Системные нормированные гамма-осцилляции структур головного мозга: фармакологический анализ нейрохимических и метаболических процессов

Системное изучение γ-осцилляций выполнено на крысах с хронически имплантированными электродами в прореальную извилину, соматосенсорную кору, дорзальный гиппокамп и гипоталамус. Регистрация и детекция электрограмм головного мозга (ЭГМ) осуществлялась с помощью оригинального программно-аппаратного модуля. Линейные диаграммы строились с помощью устройства QMS17 в частотной полосе 60–250 Гц и более. Математический анализ, нормализация и нормирование рядов γ-ритмов при действии гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК), ацетилхолина (АЦХ) и  инсулина относительно аналогичных фоновых рядов были выполнены двойным дискретно-временным преобразованием Фурье и функцией арктангенса двойного угла, которые позволяют извлечь релевантную информацию из крайне малых (1–2 μV) значений γ-осцилляций. Накопление исследуемых веществ — введением фармакологических средств Аминалон (ГАМК), Галантамин (АЦХ), Инсулин  липосомированный.  Верификация  плазменной  концентрации  исследованных средств осуществлялась методом ВЭЖХ и математическим моделированием. Нормированные ЭГМ (НЭМ) отражали интрацентральные механизмы действия тестируемых средств, характеризующиеся стабильностью картины в состояния покоя животных и при действии Аминалона, Галантамина и Инсулина на пике их плазменной концентрации (по параметрам фармакокинетики). γ-активность головного мозга поддерживается на системном уровне. Блокада γ-осцилляций в лобном полюсе приводит к   их активации в сопряжённых структурах головного мозга: гипоталамусе, ретикулярной формации, хвостатом ядре и др. При действии Аминалона наблюдались тотальные депримирующие эффекты на  всём анализируемом диапазоне в заднем ядре гипоталамуса и прореальной извилине, а  также активирующие эффекты на частотном диапазоне 60–75 Гц в передней супрасильвиевой извилине; при действии Галантамина — частичные депримирующие эффекты в гиппокампе и гипоталамусе на частотах около 60–65, 95–105 и 150 Гц; при действии Инсулина липосомированного — частичные активирующие эффекты в передней супрасильвиевой извилине и в дорзальном гиппокампе на частотном диапазоне 60–85 Гц.

1. Атья М., Макдональд И. Введение в коммутативную алгебру. М.: Мир, 1972:115.

2. Бушов Ю.В., Светлик М.В., Крутенкова Е.П. Высокочастотная электрическая активность мозга и восприятие времени. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2009:120.

3. Данилова Н.Н. Частотная специфичность осцилляторов амплитуда-ритма. Российский психологический журнал. 2006;2:35–60.

4. Данилова Н.Н., Астафьев С.В. Внимание человека как специфическая связь ритмов ЭЭГ с волновыми модуляторами сердечного ритма. Журн. высш. нерв. деят. 2000;50(5):791–804.

5. Данилова Н.Н., Быкова Н.Б. Осцилляторная активность мозга и информационные процессы. Доклады конф. «Психология: современные направления междисциплинарных исследований». М.: Из-во ИПРАН, 2003:271–283.

6. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. 8-е изд. М.: Вильямс, 2005:1328.

7. Думенко В.Н. Высокочастотные компоненты ЭЭГ и инструментальное обучение. М.: Наука, 2006:151.

8. Думенко В.Н., Козлов М.К. Исследование селективного внимания у собак по данным когерентно-фазовых характеристик корковых потенциалов в широкой полосе частот 1–220 Гц. Журн. высш. нервн. деят. 2002;4:428–440.

9. Каркищенко Н.Н. Альтернативы биомедицины. Т. 2. Классика и альтернативы фармакотоксикологии. М.: Изд-во ВПК, 2007:448.

10. Каркищенко Н.Н. Психоунитропизм лекарственных средств. М.: Медицина, 1993:208.

11. Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В. О механизмах фармакологической модуляции обсессивно-компульсивных и когнитивных расстройств кошек, распознаваемых методом нормирования БПФ-преобразуемых функций электрограмм фронтальной коры головного мозга и гиппокампа. Биомедицина. 2020;16(1):12–27.

12. Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В., Табоякова Л.А., Алимкина О.В., Борисова М.М. Между когнитивностью и нейропатиями: нейровизуализация эффектов ГАМК-ергической модуляции гиппокампа и префронтального неокортекса по нормированным электрограммам мозга. Биомедицина. 2020;16(2):12–38.

13. Каркищенко Н.Н., Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В., Харитонов С.Ю. Нейровизуализация эффектов психоактивных средств посредством нормализации электрограмм головного мозга. Биомедицина . 2019;15(1):12–34.

14. Каркищенко Н.Н., Фокин Ю.В., Люблинский С.Л. Фармакологическая регуляция когнитивных функций и интрацентральных отношений липосомированными ацетилхолином и инсулином. Экспериментальная и клиническая фармакология. Прил. Мат-лы VI съезда фармакологов России «Смена поколений и сохранение традиций. Новые идеи — новые лекарства». 2023;86(11s):70.

15. Каркищенко В.Н., Фокин Ю.В., Люблинский С.Л., Помыткин И.А., Алимкина О.В., Табоякова Л.А., Капцов А.В., Борисова М.М., Каркищенко Н.Н. Центральные механизмы липосомированных форм ацетилхолина и инсулина посредством анализа когнитивных, психоэмоциональных и поведенческих параметров крыс. Биомедицина. 2022;18(1):32–55.

16. Кирой В.Н., Белова Е.И. Механизмы формирования и роль осцилляторной активности нейронных популяций в системной деятельности мозга. Журн. высш. нерв. деят. 2000;50(2):179.

17. Кузнецов С.Д. Основы баз данных. 2-е изд. М.: БИНОМ, лаборатория знаний, 2007:484.

18. Ленг C. Алгебра. М.: Мир, 1967:565. [Leng S.

19. Митрохин К.В., Баранишин А.А. Классификация и краткое описание лекарственных препаратов — аналогов производных гамма-аминомасляной кислоты и токсических веществ, влияющих на ГАМК-ергическую связь. Анестезиология и реаниматология. 2018;6:22–30.

20. Панасюк Я.А., Мацелепа О.Б., Чернышев Б.В., Семикопная И.И., Москвитин А.А., Тимофеева Н.О. Фоновая гамма-активность в электроэнцефалограмме как показатель уровня устойчивого (тонического) внимания при реализации парадигмы «активный одд-болл» у кроликов. Журн. высш. нерв. деят. 2011;61(1):75–84.

21. Пашков А.А., Дахтин И.С., Харисова Н.С. Электроэнцефалографические биомаркеры экспериментально индуцированного стресса. Вестник ЮУрГУ. Серия «Психология». 2017;10(4):68–82.

22. Помыткин И.А., Каркищенко Н.Н. Метаболический контроль высокочастотных гамма-осцилляций в головном мозге. Биомедицина. 2019;15(2):43–53.

23. Руководство по лабораторным животным и альтернативным моделям в биомедицинских исследованиях. Под ред. Н.Н. Каркищенко и др. М.: Профиль-2С. 2010:358.

24. Саульская Н.Б., Виноградова Е.В. Влияние активации и блокады ГАМКА-рецепторов на активность нитрергической системы прилежащего ядра (n. accumbens). Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 2014;100(7):791–801.

25. Сорокина Н.Д., Селицкий Г.В., Косицын Н.С. Нейробиологические исследования биоэлектрической активности мозга в диапазоне γ-ритма у человека. Успехи физиол. наук. 2006;37(3):3–10.

26. Уточкин И.С. Теоретические и эмпирические основания уровневого подхода к вниманию. Психология. Журн. Высш. школы экономики. 2008;5(3):31–66.

27. Фифков Е., Маршал Дж. Стереотаксические атласы мозга кошки, кролика и крысы. В кн.: Электрофизиологические методы исследования (Буреш Я., Петрань М., Захар И.). Пер.: Кедер-Степанова И.А. М.: Изд-во иностранной литературы, 1962:456.

28. Фокин Ю.В. Сравнительная оценка влияния психоактивных средств на гиппокампальные тета- и гамма-ритмы. Биомедицина. 2019;15(3):23–32.

29. Фокин Ю.В., Харитонов С.Ю., Каркищенко Н.Н. Фармако-ЭЭГ анализ эффектов регуляторных нейропептидов с ноотропными свойствами у кошек. Биомедицина. 2023;19(2):8–15.

30. Фокин Ю.В., Харитонов С.Ю., Табоякова Л.А., Каркищенко Н.Н. Фармако-ЭЭГ анализ влияния на гиппокамп кошек ацетилхолина и инсулина в наночастицах. Биомедицина. 2023;19(3):58–65.

31. Чернышев Б.В., Панасюк Я.А., Семикопная И.И., Тимофеева Н.О. Активность нейронов базального крупноклеточного ядра при реализации инструментального условного рефлекса. Журн. высш. нерв. деят. 2003;53(5):633–645.

32. Шабанов П.Д., Вислобоков П.Д., Шилов Г.Н., Булай П.М., Луговский А.П. Изменение внутриклеточных потенциалов и ионных токов нейронов моллюсков и активности Cl-каналов под влиянием некоторых тормозных аминокислот и новых литий-содержащих соединений на их основе. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2015;3(3):39–47.

33. Шилов Г.Н., Бубель О.Н., Шабанов П.Д. Новый подход к пониманию структуры, функции и классификации ГАМК-бензодиазепинового рецепторного комплекса, молекулярной мишени для разработки новых антиконвульсантов на базе тормозных аминокислот. Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии. 2016;14(3):34–45.

34. Allen H., Llddle P.P., Frith C.D. Negative features, retrieval processes and verbal fluency in schizophrenia. Br. J. Psychiatry. 1993;163:769–775.

35. Başar E., Basar-Eroglu C., Karakas S., Schurman M. Brain oscillation in perception and memory. International Journal of Psychophysiology. 2000;35:95.

36. Başar E., Femir B., Emek-Savaş D.D., Güntekin B., Yener G.G. Increased long distance event-related gamma band connectivity in Alzheimer's disease. Neuroimage Clin. 2017;14:580–590. DOI: 10.1016/j.nicl.2017.02.021.

37. Başar E., Emek-Savaş D.D., Güntekin B., Yener G.G. Delay of cognitive gamma responses in Alzheimer's disease. Neuroimage Clin. 2016;11:106–115. DOI: 10.1016/j.nicl.2016.01.015.

38. Berger A., Posner M.I. Pathologies of brain attentional networks. Neurosci. Biobehav. Rev. 2000;24(1):3–5.

39. Borgers C., Epstein S., Kopell N.J. Background gamma rhythmicity and attention in cortical local circuits: a computational study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005;102:7002–7007.

40. Bouyer J.J., Montaron M.F., Rougeul A., Buser P. Parietal electrocortical rhythms in the cat: their relation to a behavior of focused attention and possible mesencephalic control through a dopaminergic pathway. C.R. Seances. Acad. Sci. 1980;291:779–783.

41. Bresslerr S.L. Large-scale cortical networks and cognition. Brain Research Reviews. 1995;20:288–304.

42. Buzsáki G. Theta oscillations in the hippocampus. Neuron. 2002;33(3):325–340.

43. Calì C., Tauffenberger A., Magistretti P. The Strategic Location of Glycogen and Lactate: From Body Energy Reserve to Brain Plasticity. Front Cell Neurosci. 2019;13:82. DOI: 10.3389/fncel.2019.00082.

44. Cape E.G., Jones B.E. Effects of glutamate agonist versus procaine microinjections into the basal forebrain cholinergic cell area upon gamma and theta EEG activity and sleep-wake state. Eur. J. Neurosci. 2000;12:2166-2184.

45. Cho R.Y., Konecky R.O., Carter C.S. Impairments in frontal cortical gamma synchrony and cognitive control in schizophrenia. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006;103(52):19878–19883. DOI: 10.1073/pnas.0609440103.

46. Debener S., Hermann C.S., Kranczioch C., Gembris D., Engel A.K. Topdown attentional processing enhances evoked gamma band activity. Neuroreport. 2003;14:683–686.

47. Dehaene S., Changeux J.P. Ongoing spontaneous activity controls access to consciousness: a neuronal model for inattentional blindness. PLoS. Biol. 2005;3(5):e141.

48. Ebert U., Kirch W. Scopolamine model of dementia: electroence-phalogram findings and cognitive performance. Eur. J. Clin. Invest. 1998;28:944–949.

49. Eckhorn R., Bauer R., Jorden W., Brosch M., Kruse W., Munk M.H.J., Reitboeck H.J. Coherent oscillations: a mechanizm of feature linking in the visual cortex? Multiple electrode and correlation analysises in the cat. Biological Cybernetics. 1988;60:121–130.

50. El Messari S., Leloup C., Quignon M., Brisorgueil M.J., Penicaud L., Arluison M. Immunocytochemical localization of the insulin-responsive glucose transporter 4 (Glut4) in the rat central nervous system. J. Comp. Neurol. 1998;399(4):492–512.

51. Engel A.K., Fries P., Singer W. Dynamic prediction: oscillations and synchrony in top-down processing. Nat. Rev. Neurosci. 2001;2:704–716.

52. European Convention for the Protection of Vertebrate Animals Used for Experimental and other Scientific Purposes (ETS 123), Strasbourg, 1986.

53. Fornasari D. Pharmacotherapy for Neuropathic Pain: A Review. Pain Ther. 2017;6(1):25–33. DOI: 10.1007/s40122-017-0091-4.

54. Fries P., Reynolds J., Rorie A.E., Desimone R. Modulation of oscillatory neuronal synchronization by selective visual attention. Science. 2001;291:1560–1563.

55. Fries P., Roelfsema P.R., Engel A.K., Koning P., Singer W. Sinchronization of oscillatory responses in visual cortex correlates with perception in interocular rivalry. Proceedings of the National Academy of Science USA. 1997;94:12699–12704.

56. Galambos R. A comparison of certain gamma band (40-HZ) brain rhythms in cat and man. In E. Basar & T.H. Bullak (Eds) Induced Rhythms in the Brain, Boston: Brikhauser, 1992:201–206.

57. Galow L.V., Schneider J., Lewen A., Ta T.T., Papageorgiou I.E., Kann O. Energy substrates that fuel fast neuronal network oscillations. Front Neurosci. 2014;8:398. DOI: 10.3389/fnins.2014.00398.

58. Golmayo L., Nunez A., Zaborszky L. Electrophysiological evidence for the existence of a posterior cortical-prefrontal-basal forebrain circuitry in modulating sensory responses in visual and somatosensory rat cortical areas. Neuroscience. 2003;119(2):597–609.

59. Gross D.W., Gotman J. Correlation of high-frequency oscillations with the sleep-wake cycle and cognitive activity in humans. Neuroscience. 1999;94: 1005–1018.

60. Grossherg S., Gumewald A. Cortical synchronization and perceptual framing. J. Cognitive Neurosci. 1997;9(1):117.

61. Herculano-Houzel S., Munk M.H.J., Neuenschwan-der S., Singer W. Precisely synchronizeed oscillatory firing patterns require electroencephalographic activation. J. Of Neuroscience. 1999;19:3992–4010.

62. Hermann C.S., Demiralp T. Human EEG gamma oscillations in neurophsychiatric disorders. Clin. Neurophys. 2005;116:2719–2733.

63. Herrmann C.S., Knight R.T. Mechanisms of human attention: event-related potentials and oscillations. Neurosci. Behav. Rev. 2001;25:465–476.

64. Herrman C.S., Mecklinger A., Pfeifer E. Gamma response and ERPs in visual classification task. Clin. Neurophysiol. 1999;110:636–642.

65. Kann O., Huchzermeyer C., Kovács R., Wirtz S., Schuelke M. Gamma oscillations in the hippocampus require high complex I gene expression and strong functional performance of mitochondria. Brain. 2011;134(2):345–358. DOI: 10.1093/brain/awq333.

66. Kann O., Papageorgiou I.E., Draguhn A. Highly energized inhibitory interneurons are a central element for information processing in cortical networks. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2014;34(8):1270–1282. DOI: 10.1038/jcbfm.2014.104.

67. Khakh B.S., Henderson G. Modulation of fast synaptic transmission by presynaptic ligand-gated cation channels. J. Auton. Nerv. Syst. 2000;81(1-3):110–121.

68. Khirug S., Yamada J., Afzalov R., Voipio J., Khiroug L., Kaila K. GABAergik depolarization of the axon initial segment in cortical principal neirons is caused by the Na-K-2Cl cotransporter NKCC1. J. Neurosci. 2008;28:4635–4639.

69. Kullmann D.M. Spillover and synaptic cross talk mediated by glutamate and GABA in the mammalian brain. Prog. Brain Res. 2000;125:339–351.

70. Kurudenkandy F.R., Zilberter M., Biverstål H., Presto J., Honcharenko D., Strömberg R., Johansson J., Winblad B., Fisahn A. Amyloid-β-induced action potential desynchronization and degradation of hippocampal gamma oscillations is prevented by interference with peptide conformation change and aggregation. J. Neurosci. 2014;34(34):11416–11425. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.1195-14.2014.

71. Lee K.-H., William L.M., Breakspear M., et al. Synchronous Gamma activity: a review and contribution to an integrative neuroscience modelof schizophrenia. Brain Res. Rev. 2003;41:57–78.

72. Makeig S., Jung T.P. Tonic, phasic, and transient EEG correlates of auditory awareness in drowsiness. Cogn. Brain Res. 1996;4:15–25.

73. Mason B.J., Quello S., Shadan F. Gabapentin for the treatment of alcohol use disorder. Expert Opin Investig Drugs. 2018;27(1):113–124. DOI: 10.1080/13543784.2018.1417383.

74. Mesulam M.M., Mufson E.J., Wauner B.H., Levey A.I. Central cholinergic pathways in the rat: an overview based on an alternative nomenclature (Ch1-Ch6). Neuroscience. 1983;10:1185–1201.

75. Mima T., Simpkins N., Oluwatimilehin T., Hallett M. Force Level Modulates Human Cortical Oscillatory Activities. Neuroscience Letters. 1999;275(2):77–80.

76. Oliveira L.T., Leon G.V.O., Provance D.W. Jr., de Mello F.G., Sorenson M.M., Salerno V.P. Exogenous β-amyloid peptide interferes with GLUT4 localization in neurons. Brain Res. 2015;1615:42–50. DOI: 10.1016/j.brainres.2015.04.026.

77. Orekhova E.V., Rostovtseva E.N., Manyukhina V.O., Prokofiev A.O., Obukhova T.S., Nikolaeva A.Yu., Schneiderman J.F., Stroganova T.A. Spatial suppression in visual motion perception is driven by inhibition: Evidence from MEG gamma oscillations. NeuroImage. 2020;213:116753. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2020.116753.

78. Palovcik R.A., Phillips M.I., Kappy M.S., Raizada M.K. Insulin inhibits pyramidal neurons in hippocampal slices. Brain Res. 1984;309(1):187–191.

79. Pearson-Leary J., McNay E.C. Intrahippocampal administration of amyloid-β(1-42) oligomers acutely impairs spatial working memory, insulin signaling, and hippocampal metabolism. J. Alzheimers Dis. 2012;30(2):413–422. DOI: 10.3233/JAD-2012-112192.

80. Pulvermuller F., Eulitz C., Pantev C., et al. Highfrequency conical responses reflect lexical processing: an MEG study. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 1996;(98):76–85.

81. Pulvermuller F., Lutzenberger W., Preissl H. Nouns and verbs in intact brain: Eviden from event-related potentials and high — frequency cortical responses. Cereb. Cortex. 1999;(9):497–506.

82. Roberto M., Gilpin N.W., O’Dell L.E., et al. Cellular and behavioral interactions of gabapentin with alcohol dependence. J. Neurosci. 2008;28(22):5762–5771. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.0575-08.2008.

83. Rodriguez R., Kallenbach U., Singer W., Munk M.H. Short- and long-term effects of cholinergic modulation on gamma oscillations and response synchronization in the visual cortex. J. Neurosci. 2004;24:10369–10378.

84. Sannita W.G. Stimulus-specific oscillatory responsess of the brain: a time/frequency-related coding process. Clinical Neurophysiology. 2000;111(4):565–583.

85. Saper C.B. Organization of cerebral cortical afferent systems in the rat. II. Magnocellular basal nucleus. J. Comp. Neurol. 1984;222:313–342.

86. Sheer D.E. Fucused arousal, 40-Hz EEG, and dysfunction. In: Self-Regulation of the Brain and Behavior. Elbert Т., Rockstroh В., Lutzenberger W., et al. (Eds.). Berlin: Springer, 1984:64–84.

87. Shibata T., Shimoyama I., Ito T., Abla D., Iwasa H., Koseki K., Yamanouchi N., Sato T., Nakajima Y. Event-Related Dynamics of the Gamma-Band Oscillation in the Human Brain — Information-Processing During a Go/Nogo Hand Movement Task. Neuroscience Research. 1999;33(3):215–222.

88. Singer W., Gravis С.М. Visual feature integration and the temporal correlation hypothesis. Ann. Rev. Neurosci. 1995;18:555–586.

89. Sohal V.S., Zhang F., Yizhar O., Deisseroth K. Parvalbumin neurons and gamma rhythms enhance cortical circuit performance. Nature. 2009;459(7247):698–702. DOI: 10.1038/nature07991.

90. Suzuki A., Stern S.A., Bozdagi O., Huntley G.W., Walker R.H., Magistretti P.J., Alberini C.M. Astrocyteneuron lactate transport is required for long-term memory formation. Cell. 2011;144(5):810–823. DOI: 10.1016/j.cell.2011.02.018.

91. Szabadics J., Varga C., Molnar G., Olah S., Barzo P., Tamas G. Excitatory effect of GABAergic axo-axonic cells in cortical microcircuits. Science. 2005:311.

92. Talbot K., Wang H.Y., Kazi H., Han L.Y., Bakshi K.P., Stucky A., Fuino R.L., Kawaguchi K.R., Samoyedny A.J., Wilson R.S., Arvanitakis Z., Schneider J.A., Wolf B.A., Bennett D.A., Trojanowski J.Q., Arnold S.E. Demonstra-ted brain insulin resistance in Alzheimer's disease patients is associated with IGF-1 resistance, IRS-1 dysregulation, and cognitive decline. J. Clin. Invest. 2012;122(4):1316–1338. DOI: 10.1172/JCI59903.

93. Tallonbaudry C., Kreiter A., Bertrand O. Sustained and Transient Oscillatory Responses in the Gamma-Band and Beta-Band in a Visual Short-Term-Memory Task in Humans. Visual Neuroscience. 1999;16(3):449–459.

94. Tremblay R., Lee S., Rudy B. GABAergic Interneurons in the Neocortex: From Cellular Properties to Circuits. Neuron. 2016;91(2):260–292. DOI: 10.1016/j.neuron.2016.06.033.

95. Zaborszky L., Gaykema R.P., Swanson D.J., Cullinan W.E. Cortical input to the basal forebrain. J. Neirosci. 1997;79(4):1051–1078.