Влияние травмы сенсомоторного неокортекса на параметры двигательной активности белой мыши в различных поведенческих тестах

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

113

УДК 612.825.3 Н.А. Худякова

ВЛИЯНИЕ ТРАВМЫ СЕНСОМОТОРНОГО НЕОКОРТЕКСА НА ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ БЕЛОЙ МЫШИ В РАЗЛИЧНЫХ ПОВЕДЕНЧЕСКИХ ТЕСТАХ

Проведено исследование параметров двигательного поведения у 28 нелинейных взрослых белых мышей в тестах «решетка», «цилиндр» и суок-тест через 1, 2, 3 и 4 недели после травмы. Животным опытной группы (14 мышей) наносилась травма сенсомоторного неокортекса путем перерезки внутрикорковых связей на глубину 2 мм по окружности диаметром 2мм и с центром в точке с координатами Р = 2 мм, L = 2 мм относительно точки пересечения брегмы и сагиттального шва. Обнаружено достоверное снижение горизонтальной двигательной активности у травмированных животных в тесте «решетка» и суок-тест, причем к 4-й неделе исследования данный параметр достигает уровня контрольной группы в тесте «решетка», но остается достоверно сниженным при использовании суок-теста. Достоверно повышенным на протяжении 4-х недель исследования поведения в этих тестах остается показатель количества актов соскальзывания лап. В тесте «цилиндр» у животных опытной группы отмечено достоверно сниженное на протяжении всего периода исследования количество актов касаний стенки одновременно двумя передними конечностями. Все это свидетельствует о расстройстве координации движений у травмированных животных, которое не компенсируется или компенсируется не полностью на протяжении 4-х недель после нанесения травмы.

Ключевые слова: повреждение мозга, сенсомоторная кора, травма неокортекса, двигательная активность, суок-тест, тест «решетка», тест «цилиндр».

В проведенных ранее в Удмуртском университете исследованиях по картированию моторного неокортекса белой мыши были выявлены расположение двигательных представительств [1] у этого животного и сроки их формирования [2]. Травма сенсомоторного неокортекса, как было установлено ранее в лаборатории УдГУ, вызывает глубокие изменения в расположении двигательных представительств у белой мыши [3]. Поскольку травмируемая область сенсомоторного неокортекса расположена в границах двигательных представительств передней и задней конечностей [1], то логично было бы предположить наличие изменений параметров двигательного поведения, сопровождающих травматическое изменение неокортекса. Так как у белой мыши установлена межполушарная асимметрия в расположении лицевых двигательных представительств [4] и наиболее значимая перестройка расположения двигательных представительств происходит при воздействии именно на левое полушарие [3], то в данном исследовании была поставлена следующая цель: оценить влияние травмы сенсомо-торного неокортекса левого полушария на параметры двигательной активности белой мыши в условиях суок-теста, тестов «решетка» и «цилиндр».

Материал и методика исследований

Для решения поставленных задач были проведены исследования на 28 нелинейных взрослых белых мышах (половозрелые особи в возрасте свыше 30 дней), массой тела 19-28 г. Животных содержали в стандартных условиях вивария Удмуртского государственного университета (12-часовой световой день, постоянная температура воздуха 22 °С, свободный доступ к воде и пище). В ходе эксперимента животные были разделены на две группы (контрольную и опытную). Животным контрольной группы (14 мышей) проводились все оперативные процедуры, однако травма неокортекса не наносилась. Опыт - группа мышей в количестве 14 животных, которым травмировали неокортекс. Все процедуры обращения с экспериментальными животными соответствовали Приказу Минздрава России № 267 от 19.06.03 «Об утверждении правил лабораторной практики в Российской Федерации». Наркотизировали животных нембуталом (70 мг/кг массы, внутрибрюшинно), скальпировали под местным наркозом (1%-ный новокаин 0,2 мл подкожно), скальпелем делали надрез в теменной зоне головы. С помощью бормашины в теменной кости черепа в левом полушарии высверливали отверстие диаметром 2 мм, удаляли твердую мозговую оболочку и при помощи хирургической иглы травмировали двигательную кору, подрезая ее вертикально на глубину 2 мм по окружности трепана-ционного отверстия. Координаты центра области повреждения: Р = 2 мм от брегмы; L = 2 мм лате-

рально от сагиттального шва. Глубина и диаметр повреждения не превышали 2 мм. Кожную рану на голове ушивали шелком. Затем травмированных мышей помещали в домашние клетки и в течение 7 дней не подвергали никаким исследованиям.

Поведенческие реакции изучались по комплексу тестов, характеризующих уровень эмоциональности, двигательную и ориентировочно-исследовательскую активность, а также интегральную активность поведения животных в условиях свободного поведения. Проводились поведенческие тесты: суок-тест, тест «цилиндр» и тест «решетка». Исследование поведенческих реакций у животных проводили по прошествии 1, 2, 3 и 4 недель после нанесения травмы неокортекса.

Суок-тест описывает поведение в условиях новизны. Большую роль играет баланс мотиваций -стремления исследовать новую обстановку (неофилия) и страх перед ней (неофобия, тревога) - в формировании поведения животного в данных условиях. Суок-тест основан на тестировании животного на приподнятом 2-метровом шесте (диаметром 2 см для мышей). Разделен на равные 10-см сектора (шест) и зафиксирован на высоте 20-25 см при помощи торцевых стенок. При тестировании животное помещается в центр шеста, который окружен сегментами слева и справа, формирующими условную «центральную» зону (20 см). Исследование двигательной активности мышей проводилось в течение 5 минут, движение мышей записывалось на видеокамеру. По видеоматериалам определялись следующие показатели: количество пересеченных сегментов (горизонтальная активность), в том числе и центральных, количество исследовательских заглядываний вниз, число соскальзываний лап, а также количество направленных в стороны движений головой при вытянутом положении тела (активные исследовательские движения вибриссами - ориентировочная активность) [5].

Тест «решетка» основан на тестировании животного на горизонтально расположенной решетке [6; 7]. Стандартный период тестирования составлял 5 минут, движение мышей записывалось на видеокамеру. Экспериментальная установка представляла собой жесткую пластиковую решетку с ячейками 2,5x2,5 см, перемычками шириной 0,5 см и размерами 30x30 см, которая устанавливалась на высоте от пола 70 см. Определялись следующие показатели: количество пересеченных ячеек решетки (горизонтальная активность), количество исследовательских заглядываний вниз, число соскальзываний лап, а также число вставаний на задние лапы (вертикальная активность).

В тесте «цилиндр» стандартный период тестирования составлял 5 минут, движение мышей записывалось на видеокамеру [7; 8]. Высота стеклянного цилиндра составляла 19 см, диаметр 7 см. Тест «цилиндр» оценивает степень асимметрии использования животным передних конечностей в течение спонтанного исследования стенок цилиндра. Он позволяет изучить асимметрию в использовании передних лап во время исследования горизонтальной и вертикальной поверхностей стенки цилиндра. Мышь помещали в цилиндр, где она, находясь в незнакомой обстановке, начинала проявлять ориентировочно-исследовательское поведение. Поскольку площадь дна цилиндра небольшая, то животное преимущественно проявляет вертикальную двигательную активность, исследуя своими передними конечностями стенки цилиндра. Поднимаясь на задние лапы, животное использует одну или обе передние конечности. Определялись следующие показатели: число касаний стенки цилиндра обеими передними конечностями, число касаний левой передней лапой, число касаний правой лапой и число вставаний на задние лапы.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ MS Office и Statistica 6.0. Вычисляли среднее значение параметра и ошибку среднего. Для оценки статистической значимости полученных результатов использовали непараметрический критерий U — Уилкок-сона-Манна-Уитни.

Результаты и их обсуждение

В тесте «решетка» у травмированных животных в первую неделю после травмы горизонтальная активность составляла 20,5 ± 4,5 клеток, что существенно отличалось от мышей в контрольной группе (33,9 ± 7,5) (р < 0.05). На второй неделе после травмы горизонтальная активность в тесте «решетка» достоверно увеличивается: 25,7 ± 4,3 (р < 0,05), различия не достоверны с контролем (26,7 ± 3,0). На третьей неделе активность уменьшается: 23,3 ± 4,5, сохраняется достоверное отличие от контроля (36,5 ± 3,4) (р < 0,05). Значения на 4 неделе (37,1 ± 5,3) в сравнении с первой неделей достоверно (р < 0,05) увеличиваются, а с контролем различия становятся не достоверны. За четыре недели исследуемый параметр восстанавливается до уровня контроля.

Результаты исследований по изучению параметра соскальзывания лап в тесте «решетка» приведены на рис. 1. Видна динамика понижения количества актов соскальзывания лап по прошествии каждой недели после травмы. Через одну неделю после травмы видно резкое увеличение количества соскальзывания лап в опытной группе (4,5 ± 0,8), что существенно отличалось от показателей контроля (0,3 ± 0,2) (р < 0.001). Начиная со второй недели наблюдались достоверное улучшение координации движений, что проявляется в уменьшении количества актов соскальзывания лап (2,4 ± 0,4) (р < 0,05), на третьей неделе (2,2 ± 0,4) (р < 0,05), на четвертой неделе число соскальзываний лап составляет 2,6 ± 0,5 раз, достоверны (р < 0,05) отличия от аналогичных показателей на первой неделе после травмы, и по-прежнему исследуемый параметр по сравнению с аналогичными показателями в контрольных наблюдениях был достоверно меньше (р < 0,001). Существенных отличий в параметрах количества актов заглядываний вниз и вертикальной активности между контрольной и опытной группами в тесте «решетка» не наблюдалось.

траьмз

контроль

*

+

г+п

1

*** ***

и

1 неделя 2 неделя 3 неделя 4 неделя

Рис. 1. Динамика количества поведенческих актов соскальзывания лап в тесте «решетка» в норме и при травме неокортекса: *** - р < 0,0001 - достоверные различия по сравнению с контролем; + - р < 0,05 - достоверные различия от показателей на первой неделе после травмы.

У животных контрольной группы в суок-тесте наблюдалась нормальная локомоторная активность. Изменения в характере двигательной активности отсутствовали и при наблюдении за мышами в последующие временные интервалы. Как видно из рис. 2, в первую неделю после травмы у травмированных животных среднее значение горизонтальной активности составляло 16,7 ± 3,5 сегментов, что достоверно отличалось от контрольной группы животных 48,3 ± 5,3 (р < 0,001). В последующие недели (2, 3 и 4) показатели горизонтальной двигательной активности у мышей после травмы также были существенно меньшими (в 1,6-2,5 раза; р < 0,001) по сравнению с таковыми у мышей контрольной группы (рис. 2). Различия в горизонтальной активности между опытной и контрольной группами выражены ярче, чем в тесте «решетка», поскольку в суок-тесте мыши приходилось удерживаться на цилиндрически выгнутой поверхности, что требует от животного высоких координационных возможностей. По этой причине не происходит восстановления локомоторной активности у травмированных животных даже на четвертой неделе после нанесения травмы.

На рис. 3 заметно, что по прошествии первой недели после нанесения травмы отмечалось резкое увеличение количества актов соскальзывания лап у животных экспериментальной группы (3,9 ± 0,6), что существенно отличалось от показателей контроля (0,3 ± 0,1) (р < 0.001). Начиная со второй недели наблюдалось незначительное уменьшение количества актов соскальзывания лап (3,5 ± 0,6) у животных опытной группы, на третьей неделе (1,9 ± 0,2) различия по-прежнему достоверны (р < 0.01) по сравнению с контролем, на четверотой неделе число соскальзывания лап 2,1 ± 0,4 (р < 0.05), что также существенно было меньше по сравнению с аналогичными показателями в контрольных наблюдениях (0,3 ± 0,1) (р < 0.001). В суок-тесте по параметрам количества актов заглядываний вниз и ориентировочных реакций различия контрольной и опытной групп были недостоверны, хотя имелась тенденция к снижению этих показателей у травмированных мышей.

1 неделя 2 неделя 3 неделя 4 неделя

Рис. 2. Динамика горизонтальной активности в суок-тесте в норме и при травме неокортекса: *** - р < 0,001 - достоверные различия по сравнению с контролем

Рис. 3. Динамика количества актов соскальзывания лап в суок-тесте в норме и при травме неокортекса: - р < 0,001 - достоверные различия по сравнению с контролем; + - р < 0,05; ++ - р < 0,01 - достоверные различия от первой недели после травмы

Рис. 4. Динамика показателя одновременного касания двумя лапами стенки в тесте «цилиндр» в норме и при травме неокортекса: * - р < 0.05, ** - р < 0.01, *** - р < 0.001 - достоверные различия

по сравнению с контролем

В тесте «цилиндр» исследовалось количество касаний лапами животного стенки цилиндра (рис. 4). Показатели количества актов опоры на 2 лапы практически не отличались друг от друга на протяжении всех четырех недель исследования и были стабильно низкими у животных опытной группы, достоверно отличаясь от контроля (1 неделя: р < 0,001; 2 неделя: р < 0,01; 3 неделя: р < 0.05; 4 неделя: р < 0.05), что может свидетельствовать о нарушении содружественных движений передних конечностей у травмированных животных. Данный параметр поведения вызывает особый интерес в связи с тем, что опытная группа не отличалась от контроля ни по количеству актов касания стенки цилиндра отдельно правой или левой лапой, ни по параметру вертикальной активности.

Таким образом, травма коры головного мозга в зоне расположения двигательных представительств передних и задних конечностей вызывает стойкие и некомпенсируемые на протяжении 4-х недель после ее нанесения нарушения координации движений. Нарушения исследовательской и ориентировочной активности к 4 неделе эксперимента не обнаруживаются в суок-тесте и тесте «решетка».

Выводы

1. Выявлено достоверное увеличения количества актов соскальзывания лап у животных опытной группы по сравнению с контролем (р < 0,001) как в суок-тесте, так и в тесте «решетка» на протяжении исследования с первой по четвертую неделю после нанесения травмы сенсомоторного неокортекса.

2. Горизонтальная активность травмированных животных достоверно снижена (р < 0,001) по сравнению с контрольными мышами на всем промежутке исследования поведения в суок-тесте, а также достоверное снижение ( p < 0,05) исследуемого параметра наблюдалось в тесте «решетка» на первой и третьей неделях после нанесения травмы.

В тесте «цилиндр» наблюдалось достоверное уменьшение активности по показателю стойки с опорой на две лапы на стенку цилиндра у травмированных животных, по сравнению с контролем (р < 0,05).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ленков Д.Н., Проничев И.В. Организация двигательного представительства лицевой мускулатуры в неокор-тексе различных отрядов млекопитающих // Успехи физиол. наук. 1998. Т. 19, № 2. С. 27-49.

2. Худякова Н.А., Проничев И.В. Функциональное созревание моторного неокортекса белой мыши в раннем постнатальном онтогенезе // Журн. эвол. биохим. и физиол. 1998. Т. 34, № 6. С. 661-669.

3. Ямщикова Т.В., Проничев И.В. Расположение лицевых двигательных представительств в неокортексе белой мыши в условиях обеднения и обогащения сенсорного притока // Вестн. Удм. ун-та. Сер. Биология. 2006. № 10. С. 57-61.

4. Проничев И.В., Ленков Д.Н. Межполушарная асимметрия моторного представительства лицевой мускулатуры в неокортексе белой мыши // Физиол. журн. СССР. 1986. Т. 72, № 10. С. 1357-1363.

5. Kalueff A.V., Tuohimaa P. The Suok ("ropewalking") murine test of anxiety // Brain Res. Brain Res. Protoc. 2005. № 14(2).P. 87-99.

6. Hernandez T.D., Schallert T. Seizures and recovery from experimental brain damage // Exp. Neurol. 1988. Vol. 102. P. 318-324.

7. Zhang L., Schallert T., Zhang Z.G., Jiang Q., Arniego P., Li Q., Lu M., Chopp M. A test for detecting long-term sensorimotor dysfunction in the mouse after focal cerebral ischemia // J. of Neuroscience Methods. 2002. Vol. 117. P. 207-214.

8. Gharbawie O.A., Whishaw P.A., Whishaw I.Q. The topography of threedimensional exploration: a new quantification of vertical and horizontal exploration, postural support, and exploratory bouts in the cylinder test // Behavioral Brain Research. 2004. Vol. 151. P. 125-135.

Поступила в редакцию 08.09.14

N.A. Khudyakova

INFLUENSE OF SENSORIMOTOR NEOCORTEX INJURY ON THE PARAMETERS OF MOTOR ACTIVITY OF THE WHITE MOUSE IN VARIOUS BEHAVIORAL TESTS

Parameters of motor behavior of 28 nonlinear adult white mice in tests «grid» (grid walking task or foot fault task), «cylinder» and the suok test (or rope walking) after 1, 2, 3 and 4 weeks after injury were studied. Animals of the experimental group (14 mice) were hurt by trauma of sensorimotor neocortex via transaction of intracortical neuron communication to a depth of 2 mm around the circumference with a diameter of 2 mm and with a center in the point with coordinates P = 2 mm, L = 2 mm relative to the point of intersection of bregma and sagittal suture. The author observed a significant reduction of horizontal locomotor activity in injured animals in the test "grid" and in the suok test. By the 4th week of the study this parameter reaches the level of the control group in the test "grid", but remains significantly reduced when using the suok test. During the 4-week study of behavior in these tests the number of acts of slippage of the limb remains significantly increased. In the test «cylinder» for animals from the experimental group the number of touches the wall by both front limbs remains significantly decreased throughout the whole study period. All this gives evidence of the disturbance of movements coordination at the injured animal, which is not compensated or not compensated fully for 4 weeks after injury.

Keywords: brain damage, sensorimotor cortex, neocortex injury, motor activity, suok test, ropewalking test, test «cylinder», grid walking task, foot fault task.

Худякова Нина Алексеевна, Khudyakova N.A., Candidate of Biology,

кандидат биологических наук, доцент Associate professor of Department

кафедры анатомии и физиологии человека и животных of Human and Animal Anatomy and Physiology

ФГБОУ ВПО «Удмуртский государственный университет» Udmurt State University

426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп.1) Universitetskaya st., 1/1, Izhevsk, Russia, 426034 E-mail: whitemouse@udm.ru E-mail: whitemouse@udm.ru