КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-15-10356

НазваниеМодулирующее действие цитокинов на фундаментальные механизмы синаптической пластичности и процессы обучения и памяти в мозге.

РуководительЛевин Сергей Геннадьевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической и экспериментальной биофизики Российской академии наук, Московская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-106 - Нейробиология

Ключевые слованейроны, нервные сети, синаптическая пластичность, цитокины, обучение, память, нейро-глиальные взаимодействия, мембранные рецепторы, сигнальные пути, обработка информации, электрофизиология, иммуноцитохимия.

Код ГРНТИ34.39.17


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
После того как появились данные о том, что резидентные клетки мозга (нейроны, астроциты и микроглия) продуцируют такие медиаторы иммунной системы как цитокины и их рецепторы при нормальных физиологических условиях, возникла настоятельная потребность исследовать роль этих медиаторов в когнитивных процессах. Основной проблемой для понимания функциональной роли цитокинов в механизмах синаптической пластичности, нейрогенезе de novo, а также процессах обучения и памяти является небольшое число исследованных цитокинов. Имеющиеся представления основаны на данных всего по трем про-воспалительным цитокинам: ИЛ-1 бета, ИЛ-6 и ФНО-альфа. Данные о функциональной роли противо-воспалительных цитокинов в механизмах синаптической пластичности и когнитивных функциях зрелого мозга млекопитающих вообще отсутствуют в литературе. Знание их роли имеет ключевое значение для понимания механизмов локальной переработки информации в мозге, поскольку они, модулируя активность отдельных клеток и локальных нервных сетей, способны перестраивать процессы синаптической пластичности и межклеточные взаимодействия в целом в зависимости от локального соотношения уровней разных цитокинов в определенных областях мозга. Основной целью предлагаемого проекта является исследование модулирующего действия цитокинов (прежде всего двух различающихся по своим функциям противо-воспалительных цитокинов, трансформирующего фактора роста-бета (ТФР-бета) и интерлейкина-10 (ИЛ-10)) на Хэббовскую ДСП и гомеостатическую синаптическую пластичность в мозге зрелых животных. Как часть работы по проекту, будет также исследована возможность модулирующего действия ТФР-бета и ИЛ-10 на процессы обучения и памяти у этих животных. Работа по проекту включает следующие этапы. (1) Исследование характера модулирующего действия ТФР-бета и ИЛ-10 на ДСП, гомеостатическую пластичность и процессы обучения и формирования памяти на клеточном уровне с использованием первичной культуры клеток гиппокампа и срезов гиппокампа, а также на уровне целых животных. (2) Исследование влияния ТФР-бета и ИЛ-10 на экспрессию GluA1 / GluA2 субъединиц АМРА рецепторов возбуждающего нейромедиатора глутамата в плазматической мембране нейронов и на эффективность возбуждающей глутаматергической синаптической передачи в мозге. (3) Исследование влияния ТФР-бета и ИЛ-10 на экспрессию тормозных ГАМКА рецепторов в плазматической мембране нейронов и на эффективность тормозной ГАМКергической синаптической передачи в мозге. (4) Исследование канонических (Smad-зависимых) и неканонических (MAP/ERK-зависимых) внутриклеточных сигнальных путей, через которые ТФР-бета способен осуществлять свои модулирующие эффекты. (5) Исследование канонических (JAK/STAT3- или PI3K/AKT-зависимых) и неканонических (Са2+i-зависимых) внутриклеточных сигнальных путей, через которые ИЛ-10 способен оказывать свои модулирующие эффекты. (6) Анализ эффекторных генов-мишеней возбуждающей и тормозной синаптических передач, через которые исследованные противо-воспалительные цитокины опосредуют свои модулирующие эффекты на разные формы синаптической пластичности и процессы обучения и памяти. Результаты работы по предлагаемому проекту позволят разработать концепцию функциональной роли цитокинов в клеточных механизмах переработки и хранения информации в мозге, что позволило бы, с одной стороны, создать приемы, облегчающие протекание когнитивных процессов и способности к обучению у здоровых индивидуумов, а с другой – разработать превентивные и терапевтические средства для лечения нейропатологий, связанных с нарушением памяти.

Ожидаемые результаты
Согласно современным представлениям наиболее принятая у нейробиологов гипотеза относительно клеточных механизмов формирования памяти связана с такими формами синаптической пластичности как Хэбовская и гомеостатическая синаптические пластичности. В отличии от Хэббовской пластичности гомеостатическа пластичность оперирует с использованием механизма отрицательной обратной связи и обусловлена изменениями эффективности не отдельного синапса конкретного нейрона, а всех синапсов этого нейрона. К настоящему времени получены убедительные экспериментальные доказательства того, что резидентные клетки мозга нейроны, астроциты и микроглия способны продуцировать такие медиаторы иммунной системы как цитокины и их рецепторы, которые способны модулировать синаптическую пластичность, а также способность мозга к обучению и формированию памяти при нормальных физиологических условиях. Эти функции цитокинов лежат за пределами традиционных представлений об их участии в иммунных и воспалительных процессах при различных нейропатологиях. Результаты работы по предлагаемому проекту покажут: способны ли противо-воспалительные цитокины ТФР-бета и ИЛ-10 модулировать Хэббовскую и гомеостатическую формы синаптической пластичности, а также процессы обучения и памяти у животных, таким же образом как и про-воспалительные цитокины или же противоположным образом. Результаты исследований позволят также ответить на вопрос: опосредуют ли исследуемые противо-воспалительные цитокины свои модулирующие эффекты через экзоцитоз или эндоцитоз АМРА рецепторов глутамата и изменение эффективности основной возбуждающей синаптической передачи в мозге или же / и через экспрессию ГАМКА рецепторов ГАМК и изменение эффективности основной тормозной синаптической передачи в мозге. Последующее сравнительное исследование канонических (Smad-зависимых) и неканонических (MAP/ERK-зависимых) внутриклеточных сигнальных каскадов, через которые ТФР-бета способен осуществлять свои модулирующие эффекты, а также канонических (JAK/STAT3- или PI3K/AKT-зависимых) и неканонических (Са2+i-зависимых) внутриклеточных сигнальных путей, через которые ИЛ-10 способен оказывать свои модулирующие эффекты, выявят внутриклеточные сигнальные каскады, через которые соответственно ТФР-бета и ИЛ-10 опосредуют свои модулирующие эффекты на синаптическую пластичность и процессы обучения и памяти. Исследования по проекту позволят также получит данные о тех генах-мишенях возбуждающей и тормозной синаптических передач, которые модулируются исследованными противо-воспалительными цитокинами. Планируемые результаты имеют ключевое значение для понимания механизмов локальной переработки информации в мозге, поскольку, модулируя активность отдельных клеток и локальных нервных сетей, они способны перестраивать процессы синаптической пластичности и межклеточные взаимодействия и как следствие этого когнитивные процессы в целом мозге в зависимости от локального соотношения разных цитокинов и их уровней в различных областях мозга. В практическом плане результаты работы по проекту помогут разработать концепцию функциональной роли цитокинов в клеточных механизмах переработки и хранения информации в мозге, что позволило бы, с одной стороны, создать приемы, облегчающие протекание когнитивных процессов и способности к обучению у здоровых индивидуумов, а с другой – разработать превентивные и терапевтические средства для лечения нейропатологий, связанных с нарушением памяти.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Цитокины – это эндогенные иммуномодуляторы пептидной природы, функция которых связана с активацией клеток иммунной системы, ответом организма на воспаление, дифференцировкой клеток, их гибелью или выживанием в ответ на повреждающие воздействия. В течении многих лет считалось, что медиаторы иммунной системы практически не влияют на активность клеток мозга при нормальных физиологических условиях и способны изменять эту активность только при нейропатологиях благодаря нарушению проницаемости гемато-энцефалического барьера. К настоящему времени получены убедительные экспериментальные доказательства того, что резидентные клетки мозга (нейроны, астроциты и микроглия) способны продуцировать цитокины и их рецепторы, а также о том, что цитокины, помимо их участия в иммунных и воспалительных процессах при нейропатологиях, играют важную роль в синаптической пластичности, нейрогенезе de novo, процессах обучения и формирования памяти при нормальных физиологических условиях. Эти функции цитокинов лежат за пределами традиционных представлений об их участии в иммунных и воспалительных процессах при различных нейропатологиях. Из немногочисленных литературных данных известно, что как в нормальном мозге, так и при нейровоспалительном процессе, противо-воспалительные цитокины выполняют иммуномодулирующую роль, ингибируя продукцию про-воспалительных цитокинов и устраняя их потенциально-повреждающее действие на клетки мозга. Целью проекта является исследование фундаментальных механизмов модулирующего действия цитокинов на синаптическую пластичность и процессы обучения и памяти в мозге млекопитающих при нормальных физиологических условиях. В 2016 году по проекту планировалось провести следующие работы. 1. Исследование эффектов ТФР бета и ИЛ-10 на: 1.1. Хэббовскую долговременную синаптическую пластичность (ДСП) в срезах гиппокампа; 1.2. Возбуждающую глутаматергическую синаптическую передачу и гомеостатическую пластичность в культивируемых клетках гиппокампа; 1.3. Процессы обучения и формирования памяти в опытах на животных (крысах) in vivo. Кроме того, дополнительной задачей проекта являлось отработать методику и получить предварительные результаты по части работы, включающей: 2. Исследование влияния ИЛ-10 и ТФР-бета на распределение GluA1/GluA2 субъединиц АМРА рецепторов возбуждающего нейромедиатора глутамата, распределение ГАМК А рецепторов тормозного нейромедиатора ГАМК в плазматической мембране нейронов и оценка эффективности функционального торможения в культивируемых клетках гиппокампа и срезах гиппокампа зрелых животных. В результате проведенной работы были получены следующие результаты. 1. Исследование эффектов ТФР-1бета и ИЛ-10 на Хэббовскую ДСП в срезах гиппокампа. (1) Действие ИЛ-10 и ТФР-1бета по разному влияет на Хэббовскую ДСП в срезах гиппокампа; (2) ИЛ-10 как в концентрации 1 нг/мл, так и в концентрации 10 нг/мл облегчал долговременную синаптическую потенциацию в срезах гиппокампа; (3) ТФР-1бета в концентрации10 нг/мл облегчал ДСП в срезах гиппокампа только на поздних стадиях, тогда как в концентрации 1 нг/мл он не оказывал какого бы то ни было достоверного влияния. 2. Исследование эффектов ИЛ-10 и ТФР-1бета на возбуждающею глутаматергическую синаптическую передачу и гомеостатическую пластичность в культивируемых клетках гиппокампа. (1) ИЛ-10 и ТФР-1бета на коротких временах воздействия (15 минут) оказывают потенцирующий эффект на глутаматергическую возбуждающую синаптическую передачу. Данный эффект имеет ярко выраженную пресинаптическую природу, т.к. данные цитокины эффективно воздействуют на частоту, но не амплитуду миниатюрных возбуждающих постсинаптических токов (мВПСТ). (2) Было установлено, что в условиях сформировавшейся гомеостатической пластичности кратковременная добавка ИЛ-10 и ТФР-1бета (15 минут) увеличивает частоту мВПСТ, тем самым оказывая пресинаптическое действие и компенсируя снижения частоты мВПСТ, наблюдаемое в модели гомеостатической пластичности при 24 часовой инкубации с 1 мкм TTX. (3) Обнаружено, что ИЛ-10 и ТФР-1бета оказывают непосредственное влияние на формирование гомеостатической пластичности. Так, совместная инкубация каждого из данных цитокинов с 1 мкМ TTX (долговременный эффект) значительно потенцировала амплитуду мВПСТ, оказывая постсинаптический эффект и, тем самым, далее способствуя компенсаторному постсинаптическому механизму развивающемуся в модели гомеостатической пластичности при 24 часовой инкубации с 1 мкм TTX. 3. Исследование эффектов ТФР-1бета и ИЛ-10 на процессы обучения и памяти в опытах на животных in vivo показало, что (1) Результаты поведенческих экспериментов, проведенные в лабиринте, указывают на отсутствие влияния ИЛ-10 в концентрации 1 мкг на двигательную активность и воспроизведение навыка чередования. (2) Исследование влияния ИЛ-10 (1 мкг) и ТФР-1бета (0.1 мкг) на обучение крыс в экспериментальной камере не выявили выраженного влияния на выполнение гиппокамп-зависимых навыков. 4. Отлажены и отработаны методы ультраструктурной локализации АМРА рецепторов и методы количественной оценки распределения золотой метки. Определены временные параметры обработки срезов и подобраны разведения антител. Полученные нами результаты помогают понять действия противо-воспалительных цитокинов в ДСП, так как в отличие от про-воспалительных цитокинов в литературе практически отсутствуют данные о роли анти-воспалительных цитокинов в механизмах их модулирующего действия на синаптическую пластичность и процессы памяти и обучения в мозге взрослых млекопитающих при нормальных физиологических условиях.

 

Публикации


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Ранее считалось, что медиаторы иммунной системы практически не влияют на активность клеток мозга при нормальных физиологических условиях, и что они лишь при различных повреждающих воздействиях способны изменять нейрональную активность как результат нарушения проницаемости гематоэнцефалического барьера. Лишь в последние несколько лет появились экспериментальные доказательства того, что цитокины, помимо их участия в иммунных и воспалительных процессах при нейропатологиях, играют важную роль в синаптической пластичности, нейрогенезе de novo, процессах обучения и формирования памяти при нормальных физиологических условиях. Целью проекта является исследование фундаментальных механизмов модулирующего действия цитокинов на синаптическую пластичность и процессы обучения и памяти в мозге млекопитающих при нормальных физиологических условиях. В 2017 году по проекту были проведены следующие работы. 1. Исследование влияния трансформирующего фактора роста-1бета (ТФР-1бета) и интерлейкина-10 (ИЛ-10) на: 1.1. Распределение АМРА-R1-рецепторов возбуждающего нейромедиатора глутамата и ГАМК-А-ß2-рецепторов тормозного нейромедиатора ГАМК в плазматической мембране нейронов срезов гиппокампа животных в условиях Хеббовской долговременной синаптической потенциации (ДСП). Изучение распределения рецепторов было проведено на асимметричных синапсах поля СА1 гиппокампа крыс с помощью электронной микроскопии постимбеддинг методом с использованием иммуннозолотого маркера. Показано, что золотые частицы могут локализоваться в трех зонах синапса: на постсинаптической мембране, в пресинаптической области синапса в везикулах, а также в других экстрасинаптических зонах. Выявлено, что число АМРА-рецепторов в срезах, инкубированных с ТФР-1бета снижалось по сравнению со срезами, не подвергавшихся обработке ТФР-1бет, а при выработке ДСП на фоне ТФР-1бета происходило достоверное увеличения числа рецепторов. Число ГАМК-А рецепторов в срезах гиппокампа, инкубированных на фоне ТФР-1бета по сравнению с интактными срезами, достоверно не менялось, тогда как при выработке ДСП на фоне вещества происходило достоверное снижения их числа. Можно заключить, что введение в среду инкубации ТФР-1бета снижало число АМРА-рецепторов, но при выработке ДСП на фоне ТФР-1бета их количество восстанавливалось до контрольного уровня. Число ГАМК-А-рецепторов не изменялось ни в одном из вариантов исследования. При изучении распределения АМРА и ГАМК-А рецепторов на синапсах поля СА1 гиппокампа крыс на фоне ИЛ-10 было показано, что число АМРА-рецепторов в срезах, инкубированных с ИЛ-10, увеличивалось по сравнению с интактными срезами, тогда как при выработке ДСП на фоне ИЛ-10 происходило достоверное снижения их числа. Напротив, число ГАМК-А рецепторов на фоне ИЛ-10 достоверно снижалось, еще большее снижение наблюдалось при выработке ДСП на фоне вещества. Иммунное мечение золотом показало, что АМРА-рецепторы локализованы как в активных зонах в аксо-шипиковых синапсах, так и в активных зонах синапсов, расположенных на дендритных шахтах пирамидных нейронов. Влияние цитокинов на число синаптических везикул показало, что выработка ДСП на фоне ИЛ-10 достоверно не изменяла числа связанных с мембраной везикул. При оценке числа везикул, связанных с мембраной, в аксо-дендритном синапсе оказалось, что на фоне ТФР-1бета их число не менялось ни в интактном срезе, ни в потенциированном. 1.2. Изменения распределения GluR1 и GluR2 субъединиц АМРА рецепторов возбуждающего нейромедиатора глутамата и ГАМК-А рецептора тормозного нейромедиатора ГАМК культивируемых клетках гиппокампа в условиях гомеостатической пластичности. Было показано, что сама по себе индукция гомеостатической пластичности в модели с 24-х часовой инкубацией первичной нейрональной культуры гиппокампа с 1 µМ тетродотоксина (ТТХ) вызывает синаптическое масштабирование. Иммунофлуоресценция GluR2 субъединицы дендритов нейронов, подвергнутых 24-х часовой обработке с ТТХ была значительно выше по сравнению с контрольной группой, не подвергавшейся воздействию ТТХ, в то же время иммунофлуоресценция для GluR1 и ГАМК-A оставалась неизменной. Совместное 24-х часовое инкубирование ТТХ либо с ИЛ-10, либо ТФР-1бета приводило к схожему эффекту: достоверных различий иммунофлуоресценции GluR2 GABA-A по сравнению с нейронами, обработанными только ТТХ, не наблюдалось. Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод, что адаптационные эффекты, наблюдаемые нами в ТТХ модели гомеостатической пластичности в 2016 году и связанные с постсинаптическим действием ИЛ-10 и ТФР-1бета (достоверно значимое изменение амплитуды миниатюрных постсинаптических токов) связаны не с изменением количества АМРА или ГАМК рецепторов, а могут быть соотнесены с эффектами посттрансляционной модификации этих рецепторов сигнальными каскадами, вовлеченными в эффекты ИЛ-10 и ТФР-1бета. 2. Исследование влияния ТФР-1бета – сигнального пути в механизмах обучения in vivo. Поведенческие эксперименты на крысах с применением условной реакции пассивного избегания показали, что запоминание животными информации на фоне подавления рецепторов ТФР-1бета препятствует впоследствии ее нормальному воспроизведению. Отсюда можно сделать вывод о необходимости нормального уровня эндогенного ТФР-1бета для успешной консолидации некоторых видов памяти. 3. Исследование содержания ТФР-бета и ИЛ-10 в мозге до, во время и после обучения, т.е. их влияние на формирования памяти у животных (крыс). Для выяснения роли ИЛ-10 и ТФР-1бета в механизмах обучения и памяти, были проведены эксперименты по количественному определению их содержания в неокортексе и гиппокампе в процессе выработки у животных гиппокамп-зависимого навыка. Для решения поставленной нами задачи был выбран поведенческий навык с положительным (пищевым) подкреплением, при котором животные подвергаются стрессовым воздействиям в гораздо меньшей степени, чем при тестах избегания. Полученные результаты показали, что в гиппокампе и префронтальной коре крыс не происходит существенных изменений в содержании ИЛ-10 при формировании памяти. Содержание ТФР-бета изменялось в мозге крыс в различные временные сроки при выработке пищедобывательного навыка, при этом динамика изменения ТФР-1бета в правом и левом гиппокампе существенно различалась. 4. Исследование влияния ИЛ-10 и ТФР-1бета на миниатюрные тормозные постсинаптические токи (мТПСТ) в культивируемых клетках гиппокампа. Полученные результаты показали, что ИЛ-10 оказывает дозозависимый эффект (ЕС 3.4 нг/мл) на частоту мТПСТ и не влияет на амплитуду мТПСТ. Таким образом, ИЛ-10 оказывает ярко выраженный пресинаптический эффект (изменение частоты, но не амплитуды мТПСТ) на тормозную синаптическую передачу. В отличие от ИЛ-10, ТФР-1бета не оказывает достоверного эффекта ни на частоту, ни на амплитуду мТПСТ в первичной гиппокампальной нейрональной культуре, эффекты также не имеют зависимости от дозы вещества. Таким образом, моно сделать вывод, что ТФР-1бета не вовлечен в регуляцию тормозной синаптической передачи на базальном уровне. 5. Исследование влияния ТФР-1бета и ИЛ-10 на долговременную потенциацию, вызванную тета берстом в срезах гиппокампа. Полученные результаты показали, что ИЛ-10 в концентрации 10 нг/мл оказывал выраженное потенцирующее действие на величину постсинаптического потенциала после тета-залповой стимуляции, то время как в концентрации 1 нг/мл ИЛ-10 не влиял на долговременную пластичность. TФР-1бета в концентрации 10 нг/мл достоверно усиливал долговременную синаптическую потенциацию, однако наблюдаемый эффект был значительно слабее по сравнению с действием ИЛ-10. В концентрации 1 нг/мл TФР-1бета также не оказывал влияние на синаптическую пластичность.

 

Публикации

1. Левин С.Г., Сирота Н.Р., Ненов М.Н., Савина Т.А., Годухин О.В. Interleukin-10 and PD150606 modulate expression of AMPA receptor GluA1 and GluA2 subunits under hypoxic conditions. NeuroReport, Vol. 29, № 2, pp. (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1097/WNR.0000000000000928

2. Левин С.Г., Годухин О.В. Modulating Effect of Cytokines on Mechanisms of Synaptic Plasticity in the Brain. Biochemistry (Moscow) Vol. 82, № 3, pp. 264-274, - (год публикации - 2017)

3. Конаков М.В., Мальков А.Е., Терлов И.Ю., Ненов М.Н., Левин С.Г. Interleukin-10 facilitates excitatory synaptic transmission, homeostatic and long-term plasticity. Society for Neuroscience 2017, - (год публикации - 2017)

4. Першина Е.В., Архипов В.И., Конаков М.В., Левин С.Г. Исследование влияния цитокинов ИЛ-10 и ТФР бета-1 на гиппокамп-зависимые навыки у крыс. В книге: Новые разработки в психологических, физиологических и медицинских нейроисследованиях. стр. 94-95. Издательство: ООО "МАКС". Москва, - (год публикации - 2017)

5. Мальков А.Е., Конаков М.В., Ненов М.Н., Левин С.Г. Исследование модулирующего действия интерлейкина - 10 и трансформирующего фактора роста - бета на Хеббовскую долговременную синаптическую потенциацию в поле СА1 гиппокампа. Рецепторы и внутриклеточная сигнализация. Сборник статей. Том 1. стр. 260-264. Пущино., - (год публикации - 2017)

6. - Ученые из ИТЭБ РАН показали, как «кислородное голодание» влияет на работу мозга Открытая наука, - (год публикации - )

7. - Учёные из ИТЭБ РАН исследуют, как можно предотвратить неблагоприятные последствия кратковременной гипоксии мозга в экспериментах на срезах гиппокампа крыс Официальный портал Администрации города Пущино, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В течение многих лет считалось, что медиаторы иммунной системы практически не влияют на активность клеток мозга при нормальных физиологических условиях и способны изменять эту активность только при нейропатологиях благодаря нарушению проницаемости гемато-энцефалического барьера. Из немногочисленных литературных данных известно, что как в нормальном мозге, так и при нейровоспалительном процессе, противо-воспалительные цитокины выполняют иммуномодулирующую роль, ингибируя продукцию про-воспалительных цитокинов и устраняя их потенциально-повреждающее действие на клетки мозга. Целью проекта является исследование фундаментальных механизмов модулирующего действия цитокинов на синаптическую пластичность и процессы обучения и памяти в мозге млекопитающих при нормальных физиологических условиях. В 2018 году по проекту были проведены следующие работы. 1. Продолжить поведенческие исследования формирования/сохранения/ воспроизведения следов памяти у крыс при изменении уровня эндогенных противовоспалительных цитокинов с помощью фармакологических агентов (ТФР-бета и/или ИЛ-10). Влияние ингибиторов ТФР-бета на когнитивные способности крыс. Было выявлено, что как и в экспериментах с SB431542, на фоне ингибитора SD-208 животные реакцию пассивного избегания (РПИ) не запоминали. Ее воспроизведение как через одни сутки, так и через 7 дней значительно отличалось от контроля. Изучение влияния иммуномодулятора AS101 на реакцию пассивного избегания у крыс. Животные экспериментальной группы воспроизводили навык хуже, чем контрольные животные. Таким образом, иммуномодулятор AS101 оказал амнезирующее действие на РПИ. Изучение влияния AS101 на этап воспроизведения реакции избегания. Для этого сравнивали результаты пассивного избегания в трех группах: 1) Контрольная группа; 2) Крысы обучались, так и проходили тест на фоне действия AS101. Животные получили электрораздражение после введения 2,5 мг/кг AS101, затем через 48 часов им была повторно сделана инъекция и через 2,5 часа была проведена проверка воспроизведения реакции избегания. 3) Животных обучали в норме, но воспроизведение навыка проверяли на фоне действия вещества. Результаты, полученные в группе 2 не дали однозначного ответа: они достоверно не отличаются от показателя контрольной группы. Тем не менее, у части животных можно отметить частичную амнезию, и они были подвижны при их помещении в светлый отсек (отсутствие реакции замирания). Полученные результаты в Группе 3 показали, что одной из причин неоднозначности результатов является влияние вещества на воспроизведение навыка – в этой группе также выявлен большой разброс результатов: поведение некоторых, но не всех, животных отличалось от нормы. Высокий разброс данных в этой серии экспериментов также указывает на то, что исходное состояние животных значительно влияет на результат действия вещества. Результаты, полученные с SD-208, селективным ингибитором рецепторов ТФР-бета подтвердили ранее полученные данные с другим ингибитором рецепторов ТФР-бета. Этот цитокин участвует в клеточных процессах, связанных с запоминанием информации. РПИ, сформированная при ингибировании рецепторов ТФР-бета любым из примененных нами веществ запоминается хуже, чем в контроле, что указывает на участие ТФР-бета и его рецепторов в механизмах запоминания. Суммируя результаты с AS101, мы приходим к выводу, что это вещество способно оказывать влияние на консолидацию следа памяти, так же как и на воспроизведение РПИ. Большой разброс результатов показывает существенную неоднородность исходного состояния животных в отношении действия иммуномодулятора, определяя конечный результат. 2. Исследование распределение субъединиц АМРА рецепторов возбуждающего нейромедиатора глутамата и ГАМК А рецепторов нейромедиатора ГАМК в плазматической мембране нейронов в клетках гиппокампа в процессе обучения животных (в динамике) после фармакологического воздействия на уровень эндогенных противовоспалительных цитокинов. Для морфологических исследований животные были поделены на 5 групп: Группа 1. Контрольная 1: животных в течение трех дней приручали, как и во всех остальных группах. Группа 2. Контрольная 2: после приручения крысы привыкали к экспериментальной установке, затем они получали электрораздражение: через 5 минут крыс декапитировали, выделяли гиппокамп и помещали в фиксирующий раствор. Группа 3. Животным после привыкания к установке вводили ингибитор рецепторов ТФР-бета SB431542 и через 30 минут проводили обучение реакции избегания. Через 24 часа проводили тест на сохранение РПИ и через 5 минут декапитировали. Группа 4. Животным после привыкания к установке вводили изотонический раствор хлорида натрия с добавлением ДМСО и через 30 минут проводили обучение реакции избегания. Через 24 часа проводили тест на сохранение РПИ и через 5 минут декапитировали. Группа 5. Животным после привыкания к установке вводили ингибитор рецепторов ТФР-бета SB431542; через 30 минут проводили обучение реакции избегания. Через 24 часа проводили тест на сохранение РПИ; через 7 дней также проводили тест на сохранение РПИ и через 5 минут декапитировали. Ультраструктурное изучение показало, что во всех группах метка на АМПА-рецепторы располагалась преимущественно в области активных зон шипиковых синапсов. Метка была локализована как в пресинаптическом компартменте синапса, так и в постсинаптическом уплотнении (ПСУ) шипика. Выявлено, что общее число частиц на синапс по сравнению с контролем достоверно снижено в 3 группе. Для пресинаптического окончания и постсинаптического в контроле характер распределения частиц был равномерным. В 3 группе, так же как и в контроле, распределение частиц в пре и постсинапсе было равномерным. Обучение через сутки (4 группа) приводило к перераспределению частиц между частями синапса: происходило уменьшение числа метки в пресинапсе и возрастание ее числа в латеральной части ПСУ. В 5-й группе распределение частиц в пресинапсе и в постсинапсе напоминало их распределение в контроле. Число меченых синапсов в 4 и 5 группах достоверно не различалось. ГАМКА-бета2. Метка на ГАМК-рецепторы располагается в постсинаптическом уплотнении шипика. При сравнительном морфометрическом количественном анализе выявили, что изменений в числе метки между всеми группами не происходило. Таким образом, можно сделать вывод, что АМПА-рецепторы располагаются преимущественно в ПСУ синапса и колокализуются с ГАМКА-бета2 рецепторами. Через сутки в 4 группе происходит перераспределение АМПА-рецепторов: уменьшение в пресинапсе и увеличение их в латеральной части постсинаптического уплотнения. Через неделю в синапсах 5 группы распределение частиц было равномерным между пре-и постсинапсом и практически не отличалось от контроля. Изменений в числе ГАМКА-бета2 рецепторов в разных экспериментальных группах не выявлено. 3. Определить содержание жирных кислот (ЖК) в мозге до, во время и после обучения животных и последующее соотношения полученных результатов с результатами по исследованию ИЛ-10 и ТФР-бета. На используемой модели обучения животных пищедобывательному навыку выявлено, что в процессе обучения состав и содержание индивидуальных ЖК в гиппокампах и в префронтальной коре животных меняется различным образом. Изменение состава и содержания ЖК в левом и в правом гиппокампах. Обучение пищедобывательному навыку сопровождается изменением жирнокислотного состава и содержания отдельных ЖК и в правом, и в левом гиппокампе крыс, но изменения в левом гиппокампе крыс наиболее выражены, что подтверждает функциональную ассиметричность гиппокампов и их различное участие в выработке данного навыка. Изменение состава и содержания ЖК в префронтальной коре. Изменения в содержании ряда жирных кислот в префронтальной коре животных выражены более значительно и носят долговременный характер, сохраняясь в течение 3-х суток после окончания обучения. Полученные в настоящей работе результаты показали, что и в обоих гиппокампах, и в префронтальной коре крыс не происходит существенных изменений в содержании ИЛ-10 при формировании памяти на модели выработки пищедобывательного навыка. Показана корреляция между изменением уровня ТФР-бета1 и содержанием эйкозапентаеновой и n-3докозагексаеновой кислот в левом гиппокампе и уровнем ТФР-бета1 и докозагексаеновой кислоты в префронтальной коре крыс в различные временные сроки при обучении пищедобывательному навыку, что также вписывается в представление о консолидации следов памяти в этих временных рамках. 4. Исследовать экспрессию генов цитокинов и их рецепторов (ИЛ-10 и ТФР-бета) в мозге животных до, вовремя и после обучения. Содержание мРНК цитокинов ТФР-бета1 и ИЛ-10 и их рецепторов определяли в гиппокампе и области фронтальной коры крыс. Оценка экспрессии генов ТФР-бета1 показала, что сразу после обучения животных во второй день во фронтальной области коры уровень мРНК ТФР-бета1 значительно снижался. Однако уже через час после обучения уровень мРНК нормализовался, не изменяясь в дальнейшем. В гиппокампе не удалось выявить достоверных различий экспрессии генов ТФР-бета1. Анализ экспрессии генов рецепторов ТФР-бета1 типа I и II показали, что уровень мРНК Tgfbr2 достоверно не изменялся ни в неокортексе, ни в гиппокампе до, во время и после обучения. Тогда как, экспрессия Tgfbr1 в области префронтальной коры имела тенденцию к снижению сразу после обучения животных во второй день. Экспрессия гена другого противовоспалительного цитокина ИЛ-10 при обучении животных не изменялась ни во фронтальной коре, ни в гиппокампе. Экспрессия генов для рецепторов ИЛ-10: Il10rа и Il10rb в результате обучения животных не изменялась ни в гиппокампе, ни в неокортексе. Мы предпологаем, что стрессовые воздействия, которые неизбежны в условиях информационной нагрузки, также могли бы повлиять на экспрессию цитокинов в структурах мозга, связанных с обучением. Однако, значительных изменений в экспрессии генов как ТФР-бета1, ИЛ-10, так и их рецепторов при обучении мы не обнаружили. При формировании пищедобывательного навыка прирученные животные испытывают стресс, хотя и в значительно меньшей степени, чем в поведенческих тестах с отрицательным подкреплением. Возможно, поэтому достоверно было показано изменения лишь в уровне экспрессии гена кодирующего ТФР-бета1 в неокортексе. Этот результат хорошо согласуется с изменением самого цитокина во время обучения навыка, который применялся в наших экспериментах. Было показано, что в неокортексе крыс при выработке навыка происходило повышение уровня ТФР-бета1. При этом экспрессия генов, кодирующих ТФР-бета1 снижалась. Мы полагаем, что повышенное количество белка ТФР-бета1 в префронтальной коре могло привести к снижению регуляции экспрессии гена TGFb1 по механизму отрицательной обратной связи для восстановления гомеостатического равновесия.

 

Публикации

1. Архипов В.И., Першина Е.В., Левин С.Г. Deficiency of transforming growth factor-β signaling disrupts memory processes in rats NeuroReport, V-29, Is-5, p 353–355 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1097/WNR.0000000000000971

2. Архипов В.И., Першина Е.В., Левин С.Г. The role of anti-inflammatory cytokines in memory processing in a healthy brain Behavioural Brain Research, 367, стр. 111–116 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.bbr.2019.03.053

3. М.Н. Ненов, М.В. Конаков, И.Т. Теплов и С.Г. Левин Interleukin-10 Facilitates Glutamatergic Synaptic Transmission and Homeostatic Plasticity in Cultured Hippocampal Neurons Int. J. Mol. Sci., 20(13), 3375 (год публикации - 2019)

4. Михеева И.Б., Мальков А. Е., Павлик Л.Л., Архипов В.И., Левин С.Г. Effect of TGF-Beta1 on long-term synaptic plasticity and distribution of AMPA receptors in the CA1 field of the hippocampus Neuroscience Letters, Volume 704, 21, Pages 95-99 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.neulet.2019.04.005

5. Михеева И.Б., Мальков А.Е., Павлик Л.Л., Архипов В.И., Левин С.Г. Влияние ИЛ-10 на локализацию AMPA-рецепторов в синапсах при долговременной посттетанической потенциации в переживающих срезах гиппокампа Бюллетень экспериментальной биологии и медицины, - (год публикации - 2019)

6. Ненов М.Н., Мальков А.Е., Конаков М.В., Левин С.Г. Interleukin-10 and transforming growth Biochem Biophys Res Commun, V. 518, lssue 3, P. 486-491 (год публикации - 2019)

7. Архипов В.И., Першина Е.В., Савина Т.А., Левин С.Г. Роль ТФР-бета в когнитивной деятельности IV Всероссийской конференции с международным участием «ГИППОКАМП И ПАМЯТЬ: НОРМА И ПАТОЛОГИЯ», Пущино, с. 38-39 (год публикации - 2018)

8. Архипов В.И., Першина Е.В., Савина Т.А., Левин С.Г. Влияние противовоспалительных цитокинов на процессы памяти Материалы конференции теоретическая и экспериментальная биофизика Часть I «Исследование устойчивости биосистем различных иерархических уровней....», Пущино, Часть 1, c. 31 (год публикации - 2018)

9. Першина Е.В.,Камалдинова Э.Р., Архипов В.И., Савина Т.А., Левин С.Г. Anti-inflammatory cytokines in cognitive functions in rats 11 FENS Forum of Neuroscience 2018, Berlin, Germany, ABSTRACT NUMBER: F18-1683 Poster Board Number: F044 (год публикации - 2018)

10. Савина Т.А., Кулагина Т.П., Ариповский А.В., Левин С.Г. Изменение жирнокислотного состава гиппокампа крыс при обучении пищедобывательному навыку IVX международный междисциплинарный конгресс «Нейронаука для медицины и психологии» Судак, Крым, с. 401. (год публикации - 2018)

11. - Ученые из ИТЭБ РАН изучают влияние иммунной системы на способность к обучению Научно-образовательный портал Открытая наука, 3 апреля 2018г. (год публикации - )

12. - Пущинские ученые из ИТЭБ РАН изучают влияние иммунной системы на способность к обучению газета Пущинская среда, 3 апреля 2018г. (год публикации - )

13. - Ученые из ИТЭБ РАН изучают влияние иммунной системы на способность к обучению Информационный портал Наука 0+, - (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
не указано