CC BY
42БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПСИХИАТРИЯ
© С.В. Альбертин,2013 Для корреспонденции
УДК 616.895.8-07-092.9 Альбертин Сергей Викторович - старший научный сотрудник
Института физиологии им. И.П. Павлова РАН Адрес: 199034, г. Санкт-Петербург, наб. Макарова, д. 6 E-mail: [email protected]
С.В. Альбертин
Моделирование негативных симптомов шизофрении в опытах на крысах
Modelling of negative symptoms of schizophrenia in experiments on rats
S.V. Albertin
The paper describes a model developed in experiments on rats revealing deficits in sensory perception of relevant stimuli which is a leading negative symptom of schizophrenia. Experiments with selective electrolytic impairment of the nucleus accumbens medial shell in rats have revealed the important role of this structure in selective attention to relevant stimuli and blocking out irrelevant stimuli or combinations thereof. This model may be used to study etiology and pathogenesis of schizophrenia as well as for preclinical testing of pharmacological drugs potentially promising for correction of visual perception deficits in patients with schizophrenia. Key words: modelling, schizophrenia, relevant stimuli, defects of sensory attention
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург I.P. Pavlov Institute of Physiology, St. Petersburg
В статье описана модель дефицита сенсорного восприятия -одного из ведущих негативных симптомов шизофрении. Опыты с селективным электролитическим повреждением медиального (medial shell) отдела прилежащего ядра у крыс выявили важную роль этой структуры в процессе избирательной настройки на релевантные раздражители и вытормаживании нерелевантных сигналов (или комбинаций этих сигналов). Разработанная модель может быть использована для изучения этиологии и патогенеза негативных симптомов шизофрении, а также для преклинического тестирования фармакологических препаратов, перспективных для коррекции дефектов зрительного восприятия, характерных для больных шизофренией.
Ключевые слова: моделирование, шизофрения, релевантные
раздражители, дефекты сенсорного внимания
Особое место в экспериментальной и клинической неврологии занимает проблема разработки адекватной модели различных аффективных расстройств, в том числе с такой сложной симптоматикой, как шизофрения. Мы не будем подробно ра^матривать известные попытки моделирования некоторых симптомов этого заболевания с помощью острой или хронической интоксикации препаратами фенаминового ряда [26], а также недостатки данной фармакологической модели шизофрении. Они достаточно полно описаны в отечественной и зарубежной литературе [3, 19, 22]. Достоверно установлен тот факт, что инъекция больным шизофренией препаратов фенаминового ряда вызывает обострение этой болезни или провоцируют его рецидивы у пациентов с компенсированными формами этого заболевания [5, 22, 28, 32]. Многочисленные исследования указывают на важную роль дофаминовой системы в патогенезе шизофрении. Однако попытки однозначно связать фенаминовую стереотипию со стриатной патологией успеха не имели. Напротив, было
78
С.В. Альбертин
показано, что разрушение хвостатого ядра приводит к исчезновению фенаминовой стереотипии у крыс [2, 3, 11].
В настоящее время усилия исследователей направлены на моделирование негативных симптомов шизофрении — дефектов сенсорного восприятия, в частности, неспособности больных игнорировать при восприятии нерелевантные для текущей ситуации раздражители, что субъективно оценивается больными как затопление сознания сенсорной информацией и, как следствие, приводит к потере способности к селективному вниманию.
Для тестирования дефектов сенсорного восприятия при шизофрении была предложена модель, основанная на феномене формирования латентного торможения [21], суть которого состоит в замедлении формирования условных рефлексов на раздражители, раннее экспонируемые животным без подкрепления и оцениваемые при последующей выработке рефлекса на эти раздражители, как нерелевантные в данной ситуации сигналы [7, 21, 31]. Однако применение этой модели в опытах на животных с повреждением гиппокампальной области, субикулюма и прилежащего ядра - лим-бических структур, которые большинство исследователей считают вовлеченными в патогенез этого заболевания, дало неоднозначные результаты.
Одни исследователи при повреждении вышеуказанных структур у крыс наблюдали нарушение эффекта латентного торможения [12, 14, 31], другие, напротив, после соответствующих повреждений не отмечали каких-либо нарушений или фиксировали некоторое усиление эффекта латентного торможения у крыс [4, 9, 13, 24, 27], а специально проведенные исследования R.C. Honey и М. Good [17, 18] позволили выявить, что при повреждении указанных структур нарушается не способность крыс к торможению нерелевантной информации, а контекстуальное обучение (образование рефлекса на обстановочные раздражители), лежащее в основе предложенной модели латентного торможения.
В этой связи ряд исследователей [8, 10, 24] призвали к разработке новой, свободной от указанного недостатка, модели для тестирования дефектов зрительного восприятия у животных, которая, в отличие от прежней модели, могла бы в процессе выполнения задачи моделировать процесс избирательной настройки на релевантные и вытормажи-вания нерелевантных сигналов (или комбинаций этих сигналов).
С учетом большого количества экспериментальных и клинических исследований, указывающих на возможное участие в патогенезе шизофрении прилежащего ядра - n. Аccumbens Septi (n. Acc) [12, 14, 20, 23, 30], целью нашей работы было исследование влияния селективного электролитического
повреждения медиального (medial shell) отдела прилежащего ядра у крыс на формирование реакций выбора сторон подкрепления в 4-рукавном радиальном лабиринте с асимметричным питьевым подкреплением при экспозиции дискриминируемых пусковых зрительных раздражителей, которая позволяет моделировать процесс избирательной настройки на релевантные раздражители и вытормаживания нерелевантных сигналов (или комбинаций этих сигналов).
Материал и методы
Опыты проводились на 16 крысах-самцах линии Long-Evans, содержащихся в режиме питьевой депривации. В исследовании использовали модель поведения крыс в радиальном лабиринте, исключающую формирование и использование подопытными животными рабочей памяти (working memory) на предыдущие заходы в отсеки лабиринта как опорной тактики поведения при ориентации крыс в лабиринте. В соответствии с этой моделью подопытные животные были обучены заходить в один из отсеков 4-рукавного радиального лабиринта (рис. 1), причем каждый из них был оснащен поилкой и установленной над ней электрической лампочкой. Лампочка включалась при выходе крысы в центральный круг лабиринта, что являлось внутрилаби-ринтным пусковым условным сигналом для захода животного в подкрепляемый (освещаемый) рукав. Устройство лабиринта также позволяло животным использовать при ориентации постоянно присутствующие экстралабиринтные навигационные знаки -хорошо различимые геометрические фигуры, закрепленные на внутренней поверхности ширмы, установленной вокруг лабиринта. Выбор животным правильного (освещенного) рукава сопровождался подачей капель воды, при этом в 3 рукавах крысы получали по 1 капле, а в одном рукаве - 6 капель воды. Наибольшее подкрепление (6 капель) предъявлялось без временных задержек между подаваемыми порциями, все капли подавались одновременно, в 6 лунках, расположенных в один ряд на компактном бруске, выполненном из оргстекла.
Включение условных зрительных сигналов (лампочек) проводилось при выходе животного в центральный круг лабиринта и осуществлялось в случайном порядке. Ошибочные ответы (заходы в неосвещенные отсеки) и попытки повторного подхода подопытных животных к одной и той же поилке без выхода в центральный круг лабиринта не подкреплялись. Способность подопытных крыс к запоминанию местоположения отсека с наибольшим (6 капель) подкреплением тестировалась с помощью серии пробных тестов (probe trials) - одновременным включением зрительных условных сигналов (лампочек) во всех 4 рукавах лабиринта, когда животным предоставляли возможность
Ф
79
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПСИХИАТРИЯ
свет
I
6 капель
1 капля
1 капля
1 капля
Рис. 1. Процедура обучения (вверху) и тестирования probe trial (внизу) животных
получить подкрепление в любом рукаве лабиринта. Однако наибольшее подкрепление они получали при игнорировании внутрилабиринтных, не релевантных в данной ситуации зрительных раздражителей и выбирали отсек с наибольшим подкреплением, ориентировались на релевантные экстралабиринтные раздражители - хорошо различимые геометрические фигуры, расположенные вне лабиринта. Обученные животные при этом, как правило, выбирали рукав лабиринта, подкрепляемый 6 каплями воды. Местоположение рукава с максимальным (6 капель воды) подкреплением менялось ежедневно в случайном порядке.
Селективное повреждение медиального (medial shell) отдела прилежащего ядра проводили билатерально по стереотаксическим координатам (АР=1,2-1,6 mm; ML=0,65-0,85 mm; H=6,4-8,0 mm) атласа Paxinos & Watson [25] электролитическим путем (/=100 mka; 7=20 s). Верификация местонахождения электрода в медиальном отделе прилежащего ядра осуществлялась вышеописанным электрофизиологическим способом регистрацией фокальных потенциалов, вызванных одиночной электрической стимуляцией гиппокампальных проекций, поступающих в медиальный отдел прилежащего ядра в составе проводящих путей fimbria/fornix [1]. Процедуру прижигания производили последовательно, в 3 соседних точках медиальной области ядра, ориентированных в дорсовентральном направлении и разделенных промежутками не менее 0,5 мм. В качестве контроля использовали ложноопери-рованных животных. Локализация повреждений
прилежащего ядра проводилась гистологически на срезах мозга, окрашенных крезилвиолетом. Статистическую обработку результатов опытов осуществляли на компьютере с помощью программы Statistica (Tulsa, OK).
Результаты
Результаты проведенных исследований показали, что повреждение медиального отдела прилежащего ядра нарушает формирование у крыс безошибочных реакций пространственного выбора в радиальном лабиринте с асимметричным подкреплением. Количество безошибочных ответов у оперированных крыс снижалось в среднем до 40,9% по сравнению с дооперационным уровнем ({-тест, р<<0,001), а также ложнооперированными животными (см. таблицу).
При этом снижение уровня правильных ответов более чем в 2 раза наблюдалось у каждого из оперированных животных. Следует отметить, что крысы 2-2 и 2-3, получившие унилатеральные повреждения медиального отдела прилежащего ядра, по уровню правильных ответов практически не отличались от животных, имевших билатеральные повреждения ядра. Дополнительное (1 нед) обучение приводило к незначительному улучшению выполнения задачи животными с повреждениями прилежащего ядра. Однако наилучший показатель числа правильных ответов, отмеченный у одной из оперированных (п. Асс.) крыс после дополнительного обучения, составлял лишь 55% от доопераци-онного уровня правильных ответов. У ложноопери-
80
6
1
С.В. Альбертин
Реализация задачи выбора отсека с наибольшим подкреплением у оперированных и контрольных крыс
№ крысы Среднее число правильных ответов, % № крысы Среднее число правильных ответов, %
до операции после операции f-тест до операции после операции f-тест
Животные с повреждением n. Acc. Контрольные (ложнооперированные) животные
2-1 68,6 37,2 0,0135 3-1 73,8 65,7 0,4753
2-2 77,0 40,8 0,0021 3-2 64,5 62,8 0,8149
2-3 81,6 45,6 0,0013 3-3 78,5 77,2 0,8763
2-4 87,6 44,4 0,0000 3-4 81,0 75,8 0,3893
2-5 79,0 35,0 0,0026 3-5 78,5 69,3 0,3329
2-6 83,2 43,8 0,0001 3-6 71,5 65,2 0,1056
2-7 82,2 43,8 0,0072 1-2 82,5 80,0 0,7650
1-1 72,5 36,7 0,0051 1-4 88,3 88,3 1,0000
рованных животных после дополнительного обучения в течение 1 нед значимых изменений уровня правильных ответов в пробных тестах (probe trials) не отмечалось.
У всех оперированных животных наблюдалась потеря способности к формированию новой ассоциации между максимальным подкреплением и его локализацией в пространстве. Количество правильных ответов (выбор отсека с максимальным подкреплением) в пробных тестах (probe trials) снижалось в 2 раза (рис. 2Б).
При анализе распределения ошибочных ответов обращает на себя внимание тот факт, что в большинстве опытов (в 7 из 13 сессий) у животных с повреждением прилежащего ядра среди ошибочных ответов в пробных тестах (probe trials) преобладали пробежки с выбором отсека лабиринта, который был максимально подкрепляемым в предшествующий опытный день, несмотря на то что уровень правильных ответов (выбор данного отсека) в тот день у всех оперированных крыс был низким (40%).
Следует подчеркнуть, что при последовательной подаче условных зрительных раздражителей (включение лампочки в подкрепляемом отсеке), которые сигнализировали сторону предстоящего подкрепления, уровень правильных ответов у животных с повреждением медиального отдела n. Acc не отличался от контроля и составлял в среднем 80-85% (рис. 2А).
У оперированных животных, по сравнении с контрольными крысами, не наблюдалось каких-либо нарушений общей локомоторной активности, изменения уровня исходной и текущей мотивации, а также выраженной двигательной стереотипии, включая 2 крыс (2-2, 2-3) с унилатеральными повреждениями прилежащего ядра (р=0,072). Гистологическое исследование мозга оперированных животных показало, что используемый нами метод электрофизиологического контроля местоположения прижигаемых электродов обеспечил у всех подопытных животных компактные селективные повреждения в медиальном (medial shell) отделе
прилежащего ядра (см. рис. 2), локализованные в центре тестируемого образования и его периферийной области, граничащей с латеральным (core part) отделом n. Aсс.
Обсуждение
Полученные нами данные свидетельствуют о важной роли медиального отдела прилежащего ядра в формировании реакций пространственного выбора в радиальном лабиринте с асимметричным подкреплением в условиях дефицита однозначной сигнальной информации. Основой расстройства пространственной ориентации, выявленного у животных с повреждением медиального отдела n. аccumbens, являлось нарушение процесса избирательной настройки на релевантные (навигационные сигналы) и вытормаживания нерелевантных сигналов (внутрилабиринтных сигналов) при определении местонахождения наибольшего подкрепления в лабиринте. Тот факт, что сравнительно небольшие электролитические повреждения прилежащего ядра, в том числе и унилате-ральные, приводили к выраженным нарушениям пространственной ориентации объясняется тем, что область повреждений определялась в наших опытах путем регистрации фокальных потенциалов, вызванных стимуляцией гиппокампального проводящего пути, и топографически точно соответствовала зоне афферентных входов гиппокампальных, а также амигдалярных проекций, конвергирующих на одни и те же нейроны медиального отдела прилежащего ядра [15, 16]. Таким образом, в отличие от нейрохимических повреждений прилежащего ядра, вызванных инъекцией нейротоксинов [6, 29], электролитические повреждения в наших опытах обеспечивали выключение не только клеточных тел, но и афферентных проекций, поступающих в тестируемый отдел ядра. Как показали наши данные, специфическим свойством унилатеральных повреждений прилежащего ядра было отсутствие асимметрии в двигательном поведении животных, которая характерна при одностороннем выключении дорсального стриатума.
Ф
Российский психиатрический журнал № 5, 2013
81
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПСИХИАТРИЯ
LV
„CPu
Bregma 1,00 мм
Контроль n. Acc Контроль n. Acc
Рис. 2. Влияние повреждения прилежащего ядра на выбор подкрепляемых отсеков лабиринта. А - реакции выбора при последовательном предъявлении условных зрительных раздражителей; Б - выбор отсека с максимальным подкреплением при пробном (probe trial) тестировании.
По оси ординат - уровень правильных ответов, % (* - p<0,001). Вверху - схематическая реконструкция срезов мозга, иллюстрирующая локализацию повреждений (зачерненные области) медиального отдела n. Accumbens (n. Acc) при билатеральном (крыса 2-1) и унилатеральном (крыса 2-3) повреждениях ядра. Обозначения: AcbSh - медиальный отдел n. Acc (medial shell part); AcbC - латеральный отдел n. Acc (core part); aca - передняя комиссура (anterior commissure); LV - латеральные желудочки (lateral ventricle); CPu - каудатопутамен (caudatate-putamen). Фронтальные планы срезов мозга соответствуют координате 1,0 мм от брегмы [24].
AcbC
aca
Важно подчеркнуть, что выявленный нами дефицит поведения у крыс не связан с нарушениями мотивации, а также сенсомоторной способностью животных к обучению, так как данное расстройство отсутствовало у оперированных крыс при последовательном предъявлении внутрилабиринтных условных раздражителей, однозначно сигнализирующих о месте предстоящего подкрепления. В отличие от реагирования на последовательную подачу локальных зрительных раздражителей, при одновременной экспозиции условных сигналов в пробных тестах (probe trials) оптимальной тактикой для выбора рукава с максимальным подкреплением является быстрый перенос внимания с нерелевантных в данной ситуации внутрилаби-ринтных локальных сигналов на навигационные сигналы, однозначно определяющие местоположение наибольшего подкрепления. При решении
этой задачи животные с повреждением медиального отдела прилежащего ядра испытывают выраженный дефицит.
Полученные данные свидетельствуют о возможности моделирования дефектов сенсорного внимания, характерных при шизофрении, которые выявляются на животных с повреждениями медиальных отделов прилежащего ядра при использовании разработанного нами сенситивного теста - осуществлении поискового поведения по зрительным навигационным ориентирам в радиальном лабиринте с асимметричным подкреплением.
Это позволяет использовать предложенную модель для изучения этиологии и патогенеза негативных симптомов шизофрении, а также для преклиничес-кого тестирования фармакологических препаратов, перспективных для коррекции дефектов зрительного восприятия, характерных для больных шизофренией.
Литература
3.
Альбертин С.В. Способ моделирования патологии проводящих путей гиппокампа // Патент РФ № 2258961. Бюлл. изобр. - 2005. - № 23(2 ч.). - С. 415. Арушанян Э.Б., Батурин В.А. Влияние фенамина на поведение интактных и стриатэктомированных крыс // Журн. высш. нервн. деят. - 1975. - Т. 25. - С. 160-165. Арушанян Э.Б., Отеллин В.А. Хвостатое ядро. - Л.: Наука, 1976. - 223 с.
Albertin S.I/. Dopamine mediated locomotor activity in rats is influenced by hippocampal input to nucleus accumbens // Acta Neurobiol. Exp. - 1992. - Vol. 52 (3). - P. 133. Angrist B, Lee H.K., Gershon S. The antagonism of amphetamine-induced symptomatology by a neuroleptic drugs // Am. J. Psychiatry. - 1974. - Vol. 131. - P. 817-819. Annet L.E., McGregor A, Robbins T.W. The effects of ibotenic acid lesions of the nucleus accumbens on spatial behavior and
82
C.B. A^b6epTMH
extinction in the rat // Behav. Brain Res. - 1989. - Vol. 31. -P. 231-242.
7. Baruch I., Hemsley D.R., Gray J.A. Differential performance of acute and chronic schizophrenics in a latent inhibition task // J. Nerv. Ment. Dis. - 1988. - Vol. 176. - P. 598-606.
8. Birrell J.M., Brown V.J. Medial frontal cortex mediates perceptual attentional set shifting in the rat // J. Neurosci. -2000. - Vol. 20. - P. 4320-4324.
9. Coutureau E., Galani R., Gosselin O. et. al. Entorhinal but not hip-pocampal or subicular lesion disrupt latent inhibition in rats // Neurobiol. Learn. Mem. - 1999. - Vol. 72. - P. 143-157.
10. Dias R., Robbins T.W., Roberts A.C. Dissociation in prefrontal cortex of affective and attentional shifts // Nature. -1996. - Vol. 380. - P. 69-72.
11. Fog R., Randrup A, Pakkenberg H. Lesions in corpus striatum and cortex of rat brains and the effects of pharmacologically induced stereotyped, aggressive and cataleptic behavior // Psy-chopharmacologia. - 1970. - Vol. 18. - P. 346-356.
12. Feldon J., Weiner I. From an animal model of an attentional deficit towards new insight into the pathophysiology of schizophrenia // J. Psychiatr. Res. - 1992. - Vol. 26. - P. 345-366.
13. Galo M., Candido A. Dorsal hippocampal lesions Impair blocking but not latent inhibition of taste aversion learning in rats // Behav. Neurosci. - 1995. - Vol. 109 (3). - P. 413-425.
14. Gray M., Feldon J., Rawlins J.N.P. et al. The neuropsychology of schizophrenia // Behav. Brain Sci. - 1991. - Vol. 14. - P. 1-84.
15. Groenewegen H.J., Vermeuler Van Der Zee E., Kortscot A. et al. Organization of the pro-jections from the subiculum to the ventral striatum in the rat: a study using anterograde transport of phaseolus vulgaris leucoagglutinin // Neurosci. - 1987. -Vol. 23 (1). - P. 103-120.
16. Groenewegen H.J., Mulder A.B., Beijer A.V.J. et al. Hippocam-pal and amygdaloid interaction in the nucleus accumbens // Psychobiology. - 1999. - Vol. 27. - P. 149-164.
17. HoneyR.C., GoodM. Selective hippocampal lesions abolish the contextual specificity of latent inhibition and conditioning // Behav. Neurosci. - 1993. - Vol. 107. - P. 123-133.
18. Honey R.C., Watt A, Good M. Hippocampal lesion disrupt an associative mismatch process // J. Neurosci. - 1998. - Vol. 18. -P. 2226-2230.
19. Kokkinidis L., Anisman H. Amphetamine psychosis and schizophrenia: a dual model // Neurosci. Biobehav. Rev. - 1981. -Vol. 5. - P. 449-461.
20. Lauer M, Sevits D., Beckmann H. Increased volume of the n. accumbens in schizophrenia // J. Neural Transm. - 2001. -Vol. 108. - P. 645-660.
21. Lubow R.E., Moore A.U. Latent inhibition. Effects of nonrein-forceed preexposure to the conditio-ned stimulus // J. Comp. Physiol. Psychol. - 1959. - Vol. 66. - P. 454-459.
22. Machiyama Y. Chronic metamphetamine intoxication model of schizophrenia in animals // Schizophr. Bull. - 1992. - Vol. 18. -P. 107-113.
23. Mickel C.B, Mc Khann G.M., Solomon S. et al. The hippocampus and nucleus accumbens as a potential therapeutic targets for neurosurgical intervention in schizophrenia // Stereotact. Funct. Neurosurg. - 2009. - Vol. 87 (4). - P. 256-265.
24. Oswald C.J.P., Yee B.K., Rawlins J.N.P. et al. The influence of selective lesions to components of the hippocampal system on the orienting response, habituation and latent ihibition // Eur. J. Neurosci. - 2002. - Vol. 15. - P. 1983-1990.
25. Paxinos G, Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates (CD-ROM version). 3rd ed. - San-Diego: Academic Press, 1997.
26. Randrup A., Munkvad I. Evidence indicating an association between schizophrenia and dopaminergic hyperactivity in the brain // Orthomolecular Psychiatr. - 1972. - Vol. 1. - P. 1-7.
27. Reilly S., Harley S., Revusky S. Ibotenate lesions of the hippocampus enhance latent inhibition in conditioned taste aversion and increase resistance to extinction in conditioned taste preference // Behav. Neurosci. - 1993. - Vol. 107 (6). -P. 996-1004.
28. Sato M., Numachi Y., Namamura T. Relapse of paranoic psychotic state in metamphetamine model of schizophrenia. -1992. - Vol. 18. - P. 115-122.
29. Schacter G.B., Yang C.R., Innis N.K. et al. The role of the hippocampus and nucleus accumbens pathway in radial-arm maze performance // Brain Res. - 1989. - Vol. 494. - P. 339-349.
30. Spoletini I. et. al. Hippocampal, Thalami and Accumbens Microstructural damage in Schizophrenia: Volumetry, Diffusivity and Neuropsychological Study // Schizophr. Bul. - 2011. - Vol. 37. -P. 118-130.
31. Weiner I. Neural sustrates of of latent inhibition: the switching model // Psychol. Bull. - 1990. - Vol. 108. - P. 442-461.
32. Yaryara-Tobias J.A, Diamond B., Merlis S. The action of L-DOPA on schizophrenic patients // Curr. Ther. Res. - 1970. -Vol. 12. - P. 628-531.
#
83
