Ученые из Института физиологии имени И.П. Павлова РАН и биологического факультета СПбГУ уточнили механизмы воздействия распространенного лекарственного препарата мемантина на пространственное обучение и память. Полученные данные помогут в разработке адресной терапии расстройств высшей нервной деятельности.
Результаты исследования опубликованы в «Журнале высшей нервной деятельности», входящем в международную реферативную базу данных Scopus. Мемантин используется с 2000 года для лечения и профилактики болезни Альцгеймера и Паркинсона, а с 2018-го – для лечения депрессивных расстройств. Препарат входит в перечень жизненно необходимых лекарственных и важнейших препаратов в России.
Мемантин относится к NMDA-антагонистам – классу синтетических препаратов, выключающих N-метил-D-аспартатный (NMDA) рецептор. Этот рецептор участвует в разных аспектах высшей нервной деятельности: памяти, механизмах подкрепления, а также восприятии боли и его особенно много в гиппокампе, центральной структуре обучения и памяти. Другой известный NMDA-антагонист – кетамин, давно используется как анестетик в ветеринарии, однако его применение в хирургии у человека ограничено в связи с его галлюциногенными свойствами.
Водный тест Морриса, разработанный в 1981 году, широко используется для исследования механизмов обучения и памяти у животных и их нарушений при разного рода негативных воздействиях и патологических процессах, таких как инсульт, черепно-мозговые травмы, шизофрения, старение и другие. Суть пространственной версии водного теста Морриса заключается в поиске животным платформы, скрытой под водой, по ориентирам окружающей обстановки. При этом задействуются ассоциативные и навигационные способности, а также пространственная память.
Поскольку первые опыты показали, что ряд NMDA антагонистов (АР-5 и MK-801) нарушают пространственное обучение в тесте при введении в той же концентрации, которая блокирует предполагаемый механизм долговременной памяти, было высказано предположение, что долговременная память и NMDA-рецепторы являются физиологической основой пространственного обучения, что оказало значительное влияние на понимание механизмов работы памяти.
Эта гипотеза стала доминирующей несмотря на то, что дальнейшие исследования поставили под сомнение как первоочередную роль NMDA-рецепторов в пространственном обучении, так и пригодность «классического» водного теста для исследования потенциальных NMDA-антагонистов. Так, было обнаружено, что хотя введение АР-5 полностью блокирует обучение у крыс, не знакомых с задачей теста, его действие не обнаруживается, если животные проходили претренинг – обучение в другом пространственном окружении.
Сейчас очевидно, что задача обучения в тесте объединяет разные аспекты: процедурный и пространственный, что необходимо учитывать при тестировании новых препаратов. Мемантин, в отличие от АР-5 и MK-801, представляет определенную выгоду для исследования механизмов памяти в силу его особых свойств неконкурентного антагониста NMDA-рецептора, воздействие которого проявляется только в случае активации системы памяти. Однако немногочисленные работы, в которых оценивалось влияние мемантина на обучение в тесте Морриса, никак не учитывали аспект комплексности теста, и получили противоречивые данные, поэтому нуждаются в уточнении.
В исследовании ученые стремились выяснить эффекты мемантина, вводимого в концентрации, которая блокирует активность NMDA-рецепторов, на пространственное обучение крыс в стандартной и модифицированной версии водного теста со стадией непространственного предварительного обучения – претренинга. Исследование было проведено на 48 самцах крыс линии Вистар, составляющих четыре группы: две экспериментальные (с претренингом и без), а также две контрольные (с претренингом и без). Эксперимент проходил в два этапа.
На первом этапе с животными групп с претренингом проводилась предварительная тренировка в прямоугольном бассейне небольшого размера. Ученые предположили, что данный этап процедурного обучения позволит животным еще до основного пространственного обучения в водном тесте освоить правильную стратегию избавления в тесте – находить и вскарабкиваться на скрытую под слоем воды платформу, и отказаться от неэффективной стратегии выбираться на стенки бассейна. Подобный подход впервые позволил полноценно разделить задачу обучения в водном тесте на отдельные составляющие.
На втором этапе производилось собственно пространственное обучение находить скрытую платформу, расположенную в фиксированном месте бассейна водного теста Морриса – круглой емкости 130 см в диаметре. В первый день животному давали одну попытку на поиск, в последующие дни обучения – по две попытки из разных точек с интервалом в одну минуту. После нахождения платформы крыса должна была оставаться на ней 10 секунд.
Животным экспериментальных групп ежедневно за 45 минут до начала обучения производили внутрибрюшинное введение раствора мемантина, контрольных – физиологического раствора. Ученые фиксировали время, затраченное животным на поиск платформы, а также траекторию движения животного в поисках платформы. Из анализа траекторий поиска определялся процент особей, демонстрировавших плавание вдоль стенок бассейна – тигмотаксис.
Ученые выяснили, что использование мемантина существенно нарушает ход обучения в стандартном водном тесте и блокирует его освоение, при этом у животных наблюдался тигмотаксис и многочисленные оставления платформы до истечения 10 секунд. У животных, прошедших претренинг, пространственное обучение происходило несмотря на введение мемантина, хотя и с меньшей скоростью, чем у контролей без препарата, а частота тигмотаксиса и ухода с платформы оказалась ниже.
Ученые пришли к выводу, что предохраняющий эффект процедурного обучения заключается не в предварительной тренировке навыков пространственной ориентации, а в обучении правильной стратегии избегания, когда животное получает навык избегания неприятной ситуации путем того, что вскарабкивается на платформу.
Полученные учеными данные свидетельствуют, что мемантин при введении в дозе, сопоставимой с клинически эффективной, полностью блокирует обучение в стандартном водном тесте Морриса, но ограниченно действует на обучение животных, проходивших предварительное процедурное обучение. Тот факт, что введение стадии предварительного непространственного обучения снимало блокирующий эффект мемантина на обучение в тесте, предполагает, что мемантин не препятствует ни ориентации в пространстве при плавании, ни запоминанию места нахождения платформы, то есть не влияет на пространственное обучение.
Результаты исследования свидетельствуют в пользу относительной независимости пространственного обучения в водном тесте Морриса от системы гиппокампальных NMDA-рецепторов и предполагают, что NMDA-антагонисты, к которым относится мемантин, негативно влияют на выработку новых поведенческих навыков и/или на отказ от неэффективной стратегии поведения.
«Использование предложенной схемы тестирования позволяет эффективно разделить два основных компонента обучения в водном тесте: процедурный и пространственный. Результаты исследования опровергают старые предположения о связи гиппокампальных NMDA-рецепторов с пространственным обучением, что предполагает дальнейшую работу в этом направлении.
Уточнение специфики действия препарата позволит разработать адресную терапию расстройств высшей нервной деятельности, вызванных старением, медленными нейродегенеративными заболеваниями, шизофренией, выработать рекомендации по применению препарата, так как препарат очевидно влияет на выработку новых поведенческих навыков», – сказал автор исследования Владимир Муровец, старший научный сотрудник лаборатории физиологии пищеварения Института физиологии имени Павлова.
Текст: Институт физиологии Павлова