ИЗМЕРЕНИЕ КИНЕТИКИ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОСНОВНЫХ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ В ОТВЕТ НА КОРОТКИЙ ЗРИТЕЛЬНЫЙ СТИМУЛ ПРИ ПОМОЩИ ПРОТОННОЙ МРС Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 57.07

ИЗМЕРЕНИЕ КИНЕТИКИ КОНЦЕНТРАЦИЙ ОСНОВНЫХ НЕЙРОМЕДИАТОРОВ В ОТВЕТ НА КОРОТКИЙ ЗРИТЕЛЬНЫЙ СТИМУЛ ПРИ ПОМОЩИ ПРОТОННОЙ МРС

DOI

Яковлев А. Н.123, Грицкова А. В.4, Ублинский М. В.12, А. Манжурцев А. В.1,2,4, Меньщиков П. Е.3, Ахадов Т. А.1,4, Семенова Н. А.1234

1 Научно-исследовательский институт неотложной детской хирургии и травматологии

2 Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семенова РАН

3 Институт биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН

4 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова e-mail: yakovlevalekcej@bk.ru

Аннотация: В настоящей работе получены временные зависимости уровней ГАМК (GABA) и Glx (сумма глутамата и глутамина) после предъявления короткого трехсекундного зрительного стимула. Для определения уровней нейромедиаторов использовался метод магнитно-резонансной спектроскопии. Обнаружено увеличение уровня Glxrn 1-ой секунде после предъявления стимула и быстрое снижение к исходному уровню. Уровень ГАМК так же увеличивается на 1—3 секундах, после чего снижается к исходному уровню. Использование короткого стимула позволило наблюдать быстрые изменения уровнянейромедиаторов, которые не могут быть связаны с метаболическими процессами. Поэтому обнаруженные изменения уровней этих нейромедиаторов в первые секунды после предъявления стимула, скорее всего, связаны с высвобождением нейромедиаторов из везикул и их последующим возвращением в них.

Ключевые слова: глутамат, ГАМК, МРС, зрительный стимул, фМРТ

Введение.

Глутамат (Glu) и у-аминомасляная кислота (ГАМК) являются основными нейромедиаторами (возбуждающим и тормозным, соответственно). В исследованиях с использованием единичного стимула изменение Glu в коротком периоде времени интерпретируют вы-

пуском нейромедиатора из везикул, так как метаболические процессы имеют низкую скорость для обнаруженных изменений концентраций порядка 0,5—1 мМ. В большинстве работ с использованием длительного стимула (от 30 с) изменения, в основном, связывают с метаболизмом. К настоящему времени, нет работ показывающих возвращение уровня Glu к исходному уровню, и нет работ, описывающих быстрое изменение концентрации ГАМК в ответ на короткую стимуляцию.Поскольку ГАМК также является нейромедиатором и упакован в везикулы, при вовлечении тормозных процессов в обработку зрительного стимула, ожидается увеличение интенсивности ЯМР сигнала ГАМК в коротком периоде. Последующая кинетика будет характеризовать возвращение ГАМК в везикулы. Целью данной работы является получение кинетики уровней нейромедиаторов в ответ на короткий зрительный стимул при помощи 1 Н-МРС.

Материалы и методы

Все данные фМРТ и протонной МРС получены при помощи 3 Т томографаPhilipsAchievadStream. В исследовании приняло участие 33 и 25 здоровых волонтера для измерения GABA и Glu, соответственно. Для зрительной активации использовалась мерцающая с частотой 8 Гц шахматная доска в блоках (3 с — стимуляция, 13.5/21s — черный экран (GABA/Glx); 15 раз для фМРТ и 40 — МРС). ФМРТ-изображения получены при помощи GE EPI со следующими параметрами TR/TE = 3000/40 мс, угол отклонения = 90°, разрешение = 2.4x2.4 мм, толщина среза = 4 мм, число срезов = 30 (83 накопления). Спектры для измерения GABA получены при помощи импульсной последовательности MEGA-PRESS (TR/TE = 1500/68 мс, NSA = 802, 30x40x25 мм), для Glx — PRESS (TR/TE = 2000/35 мс, NSA = 432, 20x30x20 мм) и локализованы в активированной области зрительной коры. Ширина линии и высота сигналов метаболитов определена из аппроксимации резонансных линий Cr (3 м. д.) и NAA (2 м. д.). Количественная обработка спектров выполнена при помощи LCmodel. После перераспределения данных и усреднения, получены 12/11 значений Glx/ГАМК в периоде ответа на зрительную стимуляцию (в том числе и сам период стимуляции), а для ГАМК получены значения «до» и «после» 10-минутного периода предъявления стимуляции. Уровенинейромедиаторов нормированы Cr, для исключения влияния BOLD-эффекта на уровни нейромедиа-торов. Все значенияGlx/CrиGABA/Cr сравнивались созначением, наиболее отдаленным по времени от стимула при помощи параметрического метода FishersLSD (для Glx) и непараметрического теста

Данна (для GABA). Множественные сравнения скорректированы методом Бенжамини-Хошберга (FDR-adjusted) [1]though, has faults, and we point out a few. A different approach to problems of multiple significance testing is presented. It calls for controlling the expected proportion of falsely rejected hypotheses- the false discovery rate. This error rate is equivalent to the FWER when all hypotheses are true but is smaller otherwise. Therefore, in problems where the control of the false discovery rate rather than that of the FWER is desired, there is potential for a gain in power. A simple sequential Bonferronitype procedure is proved to control the false discovery rate for independent test statistics, and a simulation study shows that the gain in power is substantial. The use of the new procedure and the appropriateness of the criterion are illustrated with examples",'author": [{"dropping-particle":"','family

» »T> * * *»» * >y »Л7" >У>У л • 1 >y »»» >y

: Benjamini, given : Yoav , non-dropping-particle : , parse-names :

г i » rrz » »») f«1 • 1 » >»»>r -1 » "TT 1 1 >»> ♦ » »\r

talse, suffix : },{ dropping-particle : , tamily : Hochberg , given : Yose

f>»> j • a • 1 » >»»? » r i » nr » »»11» л. '

, non-dropping-particle : , parse-names : false, suffix: }],container-title":"Journal of the Royal Statistical Society: Series B (Methodological, уровень значимости принять на уровне q<0.05.

Результаты.

Измерение ширин и высот резонансных линий Cr и NAA в динамике ответа на стимуляцию выявило изменение этих величин, причем максимальное изменение достигается к 6-ой секунде. Ширины линий этих метаболитов уменьшаются, а высоты — увеличиваются. Усредненные по группе значения хорошо коррелируют с функцией стандартного гемодинамического ответа. Спектры были уширены на среднее сужение резонансных линий в каждой временной точке. Не все кривые коррелировали с кривой стандартного гемодинамического ответа для некоторых испытуемых. Корреляций значений амплитуд изменений ширин и высот линий Сги NAA (4 выборки) не наблюдается.

В результате предъявления стимуляции наблюдается статистически значимое увеличение Glx/Cr (Glu+Gln) на 1-ой (+14 %, q= 0.006) и 15-ой (+10 %, q = 0.04) секундах (рис. 1 а). Уровень ГАМК/Cr статистически значимо увеличивается на 1.6 (+3 %, q = 0.03) и 3.1 с (+5 %, q = 0.047) после предъявления стимула после чего постепенно возвращается к исходному уровню (рис. 1 б).

Обсуждение

Изменение ширин линий и высот резонансных линий Сги NAAповторяет кривую гемодинамического ответа, поэтому можно

считать, что эти изменения вызваны BOLD-эффектом. Таким образом, наше исследование демонстрирует применимость протонной МРС для измерения BOLD-ответа, в том числе и его временных характеристик, в группе испытуемых. К сожалению, на индивидуальном уровне определение BOLD-эффекта при помощи МРС в настоящий момент невозможно.

Полученные изменения уровней нейромедиаторов в первые секунды после применения стимула показывают, что они, скорее всего, связаны с высвобождением нейромедиаторов из везикул. Изначально (до стимула) нейромедиаторы в и вне везикул находятся в спектроскопическом вокселе, поэтому концентрация нейромедиаторов не изменяется в результате высвобождения из везикул. Однако существует предположение, что везикулярный нейромедиатор имеет значительно менее интенсивный сигнал для используемого времени эха (35—68 мс) из-за меньшего времени релаксации Т2, поэтому данный пул называют «невидимым» [2]. Уменьшение уровня нейромедиаторов к исходному уровню после роста объясняется упаковкой нейромедиатора в везикулы. Обнаруженное нами увеличение Glx [3]также найдено и в других работах с использованием болевого и когнитивного стимулов [4], в то время как увеличение уровня GABA обнаружено впервые.

а)

б) 1,2

1,125

tj

2 1,05 <

О <

0,975

0 3,5 7 10,5 14

Time, s

Рис. 1. Зависимость усредненных по группе испытуемых Glx/Cr (а) и GABA/ Cr (б), нормированные на последнее значение во временном ряду (на обоих рисунках оно показано с отрицательным значением времени). За нулевое значение времени t = 0 с принято время начала предъявления стимула.

Сопоставление уровней нейромедиаторов (а также их изменений) с BOLD-эффектом, измеренным как по данным МРС, так и по данным фМРТ, не выявило каких-либо статистически значимых корреляций.

Обсуждение.

Изменение ширин линий и высот резонансных линий Cra NAAповторяет кривую гемодинамического ответа, поэтому можно считать, что эти изменения вызваны BOLD-эффектом. Таким образом, наше исследование демонстрирует применимость протонной МРС для измерения BOLD-ответа, в том числе и его временных характеристик, в группе испытуемых. К сожалению, на индивидуальном уровне определение BOLD-эффекта при помощи МРС в настоящий момент невозможно.

Полученные изменения уровней нейромедиаторовв первые секунды после применения стимула показывают, что они, скорее всего, связаны с высвобождением нейромедиаторов из везикул. Из-

0,9

-3,5

начально (до стимула) нейромедиаторы в и вне везикул находятся в спектроскопическом вокселе, поэтому концентрация нейромеди-аторов не изменяется в результате высвобождения из везикул. Однако существует предположение, что везикулярный нейромедиатор имеет значительно менее интенсивный сигнал для используемого времени эха (35—68 мс) из-за меньшего времени релаксации Т2, поэтому данный пул называют «невидимым» [2]. Уменьшение уровня нейромедиаторов к исходному уровню после роста объясняется упаковкой нейромедиатора в везикулы. Обнаруженное нами увеличение Glx [3]также найдено и в других работах с использованием болевого и когнитивного стимулов [4], в то время как увеличение уровня GABA обнаружено впервые.

Список литературы:

1. Benjamini Y, Hochberg Y (1995) Controlling the False Discovery Rate: A Practical and Powerful Approach to Multiple Testing. J R Stat Soc Ser B Methodol 57:289—300.

2. Kauppinen RA, Pirttila TRM, Auriola SOK, Williams SR (1994) Compartmentation of cerebral glutamate in situ as detected by 1H/13C n. m.r. Biochem J 298:121 — 127.

3. Yakovlev A, Manzhurtsev A, Menshchikov P, Ublinskiy M, Mel-nikov I, Kupriyanov D, Akhadov T, Semenova N (2022) Functional Magnetic Resonance Spectroscopy Study of Total Glutamate and Glutamine in the Human Visual Cortex Activated by a Short Stimulus. Biophysics 67:265—273.

4. Mullins PG (2018) Towards a theory of functional magnetic resonance spectroscopy (fMRS): A meta-analysis and discussion of using MRS to measure changes in neurotransmitters in real time. Scand J Psychol 59:91 — 103.

MEASUREMENT OF THE KINETICS OF CONCENTRATIONS OF MAJOR NEUROTRANSMITTERS IN RESPONSE TO A SHORT VISUAL STIMULUS USING PROTON MRS

Yakovlev1'23, A. Gritskova4, А. Manzhurtsev1'34, М. Ublinskii1'3'4, P. Menszhsikov3, Т. Akhadov14, N. Semenova1,2,3,4

1 Clinical and Research Institute of Emergency Paediatric Surgery and Traumatology, Moscow, Russian Federation

2 Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation

3 Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russian Federation

4 Moscow State University, Moscow, Russian Federation

Abstract: In this work, the time dependences of GABA and Glx levels (the sum of glutamate and glutamine) were obtained after the presentation of a short three-second visual stimulus. To determine the levels of neurotransmitters, the method of magnetic resonance spectroscopy was used. An increase in the level of Glx was found at the 1st second after the presentation of the stimulus and a rapid decrease to the initial level. The level of GABA also increases for 1—3 seconds, after which it decreases to its original level. The use of a short stimulus made it possible to observe rapid changes in the level, which cannot be associated with metabolic processes. Therefore, the detected changes in the levels of these neurotransmitters in the first seconds after the presentation of the stimulus are most likely associated with the release of neurotransmitters from vesicles. Keywords: glutamate, GABA, MRS, visual stimulus, fMRI