Введение к работе
Актуальность проблемы
Одной из актуальных проблем физиологии и медицины является изучение механизмов взаимосвязи пищевого поведения и цикла бодрствование-сон у человека и животных. С древнейших времен обращалось внимание на связь межу этими функциями организма, на чем во многом основывались и основываются гигиена питания и гигиена сна. Несмотря на то, что в исследованиях взаимосвязи пищевого поведения и сна достигнуты определенные успехи (Koban, et al., 2006, 2008), центральные механизмы взаимосвязи этих функций организма до сих пор остаются во многом не выясненными.
Открытие в мозге новых пептидов, участвующих в регуляции пищевого поведения и локализованных в дофаминергических структурах или областях дофаминергической иннервации, ставит вопрос о выяснении их роли в регуляции различных функций организма, в том числе пищевого поведения и цикла бодрствование-сон.
Такими относительно “новыми” пептидами являются CART- пептид (cocaine- and amphetamine-regulated transcript, Douglas, et. al., 1995) и AGRP (Agouti related peptide, Ollmann, et al., 1997). В литературе функциональная роль этих пептидов обсуждается в связи с регуляцией пищевого поведения как факторов, которые тормозят и активируют аппетит, а также участвуют в регуляции энергетического баланса организма (Kristensen, et al., 1998; Stanley, et al., 2001; Schwartz, Mortin, 2002). Однако на основании данных, которые появились в литературе за последние годы и собственных наблюдений, мы полагаем, что функциональная роль этих пептидов может быть значительно шире. Нейроны, экспрессирующие CART, выявлены во многих областях мозга: этот пептид широко распространен в гипоталамусе, а также в мезолимбической системе (Couceyro, et al., 1997; Koylu, et al., 1997, 1998; Vicentic, Jones, 2007). Экспрессия AGRP выявлена только в нейронах аркуатного ядра гипоталамуса (Bagnol, et al., 1999), показано его функциональное значение как эндогенного антагониста меланокортиновых рецепторов. CART- и AGRP-иммунореактивные нейроны или их отростки присутствуют в областях мозга, где локализованы либо сами дофаминергические нейроны, либо их мишени. В частности показано, что черная субстанция и вентральная тегментарная область - самые крупные дофаминергические формации мозга, получают иннервацию от CARTергических нейронов прилежащего ядра (Dallvechia-Adams, et al., 2002) и от AGRP-экспрессирующих нейронов аркуатного ядра (Bagnol, et al., 1999). В самом аркуатном ядре гипоталамуса кроме CART- и AGRPергических нейронов, локализованы нейроны других эргичностей, в частности и дофаминергические нейроны. В нейросекреторных центрах - паравентрикулярном и супраоптическом ядрах гипоталамуса, которые получают мощную дофаминергическую иннервацию (Buijs, et al., 1984; Wagner, et al., 1995; Cheung, et al., 1998; Угрюмов, 1999), выявлена экспрессия CART и обильная иннервация AGRP (Koylu, et al., 1997; 1998; Broberger, et al., 1998; Haskell-Luevano, et al., 1999). Данные о локализации CART и AGRP являются предпосылкой для изучения функциональных связей этих пептидов с дофаминергическими нейронами, как элементов функционального модуля, обеспечивающих координирование работы дофаминергической системы мозга в норме и при патологиях.
Функциональная активность CART- и AGRPергических нейронов аркуатного ядра гипоталамуса контролируется различными метаболическими факторами, поступающих из крови. На них выявлены рецепторы к лептину, инсулину, грелину и др. (Stanley, et al., 2001; Schwartz, Mortin, 2002; Charbonneau, et al., 2004). В связи с этим нейроны аркуатного ядра гипоталамуса могут выполнять роль функционального посредника между периферическими тканями и дофаминергическими нейронами мозга в частности.
Цель настоящей работы: исследовать морфо-функциональные взаимодействия CART и AGRP с дофаминергическими нейронами мозга.
Задачи:
1) Оценить характер распространения CART и AGRP в дофаминергических структурах мозга.
2) Оценить морфо-функциональное состояние CART- и AGRPергических нейронов на фоне изменений функциональной активности дофаминергических нейронов.
3) Оценить функциональную активность дофаминергических нейронов мозга на фоне воздействия CART и AGRP.
4) Оценить функциональную активность CARTергических нейронов при нарушениях интегративных взаимодействий в стриатонигральных проекциях и баланса AGRP в мозге.
5) Проследить становление структурных и функциональных взаимосвязей CART- и AGRPергических нейронов в связи с развитием дофаминергических нейронов в пренатальном и постнатальном развитии.
Научная новизна
Впервые выявлено взаимодействие CART-пептида и AGRP в модуляции функциональной активности дофаминергических нейронов мозга. Выявлено активирующее влияние CART-пептида и тормозное влияние AGRP на дофаминергические нейроны мозга. Показано, что в дофаминергических нейронах мозга иммунореактивность тирозингидроксилазы, ключевого фермента синтеза дофамина, в различных формах поведения изменяется однонаправленно с уровнем иммунореактивности CART-пептида и противоположно с уровнем AGRP, что демонстрирует роль CART-пептида и AGRP как функциональных антагонистов.
Впервые показано, что на фоне 6-часовой депривации сна уменьшение активности тирозингидроксилазы в дофаминергических нейронах сопровождается уменьшением уровня CART-пептида и увеличением уровня AGRP. В стриатуме на фоне уменьшения активности тирозингидроксилазы выявлено увеличение иммунореактивности Д1 рецепторов, а в крупноклеточных ядрах гипоталамуса - уменьшение, что, очевидно, обусловлено различными функциями дофамина в этих системах и необходимо для обеспечения интеграции телэнцефало-диэнцефального взаимодействия при изменении функциональных состояний организма. На фоне постдепривационного сна в стриатуме и в гипоталамусе выявлено восстановление уровня тирозингидроксилазы и увеличение иммунореактивности Д2 рецепторов дофамина.
Полученные данные демонстрируют участие одних и тех же нейрохимических механизмов (CART и AGRP) в регуляции функций организма, связанных с работой дофаминергической системы мозга (в частности пищевое поведение, стресс, сон), что объясняет многофакторный характер нарушений при дисфункции какой-либо из этих систем.
Показано, что структурные взаимосвязи между CART- и дофаминергическими нейронами формируются в ходе пренатального развития организма, тогда как созревание AGRPергической системы и установление ее взаимосвязей с дофаминергической системой происходит в раннем постнатальном периоде развития. Впервые показано, что формирование механизма влияния CART-пептида на дофаминергические нейроны среднего мозга наблюдается у представителей низших tetrapoda (амфибии, рептилии). Активация CART-пептида в стриатонигральных проекциях на фоне гибели дофаминергических нейронов черной субстанции может носить компенсаторный характер.
Положения, выносимые на защиту:
-
Формирование взаимосвязей нейронов, вырабатывающих CART и дофамин, происходит в пренатальном периоде, когда формируются функциональные системы организма.
-
Формирование взаимосвязей нейронов, вырабатывающих AGRP и дофамин, происходит в постнатальном периоде, когда происходят процессы дифференцировки функциональных систем организма, включая фазы и стадии цикла бодрствование-сон.
-
CART- и AGRPергические системы оказывают модулирующее
разнонаправленное действие на дофаминергические нейроны мозга млекопитающих.
-
Доминирующим компонентом в функциональном взаимодействии CART- и AGRP- с дофаминергической системой является более поздно созревающая AGRPергическая система.
-
Активация CARTергических нейронов при нарушении интегративных взаимосвязей в нигростриатной системе носит компенсаторный характер.
Теоретическая и практическая значимость
Исследование имеет фундаментальное значение для понимания нейрохимических механизмов взаимосвязи пищевого поведения с циклом бодрствование-сон. Полученные данные демонстрируют существование общих нейрохимических механизмов регуляции различных форм поведения организма (как, например, двигательная активность – пищевое поведение-цикл бодрствование-сон), что объясняет возникновение многофакторных нарушений в этих системах при патологиях.
Полученные результаты демонстрируют роль пептидергических факторов в функционировании дофаминергической системы в норме и при патологии и могут быть использованы для разработки новых методов диагностики дисфункций дофаминергической системы, а так же фармацевтических стратегий при их лечении.
Полученные результаты важны для понимания нейробиологических основ метаболической хирургии: уменьшение аппетита и потребления пищи после уменьшения объема желудка связано с изменением баланса орексигенных и анорексигенных пептидов в аркуатном ядре гипоталамуса. В работе показано, что сроки развития канцер-анорексии зависят от нутритивных факторов и функциональной активности нейронов аркуатного ядра гипоталамуса.
Полученные данные могут быть использованы в курсах лекций и практических занятий для студентов биологических и медицинских факультетов университетов и медицинских институтов.
Полученные данные могут быть использованы в курсах лекций и практических занятий для студентов биологических и медицинских факультетов университетов и медицинских институтов.
Апробация работы
Результаты исследования были представлены и обсуждены на Конгрессе ACS (Chicago, Illinois, USA, 2003), на международной конференции «Brain control of feeding behavior» (Stockholm, Sweden, 2004), на XX и ХХI съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007; Калуга, 2010), на VII международном конгрессе «Neurohypophyseal hormones» (Regensburg, Germany, 2007), на конференции с международным участием “Нейрохимические механизмы формирования адаптивных и патологических состояний мозга” (Санкт-Петербург-Колтуши, 2008), на VI Всероссийской конференции с международным участием “Механизмы функционирования висцеральных систем”, посвященной 50-летию открытия А.М. Уголевым мембранного пищеварения (Санкт-Петербург, 2008), на конференции “Механизмы нервных и нейроэндокринных регуляций”, посвященной 90-летию со дня рождения академика Т.М. Турпаева (Москва, 2008), на II Съезде физиологов СНГ (Кишинев, Молдова, 2008), на VI, VII Всероссийских конференциях с международным участием “Актуальные проблемы сомнологии “ (Санкт-Петербург, 2008; Москва 2010), на BSA annual meeting (Edinburg, UK, 2009), на VII Всероссийской конференции с международным участием “Механизмы функционирования висцеральных систем “ (Санкт-Петербург, Россия, 2009), на VII и VIII Всероссийских конференциях «Нейроэндокринология» (Санкт-Петербург, 2005, 2010), на 14-й и 15-й международных конференциях “Stress and Behavior” (Санкт-Петербург, 2010, 2011), на Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы регуляции физиологических систем организма в процессе адаптации к условиям среды» (Санкт-Петербург, 2010), на ХIV Международном совещании и VII школе по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 2011), на 10-м Симпозиуме «Catecholamines and other neurotransmitters in stress» (Smolenice Castle, Slovakia, 2011), на III съезде физиологов СНГ (Ялта, Украина, 2011).
Финансовая поддержка работы. Работа выполнена при финансовой поддержке Российской академии наук, Российского фонда фундаментальных исследований №№ 07-04-01258, 10-04-00624, 12-04-01543, гранта ОБН РАН.
Личный вклад автора. Результаты работы получены лично автором, под его руководством и при его непосредственном участии в проведении экспериментов. Имена соавторов указаны в соответствующих публикациях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 работы, 18 из которых - статьи в рецензируемых журналах, 26 – тезисы и статьи в других печатных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения результатов, выводов и списка литературы, включающего отечественных и зарубежных источников. Работа изложена на страницах машинописного текста, иллюстрирована таблицами и рисунками.
