Возможные механизмы пластичности мозга у белой мыши при влиянии сенсорной депривации в разные сроки раннего постнатального онтогенеза

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

93

2012. Вып. 3

УДК 612.825.1 Н.А. Худякова

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЛАСТИЧНОСТИ МОЗГА У БЕЛОЙ МЫШИ ПРИ ВЛИЯНИИ СЕНСОРНОЙ ДЕПРИВАЦИИ В РАЗНЫЕ СРОКИ РАННЕГО ПОСТНАТАЛЬНОГО ОНТОГЕНЕЗА

Обнаружено смещение ростральной границы двигательного представительства вибрисс до 4 мм в направлении сигмального шва при их удалении с 1-го по 9-й, с 1-го по 17-й и с 10-го по 16-й день раннего постнатального онтогенеза. Предложено объяснение столь широкого диапазона пластичности в расположении этого двигательного представительства. Двигательное представительство рассматривается как функциональный модуль хранения и перезаписи моторной памяти.

Ключевые слова: внутрикорковая микростимуляция, моторная кора, пластичность, депривация, удаление вибрисс.

В нашем предыдущем исследовании было прослежено функциональное созревание моторного неокортекса белой мыши в раннем постнатальном онтогенезе [1]. Были выявлены критические периоды формирования рисунка двигательных представительств и характера двигательных ответов. Любая функция мозга наиболее уязвима для влияния внешних факторов в период своего формирования. В связи с этим были выбраны три периода девибриссации: с 1-х по 9-е сутки, когда в моторной коре еще отсутствует двигательное представительство (ДП) вибрисс, с 10-х по 16-е, когда оно интенсивно формируется, и 1-х по 17-е сутки, когда охвачены оба данных периода. Целью данной работы было: выявить функциональные изменения моторного неокортекса у взрослых белых мышей под влиянием удаления вибрисс в разные сроки раннего постнатального онтогенеза, предложить возможное объяснение механизмов обнаруженных функциональных изменений (пластичности) двигательных представительств.

Материалы и методика исследований

Проведено 93 острых опыта на взрослых нелинейных белых мышах обоего пола массой 15,0 -39,4 г. Все эти животные ранее были девибриссированы в различные сроки постнатального онтогенеза. В зависимости от времени и характера девибриссации животных объединили в 9 групп. Удаление вибрисс производилось путем их выщипывания через каждые 48 часов, начиная с 1-го или 10-го дня жизни мышат. Выполнялась право-, лево- или двусторонняя девибриссация в период с 1-го по 9-й, с 1-го по 17-й или с 10-го по 16-й дни постнатального развития. Каждый из сроков девибриссации был дополнен соответствующей контрольной группой, которая получала болевые воздействия в течение 20 секунд (среднее время удаления вибрисс в опытной группе), не сопровождавшиеся потерей вибрисс. По окончании указанных периодов девибриссации животные содержались в условиях вивария 1 - 3 месяца, в течение которых вибриссная щетка полностью отрастала. Животные наркотизировались тиопенталом натрия (70-80 мг/кг, внутрибрюшинно). Для ослабления побочных эффектов барбитуратов на автономную нервную деятельность вводили 0,3 мл 0,1%-го атропин-сульфата. Производили скальпирование и одно- или двустороннюю краниотомию кпереди от брегмы при подкожной анестезии 0,5 - 1,0%-м новокаином. Череп жестко фиксировали быстротвердеющей пластмассой или зубным цементом к кронштейнам стереотаксического аппарата. Туловище подвешивали в эластическом гамачке.

Для внутрикорковой микростимуляции (ВКМС) использовали стеклянные микроэлектроды, заполненные 1,5 М цитратом натрия, с кончиками, обломленными под микроскопом до диаметра 4-8 мкм и сопротивлением 1,0-2,5 МОм. Для ВКМС использовались короткие серии прямоугольных импульсов длительностью 0,3-0,4 мс, частотой 300-400 имп/с, по 7 импульсов в пачке, интенсивностью тока не более 50 мкА.

Результаты и их обсуждение

Репертуар двигательных ответов у девибриссированных мышей практически не отличается от такового интактных животных. У этих животных также обнаруживаются двигательные ответы мышц нижней челюсти, вибрисс и верхней губы, аксиальной мускулатуры, передних и задних конечностей. При удалении вибрисс в различные сроки постнатального онтогенеза их ДП у взрослых мышей сме-

2012. Вып. 3

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

щается в каудальном направлении в обоих полушариях, однако если при односторонней девибрисса-ции данное изменение достоверно (рис. 1-3), то двустороння девибриссация оказывает менее заметное воздействие (на рис. 1-3 координаты ростральной границы представительства отсчитывались от линии Р=3, за начало координат принималась точка пересечения сагиттального шва и брегмы). В правом полушарии это смещение составляет около 1 мм, что свидетельствует о небольших вариациях положения ростральной границы на индивидуальных картах. В левом - достоверное смещение границы в направлении сигмального шва на 2 - 4 мм отмечено при удалении вибрисс слева в любые сроки.

7 6

5

Рис. 1. Положение ростральной границы двигательного представительства вибрисс в норме и при различных видах девибриссации с 1-го по 9-й день (белый столбик - в левом полушариии, серый - в правом); * - р<0,05, ** - р<0,01- отличия от контрольной группы

7 6 5 4 3 2 1 0

Рис. 2. Положение ростральной границы двигательного представительства вибрисс в норме и при различных видах девибриссации с 1-го по 17-й день (белый столбик - в левом полушариии, серый - в правом); ** - р<0,01, *** - р<0,001 - отличия от контрольной группы

7

6 5

Рис. 3. Положение ростральной границы двигательного представительства вибрисс в норме и при различных видах девибриссации с 10-го по 16-й день (белый столбик - в левом полушариии, серый - в правом); * - р<0,05 - отличия от контрольной группы

—£— —й— * * ** **

~г I т

—±—

контроль двусторонняя слева справа

контроль

двусторонняя

слева

справа

л л

контроль двусторонняя слева

справа

Возможные механизмы пластичности мозга у белой мыши.

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

95

2012. Вып. 3

Как видно из рис. 1-3, расположение ДП вибрисс чрезвычайно пластично. Его ростральная граница может сдвигаться в затылочные отделы почти на 4 мм по сравнению с контролем, а само ДП вибрисс занимает ту область, где в контрольной группе располагается ДП задних конечностей.

В наших предыдущих исследованиях была показана пластичность расположения ДП вибрисс в раннем постнатальном развитии. Двигательное представительство вибрисс и верхней губы появляется в моторном неокортексе мышат начиная с 10-х суток раннего постнатального онтогенеза. Затем его границы расширяются до 17-19 суток. К 20-му дню данное ДП имеет сходные со взрослыми животными размеры и границы ДП вибрисс [1]. В последние годы ряд авторов обратили внимание на то, что процессы развития и запоминания новой информации во многом сходны [2]. В ходе этих двух процессов работают схожие наборы генов. «Ранние» гены кодируют транскрипционные факторы и индуцируют экспрессию «поздних» генов. В число «поздних» генов входят гены молекул клеточной адгезии. В результате реактивации их во взрослом мозге нервные клетки приобретают при обучении способность к перестройке своих синаптических связей в составе модифицирующихся или вновь образующихся функциональных систем. Так формируется долговременная память. В нервной системе морфогенез не прекращается, а лишь переходит под контроль когнитивных процессов. Две фазы морфогенеза - созревание и адаптивная модификация функциональных систем - тесно переплетены на уровне механизмов экспрессии генов [2]. Кроме того, сегодня выяснено, что консолидация (при переходе информации в долговременную память) и реконсолидация (при вспоминании ситуации) памяти блокируются антибиотиками анизомицином и циклогексимидом, следовательно, зависят от трансляции определенных белков и активности генов. Указанные ингибиторы синтеза белка используют в широком диапазоне доз от 20 до 210 мг/кг веса животного, в которых они подавляют синтез белка на 60-98% и эффективно влияют на процессы консолидации и реконсолидации памяти [3].

При аппликации на поверхность моторного неокортекса анизомицина или циклогексимида с последующим картированием моторного неокортекса при помощи ВКМС обнаружено, что практически все ДП у крысы исчезают полностью через 20 минут после данного воздействия и не восстанавливаются через четыре дня [4]. Более того, через четыре дня после такого воздействия расположение ДП даже отдаленно не напоминает исходный вариант. Возникает впечатление, что ДП как будто бы формируются вновь на «свободном» месте. Вместе со всеми остальными ДП исчезает и ДП вибрисс.

Вибриссы у грызунов находятся в непрерывном движении, осуществляя вибриссолокацию или вискинг. Во многом вибриссолокация подобна осязанию при помощи пальцев и требует активного движения вибрисс для оценки текстуры поверхности, поскольку именно по изменению первоначальной синусоидальной кривой движения отдельной вибриссы мозгом животного детектируются весьма небольшие дефекты исследуемой поверхности выпуклого или вогнутого характера [5]. Вибриссы, как и остальные волоски на теле мыши, подвержены смене (выпадению и отрастанию), они могут быть обломлены, «подстрижены» или обкусаны другими мышами (эффект Далилы) [6]. В этих условиях роль ДП вибрисс в моторной коре мыши, скорее всего, заключается в запоминании и воспроизведении информации о движении конкретной вибриссной щетки. Таким образом, в каждый конкретный момент времени ДП мышц вибрисс в неокортексе животного хранит и реконсолидирует моторный опыт, связанный с их движением (так как опыт может изменяться). По-видимому, двигательное представительство любой мышцы представляет из себя единый функциональный модуль нейронов, хранящий и непрерывно обновляющий («перезаписывающий») часть моторного опыта конкретного организма, касающуюся движений конкретной мышцы. Пластичность такого модуля очень велика и совпадает с границами пластичности энграммы памяти, которая может изменяться сколько угодно раз. Следовательно, необходимо новое понимание формирования и функциональной организации двигательных представительств в моторном неокортексе животных.

У мышей полноценными движения вибрисс становятся на 8-е сутки жизни [7], ДП вибрисс и верхней губы обнаруживается в коре больших полушарий с 10-х суток (у девибриссированных животных - с 9-х суток). До этого времени двигательные ответы вибрисс и верхней губы можно получить, например, в 7-8-дневном возрасте только при высоких пороговых токах. Можно предположить, что первоначальное формирование этого ДП находится в прямой зависимости от накопления сенсорного и моторного опыта при сохранении генетического контроля месторасположения ДП. По-видимому, дальнейшее изменение границ ДП - это изменение функционального модуля двигательной памяти и зависит оно целиком от эпигенетических факторов.

2012. Вып. 3

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

Выводы

При удалении вибрисс с 1-го по 9-й, с 1-го по 17-й и с 10-го по 16-й день раннего постнатально-го онтогенеза выявлено смещение ростральной границы их двигательного представительства по направлению к затылочной области. Возможным объяснением данного факта может быть понимание механизма работы двигательного представительства как функционального модуля хранения и рекон-солидации моторной памяти.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Худякова Н.А., Проничев И.В. Функциональное созревание моторного неокортекса белой мыши в раннем постнатальном онтогенезе // Журн. эволюционной биохимии и физиологии. 1998. Т. 34, №6. С. 661-669.

2. Анохин К.В. Молекулярные основы обучения и развития мозга // Когнитивные исследования: Проблема развития: сб. науч. тр. М.: Изд-во психологии РАН, 2009. Вып. 3. 352 с.

3. Солнцева С.В. Нейрофизиологические и нейрохимические механизмы консолидации и реконсолидации ассоциативного аверсивного навыка на пищу у виноградной улитки: дис. ... канд. биол. наук. М., 2010. 151 с.

4. Kleim J.A., Bruneau R., Calder K., Pocock D., VandenBerg P.M., MacDonald E., Monfils M.H., Sutherland R.J. Functional organization of adult motor cortex is dependent upon continued protein synthesis // Neuron. 2003. Vol. 40. P. 167-176.

5. Kleinfeld D., Ahissar E., Diamond M.E. Active sensation: Insights from the rodent vibrissa sensorimotor system // Current Opinion in Neurobiology. 2006. Vol. 16. P. 435-444.

6. Sarna J.R., Dyck R.H., Whishaw I.Q. The Dalila effect: C57BL6 mice barber whiskers by plucking // Behavioural Brain Research. 2000. Vol. 108. P. 39-45.

7. Голикова Т.В. Вибриссные входы в моторную область у взрослых и развивающихся крыс // Журн. эволюционной биохимии и физиологии. 1990. Т. 26, №2. С. 193-198.

Поступила в редакцию 20.06.12

N.A. Khudyakova

Possible mechanisms of plasticity of the brain at the white mouse at influence whiskers removal in different terms early postnatal onthigenesis

Displacement of rostral border of vibrissae motor representation up to 4 mm is revealed back at their removal with 1 on 9, with 1 on 17 and with 10 for 16 day early postnatal onthogenesis. The explanation of so wide range of plasticity in an arrangement of this motor representation is offered. The motor representation is considered as the functional module of storage and rewriting of motor memory.

Keywords: intracortical microstimulation, motor cortex, plasticity, deprivation, whiskers removal.

Худякова Нина Алексеевна,

кандидат биологических наук, доцент

ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1

E-mail: whitemouse@udm.ru

Khudyakova N.A.,

candidate of biology, associate professor Udmurt State University

426034, Russia, Izhevsk, Universitetskaya st., 1/1 E-mail: whitemouse@udm.ru