Связь уровней BDNF в медиальных зонах префронтальной коры крыс при научении с мотивацией формируемого поведения: достижение/избегание

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В статье приведены результаты сравнения выраженности изменений молекулярных маркеров системогенеза при актуализации систем доменов опыта достижения и избегания, отличающихся уровнем вовлечения стресс-реализующих механизмов. С помощью анализа содержания нейротрофического фактора мозга (BDNF) в медиальных зонах префронтальной коры были получены различия, обусловленные мотивацией формируемого поведения: достижения или избегания. Работа проведена на взрослых крысах Long Evans. BDNF выявляли непрямым иммунопероксидазным методом на криогенных срезах мозга. После предварительного поведенческого фенотипирования были сформированы две группы обучения поведению нажатия на педаль: 1) для запуска кормушки и получения пищи; 2) для отключения тока и избегания боли. Количественный анализ иммунореактивности в прелимбической и инфралимбической зонах префронтальной коры выявил значимо меньшее число BDNF-иммунопозитивных клеток у животных группы обучения поведению избегания по сравнению с группой обучения поведению достижения. Также обнаружена связь уровня BDNF с индивидуальными различиями, такими как тревожность и исследовательская активность. Делается вывод о вовлечении медиальных зон префронтальной коры в обеспечение поведения достижения, а также поведения избегания, но в значимо меньшей степени. Обсуждается вероятная роль стресс-индуцированного нейровоспаления в полученных различиях.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. И. Булава

Институт психологии РАН; Московский институт психоанализа

Автор, ответственный за переписку.
Email: bulavaai@ipran.ru
Россия, Москва; Москва

Ю. И. Александров

Институт психологии РАН

Email: bulavaai@ipran.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Александров Ю.И. Дифференциация и развитие. Теория развития: Дифференционно-интеграционная парадигма. Сост. Н.И. Чуприкова. М.: Языки славянских культур. 2009: 17–28.
  2. Александров Ю.И., Булава А.И., Бахчина А.В., Гаврилов В.В., Колбенева М.Г., Кузина Е.А., Знаменская И.И., Русак И.И., Горкин А.Г. Стресс и индивидуальное развитие. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2022. 72 (4): 437–456.
  3. Анохин К.В. Молекулярные сценарии консолидации долговременной памяти. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 1997. 47(2): 261–279.
  4. Анохин П.К. Системогенез как общая закономерность эволюционного процесса. Бюлл. эксп. биол. и мед. 1948. 26(2): 81–99.
  5. Берeзова И.В., Шишкина Г.Т., Калинина Т.С., Дыгало Н.Н. Поведение в тесте вынужденного плавания и экспрессия в мозге крыс генов нейротрофического фактора (BDNF) и антиапоптозного белка Bcl-xl. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2011. 61(3): 332–339.
  6. Бородинова А.А., Саложин С.В. Различия биологических функций BDNF и proBDNF в центральной нервной системе. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2016. 66(1): 3–3.
  7. Булава А.И. Cистемогенез: роль транскрипционных факторов. Новые тенденции и перспективы психологической науки. Отв. ред. А.Л. Журавлев, А.В. Юревич. М.: Институт психологии РАН, 2019. 583–593. ISBN978-5-9270-0393-8
  8. Булава А.И., Волков С.В., Александров Ю.И. Электродная платформа для электроболевой стимуляции животных. Патент на изобретение от 28.12.2017. RU2675174C1. 2017.
  9. Булава А.И., Гринченко Ю.В. Паттерны активаций субрегионов гиппокампа в ситуациях аверсивного и неаверсивного научения. Биомедицинская радиоэлектроника. М.: Радиотехника. 2017. 2: 5–8.
  10. Булава А.И., Назарова А.Г., Гуляева Н.В., Александров Ю.И. Системогенез при психотравмирующем опыте. Способности и ментальные ресурсы человека в мире глобальных перемен. Отв. ред. А.Л. Журавлев, М.А. Холодная, П.А. Сабадош. М.: Институт психологии РАН, 2020. 1527–1537.
  11. Гаврилов В.В., Онуфриев М.В., Моисеева Ю.В., Александров Ю.И., Гуляева Н.В. Хронические социальные стрессы изоляции и скученности по-разному влияют на инструментальное поведение и состояние гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы у крыс. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2021. 71 (5): 710–719.
  12. Сварник О.Е., Анохин К.В., Александров Ю.И. Распределение поведенчески специализированных нейронов и экспрессия транскрипционного фактора c-Fos в коре головного мозга крыс при научении. Журн. высш. нервн. деят. им. И.П. Павлова. 2001. 51(6): 758–761.
  13. Швырков В.Б. Системная детерминация активности нейронов в поведении. Успехи физиологических наук. 1983. 14(1): 45–66.
  14. Aktas O., Smorodchenko A., Brocke S., Infante-Duarte C., Topphoff U.S., Vogt J., Prozorovski T., Meier S., Osmanova V., Pohl E., Bechmann I. Neuronal damage in autoimmune neuroinflammation mediated by the death ligand TRAIL. Neuron. 2005. 46(3): 421–432.
  15. Alexandrov Y.I., Klucharev V., Sams M. Effect of emotional context in auditory-cortex processing. International journal of psychophysiology. 2007. 65(3): 261–271.
  16. Alexandrov Y.I., Pletnikov M.V. Neuronal metabolism in learning and memory: the anticipatory activity perspective. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2022. 137: 104664: 1–9.
  17. Alexandrov Y.I., Sams M.E. Emotion and consciousness: Ends of a continuum. Cognitive brain research. 2005. 25(2): 387–405.
  18. Alexandrov Yu.I., Sozinov A.A., Svarnik O.E., Gorkin A.., Kuzina E.A., Gavrilov V.V. Neuronal bases of systemic organization of behavior. Advances in Neurobiology. In: Cheung-Hoi Yu A., Li L. (eds.) Systems Neuroscience. Springer, Cham. 2018. 21: 1–33.
  19. Antunes M., Biala G. The novel object recognition memory: neurobiology, test procedure, and its modifications. Cognitive processing. 2012. 13(2): 93–110.
  20. Arnsten A.F.T., Raskind M.A., Taylor F.B., Connor D.F. The effects of stress exposure on prefrontal cortex: Translating basic research into successful treatments for post-traumatic stress disorder. Neurobiology of Stress. 2015. 1: 89–99.
  21. Bali A., Jaggi A.S. Electric foot shock stress: a useful tool in neuropsychiatric studies. Reviews in the Neurosciences. 2015. 26(6): 655–677.
  22. Belleau E.L., Treadway M.T., Pizzagalli D.A. The impact of stress and major depressive disorder on hippocampal and medial prefrontal cortex morphology. Biological psychiatry 2019. 85(6): 443–453.
  23. Belovicova K., Bogi E., Csatlosova K., Dubovicky M. Animal tests for anxiety-like and depression-like behavior in rats. Interdisciplinary toxicology. 2017. 10(1): 40–43.
  24. Bulava A.I., Osipova Z.A., Arapov V.V., Gorkin A.G., Alexandrov I.O., Grechenko T.N., Alexandrov Y.I. The Influence of Anxiety and Exploratory Activity on Learning in Rats: Mismatch-Induced c-Fos Expression in Deep and Superficial Cortical Layers. Advances in Neural Computation, Machine Learning, and Cognitive Research VII. Studies in Computational Intelligence. Springer, Cham. 2023. 1120: 323–333.
  25. Bulava A.I., Svarnik O.E., Alexandrov Yu.I. Differential forebrain c-fos expression induced by novelty after chronic stress. 24th Multidisciplinary International Neuroscience and Biological Psychiatry Conference. Stress, Brain and Behavior. 2017. 7: 28.
  26. Bulava A.I., Svarnik O.E., Alexandrov Yu.I. Reconsolidation of the previous memory: Decreased cortical activity during acquisition of an active avoidance task as compared to an instrumental operant food-acquisition task. 10th FENS Forum of Neuroscience. Abstracts. 2016: P044609.
  27. Bulava A.I., Volkov S.V., Alexandrov Y.I. A Novel Avoidance Test Setup: Device and Exemplary Tasks. Studies in Computational Intelligence. Springer, Cham. 2020. 856: 159–164.
  28. Gao X., Smith G.M., Chen J. Impaired dendritic development and synaptic formation of postnatal-born dentate gyrus granular neurons in the absence of brain-derived neurotrophic factor signaling. Exp Neurol. 2009. 215(1):178–190.
  29. Gehler S., Gallo G., Veien E., Letourneau P.C. p75 neurotrophin receptor signaling regulates growth cone filopodial dynamics through modulating RhoA activity. J. Neurosci. 2004. 24(18): 4363–4372.
  30. Gilbertson M.W., Shenton M.E., Ciszewski A., Kasai K., Lasko N.B., Orr S.P., Pitman R.K. Smaller hippocampal volume predicts pathologic vulnerability to psychological trauma // Nat Neurosci. 2002. 5(11): 1242–1247.
  31. Goff D.C. Future perspectives on the treatment of cognitive deficits and negative symptoms in schizophrenia. World Psychiatry. 2013. 12(2): 99–107.
  32. Gómez-Pinilla F., Huie J.R., Ying Z., Ferguson A.R., Crown E.D., Baumbauer K.M., Edgerton V.R., Grau J.W. BDNF and learning: Evidence that instrumental training promotes learning within the spinal cord by up-regulating BDNF expression. Neuroscience. 2007. 148(4): 893–906.
  33. Gonzalez A., Moya-Alvarado G., Gonzalez-Billaut C., Bronfman F.C. Cellular and molecular mechanisms regulating neuronal growth by brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Cytoskeleton (Hoboken). 2016. 73(10): 612–628.
  34. Gulyaeva N.V. Biochemical Mechanisms and Translational Relevance of Hippocampal Vulnerability to Distant Focal Brain Injury: The Price of Stress Response. Biochemistry (Mosc). 2019. 84(11): 1306-1328.
  35. doi: 10.1134/S0006297919110087.
  36. Gulyaeva N.V. Stress-associated molecular and cellular hippocampal mechanisms common for epilepsy and comorbid depressive disorders. Biochemistry. 2021. 86(6): 641–656.
  37. Jauhar S., Fortea L., Solanes A., Albajes-Eizagirre A., McKenna P.J., Radua J. Brain activations associated with anticipation and delivery of monetary reward: A systematic review and meta-analysis of fMRI studies. PLoS One. 2021. 16(8): e0255292.
  38. Kasai K., Yamasue H., Gilbertson M.W., Shenton M.E., Rauch S.L., Pitman R.K. Evidence for acquired pregenual anterior cingulate gray matter loss from a twin study of combat-related posttraumatic stress disorder. Biological psychiatry. 2008. 63(6): 550–556.
  39. Kim S.H., Yoon H., Kim H., Hamann S. Individual differences in sensitivity to reward and punishment and neural activity during reward and avoidance learning. Social cognitive and affective neuroscience. 2015. 10(9): 1219–1227.
  40. Lee J., Duan W., Mattson M.P. Evidence that brain-derived neurotrophic factor is required for basal neurogenesis and mediates, in part, the enhancement of neurogenesis by dietary restriction in the hippocampus of adult mice. J. Neurochem. 2002. 82(6): 1367–1375.
  41. Oakley D.A. Learning with food reward and shock avoidance in neodecorticate rats. Experimental Neurology. 1979. 63(3): 627–642.
  42. Ossewaarde L., Qin S., van Marle H.J.F., van Wingen G.A., Fernández G., Hermans E.J. Stress-induced reduction in reward-related prefrontal cortex function. NeuroImage. 2011. 55: 345–352.
  43. Paxinos G., Watson C., Carrive P., Kirkcaldie M.T.K., Ashwell K. Chemoarchitectonic Atlas of the Rat Brain. Elsevier. USA. 2009. 375.
  44. Perica M.I., Luna B. Impact of stress on excitatory and inhibitory markers of adolescent cognitive critical period plasticity. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 2023: 105378.
  45. Qiu P., Jiang J., Liu Z., Cai Y., Huang T., Wang Y., Liu Q., Nie Y., Liu F., Cheng J., Li Q. BMAL1 knockout macaque monkeys display reduced sleep and psychiatric disorders. National Science Review. 2019. 1: 87–100.
  46. Ribeiro F.F., Xapelli S. Intervention of brain-derived neurotrophic factor and other neurotrophins in adult neurogenesis. Recent Advances in NGF and Related Molecules: The Continuum of the NGF «Saga». 2021: 95–115.
  47. Sapolsky R.M., Romero L.M., Munck A.U. How Do Glucocorticoids Influence Stress Responses? Integrating Permissive, Suppressive, Stimulatory, and Preparative Actions. Endocrine Reviews. 2000. 21(1): 55–89.
  48. Sawchenko P.E., Brown E.R., Chan R.K., Ericsson A., Li H.Y., Roland B.L., Kovacs K.J. The paraventricular nucleus of the hypothalamus and the functional neuroanatomy of visceromotor responses to stress. Prog. Brain Res. 1996. 107: 201–222.
  49. Schwabe L., Wolf O.T. Stress and multiple memory systems: from «thinking» to «doing». Trends in Cognitive Sciences. 2013. 17(2): 60–68.
  50. Snapyan M., Lemasson M., Brill M.S., Blais M., Massouh M., Ninkovic J., Gravel C., Berthod F., Götz M., Barker P.A., Parent A., Saghatelyan A. Vasculature guides migrating neuronal precursors in the adult mammalian forebrain via brain-derived neurotrophic factor signaling. J. Neurosci. 2009. 29(13): 4172–4188.
  51. Sozinov A.A., Laukka S.J., Tuominen T., Siipo A., Nopanen M., Alexandrov Y.I. Transfer of simple task learning is different in approach and withdrawal contexts. Procedia-Social and Behavioral Sciences. 2012. 69: 449–457.
  52. Steel A., Silson E.H., Stagg C.J., Baker C.I. Differential impact of reward and punishment on functional connectivity after skill learning. Neuroimage. 2019. 189: 95–105.
  53. Teicher M.H., Anderson C.M., Polcari A. Childhood maltreatment is associated with reduced volume in the hippocampal subfields CA3, dentate gyrus, and subiculum. Proc Natl Acad Sci USA. 2012. 109(9): E563–E572.
  54. Tyler W.J., Alonso M., Bramham C.R., Pozzo-Miller L D. From acquisition to consolidation: on the role of brain-derived neurotrophic factor signaling in hippocampal dependent learning. Learn. Mem. 2002. 9(5): 224–237.
  55. Van der Werff S.J., van den Berg S.M., Pannekoek J.N., Elzinga B.M., van der Wee N.J. Neuroimaging resilience to stress: a review. Frontiers in behavioral neuroscience. 2013. 7: 39.
  56. Zagrebelsky M., Tacke C., Korte M. BDNF signaling during the lifetime of dendritic spines. Cell and Tissue Research. 2020. 382: 185–199.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Временная шкала эксперимента (в днях). Период адаптации после рассаживания животных в индивидуальные клетки вивария – не менее 5 дней. Поведенческое фенотипирование – модифицированные тесты «открытое поле» и «новый объект». Обучение животных навыку нажатия на педаль: группа 1 – для получения пищи, группа 2 – для отключения тока. IHC-Fr HRP – иммуногистохимическое выявление BDNF и NeuN на криостатных срезах мозга с иммунопероксидазным окрашиванием.

Скачать (119KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Число BDNF-иммунопозитивных клеток в зонах медиальной префронтальной коры у животных разных групп. (а) – схема мозга крысы в координате 3.72 мм от Брегмы, сагиттальная (сверху) и фронтальная плоскости. Исследованные зоны префронтальной коры выделены серым: прелимбическая (PrL) и инфралимбическая (IL) области; (б) – репрезентативные микрофотографии иммуногистохимического окрашивания HRP DAB клеток прелимбической области медиальной префронтальной коры антителами к нейрональному ядерному белку NeuN и нейротрофину BDNF, а также отрицательного контроля (contr-, все ИГХ-процедуры, исключая первичные антитела). Масштаб = 200 мкм; (в) – Связь типа научения (достижения/избегания) и уровней BDNF в неокортексе крыс. Показаны квартили и средние значения интактной и опытных групп. Appetitive – инструментальное пищедобывательное поведение (n = 13); Avoidance – инструментальное поведение избегания боли (n = 11); Группа пассивного контроля, интактные животные (n = 6). Kruskal–Wallis, PrL H(N30) = 19.6, p = 0.0001; IL H(N30) = 20.4, p = 0.00001. Mann–Whitney, *Z = 2.95, p = 0.003; **Z = 3.15, p = 0.001; (г) – графики корреляции между переменными поведенческого фенотипирования – временем замирания (freeze) и вертикальной активностью (vertical activity) – и числом BDNF-позитивных клеток в зонах префронтальной коры (PrL, IL). Spearman, Freeze +PrL r = –0.56, p = 0.007; ++IL r = -0.53, p = 0.012. Vertical activity #PrL r = 0.78, p = 0.00002; ##IL r = 0.77, p = 0.00003.

Скачать (298KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025