Centrum excelence GAČR PEN
Prostorová navigace, kognitivní kontrola, flexibilita chování a jejich vztah k neurodegeneraci
Aleš Stuchlík Karel Valeš Štěpán Kubík Fyziologický ústav AV ČR Oddělení neurofyziologie paměti
Centrum excelence GAČR PEN
Tématická charakterizace oddělení
Prvotním cílem výzkumu na oddělení je učení a paměť u zvířat a lidí.
Zaměření na prostorovou orientaci a paměť vzniklo v 80. letech pod vedením Dr. Jana Bureše
V posledních letech se oddělení soustředilo na prostorovou orientaci v dynamických prostředích (např. rotujících arénách či s pohybujícími se objekty) a propojení chování s translačními přístupy (směrem ke klinické aplikaci, studiu neurodegenerativních onemocnění apod.)
Dnešní laboratoř je širší mladá skupina zaměřená na studium paměti a chování obecně (také např. úzkosti či stresu), jejich genetického, nervového a neurochemického substrátu a související animální modely nemocí CNS
Aplikace výzkumu prostorové paměti do vývoje citlivých diagnostických testů pro počínající kognitivní poruchy a pro hledání neuroprotektivních a prokognitivních léčiv
Centrum excelence GAČR PEN
Spatial navigation and learning
Prostorová navigace – vysoce komplexní forma učení, vyžaduje výpočetní procesy vyššího řádu
Slouží jako model lidské deklarativní paměti – Alzheimerova nemoc, neurodegenerace
Závisí na hipokampu a strukturách středního spánkového laloku
Sestává z vícečetných procesů: – Rozpoznání polohy, reprezentace – Kognitivní koordinace, flexibilita – Pracovní paměť, měnící se informace
Morrisovo vodní bludiště, aktivní vyhýbání se místu (kolotočové bludiště), vyhýbání se nepříteli
Testy vhodné pro detekci deficitů v neurodegenerativních modelech
The Hippocampus Book, © Lazslo Seress
Centrum excelence GAČR PEN
Citlivé prostorové testy – Morrisovo vodní bludiště Morrisovo vodní bludiště – vynalezeno skotským badatelem Richardem G. M. Morrisem na počátku 80. let 20. století (Morris, Learn.&Motiv., 1981) Vyžaduje přesnou prostorovou reprezentaci Závisí na hipokampu Zlatý standard v testech animálních modelů neurodegenerace Laboratoř s ním má rozsáhlé zkušenosti (Koistinaho et al., PNAS, 2001; Syková et al., PNAS, 2005; Kubik a Fenton, J.
Neurosci., 2005; Stuchlik et al., Neurosci. Lett. 2004; Vales et al., Neurosci Res., 2006)
Centrum excelence GAČR PEN
Citlivé prostorové testy – Kolotočové bludiště © A.A. Fenton
Lokomoce a prostorové vyhýbání – provázané, částečně lze oddělit V aréně existují dva souřadnicové rámce, stabilní rámec místnosti a rámec arénky, tyto rámce jsou odděleny konstantní rotací aparátu. Již starší práce (Fenton et al., PNAS, 1998) ukázala, že potkan vnímá a zpracovává oba rámce současně. Novější práce (Wesierska et al., J.Neurosci., 2005, J. Neurosci) ukázala že „management“ těchto rámců odpovídá kognitivní koordinaci. Práce (Kubik a Fenton, J.Neurosci., 2005) pak ukázala fakt, že kognitivní koordinace je specifickou funkcí hipokampu, která je od jeho funkce reprezentační (klíčové např. v MWM) oddělitelná na úrovni chování. Citlivost k neurokognitivnímu narušení v animálních modelech
Centrum excelence GAČR PEN
Citlivé prostorové testy – Vyhýbání se nepříteli Potkani jsou trénováni vyhýbat se robotovi pomalu a náhodně popojíždějícímu po povrchu arénky Inaktivace hipokampu pomocí TTX narušila vyhýbání pohyblivému ale nikoli stabilnímu robotovi (Telenský et al., PNAS, 2011) I navigace k viditelnému cíli vyžaduje hipokampus, pokud se tento cíl pohybuje (rozšíření teorie kognitivní mapy) Automatické vyhodnocování měnící se zkušenosti (angl. automated updating of attended experience) Závislost na hipokampu (Morris a Frey, Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci.,1997) Vhodný test u stanovení deficitů při experimentální neurodegeneraci?
Centrum excelence GAČR PEN
Cholinergní screeningový model kognitivního narušení Kolotočové bludiště
Srovnali jsme potkaní kmeny Long-Evans a Wistar v citlivosti na skopolamin
Potkani z chovů Fyziologického ústavu AV ČR, v.v.i.
Využili jsme dávky 1.5mg/kg a 3mg/kg, (spíše vyšší)
Kmen Wistar vykazoval poškození navigace v kolotočovém bludišti, kmen Long-Evans nikoliv
Vyšší citlivost potkanů Wistar v této úloze
Pro testování potenciálních léčiv v kolotočovém bludišti je jednoznačnou volbou kmen Wistar
Centrum excelence GAČR PEN
Cholinergní screeningový model kognitivního narušení Morrisovo vodní bludiště Opět srovnání kmenů Long-Evans a Wistar V Morrisově vodním bludišti jsou oba kmeny stejně citlivé Vyšší citlivost úlohy? Cholinergní blokáda ovlivňuje spíše počáteční osvojení úlohy než její vybavení Využití: Ověřování prokognitivního účinku farmak Srovnání se situací u lidských dobrovolníků (FN Motol, 2: LF UK) Porovnání s kognitivním narušením v jiných farmakologických modelech, např. Samaritan.
Centrum excelence GAČR PEN
Exprese časných genů
Zavedení metodiky zobrazování časných genů (IEG; Arc, Homer1a) a její integrace do problematiky oddělení IEG signalizují neuronální aktivitu Využití ve studiu kognitivní koordinace, zpracování měnící se informace, obrovské možnosti ve studiu mechanismů kognitivního narušení u neurodegenerace Naše pokusy ukázaly, že dávka NMDA antagonisty MK-801 (0.15mg/kg), která narušuje kognitivní koordinaci na kolotoči, narušuje též separaci populací CA1 neuronů exprimujících časné geny (IEGs) po exploraci různých prostředí, zatímco nižší dávka MK-801 (0.10mg/kg) neovlivnila ani chování ani expresi časných genů.
Centrum excelence GAČR PEN
Plány na budoucí rok
Zavedení modelu Samaritan a testování poškození specifických navigačních funkcí v tomto modelu ve výše zmíněných sofistikovaných behaviorální testech, umožňujících jejich oddělení
Samaritan – chronická intracerebrální aplikace beta-amyloidu, heptahydrátu síranu železnatého a L-buthionin-(SR)-sulfoxiniminu potkanům kmene Long-Evans
Studium mechanismů těchto poškození (zobrazování časných genů, histologie, biochemie)
Ověření terapeutického účinku farmak v tomto modelu a také v dalších modelech neurodegenerace a demencí (léze hipokampu, skopolamin atd.)
Biochemické studium modelu a stanovení markerů neurodegenerace (Dr. Řípová, Krištofíková, Vrajová)
Výhledově: McGill transgenní model Alzheimerovy nemoci (JSW Technologies – obtíže s množením zvířat)
Spolupráce – Psychiatrické centrum Praha, Odd. vývojové epileptologie a Odd. buněčně neurofyziologie FgÚ AV ČR, 2.LF UK, 3. LF UK a další
Centrum excelence GAČR PEN
Poděkování
Prokopova I, Bahnik S, Doulames V, Vales K, Petrasek T, Svoboda J, Stuchlik A. Synergistic effects of dopamine D2-like receptor antagonist sulpiride and beta-blocker propranolol on learning in the Carousel maze, a dry-land spatial navigation task. Pharmacol Biochem Behav. 2012;102(1):151-6. IF = 2.624 (2010)
Levcik D, Nekovarova T, Stuchlik A, Klement D. Rats use hippocampus to recognize positions of objects located in an inaccessible space. Hippocampus. 2012. doi: 10.1002/hipo.22076., in press IF = 5.176 (2011)
Svoboda J, Telensky P, Blahna K, Bures J, Stuchlik A. Comparison of male and female rats in avoidance of a moving object: more thigmotaxis, hypolocomotion and fear-like reactions in females. Physiol Res. 2012, in press IF = 1.555 (2011)
Entlerova M, Bahnik S, Lobellova V, Zemanova A, Vales K, Stuchlik A. Between-strain comparison of LongEvans and Wistar rats in sensitivity to central cholinergic blockade with higher doses of scopolamine: differential effects in active place avoidance task and the Morris water maze, Physiology and Behavior, under
review
