Влияние Aβ25-35 нa спектральные и корреляционные характеристики ЭЭГ взрослых и старых животных

На ранней стадии БА нейродегенеративный процесс в первую очередь захватывает гиппокамп и ассоциативные области неокортекса. Недавно были получены данные о том, что у людей, страдающих БА, нарушена пространственная синхронизация ЭЭГ разных областей коры. Однако на экспериментальных моделях БА in vivo этот вопрос не исследован.

Поэтому было изучено влияние в/ж введения Aβ25-35 на спектрально-корреляционные характеристики ЭЭГ дорзального гиппокампа и фронтальной коры у взрослых и старых животных.

Эксперименты проводили по следующей схеме (рис. 1). Животным вживлялись канюли для введения веществ в латеральный желудочек мозга и электроды в дорзальный гиппокамп (поле CA1) и фронтальную кору.

Через 7 дней после операции в/ж вводился 0,9-процентный раствор NaCl и через неделю регистрировалась ЭЭГ, затем тому же животному вводился Aβ25-35. и повторно проводилась запись ЭЭГ на 7-й, 14-й и 30-й день после его введения. Через месяц после инъекции Aβ25-35 у этих же животных тестировалось пространственное обучение при случайном положении цели.

Спектральный анализ ЭЭГ дорзального гиппокампа (поле CA1) и фронтальной коры крыс показал следующее. В контрольных записях ЭЭГ как гиппокампа, так и фронтальной коры преобладал смешанный тип активности, наблюдался небольшой пик в δ-диапозоне (3 Гц). При этом на спектрограммах, соответствующих обеим структурам, отчетливо выделялся экстремум в 9-диапазоне (6 Гц). После введения Aβ25-35 выраженность такой составляющей на обеих спектральных функциях достоверно уменьшилась, и сами функции приобрели более плоский вид (рис. 2А, Б).

Корреляционный анализ ЭЭГ показал, что у взрослых и старых животных после внутрижелудочкового введения Aβ25-35 значительно снижался коэффициент корреляции между дорзальным гиппокампом и фронтальной корой. На рис. 3А показан усредненный коэффициент корреляции у взрослых животных. Он достоверно снижался до 70-80% от контроля через неделю после введения Aβ25-35 и сохранялся на сниженном уровне в течение месяца после инъекции.

У старых крыс в контроле наблюдалась положительная корреляция между ЭЭГ гиппокампа и фронтальной коры, но через неделю после в/ж введения Aβ25-35 произошло достоверное (р<0,05, а в большинстве случаев и при р<0,01) снижение среднего значения коэффициента корреляции, вплоть до 30% (рис. 3Б). Эти данные показывают, что и у старых, и у взрослых животных на ранних стадиях действия Aβ25-35 значительно снижалась корреляция между осцилляторной активностью дорзального гиппокампа и фронтальной корой.

Применение вейвлет-преобразования (wavelet) позволило исследовать динамику возникновения синхронизации и ритмической активности в структурах головного мозга крыс. Нами было проанализировано изменение коэффициента корреляции ЭЭГ между гиппокампом (поле CA1) и фронтальной корой в 9-диапозоне (4-12 Гц) в зависимости от времени и частоты через месяц после введения Aβ25-35.

На рис. 4 представлен результат когерентного анализа ЭЭГ у взрослой крысы в контроле. Градиентом серого цвета указано распределение коэффициентов кор-реляциии между гиппокампом и фронтальной корой (белый — максимум, черный — минимум). Наличие точек белого цвета, группирующихся в полосе 5-8 Гц, является показателем высокой синхронизации гиппокампа и фронтальной коры на данной частоте в контроле (см. рис. 4А). На рис. 4Б коэффициент корреляции в контроле на частоте 6 Гц представлен в численном значении. Видно, что значение коэффициента колеблется около 0.8, что означает высокую синхронизацию полевых потенциалов гиппокампа и фронтальной коры.

Через месяц после введения Aβ25-35 не наблюдалось высоких значений коэффициента корреляции. Обработка ЭЭГ-сигналов показала отсутствие долговременной корреляции вейвлет-коэффициентов в полосе частот 4-12 Гц. Это свидетельствует о нарушении пространственной синхронизации, дезорганизации и хаотичном характере ЭЭГ-активности. График изменения численного значения коэффициента корреляции между ЭЭГ гиппокампа и фронтальной коры подтверждает эти данные: коэффициент принимает значения от 0,3 до 0,6.

Таким образом, с помощью метода корреляции вейвлет-коэффициентов были выявлены моменты синхронизации ритмов ЭЭГ в полосе частот от 4 до 6 Гц, что соответствует низкочастотному θ-ритму в контроле и нарушение синхронизации через месяц после введения Aβ25-35.

После окончания электроэнцефалографических экспериментов у взрослых животных было проанализировано обучение в водном лабиринте Морриса со случайным положением платформы. Опыты проходили через месяц после введения Aβ25-35. Среднее значение и стандартная ошибка времени решения когнитивной задачи представлены на рис. 5.

В контроле наблюдалась типичная кривая обучения: время решения задачи сокращалось от сеанса к сеансу. Это служило показателем консолидации пространственной памяти. У опытных животных в течение 5 сеансов наблюдалась тенденция к обучению, но скорость обучения была сниженной по сравнению с контролем. Статистический анализ показал значимую разницу (при р<0,05) во втором, третьем и пятом сеансах между опытной и контрольной группами. Особенно информативно значимое различие латентного времени в пятом сеансе.

Приведенные примеры ясно показывают, что у старых животных взаимодействие между гиппокампом и фронтальной корой было нарушено значительно сильнее, чем у взрослых крыс. Интересный результат заключается в том, что у всех взрослых животных с изменением осцилляторной активности гиппокампа и фронтальной коры, нарушением синхронности между этими структурами происходило ухудшение пространственного обучения при случайном положении цели.

Таким образом, введение Aβ25-35 не полностью нарушает, а замедляет (снижает скорость) пространственное обучение у взрослых крыс. Наши результаты согласуются с экспериментальными данными, согласно которым β-амилоид, введенный в желудочки мозга, нарушал память у крыс в V-лабиринте, но вызывал слабый дефицит пространственного обучения.

Нарушение когнитивных функций при спорадической форме БА обычно происходит после 70 лет на фоне общего физиологического старения организма. Ho центральное введение β-амилоида на старых животных изучалось относительно редко. После хронического введения Aβ1-42 в латеральные желудочки мозга мышей в возрасте 2,5 и 9 месяцев наблюдалось нарушение пространственной памяти в тесте Морриса. У старых крыс дефицит пространственной памяти был особенно сильный. Это указывает на повышенную чувствительность старых животных к действию β-амилоида.

Нарушения осцилляторной активности и синхронизации электрических сигналов между различными областями мозга становятся одной из центральных проблем и начинают исследоваться на моделях болезни Альцгеймера.

На моделях БА не изучался вопрос о связи пространственной синхронизации ЭЭГ и когнитивных функций. Поэтому мы провели исследование осцилляторной активности гиппокампа и фрональной коры и пространственной синхронизации электрической активности между этими структурами после центрального введения Aβ у взрослых и старых животных. Было показано подавление низкочастотного θ-ритма (4-6 Гц) в гиппокампе и фронтальной коре под действием β-амилоида. Эти изменения были зарегистрированы через неделю после в/ж введения Aβ25-35 и сохранялись в течение месяца. Эти результаты совпадают с данными, полученными на трансгенных мышах — моделях БА (APP/PS1, АРР), где наблюдалось подавление мощности низкочастотного θ-ритма в коре. Недавно показано, что микроинъекция Aβ1-40 в медиальное ядро септума подавляет гиппокампальный θ-ритм. По современным теориям θ-ритм играет ключевую роль в механизмах гиппокампа: фильтрации поступающей в мозг новой информации, селективном внимании, начальном этапе обучения, ориентации в пространстве. Снижение фоновой активности в θ-диапазоне является показателем нарушения функционального состояния гиппокампа. Эти изменения коррелируют с нарушением обработки новой информации, декларативной памяти и различения пространственных сигналов . Ориентация в пространстве и направление движения тесно связаны с клетками-места в гиппокампе.

Было показано, что β-амилоидные олигомеры ингибируют долговременную потенциацию в гиппокампе млекопитающих. Образованные в клетках олигомеры β-амилоида снижают плотность дендритных шипиков в гиппокампальных срезах, что изменяет прохождение сигнала в пирамидных нейронах CA1 гиппокампа. Активность нейрональных сетей модулируется нейротрансмиттерными системами, такими как глутаматная, ацетилхолиновая, серотониновая, дофаминовая. На культуре гиппокампальных нейронов показано, что Р-амилоидные олигомеры связываются с поверхностью нейрона, а именно — с синоптическими окончаниями дендритов. На этом основании В.Л. Клейн и соавторы предположили, что Aβ42/43, является лигандом синапсов.

Подавление осцилляций в диапозоне 4-6 Гц в гиппокампе и коре связано со снижением активности септо-гиппокампальной холинергической системы, существенной для кодирования новой информации и формирования первых стадий памяти. β-амилоид оказывает негативное влияние на никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (в частности α7nACh-рецепторы). Нарушение холинергической иннервации гиппокампа является одним из существенных проявлений патогенеза БА.

М.Н. Ливановым показана важная роль пространственной синхронизации ритмов ЭЭГ в формировании функциональной связи между областями коры, вовлеченными в процесс обучения. Особый интерес для понимания механизмов нервной деятельности имеют осцилляторные синхронизированные электрические процессы, регистрируемые на уровне ЭЭГ-потенциалов. Было установлено, что пространственная синхронизация в определенном частотном диапазоне ЭЭГ и когерентность этих процессов имеет определяющее значение для проведения возбуждения между различными отделами коры больших полушарий, а также между корой и подкорковыми структурами.

По современным представлениям, межнейронные взаимодействия структур головного мозга играют ведущую роль в механизмах когнитивной деятельности в норме и при нейродегенеративных заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера. Предполагается, что нарушение памяти при БА связано со снижением связи между различными областями коры. А. Стерн и соавторы показали, что β-амилоидные бляшки нарушают кортикальную сеть нейронов. По-видимому, это происходит из-за изменения морфологии аксонов и дендритов нерастворимыми β-амилоидными агрегатами.

В работе впервые показано снижение пространственной синхронизации между гиппокампом и фронтальной корой на модели БА. Коэффициент корреляции в среднем снижался до 0,6 у взрослых и до 0,3 у старых животных. Важно подчеркнуть, что синхронизация между гиппокампом и неокортексом нарушалась в большей степени у старых животных, что коррелирует с ухудшением когнитивной деятельности в старческом возрасте.

Снижение корреляции ЭЭГ между гиппокампом и фронтальной корой сопровождалось нарушением пространственного обучения у взрослых животных. У старых крыс коэффициент кросскорреляции снизился гораздо сильнее, чем у взрослых животных. Такие изменения воспроизводят клиническую картину, наблюдаемую при БА, и могут служить основой для разработки экспериментальной модели деменции альцгеймеровского типа. Нарушение функциональной связи между этими структурами и подавление гиппокампального θ-ритма могут лежать в основе нарушения когнитивных процессов при болезни Альцгеймера.