Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Прилежащее ядро и неостриатум -родственные структуры переднего мозга, относящиеся к базальним ганглиям и имеющие сходный план построения афферентных и эфферентных проекций (Heimer et al.,1985; Parent,1986). Основными афферентами прилежащего ядра и неостриатума являются глутаматсргические топически организованные проекщш из различных областей коры и таламуса, а также дофаминергаческие проекции из вентральной тегменталыюй области и компактной зоны черной субсташдаи (Арушанян, Отеллин, i976;.Parent, 1986; Отеллин, Арушанян, 1989; Чивнлева,1992; Горбачевская, 1993; Groenewegen et al., 1993).
Изучение закономерностей анатомической и функщюналыгой организации неостриатума и прилежащего ядра привело к появлению представлений о включении этих ядер в относительно независимые а морфологическом и функциональном плане кортико-стрио-фугальные параллельные подсистемы (Heimer, Wiison,1975; Heimer et al.,1985; Alexander et al.,1986; Alexander.Crutcher, 1090,1991; Groenewegen et al, 1993). Этот вывод базировался, з частности, на данных о функциональной гетерогенности неостризтущ и прилежащего ядра и на сведениях о функциональном единстве различных отделов стриатума и иннервируго-щих эти отделы областей коры (Johnson et at., 1968; Суворов,Баранов,1978; Шаповалова, 1989; Mittleman etal.,1990; Hauderet al,1991; Шаповалова и др.1992; Schmidt etal.,1992; Шуваев, 1994).
С другой стороны, накопились сведения о том, что прилежащее ядро и неостриатум зачастую участвуют в реализации взаимодополняемых компонентов поведения (Kellyjversen, 1986; Шаповалова, 1988; Mittleman et at, 1990; Jones,Robbins, 1992; Dickson et al, 1994), что предполагает существование механизмов, координирующих их работу.
В настоящей работе рассматривается один из возможных путей взаимодействия прилежащего ядра и неостриатума, осуществляемый за счет взаимодействия дофаминергаческих систем этих ядер, к которым относятся терминальные отделы ішгро-стриатной и мезо-лимбической дофаминергаческих систем (Bjorklunti, Lindvall,1986), представленные в этих структурах сетью дофаминергических терминален.
Идея взаимодействия дофаминергичесюве систем прилежащего ядра и неостриатума основана на сведениях о пусковой роли дофаминергичес-кой стимуляции прилежащего ядра для вызова "неостриатного" феномена вращения у крыс с унилатеральшми повреждениями нигро-стриат-ного пучка (КеИеу.Моогс, 1977), а также га данных о длительных компенсирующих эффектах одновременной дофамннергической стимуляции
прилежащего ядра и неостриатуш у животных с акинетической формой каудатной патологии (Шаповалова, 1989). Одгако до сих пор отсутствовали прямые нейрохимические доказательства взаимодействия дофаминер-гических систем прилежащего ядра и неостриатума, не были исследованы нейрохимические механизмы, лежащие в его основе. Важным вопросом этой проблемы является исследование роли глутаматерги-ческих входов этих ядер в осуществлении назвашюго взаимодействия, поскольку конвергенция глутаматергическкх и дофаминергических тер-мюіалей на нейронах прилежащего ядра (SesackPickel,1990) и неостриатума (BoIam,Smith,1990) обеспечивает морфологическую основу взаимных влияний этих нейроиедиаторных систем. Аісгуальность этих исследований для физиологии высшей нервной деятельности определяется важной ролда прилежащего ядра н неостриатума в организации ус-ловнорефлекторного поведения, когнитивных функций, в инициации и реализации произвольного движения и в патогенезе ряда неврологических заболеваний человека (Толкунов, 1978; 1991; Суворов,1980; Волынки-ка.Суворов, 1981; Отеллин, Арушанян, 1989; Шаповалова, 1989; Grace,l991; Шаповалова и др., 1992; Войлокова,1994; Шуваев,1994).
Наиболее адекватным методическим подходом, позволяющим исследовать нейрохимические механизмы взаимодействия прилежащего ядра и неостриатума в условиях прижизненного эксперимента, максимально приближенных к естественным, является вкутримозговой микродиализ. Сочетание этого метода с направленными фармакологическими воздействиями дзет возможность произвести детали !ый нейрохимический анализ взаимодействия даже таких небольших и близко расположенных структур, как прилежащее ядро и неостриатум. Микродиализ, отражающий поступление биологически активных веществ в экстраклеточное пространство мозга, является одним из лучших методов исследования объемной трансмиссии нейромеднаторов, осуществляемой путем их диффузного распространения по экстраклеточному пространству (Groves et ві.,1981; Отеллин, Григорьев, 1984; Отеллин, Арушанян, 1989; Zigmond et al.,1990; Garcia-Munoz et al,1991-A; Grace ,1991; Zigmond, 1991; Scheider, 1994) Изучение закономерностей регуляции экстраклеточного содержания дофамина и глутамата в прилежащем ядре и иеостриату-ме при реализации поведения актуально в плане исследования возможной функциональной роли объемной трансмиссии этих нейромедиатороа.
Выяснение путей и нейрохимических механизмов, обеспечивающих координацию работы неостриатума и прилежащего ядра, играющих важ-ную роль в регуляции произвольного движения, услошюрефлекторпой деятельности, когнитивных процессов, способствует пониманию
закономерностей объединения отдельных элементов поведения, регули руемых этими ядрами, в целостный поведенческий акт.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель данной работы - изучение нейрохимических закономерностей и возможной функциональной роли взаимодействия дофаминергических систем прилежашего ядра и неостриатума, а также оценка вклада глутаматергических входов этих ядер в его осуществление.
Задачи исследования состояли в следующем:
і. Изучить соотношение тканевых уровней дофамина и его метаболитов в вентральном стриатуме и неостриатуме у крыс с активной и пассивной стратегиями поведения при выработке условного рефлекса избегания а Т-образном лабиринте в условиях дефицита времени.
-
Оценить влияние введений нейротоксииа б-гидроксидофамина в прилежащее ядро крыс с разрушениями дофаминергических нейронов черной субстанции на параметры тканевого метаболизма дофамина в неостриатуме.
-
Произвести анализ прижизненных изменений выброса дофамина и параметров его метаболизма а экстраклеточном пространстве неостриатума при введениях агонистоз и антагонистов дофамина в прилежащее ядро.
-
Исследовать влияние блокады ГАМК-ергического входа медиального отдела компактной зоны черной субстанции на регуляцию дофами-нергической системой прилежащего ядра выброса дофамина в неостриатуме.
-
Оценить влияние блокады глутаматергического входз неостриатума на регуляцию дофаминергической системой прилежащего ядра выброса дофамина в неостриатуме.
-
Исследовать роль глутаматергического входа прилежащего ядра в осуществлении влияний этой структуры на выброс дофамина в неостриатуме.
-
Исследовать роль глутаматергического входа прилежащего ядра в регуляции условнорефлекторного выброса дофамина в этой структуре в ходе эмоционального условного ответа.
-
Произвести анализ прижизненных изменении уровня глутаматя и ГАМК в экстраклето'шом пространстве прилежащего ядра в процессе эмоционального условного отпета.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ. 1. Прилежащее ядро и неостриатум, включаемые в параллельные кортико-стрио-футалыше функциональные петли, могут координировать работу путем взаимодействия своих дофаминергических систем. Тонические тормозные влияния дофаминергической системы прилежашего
ядра направлены на регуляцию тканевых и экстраклеточных параметров метаболизма дофамина в неостриатуме, а так же на его объемную транс-їшссию в этой структуре. .
-
Согласованность изменений параметров метаболизма дофамина в неостриатуме и вентральном стриатуме, наблюдаемая у большинства экспериментальных животных и, видимо, отражающая взаимодействие этих структур, важна для выбора оптимальной поведенческой стратегии в трудных обороіштельньїх ситуациях, требующих, по нашим прежним данным, повышенного уровіш лабильности дофаминергаческих систем мозга. Дисбаланс уровней дофамина в неостриатуме и вентральном стриатуме может быть предпосылкой появления депрессивноподобных форм поведения.
-
Тонические тормозные влияния дофаминергической системы прилежащего ядра на выброс дофамина в неостриатуме передаются с использованием механизмов пресиналтической регуляции дофаминергаческих фунта да неостриатума со стороны глутаматергического входа неостриатума и с участием рецепторов возбуждающих аминокислот не НМДА тит. Эти влияния не направлены на нигральный уровень дофаминергической системы, то есть на сами дофамшергические нейроны. Знак фазшескнх влияний прилежащего ядра на дофаминергическую систему неостриатума зависит от дофамнн-глутамагергаческого взаимодействия в прилежащем ядре.
-
Переход от состояния спокойного бодрствования к выработке и реализации эмоционального условного ответа на обстановочные стимулы, ранее сочетавшиеся с болевым подкреплением, сопровождается изменениями механизмов глутамат-дофамшергического взаимодействия в прилежащем ядре. Это проявляется в появлении после обучения НМДА-зависимого компонента фонового выброса дофамина, который отсутствует у необученных животных, а также в том, что при реализации эмоционального условного ответа глутаматергичесяий вход прилежащего ядра, предположительно, используя объемную трансмиссию глутамата и НМДАрецепторше механизмы, продлевает условнорефлекторный выброс дофамина в этой структуре, что важно для организации адаптивного поведенческого ответа в ситуации опасности
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Основные результаты, полученные в работе, являются приоритетными.
Впервые получены прямые нейрохимические доказательства существования влияний прилежащего ядра да дофаминергическую систему неостриатума, которые затрагивают тканевые и экстраклеточные параметры метаболизма дофамина, а также процесс его объемной трансмиссии в неостриатуме. Показано, что медиальный отдел компактной зоны
черной субстанции, рассматриваемый в морфологической литературе как потенциальная область интеграции, опосредующая возможное взаимодействие дофамипергических систем прилежащего ядра и неостриатума, не вовлекается в заметной степени в передачу влияний прилежащего ядра на дофаминергическую систему неостриатума.
Впервые продемонстрировано, что влияния прилежащего ядра на процесс объемной трансмиссии дофамина в иоостриатуме опосредуются глутаматергичееккм входом неостриатума с использованием рецепторов возбуждающих аминокислот не НМДА типа и что знак этих влияний определяется наличием или отсутствием сочетанной глутамат-дофаминер-гической стимуляции прилежащего ядра. Эти неизвестные ранее закономерности, полученные в модельных фармакологических экспериментах, показывают важную роль глутаматергических афферентов прилежащего ядра и неостриатума в осуществлении взаимодействия дофаминергичес-ких систем этих структур. Впервые а условиях прижкзнештой. регистрации выброса дофамина, глутамата и ГАМК в прилежащем ядре проведено исследование глуташт-дофамшергического взаимодействия в этой структуре в процессе естественной физиологической шгруэки - выработки и реализации эмоционального условного ответа.
Впервые установлено, что выработка эмоционального условного ответа сопровождается появлением НМДА-зависимопо компонента фонового выброса дофамина в этой структуре, который отсутствует у необученных животных. Продемонстрирована способность обстановочных стимулов, ранее сочетавшихся с болевым подкреплением, вызывать в прилежащем ядре, кроме показанного ранее услопнорефлекторного выброса дофамина, запаздывающий относительно поведенческой cecum кратковременшй выброс глутамата в этой структуре. Причем, впервые удалось показать, что усшшорефлекторный выброс дофамина имеет ІІМДА/АМРА-независимьій и НМДА-завксимый компоненты.
Кроме того, впервые показано увеличение зкетраклеточных концентраций ГАМК в прилежащем ядре во время различных поведенческих ситуаций, требующих повышенной реактивности, как то: исследовательское поведение, ожидание опасности, болевое подкрепление, возвращение в безопасное место.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ. Полученные в работе данные о механизмах регуляции гггстраклеточных концентраций дофамина в неострнатуме и сведения об изменениях экст-раклрточіїьгл концентрации дофамина, глутамата и ГАМК в кода реализации поведения важны для развития нового направления нейрофизиологии - теории объемной трансмиссии классических нейромедиато-ров. Изменения экстраклеточных концентраций исследованных нейро-
медиаторов в связи с поведением могут свидетельствовать об информационной роли их диффузного распространения в мозге при реализации поведенческих функций.
Продемонстрированные нейрохимические закономерности, лежащие в основе влияний дофаминергической системы прилежащего ядра на до-фаминергическую систему кеостриатума расширяют представления о путях взаимодействия отдельных стриатішх субъединиц, включенных в параллелілие кортихосгрио-фугальные петли и вовлекаемых в контроль различных компонентов поведения к имеют прежде всего теоретическое значение для физиологии и функциональной нейрохимии базалыых ганглиев. Результати иселедоваїшй о согласованных изменениях параметров метаболизма дофамшш в прилежащем ядре и неостриатуме крыс с активной стратегией поведения и рассогласованных изменениях тканевого уровня дофамина в этих ядрах у животных пассивного типа с преобладанием депрессианолодобных реакций указывают на важность коор-динированной работы дофаминергических систем названных структур для выбора оптимальной стратегии поведения в трудных для экспериментальных животных ситуациях и могут представлять шггерсс для клиницистов, занимающихся вопросами профилактики и лечения депрессивных расстройств у человека. Показанный в работе ранее неизвестный путь управления со стороны прилежащего ядра стриаткыми дофами-шргкческими функциями может бить использован для разработки новых способов коррекции нигро-стриатной дофаминергической патологии.
Разработанная и примененная в работе оригинальная высокоэффективная диализная канюля, на которую получено авторское свидетельство на изобретение (Саульская.ІШі'), в сочетании с методом прижизненного внутримозгааого диализа может бить применена в клинических и эксперименталышх целях для мониторинга содержания биологически активных веществ в различных биолотческих тканях и жидкостях и введения фармакологических пртиаратов. Это изобретение внедрено в лабораторную практику Института проблем онколоїхи н радиобиологии Академии тук Украины им.Р.Е.Кааснкого, Института биохимии Академии наук Белоруссии, Института экспсримситашюй медицины Академии медицинских наук России.
Полученные данные могут бить исполіловяни в лекционных к>т>сах імобіщ'й физиологии и фажолоши высшей нервной дентелі л ости.
Основные результаты работы были доложены на XV Всесоюзном съезде фшиолошческого обшрета им. И.П.ІЬі'лова (Киішінси,!987), на всесоюзном симпозиуме "Регуляция сепсомої орних функций" (Винниця,! 969), па IV Всесоюзном симпозиуме" Стрнатная систем?! и
поведение в норме и патологии" (Алушта, 1988), на V Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медизторкых пропрссов"( Москва, 1990), на XXIX Совещании по проблемам высшей нервной деятельности (Санкт-Петербург,1994), на конференции "Молекулярно-клсточше и генетические механизмы адаптивного поведения" (Санкт-Петербург, 1994), на V и VI Междушродлых конференциях "Monitoring Molecules in Neuroscience" (Нордвикерхоут, Нидерланды, 1991, Сейгносс, Франция,!994), на Международной конференции "Сенсор-Техно. Сенсорные системы и компоненты" (Санкт-Петербург. 1993), на трех конференциях Британской Ассоциации Фармакологов (Лондон, Кембридж, Брайтон, 1994, Великобритания), на fv Международной конференции стипендиатов Международного научного фонда "Wellcome Trust" (Лондон, 1994).
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 30 научных работ в отсчестпетюй и зарубежной печати, среди них обзор, глава коллективной монографии, изобретение.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ