Udział brzusznego pola nakrywkowego śródmózgowia

P R A C A O R YG I N A L NA
ISSN 1641–6007
Sen 2002,Tom 2, Nr 2, 45–52
SEN
Udział brzusznego pola nakrywkowego
śródmózgowia w regulacji
hipokampalnego rytmu theta
The ventral tegmental area participates in the regulation
of hippocampal theta rhythm
Jolanta Orzeł-Gryglewska, Weronika Trojniar
Katedra Fizjologii Zwierząt Uniwersytetu Gdańskiego
Abstract
VTA in theta rhytm regulation
Hippocampal q rhythm characterizes the episodes of paradoxical sleep in rats (PS). It is
regulated by multilevel synchronization system, which originates from the brainstem reticulate nuclei. Hippocampal formation receives afferentation from the midbrain ventral tegmental area (VTA). The aim of the study was to evaluate a possible role of the VTA in
q regulation. We studied the effects of unilateral inactivation of the VTA by means of electrolytic lesion or by intra-VTA procaine injection in uretanized rats. Spectral analysis of
hippocampal EEG was performed off line on the three 5-s, artifical-free epochs taken from
60-s samples of the tail-pinch elicited q. FT peak power (Pmax) and corresponding peak
frequency (Fmax) were determined for standard EEG bands (D and q). Procaine bilaterally
reduced Pmax and Fmax in the q band and simultaneously increased D Pmax by 5-times. VTA
lesion resulted in an immediate (1st day) bilateral decrease in the q Pmax. The deepest changes
we found on the 5th postlesion day. It consisted in the desynchronization of q rhythm with
a decrease in Pmax and an increase in Fmax in the q band. The results indicate that VTA
belongs to the q generating brainstem system and that it modulates both amplitude and
frequency of EEG signals.
Adres do korespondencji:
Jolanta Orzeł-Gryglewska
Katedra Fizjologii Zwierząt
Uniwersytetu Gdańskiego
ul. Kładki 24, 80–822 Gdańsk
tel.: (0 58) 301 94 34, 301 22 41
Key words: hippocampus, theta rhythm, ventral tegmental area (VTA)
Wstęp
Hipokampalny rytm q występuje u gryzoni podczas
snu paradoksalnego (PS, paradoxical sleep) oraz epizodów czuwania połączonych z aktywnością ruchową typu
dowolnego. Podczas snu rytm ten ma charakter cholinergiczny i jest określany jako IRSA (IRSA, immobility
rhythmic slow activity) [1]. Rytm q jest regulowany przez
wielopoziomowy system, w którym główne struktury stanowią jądra siatkowate pnia mózgu, tylne podwzgórze
i jądro nadsuteczkowate oraz okolica przegrody przodomózgowia [2, 3]. Strukturą, której aktywacja towarzyszy
stanom behawioralnym związanym z występowaniem
rytmu q w hipokampie, jest brzuszne pole nakrywkowe
śródmózgowia (VTA, ventral tegmental area) [4] zlokali-
zowane w bezpośrednim sąsiedztwie tylnopodwzgórzowych elementów systemu synchronizacji aktywności polowej hipokampa. Następujące dane doświadczalne mogą
sugerować potencjalną rolę VTA w regulacji rytmu q:
1. Formacja hipokampalna posiada aferentne wejścia
z VTA i okolicy istoty czarnej [5, 6] (odpowiednio
dopaminergiczne neurony grupy A10 i A9, należące
do wstępujących układów aktywacji w czuwaniu [7],
a być może również w aktywnej fazie snu — PS).
2. Aktywacja autoreceptorów dopaminergicznych
w VTA (bezpośrednie iniekcje agonistów) wyzwala
behawioralne objawy snu oraz synchronizację korową i jest to efekt specyficzny dla grupy komórek
A10 [8, 9].
www.sen.viamedica.pl
45
SEN
2002, Tom 2, Nr 2
3. VTA jest aktywowane z cholinergicznych struktur
grzbietowo-bocznej nakrywki i jądra konarowo-mostowego, które zawierają neurony selektywnie aktywne w PS i istotne dla powstawania IRSA [10, 11].
4. Funkcjonalne związki VTA z formacją hipokampalną
wykazano między innymi po cytotoksycznych lezjach VTA, po których stwierdzono zmiany metabolizmu niektórych białek w neuronach piramidowych
obszarów CA1 i CA2 hipokampa [12].
5. Dowody elektrofizjologiczne sugerują, że dopaminergiczne neurony środmózgowia mogą być włączone
w supresję pobudliwości hipokampa [13].
6. Istnieją również dane, że stymulacja VTA powoduje
znaczny wzrost amplitudy potencjałów wywołanych
drogi przeszywającej (droga projekcyjna formacji hipokampalnej), a po jednostronnej lezji cytotoksycznej VTA występuje obustronne zmniejszenie mocy
hipokampalnego sygnału EEG [14, 15].
Celem przedstawionych badań jest weryfikacja udziału VTA w systemie regulacji rytmu q.
Materiał i metody
Oceniano efekty okresowej inaktywacji (bezpośrednie, domózgowe podanie prokainy) VTA i elektrolitycznej lezji tej struktury. Efekt lezji badano natychmiast
i w 5. dniu po jednostronnej elektrokoagulacji VTA
w doświadczeniu ostrym na szczurach w narkozie uretanowej, podczas której w hipokampie obecny jest wyłącz-
A.
Moc [mV2]
nie IRSA charakterystyczny dla PS [1]. Rytm t rejestrowany z odprowadzeń głębinowych wywoływano stymulacją sensoryczną (silny ucisk nasady ogona).
W próbkach hipokampalnego EEG poddanych
transformacie Fouriera określono maksimum mocy
sygnału (Pmax — w mV2) i odpowiadającą mu częstotliwość (Fmax) w standardowych pasmach D (0,5–3,0 Hz)
i q (3,5–7,5 Hz).
Wyniki
Stwierdzono, że po jednostronnej iniekcji prokainy
do okolicy VTA następuje obustronna supresja sensorycznie wywoływanego rytmu q, co przejawia się:
1. Zmniejszeniem mocy sygnału EEG w pasmie q z jednoczesnym wzrostem mocy w pasmie D (ryc. 1 — przykładowy szczur; ryc. 2 — wartości średnie; n = 5);
2. Istotnym zmniejszeniem Pmax w pasmie q z 9300 do
1400 mV2 (p < 0,001) ipsilateralnie i z 8400 do 2800 mV2
(p < 0,05) kontralateralnie do iniekcji (10 min po
iniekcji) (ryc. 2A);
3. Jednoczesnym wzrostem Pmax w pasmie D z 770 do
5000 mV2 (p < 0,001) ipsilateralnie, i z 1650 do 5100 mV2
(p < 0,05) kontralateralnie (ryc. 2A);
4. Istotnym zmniejszeniem średnich wartości częstotliwości odpowiadających maksimum mocy (Fmax)
w pasmie q z 4,00 do 3,41 Hz (p < 0,001) ipsilateralnie, i z 4,00 do 3,62 Hz (p < 0,05) kontralateralnie do
strony iniekcji (ryc. 2B).
B.
C.
wzm. 500 mV/cm
Częstotliwość [Hz]
Rycina 1. Wpływ jednostronnej iniekcji prokainy do VTA na zapis EEG i widmo mocy sensorycznie wywoływanego rytmu q w hipokampie
ipsi- i kontralateralnym do iniekcji (przykład); A – 10 minut po iniekcji wody (kontrola); B — 10 minut po iniekcji prokainy (zanik q);
C — 40 minut po prokainie (powrót do warunków kontrolnych)
46
www.sen.viamedica.pl
Jolanta Orzeł-Gryglewska i wsp., Udział VTA w regulacji rytmu q
SEN
Rycina 2. Wpływ jednostronnej iniekcji prokainy na maksymalną moc (A) hipokampalnego sygnału EEG i odpowiadającą mu częstotliwość (B) podczas rytmu q, wywoływanego stymulacją czuciową. Analizę przeprowadzono oddzielnie dla pasma q (3,5–7,5 Hz)
i D (0,5–3,0 Hz) (n = 5); A — kontrola; B — 10 minut po lezji; C — 5. dnia po lezji (* p < 0,05; różnica w stosunku do kontroli — Kruskal-Wallis Anowa i Mann-Whitney test)
www.sen.viamedica.pl
47
SEN
2002, Tom 2, Nr 2
A.
B.
C.
Moc [mV2]
Częstotliwość [Hz]
wzm. 800 mV/cm
Rycina 3. Wpływ jednostronnej lezji elektrolitycznej VTA na zapis EEG i widmo mocy sensorycznie wywoływanego rytmu q w hipokampie
ipsi- i kontralateralnym do lezji (przykład). A — 10 min przed lezją (kontrola); B — 10 min po lezji; C — 5. dzień po lezji
Po jednostronnej elektrolizie VTA następuje supresja
sensorycznie wywoływanego rytmu t, co przejawia się:
1,79 Hz (p < 0,001) i kontralateralnie z 1,80 do 1,98
Hz (p < 0,05) (ryc. 5 B).
Bezpośrednio (10–60 min) po lezji:
1. Zmniejszeniem mocy sygnału EEG w paśmie q (ryc. 3
— przykładowy szczur; ryc. 4A — wartości średnie;
n = 6).
2. Istotnym zmniejszeniem średnich wartości Pmax
w pasmie q: ipsilateralnie z 26 000 do 10 500 mV2
(p < 0,001) i kontralateralnie z 32 300 do 25 200 mV2
(p < 0,05) (ryc. 5A).
Otrzymane wyniki można podsumować następująco:
1. Zarówno po przejściowej inaktywacji, jak i po zniszczeniu okolicy VTA występują zaburzenia w powstawaniu hipokampalnego rytmu q.
2. Zaburzenia te polegają na zmniejszeniu mocy sygnału EEG w zakresie pasma q i zmianie częstotliwości,
przy której występuje maksimum mocy.
3. Po inaktywacji prokainą zmiany te mają charakter
obustronny.
4. Po uszkodzeniu (szczególnie we wczesnym okresie
po lezji) powyższe zmiany są wyrażone silniej po stronie ipsilateralnej.
W 5. dniu po lezji:
1. Desynchronizacją hipokampalnego EEG (ryc. 3);
2. Istotnym zmniejszeniem Pmax w pasmie q: ipsilateralnie z 26 000 do 13 000 mV2 (p < 0,001) i kontralateralnie z 32 300 do 13 600 mV2 (p < 0,001) (ryc. 5A; n = 4);
3. Jednoczesnym kontralateralnym zmniejszeniem
Pmax w pasmie D z 4900 do 2300 mV2 (p < 0,001)
(ryc. 5A);
4. Istotnym wzrostem Fmax w pasmie q: ipsilateralnie
z 4,12 do 4,58 Hz (p < 0,001) i kontralateralnie
z 4,08 do 4,61 Hz (p < 0,001) (ryc. 5B);
5. Wzrostem Fmax w pasmie D: ipsilateralnie z 1,69 do
48
Wnioski
1. Brzuszne pole nakrywkowe śródmózgowia należy do
systemu ośrodków pnia mózgu generujących rytm q,
a więc może uczestniczyć w kontroli występowania
tego wskaźnika fazy snu REM.
2. Brzuszne pole nakrywkowe śródmózgowia wpływa
na aktywność polową hipokampa poprzez modulację
zarówno amplitudy, jak i częstotliwości IRSA.
www.sen.viamedica.pl
Jolanta Orzeł-Gryglewska i wsp., Udział VTA w regulacji rytmu q
SEN
Rycina 4. Wpływ jednostronnej lezji elektrolitycznej na maksymalną moc (A) hipokampalnego sygnału EEG i odpowiadającą mu częstotliwość (B) podczas rytmu q, wywoływanego stymulacją czuciową. Analizę przeprowadzono oddzielnie dla pasma q (3,5–7,5 Hz) i D (0,5–3,0 Hz)
(średnie wartości z 1. stymulacji kontrolnej i 6 kolejnych stymulacji bezpośrednio po lezji; n = 6) (*p < 0,05; różnica w stosunku do
kontroli — Kruskal-Wallis Anowa i Mann-Whitney test)
www.sen.viamedica.pl
49
SEN
2002, Tom 2, Nr 2
Rycina 5. Wpływ jednostronnej lezji elektrolitycznej na maksymalną moc (A) hipokampalnego sygnału EEG i odpowiadającą mu częstotliwość
(B) podczas rytmu q wywoływanego stymulacją czuciową. Analizę przeprowadzono oddzielnie dla pasma q (3,5–7,5 Hz) i D (0,5–3,0 Hz)
(średnie wartości z 1-godzinnej rejestracji: kontrola, lezja, 5. dzień po lezji; n = 4) (*p < 0,05; różnica w stosunku do kontroli — Kruskal-Wallis Anowa i Mann-Whitney test)
50
www.sen.viamedica.pl
Jolanta Orzeł-Gryglewska i wsp., Udział VTA w regulacji rytmu q
A.
SEN
B.
Rycina 6. Lokalizacja zakończeń kaniul iniekcyjnych (A) i przykładowa lezja elektrolityczna VTA (B)
Streszczenie
Udział VTA w regulacji rytmu q
Hipokampalny rytm q, który charakteryzuje epizody snu paradoksalnego (PS) gryzoni, jest regulowany przez wielopoziomowy system synchronizacyjny, rozpoczynający się w jądrach siatkowatych pnia mózgu. Formacja hipokampa posiada aferentne wejścia z okolicy brzusznego pola nakrywkowego śródmózgowia (VTA) i dane elektrofizjologiczne sugerują, że może być
ono częścią systemu regulacji rytmu q. W celu poznania ewentualnej roli VTA w kontroli tego rytmu u szczurów w narkozie
uretanowej badano efekty jednostronnej inaktywacji VTA poprzez lezję elektrolityczną bądź bezpośrednią mikroiniekcję
prokainy. Analizowano 5-sekundowe odcinki EEG wybrane z 60-sekundowych zapisów rytmu q wywołanego stymulacją
sensoryczną. Na podstawie transformaty Fouriera określano maksimum mocy (Pmax) i odpowiadającą mu częstotliwość (Fmax)
w standardowych pasmach EEG — D i q. Stwierdzono, że prokaina zredukowała obustronnie Pmax i Fmax w pasmie q, a także
spowodowała obustronny, 5-krotny wzrost Pmax w pasmie D. Bezpośrednio po lezji VTA nastąpiło obustronne zmniejszenie
Pmax w pasmie q. Najgłębsze zmiany — stwierdzone w 5. dniu po lezji elektrolitycznej — polegały na desynchronizacji rytmu q ze
zmniejszeniem Pmax i wzrostem Fmax w pasmie q. Otrzymane wyniki sugerują, że VTA należy do systemu struktur pnia mózgu
włączonych w generację rytmu q. Wpływ VTA na aktywność elektryczną hipokampa obejmuje modulację zarówno amplitudy,
jak i częstotliwości sygnału.
Słowa kluczowe: hipokamp, rytm theta, brzuszne pole nakrywkowe (VTA)
www.sen.viamedica.pl
51
SEN
2002, Tom 2, Nr 2
Piśmiennictwo
1. Kramis R., Vanderwolf C.H., Bland B.H. Two types of hippocampal rhythmical slow activity in both the rabbit and the rat: Relations to behavior and effects of atropine, diethyl ether, urethane
and pentobarbital. Exp. Neurol. 1975; 49: 58–85.
2. Bland B.H., Oddie S.D. Anatomical, electrophysiological and
pharmacological studies of ascending brainstem hippocampal
synchronizing pathways. Neurosci. Biobeh. Rev. 1998; 22:
259–273.
3. Nowacka A. Udział jądra konarowo-mostowego nakrywki w regulacji snu paradoksalnego (w druku).
4. Vanderwolf C.H. Hippocampal electrical activity and voluntary movement in the rat. Electroenceph. Clin. Neurophysiol. 1969;
26: 407–415.
5. Gasbarri A., Packard M. G., Campana E., Pacitti C. Anterograde
and retrograde tracing of projections from the ventral tegmental area to the hippocampal formation in the rat. Brain Res. Bull.
1994; 33: 445–452.
6. Gasbarri A., Sulli A., Packard M.G. The dopaminergic mesencephalic projections to the hippocampal formation in the
rat. Prog. Neuropsychopharmacol. Biol. Psychiatry 1997; 21:
1–22.
7. Jouvet, M. The role of monoamines and acetylocholine-containing neurons in the regulation of sleep-waking cycle. Ergeb.
Physiol., Biol. Chem. Exp. Pharmacol. 1972; 64: 166–307.
8. Bagetta G., De Sarro G., Priolo E., Nistico G. Ventral tegmental
area: site through which dopamine D2-receptor agonists evoke
52
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
behavioural and electrocortical sleep in rats. Br. J. Pharmacol.
1988; 95: 860–866.
Bagetta G., De Sarro G.B., Priolo E., Marra R., Nistico G. Inhibition by pertussis toxin of the soporific effects induced by stimulation of dopamine D2 autoreceptors in the ventral tegmental area in rats. Neuropharmacology 1989; 28: 941–947.
Waraczynski M., Perkins M. Lesions of pontomesencephalic
cholinergic nuclei do not substantially disrupt the reward value of medial forebrain bundle stimulation. Brain Res. 1998;
800: 154–169.
Nowacka A., Jurkowlaniec E., Trojniar W. Microinjection of procaine into the pedunculopontine tegmental nucleus supressed
hippocampal theta rhythm in urethane-anaesthetized rats. Brain
Res. Bull. 2002; 58: 379–386.
Torack R.M., Miller J.W. Hippocampal pyramidal cell response
to 6-hydroxydopamine lesions of the rat ventral tegmental area.
Brain Res. 1992; 574: 345–348.
Jay T.M., Glowinski J., Thierry A.M. Inhibition of hippocampoprefrontal cortex excitatory responses by the mesocortical DA
system. Neuroreport 1995; 6: 1845–1848.
Criado J.R., Steffensen S.C., Henriksen S.J. Ethanol acts via the
ventral tegmental area to influence hippocampal physiology.
Synapse 1994; 17: 84–91.
Jurkowlaniec E., Trojniar W., Tokarski J. Cortical and hippocampal EEG after unilateral ibotenate lesion of the ventral tegmental area. Eur. J. Neurosci. 2000; 12 (supl. 11): 161.
www.sen.viamedica.pl