среда, 27 июня 2007 г.

Ингибиторные нейросети, гамма-волны и шизофрения.

(Кросспост) Вдогонку предыдущему посту. Перевод текста с schizophreniaforum.org, из раздела "Гипотезы": Bad Brain Vibes: Disturbances of Inhibitory Neural Circuits and Gamma Oscillations in Schizophrenia

Эта гипотеза связывает глутаматную гипотезу и данные о нарушениях ГАМК-системы при шизофрении.

Авторы текста: Tsung-Ung W. Woo, Kevin Spencer, и Robert M. McCarley

В современных описаниях шизофрении исследователи предполагают, что заболевание возникает из-за неспособности мозга интегрировать активность локальных и распределённых нейросетей (Andreasen, 2000; Benes, 2000; Friston and Frith, 1995). В недавнее время отмечен значительный интерес к фиксируемым на ЭЭГ гамма-осцилляциям и к их роли в характерных для шизофрении когнитивных нарушениях. Вероятно, гамма-осцилляции посредством синхронизации нейросетей позволяют осуществлять репрезентацию и выборку информации (Salinas and Sejnowski, 2001), и этот механизм может играть важную роль в процессах перцепции (Engel et al., 2001), выборочного внимания (Fries et al., 2001) и рабочей памяти(Howard et al., 2003; Tallon-Baudry et al., 1998). В согласии с представлением о том, что гамма-опосредованная синхронность может быть нарушена при шизофрении, растущее количество публикаций сообщает о нарушениях гамма-осцилляций при данной болезни, связанных с сенсорной стимуляцией(Brenner et al., 2003; Hong et al., 2004; Kwon et al., 1999; Light et al., 2006), перцепцией(Spencer et al., 2004; Uhlhaas et al., 2006; Wynn et al., 2005), задачами на обнаружение цели(Gallinat et al., 2004; Haig et al., 2000).

Уже давно известно, что употребление антагонистов NMDA-рецептора приводит к психозу и вызывает когнитивные дефициты, напоминающие клиническую картину шизофрении(Javitt and Zukin, 1991; Krystal et al., 1994; Newcomer and Krystal, 2001); эти данные привели к созданию модели шизофрении, которая объясняет возникновение болезни гипофункцией рецептора NMDA (Olney and Farber, 1995; Olney et al., 1999) (см. Глутаматную Гипотезу Биты Могхаддам). Парадоксальные эксайтотоксичные эффекты NMDA-антагонистов, обнаруженные Олни и Фарбером, были объяснены, пусть и частично, блокадой NMDA-рецепторов, расположенных на ГАМК-содержащих тормозных нейронах, которые, как было показано, примерно в 10 раз более чувствительны к NMDA-антагонистам, в том числе к психотомиметикам, по сравнению с NMDA-рецепторами, расположенными на пирамидальных клетках(Greene et al., 2000; Grunze et al., 1996; Olney and Farber, 1995). На основании нижеприведенных свидетельств мы предполагаем, что снижение входящей активации быстроразрядных (fast-spiking) ГАМК-клеток, содержащих кальций-связывающий белок парвальбумин (PV), выражающееся в сниженной активации их NMDA-рецепторов - возможно, в первую очередь тех, что содержат субъединицу NR2A - может опосредовать, по крайней мере частично, многократно описанную недостатьчность 67 kD-изоформы ГАМК-синтезирующего фермента глутаматдекарбоксилазы (GAD67) и нарушение гамма-синхронности при шизофрении.

Гипотеза 1.

Гипофункция NMDA-рецепторов на ГАМКергических нейронах, предположительно – парвальбумин(PV)-содержащих, изменяя ингибиторный контроль над сетями пирамидальных клеток, непосредственно приводит к разрушению синхронизации нейросетей в гамма-диапазоне. Гамма-синхронизация также может быть нарушена косвенно – по вине эксайтотоксичного повреждения пирамидальных клеток в результате недостаточного ингибиторного воздействия на них, и из-за последующего усыхания дендритов и потери синапсов.

1. NR2A регулирует экспрессию PV и GAD67

У животных блокада NMDA рецепторов снижает количество PV-иммуннореактивных нейронов в энторинальной коре(Cunningham et al., 2006; see SRF related news story); это снижение сопровождается значительным нарушением гамма-ритмов. Что интересно, данные эффекты могут быть опосредованы участием субъединицы NR2A. Так, в недавнем исследовании Kinney et al. обнаружили, что в системе первичной нейрональной культуры субъединица NR2A особенно обильно встречается в PV-содержащих ГАМКергических клетках, что подтверждается как транскрипцией, так и собственно уровнем белка, при сравнении ГАМКергических клеток с пирамидальными (Kinney et al., 2006). Более того, селективные агонисты NR2A, а не NR2B, снижают экспрессию мРНК парвальбумина и собственно белка, а также экспрессию мРНК GAD67 в PV-содержащих клетках (Kinney et al., 2006). В свете этих находок действительно интересным становится то, что при шизофрении селективное снижение экспрессии мРНК GAD67 обнаруживается именно в PV-содержащих нейронах (Hashimoto et al., 2003).


2. Сниженная экспрессия NR2A в ГАМК-нейронах при шизофрении.

Недавно было продемонстрировано значительное снижение плотности ГАМКергических GAD67-содержащих нейронов, экспрессирующих субъединицy NR2A, как в передней части поясной извилины(Woo et al., 2004), так и в дорсолатеральном префронтальном(PFC; Woo et al., in preparation) кортексе. Эти находки согласуются с наблюдениями за экспрессией мРНК везикулярного глутаматного транспортера vGluT1, являющегося маркером глутаматергических терминалей коры(Fujiyama et al., 2001; Kaneko and Fujiyama, 2002): его экспрессия в префронтальном кортексе больных шизофренией снижена(Eastwood and Harrison, 2005). Очевидно, остается вопрос идентификации ГАМКергических клеток, демонстрирующих сниженную экспрессию NR2A.

3. Эксайтотоксическое повреждение пирамидальных нейронов вследствие нарушения ингибирования

В результате сниженной возбудительной активации ГАМК-нейронов, следующие в цепочке взаимодействий клетки могут выйти из под ингибиторного контроля и стать уязвимыми перед эксайтотоксичностью(Olney and Farber, 1995). Хотя, как считается, при шизофрении не происходит отмирания нейронов (по крайней мере, не в больших масштабах), эксайтотоксическое повреждение пирамидальных клеток может выражаться в потере дендритов и синапсов. Это может ухудшить функционирование пирамидальных клеток, еще более усугубляя дефицит синхронности.

Гипотеза 2.

Нарушения синхронности в гамма-диапазоне в течение подросткового и раннего взрослого периодов жизни вносят свой вклад в нарушенный процесс созревания нейросетей коры, дерегулируя синаптический и дендритный прунинг. Это должно запускать болезнь и приводить к характерным для начальной стадии шизофрении потере серого вещества и падению уровня функционирования.

Финальная стадия функционального созревания коры головного мозга характеризуется тонкой подстройкой синаптических сетей. Нейробиологические механизмы, от которых зависит начало и конец процесса синаптического усовершенствования, только начинают исследоваться; считается, что ключевую роль здесь может играть созревание ГАМКергических нейросетей, в особенности тех, что состоят из PV-содержащих нейронов (Hanover et al., 1999, Hensch, 2005; Huang et al., 1999; Jiang et al., 2005). Например, в зрительной коре послеродовое созревание экспрессии парвальбумина совпадает по времени с периодом опыт-зависимого усовершенствования нейросетей (Alcantara and Ferrer, 1994; de Lecea et al., 1995; Gao et al., 2000; Patz et al., 2004). Более того, у трансгенных мышей с чрезмерной экспрессией BDNF созревание PV-содержащих нейросетей ускоряется, а также преждевременно завершается тот критический период, в течение которого возможна повышенная синаптическая пластичность развивающегося мозга(Hanover et al., 1999;Huang et al., 1999).

По сравнению с другими кортексными зонами, процесс функционального созревания префронтальной коры довольно затянут; синаптическая подстройка тут заканчивается лишь в позднем пубертатном возрасте и в начале взрослой жизни(Bourgeois et al., 1994; Huttenlocher, 1979; Woo et al., 1997), что совпадает с тем периодом, когда обычно проявляется симптоматика шизофрении. Что интересно, в течение этого периода PV-содержащие нейросети постепенно достигают зрелости(Anderson et al., 1995; Erickson and Lewis, 2002). Хотя убедительные свидетельства отсутствуют, в свете вышеперечисленного видится разумным предположение о том, что, как и в визуальной области, PV-содержащие нейроны могут играть важную роль в управлении процессом синаптической подстройки в префронтальной коре.

Процесс усовершенствования синаптических соединений зависит от активности и подчиняется принципу Хебба (Hebb, 1949). Когда пре- и постсинаптические элементы синапса одновременно (в течение короткого временного окна) активны, синапс усиливается; в противном случае, синапс подлежит уничтожению. Интересно, что продолжительность временного окна, необходимая для активно-зависимого усиления синапсов при регистрации совпадений, вплотную сопадает с тактом гамма-осцилляций (Bi and Poo, 1998; Buzsaki and Draguhn, 2004; Harris, 2003; Harris et al., 2005; Magee and Johnston, 1997; Wespatat et al., 2004; Whittington et al., 1997). Другими словами, гамма-осцилляции могут обеспечивать временную структуру, налагающую рамки на активно-зависимый процесс синаптической подстройки. Таким образом, нарушения в PV-содержащих нейронах, нарушая гамма-осцилляции, могут приводить к аберрантному прунингу синапсов. К тому же исследования показали, что в возрастном промежутке, включающем в себя пубертатный период, происходит исчезновение части глутаматергических аксональных терминалей в префронтальном кортексе, приводящее к потере 40-60 процентов аксональных бутонов (Woo et al., 1997). Возможно, при шизофрении данный процесс аксональной элиминации идет вразлад, и первыми попадают под удар аксоны, воздействующие на NMDA-рецепторы PV-содержащих нейронов. Как обсуждалось выше, сниженная глутаматергическая активация NMDA-рецепторов на PV-нейронах может вызывать дефициты гамма-осцилляций (Cunningham et al., 2006), нарушая активно-зависимый прунинг, что ведет к потере синапсов. В итоге, как результат описанной выше расторможенности, снижение NMDA-активности на PV-нейронах может вызывать эксайтотоксическое повреждение пирамидальных клеток; это может приводить к еще большим потерям дендритов и синапсов. В совокупности данные механизмы могут играть роль в запуске заболевания и приводить к прогрессирующей деградации на ранней стадии болезни.

Значение для терапии.

Гипотезы указывают новое направление для разработки концепций нейробиологически-обоснованных стратегий терапии при шизофрении. В согласии с гипотезами, фармакологическая калибровка NMDA-нейротрасмиссии в PV-содержащих ГАМКергических нейронах, возможно с упором на субъединицy NR2A, скорректирует дефициты гамма-осцилляций у больных. Более того, если данный подход будет применен достаточно рано, он, возможно, предотвратит наступление болезни, нормализуя синаптические дефициты, которые по меньшей мере отчасти вызываются дефицитом гамма-осцилляций.

суббота, 23 июня 2007 г.

Асинхронность и мозг: дефицит гамма-частот связан с ослабленным когнитивным контролем.

Перевод прошлогоднего текста с schizophreniaforum.org: Asynchrony and the Brain—Gamma Deficits Linked to Poor Cognitive Control

12 декабря 2006 года. У некоторых людей нет чувства ритма, но они сохраняют такт, по крайней мере на клеточном уровне. Без синхронности этого такта сердце превратилось бы в бесполезную дергающуюся массу, а миллионы нейронов в коре головного мозга не смогли бы объединяться в тонко настроенные, играющие в унисон ансамбли. Пока нейросинхронность изучена слабо, но есть свидетельства ее ключевой роли в обеспечении нормальной работы мозга и нормального поведения человека. В частности, в последнее время появились свидетельства возможной ассоциации симптомов шизофрении с нарушениями ритма активности специфических групп кортикальных нейронов. В поддержку этого взгляда говорят данные недавнего исследования, проведенного Кэмерон Картер (Cameron Carter) из Университета Калифорнии в Дэвисе совместно с коллегами из Университета Питтсбурга. Находки ученых, о которых сообщено в предварительном выпуске PNAS на этой неделе, позволяют предположить, что ослабленная синхронизация нейронов, генерирующих специфические осцилляции – гамма-волны – ассоциируется с изменением возможностей когнитивного контроля у пациентов с шизофренией.

Нарушения в когнитивной сфере представляют важную черту шизофрении и считаются более достоверными предикторами неспособности больного выполнять повседневные функции, нежели яркие позитивные симптомы болезни, такие как психоз и бред. Сегодняшние антипсихотические лекарства на когнитивные проблемы действуют слабо, а некоторые даже усугубляют их. Истоки когнитивных дефицитов были увязаны с изменениями в дорсолатеральной префронтальной коре больных (DLPFC). Хотя физиология нарушений, стоящих за проблемами в DLPFC, в точности не установлена, МРТ-исследования больных шизофренией показали в этой области мозга пониженную активность – индикатор неполной реализации возможностей нейронов. Вдобавок, посмертный анализ тканей мозга больных продемонстрировал вероятное нарушение нейротрансмиссии в специфичной группе тормозных нейронов DLPFC, называемых клетками-канделябрами (Lewis et al., 2005), чья единственная функция заключается в иннервации и модулировании работы пирамидальных клеток - основных возбудительных нейронов коры, генерирующих осцилляции в гамма-диапазоне (30-80 Гц). «Наше исследование как раз объединяет эти наблюдения. Оно предполагает, что причиной тяжелых когнитивных нарушений при шизофрении является неспособность префронтальной коры генерировать осцилляции в гамма-диапазоне. Наша работа связывает поведенческие наблюдения и данные нейровизуализации с посмертными исследованиями тканей мозга» - сказал Картер в интервью сайту Schizophrenia Research Forum.

POP-тест

Хотя работы по гамма-осцилляциям при шизофрении уже проводились, они в большинстве своём были направлены на изучение вызванных осцилляций (evoked oscillations), спровоцированных сенсорной стимуляцией либо задачами, направленными на восприятие или отслеживание стимула (см. «Гипотеза на рассмотрении» от Woo et al.) В настоящем исследовании первый автор Рэймонд Чо (Raymond Cho) из Университета Питтсбурга и его коллеги сосредоточились на индуцированных гамма-ритмах, производимых не в ответ на внешний стимул, а в ходе выполнения задачи, запускающей когнитивные процессы исполнительного, или регуляторного, контроля (executive control processes of cognition). Авторы использовали когнитивный тест «подготовка к преодолению предрасположенности» (Preparing to Overcome Prepotency, POP-test), чтобы обнаружить возможную корреляцию гамма-осцилляций с когнитивным контролем при шизофрении. В ходе теста на экране перед добровольцами на короткое время вспыхивал красный или зеленый квадрат, а через секунду появлялась стрелка. Если она возникала после зеленого квадрата, добровольцу следовало нажимать кнопку согласно направлению стрелки (например: правая стрелка – правая рука), но если она появлялась после красного квадрата, доброволец должен был поступать наоборот (правая стрелка – левая рука); в последнем варианте требуется больший когнитивный контроль. Выбор пал на этот тест, так как он известен тем, что активирует DLPFC, а также потому, что эта активация хорошо коррелирует с результатами теста. Ученые обнаружили, что больные шизофренией совершали значительно больше ошибок при выполнении части задания, требующей усиленного когнитивного контроля. Пациентам также требовалось значительно больше времени как на простую, так и на контролируемую реакцию.

Чтобы обнаружить отличия в гамма-осцилляциях, коррелирующие с ухудшением результатов, Чо с коллегами записали ЭЭГ испытуемых. Как оказалось, у нормальных испытуемых два электрода – один в правой фронтальной зоне (электрод 2 или AF8 для знакомых с номенклатурой расположения) и один в левой (электрод 21 или FC1) выдавали значительно большую разницу между реакциями с низким и высоким контролем; этот разброс был гораздо меньше у больных шизофренией, что может говорить о трудностях в генерации гамма-осцилляций в ответ на стимулы.

Чтобы оценить значительность находки, Чо с коллегами измерили корреляцию симптомов шизофрении с разностью гамма-реакций на этих двух электродах. Они выбрали показатели дезорганизации – классического симптома заболевания, негативно коррелирующего с активацией DLPFC - и поведенческой деятельности (behavioral performance), также нарушенной у больных, что отражается в повышенном количестве ошибок при выполнении когнитивного теста. Исследователи обнаружили позитивную корреляцию данных, снятых с правого фронтального электрода, с дезорганизацией; в то же время гамма-осцилляции в области левого фронтального электрода позитивно коррелировали с точностью выполнения задания.

Работа показывает, что увеличение требований к когнитивному контролю ведет к усилению гамма-осцилляций и у здоровых, и у больных испытуемых, но в двух специфических областях мозга ЭЭГ-реакция у пациентов слабее. То, что гамма-осцилляции у больных шизофренией коррелируют в правой фронтальной зоне с дезорганизацией, а в левой – с точностью выполнения теста, говорит о разных ролях, играемых этими областями в процессе заболевания. Таким образом, исследование открывает возможности для разработки диагностических, скрининговых и терапевтических подходов. «Измерение префронтальной гамма-синхронности с помощью ЭЭГ может стать полезным инструментом для оценки нарушений префронтальных цепей коры, в сочетании с поведенческими показателями нарушения когнитивного контроля при шизофрении» - пишут авторы.

ЭЭГ-исследования гораздо проще в осуществлении и менее инвазивны по сравнению с МРТ, что позволит проводить крупные исследования промежуточных фенотипов болезни – эндофенотипов, и сравнивать их результаты, например, с данными генетических тестов. И последнее, но немаловажное, высказывание: поскольку находки согласуются с предсказаниями ряда ученых относительно роли интернейронов при шизофрении, «некоторые молекулярные мишени, идентифицированные в данных сетях, теперь станут целями для терапевтического воздействия» - предположил Картер. В их число могут войти определенные подтипы рецепторов и транспортеров ГАМК – основного тормозного нейротрансмиттера, участвующего в модулировании гамма-осцилляций (см. текст SRF на эту тему). Том Фаган (Tom Fagan), schizophreniaforum.org.

Публикация:Cho RY, Konecky RO, Carter CS. Impairments in frontal cortical gamma synchrony and cognitive control in schizophrenia. PNAS early edition. 11 December 2006. Abstract

среда, 20 июня 2007 г.

Возможные клинические испытания тестов на шизофрению, биполярное расстройство, депрессию.

Профессор Сабина Бан (Sabine Bahn) - консультант по психиатрии в Кембриджском Университете. В 2005 году совместно с профессором Крисом Лёве (Chris Lowe) они основали компанию Psynova Neurotech для разработки коммерческих тестов в области психиатрии. Сабина также стала главой Центра Нейропсихиатрических Исследований Кембриджа. Детство Сабины прошло в Германии; её отец страдал от биполярного расстройства, что и побудило её заняться изучением механизмов психических заболеваний. Кембриджская группа Сабины выпустила несколько публикаций (об одной я писал), демонстрирующих отличия ряда показателей в крови, спинномозговой жидкости и тканях мозга больных.

Судя по заявлениям в прессе, Сабине и её группе удалось разработать тесты на шизофрению, депрессию и биполярное расстройство, позволяющие диагностировать эти заболевания (либо сильную предрасположенность к ним - подробных данных я не нашёл) до появления выраженных симптомов. Подобные тесты могут многое изменить в психиатрии. В недавней статье газеты "Телеграф" приводятся слова Сабины о том, что их группа надеется провести клинические испытания тестов. Изменения показателей в тестах дают новую информацию для поиска причин заболеваний. "Маркеры, обнаруженные нами при шизофрении, говорят о том, что мозг получает недостаточное количество энергии" - сказала Сабина. "Мы планируем провести клинические испытания средств, улучшающих использование сахара - посмотрим, поможет ли это". 14 июня компания Psynova получила приз в номинации "инновации в сфере психического здоровья и нейрофизиологии" за разработку данных тестов. Награда учреждена британской организацией Medical Futures, чьей целью является продвижение научных технологий.

Использованные ссылки:

1. Новость с schizophrenia.com - Schizophrenia Daily News Blog: Blood Tests to Diagnose Schizophrenia Moving Towards Clinical Trials ("Тесты крови на шизофрению продвигаются к стадии клинических испытаний")

2. Статья в "Telegraph" - Blood tests to diagnose mental illness /Science /Earth /Telegraph

3. Заметка в "Cambridge Evening News" - Double win at medical awards

Связанные ссылки:

1. Новостная заметка в журнале "Nature" (Январь 2007, News@Nature; в PDF) - Biomarkers trump behavior in mental illness diagnosis ("Биомаркеры берут верх над анализом поведения в диагностике психических заболеваний")

2. Статья в PLoS Medicine, ноябрь 2006 г.: Disease Biomarkers in Cerebrospinal Fluid of Patients with First-Onset Psychosis

суббота, 16 июня 2007 г.

Проба пера из гусиного крыла

Проба пера из гусиного крыла.