Korové evokované potenciály jako metoda pro farmakologické studie Cortical Evoked Potentials as a Tool for Pharmacological Studies Gregory Tsenov, Pavel Mareš Fyziologický ústav Akademie věd České republiky, Praha
SOUHRN Elektrofyziologické metody lze použít i pro kvantifikaci účinků neurofarmak. Je podán přehled metod, používaných v Laboratoři vývojové epileptologie FgÚ AV ČR ke studiu vývojových změn citlivosti na receptorové antagonisty excitačních aminokyselin. Jsou to korové interhemisferické odpovědi, jejich potenciace párovými podněty a frekvenční potenciace a epileptické následné výboje vyvolané rytmickou elektrickou stimulací. Klíčová slova: evokované potenciály, potenciační fenomény, farmakologie, laboratorní potkan SUMMARY Electrophysiological methods may be used also for quantification of action of drugs. There is a survey of methods used in the Laboratory of Developmental Epileptology in studies of ontogenetic changes of action of antagonists of excitatory amino acid receptors: cortical interhemispheric responses, their paired-pulse and frequency potentiation and cortically-elicited epileptic afterdischarges. Key words: evoked potentials, potentiation, pharmacology, rat
Tsenov G, Mareš P. Korové evokované potenciály jako metoda pro farmakologické studie. Psychiatrie 2003;7(Suppl.3):38–40.
Elektrická aktivita centrálního nervového systému je používána i pro studium vlivu farmak. Nejvíce údajů nepochybně popisuje změny elektroencefalogramu po podání nejrůznějších látek. Jsou pořádány konference o farmakoEEG, v experimentální literatuře existuje farmakologický atlas EEG aktivity králíka (Longo, 1962). Spontánní elektroencefalogram představuje obecný fenomén, na jehož vzniku se podílejí obrovské populace neuronů. To je na jedné straně výhoda, protože tato vlastnost dovoluje zjišťovat změny v úrovni aktivity celého mozku (nebo alespoň mozkové kůry) a vyjadřovat je zastoupením jednotlivých frekvenčních pásem nebo jejich vzájemnými poměry. O tom pojednává článek Brunovského a spolupracovníků v tomto supplementu. Na druhé straně je nutné uvážit i nevýhodu příliš obecné reakce, pro jejíž vznik nelze přesněji stanovit podíl jednotlivých mozkových struktur a jejich částí. Podstatně detailnější lokalizaci generátorů umožňuje vyvolaná aktivita – evokované potenciály. V klinice
jsou používány pro diagnostiku poruch senzorických systémů. Nejpodrobněji jsou propracovány kmenové sluchové vyvolané odpovědi (BAERS – Chiappa a spol., 1979). Experimentální práce přináší další možnosti. Stimulace nemusí být senzorická, je možno implantovat stimulační elektrody do různých mozkových struktur a jejich drážděním vyvolávat odpovědi v těch částech mozku, které dostávají aferentaci ze stimulovaných oblastí. V částech mozku, které mají laminární strukturu (neokortex, hipokampus), je navíc možné konstruovat profil potenciálového pole a analyzovat tak postup aktivace cílové struktury. V Laboratoři vývojové epileptologie Fyziologického ústavu Akademie věd ČR používáme jako modelové evokované potenciály korové interhemisferické (transkalosální) odpovědi. O tomto evokovaném potenciálu je známo, že první dvě vlny – negativní a pozitivní – mají prokazatelně monosynaptický původ; při stimulaci dvou populací neuronů lokalizovaných v různých korových vrstvách je vzruch převeden do protilehlé hemisféry, kde excituje nejprve hlouběji uloženou neuronální populaci a s malým časovým zpožděním i neurony v povrchních korových vrstvách (Grafstein, 1959). Aby bylo možno použít tyto odpovědi jako kvantifikovatelný ukazatel, musíme znát vztah mezi intenzitou podnětu a velikostí odpovědi. Stanovujeme intenzitu prahového podnětu nutného pro vyvolání odpovědi tak, že opakujeme stimulaci se vzrůstající intenzitou proudu. Z vyvolaných odpovědí můžeme stanovit prahovou intenzitu a konstruovat křivku závislosti velikosti odpovědi (v tomto případě amplitudy zmíněných dvou vln odpovědi) na síle podnětu, tj. vztah mezi vstupem a výstupem (input-output relation). Originální záznam zprůměrněných interhemisferických odpovědí senzorimotorické korové oblasti kontrolního potkana ukazuje obrázek 1. Prahová intenzita podnětu je v tomto případě 0,6 mA. Obrázek 1 znázorňuje i odpovědi téhož zvířete po podání valproátu sodného (antiepileptika používaného i v léčbě depresí, které jako jeden z mechanizmů svého účinku zesiluje GABAergní inhibici) v dávce 200 mg/kg intraperitoneálně, prahová intenzita se v tomto případě zvýšila na 1,8 mA. Křivku pro kontrolní odpovědi celé skupiny dospělých laboratorních potkanů ukazuje obrázek 2. Látky, které mají excitační účinek, posunují tuto křivku doleva, látky s tlumivým účinkem naopak doprava.
Každý evokovaný potenciál ovlivňuje následující odpověď, to znamená, že zanechává stopu, která se s časem mění. Tyto změny sledujeme pomocí stimulace párovými podněty s různě dlouhým interstimulačním intervalem. Při krátkých intervalech mezi podněty je druhá odpověď zesílena, toto zesílení buď jen odeznívá, nebo častěji je následováno snížením druhé odpovědi (obr. 3). To je fenomén potenciace a deprese párovýmí podněty (paired-pulse potentiation and depression), hodnotíme pak ovlivnění těchto dvou fází.
Ještě složitější je použití salvy podnětů, kdy třetí a další odpovědi jsou ovlivňovány všemi odpověďmi předcházejícími. Zesílení odpovědí při tomto způsobu stimulace je označováno jako frekvenční potenciace (obr. 4) a dává nám obraz o schopnosti sledovaného systému reagovat v čase a sledovat krátkodobé cyklické změny reaktivity.
Potenciace párovými pulzy a frekvenční potenciace představují nejjednodušší potenciační fenomény. I na nich lze demonstrovat účinky farmak (např. Kubová a Mareš, 1992, kde jsme popsali efekt klonazepamu), daleko častěji je však v literatuře používána dlouhodobá potenciace (long-term potentiation – Bliss a Collingridge, 1993). Všechny tyto fenomény jsou dávány do souvislosti s mechanizmy učení a paměti. Další elektrofyziologickou metodikou, kterou v naší laboratoři používáme pro kvantitativní stanovení účinků farmak, je stanovení prahových intenzit nezbytných pro vyvolání korového epileptického následného výboje (cortical afterdischarge). Tyto modelové epileptické záchvaty vyvoláváme rytmickou elektrickou stimulací (opět senzorimotorické oblasti kůry) sérií bifázických pulzů o délce 1 ms, frekvence je rovna 8 Hz a trvání celé série 15 s. Tyto série opakujeme s intervalem minimálně 10 minut, intenzita dráždění se postupně zvyšuje. V tomto modelu můžeme stanovit prahové intenzity podnětů celkem pro 4 fenomény: pohyby spojené se stimulací (dráždíme senzorimotorickou korovou oblast), epileptický následný výboj charakterizovaný rytmem hrot-vlna, klonické křeče doprovázející tento typ EEG aktivity a konečně přechod z rytmu hrot-vlna do kvalitativně jiného typu záchvatu, který je charakterizován rytmickými hroty v EEG a v chování přítomností epileptických automatizmů, tj. takových prvků, které můžou být součástí normálního chování, objevují se však zde v nesprávném čase a situaci (např. prvky orientační reakce, jako je vztyčování v dobře známém prostoru). Kvantifikaci těchto jevů užíváme nejenom pro studium efektu látek u dospělých pokusných zvířat, ale i pro srovnání účinků na různých stupních vývoje. Obrázek 5 ukazuje výsledky studia vlivu antagonisty NMDA typu receptorů pro excitační aminokyseliny dizocilpinu (MK-801) ve čtyřech věkových skupinách laboratorních potkanů. Prahová intenzita zjištěná u kontrolních zvířat v každé věkové skupině je brána jako 100 % a zobrazeny jsou relativní změny prahových hodnot pro uvedené čtyři jevy. Pro první tři fenomény je zřetelná vysoká účinnost MK-801 u nejmladších věkových skupin (12 a 18denních) a pokles efektu s věkem. Přechod do druhého typu záchvatu je ve všech věkových skupinách (s výjimkou dospělých) prakticky zablokován, takže vývojové změny tohoto efektu nemůžeme kvantifikovat. Tento graf dokumentuje vyšší účinost antagonisty NMDA receptorů u mladších zvířat ve srovnání s dospělými potkany.
Tento stručný přehled měl za cíl ukázat možnosti kvantifikace elektrofyziologických fenoménů tak, jak je využíváme v Laboratoři vývojové epileptologie Fyziologického ústavu AV ČR pro studium vývoje citlivosti mozku na excitační aminokyseliny a jejich antagonisty.
Tato práce byla podpořena projektem LN00B122 MŠMT ČR.
Mgr. Gregory Tsenov Fyziologický ústav Akademie věd České republiky Vídeňská 1083 142 20 Praha 4
LITERATURA Bliss TVP, Collingridge GL. A synaptic model of memory: long-term potentiation in the hippocampus. Nature 1993;361:31–39. Chiappa KH, Gladstone KJ, Young RR. Brain stem auditory evoked responses: studies of waveform variations in 50 normal human subjects. Arch Neurol 1979;36:81–87. Grafstein B. Organization of callosal connections in suprasylvian gyrus of cat. J Neurophysiol 1959;22:504–515. Kubová H, Mareš P. Effects of clonazepam on paired-pulse and frequency potentiation of evoked potentials in rats. Arch int Pharmacodyn 1992;317:5–15. Longo VG. Electroencephalographic Atlas for Pharmacological Research. Amsterdam: Elsevier, 1962.
