Окислительный стресс - на стыке NMDA- и ГАМК-гипотез шизофрении?

Перевод текста Does Oxidative Stress Link NMDA and GABA Hypotheses of Schizophrenia?

Окислительный стресс - на стыке NMDA- и ГАМК-гипотез шизофрении?



9 декабря 2007 года, schizophreniaforum.org.

Может ли в основе патологии шизофрении лежать окислительный стресс? 7 декабря в журнале Science появилась статья, в которой сообщается, что часть воздействий, оказываемых NMDAr-антагонистом кетамином на ингибиторные интернейроны, опосредована реактивными формами кислорода. Исследователи под руководством Маргариты Беренс (Margarita Behrens) и Лауры Дуган (Laura Dugan) из Университета Сан-Диего, La Jolla, штат Калифорния, демонстрируют важность активации НАДФН-оксидазы в процессе вызываемого кетамином нарушения работы парвальбумин-экспрессирующих интернейронов. НАДФН-оксидаза - фермент, генерирующий токсичные реактивные формы кислорода. Упомянутые ингибиторные нейроны играют важную роль в регулировке возбудительных нейросетей мозга, к тому же существуют свидетельства нарушения их активности у больных шизофренией. Поскольку кетамин и другие блокаторы глутаматных NMDA-рецепторов индуцируют поведенческие отклонения, неотличимые от шизофренических, новые данные ставят вопрос - не свойственна ли этой болезни, подобно многим другим заболеваниям нервной системы, особая чувствительность нейронов к воздействию окислительного стресса.

Связывая нейротрансмиттерные гипотезы шизофрении

Быстроразрядные интернейроны, характеризуемые экспрессией кальций-связывающего белка парвальбумина (PV), модулируют кортикальные сети, выделяя гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК), основной тормозной нейромедиатор. Посмертный анализ мозга больных шизофренией показывает сниженное количество нейронов, демонстрирующих этот фенотип (см., напр., Beasley et al., 2002; Hashimoto et al., 2003). Есть свидетельства того, что сами эти интернейроны не отмирают, а лишь уменьшают производство парвальбумина, а вдобавок и глутаматдекарбоксилазы-67 (GAD67), ГАМК-синтезирующего фермента, содержание которого также снижено при шизофрении (см. текст на эту тему на нашем сайте).

Пытаясь увязать указанные ГАМКергические проявления с NMDA-рецепторной глутаматергической сигнальной системой, Behrens с коллегами уже показали ранее, что наличие кетамина в культуре приводит к истощению парвальбумина и GAD67 (Kinney et al., 2006). Эта находка позволила предположить, что блокада NMDA-сигнала в ГАМКергических нейронах вызывает потерю ГАМК-нейротрансмиссии, что в свою очередь освобождает глутаматергические нейроны от ингибиторной иннервации и ведет к усиленному выделению глутамата. Снижение ГАМК-сигнала парвальбумин-экспрессирующих нейронов в рамках этого гипотетического механизма обратной связи является ответом кортикальных нейросетей на избыточную глутаматергическую сигнальную активность.

Сейчас Behrens с коллегами получили данные в поддержку своей модели - они сообщают, что добавление в нейрокультуры мышей, подвергающиеся воздействию кетамина, ГАМК-агониста мусцимола - своеобразный обман, уверяющий нейросистему в том, что ГАМКергические интернейроны работают в нормальном режиме - позволяет защитить ГАМКергические нейроны от потери экспрессии парвальбумина и GAD67.

Окислительный стресс в качестве базового механизма?

Так каков же сам механизм действия NMDA-антагонистов, позволяющий им вызывать потерю PV и ГАМК? Была описана способность NMDA-антагонистов увеличивать концентрацию реактивных форм кислорода как in vivo, так и in vitro (Xia et al., 2002; Zuo et al., 2007), пусть и без установленной причины. Но недавняя новость об обнаружении в мозге NADPH-оксидазы не прошла мимо Behrens и коллег - они задумались о возможной роли этого фермента. Полученные недавно свидетельства говорят о его недооцененной ранее роли в клеточной коммуникации, но все же ключевой его функцией видится генерация высокотоксичного супероксида, разрушающего бактерии в фагоцитах.

Сразу несколько векторов указывают на то, что Behrens и коллегам удалось идентифицировать важный сигнальный путь, задействованный в потере экспрессии парвальбумина и GAD67 в ГАМКергических интернейронах. Они сообщают, что длительное воздействие низких доз кетамина усиливает производство супероксида в культуре первичных нейронов. При этом как чистильщик супероксида (C3), так и ингибитор НАДФН-оксидазы (апоцинин) защищают PV/GAD67-фенотип от кетаминового воздействия.

Возможно, более важным является тот факт, что у живых животных, изначально получивших либо чистильщик, либо ингибитор, действие кетамина было предотвращено. Анализ мышиного префронтального кортекса - зоны, имеющей особое значение для психопатологии шизофрении - показал, что кетамин вызывает обширное повышение концентрации супероксида, снимаемое C3 либо апоцинином. Этот эффект распространился и на PV-позитивные интернейроны, сохранившие экспрессию парвальбумина и GAD67 при профилактической защите животных.

С учетом всего вышесказанного, авторы выдвигают гипотезу: "Вклад NADPH-оксидазы в окислительные механизмы может являться частью не только психотомиметического действия NMDA-R-антагонистов, но и шизофрении, а также иных процессов, при которых в мозге усиливается окислительный стресс." Работа также заинтересует участников продолжающихся дебатов об индукции шизофреноподобных симптомов у здоровых людей, принимающих NMDAR-антагонисты для развлечения (см. ниже комментарий Джона Кристала).

Стоит также отметить, что связь шизофрении с окислительным стрессом недавно была отмечена другими учеными. В частности, исследовались полиморфизмы гена, необходимого для синтеза антиоксидантного пептида глутатиона (см. текст на эту тему). В итоге может оказаться, что окислительный стресс играет при шизофрении гораздо более важную роль, чем предполагалось ранее. Том Фаган (Tom Fagan), schizophreniaforum.org.

=========================================
Комментарий Джона Кристала (John Krystal)

Behrens и коллеги приводят потрясающие новые данные, говорящие о важной роли NADPH-оксидазы в механизме воздействия NMDA-антагониста кетамина на парвальбумин-содержащие (parvalbumin-containing, PVC) быстроразрядные ГАМК-интернейроны. Как демонстрируют авторы, кетамин вызывает активацию NADPH-оксидазы, что приводит к повышению производства супероксида. Этот рост концентрации свободных радикалов, предположительно токсичных для упомянутого типа клеток, ассоциируется с падением экспрессии парвальбумина и GAD67. Предотвращение этих действий кетамина отмечается при ингибировании НАДФН-оксидазы.

Авторы интерпретируют полученные результаты как данные, помогающие объяснить возникновение шизофреноподобных симптомов у здоровых людей при приеме кетамина. По-моему, они дают нам новое понимание тех воздействий, к которым приводит снижение функции NDMA-рецепторов, и могут иметь отношение к шизофрении. Во-первых, они прибавляют веса выводам Kinney, Cunningham и ряду других ученых, обнаруживших экспрессию NR2A-субъединицы NMDA-рецептора на PVC-интернейронах и показавших возможную связь дефицитов функции NMDA-рецептора с понижением экспрессии GAD этими нейронами. Поскольку дефицит экспрессии GAD в PVC-нейронах был описан в посмертных исследованиях кортекса больных шизофренией, новые данные наводят на мысль о том, что эти отклонения могуть быть связаны с активацией НАДФН-оксидазы. Интересно было бы узнать, связано ли это последствие дефицита NMDAR-функции, ассоциированного с шизофренией, со снижением кортикальных уровней глутатиона, также ассоциированных с заболеванием. Глутатион - чистильщик свободных радикалов. Другими словами, возникновение нейрональных ГАМК-дефицитов может быть печальным конвергентным последствием нарушений глутаматергической нейротрансмиссии и наследственных отклонений нейрометаболизма. Эта информация подчеркивает значение новых данных, пока что весьма предварительных, о возможности применения N-ацетилцистеина (N-acetyl-cysteine, NAC) в качестве добавочной терапии при шизофрении. NAC, повышающий внутриклеточный уровень глутатиона, может быть нацелен на клеточные процессы, описанные Behrens и коллегами.

Публикация Behrens также напоминает нам о том, как важно исследовать воздействие кетамина на системном и нейрокогнитивном уровнях. Ведь из нее мы не получим объяснения, почему кетамин приводит к когнитивным нарушениям и вызывает симптомы, ассоциируемые с шизофренией. Здесь, возможно, нам помогут работы таких ученых, как H. Grunze, R. Greene, B. Moghaddam, R. Dingeldine, M. Cunningham и других. Эти исследователи показали, что антагонисты NMDA-рецепторов снижают степень участия PVC-интернейронов в ингибиторных путях, действующих по принципу прямой связи (feed-forward), и таким образом повышают выброс глутамата. При блокаде NMDA-рецепторов, активность этих нейронов ведет к дисфункции - нейроактивность мозга обретает хаотичный вид и нарушается организованная осцилляторная активность сетей. Эти нарушения в функционировании сетей сопровождаются отклонениями в поведении и когнитивными нарушениями у животных и "шизофреноподобными" симптомами и дефицитами в когнитивной сфере у людей. Возможным решением этой проблемы могло бы стать уменьшение выброса глутамата - парадоксальное предложение в отношении заболевания, которое за нарушение кортикальной связности называют "гипоглутаматергическим". Однако и у животных, и у людей лекарства, снижающие выброс глутамата (ламотриджин, агонисты метаботропных глутаматных рецепторов II группы), уменьшают физиологические и поведенческие проявления приема NMDA-антагонистов. Более того, появились обнадеживающие данные о том, что и ламотриджин, и в особенности mGluR II-агонисты могут быть клинически эффективны при шизофрении.

В целом мне представляется, что нам довелось работать в период быстрой конвергенции совершенно разнообразных данных на основании одной находки - обнаруженной некогда способности NMDAR-антагонистов вызывать шизофреноподобные симптомы у здоровых людей.

=============================================
Комментарий Стивена Сигела (Steven Siegel)

Статья Behrens и коллег представляет новые свидетельства механистической связи НАДФН-оксидазы и нарушения нормальной экспрессии белков в некоторых интернейронах после приема кетамина. Представленные данные демонстрируют, что добавление ингибитора НАДФН-оксидазы в питьевую воду животных блокирует действие кетамина на определенный класс интернейронов - парвальбумин-содержащий. Несколько векторов исследований говорят о том, что эта популяция клеток поражена при шизофрении, и что к этому может приводить снижение активности глутаматных рецепторов NMDA-типа. В рассматриваемом исследовании сделан еще один важный шаг - установлена связь снижения NMDAR-опосредованной глутаматной нейротрансмиссии с конкретным внутриклеточным механизмом и молекулярным сигнальным путем. Более того, авторы демонстрируют возможность эффективной блокады клеточных изменений при ингибировании этого сигнального пути, вероятно, открывая новую мишень для терапевтического воздействия.

Это ведет нас к двум важным вопросам:
1) Могут ли ингибиторы НАДФН-оксидазы, либо иное воздействие на эти механизмы, предотвратить наступление шизофрении в продромном периоде?
2) Обратимо ли снижение экспрессии парвальбумина? Средства, подобно кетамину снижающие активность NMDA-рецепторов, в некоторых исследованиях ведут к гибели клеток, что может ограничить наш выбор одними превентивными мерами. С другой стороны, есть свидетельства того, что парвальбумин-содержащие клетки при шизофрении не отмирают, а происходит лишь нарушение их функций и потеря экспрессии этого конкретного белка. Последний вариант дает надежду на реверсию отклонений, вызванных болезнью. Учитывая то, что кетамин также вызывает множество функциональных изменений у животных, в том числе в электрической активности мозга и в поведении, настоящая работа закладывает основы будущих исследований, которые и определят, можно ли ко-андминистрацией ингибиторов НАДФН-оксидазы заблокировать функциональные последствия приема кетамина и, как следствие, вызывать общее снижение NMDA-рецепторной активности.

============================================

Комментарий Дэна Джавита (Dan Javitt)

Исследование, проведенное Berhens и коллегами, представляет собой прекрасную иллюстрацию того, как разрыв с традиционными парадигмами способен привести к идентификации новых терапевтических мишеней, связанных с шизофренией. На страницах сайта SRF (например, в интервью Дэвида Льюиса) и в цитируемых статьях Френсин Бенес (Francine Benes) детально описывается одна из наиболее устойчивых находок при шизофрении - снижение экспрессии парвальбумина (PV) и глутаматдекарбоксилазы-67 (GAD67) в PV+ ГАМКергических нейронах. Дисфункция этих нейронов, в свою очередь, может быть причиной фронтальных нейрокогнитивных и допаминергических нарушений. Однако поиск причин таких изменений в ГАМКергических интернейронах до сих пор носил непоследовательный характер.

NMDA-дисфункция всегда считалась одним из наиболее вероятных источников снижения экспрессии PV и GAD67 в мозге больных шизофренией, так как ГАМК-интернейронам свойственна высокая экспрессия NMDA-рецепторов. Этот факт, наряду с известной способностью NMDA-антагонистов вызывать шизофреноподобные симптомы и нейрокогнитивные отклонения, отмечается Berhens и коллегами. В прошлом году Kinney et al. продемонстрировали in vitro снижение экспрессии PV и GAD67 ГАМКергическими нейронами под воздействием NMDA-антагониста кетамина (Kinney et al., 2006). Эти данные послужили фундаментом для настоящего исследования, показавшего подобное изменение in vitro. Авторы пошли дальше, продемонстрировав, что эти изменения можно повернуть вспять антагонистами НАДФН-оксидазы, выявив тем самым потенциальную мишень для терапевтического воздействия.

Итак, к длинному списку находок, условно располагаемых "вниз по течению" от непосредственно связываемого с болезнью дефицита NMDA-опосредованной нейротрансмиссии, авторами добавлены факты снижения экспрессии GAD67 и PV в ГАМКергических PV+ интернейронах. Работа также говорит в пользу разработки вмешательств, специфически направленных на фронтальные ГАМКергические интернейроны, а также в более общем плане на сниженную NMDA-активность мозга. Более того, использованный авторами клеточный препарат может пригодиться при тестировании новых глутаматергических средств.

И все же в статье Behrens et al. множество вопросов остались неотвеченными. Например, потеря PV и GAD67 при шизофрении не ограничивается префронтальной корой. Следовательно, было бы интересно узнать, ограничены ли этой зоной мозга гистологические изменения, вызываемые кетамином. Как и в случае со всеми предлагаемыми фармацевтическими мишенями, важно также узнать о процессах, в которых участвует НАДФН-оксидаза как в мозге, так и за его пределами, прежде чем всерьез предлагать воздействие на этот механизм. Одно дело - обратить вспять специфический дефицит в краткосрочной модели, другое - подступиться к долговременной терапии. На первый взгляд, мы видим фермент весьма общего действия, НАДФН-оксидазу, избранным в качестве мишени для исправления весьма специфического состояния. Тем не менее, если долговременная блокада активности НАДФН-оксидазы во всем организме окажется безопасной, предложенные находки смогут проложить путь новым лекарствам от шизофрении.


============================================

Комментарий Джеймса Конига и Джулии Маркхэм
(James I. Koenig, Julie Markham; 10 декабря 2007)

Роль реактивных форм кислорода в патогенезе шизофрении в настоящее время неясна. Различные данные говорят о повышенном синтезе этих реактивных молекул при шизофрении вследствие недостатка важных буферов супероксида, таких как глутатион. В то же время в других работах предполагается, что антипсихотики сами приводят к увеличению производства кислородных радикалов. Данные, опубликованные Behrens и коллегами на этой неделе в журнале Science, подтверждают участие реактивных форм кислорода в патофизиологии шизофрении. Ранее авторы показали, что воздействие NMDA-антагониста на первичные культуры кортикальных нейронов приводит к потере GAD67 и парвальбумина (PV; кальций-связывающий белок) в PV-позитивных ГАМКергических интернейронах (Kinney et al., 2006). Подобные изменения наблюдаются при посмертном анализе тканей мозга больных шизофренией (напр., Volk et al., 2000; Hashimoto et al., 2003). В проведенном ими исследовании кетамин вызвал усиленный синтез реактивных молекул как in vitro (после промывания культуры нейронов), так и in vivo (после двух инъекций препарата мышам). Более того, ингибирование фермента NADPH-оксидазы предотвращало снижение экспрессии и PV, и GAD67. Такое ингибирование, по предположению авторов, может стать новым методом терапии как кетамин-обусловленного психоза, так и шизофрении.

Хотя результаты несомненно впечатляют, следует прояснить ограничения подхода, избранного авторами, и предупредить от чрезмерного энтузиазма по отношению к ингибиторам НАДФН-оксидазы в качестве терапии шизофрении. Несмотря на вынесенную в заголовок фразу о "потере эндофенотипа быстроразрядных интернейронов", падение экспрессии PV и GAD67 в нейронах, остающихся PV-позитивными, не означает потери фенотипа, а вызванное кетамином повышение синтеза супероксида не было специфичным для интернейронов (лишь 5-10 процентов первичных кортикальных нейронных культур PV-позитивны, в то время как эффект наблюдался по всему массиву исследуемых клеток). К тому же, несмотря на схожесть наблюдаемых изменений с шизофреническими, есть и важные различия. Например, в то время как внутриклеточная экспрессия PV при шизофрении снижена (Hashimoto et al., 2003), уровни мРНК GAD67 в клетках больных шизофренией не отличаются от контрольных; вероятно, снижение транскрипции этого фермента обусловлено снижением числа экспрессирующих его нейронов. В противовес этому, Behrens с коллегами сообщают о снижении PV- и GAD67-экспрессии одними и теми же клетками. Это может быть просто результатом того, что Behrens и коллеги предпочли измерять уровни самих протеинов, однако факт несовпадения необходимо отметить.


Вероятно, важнейшим ограничивающим фактором в выполненной работе стало отсутствие функциональной мерки, позволяющей разрешить вопрос - приводит ли вызванное кетамином снижение экспрессии PV и GAD67 в кортикальных интернейронах к появлению какого-либо из ассоциируемых с шизофренией эндофенотипов, возможно ли их таким образом смоделировать. В моделировании шизофрении у животных посредством воздействия на их развитие отмечается большой прогресс (обзор в Carpenter and Koenig), и неясно, насколько сравнимы с этим функциональные последствия краткого фармакологического воздействия на взрослых животных, использованного в настоящем исследовании. Сами по себе результаты уже внушают надежду, но они могли бы стать намного убедительнее. Для этого авторам нужно было выявить какой-нибудь функциональный дефицит и продемонстрировать, что применение ингибиторов НАДФН-оксидазы предотвращает его появление. К сожалению, столь короткое воздействие кетамином вряд ли вызовет один из дефицитов. Что, кстати, и хорошо, ведь кетамин популярен среди медиков, использующих его для общей анестезии человека и животных. Вдобавок, использование кетамина в несмертельных хирургических операциях на животных является рутинной процедурой для неисчислимой армии исследователей; даже в случаях, когда план эксперимента включает неоднократное применение анестезии, не отмечается никаких серьезных функциональных отклонений. Наше заключение таково - хотя кетамин и вызывает нейропатологические отклонения, в некоторых аспектах подобные наблюдаемым при шизофрении, энтузиазм по поводу возможностей терапии кетамин-обусловленного синтеза супероксида нужно сдерживать до тех пор, пока не будет продемонстрировано, что такая терапия обращает вспять какой-нибудь связанный с болезнью функциональный дефицит.


==========================================

Комментарий Гэвина Рейнольдса (Gavin Reynolds), 10 декабря 2007 года:

В течение двух десятилетий после выхода работы Benes et al. все очевиднее становился дефицит кортикальных ГАМКергических нейронов при шизофрении. Десять лет назад мы обнаружили специфические отклонения в парвальбумин-содержащих, но не в калретинин-содержащих, нейронах. Недавно дефицит в клетках этой подгруппы был отмечен в животных моделях заболевания. Многократное применение неконкурентных антагонистов рецептора NMDA, таких как PCP, MK801, и кетамин, может вызывать у крыс поведенческие отклонения, напоминающие шизофрению, а также ведет к стойким дефицитам экспрессии PV.

Беренс с коллегами идентифицировали некоторые из молекулярных механизмов, определяющих этот нейротоксичный фактор действия кетамина и, возможно, других NMDA-антагонистов. Неудивительно, что эффект кетамина предполагает генерацию реактивных форм кислорода, ведь производство окислительных свободных радикалов часто отмечается при нейротоксичных процессах. Однако обнаружение роли НАДФН-оксидазы в производстве ROS в ответ на воздействие кетамина, а также демонстрация того, что этот процесс определяет последующие токсические эффекты кетамина в PV+ и иных нейронах, является потенциально важным шагом вперед.

Оценка важности этих находок при шизофрении основана на предположении, что многократное применение кетамина, и, вероятно, других NMDA-антагонистов не только моделирует (некоторые) аспекты патофизиологии шизофрении, но и имитирует процесс, вызывающий эту нейропатологию. Это отнюдь не доказано, хотя гипотеза Олни и Фарбера (Olney, Farber) о гипофункции NMDA-рецептора представляет собой полезную модель патогенеза.

Полезной проверкой этой концепции стало бы её рассмотрение в отрыве от фармакологического подхода, на иных животных моделях заболевания. Одна из них - парадигма изолированного взращивания; в этой модели индуцирование "шизофреноподобных" аспектов поведения также сопровождается дефицитом PV-содержащих нейронов (Harte et al., 2007). Простой, но очень информативный вариант исследования может заключаться в определении того, защищает ли ингибирование НАДФН-оксидазы от развития дефицитов. Конечно, неясно, как NMDA-опосредованные отклонения расположены по времени в ходе естественного развития шизофрении; мы не знаем, на каком этапе заболевания возникает недостаток PV. Некоторая надежда на целевую терапию, например, ингибиторами НАДФН-оксидазы, может быть в том случае, если нейрональная патология сопровождает нейротоксичный процесс, стоящий, по Олни и Фарберу, за прогрессирующими когнитивными нарушениями, но не в том случае, если дефициты PV связаны с ранней и первичной патологией заболевания.

============================================

Комментарий Кеннета Джонсона (Kenneth Johnson)
18 декабря 2007

В недавнем исследовании Беренс и коллегами получены in vitro-свидетельства того, что блокада NMDA-рецепторов кетамином приводит к селективному снижению уровней PV и GAD67, вероятно, по вине токсичных анионов супероксида, чья концентрация растет при активации НАДФН-оксидазы. Блокада сублетального, токсического воздействия кетамина на нейрокультуру согласуется с нашей публикацией, в которой говорится о том, что апоптозное влияние фенциклидина (PCP) на кортикальные нейроны in vivo также может быть предотвращено применением миметика супероксиддисмутазы M40403 (Wang et al., 2003). Хотя их действие, судя по всему, неспецифично, миметики супероксиддисмутазы могут оказаться полезными в терапии психозов, вызванных кетамином или PCP, поскольку относительно небольшое число жизненных процессов зависят от анионов супероксида. Возможно, что более важно, улучшенное понимание механизмов кетамин-индуцируемой потери PV/GAD67 может привести к новым методикам лечения шизофрении.

Хотя Беренс с коллегами сфокусировали свое внимание в статье преимущественно на PV+ ГАМКергических интернейронах, на рис.1 ясно показано, что кетамин также затронул большую популяцию нейронов, не экспрессирующих парвальбумин. Это согласуется с результатами экспериментов, недавно проведенных нами in vivo. Мы исследовали крыс в процессе развития и отметили, что применение PCP на седьмой постнатальный день (PN7) вызывает апоптоз кортикальных PV-содержащих интернейронов, а также первичных нейронов в кортикальных слоях II-IV (Wang et al., 2007). Ранняя постнатальная администрация PCP также приводит к апоптозу нейронов в гиппокампе, стриатуме и таламусе (Wang, Johnson, 2007). Следовательно, ограничивать свое внимание одной популяцией интернейронов может быть преждевременно.

Размышляя о механизме, приводящем к селективной потере PV-интернейронов после приема PCP, важно учитывать тот факт, что на PN7 - срок введения PCP в нашем эксперименте, PV еще не экспрессирован (Wang et al., 2007). (Потеря PV-содержащих интернейронов измерялась на PN56, что значительно позже дебюта экспрессии PV, отмечаемого примерно на 10-й день.) Интересно то, что интернейроны, экспрессирующие калретинин и калбиндин на момент применения PCP, остались незатронутыми. Не было отмечено колокализации этих нейронов с клеточными маркерами апоптоза (terminal dUTP nick-end labeling [TUNEL] of broken DNA or cleaved caspase-3) - признак наличия у калретинин- и калбиндин-содержащих нейронов некоей защиты, позволившей им избежать токсического действия PCP и дожить до взрослого состояния организма (Wang et al., 2007). Механизм, обеспечивающий селективную чувствительность PV-содержащих интернейронов, неизвестен, но, как предполагают Беренс и коллеги, причиной может то, что для выживания этим клеткам требуется получать довольно сильную глутаматергическую иннервацию. Вероятно также, что различная способность связывать кальций, присущая разным типам интернейронов, может играть роль в селективном нейротоксическом эффекте NMDA-блокады. То есть, поскольку кальций-связывающие белки могут также служить буфером при снижении внутриклеточных уровней Ca2+ вследствие кетаминовой NMDA-блокады, возможно, недостаток PV в этих чувствительных интернейронах снижает способность таких клеток создавать адекватные буферные запасы и противостоять кетамин-обусловленной потере внутриклеточного кальция. Это согласуется с отсутствием воздействия на другие интернейроны, экспрессирующие кальций-связывающие белки калретинин и калбиндин на момент применения PCP. Возможно, NMDA-блокада способна вызывать потерю PV-нейронов, действуя специфически на критической стадии развития. Однако не было отмечено колокализации расщеплённой каспазы-3 (что служит признаком апоптоза) с BrdU, специфическим маркером пролиферации в S-фазе (Wang et al., 2007). Эти данные наводят на мысль о том, что потеря PV-содержащих нейронов в данной парадигме происходит не из-за действия PCP на пролиферирующие нейроны, а скорее вследствие действия на постмитотические нейроны.

Недавно мы сообщали о том, что PCP вызывает апоптоз нейронов в кортикальной культуре, вмешиваясь в каскад Akt-GSK-3β, необходимый для нейронального выживания в период развития (Lei et al., 2007). Более того, укрепляя синапсы различными способами, например, повышая кальциевый ток активацией кальциевых каналов L-типа, удается полностью заблокировать PCP-вызванную гибель клеток усилением фосфорилирования Akt. Было бы интересно узнать, реагируют ли подобным образом PV-содержащие интернейроны.

Чтобы по-настоящему оценить значимость кетамин-обусловленной потери PV-содержащих нейронов, необходимо будет тщательно сравнить in-vivo те дозозависимые последствия воздействия кетамина или PCP, что действительно характерны лишь для PV/GAD67-содержащих интернейронов, с кортикально обусловленными поведенческими проявлениями, имеющими отношение к шизофрении.

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.