Формирование особо устойчивой долговременной памяти в модели посттравматического стрессового расстройства у мышей
- Авторы: Заморина Т.А.1, Торопова К.А.1, Ивашкина О.И.1, Анохин К.В.1,2
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 742-747
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://bakhtiniada.ru/2313-1829/article/view/256314
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623279
- ID: 256314
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Память — определяющее свойство когнитивных систем. Ключевая функция памяти, осуществляемая мозгом человека и животных, — возможность с одного раза и надолго, нередко на всю жизнь, запоминать релевантные события, не нарушая данный памятный след обучением в других задачах. Выявление механизмов такой долговременной памяти является одной из ключевых нерешённых задач нейронауки. Однако надёжной экспериментальной модели однократной пожизненной памяти у лабораторных животных, позволяющей исследовать лежащие в её основе нейробиологические механизмы, до сих пор разработано не было. Мы предположили, что такая модель может быть создана на основе животной модели посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) [1]. В модели на мышах ПТСР индуцируют нанесением сильного электрокожного раздражения лап (ЭКР), вследствие чего мыши формируют устойчивую к угашению память о травме, сопровождающуюся перестройками в поведении, которые носят долговременный характер [1]. Мы предположили, что подобная модель может стать основой для исследования механизмов, лежащих в основе устойчивой долговременной памяти.
Основным аргументом в пользу использования модели ПТСР как модели такой долговременной памяти является повышенная устойчивость травматической памяти по сравнению с обычной аверсивной памятью [2]. В качестве инструмента для оценки устойчивости памяти могут быть использованы амнестические агенты, такие как блокаторы синтеза белка, в связи с тем, что синтез белка необходим для консолидации долговременной памяти [3]. Также было показано, что введение блокатора синтеза белка мышам перед травматическим опытом нарушает у них развитие ПТСР в модели индукции расстройства при предъявлении запаха хищника [4]. Однако неизвестно, как влияет нарушение травматической памяти на развитие ПТСР при нанесении сильного ЭКР и что происходит с памятью в долгосрочной перспективе — сохраняется ли нарушение, например, спустя месяц после воздействия.
Учитывая наличие стадии консолидации, зависимой от синтеза белка, при формировании травматической памяти, и перестроек системы стрессорного ответа, сопровождающих ПТСР, Siegmund и Wotjak [1] предложили двухкомпонентную гипотезу индукции расстройства. Согласно этой гипотезе, формирование ПТСР включает ассоциативный компонент — память об обстановке события, и неассоциативный — сенситизацию системы ответа на стресс, которые взаимно усиливают друг друга. Кроме того, известно, что формирование нормальной аверсивной памяти нарушается, если при обучении животные получают немедленное аверсивное раздражение, не имея таким образом времени для формирования обстановочной памяти [5]. Учитывая вышесказанное, мы предположили, что разделение во времени двух компонентов травматического опыта, экспозиции в обстановке травмы и самого травматического воздействия, может привести к нарушению развития ПТСР.
Цель исследования. Экспериментальное моделирование и изучение нейробиологических механизмов формирования особо устойчивой долговременной памяти после однократного обучения у взрослых мышей. В работе мы охарактеризовали поведенческие показатели животных через разные периоды времени после травматического или аверсивного опыта, а также оценили устойчивость травматической и нормальной аверсивной памяти при блокаде синтеза белка в мозге. Кроме того, мы исследовали возможность формирования долговременной травматической памяти у мышей после нанесения им сильного ЭКР в предварительно незапомненной обстановке, а также при расставлении во времени формирования памяти об обстановке и травматического воздействия.
В работе использовали самцов мыши линии C57Bl/6 в возрасте 3–4 месяца и 15–18 месяцев (в эксперименте на пожилых мышах). Дли индукции ПТСР животных помещали в камеру с электрифицированным полом и через 170 с подвергали травматическому опыту (3 удара током, силой 1,5 мА, длительностью 10 с) затем оставляли в камере на 60 с. Для формирования нормальной аверсивной памяти наносили ЭКР умеренной интенсивности (1 удар током, силой 1,0 мА, длительностью 2 с), которое приводит к формированию условного рефлекса замирания (УРЗ). Для тестирования сформированной памяти животных вновь помещали в остановку обучения через 7 дней. Для тестирования поведенческой сенситизации, сопровождающей развитие ПТСР, — в новую незнакомую остановку, не похожую на обстановку обучения, где животным предъявляли незнакомый звук, в норме не вызывающий замирания у мышей. Для оценки степени генерализации страха, ещё одного типичного симптома ПТСР, мышей помещали в обстановку, напоминающую обстановку обучения. Кроме того, в некоторых экспериментах дополнительно использовали безопасную для животных обстановку. Уровень страха животных оценивали по длительности эпизодов замирания. Уровень тревожности оценивали в классическом тесте «приподнятый крестообразный лабиринт» (ПКЛ).
В рамках разработки модели пожизненной памяти мы сравнивали поведенческие показатели животных, обученных в модели ПТСР (группа ПТСР), парадигмы УРЗ (группа УРЗ) и группы активного контроля (АК), животные которой не получали аверсивного воздействия в обстановке эксперимента, спустя 7 дней, 1 и 3 месяца после обучения. После индукции ПТСР мыши демонстрировали повышенный уровень страха до 3 месяцев и повышенный уровень сенситизации и генерализации страха через 7 дней после воздействия по сравнению с группами УРЗ и АК. Кроме того, для группы ПТСР был характерен более высокий уровень замирания до 1 месяца и сниженное количество заходов в закрытые рукава ПКЛ до 3 месяцев после индукции по сравнению с группами УРЗ и АК. Группа УРЗ также демонстрировала повышенный уровень страха в течение 3 месяцев в обстановке обучения по сравнению с группой АК, однако данный показатель не превышал уровня страха характерного для группы ПТСР. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что ассоциативная память, формирующаяся в модели ПТСР у мышей, сохраняется в течение как минимум 3 месяцев, тогда как обычная аверсивная память к этому моменту угасает и слабо манифестируется в поведении. Таким образом, предварительные результаты дают основание полагать, что индукция ПТСР действительно может служить моделью устойчивой долговременной памяти у лабораторных животных, в отличие от парадигмы УРЗ.
В связи с тем, что при разработке модели пожизненной памяти предполагается проведение тестирования спустя полгода и год после обучения, то есть у достаточно пожилых животных, встаёт вопрос о том, как влияет старение на формирование и хранение памяти в модели ПТСР и парадигме УРЗ. Чтобы охарактеризовать формирование травматической и аверсивной памяти у животных при старении лабораторных мышей мы исследовали формирование ПТСР и УРЗ у мышей возрастом 15–18 месяцев. У мышей группы ПТСР был повышен уровень страха в обстановке обучения, а также происходило усиление страха в новых обстановках, по сравнению с животными с обычной аверсивной памятью, а также повышение уровня тревожности в тесте ПКЛ по сравнению с контрольными животными. Таким образом, у пожилых мышей происходит формирование травматической памяти и развитие симптомов ПТСР, что позволяет проводить тестирование при разработке модели долговременной памяти на поздних сроках жизни животных.
Для характеристики устойчивости травматической памяти мы использовали блокатор синтеза белка — циклогексимид (ЦГМ). Блокатор вводили внутрибрюшинно за 30 минут до индукции ПТСР или обучения в парадигме УРЗ в дозе 95 мг/кг (группы ПТСР-ЦГМ и УРЗ-ЦГМ). Контрольные группы животных получали инъекцию физиологического раствора (ФР; группы ПТСР-ФР и УРЗ-ФР). Группа УРЗ-ЦГМ демонстрировала сниженный уровень страха по сравнению с группой, получившей инъекцию ФР спустя 7 и 30 дней после воздействия. Тогда как животные группы ПТСР-ЦГМ имели такой же уровень страха, как мыши группы УРЗ-ФР, и не демонстрировали повышенного уровня сенситизации или генерализации. Таким образом, в отличие от обычной аверсивной памяти, которая полностью нарушается введением блокатора синтеза белка при обучении, травматическая память может быть лишь частично ослаблена в результате блокады синтеза белка в момент её формирования, что говорит о её особой устойчивости к нарушающим воздействиям.
Для тестирования гипотезы о том, что при формировании устойчивой памяти в модели ПТСР имеют место два взаимосвязанных процесса — формирование обстановочной памяти и индукция неспецифических перестроек системы стрессорного ответа как реакция на само травматическое воздействие — мы исследовали возможность формирования травматической памяти при отставлении по времени обследования обстановки и нанесения ЭКР. Как при расставлении во времени экспозиции в обстановке и сильного ЭКР, так и при получении животными только немедленного сильного ЭКР мыши демонстрировали в обстановке обучения такой же уровень страха, как и мыши, получившие ЭКР умеренной силы спустя 7 дней после воздействия. Кроме того, при расставлении во времени экспозиции и травматического воздействия животные не развивали повышенного уровня страха, свойственного для животных с ПТСР, при попадании в незнакомую обстановку, а также имели более низкий уровень тревожности. Таким образом, при расставлении по времени предэкспозиции в обстановке и травматического воздействия, а также при немедленном травматическом воздействии у мышей не нарушается формирование ассоциативной аверсивной памяти, но не происходит индукции ПТСР. Следовательно, наличие сформированной обстановочной памяти является необходимым для формирования травматической памяти и развития ПТСР у мышей.
На основе полученных нами результатов мы сделали следующие выводы. Аверсивная память имеет тенденцию к угасанию со временем, тогда как травматическая память остается устойчивой по крайней мере спустя 3 месяца после индукции, что делает ПТСР подходящей кандидатной лабораторной моделью особо устойчивой долговременной памяти. У пожилых мышей (15–18 месяцев) в модели индукции ПТСР происходит такое же, как и у молодых животных (3–4 месяца), формирование травматической памяти и развитие симптомов ПТСР. Для развития ПТСР у мышей необходимо совпадение по времени формирования памяти об обстановке, в которой произошло получение травмы и самого травмирующего воздействия.
Полный текст
Память — определяющее свойство когнитивных систем. Ключевая функция памяти, осуществляемая мозгом человека и животных, — возможность с одного раза и надолго, нередко на всю жизнь, запоминать релевантные события, не нарушая данный памятный след обучением в других задачах. Выявление механизмов такой долговременной памяти является одной из ключевых нерешённых задач нейронауки. Однако надёжной экспериментальной модели однократной пожизненной памяти у лабораторных животных, позволяющей исследовать лежащие в её основе нейробиологические механизмы, до сих пор разработано не было. Мы предположили, что такая модель может быть создана на основе животной модели посттравматического стрессового расстройства (ПТСР) [1]. В модели на мышах ПТСР индуцируют нанесением сильного электрокожного раздражения лап (ЭКР), вследствие чего мыши формируют устойчивую к угашению память о травме, сопровождающуюся перестройками в поведении, которые носят долговременный характер [1]. Мы предположили, что подобная модель может стать основой для исследования механизмов, лежащих в основе устойчивой долговременной памяти.
Основным аргументом в пользу использования модели ПТСР как модели такой долговременной памяти является повышенная устойчивость травматической памяти по сравнению с обычной аверсивной памятью [2]. В качестве инструмента для оценки устойчивости памяти могут быть использованы амнестические агенты, такие как блокаторы синтеза белка, в связи с тем, что синтез белка необходим для консолидации долговременной памяти [3]. Также было показано, что введение блокатора синтеза белка мышам перед травматическим опытом нарушает у них развитие ПТСР в модели индукции расстройства при предъявлении запаха хищника [4]. Однако неизвестно, как влияет нарушение травматической памяти на развитие ПТСР при нанесении сильного ЭКР и что происходит с памятью в долгосрочной перспективе — сохраняется ли нарушение, например, спустя месяц после воздействия.
Учитывая наличие стадии консолидации, зависимой от синтеза белка, при формировании травматической памяти, и перестроек системы стрессорного ответа, сопровождающих ПТСР, Siegmund и Wotjak [1] предложили двухкомпонентную гипотезу индукции расстройства. Согласно этой гипотезе, формирование ПТСР включает ассоциативный компонент — память об обстановке события, и неассоциативный — сенситизацию системы ответа на стресс, которые взаимно усиливают друг друга. Кроме того, известно, что формирование нормальной аверсивной памяти нарушается, если при обучении животные получают немедленное аверсивное раздражение, не имея таким образом времени для формирования обстановочной памяти [5]. Учитывая вышесказанное, мы предположили, что разделение во времени двух компонентов травматического опыта, экспозиции в обстановке травмы и самого травматического воздействия, может привести к нарушению развития ПТСР.
Цель исследования. Экспериментальное моделирование и изучение нейробиологических механизмов формирования особо устойчивой долговременной памяти после однократного обучения у взрослых мышей. В работе мы охарактеризовали поведенческие показатели животных через разные периоды времени после травматического или аверсивного опыта, а также оценили устойчивость травматической и нормальной аверсивной памяти при блокаде синтеза белка в мозге. Кроме того, мы исследовали возможность формирования долговременной травматической памяти у мышей после нанесения им сильного ЭКР в предварительно незапомненной обстановке, а также при расставлении во времени формирования памяти об обстановке и травматического воздействия.
В работе использовали самцов мыши линии C57Bl/6 в возрасте 3–4 месяца и 15–18 месяцев (в эксперименте на пожилых мышах). Дли индукции ПТСР животных помещали в камеру с электрифицированным полом и через 170 с подвергали травматическому опыту (3 удара током, силой 1,5 мА, длительностью 10 с) затем оставляли в камере на 60 с. Для формирования нормальной аверсивной памяти наносили ЭКР умеренной интенсивности (1 удар током, силой 1,0 мА, длительностью 2 с), которое приводит к формированию условного рефлекса замирания (УРЗ). Для тестирования сформированной памяти животных вновь помещали в остановку обучения через 7 дней. Для тестирования поведенческой сенситизации, сопровождающей развитие ПТСР, — в новую незнакомую остановку, не похожую на обстановку обучения, где животным предъявляли незнакомый звук, в норме не вызывающий замирания у мышей. Для оценки степени генерализации страха, ещё одного типичного симптома ПТСР, мышей помещали в обстановку, напоминающую обстановку обучения. Кроме того, в некоторых экспериментах дополнительно использовали безопасную для животных обстановку. Уровень страха животных оценивали по длительности эпизодов замирания. Уровень тревожности оценивали в классическом тесте «приподнятый крестообразный лабиринт» (ПКЛ).
В рамках разработки модели пожизненной памяти мы сравнивали поведенческие показатели животных, обученных в модели ПТСР (группа ПТСР), парадигмы УРЗ (группа УРЗ) и группы активного контроля (АК), животные которой не получали аверсивного воздействия в обстановке эксперимента, спустя 7 дней, 1 и 3 месяца после обучения. После индукции ПТСР мыши демонстрировали повышенный уровень страха до 3 месяцев и повышенный уровень сенситизации и генерализации страха через 7 дней после воздействия по сравнению с группами УРЗ и АК. Кроме того, для группы ПТСР был характерен более высокий уровень замирания до 1 месяца и сниженное количество заходов в закрытые рукава ПКЛ до 3 месяцев после индукции по сравнению с группами УРЗ и АК. Группа УРЗ также демонстрировала повышенный уровень страха в течение 3 месяцев в обстановке обучения по сравнению с группой АК, однако данный показатель не превышал уровня страха характерного для группы ПТСР. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что ассоциативная память, формирующаяся в модели ПТСР у мышей, сохраняется в течение как минимум 3 месяцев, тогда как обычная аверсивная память к этому моменту угасает и слабо манифестируется в поведении. Таким образом, предварительные результаты дают основание полагать, что индукция ПТСР действительно может служить моделью устойчивой долговременной памяти у лабораторных животных, в отличие от парадигмы УРЗ.
В связи с тем, что при разработке модели пожизненной памяти предполагается проведение тестирования спустя полгода и год после обучения, то есть у достаточно пожилых животных, встаёт вопрос о том, как влияет старение на формирование и хранение памяти в модели ПТСР и парадигме УРЗ. Чтобы охарактеризовать формирование травматической и аверсивной памяти у животных при старении лабораторных мышей мы исследовали формирование ПТСР и УРЗ у мышей возрастом 15–18 месяцев. У мышей группы ПТСР был повышен уровень страха в обстановке обучения, а также происходило усиление страха в новых обстановках, по сравнению с животными с обычной аверсивной памятью, а также повышение уровня тревожности в тесте ПКЛ по сравнению с контрольными животными. Таким образом, у пожилых мышей происходит формирование травматической памяти и развитие симптомов ПТСР, что позволяет проводить тестирование при разработке модели долговременной памяти на поздних сроках жизни животных.
Для характеристики устойчивости травматической памяти мы использовали блокатор синтеза белка — циклогексимид (ЦГМ). Блокатор вводили внутрибрюшинно за 30 минут до индукции ПТСР или обучения в парадигме УРЗ в дозе 95 мг/кг (группы ПТСР-ЦГМ и УРЗ-ЦГМ). Контрольные группы животных получали инъекцию физиологического раствора (ФР; группы ПТСР-ФР и УРЗ-ФР). Группа УРЗ-ЦГМ демонстрировала сниженный уровень страха по сравнению с группой, получившей инъекцию ФР спустя 7 и 30 дней после воздействия. Тогда как животные группы ПТСР-ЦГМ имели такой же уровень страха, как мыши группы УРЗ-ФР, и не демонстрировали повышенного уровня сенситизации или генерализации. Таким образом, в отличие от обычной аверсивной памяти, которая полностью нарушается введением блокатора синтеза белка при обучении, травматическая память может быть лишь частично ослаблена в результате блокады синтеза белка в момент её формирования, что говорит о её особой устойчивости к нарушающим воздействиям.
Для тестирования гипотезы о том, что при формировании устойчивой памяти в модели ПТСР имеют место два взаимосвязанных процесса — формирование обстановочной памяти и индукция неспецифических перестроек системы стрессорного ответа как реакция на само травматическое воздействие — мы исследовали возможность формирования травматической памяти при отставлении по времени обследования обстановки и нанесения ЭКР. Как при расставлении во времени экспозиции в обстановке и сильного ЭКР, так и при получении животными только немедленного сильного ЭКР мыши демонстрировали в обстановке обучения такой же уровень страха, как и мыши, получившие ЭКР умеренной силы спустя 7 дней после воздействия. Кроме того, при расставлении во времени экспозиции и травматического воздействия животные не развивали повышенного уровня страха, свойственного для животных с ПТСР, при попадании в незнакомую обстановку, а также имели более низкий уровень тревожности. Таким образом, при расставлении по времени предэкспозиции в обстановке и травматического воздействия, а также при немедленном травматическом воздействии у мышей не нарушается формирование ассоциативной аверсивной памяти, но не происходит индукции ПТСР. Следовательно, наличие сформированной обстановочной памяти является необходимым для формирования травматической памяти и развития ПТСР у мышей.
На основе полученных нами результатов мы сделали следующие выводы. Аверсивная память имеет тенденцию к угасанию со временем, тогда как травматическая память остается устойчивой по крайней мере спустя 3 месяца после индукции, что делает ПТСР подходящей кандидатной лабораторной моделью особо устойчивой долговременной памяти. У пожилых мышей (15–18 месяцев) в модели индукции ПТСР происходит такое же, как и у молодых животных (3–4 месяца), формирование травматической памяти и развитие симптомов ПТСР. Для развития ПТСР у мышей необходимо совпадение по времени формирования памяти об обстановке, в которой произошло получение травмы и самого травмирующего воздействия.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Исследование выполнено при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета «Мозг, когнитивные системы, искусственный интеллект», гранта РФФИ № 20-015-00427, а также Некоммерческого Фонда развития науки и образования «Интеллект».
Об авторах
Т. А. Заморина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: motorina1814@mail.ru
Россия, Москва
К. А. Торопова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: motorina1814@mail.ru
Россия, Москва
О. И. Ивашкина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: motorina1814@mail.ru
Россия, Москва
К. В. Анохин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Научно-исследовательский институт нормальной физиологии им. П.К. Анохина
Email: motorina1814@mail.ru
Россия, Москва; Москва
Список литературы
- Siegmund A., Wotjak C.T. A mouse model of posttraumatic stress disorder that distinguishes between conditioned and sensitised fear // Journal of Psychiatric Research. 2007. Vol. 41, N 10. P. 848–860. doi: 10.1016/j.jpsychires.2006.07.017
- Milad M.R., Orr S.P., Lasko N.B., et al. Presence and acquired origin of reduced recall for fear extinction in PTSD: results of a twin study // Journal of Psychiatric Research. 2008. Vol. 42, N 7. P. 515–520. doi: 10.1016/j.jpsychires.2008.01.017
- Kwapis J.L., Jarome T.J., Schiff J.C., Helmstetter F.J. Memory consolidation in both trace and delay fear conditioning is disrupted by intra-amygdala infusion of the protein synthesis inhibitor anisomycin // Learning & Memory. 2011. Vol. 18, N 11. P. 728–732. doi: 10.1101/lm.023945.111
- Kozlovsky N., Kaplan Z., Zohar J., et al. Protein synthesis inhibition before or after stress exposure results in divergent endocrine and BDNF responses disassociated from behavioral responses // Depression and Anxiety. 2008. Vol. 25, N 5. P. E24–E34. doi: 10.1002/da.20366
- Rudy J.W., Huff N.C., Matus-Amat P. Understanding contextual fear conditioning: insights from a two-process model // Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 2004. Vol. 28, N 7. P. 675–685. doi: 10.1016/j.neubiorev.2004.09.004
Дополнительные файлы
