей отражения в частотном спектре ЭЭГ активности глутаматной и холинергической систем в отдельности, а также их взаимодействия, поскольку известна их важная роль в механизмах обучения и памяти, а также в возникновении таких патологических состояний как, например, эпилепсия [Мелдрум, 1982; Foster et al., 1987; Dingledine et al., 1990; March, 1998], нейродегенеративные расстройства [Dickenson, 1990], нарушения памяти [Вертоградова и др., 1984], травматические повреждения мозга и при действии наркоза [Irifune et al., 1992]. Наиболее изученной в этом ряду, но до конца не выясненной, является проблема происхождения судорожных состояний, включая эпилепсию [Dingledine et al., 1990]. Сложность решения этой проблемы определяется, с одной стороны, тесным взаимодействием нейрохимических систем мозга [Mercuri et al., 1992], а с другой- сложностью процессов, происходящих на уровне рецепторного аппарата клеток и внутри их [Cooper et al., 1995].

Методическую основу использования ЭЭГ- подхода для исследования этих процессов составляют 2 группы фактов: 1) определяющая роль синаптических потенциалов в генезе ЭЭГ [Goldensohn, 1979] и 2) и тесная связь механизмов генеза ЭЭГ с активностью различных нейромедиаторных систем в мозге [Petsche, 1989; Petsche, 1997]. Однако, несмотря на это, целый ряд причин вызывает необходимость продолжения анализа участия нейромедиаторных систем мозга в формировании частотного спектра ЭЭГ.

Во-первых, большинство работ по изучению ЭЭГ- эффектов фармакологических препаратов медиаторного ряда существенно различаются по методическим подходам. Это может объяснить причину несоответствия данных, полученных в исследованиях разных авторов, однако затрудняет или делает невозможным их интерпретацию.

Во-вторых, известно, что ацетилхолин и глутамат могут влиять на формирование ЭЭГ как благодаря метаболическим процессам, так и посредством медиатор-рецепторного взаимодействия. Участие медиатор- рецепторного взаимодействия в ЭЭГ- эффектах, наблюдаемых при направленном изменении активности различных медиаторных систем, нельзя считать полностью доказанным, поскольку в большинстве работ не представлены полные протоколы опытов по анализу дозовых зависимостей по влиянию агонистов и антагонистов отдельно и, что особенно важно, в условиях их совместного применения.

В-третьих, в рамках единого методического подхода не было проведено сравнительного изучения отражения взаимодействия разных медиаторных систем мозга в частотном составе ЭЭГ, что существенно ограничивает понимание механизмов действия исследуемых фармакологических препаратов, многие из которых могут влиять на активность различных медиаторных систем мозга. Более того, анализ действия агонистов и антагонистов разных нейромедиаторных систем является актуальным и для медицинской практики, поскольку в качестве лекарственных средств используются комбинации разных фармакологических препаратов. Поэтому эффекты комбинированного воздействия лекарств, в частности на ЭЭГ, важны для практической медицины.

Исходя из этого цель нашей работы заключалась в доказательстве участия медиатор-рецепторного взаимодействия глутамат- и холинергической систем в формировании 7 частотного состава ЭЭГ и исследование особенностей отражения в частотном составе ЭЭГ взаимодействия между этими системами.

В соответствии с поставленной целью в настоящем исследовании решались следующие задачи:

1. Исследовать динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях применения агонистов и антагонистов рецепторов глутаматной системы мозга при различных дозах этих веществ, а также при их совместном введении;

2. Исследовать динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях применения агонистов и антагонистов рецепторов холинергической системы мозга при различных дозах этих веществ и при их совместном введении;

3. Изучить изменения частотного спектра ЭЭГ коры мозга крыс при совместном использовании агониста одной из нейромедиаторных систем с антагонистом другой системы.

4. Показать перспективность ЭЭГ- подхода для анализа участия нейромедиаторных систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение Диссертация по теме "Физиология", Ахметова, Елена Ралифовна

1. Результаты исследования выявили участие медиатор- рецепторного взаимодействия глутамат- и холинергической систем мозга в формировании частотных спектров ээг.

2. Основными ЭЭГ-эффектами активации рецепторов глутамата являются усиление ритмов в диапазоне 0.5-3 Гц и ослабление- в полосе частот 8-26 Гц. Действие агонистов глутаматных рецепторов зависело от дозы и устранялось соответствующими антагонистами.

3. Основными ЭЭГ-эффектами активации рецепторов ацетилхолина было усиление ритмов в частотных диапазонах 0.5-2.5, 4-5.7 и 20-26 Гц и ослабление ритмов в диапазоне 6-16 Гц. Действие агонистов холинорецепторов зависело от дозы и устранялось соответствующими антагонистами.

4. Были выявлены ЭЭГ-эффекты взаимовлияния исследуемых медиаторных систем: угнетение холинергической системы повышает активность глутаматергической, тогда как угнетение разных подтипов глутаматных рецепторов может как усиливать, так и снижать активность холинергической системы.

5. Представленные данные показывают перспективность применения ЭЭГ-подхода для анализа участия нейромедиаторных систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью нашей работы являлось доказать участие медиатор- рецепторного взаимодействия глутаматной и ацетилхолиновой систем в формировании частотного спектра ЭЭГ. В связи с поставленной целью в настоящем исследовании было необходимо решить следующие задачи: 1) исследовать характер и динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях применения агонистов и антагонистов рецепторов глутаматной системы мозга при различных дозах этих веществ (выявление дозозависимости) и их совместном применении; 2) изучить характер и динамику спектральных профилей ЭЭГ в условиях применения агониста и антагониста рецепторов холинергической системы мозга при различных дозах этих веществ (выявление дозозависимости) и их совместном применении; 3) выявить особенности отражения взаимодействия глутаматной и холинергической систем в частотном спектре ЭЭГ коры мозга крыс при совместном использовании глутамат- и холинергических препаратов.

Обобщая полученные в ходе экспериментов данные можно прийти к следующему заключению:

В условиях внутримозгового (в латеральный желудочек) введения препаратов, действующих на глутаматные рецепторы в различных дозах наиболее выраженные эффекты в частотном составе электрической активности коры головного мозга крыс наблюдались преимущественно в низко- и высокочастотных областях спектра.

Выявлена дозозависимость в ЭЭГ- эффектах НМДА (агонист НМДА- рецепторов) и квисквалата и ОБАР (агонисты квисквалатных рецепторов). Эффективность НМДА была на два порядка выше эффективности Ъ- глутамата.

При дозе 5 нмоль НМДА и квисквалат вызывали усиление ритмов в диапазонах 0.5-3 и 4 Гц и ослабление- в полосе частот 8.2-26 Гц.

Антагонист НМДА- рецепторов СРР (1 нмоль) вызывал в ЭЭГ коры усиление колебаний 1.9-5 Гц и ослабление- 8.2-20 Гц. Антагонист квисквалатных рецепторов ОБЕЕ практически не изменял частотный спектр ЭЭГ.

Предварительное введение антагонистов СРР (1 нмоль) и ОБЕЕ (1 мкмоль) устраняло эффекты последующего (через 20 мин) применения НМДА (5 нмоль) и квисквалата (5 нмоль), соответственно.

В условиях системного (подкожного) введения физостигмина и скополамина (ингибитор АХЭ и антагонист холинорецепторов, соответственно) выявлена дозозависимость в их ЭЭГ- эффектах.

При дозе 1 мг/кг физостигмин вызывал усиление ритмов в диапазонах 1-1.5, 4.3-5.7 и 20.3-26.5 Гц и ослабление в полосе частот 2-2.5 и 6.4-16.4 Гц.

Антагонист МХР скополамин (0.5 мг/кг) в частотном спектре ЭЭГ усиливал колебания частот в диапазоне 1.9-3.6, 7 Гц и ослаблял ритмы- 4, 8 и 12-26 Гц.

Предварительное (за 30 минут) введение скополамина (0.5 мг/кг) снимало эффекты физостигмина (1 мг/кг).

Полученные данные подтверждают участие глутаматергических и холинергических рецепторных механизмов в формировании и/ или модуляции электрической активности коры головного мозга крыс.

Одновременное введение антагониста МХР скополамина (системное) и агониста НМДА- рецепторов- НМДА (внутрижелудочковое)- модифицировало, но не устраняло эффекты НМДА в частотном спектре ЭЭГ.

Основные эффекты совместного применения скополамина (0.5 мг/кг) и НМДА (5 нмоль) выражались в усилении частотного диапазона 0.5-4.9 Гц и ослаблении полосы частот- 8.2-26.5 Гц. Сравнение результатов этой серии экспериментов с данными, полученными в опыте с совместным использованием физиологического раствора и НМДА выявило, что скополамин усиливал ЭЭГ- эффекты НМДА в диапазонах частот 0.5-2.5 и 8-16 Гц.

Предварительное (за 20 минут) введение СРР или ОБЕЕ (в латеральный желудочек мозга) модифицировало, но не снимало эффектов физостигмина в частотном спектре ЭЭГ.

ЭЭГ- эффекты физостигмина (1 мг/кг) при совместном применении с СРР (1 нмоль) выражаются в усилении колебаний 0.5-2, 4-4.9 и 20.3-26.5 Гц и ослаблении частоты 2.5 и диапазона частот 7-16.4 Гц,.

При сравнении результатов экспериментов с совместным введением СРР и физостигмина и физиологического раствора и физостигмина можно отметить, что СРР усиливает ЭЭГ- эффекты физостигмина в частотных диапазонах 0.5-2 и 7-16 Гц.

ЭЭГ- эффектами совместного применения физостигмина (1 мг/кг) и ОБЕЕ (1 мкмоль) являются усиления колебаний частот в диапазонах 1-1.5, 4-5.7 и 20.3-26.5 Гц и ослабление в полосе частот 2.5-3 и 8.2-16.4 Гц.

81

Сравнение результатов этой серии экспериментов с данными, полученными в опыте с совместным использованием физиологического раствора и физостигмина выявляют, что ОБЕЕ ослабляет ЭЭГ- эффекты физостигмина в следующих диапазонах частот: 1, 4-4.9, 7-10.4 и 20.3-26.5 Гц.

Полученные данные показывают, что при угнетении одной из исследуемых нейромедиаторных систем мозга активность другой системы может как повышаться, так и снижаться. Использование антагониста холинорецепторов скополамина приводило к активации глутаматергической системы. Антагонисты разных подтипов глутаматных рецепторов оказывают противоположное действие на активность холинорецептора за исключением тета- ритма.

Угнетение тета- ритма антагонистами глутаматных рецепторов и активация антагонистами холинорецепторов является специфическим проявлением эффектов антагонистов разных нейромедиаторных систем.

В целом, можно сделать заключение, что электроэнцефалограмма предоставляет возможность неинвазивного (при экспериментах на человеке) исследования динамических аспектов взаимодействия нейромедиаторных систем и является адекватным и эффективным методом для оценки участия нейрохимических систем мозга в механизмах действия фармакологических препаратов.

82

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ахметова, Елена Ралифовна, Пущино

1. Алликметс ЛХ. Холинергическая природа пускового механизма агрессивно-оборонительных реакций диэнцефального уровня/ В кн.: Достижения современной фармакологии, Л.: Медицина, 1976, с.251-253.

2. Аничков СВ. Нейрофармакология/Л.: Медицина, 1982, с.384.

3. Брежестовский ПД., Вульфиус ЕЛ., Вепринцев БН. Возможные механизмы десенсатизации / В кн.: Природа холинорецептора и структура его активного центра, Пущино, 1975, с. 113-139.

4. Вальдман АВ. Функционально- морфологическое и фармакологическое изучение регуляции системного артериального давления и регионарного сосудистого тонуса/ В кн.: нейрофармакология процессов центрального регулирования тонуса, Л.: Медицина, 1969, с.266-330.

5. Вальдман АВ., Коздовская ММ., Медведев ОС. Фармакологическая регуляция эмоционального стресса/ М.: Медицина, 1979, сюЗбО.

6. Вертоградова ОП., Волошин ВМ., Громова ЕА. и др. Особенности нарушения памяти и внимания у больных с различными типами эффективных расстройств/ В сб.: Нейромедиаторные механизмы памяти и обучения, Пущино, 1984, с. 140-151.

7. Воробьев ВВ., Ахметова ЕР., Ковалев ГИ. Участие рецепторов Н-метил-Д-аспартата в модификации частотного состава ЭЭГ крыс/ Эксп. И: клин. Фарм., 1997, т.60, н.5, с. 11-14.

8. Воробьев ВВ., Гальченко АА. Анализ электроэнцефалограммы на основе модифицированного амплитудно- интервального алгоритма/ Росс. Физиол. Ж., 1997, т.84, н.З, с.262-266.

9. Воробьев ВВ., Гальченко АА. Частотный спектральный анализ электрической активности головного мозга крыс при действии кетамина/ Фарм. и Токсик., 1988, т.51, н.1, с.26-28.

10. Воробьев ВВ., Шибаев НВ., Прудченко ИА., Михалева ИИ. Частотный состав электрической активности мозга крыс после применения пептида дельта- сна и его аналогов/ЖВНД, 1992, т.42, н.5, с.977-985.

11. Воробьев ВВ., Ахметова ЕР., Ковалев ГИ. Участие 5-НТ и 5-НТ подтипов серотониновых рецепторов в формировании частотного спектра ЭЭГ ненаркотизированных крыс/Эксп. и Клин. Фарм., 1999, т.62, н.1, с. 15-18.

12. Годухин ОВ., Буданцев АЮ., Селифонова ОВ., Агапова ВН. Влияние холиномиметиков на высвобождение и захват Ь-глутаминовой кислоты в неостриатуме мозга крыс/ Физиол. Журн. СССР, 1983, т.64, н. 12, с. 15-631568.

13. Годухин ОВ. Модуляция синаптической передачи в мозге/ М.: Наука, 1987, с.46-56.

14. Гришин ЕВ., Волкова ТМ., Арсеньев АС. Структурно- функциональная характеристика аргиопина- блокатора ионных каналов из яда паука Аг§юре \obaiaJ Биоорг. Химия, 1986, т. 12, н. 8, с. 1121-1124.

15. Дамбинова СА, Нейрорецепторы глутамата/ Л.: Наука, 1988, с.210.

16. Дамбинова СА. Глутаматные рецепторы ЦНС: организация и функции/ Нейрохимия, 1983, т.2, н.4, с.426-440.

17. Ильюченок РЮ. Фармакология поведения и памяти/ Новосибирск: Наука, 1972, с.222.

18. Каминка МЭ., Куксгауз НЭ., Андреева НИ. Влияние нового отечественного противогистаминного и антисеротонинового препарата бикарфена на центральную нервную систему/ Фармакол. и оксикол., 1990, т.53, н.4, с.21-23.

19. Камри М., Пиотровский ЛБ., Александрова ИЯ., Сапронов НС. 14-бутиласпарагиновая кислота- частичный агонист МТУГОА рецепторов/ Эксп. и Клин. Фарм., 1996, т.59, н.З, с.9-11.

20. Каркищенко НН. Катехоламинергическая регуляция эмоционального поведения/В кн.: Катехоламинергические нейроны, М.: Наука, 1979, с.75-85.

21. Киселева НВ., Медведев АВ., Фролов АА. Анализ статистических характеристик суммарных биопотенциалов головного мозга крыс/ ЖВНД, 1989, т.39, н.4, с.783.

22. Кискин НИ., Крышталь ОА., Цындренко АЯ. Рецепторы возбуждающих аминокислот в мембране пирамидных нейронов гиппокампа/ Биол. Мембраны, 1986, т.З, н.9, с.909-919.

23. Ковалев ГИ. Активация глутаматных рецепторов мозга как механизм психофармакологического эффекта пирацетама/ Мед.- фарм. вестник, 1996, н.З, с.49-52.

24. Космачев АБ., Муковский ЛА., Долгл-Сабуров ЕБ., Хоботова ЗИ., Кубарская ЛГ. Роль ацетилхолина в патогенезе судорожных состояний различной этиологии/ Эксп. И клин. Фарм., 1999, т.62, н.2, с.7-9.

25. Крышталь OA., Кискин НИ., Ключков ЕМ., Осипчуг ЮВ., Цындренко АЯ. Аминокислотные рецепторы изолированных нейронов ЦНС млекопитающих/ Рец. И ионные каналы, Ташкент: Наука, 1986, с.596.

26. Курцин ИТ. Теоретические основы психосоматической медицины/ JI: Наука, 1973, с.336.

27. Мелдрум Б. Нейромедиаторы и эпилепсия/ М.: Медицина, 1982, с. 164-179.

28. Панюшкина СВ., Курова НС., Егоров СФ., Кошелев ВВ. Индивидуальные ЭЭГ- реакции здоровых людей на взаимно антагонистические норадренотропные воздействия/ЖВНД, 1994, т.44, н.З, с.457-469.

29. Петров ВН., Пиотровский ЛБ., Григорьев ИА. Возбуждающие аминокислоты/ Монография, Волгоград, 1995.

30. Пиотровский ЛБ. Возбуждающие аминокислоты и их антагонисты (структура и активность)/ Хим.-фармац. ж., 1987, н.7, с.773-782.

31. Раевский КС., Геогиев ВП. Медиаторные аминокислоты: нейрофармакологические и нейрохимические аспекты/ М.: Медицина, София, 1986, с.240.

32. Раевский КС., Георгиев ВП. Медиаторные аминокислоты/ М.: Медицина, 1986.

33. Скок ВИ., Селянко АА., Деркач В А. Нейрональные холинорецепторы/ М.: Наука, 1987, с.343.

34. Скурихин ВИ., Пономарева ИД., Сиверский ПМ., Цепков ГВ. Способ определения спектра аналогового сигнала/А.С.N845600. Б.И., 1981, т.25, с.253.

35. Ташмухамедов БА., Махмудова ЭМ., Усманов ПБ., Казаков И, Атакузиев БУ. Выделение и реконструкция глутаматных рецепторов на бислойных липидных мембранах/Докл. АН СССР, 1984, т.276, н.4, с.977-979.

36. Урбах ВЮ. Биометрические методы/М.: Медицина, 1964, с.415.

37. Шаповалов АИ., Ширяев БИ. Передача сигналов в межнейронных синапсах/ Л.: Наука, т.987, с. 173.

38. Abercrombie ML., Eccles EU., Young GA. Acute effects of physostigmine in rats: behavioral activity and power spectral analysis of cortical EEG/ Toxicologist, 1986, v.6, n.l, p.121.

39. Akopian NS., Sarkisian NV., Karapetian MA. Involvement of central and peripheral cholinergic structures in regulation of central electric activity an cardiac function in rabbits during hypoxia/ Aviakosm. Ecolog. Med., 1999, v.33, n.l, p.28-31.

40. Anwyl R. Metabotropic glutamate receptors: electrophysiological properties and role in plasticity/Brain Res. Rev., 1999, v.29, p.83-120.

41. Asai S., Iribe V., Kohno T., Ishikama K. Real time monitoring of biphasic glutamate release using dialysis electrode in rat acute brain ischemia/ Neuroreport, 1996, v.7, n.5, p. 1092-1096.

42. Baldi G., Russi S., Nannini C., Vezzani A., Consolo S. Trans- synaptic modulation of striatal ACH release in vivo by the parafascicular thalamic nusleus/ Eur. J. Neurosci., 1995, v.7, n.5, p. 1117-1120.

43. Baldi KA. The generation of brain vawes/ Am. J. EEG Technol, 1981, v.21, p.187-190.

44. Balduini W., Murphy SD., Costa LG. Characterization of cholinergic muscarinic receptor- stimulated phosphoinositide metabolism in brain from immature rats/ J. Pharmacol. Exp. Ther., 1990, v.253, n.2, p.573-579.

45. Blackman MB., Tukey JW. The measurement of power spectra/ Dover, NY., 1958.

46. Boddeke HW; Best R; Boeijinga PH. Synchronous 20 Hz rhythmic activity in hippocampal networks induced by activation of metabotropic glutamate receptors in vitro/Neuroscience, 1997, v.76, n.3, p.653-658.

47. Borst JGG., Leung LS., Macfabe DF. Electrical activity of the cigulate cortex, n. Cholinergic modulation/ Brain Res., 1987, v.407, n. 1, p.81-93.

48. Brazhnik ES; Fox SE. Action potentials and relations to the theta rhythm of medial septal neurons in vivo/ Exp Brain Res, 1999, v. 127, n.3, p. 244-258.

49. Brown DA. Slow cholinergic excitation- a mechanism for increasing neuronal excitability/ Trends Neurosci., 1983, v.6, n.8, p.302-307.

50. Buhl EN., Tmas G., Fisahn A. Cholinergic activation and tonic excitation induce persistent gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vivo/ J. Physiol., 1998, v.513 (pt.l), p. 117-126.

51. Buzsaki G. Hippocampal sharp waves: ther origin and significance/ Brain Res., 1986, v.398, n.2, p.242-252.

52. Chaki S., Usuki Ito C., Muramatsu M., Otomo S. Differentiation of the active site of minaprine from that of phencyclidine in rat hippocampus/ Res. Common. Chem. Pathol. Pharmacol., 1990, v.69, n.l, p.85-98.54,5556,57,58,59.60,61.