Genatically determined excitability of the nervous system: impact on brain function and behavior

Texto integral

ВВЕДЕНИЕ

Становление и развитие экспериментальной генетики высшей нервной деятельности всецело связано с именем И.П. Павлова, который инициировал применение генетического подхода и методов генетики для изучения физиологии высшей нервной деятельности [31]. Использование генетических методов позволило доказать, что особенности условно-рефлекторной деятельности как индивидуально приобретаемой формы адаптации имеют генетическую детерминацию. Исследование связей между действием генов и реализацией поведения предполагает анализ их влияния на структуру и функции нервной системы на разных уровнях ее организации, среди которых особое значение отводится основным свойствам нервных процессов, возбудительному процессу и возбудимости нервной системы.

Возбудимость – свойство (функция) возбудимых тканей, нервной и мышечной, отвечать на раздражение специфическим процессом возбуждения, который связан с возникновением специальных форм активности – ионных, химических, электрических, и проявляется в нервных клетках импульсами возбуждения, а в мышечных – сокращением или напряжением [1].

Обычно термин “возбудимость” связывают с нейронами и их электрическими свойствами, проявляющимися в виде быстрых изменений мембранного потенциала и электрической импульсной активности, известных как потенциалы действия [167].

Термин “возбудимость” используется для обозначения активности как отдельных клеток и тканей, так и более широко – для характеристики состояния нервных центров головного и спинного мозга, о чем судят по наименьшей силе раздражителя, необходимой для возникновения той или иной рефлекторной реакции [49].

Наиболее часто применяемым и биологически адекватным раздражителем возбудимых тканей в физиологических экспериментах является электрический ток. Наряду с этим могут быть использованы химические, механические, термические и другие раздражители. Основные подходы к оценке возбудимости нервной системы включают измерение двигательной активности, непосредственно порогов нервно-мышечной возбудимости при раздражении нервов, скорости проведения нервных импульсов, биоэлектрической активности мозга, отдельных его структур и отдельных клеток [140]. Для измерения возбудимости прежде всего используют определение порога – минимальной величины раздражения, при котором возникает распространяющееся возбуждение. Величина порога зависит от функционального состояния ткани и особенностей раздражителя и связана с возбудимостью обратно пропорциональной зависимостью.

Возбудимость определяет функционирование разных звеньев нервной системы и связана с работой физиологических механизмов, сходных для животных разного филогенетического уровня, что основано на гомологии генов.

Рассмотрим в историческом плане исследования, посвященные выяснению роли наследственно обусловленной возбудимости нервной системы в детерминации функциональных характеристик нервной системы, влияния на мозг и поведение, вскрытию физиолого-генетических механизмов их взаимодействия с использованием моделей на животных разного филогенетического уровня.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ ПОЛИМОРФИЗМ ПО ВОЗБУДИМОСТИ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПОВЕДЕНИЯ В РЯДУ ОРГАНИЗМОВ ОТ НАСЕКОМЫХ ДО МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Впервые идея об “оптимальном очаге (участке) возбуждения” с “оптимальной возбудимостью” в центральной нервной системе, являющемся необходимым условием для адекватного осуществления психических процессов, когнитивной деятельности была высказана И.П. Павловым: “Если бы можно было видеть сквозь черепную крышку, и если бы место больших полушарий с оптимальной возбудимостью светилось, то мы увидали бы на думающем сознательном человеке, как по его большим полушариям передвигается постоянно изменяющееся в форме и величине причудливо неправильных очертаний светлое пятно, окруженное на всем остальном пространстве полушарий более или менее значительной тенью” [37].

Начало исследований роли генетически детерминированной возбудимости нервной системы в реализации особенностей поведенческих реакций связано в нашей стране с именем Л.В. Крушинского. В его работах выявлена положительная зависимость между уровнем возбудимости нервной системы, проявлением и степенью выраженности генетически обусловленных оборонительных рефлексов и двигательной активности у собак [22–24, 41]. Концепция об уровне возбудимости мозга как модификаторе поведения легла в основу создания линии высоковозбудимых со слабым тормозным процессом крыс – линии Крушинского – Молодкиной, чувствительных к звуку и проявляющих целый ряд патологических состояний (эпилептиформные судорожные припадки, миоклонический гиперкинез, острые нарушения кровообращения) [21]. Эту линию до сих пор используют как модель при решении медицинских задач [42].

Инициированное М.Е. Лобашевым и В.В. Пономаренко в 60-х гг. прошлого века масштабное исследование корреляционных связей между генетически детерминированной возбудимостью нервной системы, процессами возбуждения и поведением последовательно проводили в Институте физиологии им. И.П. Павлова на протяжении последующих десятилетий (1970–1990-е гг.) [32, 33, 43–45]. Объектами исследования служили насекомые (географические расы медоносной пчелы, дрозофила), птицы (породы кур), рыбы (виды осетровых), млекопитающие – грызуны (линии мышей и крыс). Использовали сравнительно-генетический, селекционный и мутационный методы.

При сравнении 5 рас медоносной пчелы Apis mellifera L. (краинская, итальянская, шахдагская, среднерусская и персидская) выявлена высокая корреляционная связь между порогами возбудимости кожно-мускульного мешка, скорости впадения в эфирный наркоз (отражает состояние синапсов, передающих нервные импульсы на локомоторные органы), пищевой возбудимости и специфической сигнальной формы локомоторной активности (ритмом танца) [30]. При этом высокой нервно-мышечной возбудимости соответствовали высокие значения скорости впадения в эфирный наркоз, пищевой возбудимости и ритма танца. Положительный характер корреляций между этими признаками был подтвержден далее в исследованиях этих же характеристик на мутантах медоносной пчелы. Оригинальный подход – использование уже известных мутаций с выясненным биохимическим механизмом действия был предложен В.В. Пономаренко. Среди них особый интерес представляют мутации, связанные с изменением пигментации, поскольку некоторые предшественники образования пигментов служат одновременно источником синтеза нейроактивных веществ. Так, мутации snow, brick, chartreuse-red, вызывающие накопление в гемолимфе триптофана и его производных 3-гидроксикинуренина и ксантуреновой кислоты и 3-гидроксикинуренина в пигментных клетках глаз повышают пороги возбудимости нервно-мышечного аппарата и, соответственно, угнетают сигнальные формы поведения [25, 27]. Мутация umber, приводящая к повышению уровня кинуренина, снижает пороги нервно-мышечной возбудимости и при этом стимулирует поведенческую и сигнальную активность. Создание фенокопий соответствующих мутаций путем введения D-L- триптофана и L-сульфата кинуренина показало, что в первом случае имеется тормозящее, а во втором – возбуждающее действие на нервную активность (пороги нервно-мышечной возбудимости) и сигнальное поведение [26]. При этом четко наблюдали зависимость проявления изучаемых признаков от дозы гена при сравнении гомо- и гетерозиготных по соответствующим мутантным аллелям особей.

Следует подчеркнуть, что возбуждающая нейроактивная роль кинуренина была впервые установлена на медоносной пчеле [34]. Приоритет в исследовании нейроактивности кинуренинов у млекопитающих, их роли при стрессе и в формировании ряда патологических состояний (тревоги, депрессии, эпилепсии, алкогольной и других зависимостей) принадлежит отечественному психофармакологу И.П. Лапину [28, 111]. В настоящее время интенсивно изучают роль эндогенных кинуренинов в деятельности нервной системы, что используется в терапевтических целях [173].

Большой цикл исследований, посвященный выяснению роли генов, контролирующих порог нервно-мышечной возбудимости в наследственной детерминации нейрофизиологических параметров непосредственно процесса возбуждения, проведен с использованием различных пород кур и осетровых рыб [43, 45]. Выявлены обусловленные генотипом корреляции между порогом возбудимости и показателями возбуждения, протекающего в разных отделах нервной системы. У животных, имеющих более высокую нервно-мышечную возбудимость, наблюдали и более высокую пищевую возбудимость, более высокие показатели силы возбудительного процесса, меньшую длительность животного гипноза. Исследования, проведенные на курах и рыбах (результаты реципрокных скрещиваний) свидетельствовали о наличии генетических корреляций между параметрами процесса возбуждения. Нейрофизиологические показатели возбуждения наследуются совместно по материнской линии [44].

На 16 инбредных линиях мышей Ю.С. Дмитриевым был выполнен большой цикл исследований генетических корреляций возбудимости нервно-мышечного аппарата с поведением – скоростью образования условного рефлекса активного избегания [15–17]. Сравнительно-генетическим, гибридологическим и мутационным методами выявлены высокие положительные корреляции возбудимости с этой формой обучения. Установлена роль гена еxnm (excitability neuromuscular) в детерминации порога нервно-мышечной возбудимости на рекомбинантно-инбредных линиях мышей [14, 131]. Плейотропный эффект этого гена распространялся на контроль способности к образованию условного рефлекса активного избегания, содержание серотонина и норадреналина. Ссылка на информацию об этом гене в базах данных – http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/?term=exnm

Исследования на крысах проводили на линиях, селектированных А.И. Вайдо непосредственно по нервно-мышечной возбудимости [9]. Отбор вели по величине порога нервно-мышечной возбудимости при раздражении электрическим током (прямоугольные электрические импульсы, длительность – 2 мс) большеберцового нерва n. tibialis. Определяли генетически-детерминированные связи между этим признаком, функционированием мозга и широким спектром поведенческих реакций. Исходным материалом служили крысы аутбредной популяции Вистар. По двум селекционным программам выведены 4 линии крыс с разными порогами возбудимости: ВП1, НП1, ВП2, НП2 (В – высокий, Н – низкий, П – порог, 1, 2 – номер селекционной программы). До настоящего времени поддерживаются только две линии – ВП1(ВП) и НП2(НП) с наиболее контрастными величинами порогов возбудимости (более чем 4-кратные различия), отражающими крайние варианты популяционной нормы [11].

Дивергенция линий крыс по порогу возбудимости периферического нерва привела к однонаправленным изменениям возбудимости других отделов периферической и центральной нервной систем (в основном подкорковых структур) [2], нейрональной активности миндалины [47], сопровождаемым структурно-функциональными и метаболическими изменениями разных звеньев нервной системы [5, 7, 10, 13, 48, 57]. У линий произошли изменения функционирования ионных каналов [169], структурно-функциональных особенностей мембран нервных клеток [46, 12], систем гормональной регуляции [4, 36, 19, 51, 52], метаболизма медиаторов [11], чувствительности к анальгетикам [58]. В процессе селекции произошла дивергенция и по поведенческой активности. Так, выявили влияние возбудимости нервной системы на проявление инстинктивных реакций, импульсивность, эмоциональность, агрессивность, альтруизм, специфику стратегии поведения [3, 8, 11, 29, 53–55], способность к выработке условных рефлексов [55, 56]. С другой стороны, произошли изменения в работе генетического аппарата в клетках мозга и периферийных органов – состояние хроматина и его эпигенетические модификации, дестабилизация генома, активность ретротранспозонов [6, 18, 39, 153].

В результате большого цикла исследований было продемонстрировано влияние генетически-детерминированного уровня возбудимости нервной системы на восприимчивость к стрессорным воздействиям, что продемонстрировано в различных тестах [6, 11, 48, 52, 53]. Важно отметить, что у крыс линий ВП и НП впервые продемонстрированы долгосрочные постстрессорные изменения поведения, сохраняющиеся на протяжении 6 месяцев [56]. Эти поведенческие изменения имеют у каждой из линий свои специфические особенности и отличаются от нормального поведения [11, 56]. Наблюдаемые в экспериментах устойчивые изменения поведенческих признаков у крыс линий ВП и НП соотносят с рядом симптомов ПТСР (линия ВП), компульсивного расстройства и иммунных дисфункций, сопровождающих нейровоспаление (линия НП) [6, 11, 152]. В основе – морфологические изменения, дифференциальные постстрессорные модификации хроматина, генетические и эпигенетические изменения в нейронах отделов мозга, вовлеченных в реакцию на стресс, – префронтальной коры, гиппокампа и миндалины [18, 50].

В настоящее время с использованием современных методов молекулярной генетики определяют участие конкретных генов, дифференциально экспрессируемых в отделах мозга, связанных с реакцией на стресс и различиями в возбудимости, в обеспечении оптимальной деятельности нервной системы и проявлении специфических видов поведения, включая обучение, и отклонения, возникающие при развитии психонейропатологии [40].

Параллельно этим исследованиям зарубежные авторы также использовали селекционные программы.

Другие селекционные модели, в которых отбор вели по параметрам возбудимости

В результате селекции по высокому и низкому уровню так называемого центрального состояния возбуждения были созданы линии дрозофилы Drosophila melanogaster [170], на которых исследовали корреляции с поведенческими признаками [171]. Отбор по центральному состоянию возбуждения был проведен и на черной мясной мухе Phormia regina [124]. Селекционные признаки были определены, исходя из данных Детьера [124], показавшего, что мухи, находящиеся в состоянии пищевой депривации после первого пищевого подкрепления приходят в состояние возбуждения и исполняют танец. При этом частота изменения движений хоботка голодной мухи, получившей доступ к воде, резко возрастает после первой стимуляции сахарозой. Степень увеличения частоты движения хоботка коррелирует с интенсивностью танца голодной мухи и пропорциональна уровню центрального состояния возбуждения. Показано, что несколько связанных аутосомных генов с дигенными эпистатическими взаимодействиями и сложным паттерном материнской наследственности ответственны за разницу в продолжительности танца между линиями с высоким и низким центральным состоянием возбуждения [124]. В экспериментах на мясной мухе селекция по центральному состоянию возбуждения повлияла на достаточно широкий набор признаков поведения, включая классическое обусловливание, тогда как линии дрозофилы различались в основном по исходной реакции на предъявление воды [171, 124].

На млекопитающих исследованием возбудимости нервной системы в рамках концептуальных разработок понятия общей неспецифической возбудимости занимался в 70-е гг. прошлого века чешский исследователь Я. Лат [94, 112–117]. Им были выведены две линии крыс (А+, А-), различающиеся по общей неспецифической возбудимости; они селектировались по уровню локомоторной активности, проявляемой в условиях новизны в установке, называемой лабиринтом Лата (Lat-maze). Для более возбудимой линии характерна более высокая двигательная активность в различных тестах, большее число социальных контактов при парном тестировании в “открытом поле” [84, 85].

Далее на основе этих линий были выведены неапольские высоковозбудимая NHE (Naples high excitability) и низковозбудимая NLE (Naples low excitability) линии крыс, селектированные по уровню активности в лабиринте Лата, которые различаются непосредственно по нервно-мышечной возбудимости [70]. Селекция ведется с 1976 г. Выявлены межлинейные различия по эмоциональности, способности к обучению, морфологическим и нейроэндокринным особенностям гиппокампа, свидетельствующие о дезинтеграции процессов в этой структуре мозга у обеих линий [70]. Эти линии использовались как модель для исследования функций гиппокампа, механизмов пространственной памяти. Цикл многолетних исследований позволил установить у животных высоковозбудимой линии NHЕ более низкую концентрацию альфа-адренорецепторов в гиппокампе и гипоталамусе [70], большую концентрацию NMDA рецепторов [147], повышенный уровень возбуждающих аминокислот [141, 142], участие серотониновых рецепторов 5-НТ7 в модуляции особенностей эмоциональных реакций [143], сниженную экспрессию генов раннего действия Fos и Jun и сниженный уровень внепланового синтеза ДНК под влиянием новой ситуации в лабиринте Лата [132]. Кроме того, у них выявили мезокортиколимбическую гиперфункцию, гиперактивацию дофаминергической системы с повышенной экспрессией мРНК, участвующих в основном обмене и регуляции дофаминовых рецепторов [175]. Поэтому высоковозбудимая линия NHE используется как модель дефицита внимания и гиперактивности [144, 149] для исследования поведения, связанного с риском (risk-seeking behavior) [143], нарушения процессов обучения и памяти, формирования алкогольной и наркотической зависимости [133, 175. 176]. Влиянием на компоненты дофаминергической системы фармакологическими препаратами удается снизить проявление патологических симптомов [145].

Еще один селекционный эксперимент был осуществлен на мышах Д. Хегманом [91]. В результате проведения трех селекционных программ было получено 6 линий мышей, различающихся по скорости проведения потенциалов действия в хвостовом нерве (H, H1, H2 (Н-high) – L, L1, L2 (L-low). Вследствие отбора произошло однонаправленное изменение этого признака в разных отделах периферической нервной системы. Межлинейные различия в скорости проведения нервного импульса были связаны с разным диаметром нервных волокон. У линий с высокой скоростью проведения двигательная активность и эмоциональность были выше, чем у линий с низкой скоростью [92]. Дальнейшего развития эта селекционная программа не имела.

Модели, в которых селекция проводилась по поведенческим параметрам, а оценка возбудимости была вторичной

Эти эксперименты также вносят вклад в понимание корреляций возбудимости нервной системы с поведением.

Д. Биньями [64] на основе линии Спрег – Доули (Sprague – Dawley) были выведены две линии крыс RHA (Roman High Avoidance) и RLA (Roman Low Avoidance), различающиеся по скорости обучения (выработки рефлекса активного избегания болевого раздражения электрическим током в челночной камере – shuttle box) [65, 78]. Оценка у них возбудимости по порогам проявления реакций вздрагивания и подпрыгивания при действии электрического тока различной интенсивности (flinch-jump) и в других тестах показала, что более возбудима линия RHA [148, 149]. У крыс этой линии обнаружена повышенная импульсивность при выполнении задачи “права выбора” ценности подкрепления. в зависимости от времени его получения (delay-discounting task- DDT), в тесте определения времени реакции при 5-вариантном выборе (five-choice serial reaction time task – 5-CSRT), при планово-индуцированной полидипсии (schedule-induced polydipsia – SIP) (модель обсессивно-компульсивного расстройства – ОКР), меньшая тревожность в условиях новизны, устойчивость к действию стрессорных факторов [77]. Повышенная импульсивность и коморбидные характеристики у этой линии связаны с базальными нейрохимическими различиями в уровне моноаминов в стриатуме и прилежащем ядре [126], ослабленной реакцией со стороны гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы (ГГАКС) [134]. Поскольку высокий уровень импульсивности наблюдается при психопатологиях человека – ОКР, синдроме дефицита внимания, гиперактивности, шизофрении и разных формах асоциального поведения, эта линия активно используется как модель для изучения компонентов импульсивного поведения и механизмов индивидуальной предрасположенности к импульсивности и связанных с этим патологиях [73, 74, 77, 126].

Линия RLA характеризуется высоким уровнем тревожности в различных тестах, повышенной эмоциональностью, более пассивной стратегией поведения, но парадоксально более высоким уровнем агрессивного поведения в тесте “резидент-интрудер”, более высокой стресс-реактивностью (повышенный уровень АКТГ, кортикотропин-рилизинг гормона, секреции кортикостерона и пролактина, выраженная реакция замирания), по сравнению с линией RHA [73, 74, 156]. Животные этой линии в тесте принудительного плавания и других тестах, связанных с действием стресса (иммобилизация, климбинг), проявляют ряд элементов поведения, свойственных развитию состояния, подобного депрессии, симптомы которой устраняются антидепрессантами [134, 135]. Следует отметить, что у них выявлены также межлинейные различия в экспрессии следующих генов: CAMKK2 (calcium / calmodulin-dependent protein kinase kinase), CRHBP (corticotrophin releasing hormone binding protein), EPHX2 (microsomal epoxide hydrolase), HOMER3 (homer protein), NDN (necdin), PRL (prolactin) and RPL6 (ribosomal protein L6). Экспрессия EPHX2, CAMKK2, PRL генов выше у линии RLA. по сравнению с RHA, тогда как экспрессия HOMER3, CRHBP и RPL6 генов ниже у RLA по сравнению с RHA [146]. То есть результатом отбора явилась дивергенция линий и по молекулярно-генетическим признакам, уровню экспрессии генов, в том числе и важного гена гормональной регуляции – кортикотропин-рилизинг-связывающего белка – CRHBP, гена Са2+/КМ-зависимой протеинкиназы киназы, ключевого фермента в физиологических и патофизиологических процессах – регуляции энергетического баланса, обмена глюкозы, гематопоэзе, ожирении, процессах воспаления, канцерогенезе. В настоящее время наряду с поддержанием аутбредных линий RHA и RLA выведена также инбредная колония RHA-1 и RLA-1 [69]. На инбредных крысах удалось выявить роль центральных компонентов ГГАКС, а именно – установить более высокую экспрессию гена кортикотропин-рилизинг гормона в гипоталамусе, амигдале, стриатуме крыс RLA-1 и определить, что этот гормон является ключевым нейробиологическим субстратом, детерминирующим различия между этими линиями (тревожность, стресс-реактивность). Учитывая, что линии различаются по возбудимости нервной системы, и в ходе длительного отбора было возможно формирование генетической детерминации этих различий, высока вероятность связи перечисленных особенностей этих линий и с генетически-детерминированном уровнем возбудимости нервной системы, хотя специального исследования для выявления подобных корреляций не проводили.

На другой модели тревожных состояний у мышей, выведенных комбинацией методов скрещивания и отбора по поведенческим признакам, обнаружена повышенная возбудимость нейронов гиппокампа, что связано со снижением плотности К+-каналов [177]. Создана трансгенная линия мышей (plp1tg/-mice), содержащая экстракопии гена миелин протеолипидного белка (plp1), имеющая низкую скорость проведения в аксональных трактах ЦНС и сниженный диаметр аксонов. Мыши этой линии отличаются особенностями поведения, связанного с проявлением тревожности, имеют дефицит пространственного обучения и рабочей памяти [163].

C уровнем возбудимости (процессами возбуждения) связаны импульсивность, тревожность, агрессивность. Поэтому в рамках настоящей работы представляют интерес линии, селектированные по характеристикам тревожности и параметрам агрессивного поведения с точки зрения комплекса поведенческих, нейробиологических и молекулярно-генетических особенностей, связанных с отбором, среди которых, на основании уже известных зависимостей, возможно установление связей и с общей возбудимостью нервной системы. Линии крыс HAB и LAB (high, low anxiety-related behavior) получены в результате селекции по показателям тревожности и проявляют аномальные формы агрессивного поведения [129]. Являются моделью для изучения связи между агрессивностью (импульсивно-реактивно-враждебно-аффективной – impulsive-reactive-hostile-affective и контролируемой проактивно-инструментально-хищнической controlled-proactive-instrumental-predatory) [178] и врожденными нарушениями в сфере эмоциональной регуляции, причем первый комплекс нарушений характерен для депрессивных состояний и ПТСР, а другой – для асоциальных и пограничных расстройств. По совокупности показателей линия HAB – модель тревожности с коморбидной депрессией [129], линия LAB – модель асоциального поведения, включая патологическую агрессию [174]. Выявлены межлинейные различия в активности ГГАКС, аргинина-вазопрессина в мозге, системы серотонина, что, с одной стороны, уточняет их вклад в формирование фенотипов, связанных с проявлением агрессии и тревожности, а с другой – отражает участие тех же звеньев, которые проявляются в ходе отбора в других селекционных программах, затрагивающих и возбудимость нервной системы.

Работ, связанных с исследованием влияния генетически-детерминированной возбудимости нервной системы на поведение и механизмов их взаимосвязи на млекопитающих не много. К ним относятся, прежде всего, рассмотренные выше селекционные программы, начатые еще в 60–70-е гг. прошлого века и продолжающиеся до настоящего времени (табл. 1). Отбор по определенным свойствам нервных процессов и поведенческим признакам, коррелирующим с возбудимостью нервной системы, привел к созданию линий, всесторонне исследованных и активно использующихся в настоящее время как валидные модели нервно-психических патологий человека.

Таблица 1. Селекционные модели на различных объектах по параметрам возбудимости

ИЗМЕНЕНИЯ ВОЗБУДИМОСТИ МОЗГА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В РЕАЛИЗАЦИИ НОРМАЛЬНОГО И ПАТОЛОГИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ

В самостоятельный раздел следует отнести работы, касающиеся возможности изменения возбудимости центральной нервной системы – мозга и отдельных его структур под влиянием внешних воздействий, стрессорных факторов, фармакологических препаратов и др.

Прежде всего, следует вспомнить в этой связи работы М.М. Хананашвили, который использовал модуляцию факторами внешней среды функционального состояния нервной системы при изучении информационных неврозов и установил, что у животных с низким функциональным состоянием нервной системы легче вызвать формирование невроза [59]. Механизмы регуляции общего функционального состояния коры головного мозга тесно связаны с формированием условных рефлексов [33, 35]. С использованием мышей инбредных линий и применением статических и динамических нагрузок удалось выявить зависимую от генотипа связь между выработкой рефлекса активного избегания и уровнем возбудимости [15].

Литература, посвященная изменению общей и специфической возбудимости внешними факторами, обширна, рассмотрим некоторые из подходов. Достаточно большое количество работ посвящено рассмотрению механизмов изменения специфической возбудимости за счет воздействия на ионные каналы и возможностям ее коррекции в этиопатогенезе нервно-психических расстройств. Например, селективное воздействие на калиевые каналы Kv 7.4 М-типа демонстрирует их ключевую роль в регуляции возбудимости дофаминергических нейронов и депрессивноподобного поведения [120]. Используя фасудил – селективный активатор канала Kv 7.4 и мышей с нокаутом канала Kv 7.4, показано, что эти каналы являются основным модулятором возбудимости дофаминергических нейронов вентральной тегментальной области (ВТО) in vitro и in vivo. Снижение регуляции каналов Kv 7.4 может быть причиной измененной возбудимости дофаминергических нейронов ВТО и депрессивно-подобного поведения [120].

Хронический стресс приводит к гипервозбудимости пирамидных нейронов латеральной амигдалы у крыс, что связано с редукцией количества и изменением функций К+ и Са2+-каналов [139]. Известно, что гипервозбудимость амигдалы сопровождает такие патологические состояния у человека, как депрессии, тревожность, ПТСР. Показано также, что гипервозбудимость амигдалы под влиянием стресса связана с глутаматергическими механизмами и коррелирует с особенностями проявления тревожности [122]. Большой пласт работ посвящен изучению возбудимости гиппокампа при патологиях нервной системы. Различными стрессорными воздействиями и фармакологическими препаратами модифицируется возбудимость нейронов коры и гиппокампа [162]. Нокаут гена постсинаптического адгезионного белка – нейролигина-2 (NLGN2) вызывает среди прочих поведенческих и нейробиологических изменений увеличение возбудимости гранулярных нейронов зубчатой извилины гиппокампа [95].

При изучении влияния хронической социальной изоляции на процессы контроля возбудимости серотонинергических нейронов семейством SK-активируемых кальцием калиевых каналов у самцов и самок мышей выявили и половые различия [130]. Различным, зависимым от пола был и характер действия антидепрессантов в этих экспериментах, что указывает на необходимость разработки специфических для каждого пола подходов при восстановлении серотонинергической функции за счет влияния на возбудимость.

ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КЛЕТОЧНОЙ ВОЗБУДИМОСТИ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПОВЕДЕНИЯ: МОДЕЛИ НА НИЗШИХ (ПРОСТЕЙШИЕ, БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ) И НА КЛЕТКАХ МЛЕКОПИТАЮЩИХ

Модели на простейших и беспозвоночных создаются и активно исследуются в связи с возможностью изучения непосредственно возбудимости, корреляций с достаточно простыми локомоторными реакциями, удобством для отбора мутантов и проведения генетического анализа, определения роли компонентов клеточных мембран, ионных каналов в модуляции возбудимости и их генетической детерминации [66, 96, 97, 137, 138]. Количество таких моделей велико, а их востребованность определяется тем, что клетки низших могут быть сравнимы в рамках исследуемой проблемы с нейронами и мышечными клетками.

Многие одноклеточные организмы обладают поведенческими реакциями и продуцируют потенциал действия [66, 167] – микроводоросли [89, 164], инфузории, такие как Paramecium и Stentor [168, 179], солнечники Actinocoryne сontractilis [81] и даже бактерии [103].

На клетках низших эукариот – миксомицет Dictyostelium discoideum (диктиостелиум, клеточный слизевик) исследуют и выявляют компоненты, связанные с детерминацией возбудимости (в частности, ГТФаза Ras, сфингомиелин), и механизмы их участия в разных формах клеточных реакций (подвижность клеток, хемотаксис) [155]. Авторы позиционируют существование нового механизма регуляции возбудимой системы с помощью мембранных липидов, при котором метаболизм сфингомиелина обеспечивает среду, обеспечивающую возбуждение Ras для эффективной клеточной подвижности и хемотаксиса.

Новый взгляд на эволюцию возбудимости, обобщение основных клеточных изменений, возникших в ходе эволюции и связанных с эукариогенезом у эукариот, представлены в работе К. Вана и Г. Джекли [167]. К этим “инновационным” изменениям авторы относят расширенный набор ионных каналов, появление ресничек и псевдоподий, эндомембран в качестве внутриклеточных конденсаторов, гибкую плазматическую мембрану и перемещение хемиосмотического синтеза АТФ в митохондрии, что освободило плазматическую мембрану для более сложной передачи электрических сигналов, участвующих в клеточных реакциях. Сделано предположение, что вместе с увеличением размера клеток эти новые формы возбудимости значительно увеличили скорость и точность клеточных реакций, совершенствуя характер взаимодействия организма с окружающей средой [167].

Выделим основные работы, которые вскрывают связь генетически детерминированной возбудимости с поведением.

Обширные исследования с начала 60-х гг. прошлого века проводили с использованием парамеций – одноклеточных организмов рода Paramecium со стереотипным локомоторным поведением – реакцией избегания на действие стимулов и возможности генерации потенциала действия на электрические, химические, оптические, термические раздражители [66, 77, 78, 101, 128]. Потенциал действия создается потенциал-зависимыми кальциевыми каналами, расположенными в ресничках [79]. Подобные кальциевые каналы L-типа, относящиеся к семейству CaV1, обнаружены и в нейронах, сердце, мышцах млекопитающих [121]. У парамеций выявлены сигнальные пути нейронов, в частности кальциевые сигнальные пути, каналы высвобождения кальция, кальмодулин, центрин, кальциневрин, белки SNARE, цАМФ и цГМФ-зависимые киназы и др. [136].

Наличие аутогамии (возможность отбора рецессивных мутаций) и конъюгации (возможность проведения генетического анализа) позволило проводить на этом объекте и генетические исследования [67, 105]. Отбор мутантов по измененному поведению (характер и направленность движения, основанного на реакции избегания) после действия мутагена и помещения на среду с повышенным содержанием ионов Na+ позволил выявлять у них и изменения в структуре и электрофизиологических свойствах мембраны. Наиболее полно среди выделенных мутантов были исследованы: Fast-2 – не чувствительные к ионам Na+, Paranoiac – c чрезвычайно сильной реакцией избегания относительно дикого типа, Pawn – с отсутствием реакции избегания на действие стимулов любой природы [105, 107, 108]. При этом характер электрогенеза у них был различным, а в основе лежали различия в свойствах ионных каналов. Мембрана мутантов Fast-2 не деполяризовалась, и для них была характерна увеличенная проводимость для ионов К+ при потенциале покоя [106, 150]. Мутант Paranoiac проявлял затяжную деполяризацию в соответствии с его гиперактивной реакцией на ионы Na+, при этом у него нарушен механизм инактивации Na+-каналов [106, 150]. Pawn давал локальный ответ, и у него был нарушен механизм активации К+-каналов [106]. Выделение и исследование у парамеций мутаций устойчивости к действию бария Ba2+, являющегося для них токсичным, показало связь разной выраженности утраты избегания со степенью нарушения проводимости для ионов Ca2+ [151]. Были успешно клонированы гены, имеющие решающее значение для процесса возбуждения мембраны [110]. Так, клонирован ген pawn-A (pwA), отвечающий за работу ворот кальциевых каналов, кодирующий белок, функционально связанный с гликофосфатидилинозитолом [90]. Ген pwb связан с влиянием на стенки кальциевых каналов и их общее число. С использованием мутантов выявлены причины некоторых нарушений в функционировании ионных каналов. Так, снижение проводимости Са2+ и К+ вызвано нарушениями в минорных фракциях мембранных белков и сфинголипидах, входящих в состав мембраны (мутант baA) [83]. У мутанта ataA3 отклонение в функции кальций-зависимых калиевых каналов было связано с дефектами в структуре сGMP-зависимой протеинкиназы [60]. Мутанты по кальмодулину с нарушенной проводимостью кальций-зависимых калиевых каналов проявляли сверхреактивность к действию стимулов различной модальности (С-lobe). У другой группы мутантов по кальмодулину с нарушениями кальций-зависимых натриевых каналов выявлено, напротив, ослабление реактивности (N-lobe), что позволило вскрыть двойственную функцию кальмодулина [109].

В целом, генетические исследования на парамеции наряду с изучением электрофизиологии, различных аспектов поведения, клеточной и молекулярной биологии позволили определить элементы сходства с нервной системой многоклеточных, в ионных каналах, сигнальных путях (кальций, циклические нуклеотиды), сенсорных и других (ГАМК) рецепторах как функционально, так и на генетическом и молекулярном уровне [66, 71, 93, 180, 136]. Геном парамеции успешно секвенирован [61, 123].

В настоящее время обширная литература на различных объектах от беспозвоночных до млекопитающих посвящена проблемам нарушения функционирования ионных каналов, в том числе и с использованием генетических методов. Выделим и рассмотрим некоторые исследования, в которых использованы подходы, важные для выявления связи генетически детерминированной возбудимости с поведением.

С использованием нематоды вида Caenorhabditis elegans изучали, как различные K(+)-каналы взаимодействуют, регулируя нервно-мышечную возбудимость, используемую самцами для вытягивания копулятивных спикул из хвоста и введения их в вульву гермафродита во время спаривания [118]. Выяснили, что канал K(+) (BK)/SLO-1 генетически взаимодействует с ether-a-go-go (EAG)/EGL-2 и EAG-/UNC-103 K(+) каналами при контроле выдвижения спикул. Показано, что определенные изоформы SLO-1 влияют на вытягивание спикул. Экспрессия генов slo-1 и egl-2 может усиливаться кальций / кальмодулин-зависимым образом (зависимым от протеинкиназы II), чтобы компенсировать потерю UNC-103, и, наоборот, UNC-103 может частично компенсировать потерю функции SLO-1. Таким образом, авторы работы экспериментально доказали, что взаимодействие между калиевыми каналами BK и EAG семейств обеспечивает уровни мышечной возбудимости, которые регулируют время вытягивания спикул и успех спаривания самцов.

На дрозофиле в 70-е гг. прошлого века начали получать и изучать двигательные мутации. Так, мутации типа shaker, индуцированные в Х хромосоме половых клеток самцов стандартной линии Canton-S этилметансульфонатом (ЭМС), вызывали подергивание лапок при впадении мух в эфирный наркоз [98].

Д. Сузуки с соавт. изучал у дрозофилы температуро-чувствительные нейрологические мутации, вызывающие паралич при температуре 29 ºC и выше [159–161]. Получение и исследование мутантов подобного типа показало, что многие из них несут мутантные аллели генов, ответственных за функционирование ионных каналов, экспрессируемых в нервной системе [166]. Например, мутация eag (специфическая чувствительность к эфиру) приводит к нарушению функционирования одной из субъединиц калиевых каналов, вызывает нарушение в синаптической передаче и способность к выработке условно-рефлекторных реакций [88]. Показано, что мутанты eag CaMBD уменьшают вызванное высвобождение Ca2+ из пресинаптических окончаний мотонейронов личинок и демонстрируют снижение притока Ca2+ в стимулированные пресинаптические окончания нейронов у имаго, что согласуется с увеличением K+-проводимости. Снижение секреции на личиночной стадии приводит к компенсаторному увеличению соматической возбудимости мотонейронов. Такая нарушенная регуляция синаптической и соматической возбудимости приводит к дефектам формирования ассоциативной памяти у взрослого организма [68].

Каналы ether-à-go-go (EAG) млекопитающих также представляют собой потенциалзависимые K+-каналы. Они кодируются семейством генов KCNH и делятся на три подсемейства: eag (Kv10), erg (ген, родственный eag; Kv11) и elk (eag-подобный; Kv12). Все подтипы каналов EAG экспрессируются в головном мозге, где они эффективно модулируют возбудимость нейронов. Erg-токи в нейронах участвуют в поддержании потенциала покоя, установлении порога потенциала действия и аккомодации частоты. Они могут поддерживать высокочастотную активацию, предотвращая вызванную деполяризацией блокировку каналов Na+. Каналы EAG модулируются дифференциально, например eag-каналы – за счет внутриклеточного Ca2+, erg-каналыи – за счет внеклеточных K+ и GPCR, а каналы elk – за счет изменений pH. С помощью селективных блокаторов в нейронах зарегистрированы токи, опосредованные erg-каналами. Результаты на мышах KO указывают на физиологическую роль токов eag1 в синаптической передаче и участие токов eag2 в когнитивных функциях. Мутации, связанные с усилением функции eag1 и eag2 человека лежат в основе синдромов, связанных с эпилепсией [62].

Использование трансгенных линий дрозофилы, полученных на основе генов с измененной функцией Са2+/кальмодулин-зависимой протеинкиназы, позволило продемонстрировать, что специфическим субстратом для нее является цитоплазматический домен калиевого канала [88]. Мутация shaker, выделенная на основе специфической чувствительности к эфиру, изменяет ген, модулирующий альфа-субъединицу калиевого канала, при этом мутанты shaker дефектны по обучению [182]. Следует отметить, что обратимое антисмысловое ингибирование shaker подобных каналов (Kv 1.1), расположенных в дендритах пирамидных нейронов поля САЗ и гранулярных клетках зубчатой фасции, нарушает ассоциативную память у крыс и мышей [125].

Kv1.1 принадлежит к подсемейству потенциалзависимых калиевых каналов Shaker и действует как критический регулятор возбудимости нейронов в центральной и периферической нервной системе. KCNA1 – единственный ген, который связан с эпизодической атаксией типа 1 (EA1), аутосомно-доминантным заболеванием, характеризующимся атаксией и миокимией. Итеративная характеристика дефектов каналов на молекулярном, сетевом и организменном уровнях способствовала выяснению функциональных последствий мутаций KCNA1 и демонстрации того, что атаксические атаки и нейромиотония являются результатом изменений мозжечка и двигательных нервов. Дисфункции канала Kv1.1 также связаны с эпилепсией, а мыши с нокаутом kcna1 считаются моделью внезапной неожиданной смерти при эпилепсии. Тканеспецифическая ассоциация Kv1.1 с другими членами Kv1, вспомогательными и взаимодействующими субъединицами усиливает физиологическую роль Kv1.1 и расширяет патогенез заболеваний, связанных с Kv1.1. Kv1.1 предложен в качестве новой и многообещающей мишени для лечения заболеваний головного мозга, характеризующихся гипервозбудимостью [76].

Сниженная способность к обучению, наравне с низкой возбудимостью показана и для мутанта дрозофилы parats (паралич при высокой температуре) с нарушением функционирования натриевых каналов [158]. Аналогичными свойствами обладает мутация napts, выделенная тем же методом и изменяющая функционирование натриевых каналов, возбудимость и обучение [75].

Мутации, влияющие на ионные каналы и возбудимость мембран нейронов, которые изменяют функции нейронов и поведение, обучение и память были выделены у дрозофилы, других организмов, включая крыс и мышей [82, 119]. Они оказывают влияние также на продолжительность жизни и жизнеспособность нейронов в зависимости от возраста. Мутации, которые снижают возбудимость мембран, а также мутации, повышающие возбудимость, в разной степени влияют на нейродегенеративные процессы у мышей, что также сказывается на реализации поведения [82].

В этой связи следует упомянуть, что в последние годы становится все более очевидной роль пластичности нейрональной возбудимости в различных физиологических и патологических процессах. Например, в системе мозг–метаболизм [99], при синдроме ломкой Х-хромосомы [72], депрессивных [100, 104] и других неврологических расстройствах [63], проявлении зависимостей [102], а также в процессах обучения и памяти [87, 127, 165].

Измененная возбудимость нейронов является важным механизмом в процессах обучения и памяти. Как уже указывалось выше, возбудимость нейронов определяют свойства ионных каналов, поэтому генетическое изменение свойств ионных каналов является одним из методов, позволяющих определить, влияет ли модуляция возбудимости на обучение и память [86]. Мыши с дефицитом K(v)beta 1.1 были первыми мутантами, использованными для изучения роли измененной возбудимости в процессах обучения и памяти млекопитающих. K(v)beta 1.1 представляет собой регуляторную субъединицу с ограниченным характером экспрессии в головном мозге и обеспечивает быструю инактивацию субъединиц канала K(+). В пирамидных нейронах гиппокампа дефицит Kv-бета 1.1 приводит к снижению медленной постгиперполяризации (sAHP), модуляция которой, как полагают, способствует обучению и формированию памяти [86].

В этом разделе уместно рассмотреть результаты исследования на мышах, связанного с использованием современной технологии редактирования генома CRISPR/Cas для определения путей влияния специфической возбудимости [157]. Нейроны, связанные с нейропептидом Y/агути – родственным пептидом дугообразного ядра (NPY/AgRP), управляют пищеварением. М-ток, подпороговый неинактивирующий калиевый ток, играет решающую роль в регуляции возбудимости нейронов NPY/AgRP. 17β-эстрадиол увеличивает М-ток, регулируя экспрессию мРНК субъединиц каналов Kcnq2, 3 и 5 (Kv7.2, 3 и 5) в противоположность состоянию голода. Включение KCNQ3 в гетеромерные каналы считается необходимым для создания надежного М-тока. Исследовали поведенческие и физиологические эффекты селективной делеции Kcnq3 в нейронах NPY/AgRP с использованием аденоассоциированного вирусного вектора, содержащего рекомбиназо-зависимый Staphylococcus aureus Cas9 с единственной направляющей РНК для селективного удаления Kcnq3 в нейронах NPY/AgRP. У экспериментальных животных измеряли массу тела, потребление пищи и двигательную активность для оценки нарушений энергетического баланса. Вирус снизил экспрессию мРНК Kcnq3, не затрагивая Kcnq2 или Kcnq5. М-ток был ослаблен, в результате чего нейроны NPY/AgRP были более деполяризованы, проявляли более высокое входное сопротивление и требовали меньшего деполяризующего тока для запуска потенциалов действия, что указывает на повышенную возбудимость. Результирующее снижение М-тока значительно снизило двигательную активность. У контрольных мышей, получавших диету с высоким содержанием жиров, наблюдался усиленный M-ток и повышенная экспрессия Kcnq2 и Kcnq3. M-ток оставался ослабленным у животных с нокдауном KCNQ3. Таким образом выяснили, что М-ток играет решающую роль в модуляции внутренней возбудимости нейронов NPY/AgRP, что важно для поддержания энергетического гомеостаза [157].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И.П. Павлов подчеркивал: “Значение тонуса коры больших полушарий – факт хорошо нам известный, но его нужно подчеркнуть. Значение его настолько велико, что каждый из наших условников в каждый момент должен иметь его в голове…” [38].

Представление о генерализованной активации головного мозга, его функциональном состоянии (тонусе), которое рассматривается как фоновая активность нервных центров для реализации поведения и других форм деятельности организма, где общая неспецифическая возбудимость является основной характеристикой [20], обсуждается во многих работах [21, 33, 42]. Рассмотренные в обзоре работы подтверждают и подчеркивают, что возбудимость – одно из фундаментальных свойств нервной системы является основным параметром ее функционального состояния и определяет степень функциональной активности разных ее звеньев, влияет на особенности проявления нормального и патологического поведения, имеет целый ряд физиологических, биохимических, нейроэндокринных и иммунных коррелятов, что затрагивает процессы на молекулярно-клеточном уровне, генетические и эпигенетические [6, 33]. Многолетними исследованиями убедительно доказана универсальная роль возбудимости нервной системы, ее связь с работой физиологических механизмов, сходных у животных разного филогенетического уровня, влиянием на функции мозга и поведение.

Генетическая детерминация возбудимости является сложной, полигенной в силу мультимодальности самого признака. При этом можно выделить отдельные гены, которые являются общими, гомологичными для представителей различных систематических групп животных благодаря исследованиям в широком диапазоне моделей от простейших до высших млекопитающих. Селекционные программы позволяют накопить в результате отбора генетические различия по полигенной системе, детерминирующей возбудимость, что приводит к проявлению межлинейных различий по особенностям функционирования мозга и поведения с сопутствующим комплексом скоррелированных составляющих на различных уровнях организации. Возможен плейотропный эффект влияния генов возбудимости на особенности функционирования разных отделов мозга.

Важно подчеркнуть, что от возбудимости нервной системы зависит степень реактивности организма к внешним воздействиям и ее индивидуальные особенности. Генетические и эпигенетические механизмы, лежащие в основе формирования адаптивных и патологических постстрессорных состояний, являются предметом пристального внимания исследователей в последние годы, а расширившиеся методические возможности для проведения такого анализа в нервной системе создают надежную основу для прогресса в этой области. Современные методы молекулярной генетики и геномики позволяют выделять наборы генов, ответственных за спектр корреляций и межлинейных различий, что обеспечивает вычленение определенных звеньев пути “от гена к поведению”, ведет к пониманию его физиологических механизмов и раскрывает причины индивидуальной изменчивости [40].

Работа поддержана средствами федерального бюджета в рамках государственного задания ФГБУН Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН (№1021062411629-7-3.1.4)

Sobre autores

N. Dyuzhikova

Autor responsável pela correspondência
Email: dyuzhikova@infran.ru
Rússia, 199034, St. Petersburg

N. Lopatina

Email: dyuzhikova@infran.ru
Rússia, 199034, St. Petersburg

Bibliografia

Arquivos suplementares