Допаминовая гипотеза шизофрении (дофаминовая гипотеза шизофрении)

Перевод текста The Dopamine Hypothesis of Schizophrenia.

Допаминовая гипотеза шизофрении (либо Дофаминовая гипотеза шизофрении). Автор текста - Анисса Аби-Даргхам.

(кросс-пост из моего основного блога в ЖЖ; копия в блоге neuroscience.ru: дофаминовая гипотеза шизофрении)

Введение и история вопроса.

Среди гипотез развития шизофрении старейшей и наиболее признанной является допаминовая (Dopamine, DA) гипотеза. Она возникла благодаря клиническим наблюдениям и была эмпирически подтверждена действенностью антипсихотиков и более непосредственными исследованиями по визуализации. Хотя очевидна неспособность гипотезы полностью объяснить столь сложное заболевание, она напрямую связана с симптоматикой и терапией. Здесь мы дадим исторический обзор данной гипотезы и многосторонних свидетельств, говорящих о наличии изменений допаминовой системы при шизофрении.

Первая формулировка DA-гипотезы представляла болезнь результатом гиперактивной DA-трансмиссии (Rossum, 1966). Такой вывод был сделан на основании ранних наблюдений, показавших, что психостимуляторы активируют допаминовые рецепторы, нерезерпиновые нейролептики являются антагонистами допамина, а сам допамин играет важную роль в экстрапирамидальной моторной системе. Большая часть концептуальных свидетельств была представлена в ключевой публикации Арвида Карлссона, в которой говорилось о присутствии допамина в мозге и о влиянии нейролептиков на индексы моноаминов (Calrsson and Lindqvist, 1963).

Дополнительными аргументами в поддержку классической допаминовой гипотезы стало открытие корреляции дозировки антипсихотических средств с их способностью блокировать DA D2 рецепторы, а также открытие психотогенического действия препаратов, активирующих DA-систему (обзор представлен в Angrist and van Kammen, 1984; Lieberman et al., 1987a). Учитывая то, что DA-терминали и D2 рецепторы преимущественно располагаются в субкортикальных зонах, таких как стриатум и nucleus accumbens, развитие классической DA-гипотезы шизофрении сфокусировалось на субкортикальных зонах.

С годами росло понимание важности устойчивых негативных симптомов (сглаживание аффекта, апатия, бедность речи, ангедония, уход из общества) и когнитивных симптомов (дефициты внимания, рабочей памяти, исполнительных функций), свойственных болезни, а также признание того, что эти симптомы плохо поддаются лечению D2-антагонистами; это заставило изменить классическую формулировку DA-гипотезы. Функциональная визуализация мозга показала, что указанные симптомы могут возникать вследствие изменений в работе префронтальной коры (PFC; обзор в работе Knable and Weinberger, 1997). Появилось множество предклинических исследований, свидетельствующих о важности DA-трансмиссии, осуществляемой D1-рецепторами (основными допаминовыми рецепторами неокортекса) в префронтальной коре, для оптимального функционирования PFC (обзор см. в Goldman-Rakic et al., 2000). Взятые в совокупности, эти наблюдения породили гипотезу о том, что дефицит DA-трансмиссии в D1-рецепторах PFC может быть частью механизма, приводящего к когнитивным нарушениям и негативным симптомам шизофрении (Davis et al., 1991; Weinberger, 1987), в то время как избыток DA-трансмиссии может быть связан лишь с центральными, или «позитивными», симптомами (галлюцинации, бред).

Результатом стала новая доминирующая гипотеза: существует дисбаланс DA, выражающийся в гиперактивации субкортикальных мезолимбических проекций (что ведет к гиперстимуляции D2-рецепторов и позитивным симптомам), сопровождающейся гипоактивностью мезокортикальных DA-проекций к PFC (это приводит к гипостимуляции D1-рецепторов, негативным симптомам и когнитивным нарушениям). К тому же мысль о подобном взаимоотношении двух систем возникла в результате ранних наблюдений Пикока и коллег (Pycock et al., 1980; обзор в Tzschentke, 2001). Во многих публикациях высказывается предположение об ингибиторном влиянии префронтальной DA-активности на субкортикальную DA-активность (Deutch et al., 1990; Karreman and Moghaddam, 1996; Kolachana et al., 1995; Wilkinson, 1997). На основании этих наблюдений, Вайнбергер (Weinberger, 1987) предположил, что два плеча в модели DA-дисбаланса должны быть связаны, и недостаток мезокортикальной DA-функции должен приводить к потере ингибиторного контроля над мезолимбической DA-активностью. Нами составлен обзор свидетельств, говорящих о DA-изменениях при шизофрении – данные получены в результате фармакологических исследований, посмертного анализа, визуализации.

1. Фармакологические свидетельства.

1.1. Пропсихотические эффекты фармпрепаратов.

Психотогенные эффекты амфетамина и других DA-активаторов, таких как метилфенидат и L-DOPA, лежат в основе классической DA-гипотезы шизофрении. Уместным будет рассказать о наблюдениях двух типов.

1.1.1. Последовательное потребление высоких доз психостимуляторов здоровыми людьми постепенно приводит к параноидному психозу.

Возможность наступления психоза в результате хронического приема амфетамина была впервые признана в монографии Koннела (Connel, 1958), включавшей описания 42 случаев; первое же упоминание датируется 1938 годом (Young and Scoville, 1938).

В начале семидесятых годов в ходе нескольких исследований метамфетаминовый психоз был исскусственно вызван у добровольцев, не страдавших шизофренией, в целях лучшей документации клинической картины данного синдрома (Angrist and Gershon, 1970; Bell, 1973; Griffith et al., 1968). Эти эксперименты послужили формальным подтверждением того, что последовательное воздействие психостимуляторов может вызывать параноидальный психоз у здоровых лиц в контексте чистого сенсориума (ненарушенных сенсорных и перцептивных способностей). Так как исследования проводились еще до концептуального разделения симптомов шизофрении на позитивные и негативные (Crow, 1980), в их описаниях нет формальной оценки негативной симптоматики. Приводятся лишь обрывочные упоминания эмоциональной тупости, ухода в себя, алогии, что говорит о том, что последовательная и чрезмерная стимуляция DA-систем не приводит к превалированию симптомов, определяемых сейчас как «негативные».

Эллинвуд (Ellinwood, 1967, 1973) описал амфетаминовый психоз как континуум, развивающийся от стимуляции интерпретативной умственной активности к усилению остроты восприятия, реверсии и проекции на других (перзекуции), и затем к паранойе и возникновению идей отношения. «Усиление сенсорной остроты» развивается в галлюцинации, первоначально слуховые, затем визуальные и тактильные. Сенсориум остается чистым до тех пор, пока не наступает стадия токсичного делирия. Нарушения мышления манифестируют ближе к концу континуума, его токсической стадии.

Другое важное качество психостимуляторов – их способность вызывать реверсивную толерантность или «сенситизацию» (Kalivas et al., 1993; Robinson and Becker, 1986). Долгосрочная сенситизация к психостимуляторам – процесс, при котором их последовательное употребление приводит к усилению реакции на последующий прием. Данный процесс может иметь отношение к патофизиологии шизофрении (Laruelle, 2000b; Lieberman et al., 1997). Лица, злоупотреблявшие психостимуляторами и пережившие эпизоды индуцированного психоза, как сообщается, сохраняют впоследствии уязвимость перед низкими дозами психостимуляторов (Connell, 1958; Ellinwood et al., 1973; Sato et al., 1983). Прием психостимуляторов в дозах, не вызывающих психотической симптоматики, приводят у них к возвращению симптомов. Повышенная уязвимость к психотогеническим эффектам психостимуляторов роднит их с больными шизофренией, что породило теорию об ассоциации шизофрении с «эндогенным» процессом сенситизации (Glenthoj and Hemmingsen, 1997; Laruelle, 2000b; Lieberman et al., 1990).

Значительные исследовательские усилия были направлены на идентификацию нейрональных субстратов, связанных с сенситизацией. Несколько исследований показали, что сенситизация ассоциирована с усилением вызываемого стимулятором выброса DA в терминальных полях аксонов (ссылки приведены в Laruelle, 2000b). Недавнее нейровизуальное исследование подтвердило, что у людей процесс сенситизации к эффектам амфетамина включает повышение амфетамин-вызываемого выброса допамина (Boileau et al., 2003). Ниже дан обзор нейровизуализационных исследований, демонстрирующих усиленный выброс допамина у больных шизофренией в ответ на амфетамин; это подкрепляет идею эндогенного процесса сенситизации в субкортикальной DA-системе при шизофрении.

1.1.2. Малые дозы психостимуляторов, не приводящие к психозам у здоровых лиц, вызывают или ухудшают психотические симптомы у пациентов с шизофренией.

В ряде публикаций, цитируемых в обзоре Либермана et al. (Lieberman et al., 1987b) говорится о том, что в целом когорта пациентов, больных шизофренией, отличается повышенной чувствительностью к психотогенному эффекту от резкого применения больших доз психостимуляторов. Другими словами, у некоторых, но не у всех больных шизофренией начинаются либо усиливаются психотические симптомы при резком применении психостимуляторов в дозах, не вызывающих психоза у здоровых субъектов. Судя по всему, реакция зависит от состояния больного. Во-первых, у пациентов, демонстрирующих психотическую реакцию на психостимуляторы во время острого эпизода болезни, во время ремиссии подобной реакции не наблюдалось. Во-вторых, склонность к психотической реакции в ответ на прием психостимуляторов является предиктором рецидивов в случае отмены антипсихотиков. Таким образом, может происходить демаскировка активной фазы заболевания, которое сложно идентифицировать по клиническим симптомам в отсутствие психостимулятора.

1.2. Фармакологическое терапевтическое действие антиспихотиков. Антагонизм либо функциональный антагонизм к рецептору D2 – единственное фармакологическое свойство, объединяющее антипсихотические средства.

С момента открытия антипсихотических свойств хлорпромазина (Delay et al., 1952) в 1952 году, антипсихотические медикаменты фундаментальным образом изменили характер течения болезни и ее прогноз, снизив тяжесть симптомов шизофрении и помогая предотвратить рецидивы. Положительный эффект от лекарств фундаментальным образом зависит от их антагонизма к D2-рецепторам, что подтверждается следующими наблюдениями:

1.2.1. Все антипсихотики связываются с D2-рецепторами.

То, что антипсихотические средства занимают рецептор D2, было подтверждено большим количеством нейровизуализационных исследований (обзор в Talbot and Laruelle, 2002). В ходе двух исследований, выполненных с применением низких доз относительно эффективных D2-антагонистов (галоперидол и раклоприд), было определено, что для быстрой клинической реакции препарат должен занять минимум 50% рецепторов (Kapur et al., 2000; Nordstrom et al., 1993). Нейровизуализационные исследования раз за разом подтверждают существование порога блокады стриатальных D2-рецепторов (около 80%), при превышении которого могут развиться экстрапирамидные симптомы (EPS; Farde et al., 1992). В совокупности эти данные говорят о существовании терапевтического окна в диапазоне между 50% и 80%-ной занятностью стриатальных D2-рецепторов. В рамках этого окна, отношение между занятостью рецепторов и реакцией неясно, предположительно из-за вариаций концентрации эндогенного допамина (Frankle et al., 2004).

1.2.2. Аффинность к D2-рецепторам – необходимое и достаточное условие для антипсихотического эффекта.

Появление антипсихотиков второго поколения (second-generation antipsychotics, SGA) в начале 1990-х не снизило важность блокады D2-рецептора в современной терапии шизофрении. Большинство SGA потентно взаимодействуют с другими рецепторами, такими как серотониновые 5HT2A, но возможность достижения «атипичного» профиля действия исключительно антагонизмом к D2, например, при использовании амисульприда, говорит о том, что серотонинергические эффекты не обязательны.

С другой стороны, обобщенная информация нейровизуализационных исследований говорит о том, что SGA в терапевтических дозах оккупируют меньшее количество рецепторов по сравнению с антипсихотиками первого поколения (FGA). Судя по всему, это качество наиболее выражено у амисульприда, клозапина и кветиапина. Они занимают 50%-60% рецепторов D2 в клинически эффективных дозах (обзор и ссылки приведены в Abi-Dargham and Laruelle, 2005). Исследования же FGA, напротив, говорят о блокировке, превышающей 75%. Выбирая самую простую гипотезу, можно объяснить превосходство SGA тем, что в общем клинические результаты, получаемые при умеренной занятости рецепторов (50%-75%), лучше результатов, достигаемых высокой занятостью (75%-100%), и что ряд причин обусловливает пониженную оккупацию рецепторов антипсихотиками второго поколения. Можно предположить альтернативную гипотезу – терапевтически необходимая занятость рецепторов D2 у SGA ниже, чем у FGA. Если альтернативная гипотеза окажется верной, то механизм, ответственный за повышенное соотношение оккупантности/эффективности у SGA, еще только предстоит распутать до конца. Стоит отметить, что эта гипотеза не подтверждается недавними данными исследования CATIE, говорящими об эквивалентной эффективности обоих классов лекарств.

Потенциально важный синергетический эффект антагонизма к рецепторам 5HT2A и D2 заключается в увеличении префронтального уровня DA. Он не наблюдается при отдельном использовании селективных антагонистов D2 либо 5HT2A (Gessa et al., 2000; Ichikawa et al., 2001; Melis et al., 1999; Pehek and Yamamoto, 1994; Youngren et al., 1999). Возможно, этот эффект опосредован стимуляцией рецепторов 5HT1A, так как он пропадает при использовании антагонистов 5HT1A и воспроизводится сочетанием агонистов 5HT1A с антагонистами D2 (Ichikawa et al., 2001; Rollema et al., 2000). Как будет обсуждено ниже, сниженная функция DA в префронтальном кортексе вносит вклад в когнитивные дефициты при шизофрении, и, возможно, увеличение префронтальной концентрации DA, вызываемое SGA, является одной из причин умеренных когнитивных улучшений, вызываемых этими препаратами (Keefe et al., 1999). В то же время неясно, насколько это усиление префронтальной DA-активности, задокументированное у животных при остром применении лекарства, может свидетельствовать о подобном долгосрочном эффекте у больных шизофренией.

2. Посмертные исследования.

Открытие антипсихотического действия блокады D2-рецепторов спровоцировало волну посмертных исследований связанных с шизофренией допаминергических параметров.

Содержание DA и его метаболитов в тканях. Некоторые исследования тканей на содержание DA и его метаболитов (например, гомованилиновой кислоты) показали повышение уровней DA в экземплярах тканей из субкортикальных зон, таких как хвостатое ядро (Owen et al., 1978), прилежащее ядро (Mackay et al., 1982), и миндалевидное тело (Reynolds, 1983). Однако устойчивых и воспроизводимых данных по нарушениям не было получено (см. обзор в Davis et al., 1991; Reynolds, 1989).

D2 рецепторы. Устойчивой находкой, обнаруживаемой в большом количестве посмертных исследований, является факт увеличения плотности стриатальных D2-рецепторов у пациентов с шизофренией (Cross et al., 1983; Dean et al., 1997; Hess et al., 1987; Joyce et al., 1988; Knable et al., 1994; Lahti et al., 1996a ; Lee et al., 1978; Mackay et al., 1982; Marzella and Copolov, 1997; Mita et al., 1986; Owen et al., 1978; Reynolds et al., 1987; Ruiz et al., 1992; Seeman et al., 1987; Seeman et al., 1993; Seeman et al., 1984; Sumiyoshi et al., 1995). Поскольку хронический прием нейролептиков увеличивает плотность D2-рецепторов (Burt et al., 1977), есть вероятность того, что эти посмертные наблюдения связаны не с самим процессом болезни, а с приемом лекарств. В свете этих признанных результатов, при которых для связывания с D2-рецепторами использовался D2/3 радиотрейсер [3H]spiperone, интересно отметить то, что при использовании другого D2/3 радиотрейсера, [3H]raclopride, во многих случаях также отмечалось увеличение связывания (Dean et al., 1997; Marzella et al., 1997; Ruiz et al., 1992; Sumiyoshi et al., 1995), однако в нескольких исследованиях уровни связывания были нормальными (Knable et al., 1994; Lahti et al., 1996b; Seeman et al., 1993), даже у пациентов, принимавших нейролептики до самой смерти. Это наблюдение говорит о меньшем диапазоне усиления связывания [3H]raclopride по сравнению со связыванием [3H]spiperone. Противоречивые результаты также могут попросту отражать наблюдение о том, что, по неизвестным пока причинам, антипсихотики в большей степени усиливают силу связывания D2-рецепторов к [3H]spiperone по сравнению с [3H]raclopride (Schoots et al., 1995; Tarazi et al., 1997).

D3-рецепторы. Значительное увеличение количества D3-рецепторов в вентральном стриатуме (VST) у больных шизофренией, не принимавших нейролептики на момент смерти, было отмечено в одной публикации (Gurevich et al., 1997). И напротив, у пациентов, получавших антипсихотики до момента смерти, не было отмечено значительного отличия от здоровых людей в уровнях D3-рецепторов (Gurevich et al., 1997). Интерпретация этих данных такова – у пациентов, имеющих в отсутствие терапии повышенную плотность D3-рецепторов в VST, антипсихотики снижают их количество. Экспрессия гена D3 контролируется нейтотрофином BDNF, синтезируемым в VTA либо в префронтальном кортексе и выделяемым в VST, где он поддерживает экспрессию рецепторов этого типа (Gullin et al., 2001). В различных исследованиях у больных было обнаружено как повышение (Takahashi et al., 2000) , так и снижение (Hashimoto et al., 2005; Weickert et al., 2003) уровней BDNF, так что роль BDNF при шизофрении пока не складывается в непротиворечивую историю.

D4-рецепторы. В нескольких исследованиях с использованием методов вычитания лигандов было подсчитано, что у больных шизофренией количество D4-подобных рецепторов повышено (Marzella and Copolov, 1997; Murray et al., 1995; Sumiyoshi et al., 1995). Эти находки не были подтверждены в других исследованиях с использованием тех же методов (Lahti et al., 1996b; Reynolds and Mason, 1994), не подтвердились они и при использовании [3H]NGD 94-1, селективного D4-лиганда (Lahti et al., 1998). Более того, гипотеза о том, что действие клозапина связано с блокировкой D4-рецепторов, не нашло поддержки в клинических исследованиях D4-антагонистов (Kramer et al., 1997).

D1-рецепторы. Исследования D1-рецепторов в общем показывают отсутствие изменений при шизофрении (Joyce et al., 1988; Pimoule et al., 1985; Reynolds and Czudek, 1988; Seeman et al., 1987), хотя в одной работе сообщалось о сниженной плотности (Hess et al., 1987). В префронтальном кортексе, согласно одному исследованию, изменений нет (Laruelle et al., 1990), и еще в одном сообщается о незначительном повышении количества (Knable et al., 1996). Посмертный анализ белков, связанных с D1-трансмиссией, показал повышение концентрации кальциона в префронтальном кортексе, и эта находка на данный момент реплицирована в различных исследованиях (Bai et al., 2004; Koh et al., 2003; Lidow et al., 2001).

DA-транспортеры (DAT). В большом количестве работ отмечена нормальная концентрация DA-транспортеров в стриатуме больных (Chinaglia et al., 1992; Czudek and Reynolds, 1989; Hirai et al., 1988; Joyce et al., 1988; Knable et al., 1994; Pearce et al., 1990).

Иммунная детекция (immunolabeling) тирозингидроксилазы (Tyrosine Hydroxylase, TH). Недавняя интересная находка в посмертном исследовании DA-параметров у больных шизофренией заключается в снижении количества TH-меченых аксонов в 3 и 6 слоях энторинального кортекса (EC) и в 6 слое префронтального кортекса (PFC), что говорит о возможной ассоциации болезни с дефицитом DA-трансмиссии в EC и PFC (Akil et al., 2000; Akil et al., 1999). Эта находка определенно не связана с воздействием нейролептиков в предсмертном периоде. Benes et al. (1997) не отметили значительных изменений в количестве TH-позитивных варикозов в DLPFC. В районе передней части коры височной извилины (слой 2) авторы наблюдали значительное смещение в распределении TH-варикозов – от крупных к мелким нейронам.

В заключение стоит привести ряд устойчивых наблюдений в стриатуме больных, получаемых при посмертном измерении индексов DA-трансмиссии: 1. Связывание радиолигандов с D2-подобными рецепторами в стриатуме пациентов усилено, но степень усиления варьирует в зависимости от типа радиолиганда, и влияние прижизненного воздействия антипсихотиков в исследованных когортах трудно исключить; 2. Плотность DAT и рецепторов D1 в стриатуме при шизофрении не изменена. Несколько интересных наблюдений, таких как увеличение количества рецепторов D3 в вентральном стриатуме и измененный характер TH-иммунноокрашивания в нескольких кортикальных зонах, судя по всему, не являются следствием действия антипсихотиков в предсмертном периоде, однако данные находки еще не получили независимого подтверждения.

3. Исследования по визуализации.

3.1. DA-функция в стриатуме.
Развитие PET- и SPECT-методов визуализации в конце 1980-х годов дали возможность впервые вживую исследовать DA-функцию у пациентов с шизофренией, еще не подвергавшихся антипсихотической лекарственной терапии.

Таблица 1. Визуализационные исследования параметров стриатальных D2-рецепторов у пациентов с шизофренией, не употребляющих лекарства.

Стриатальные D2- и D1-рецепторы. Плотность расположения D2-рецепторов при шизофрении была многократно исследована методами PET и SPECT. В недавнем мета-анализе (Weinberger and Laruelle, 2001) были обьединены данные 17 визуализационных исследований, сравнивающих параметры D2-рецепторов у пациентов с шизофренией (всего исследовано 245 пациентов и 231 здоровый человек; см. Таблицу 1) (Abi-Dargham et al., 1998; Abi-Dargham et al., 2000; Blin et al., 1989; Breier et al., 1997; Crawley et al., 1986; Hietala et al., 1994; Knable et al., 1997; Laruelle et al., 1996; Martinot et al., 1990; Martinot et al., 1991; Pilowsky et al., 1994; Wong et al., 1986a ). Мета-анализ данных, при добавлении информации из более свежей работы (Yang et al., 2004), говорит о небольшом (12 процентов) но статистически значительном повышении плотности стриатальных D2-рецепторов у нелеченных пациентов с шизофренией. Не было обнаружено клинических коррелятов повышенных параметров связывания D2-рецепторов. Исследования, проведенные с бутирофенонами (n=7), дают величину эффекта 0.96 ± 1.05, что значительно больше, нежели величина эффекта, наблюдаемая у других лигандов (бензамиды и лизурид, n=11, 0.19 ± 0.25, p = 0.02). Разница может возникать по причине различной склонности данных трейсеров к связыванию с эндогенным DA, а также из-за повышения содержания эндогенного DA при шизофрении (Seeman, 1988; Seeman et al., 1989). Интересно отметить, что факт повышения уровней D2-рецепторов у здоровых монозиготных близнецов больных, в отличие от дизиготных близнецов, породил мысль о том, что увеличение количества D2-рецепторов в хвостатом ядре мозга связано с генетическим риском шизофрении (Hirvonen et al., 2005). Визуализационные исследования D1-рецепторов последовательно опровергают наличие отклонений в доступности D1-рецепторов в стриатуме пациентов с шизофренией (Abi-Dargham et al., 2002; Karlsson et al., 2002; Okubo et al., 1997).

Амфетамин-спровоцированный выброс допамина в стриатуме. Снижение in vivo связывания [11C]raclopride и [123I]IBZM после острого применения амфетамина доказанно считается показателем изменения уровня стимуляции D2-рецепторов вследствие выброса допамина в ответ на амфетамин (Breier et al., 1997; Laruelle et al., 1997b ; Villemagne et al., 1999) (Table 2).

Таблица 2. Визуализационные исследования стриатальных пресинаптических DA-параметров у пациентов, не принимающих лекарств.

Результаты трех исследований (Abi-Dargham et al., 1998; Laruelle et al., 1996; Breier et al., 1997) показали, что амфетамин-вызванное снижение связывания [11C]raclopride и [123I]IBZM проявляется сильнее у нелеченных пациентов с шизофренией по сравнению с хорошо подобранными контрольными субъектами. Клиническое значение такой дерегуляции (Laruelle et al., 1999) сводится к следующему: усиление допаминового ответа связано с транзиентной индукцией либо ухудшением позитивных симптомов; оно наблюдается как у пациентов первого эпизода, никогда не леченных, так и у пациентов, получавших терапию; на момент сканирования оно более выражено у пациентов, переживающих эпизод усугубления заболевания, нежели у пациентов в ремиссии; и оно, судя по всему, не является неспецифическим эффектом стресса, ввиду отсутствия ассоциации между повышенной высказываемой тревожностью пациента перед прохождением эксперимента и повышенным эффектом действия амфетамина на связывание [123I]IBZM. Более того, у непсихотических субъектов с униполярной депрессией, чей докладываемый уровень тревоги перед сканированием был схож с уровнем больных шизофренией, было отмечено нормальное амфетамин-вызванное вытеснение [123I]IBZM (Parsey et al., 2001).

Общепринятая интерпретация данных находок предполагает повыщение синаптического количества допамина после приема амфетамина в группе больных шизофренией. В качестве иной интерпретации этих наблюдений можно предположить, что заболевание шизофренией ассоциируется с повышением аффинности D2-рецепторов к допамину.

DAT-транспортеры. Результаты трех визуализационных исследований (приведены в таблице 2) подтвердили выводы in vitro наблюдений, говорящих о нормальной плотности DAT при шизофрении (Laakso et al., 2000; Laruelle et al., 2000). Вдобавок не было обнаружено ассоциации амфетамин-вызванного высвобождения DA с плотностью DAT (Laruelle et al., 2000). Это дает основание предположить, что описанное выше повышение пресинаптического выброса не вызывается увеличением плотности терминалей.

Везикулярный транспортер моноаминов. Используя радиотрейсер [11C]DTBZ, Тейлор и коллеги (2000) не смогли продемонстрировать какое-либо отличие потенциала связывания везикулярного транспортера моноаминов у больных шизофренией от этого показателя у здоровых субъектов.

Базовая занятость стриатальных D2-рецепторов допамином. У грызунов острое сокращение синаптической концентрации допамина ассоциируется с острым увеличением силы связывания [11C]raclopride или [123I]IBZM с D2-рецепторами (см. обзор в Laruelle, 2000a). Усиление связывания наблюдается in vivo, но не in vitro, следовательно, это просиходит не из-за увеличения количества рецепторов (Laruelle et al., 1997a), а по причине изъятия эндогенного допамина и демаскировки D2-рецепторов, до того занятых допамином. Похожая техника острого снижения уровня допамина у людей вкупе с визуализацией D2-рецепторов с использованием αMpT, была разработана для оценки степени занятости D2-рецепторов допамином (Laruelle et al., 1997a). Обнаружилась повышенная по сравнению со здоровыми испытуемыми занятость D2-рецепторов допамином у больных шизофренией пациентов, переживающих эпизод ухудшения болезни. И опять, при условии нормальной аффинности D2-рецепторов к допамину, эти данные согласуются с наблюдениями повышенных синаптических уровней допамина у больных шизофренией. Повышенные синаптические уровни DA у пациентов с шизофренией оказались предикторами хорошей терапевтической реакции, выражавшейся в улучшении наблюдавшихся симптомов после 6-недельной терапии атипичными антипсихотиками. Это наблюдение было реплицировано в нашей лаборатории с использованием PET и [11C]raclopride. Мы отметили, что первоначально наблюдаемое повышение уровня в стриатуме в основном определяется усилением допаминовой трансмиссии на уровне ассоциативного стриатума, и в особенности прекомиссурального хвостатого ядра (precommissural caudate, preDCA), нежели чем на уровне лимбического и сенсоримоторного стриатума. PreDCA является областью стриатума, принимающей большинство кортико-стриатальных проекций из DLPFC (дорсолатеральный префронтальный кортекс; Alexander et al., 1986; Ferry et al., 2000; Hoover and Strick, 1993; Joel and Weiner, 2000; Parent and Hazrati, 1995), неокортикальной области, наиболее сильно связываемой с патофизиологией шизофрении. Информация обрабатывается в preDCA, затем посылается обратно в DLPFC через бледный шар (pars interna)/ черное вещество и вентральные передние ядра таламуса. Таким образом, хотя субкортикальная DA-дерегуляция исторически рассматривалась в качестве возможного последствия дисфунции DLPFC, находки говорят о возможности того, что и изменения субкортикальной DA-трансмиссии, при локализации в preDCA, способны в свою очередь негативно воздействовать на работу DLPFC.

Активность стриатальной допа-декарбоксилазы. Известно о восьми исследованиях уровней допа-декарбоксилазы у больных шизофренией, проведенных с использованием [18F]DOPA или [11C]DOPA (Таблица 2). В шести из них сообщается об увеличенной концентрации DOPA в стриатуме пациентов (Dao-Castellana et al., 1997; Elkashef et al., 2000; Hietala et al., 1999; Hietala et al., 1995; Lindstrom et al., 1999; McGowan et al., 2004; Meyer-Lindenberg et al., 2002; Reith et al., 1994a); в одном говорится об отсутствии изменений (Dao-Castellana et al., 1997); еще в одном – об уменьшении стриатального поглощения (striatal uptake) [18F]DOPA (Elkashef et al., 2000). В трех исследованиях участвовали больные первого эпизода и во всех трех было отмечено увеличение содержания DOPA в стриатуме (Hietala et al., 1999; Hietala et al., 1995; Lindstrom et al., 1999). Интересно упомянуть о недавнем исследовании, обнаружившем связь между слабой префронтальной активацией при выполнении Висконсинского Теста Сортировки Карточек (WCST) и усиленной аккумуляцией [18F]DOPA в стриатуме, вызывая предположение о том, что изменения в работе дорсолатерального префронтального кортекса связаны с усиленной стриатальной DA-активностью при шизофрении (Meyer-Lindenberg et al., 2002). Как у крыс, так и у анестезированных свиней было отмечено повышение активности декарбоксилазы ароматических L-аминокислот (AADC; катализирует образование допамина, серотонина, триптамина из предшественников) in vivo и in vitro после применения антагонистов допамина (Cho et al., 1997; Danielsen et al., 2001; Zhu et al., 1993). И наоборот, острое применение допаминового агониста апоморфина снижает приток 11C-DOPA у обезьян (Torstenson et al., 1998). Данных о наличии подобных эффектов у людей крайне мало. Например, в единственном известном на данный момент широком исследовании, Grunder et al. отметили снижение захвата [18F]DOPA у девяти пациентов с шизофренией после субхронической терапии галоперидолом (Grunder et al., 2003), наводя на предположение о том, что хроническое применение нейролептиков должно снижать активность AADC и, следовательно, снижать синтез допамина. Интересно, что острое применение антипсихотиков увеличивает активность DA-нейронов, в то время как хроническое применение снижает количество спонтанно активных DA-нейронов в черном веществе крыс (); вероятно, этот феномен отражает различное воздействие антипсихотиков на активность AADC в живом мозге.

3.2. Префронтальная DA-функция и шизофрения.

Косвенные свидетельства поддерживают гипотезу о вкладе префронтальной активности DA в нарушение работы префронтальных областей при шизофрении. В преклинических исследованиях задокументирована важность префронтальной DA-функции для когнитивной сферы (см. обзор в Goldman-Rakic, 1994; Goldman-Rakic et al., 2000). Эта важная роль была недавно подтверждена в исследованиях людей: носители "высокоактивной" аллели гена, кодирующего фермент катехол-О-метилтрансферазу (COMT), участвующий в метаболизме допамина, демонстрируют ухудшенные показатели при выполнении различных когнитивных задач по сравнению с носителями аллели, приводящей к сниженной (возможно, опечатка - прим. пер.) концентрации DA в префронтальном кортексе (см обзор в Goldberg and Weinberger, 2004). Клинические исследования предполагают наличие связи сниженной ликворной концентрации гомованилиновой кислоты, отражающей низкую DA-активность в префронтальном кортексе, со снижением показателей в задачах, связанных с состоянием белого вещества (WM, white matter) у больных шизофренией (Kahn et al., 1994; Weinberger et al., 1988). Применение DA-агонистов может положительно модифицировать паттерн префронтальной активации, измеряемый при выполнении данных задач с помощью PET (Daniel et al., 1991; Dolan et al., 1995). Хотя эти наблюдения и согласуются с гипотезой о гиподопаминергическом состоянии в префронтальном кортексе больных шизофренией, они не являются непосредственным свидетельством в ее пользу.

Экстрастриатальные D1-рецепторы. Главным параметром экстрастриатальной DA-трансмиссии, поддающимся в настоящее время неинвазивной оценке in vivo, является доступность D1-рецепторов. За последнее время увидели свет три публикации, посвященные PET-исследованию доступности префронтальных D1-рецепторов у пациентов с шизофренией. Две работы выполнены с использованием [11C]SCH 23390. В первой описывается сниженый потенциал связывания [11C]SCH 23390 в префронтальном кортексе (Okubo et al., 1997), во второй не отмечено никаких отклонений (Karlsson et al., 2002). В третьем исследовании использовался [11C]NNC 112 (Abi-Dargham et al., 2002); было обнаружено повышение потенциала связывания [11C]NNC 112 в DLPFC, и отсутствие изменений в других областях префронтальной коры, таких как медиальный префронтальный кортекс (MPFC) или орбитофронтальный кортекс. Было отмечено, что у больных шизофренией повышенное связывание [11C]NNC 112 в DLPFC служило предиктором низких результатов притестировании рабочей памяти (Abi-Dargham et al., 2002). Множество потенциальных факторов, в том числе гетерогенность пациентов и различия в расположении границ исследуемых областей мозга, могут быть причиной обнаруженных отклонений. Однако тяжесть дефицитов в задачах, вовлекающих WM, ассоциируется как с понижением потенциала связывания [11C]SCH 23390 в PFC (Okubo et al., 1997), так и с повышением потенциала связывания [11C]NNC 112 (Abi-Dargham et al., 2002), следовательно, за обеими отклонениями может крыться общий корневой дефицит. Интересно, что на кортикальные уровни D1-рецепторов, по данным недавнего исследования, воздействует генетическая нагрузка, а также предыдущая антипсихотическая терапия (Hirvonen et al., 2006). У приматов уже было описано снижение уровней D1-рецепторов под воздействием D2-антагонистов (Lidow et al., 1997).

Поскольку превалирует представление об ассоциации шизофрении с дефицитом префронтальной DA-активности, изучение воздействия острого и субхронического истощения допамина на связывание [11C]SCH 23390 и [11C]NNC 112 in vivo в высшей степени подходит для интерпретации этих данных (Guo et al., 2001). Острое истощение DA не изменяет in vivo связывания [11C]NNC 112, но приводит к снижению in vivo связывания [3H]SCH 23390 - парадоксальная реакция, вероятно, связанная с транслокацией D1-рецепторов из цитоплазмы к поверхности клетки (Dumartin et al., 2000; Laruelle, 2000a ; Scott et al., 2002). Напротив, хроническое истощение DA ассоциировано с усилением связывания [11C]NNC 112 in vivo, вероятно отражая компенсаторный рост количества D1-рецепторов. Что интересно, хроническое истощение DA не приводит к усилению in vivo связывания [3H]SCH 23390, вероятно из-за разнонаправленного воздействия роста количества рецепторов и экстернализации на степень связывания данных трейсеров.

Мы отметили недавно неселективность данных трейсеров по отношению к рецепторам D1 и 5HT2A в кортексе обезьян (Ekelund et al., 2006). Эта находка сигнализирует потребность в лучших трейсерах для прогресса исследований кортикальной допаминергической трансмиссии при шизофрении.

В итоге, повышение потенциала связывания [11C]NNC 112 в DLPFC, наблюдаемое при шизофрении, может быть связано с компенсаторным но неэффективным ростом количества D1-рецепторов после истощения DA, и вполне вероятно, что подобный рост невозможно детектировать с помощью [11C]SCH 23390. Для прояснения вопроса требуются исследования с использованием обоих трейсеров в одной группе пациентов. Также нужны более селективные трейсеры для будущих исследований.

Экстрастриальные D2-рецепторы. Ставшие недавно доступными высокоаффинные D2-радиотрейсеры открыли путь сравнительному исследованию D2-рецепторов у больных шизофренией и здоровых испытуемых в областях мозга со сниженной плотностью, таких как черное вещество, таламус и височная кора. Первое исследование с крайне малым количеством испытуемых (7 пациентов и 7 контрольных субъектов) показало билатеральное снижение количества рецепторов в височной коре больных (Tuppurainen et al., 2003). В столь же малочисленном исследовании было отмечено уменьшение связывания трейсера в таламусе; позже эти данные были подтверждены в более многочисленной группе нелеченных пациентов (Talvik et al., 2006; Talvik et al., 2003). Suhara et al. (2002) отметили снижение количества DA D2-рецепторов в передней части коры поясной извилины и в некоторых субрегионах таламуса у пациентов с шизофренией, в то время как Glenthoj обнаружил значительную корреляцию количества фронтальных D2-рецепторов с позитивными симптомами у мужчин, больных шизофренией (Glenthoj et al., 2006). Очевидна необходимость дальнейшего поиска окончательных свидетельств измененной D2-трансмиссии в экстрастриальных областях, но данные по снижению количества рецепторов в таламусе пока что подтверждаются.

Занятость этих рецепторов антипсихотическими лекарствами также изучалась; результаты были разнообразные и их рассмотрение лежит за пределами целей нашего обзора; однако, в недавней работе (Agid et al., 2006) не было обнаружено связи с терапевтическими результатами. Если эта находка подтвердится, можно будет предполагать, что D2-рецепторы за пределами стриатума не играют важной роли в терапии шизофрении. Вообще же это новое поле исследований, и для понимания роли экстрастриальной D2-трансмиссии и экстрастриального допамина при шизофрении требуется больше усилий в данном направлении.

4. Конвергенция DA-гипотезы с другими основными гипотезами развития шизофрении.
То, как свидетельства DA-дерегуляции при шизофрении вписываются в контекст нарушений других трансмиттерных систем, является дополнительным фактором в поддержку этих свидетельств. Особенно стоит отметить гипотезу NMDA-гипофункции. Более конкретно - результаты исследований, показывающих, что гипофункция NMDA рецепторов может приводить к изменениям допаминовой системы, подобных тем, что наблюдаются при шизофрении - субкортикальному избытку DA и повышению количества кортикальных D1-рецепторов (Abi-Dargham and Moore, 2003; Kegeles et al., 2000; Laruelle et al., 2003; Narendran et al., 2005). Еще более свежие исследования показывают, как NMDA-антагонисты вызывают некоторые в ГАМК-нейронах некоторые из изменений, описанных при шизофрении (Lewis and Gonzalez-Burgos, 2006). Подобная конвергенция предполагает, что описываемые при шизофрении дерегуляции основных систем не являются взаимоисключающими. Глутаматергические и ГАМКергические отклонения при шизофрении могут быть взаимосвязаны и вызывать либо ассоциироваться как с неэффективным контролем входящих сигналов в субкортикальную стриатальную допаминовую систему, так и с неэффективной кортико-кортикальной связностью и функционированием этих связей. DA-разбалансировка может являться конечной точкой в каскаде нисходящих событий, точкой, наиболее связанной с симптомами заболевания и их терапией.

Иллюстрация 1. Резюмируя свидетельства об увеличении количества субкортикального допамина.
Стриатальный допаминергический синапс, краткое изложение данных: Свидетельства избытка допамина получены из пре- и постсинаптических исследований. Избыточная допаминовая трансмиссия может повредить NMDA-трансмиссию через D2-опосредованое нарушение высвобождения глутамата и дисбаланс рецепторов D1\D2, оказывающих противоположное воздействие на NMDA-трансмиссию. Ссылки на публикации приведены в тексте и в таблицах.

Заключение.
Визуализация убедительно демонстрирует ассоциацию шизофрении с гиперактивностью субкортикальных D2-рецепторов (см. иллюстрацию). Результаты исследований согласуются с известным механизмом действия сегодняшних антипсихотиков (блокада D2-рецепторов) и с психотогенным эффектом продолжительной стимуляции DA-функций психостимуляторами. Вдобавок эти результаты наводят на мысль об эпизодическом характере DA-гиперактивности субкортикальных систем, следовательно, эта гиперактивность может лишь частично отвечать за проявление позитивных симптомов. С другой стороны, визуализационные и посмертные исследования предполагают вклад гиподопаминергического состояния DLPFC в патофизиологию когнитивных симптомов, хотя на этот счет все еще требуются надежные свидетельства и улучшенная характеризация данных симптомов.

Вопросы, оставшиеся без ответов, касаются экстрастриальной допаминовой трансмиссии, клеточной характеризации избыточной субкортикальной DA-трансмиссии (выброс DA либо увеличение пропорции D2-рецепторов в высокоаффинных состояниях), и отсутствия твердых данных по допаминергической нейропередаче в кортексе. Ответы можно будет дать при появлении более селективных трейсеров, более непосредственных методов измерения кортикальной допаминергической трансмиссии, при использовании трейсеров, являющихся агонистами D1-рецептора либо обладающих чувствительностью к острым флуктуациям допаминового тона в коре.

Комментарий Сёдзи Танака (comment by Shoji Tanaka)

Я весьма признателен доктору Аби-Даргхэм за великолепный обзор текущего состояния дофаминовой гипотезы шизофрении. Хотя в нём затронуты многие важные вопросы, мне хотелось бы дополнить его новым взглядом на дофаминергическую модуляцию активности в префронтальной коре (PFC) и ее роль при шизофрении. Это взгляд с позиций сетевой динамики (circuit dynamics).

Как сказано в обзоре, пока не выяснено до конца отношение кортикальной дофаминергической нейротрансмиссии и симптомов шизофрении, хотя многие исследования говорят о возможной гиподофаминергической сигнальной активности в PFC, ассоциируемой с когнитивными и негативными симптомами. Так называемая колоколообразная (inverted-U) кривая, описывающая зависимость эффективности рабочей памяти от активации рецептора D1, иллюстрирует то, как при отклонении уровня дофамина в префронтальной коре от оптимума происходит снижение когнитивных функций (Goldman-Rakic et al., 2000). Однако результаты недавнего компьютерного моделирования предполагают, что сеть префронтальной коры не всегда стабильно придерживается этой кривой (Tanaka, 2006).
 
Стабильность префронтальной сети зависит от дофаминергического тона в префронтальной коре и может быть более тесно связана с шизофренией, нежели собственно дофаминергическая нейротрансмиссия. Замкнутый контур префронто-мезопрефронтальной системы (Frankle et al., 2006; Sesack and Carr, 2002) может служить "регулятором" активности префронтальной коры, связанной с рабочей памятью, при условии стабильности системы (Tanaka, 2006). Условный анализ стабильности (?conventional stability analysis) показывает, что замкнутый контур действительно стабилен, если уровень дофамина находится вблизи оптимальной точки либо выше (Tanaka, 2006). При гиподофаминергических условиях, напротив, система дестабилизируется и перестаёт служить регулятором активности префронтальной коры. Причина в том, что коэффициент усиления замкнутой цепи (closed-loop gain) в системе варьирует вслед за уровнем дофамина в префронтальной коре, и при снижении кортикального уровня дофамина происходит переключение системы с отрицательной на положительную обратную связь. Такая дерегуляция активности префронтальной коры и будет отвечать за когнитивные нарушения при шизофрении.

Из-за нестабильности в сети префронтального кортекса, повышение выброса дофамина в кору приведет к "катастрофическому скачку" её активности с крайне низкого до высокого уровня (Tanaka, 2006). И, если шизофрении действительно свойственно гиподофаминергическое состояние коры, как описано доктором Аби-Даргхам, это может привести к чрезмерной активации префронтальной коры пациентов при использовании рабочей памяти. В этом может заключаться одна из причин непредсказуемого на первый взгляд характера активации префронтального кортекса у больных шизофренией, что наблюдается при фМРТ-исследованиях (Callicott et al., 2003; Manoach, 2003). Из-за нестабильности сетей, флуктуирующая активность префронтальной коры должна быть свойственна шизофрении, и вероятно, это отразится на нашем понимании природы заболевания. Хотя очевидно необходимы дальнейшие исследования, изучение механизмов шизофрении потребует скорее динамического, нежели статического, подхода.

Интервью Дэвида Льюиса сайту schizophreniaforum.org

SRF Interviews David Lewis—Posted 7 April 2006 Interviewed by Gabrielle Strobel

Интервью Дэвида Льюиса (David Lewis), данное сайту «Форум Исследований Шизофрении» 7 апреля 2006 года.
Интервьюер - Габриэль Стробел (Gabrielle Strobel)

В сфере нейрофизиологии еще не преодолена пропасть между уровнем системных исследований нейронной функции и уровнем молекулярно-генетических исследований, которые стали возможны с появлением мышиных моделей. Пытаясь объединить эти столь различные аналитические уровни с помощью разнообразных подходов, Дэвид Льюис уже оставил заметный след в науке. Его работа положила начало гипотезе, описывающей процесс того, как нарушения на молекулярном уровне - имеется в виду нейротрофинная передача сигналов - переходят на уровень клеточный - здесь нарушения касаются определенных типов ингибиторных префронтальных нейронов - и приводят к отклонениям в сетевых характеристиках, необходимых для функционирования рабочей памяти - а рабочая память является одним из когнитивных доменов, затрагиваемых шизофренией. И хотя здесь нет прямой связи, не говоря уж о строгом доказательстве того, что эти факты действительно объясняют часть механизма шизофрении, исследования Льюиса обрели популярность – ведь это убедительная попытка подойти к изучению болезни, сочетая современные и классические методы.

«Меня попросили рассказать немного о себе и о том, что привело меня к карьере исследователя. Несколько поколений нашей семьи поддерживали тесную связь, и я, как самый младший, на семейных сборищах часто был предоставлен сам себе, ведь остальные дети были старше. Но тетя, которая была не замужем и жила с моей бабушкой, всегда готова была проводить время со мной. Она играла для меня на укулеле и благодаря ей я считал себя лучшим в мире мастером по покеру, ведь после наших партий я всегда уносил домой больше монет, чем приносил с собой. Но несмотря на свой малый возраст я замечал, что тетя Джесси порой пропадала. Проходили недели или месяцы, и она возвращалась, заметно изменившись. Я не понимал, в чем дело, но постепенно ей становилось лучше, мы продолжали общаться, и так до очередного раза.» (цитата из речи Дэвида Льюиса на церемонии вручения приза Либера за исследования в области шизофрении. Текст взят из NARSAD Research Newsletter, том 17, выпуск 3, осень 2005 г.).

Вопрос от Форума Исследователей Шизофрении (SRF): Какой гипотезой задается направление работы вашей лаборатории? Скажите о своем представлении, хотя бы временном, о том, каковы этапы, ведущие к развитию шизофрении?

Дэвид Льюис (DL): Рассмотрим шизофрению с общих позиций, как заболевание мозга. Я опишу эту перспективу в терминах одной модели, схематическое изображение которой приведено в первой иллюстрации к моему недавнему интервью. (Lewis et al, 2005). Для начала, общий обзор и определения. Стандартный, отработанный подход к моделированию процесса болезни может послужить стратегией для изучения шизофрении. Концептуально, модель предполагает наличие комплекса причин: полигенное наследование при неблагоприятном воздействии внешней среды запускает патогенетические механизмы, и в итоге мы имеем патологическую конструкцию. Это набор отклонений, изменяющих функционирование мозга настолько, что его патофизиология в совокупности выражается внешне в свойствах, которые мы именуем клиническим синдромом. Понимание этого процесса критично с клинической точки зрения, потому что ключом к разработке рациональной терапии является знание патофизиологии. Когда мы лечим, мы пытаемся повернуть вспять функциональные нарушения в мозге, вызывающие клинический синдром. Опять же, понимание патогенеза важно для создания вторичных превентивных методов - когда мы хотим прервать цепочку, ведущую от базовых причин к появлению нарушений в мозге. Первичное предотвращение патологии маловероятно, учитывая всю сложность генетических причин болезни.

Традиционной отправной точкой в изучении болезней мозга служит корреляция клинических проявлений и патологических находок. Болезнь Альцгеймера, например, с самого начала имела подобную связь. Алоис Альцгеймер ухаживал за Августой Д., страдавшей от прогрессирующей деменции. Когда она скончалась, он обнаружил в тканях ее мозга клубочки и бляшки и связал клинические симптомы деменции с данной патологической находкой. После этого прогресс застопорился лет на 70, пока в 1980-х годах Джордж Гленнер не обнаружил в амилоидных бляшках пептид, состоящий из 14 аминокислот. Находка Гленнера положила начало поразительным исследованиям, которые длятся уже 20 лет.

Исторически, существует интересная связь шизофрении с болезнью Альцгеймера, ведь Альгеймер работал с Эмилем Крепелиным. Незадолго до открытия Альцгеймера, Крепелин сформулировал свой взгляд на деменцию прекокс как отдельное заболевание, но вывод этот был сделан исключительно на основании клинических проявлений. Он не знал ничего о корреляции клинических проявлений и патологии мозга, и даже сегодня мы не можем провести стойкую связь между этими признаками. Поэтому в основу нашей стратегии мы положили вопрос – возможно ли извлечь из многопланового шизофренического синдрома один ключевой элемент и постараться обнаружить связанную с ним патологию? (Я подчеркиваю два слова: «ключевой», то есть важнейший, и «один», то есть не единственный. Нам нужно сфокусировать усилия на специфическом аспекте клинического фенотипа, но избежать излишнего редукционизма.) Обнаружив корреляцию, можно приступить к распутыванию других аспектов болезненного процесса, снабжая информацией разработчиков новых стратегий лечения.

Такова общая картина. Двадцать лет назад я заинтересовался данными о том, что при шизофрении специфически нарушаются исполнительные процессы (executive processes), к которым относится и рабочая память, и что эти нарушения ассоциируются с дисфункцией дорсолатерального префронтального кортекса. Возник вопрос – что не в порядке в этой части мозга и что может вызывать эти нарушения. Первой приходит на ум самая простая гипотеза: в нейронных цепях или функциональной архитектуре должны быть различимые нарушения, ведущие к дисфункции исполнительных процессов и рабочей памяти.

SRF: Говоря проще, ученые делят внешнюю симптоматику на части и преследуют каждую цель по отдельности – разбивая одну большую проблему на несколько малых. Учитывая это, будет ли у нас когда либо схема, состоящая из одного-двух основных путей развития шизофрении, которые будут и объяснять ее причины, и представлять собой удобные терапевтические мишени? Или картина заболевания останется крайне запутанной с множеством различных аспектов, и ни один из них не будет доминировать?

DL: Гетерогенность шизофрении несомненна как в этиологии, так и в клинических проявлениях. У различных людей болезнь вызывается комбинацией различных причин, и клиническая картина недуга у тех, кому ставится диагноз по совокупности диагностических критериев, также различается. Но все же есть элементы относительно неизменные на всем спектре проявлений болезни, и они могут быть отражением общей глубинной дисфункции. Одним из таких элементов является нарушение когнитивных процессов, связанных с работой префронтальной коры. Это не значит, что данное нарушение свойственно всем, кто вписался в диагностические критерии, но оно встречается настолько часто, что заслуживает рассмотрения и поиска некоей общей биологической патологии, лежащей в его основе. Гипотеза, которую мы развиваем, такова: существует некий «узел» («hub») молекулярных взаимодействий или цепей, находящийся в достаточном удалении от первоначальных причин и довольно близко к клиническим проявлениям, то есть на таком оптимальном месте в цепочке, что его можно было бы выявить у большой части больных. Его мы и ищем. Факт его существования будет говорить о том, что существует набор полезных мишеней для терапевтического воздействия, если на эти мишени можно воздействовать лекарствами. Я имею в виду не окончательное исцеление, и даже не улучшение всех аспектов заболевания, но помощь значительному количеству людей.

SRF: … связанную с улучшением рабочей памяти, так?

DL: Да.

SRF: Давайте поговорим о дорсолатеральном префронтальном кортексе. Ваш сайт содержит описание трансляционной программы исследований - от функциональной анатомии и до будущих методов терапии. Пользуясь им, попробуйте по шагам описать свой подход, кратко суммируя для каждого этапа те ключевые находки, которые уже есть на данный момент. Это заложит основы понимания и даст читателю возможность обратиться к соответствующим страничкам вашего сайта за более подробной информацией. Дайте сначала набросок той архитектуры неокортекса, которая связана с вашими исследованиями. Каковы ключевые игроки?

DL: У каждого на этом поле есть свой любимый игрок, так что я обязательно кого-нибудь обижу своим выбором.

SRF: В этот час говорим только о ваших любимцах. Всех учесть мы сегодня не сможем.

DL: Хорошо. Сетевую архитектуру коры головного мозга можно рассматривать как совокупность трех типов компонентов. Во-первых, это возбуждающие пирамидальные нейроны, которые передают информацию внутри префронтальной коры и из коры в другие области мозга. Во-вторых, несколько классов ГАМК-содержащих нейронов, которые не только обеспечивают тормозной контроль над возбуждающими нейронами, но играют фундаментальную роль в синхронизации нейронной активности в префронтальной коре. Третьим компонентом являются входящие сигналы из внешних областей. Они подразделяются на две категории: возбуждающие входящие сигналы из других областей коры и из таламуса, несущие информацию в префронтальный кортекс, и модулирующие входящие сигналы, регулирующие активность префронтального кортекса. Последние используют в качестве медиаторов дофамин, норадреналин, серотонин и ацетилхолин.

Каждая из этих трех составных частей критически необходима для нормального функционирования префронтальной коры; нельзя ставить вопрос о том, какая из них важнее.

Свидетельства о нарушениях существуют для каждой из перечисленных частей. Критическим для нас является следующий вопрос: существует ли компонент сетевой архитектуры, для которого эти свидетельства основательны и последовательны, и нарушение работы которого убедительно ассоциируется с префронтально-обусловленной когнитивной дисфункцией, наблюдаемой при заболевании?

SRF: Что привело к такому подходу?

DL: Приверженцем этого метода изучения я стал в середине восьмидесятых. Завершив только что клиническую подготовку, я хотел перейти от клинических исследований, которыми тогда занимался, к изучению шизофрении с «более нейробиологической» стороны, но не был уверен, как подойти к этому вопросу. Я услышал речь Дэнни Вайнбергера (Danny Weinberger) на встрече в Американском Колледже Нейропсихофармакологии. Он приводил свидетельства дисфункции префронтальной коры при шизофрении, выявляемой при выполнении когнитивных задач. На другой сессии, покойная ныне Патриция Голдман-Ракич (Patricia Goldman-Rakic) говорила о критической роли допамина в работе префронтальной коры. Эти два выступления пробудили во мне желание понять, как именно выстроен префронтальный кортекс у приматов, ведь его архитектура служит основой для осуществления тех процессов, которые нарушены при шизофрении. По совету и под руководством Флойда Блума, Джона Моррисона, и Стива Фута, а позже Дженни Лунд (Floyd Bloom, John Morrison, Steve Foote, Jenny Lund) я посвятил оставшееся время обучения и, позднее, первые годы работы на факультете, исключительно исследованиям префронтального кортекса животных-приматов, выявляя главные факторы и их связь друг с другом. Этим же занимались многие другие исследователи. Я лишь вносил свою лепту в первоначальную базу исследований, которая впоследствии, при появлении у нас возможности исследовать посмертные образцы человеческого мозга, обеспечила бы легкую идентификацию ключевых систем и способность интерпретировать их нарушения при шизофрении.

SRF: Вторая страница вашего сайта посвящена развитию кортекса. Там представлена интересная история о развитии в детский и юношеский период различных структур мозга. Мы еще не представили их – это нейроны-канделябры, их аксональные картриджи, парвальбуминовые варикозы (parvalbumin varicosities) и т.д. Можете кратко рассказать нам о них?

DL: В литературе, посвященной шизофрении, развивалась мысль о том, что в переходном возрасте должны запускаться некие критические процессы, вызывающие клинические симптомы болезни. Робин Мюррей и Вайнбергер принадлежали к числу ученых, считавших, что типичная для шизофрении манифестация в пубертатный период – одна из черт болезни, причину которой необходимо раскрыть. Ирвин Файнберг в одной своей работе (Feinberg, 1982) приводил аргументы в пользу того, что происходящие в юношеский период изменения мозга могут играть ключевую роль в появлении шизофрении. Существовало два взгляда на проблему. Согласно одному из них, осуществляемая в юношестве тонкая подстройка сетей мозга дает сбой и приводит к шизофрении; согласно другому, происходящие в переходный период процессы лишь обнажают другие нарушения, возникшие во внутриматочном или перинатальном периоде, либо унаследованные генетически. Несмотря на различный подход, приверженцы обоих взглядов сходились на том, что исследование специфики процессов подстройки структур мозга могло бы дать информацию о том, какие именно элементы нарушаются при заболевании. Поэтому мы, продолжая строить карту сетей, существующих в коре мозга взрослых приматов, начали серию исследований для определения того, как меняются сети мозга в пубертатный период. Мы обнаружили несколько интересных изменений в допаминергической иннервации, а также в процессе сокращения количества возбуждающих входов в пирамидальные клетки. Но нас по-настоящему поразили отчетливые изменения распределения различных маркеров клеток-канделябров, и в особенности масштаб этих изменений в пубертатный период, а также скоординированная подстройка (refinement) различных маркеров в образуемых ими синаптических соединениях с пирамидальными клетками.

SRF: Клетки-канделябры – особенный тип клеток. Перед тем, как говорить об изменениях, опишите эти клетки.

DL: Нейроны-канделябры названы так за характерную форму своих аксональных ответвлений. Этот подтип ГАМКергических нейронов коры головного мозга образует входящие синаптические соединения исключительно с начальными сегментами аксонов пирамидальных клеток, рядом с местом генерации потенциала действия. Только клетки-канделябры имеют входной доступ к этому участку, следовательно, они могут осуществлять контроль над выходным сигналом пирамидальных нейронов. Данные, полученные in vivo, показывают, что клетки-канделябры представляют собой тип вето-клетки: они способны предотвращать генерацию импульса пирамидальными нейронами (Klausberger et al., 2003), хотя недавнее in vitro исследование говорит о том, что в некоторых условиях их ГАМКергическое воздействие может быть возбуждающим (Szabadics et al., 2006; see SRF related news story and comment on Szabadics et al., 2006).

SRF: Какие изменения вы наблюдали?

DL: С пресинаптической стороны мы наблюдали снижение уровней двух белков: парвальбумина и GAT1 - протеина, обеспечивающего мембранный транспорт ГАМК. Оба белка вносят вклад в регулировку ГАМКергической нейропередачи. На постсинаптической стороне, мы заметили изменение количества одной субъединицы рецептора ГАМК(А), селективно располагающегося на начальных сегментах аксонов пирамидальных клеток – зоне, получающей входящие сигналы от клеток-канделябров.

SRF: Уровни этих двух пресинаптических маркеров, а также рецептора, резко падают незадолго до периода, который у обезьян соответствует нашему пубертатному периоду. Каково физиологическое значение этого явления? С первого взгляда кажется, что снижение входящей тормозной ГАМКергической нейропередачи в пирамидальные нейроны – нормальное явление при переходе тинэйджера в пубертатный возраст, не так ли? Как этот процесс связан с шизофренией?

DL: Мы все еще работаем над разъяснением функционального значения этих изменений. Наши находки отчетливо говорят о различной природе тормозного контролирующего воздействия на инициальный сегмент аксона в пре- и постпубертатный периоды. Мы можем сделать выводы из того, что мы знаем о функциях молекул, участвующих в этом процессе.

Например, парвальбумин задерживает внутритерминальный кальций, выполняя роль оттока. Белок медленно связывается с кальцием, находящимся в терминали аксона. Обычно в промежутках между аксональными разрядами в терминали остается некоторое количество кальция, и в случае быстрой серии разрядов происходит суммация так называемых кальциевых транзиентов. Накопление кальция усиливает выброс нейромедиаторов, так как выброс зависит от количества кальция в аксональных терминалях. Следовательно, снижая уровень парвальбумина, вы деактивируете кальциевую ловушку, и это позволяет транзиентам суммироваться и увеличивать выброс ГАМК тогда, когда разряды идут сериями. Если рассмотреть изменение уровня парвальбумина в отрыве от других изменений, мы можем сделать вывод, что тормозной контроль над пирамидальными клетками, осуществляемый через начальные сегменты их аксонов, в пубертатном периоде укрепляется, потому что серии разрядов будут усиливать высвобождение ГАМК. Именно так и происходит у нокаутной по парвальбумину мыши – выброс ГАМК усиливается.

Снижение уровня транспортера GAT1 интересно рассмотреть в свете исследований Гари Вестбрука (Gary Westbrook). Он показал, что блокировка транспортеров ГАМК имеет слабый эффект на постсинаптические тормозные потоки – но это в случае с одиночными импульсами. Когда импульсы идут плотными синхронными сериями и высвобождают медиатор одновременно, блокировка транспортера увеличивает продолжительность тормозных постсинаптических потоков. Именно так и происходит в синапсах, образуемых клетками-канделябрами. Так что изменения в уровнях как парвальбумина, так и транспортера ГАМК предположительно приводят к усилению тормозного контроля. А на постсинаптической стороне изменения можно интерпретировать с точностью до наоборот.

SRF: Количество рецепторов ГАМК(А) резко падает.

DL: Да, по крайней мере снижается количество детектируемых нами рецепторов, содержащих субъединицу альфа-2. Вместе с коллегой Джильермо Гонсалес-Бургос (Guillermo Gonzalez-Burgos) мы сейчас используем живые срезы префронтального кортекса обезьян in vitro в попытке понять, какие именно возрастные изменения происходят в этих синапсах на физиологическом уровне. Наш базовый вопрос таков: если простимулировать клетку-канделябр, воздействующую на пирамидальную клетку, и записать показатели этой пирамидальной клетки, какая разница обнаружится между образцами, взятыми у 15-месячной и 45-месячной обезьяны? (Я описываю идеальный эксперимент; в реальности мы используем не столь прямолинейную, но более практичную стратегию). У нас есть методы воздействия на транспортер и постсинаптический рецептор, и мы используем их в попытке оценить вклад вызванных изменений. На данный момент мы можем сказать, что в нормально протекающем пубертатном периоде тормозной контроль в исследуемых нами синапсах претерпевает действительно интересные изменения, но последствия этих изменений еще предстоит выяснить. Наша гипотеза заключается в том, что в сумме эти изменения позволяют клеткам-канделябрам более уверенно дирижировать синхронными разрядами пирамидальных клеток. (Our hypothesis is that the net effect of those changes is to enhance the ability of these chandelier cells to entrain populations of pyramidal cells to fire together.)

SRF: И как, по вашему мнению, этот процесс отличается у подростков с развивающейся шизофренией? Говорит ли совокупность ваших наблюдений в пользу того, что изменения сетевой структуры ведут к шизофрении, или же эти изменения обнажают уже имеющиеся нарушения?

DL: Очень трудно провести эксперимент, который мог бы напрямую ответить на эти вопросы. При исследовании посмертных образцов человеческого мозга перед нами встает серьезная проблема. Если вы держите в руках мозг 20-, 30-, 40-летнего пациента, как вы определите, что случилось с ним в подростковом возрасте? В своих догадках я склоняюсь к тому, что у многих пациентов имеют место оба нарушения, то есть данные нейронные связи имеют изначальные генетически-обусловленные отклонения, и вследствие этого траектория их развития в пубертатный период меняется. Возможно, этому способствуют некоторые внешние факторы, характерные для данного возраста, вроде курения конопли. Мы надеемся, что когда-нибудь сможем проверить последнее на обезьянах.

SRF: Мы коснулись темы клеток-канделябров и их синаптических связей с пирамидальными клетками. Что еще вы обнаружили в своих исследованиях молекулярных цепочек?

DL: Посмертные исследования были начаты по трем направлениям. Первое – определение природы ГАМКергических нарушений, оно проводится совместно с моим коллегой Таканори Хашимото. Второе – определение природы нарушений в возбудительных пирамидальных клетках. За третьим направлением не стоит никакой гипотезы, оно проводится Кароем Мирникс (Karoly Mirnics), Пэт Левит и мной с использованием технологии микроматриц для сбора фактов о болезни. Мы надеемся, что в итоге все три направления сольются в одно, но на данном этапе они идут параллельно и порождают разные идеи и гипотезы. И мы следуем им не потому, что они соответствуют трем различным типам шизофрении, а потому, что они позволяют рассмотреть нарушение системы с разных перспектив.

SRF: Расскажите о наиболее важных достижениях по каждому из этих трех направлений – по ГАМКергическим связям, по возбудительным входящим соединениям и в исследованиях с использованием микроматриц.

DL: ГАМКергические нарушения отмечены в одном подтипе клеток, в то время как большая часть ГАМКергических нейронов выглядят относительно нормально. Нейроны с нарушениями принадлежат к одному типу - это клетки-канделябры. Мы попытались увязать нарушения сетей, формируемых этими клетками, с клинически измеряемыми на ЭЭГ нарушениями синхронной активности, возникающими при выполнении больными задач, нагружающих рабочую память.

SRF: Интересно. Можно поподробнее?

DL: Конечно. Для ГАМКергических нейронов разных подклассов характерно образование взаимосвязей с членами своего же подкласса (за некоторыми исключениями). Существует как минимум пять различных классов ГАМК-нейронов, и нейроны каждого класса соединяются друг с другом посредством как химических, так и электрических синапсов, в некоторых случаях – только посредством электрических. Эти сети нейронов, судя по всему, способны к осцилляции на различных частотах. И эти частоты, вероятно, ассоциированы с различными качествами сети, необходимыми для определенных типов процессов. В случае с парвальбумин-содержащими быстроразрядными нейронами (в число которых входят клетки-канделябры), это осцилляторное поведение лежит в полосе гамма-частот – от 40 до 80 герц. Другие популяции ГАМК-нейронов осциллируют на других частотах.

При попытке связать нарушения в парвальбуминовых нейронах с функциональными нарушениями при шизофрении важно отметить две вещи. Во-первых, исследования Марка Говарда (Mark Howard) и коллег (Howard et. al., 2003) показали, что уровень гамма-активности в префронтальном кортексе повышается пропорционально степени нагрузки рабочей памяти. Гамма-активность остается высокой, пока информация удерживается в рабочей памяти, и падает, как только информация была использована. Если рассматривать рабочую память как способность собрать некоторое количество информации, задержать информацию в уме, затем использовать ее и избавиться от нее, освобождая место для следующего набора данных, то гамма-активность напрямую сопровождает этот процесс. Индикатор активности идет вверх по мере набора информации, остается на высоте при ее поддержании, и падает сразу после ее использования. Это говорит о возможной связи поведения, привычного для быстроразрядных парвальбуминовых нейронов, и эмерджентного физиологического свойства, связанного с рабочей памятью.

Во-вторых, исследования показывают, что у больных шизофренией при выполнении задач на использование рабочей памяти гамма-ритм имеет сниженную частоту. Учитывая эти два наблюдения, можно предположить, что нарушения работы быстроразрядных нейронов лежат в основе нарушений волновой активности, которые, в свою очередь, ведут к нарушениям рабочей памяти.

SRF: Обратимся теперь к патогенетической стороне вашего подхода. Мы подходим к вопросу о глубинной молекулярной причине нарушений ГАМКергической передачи сигналов в клетках-канделябрах. Что вы обнаружили?

DL: Нужно понимать, что любое нарушение мозга можно отнести к одной из четырех категорий. Оно может быть причиной болезни, может быть следствием, может быть компенсаторной реакцией или же побочным эффектом терапии, не связанным с процессом болезни. Поэтому мы задались вопросом: к какой из этих «четырех К» отнести нарушения ГАМКергической активности?

Подкрепить идею о том, что ГАМКергические нарушения действительно лежат в основе патофизиологии и вносят вклад в клинический синдром болезни, могли бы свидетельства неких соседствующих процессов – патогенетических механизмов – дающих толчок нарушениям ГАМКергической системы. При болезни мы часто наблюдаем одновременные процессы, но обычно не можем отделить причину от следствия. Поэтому мы осуществили поиск изменений, связанных с ГАМКергическими нарушениями, и попытались создать удобную для исследований модель, которая позволяла бы установить, есть ли причинно-следственная связь в наблюдаемой нами корреляции. В нашем случае, имелись свидетельства того, что для развития и поддержания маркеров ГАМКергического функционирования важна нейротрофинная передача сигналов, опосредованная воздействием молекулы BDNF на её рецептор - TrkB. Это верно в особенности для того подкласса ГАМКергических нейронов, у которых при шизофрении наблюдаются изменения, но не для подкласса, который выглядит нормальным. Если быть более конкретным, то изменения экспрессии GAD67 (глутаматдекарбоксилазы - фермента, необходимого для синтеза ГАМК) и парвальбумина демонстрировали сильную корреляцию со снижением экспрессии TrkB у больных шизофренией, но такая корреляция отсутствовала для калретинин-позитивных ГАМКергических нейронов, не измененных при шизофрении. Этот факт позволил заметить разницу между затронутой и не затронутой популяциями нейронов, в нашем случае – парвальбумин-содержащих и калретинин-содержащих.

Мы обратились к генетически модифицированной мышиной модели со сниженной экпрессией TrkB для ответа на вопрос, обнаружатся ли у нее изменения ГАМКергической системы, подобные изменениям у больных шизофренией (Hashimoto et al., 2005). Они обнаружились, таким образом, подтвердилась концептуальная модель, в которой снижение сигнала, получаемого рецептором TrkB, является причиной снижения GAD67 в определенном типе нейронов, что наблюдается при шизофрении.

SRF: Сложность в различении «четырех К» печально известна в отношении многих болезней мозга, особенно при исследовании посмертных образцов тканей. Пожалуйста, разъясните этот вопрос на примере сигнальных путей BDNF, снижения ГАМК-синтезирующего фермента GAD67, пре- и постсинаптических изменений. Расставьте «К» для иллюстрации того, как вы пытались сделать свой выбор.

DL: Что касается первой категории - причины, то в нашем случае я взял бы слово «причина» в большие кавычки. Для определения того, что приводит к потере рецепторов TrkB, нам нужно пройти еще выше по течению. С учетом этой оговорки, я бы сказал так - по моему мнению, снижение сигнальной активности TrkB (это причина) ведет к снижению синтеза GAD67 (это следствие). Изменения в уровнях пресинаптического парвальбумина, GAT1, и количестве постсинаптических альфа-2 субъединиц рецептора ГАМК(А) представляют третью «К» - компенсаторную реакцию. Мы исследовали людей, проверяли воздействие антипсихотиков на приматах, и можем сказать, что ни одна из этих находок не является побочным эффектом терапии.

SRF: Прекрасный пример. Говоря об общей ситуации, как современные методы исследований помогают ученым решать проблему «четырех К»?

DL: На эту тему есть пара мыслей. Во-первых, нужно понимать важность триангуляции. Для каждого нарушения важно собрать как можно больше независимых доказательств, подходящих к проблеме с разных углов и сходящихся на одной интерпретации – это усилит вашу позицию.

Для примера рассмотрим вопрос с побочными эффектами. В идеале мы хотели бы исследовать только тех людей, кто переживал свой первый эпизод шизофрении и никогда еще не принимал антипсихотические средства. Это невозможно. Так как же нам оценить возможный эффект лекарств? Один из способов – исследовать людей, которые не проходили терапию на момент смерти. Обнаруженное у обеих групп нарушение будет скорее являться последствием болезни, а не лечения. Ограничение этой тактики в том, что мы не знаем, как долго сохраняется эффект от приема лекарств. Есть еще способ – исследовать людей с другими заболеваниями, которые принимали те же лекарства. Если данного нарушения у них нет, это служит дополнительным свидетельством в пользу того, что нарушение вызывается не лекарствами, а болезнью. Третий вектор доказательства – изучение эффекта лекарств на обезьянах в дозах, копирующих их клиническое применение у человека. Если у этих обезьян данное нарушение не обнаружится, это также будет согласовываться с теорией. Нужно понимать, что это обезьяны, а не люди, и что они не больны. Таким образом, каждый эксперимент по отдельности имеет свой набор ограничений. Но если все они сходятся на одном результате, это дает большую уверенность в ваших выводах.

Во-вторых, необходимо сознавать, что каждый тип исследования ставит перед вами ограничения в выборе вопросов. Посмертные исследования мозга человека критически необходимы для ответов на определенные вопросы, уникально соответствуя нужным условиям. Но они не дадут ответа на вопросы других типов, и вам придется перейти к другим моделям, например к обезьянам, чей мозг наиболее близко повторяет схематику цепей коры человеческого мозга. Префронтальный кортекс у грызунов сильно отличается от кортекса приматов, и это представляет очевидные ограничения при их исследовании. Но возможность задать некоторые вопросы существует опять же только при исследованиях грызунов. Мы стараемся быть гибкими и использовать ту систему, которая лучше соответствует каждому конкретному вопросу.

SRF: Возвращаясь к предыдущему вопросу, каковы ваши находки в отношении нарушения возбудительных систем при шизофрении и в исследованиях с использованием микроматриц?

DL: По нашему мнению, имеются ясные доказательства нарушений глутаматергических систем и возбудительных функций префронтальной коры. Мы искали ответ на вопрос, существует ли некий подвид пирамидальных клеток, участвующий в определенных наиболее затронутых болезнью сетях. Наши данные на сегодняшний день позволяют предположить, что на пирамидальных клетках из 3 слоя коры, по сравнению с другими пирамидальными клетками, болезнь отражается сильнее. Мы продолжаем исследования по двум направлениям. Во-первых, мы пытаемся найти молекулярные маркеры данной предположительно более уязвимой популяции нейронов, что помогло бы в их изучении. Во-вторых, мы задаемся вопросом о том, существует ли некая особенность в образуемых этими нейронами связях – входящих либо исходящих – это помогло бы нам понять те функциональные нарушения, которые ожидаются в результате их морфологических изменений.

SRF: Получены ли вами уже ответы на эти вопросы? Например, о дендритных шипиках в 3 слое пирамидальных нейронов вами была недавно опубликована статья (Kolluri et al., 2005).

DL: Эта работа продолжила предыдущее исследование, в котором мы показали уменьшение количества дендритных шипиков – значительное в нижней части 3 слоя и менее выраженное в верхней части 3 слоя коры головного мозга больных (Glantz and Lewis, 2000). Последняя работа не показала подобного нарушения в 5 и 6 слоях у тех же самых больных, и эта негативная находка подтверждает идею о специфичности изменений по типу клеток либо по принадлежности к определенным сетям. В связи с этим мы недавно исследовали экспрессию у больных шизофренией некоторых генов, кодирующих протеины, важные для формирования и поддержания шипиков. (Hill et al., 2006; см новостную заметку SRF на эту тему). У нас появилась еще одна идея: раз пирамидальные клетки нижней части 3 слоя расположены в зоне входящих проекций медиодорсального таламуса, возможно, их изменения вызваны нарушениями в таламусе. На сегодня выводы исследований по этому вопросу разнятся. Есть работы, демонстрирующие нарушения функционирования данной части таламуса, как и работы по визуализации, показывающие уменьшение размеров этой части. В вопросе о количестве клеток в медиодорсальном таламусе на данный момент существует раскол. Одинаковое число публикаций говорит либо об уменьшении количества клеток, либо об их нормальном количестве, к последним принадлежит и наша работа (Dorph-Petersen et al., 2004). Это касается количества нейронов; эфферентные проекции этих нейронов все-таки могут быть нарушены, но расследовать этот вопрос уже труднее. И мы ищем альтернативные пути рассмотрения функциональной целостности таламусных входов в префронтальный кортекс.

SRF: Так как же изменяются приходящие из таламуса соединения в период развития мозга и в пубертатный период? Каково влияние синаптического прунинга, в особенности у детей, которым только предстоит заболеть шизофренией? Лет через 30, при посмертном исследовании, подобные детали легко проглядеть; если к тому времени число нейронов немного снизится, трудно понять значение этой находки.

DL: Я согласен. Сильной стороной посмертных исследований человека является то, что это единственный способ взглянуть на молекулярные, клеточные, и сетевые нарушения при шизофрении. Но жизнь больного человека можно сравнить с эпическим кинополотном, а мы рассматриваем лишь один кадр, да и то скомканный. Вот где проявляется важность разноплановых исследований.

SRF: Что известно о том, есть ли при шизофрении разница в осуществлении прунинга синапсов пирамидальных нейронов префронтальной коры? Теряют ли больные шизофренией дети в этой зоне мозга большее количество синапсов?

DL: Выводы различных исследований сходятся на том, что число возбудительных входящих соединений в этой популяции пирамидальных клеток снижено. Остается открытым вопрос, происходит ли это в силу чрезмерного прунинга или прунинг лишь усугубляет нарушения, вызванные неправильным формированием этих синапсов, то есть синапсов может быть изначально сформировано меньше, а прунинг еще больше сокращает их количество.

SRF: Предположительно, клетки-канделябры при образовании синапсов не способны соревноваться за выживание с более скоординированными и крепкими нейронами, не имеющими ГАМКергических нарушений. Неужели все ваши находки, касающиеся нарушений в клетках-канделябрах, не поддерживают идею о том, что они подвержены усиленному прунингу из-за своих более слабых разрядов?

DL: Позвольте мне упомянуть о двух идеях, которые нас заинтересовали. Во-первых, интересна возможная связь ГАМКергических нарушений с нарушениями возбудительных соединений. Несколько находок в области базового функционирования мозга подтверждают эту гипотезу. Например, работа Такао Хенш (Takao Hensch) из института RIKEN, исследовавшего развитие окулярного доминирования в зрительной коре, показала, что ГАМК необходима для наступления критического периода, в котором происходит формирование возбудительных входов, позволяющих одному глазу доминировать над другим в данной колонке коры. Он также показал, что нарушение этих ГАМКергических функций изменяет плотность шипиков. Экстраполировать эти выводы на префронтальный кортекс – дерзкий шаг. Но у нас, по крайней мере, появляется некая концепция, посредством которой мы можем предложить механизм того, как недостаток GAD67, если он возникает в раннем возрасте, приводит в том числе и к нарушениям входящих возбудительных сигналов. Интересно отметить то, что по крайней мере одна группа исследователей сообщила об ассоциации аллельной вариации гена GAD67 с шизофренией (DeLuca et al., 2004).

SRF: То есть, нарушения активности воздействуют на процесс прунинга?

DL: Да. Альтернативный взгляд – не обязательно исключающий предыдущее объяснение – возник в результате наших исследований с использованием генных матриц. Одним из наших первоначальных наблюдений, описанных в первой работе Кароя Мирникс (Mirnics et al., 2000) стала недостаточность мРНК транскриптов тех генов, которые кодируют протеины, участвующие в процессах пресинаптического высвобождения нейромедиаторов. Если эти отклонения в экспрессии генов отражают ранний процесс, то человек еще до развития болезни будет иметь нарушения синаптических функций. Избыточное количество синапсов, характерное для детей, может компенсировать это снижение функционирования, но при достижении пубертатного периода прунинг запустит два процесса. Во-первых, вы потеряете эту способность к компенсации, во-вторых, синапсы с нарушенными функциями подвергнутся избыточному прунингу. Мы оформили эти мысли в виде гипотезы – она показалась нам достаточно интересной, но представляла собой экстраполяцию существовавших данных (Mirnics et al., 2001). Мы думаем, что на механистическом уровне гипотеза дает объяснение отклонениям в прунинге и появлению клинического синдрома по завершении пубертатного периода, а также не вполне нормальной работе мозга до наступления пубертатного периода. Последнее относится к когнитивной функции, и это нарушение представляется одной из черт шизофрении. Когнитивные нарушения могут наблюдаться у детей с самого раннего возраста, за долгие годы до клинической манифестации болезни.

SRF: Карой Митникс и вы стали пионерами, использовав генные микрочипы в исследованиях шизофрении. Дебют этой технологии сопровождался большими надеждами, но с тех пор наступило некоторое разочарование из-за проблем с качеством образцов, проверкой и интерпретацией результатов. Каков ваш сегодняшний взгляд на это? Насколько богатым был улов для вашей лаборатории? Был ли в этом смысл?

DL: Несомненно был, но нам следует понимать две вещи. Во-первых, уровень анализа нужно повышать и повышать. В начальных исследованиях мы измельчали все серое вещество коры мозга и пытались выделить сигнал, используя платформы с ограниченной чувствительностью. Сейчас используются более целенаправленные техники выделения ткани, будь то отдельный слой коры или гомогенная популяция клеток, а обработка происходит на платформах с большей чувствительностью - все для улучшения сигнала. Этот прогресс в области микромассивов несомненно повысил качество находок; теперь у нас больше возможностей для их интерпретации и проверки.

Во-вторых, с самого начала нам были ясны ограничения технологии, но в радостной шумихе о них забывали упомянуть. Дело в том, что техника помогает обнаружить тканевые уровни транскрипции, но не говорит ничего ни о причине нарушений, ни об их последствиях для сигнальных сетей. И каждое исследование с использованием микромассивов должно рассматриваться в таком контексте.

В нашем случае находкой стала недостаточная генетическая экспрессия регулятора передачи сигнала G-белка-4 (regulator of G-protein signaling 4, RGS4). Микрочипы выдали этот результат без предварительных гипотез с нашей стороны. Что интересно, локус данного гена ранее показал сильную ассоциацию с шизофренией в исследованиях Линды Бржустович (Linda Brzustowicz et al., 2000), а кодируемый им протеин играет очень интересную роль в нейротрансмиттерных путях, предположительно связанных с шизофренией. Так уже имевшиеся данные были пополнены находками, полученными с использованием микрочипов, и это позволило предположить связь данного гена с заболеванием. Действительно, в исследованиях Виша Нимгаонкара (Vish Nimgaonkar) и в работах наших коллег в Питсбурге, а также в работах других групп было показано, что RGS4 является потенциальным фактором риска развития шизофрении. Однако, как и в случае с другими генами-кандидатами, существуют проблемы в интерпретации различных гаплотипов, обнаружении патогенных однонуклеотидных полиморфизмов и так далее (Talkowski et al., 2006). В любом случае, вот вам иллюстрация того улова, который могут принести такие методы. Улов ценный и разнообразный, и в числе рыбешек могут оказаться гены-кандидаты.

SRF: В заключительной части хотелось бы получить обзор вашей трансляционной программы. Последняя часть вашего сайта посвящена терапевтическому вмешательству. Там же вы описываете небольшое клиническое исследование. Какое средство вы испытывали?

DL: Идея заключается в том, что ГАМКергические отклонения в префронтальном кортексе приводят к снижению осцилляций в гамма диапазоне, и в результате нарушается рабочая память. Поэтому клиническое испытание должно ответить на вопрос – сможем ли мы усилить ГАМКергические сигналы в начальном сегменте аксона пирамидальной клетки таким образом, чтобы сохранить координацию входного сигнала по времени? Точность во времени важна. Нам нужно разработать такой подход, который не просто участит разряды клеток-канделябров, и не приведет к общему усилению ГАМКергической передачи сигналов. И то, и другое принесет больше вреда, чем пользы. Мы искали молекулу, выборочно воздействующую на ГАМК(А) рецепторы, содержащие субъединицу альфа-2. Нам хотелось, чтобы это был позитивный аллостерический модулятор – средство, усиливающее поток ионов хлора сквозь рецептор только в присутствии ГАМК. Идея в том, чтобы усиливать сигнал клеток-канделябров только при их естественном разряде. Связавшись с фармацевтической компанией, мы выбрали уже существующее средство и в настоящее время проводим двойное слепое, плацебо-контролируемое рандомизированное исследование. На выходе мы получим глобальную оценку когнитивного функционирования пациентов, а также специфические данные по гамма-активности во время выполнения задач, задействующих функции префронтального кортекса. Если нам удастся найти пресловутую фармацевтическую серебряную пулю, результатом будет глобальное улучшение когнитивной функции, отражающееся на повседневной жизни пациентов. Думаю, что более вероятным результатом станет свидетельство того, что этот состав улучшает префронтальную физиологию неким образом, согласующимся с улучшением когнитивной функции. Окажется ли эта конкретная молекула полезной в клиническом применении, в настоящий момент неизвестно.

SRF: …значит эта молекула не принадлежит к числу существующих ныне лекарств.

DL: Правильно.

SRF: Это экспериментальное средство. Оно относится к бензодиазепинам? Я думала, что уже существуют бензодиазепины, воздействующие на рецепторы ГАМК(А).

DL: Верно. Ограничением применяемых сегодня бензодиазепинов является то, что они воздействуют на рецепторы ГАМК(А), содержащие субъединицы альфа-1, альфа-2, альфа-3 или альфа-5. К примеру, нам ясно, что активность бензодиазепинов в отношении субъединицы альфа-1 обуславливает их седативное воздействие, а это не слишком хорошо для когнитивной сферы. Опять же, активность по отношению к альфа-5 субъединице ухудшает функционирование гиппокампа, что тоже снижает когнитивные способности. Так что если доступные на сегодня бензодиазепины и способны принести некоторую пользу в терапии шизофрении, их отрицательные когнитивные эффекты перевешивают эту пользу.

SRF: В настоящее время несколько фармацевтических компаний заняты разработкой многочисленных агонистов ГАМК(А) рецепторов, но в большинстве случаев их целью является терапия эпилепсии, а не шизофрении. И мало кто думал о субъединице альфа-2 в качестве мишени воздействия. Этот так?

DL: Да.

SRF: Что находится выше по течению от рецептора TrkB?

DL: Мы пока не знаем. Одной из известных нам черт TrkB является то, что его экспрессия зависит от активности организма. Поэтому один из сценариев предполагает, что ближе к истокам находится такой фактор, как гипофункция NMDA-рецепторов. На данный момент это самая жизнеспособная гипотеза, и мы пытаемся осуществить ее проверку.

SRF: Так почему бы не пойти вверх по течению и не разработать агонисты TrkB?

DL: Эта идея не вызвала у нас особого восторга по двум причинам. Мы думаем, что истинным источником нарушений является недостаточная экспрессия рецепторов TrkB. Если рецепторов не хватает, возможно ли любой концентрацией лигандов повысить их сигнал до нормального уровня? Такой подход был бы более уместен при критически нарушенном производстве BDNF и нормальном состоянии рецепторов TrkB. Другой причиной отказа было наше желание сосредоточить терапевтическое воздействие на локальном физиологическом нарушении, чтобы атаковать критический участок и не наносить удара по своим, говоря военным языком.

SRF: Касаясь этого вопроса – потерян сигнал или потеряны рецепторы – я хотела бы обсудить мышиные модели. Если я правильно поняла, вы изучали мышей со сниженной экспрессией TrkB, полученных в лаборатории Луиса Рейхардта (Louis Reichardt), а также мышей с индуцируемым удалением гена BDNF (inducible knockout) из лаборатории Лизы Монтеджиа (Lisa Monteggia) и Эрика Нестлера (Eric Nestler), и обнаружили очень интересные, различающиеся эффекты этих мутаций.

DL: Мы замеряли те же характеристики, что и при посмертных исследованиях человеческого мозга. В частности, уровни транскрипции GAD67 и парвальбумина. Мы также пополнили этот список другими маркерами – результаты их замеров еще не опубликованы. Мы не смогли обнаружить разницу в транскрипции обоих маркеров как у эмбриональных, так и у взрослых BDNF-нокаутных мышей. Но у мышей с гипоморфным геном TrkB транскрипция обоих маркеров была снижена в дозо-зависимой манере – гомозиготные мыши с недостатком TrkB демонстрировали большую по сравнению с гетерозиготными мышами потерю экспрессии GAD67 и парвальбумина. И, на клеточном уровне, дефицит транскрипции GAD67 в точности повторял картину, наблюдаемую нами при шизофрении. То есть, в одной подгруппе ГАМКергических нейронов транскрипция была ниже доступного нам уровня детекции, но остальные ГАМКергические нейроны демонстрировали нормальную экспрессию GAD67.

SRF: Значит ли это, что Рейхардт непреднамеренно создал частичную мышиную модель шизофрении?

DL: Когда речь заходит о моделировании шизофрении на животных, я предпочитаю высказываться осторожно. В данной мыши воплощен отдельный компонент болезни: одна причина (снижение экспрессии TrkB) и ее следствие (падение уровней GAD67 и парвальбумина). Я не могу на данный момент сказать, распространяется ли сходство модели с болезнью за пределы этих отклонений. В настоящее время мы разводим этих мышей и намерены определить, есть ли у них отклонения гамма-осцилляций.

SRF: Я собиралась спросить о нарушениях рабочей памяти у этих мышей – есть ли они, или такие измерения в принципе невозможно провести на мышах?

DL: По всеобщему убеждению, мыши не отличаются умом и сообразительностью. Некоторые исследователи задаются вопросом – а насколько серьезно в принципе можно исследовать рабочую память у мышей? Но гамма-активность можно изучать не только в контексте поведенческих задач. Для начала мы собираемся узнать, не лишены ли мутантные мыши тех механизмов, которые позволяют здоровым мышам генерировать гамма-активность в определенных условиях.

SRF: В более широкой перспективе – существуют ли вообще практичные мышиные модели, на которых продублированы хотя бы отдельные аспекты шизофрении? Прогресс в исследованиях болезни Альцгеймера особенно ускорился после появления мышиных моделей, хотя эти модели также были частичными. Теперь чуть ли не каждый месяц появляется новая модель.

DL: Ключевой особенностью болезни Альцгеймера является то, что ее исследователям уже были доступны специфические молекулярные и нейропатологические механизмы; они не были вынуждены полагаться лишь на клинический исход заболевания. Я думаю, что мы продвигаемся в том же направлении, и мышиные модели станут незаменимыми инструментами в раскрытии механизмов болезни. Но мы все еще на ранней стадии. Я склонен полагать, что мыши докажут свою полезность в распутывании отношений между молекулярными нарушениями и физиологическими показателями, и - пожалуй, в меньшей степени - помогут в изучении поведения.

SRF: Действительно, поведение при шизофрении гораздо сложнее поведения при болезни Альцгеймера. Однако скептики поначалу были и там – как можно, говорили они, определить деменцию у мыши, если мышь изначально не очень умна. Ваша работа шла по нескольким направлениям, и я хочу оставить у читателя общее представление о ней. Попытаюсь вкратце повторить основные пункты нашей беседы. Несколько параллельных исследований сошлись на том, что сниженная нейротрофинная активность рецепторов TrkB в канделяберных нейронах приводит к снижению экспрессии GAD67, то есть к падению уровня ГАМК в парвальбуминовых клетках-канделябрах префронтальной коры. Пресинаптическая экспрессия GAT1 в картриджах клеток-канделябров снижается; экспрессия субъединицы альфа-2 рецептора ГАМК(А) на начальных сегментах аксонов пирамидальных клеток возрастает в попытке наиболее полно использовать оставшуюся ГАМК. Но этой компенсаторной реакции недостаточно, и в итоге нарушается тормозная нейропередача, синхронизирующая исходящую активность пирамидальных нейронов третьего слоя, проекции которых ведут к другим областям ассоциативной коры. Как следствие, сбивается синхронность разрядов нейросетей, образуемых этими клетками. В свою очередь, это ведет к ослаблению осцилляций в гамма-диапазоне во время выполнения задач на рабочую память, что и отмечается у больных шизофренией. Вы также полагаете, что синаптический прунинг и заметное уменьшение количества ГАМКергических соединений демаскируют в данных системах развившиеся в ранние годы нарушения. Я все сильно упростила, и вы поспешите добавить, что это лишь часть картины болезни – но в целом это изложение передает суть ваших находок на данный момент?

DL: Да. Вам прекрасно удалось выразить в нескольких словах мою пространную речь. Я лишь добавлю, что стратегия, предполагающая разделение процесса болезни на отдельные механизмы, может доказать свою ценность только в одном случае – если эта стратегия поможет нам выбрать оптимальные молекулярные мишени для новых лекарств и оптимальным образом сконфигурировать данные лекарства.

SRF: Спасибо, что уделили нам время.

DL: Я провел его с удовольствием.

Недостаток серого вещества при шизофрении и не только

(кросспост)
Текст на сайте schizophreniaforum.org от 12 июля 2007: Healthy Siblings of Young Schizophrenics Overcome Cortical Deficits ("Недостаток серого вещества в коре у здоровых людей, чьи братья\сестры болеют детской шизофренией, с возрастом проходит"). Обзор двух работ, посвященных потере\дефициту серого вещества у больных и их родственников.

Авторы первой работы сканировали кору головного мозга у 52 здоровых людей, чьи ближайшие родственники - братья либо сестры - с детства болели шизофренией (начало заболевания - до 13 лет, очень редкая форма болезни). Для сравнения были взяты 52 человека - также здоровых, но без отягощенной наследственности. Сканировали, насколько я понял, 2 раза, с разрывом в 2 года.

Недостаток серого вещества был обнаружен у юных испытуемых (8 лет) в левом префронтальном кортексе и с обеих сторон в височном кортексе. К 20 годам недостаточность исчезала, при этом повышались баллы по шкале Global Assessment Scale. Авторы - Gogtay et al. - отмечают, что недостаточность удивительно точно повторяет дефициты серого вещества, наблюдающиеся у пациентов с детской шизофренией, лишь с двумя отличиями: 1. У больных этот дефицит продолжает сохраняться и во взрослом возрасте; 2. Дефицит серого вещества у больных наблюдается еще и в третьей области мозга - теменной.

Во второй публикации говорится о линейно замедляющейся с возрастом потере серого вещества у больных "взрослой" формой шизофрении, которая, тем не менее, идет быстрее, нежели естественная потеря серого вещества у здоровых людей. К 50 годам скорость потери серого вещества уравнивается у больных и здоровых, составляя около 5 ml/год. Наибольшаяя разница наблюдаяется в возрасте от начала взрослой жизни и до 29 лет - у здоровых в этом временном периоде скорость потери вещества значительно замедляется (с 4 до 2 ml/год), в то время как у больных такого падения линии графика не наблюдается - у них скорость снижается равномерно с 6.3 ml/год в 20 лет до 5.7 ml/год к 50 годам. Авторы работы говорят о том, что у больных, вероятно, наибольшая потеря происходит в возрасте 10-20 лет, после чего процесс более-менее нормализуется. Параллельно в исследовании было отмечено увеличение объема третьего желудочка у больных. У пациентов с неблагоприятным течением болезни потеря вещества оказалась большей, как и следовало ожидать. Сканировали 96 больных с 5-летним интервалом.

Как всегда, упоминаются возможные недостатки в организации исследований и необходимость дальнейшего изучения вопроса.

Чуть ниже самого обзора работ приведено мини-интервью автора первой публикации, Нитина Гогтая (Nitin Gogtay), с представителем сайта schizophreniaforum.org, Питером Фарли (Peter Farley).

Публикации:

1. Gogtay N, Greenstein D, Lenane M, Clasen L, Sharp W, Gochman P, Butler P, Evans A, Rapoport J. Cortical brain development in nonpsychotic siblings of patients with childhood-onset schizophrenia. Arch Gen Psychiatry . 2007 Jul ; 64(7):772-80. PubMed Abstract; free fulltext pdf (310 кбайт).

2. Van Haren NEM, Pol HEH, Schnack HG, Cahn W, Brans R, Carati I, Rais M, Kahn RS. Progressive brain volume loss in schizophrenia over the course of the illness: evidence of maturational abnormalities in early adulthood. Biol Psychiatry. 2007 Jun 26; [Epub ahead of print] Abstract