Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2022, T. 503, № 1, стр. 203-207

В пренатальном периоде развития у млекопитающих факторы внешней среды способны влиять на реализацию генетической программы развития плода с помощью различных путей и сигнальных молекул. Одним из таких активно изучаемых сигнальных соединений является серотонин – ключевой регулятор пролиферации, апоптоза, дифференцировки и миграции клеток в развивающемся организме [1, 2]. Установлена важная роль серотонина в контроле формирования нервной системы плода [3]. Модуляция уровня серотонина в мозге животных в критические периоды пренатального развития приводит к изменениям в процессе формирования межнейронных связей [4].

Известно, что у мышей плацента играет ведущую роль в поддержании необходимого уровня серотонина у плода в период с 11 по 16 дни эмбрионального развития (Э11–Э16), когда происходит активный нейрогенез и рост аксонов в мозге [5]. Синтез серотонина в плаценте чувствителен к влиянию внешних факторов. Например, умеренный стресс или воспаление у беременной самки повышает уровень серотонина в плаценте и влияет на формирование иннервации переднего мозга плода [6]. Причем вызванные изменения сохраняются на протяжении постнатальной жизни [7, 8], и могут лежать в основе дальнейших изменений в поведении животных во взрослом состоянии.

В данной работе мы исследовали влияние факторов внешней среды на формирование адаптивного поведения у потомства и роль плацентарного серотонина в этом процессе. Была использована описанная ранее модель умеренного пренатального стресса, приводящая к повышению синтеза серотонина в плаценте мышей [9]. Мы оценивали формирование стратегий преодоления трудностей (копинг-стратегий) как аспекта адаптивного поведения у потомства мужского пола на 35 день постнатального развития (П35).

Работа проведена на мышах линии BalbC. Беременных самок подвергали стрессу (иммобилизация) ежедневно в период Э11–Э14. В дополнительной серии экспериментов беременные самки в тот же период ежедневно получали перорально предшественник серотонина 5-гидрокситриптофан (5-НТР) в дозе 1 мг/кг. Контролем служили интактные беременные самки. Серотонин в плаценте и тканях плода определяли на Э15 с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии [10]. Для оценки формирования адаптивного поведения потомства использовали стандартный тест “резидент-интрудер” [11] на П35. Все манипуляции с мышами одобрены Локальным этическим комитетом ИБР РАН (протокол № 22 от 15 марта 2018 г.).

Для моделирования пренатального стресса была использована ранее описанная схема, в которой умеренный стресс (ежедневно в течение 2 ч в период Э10–Э16) вызывал повышение уровня серотонина в плаценте у мышей линии C57BL/6 [9]. Однако на мышах линии BalbC такое воздействие снижало уровень серотонина в плаценте (0.538 ± 0.050 и 0.302 ± 0.050 пмоль/мг ткани в контроле и при стрессе соответственно). Мы предположили, что это может быть обусловлено разной чувствительностью к стрессу мышей этих линий, и скорректировали условия эксперимента, уменьшив продолжительность стресса до 1 ч в день в период Э11–Э14. В результате это привело к двукратному увеличению серотонина в плаценте на Э15 (рис. 1а).

Рис. 1.

Концентрация серотонина в плаценте мышей после умеренного стресса (а) или перорального введения предшественника серотонина (5-НТР) (б). Беременных самок подвергали иммобилизационному стрессу в течение 1 ч ежедневно с Э11 по Э14; концентрацию серотонина в плаценте определяли методом высокоэффективной жидкостной хроматографии на Э15. Контролем служили интактные беременные самки. n = 10 плацент от 3 беременных самок в каждой группе. Результаты представлены в виде среднего ± стандартная ошибка среднего; * – p < 0.05 по сравнению с контролем (тест Манна–Уитни).

В группе мышей, получавших предшественник серотонина в физиологических концентрациях, выявлено повышение уровня серотонина в плаценте на Э15, сравнимое с таковым после воздействия стресса (рис. 1б).

Согласно данным литературы, у мышей плацента играет ведущую роль в поддержании необходимого уровня серотонина у плода в период Э11–Э16, а затем возрастает синтез серотонина в собственных тканях плода, и роль плаценты ослабевает [5]. В данной работе животных подвергали стрессу именно в период ведущей роли плаценты как источника серотонина. Повышение его уровня в плаценте после стресса может являться причиной дальнейших изменений в развитии мозга плодов, а затем и в поведении животных уже во взрослом состоянии [8]. Известно, что серотонин матери практически не проходит через плаценту к плоду [5].

Мы показали, что влияние стресса на синтез серотонина в плаценте зависит от интенсивности воздействия. Повышение в результате воздействия умеренного стресса сопоставимо с эффектом от перорального введения предшественника серотонина 5-НТР. Существуют данные о том, что при воспалении, которое также является стрессом, могут повышаться доступность 5-НТР в плаценте и активность триптофангидроксилазы [6]. Хотя точный механизм этого повышения остается неизвестным, можно предположить, что стресс в наших экспериментах также повышал доступность предшественника для синтеза серотонина в той же мере, что и кормление самок 5-HTP. Вопрос о том, с чем связано снижение уровня серотонина в плаценте при увеличении интенсивности стресса, требует дальнейших исследований.

Мы также обнаружили, что умеренный стресс достоверно повышал уровень серотонина не только в плаценте, но и в тканях плода с 0.012 ± ± 0.002 пмоль/мг до 0.022 ± 0.002 пмоль/мг ткани (p < 0.05). Согласно данным литературы, как слишком низкий, так и слишком высокий уровень серотонина в мозге плода может иметь значение при формировании межнейронных связей [8]. Рецепторы к серотонину у грызунов появляются в онтогенезе довольно рано, еще до формирования этих связей, и серотонин может оказывать морфогенетическое действие на эти процессы [12]. У мышей рост аксонов активно происходит в период Э11–Э16 [5], когда плацента функционирует как ведущий источник серотонина. Таким образом, изменения уровня серотонина в мозге животных в критические периоды внутриутробного развития могут приводить к изменениям в процессе формирования межнейронных связей, а следовательно, и поведения, в частности, в способности этих животных реагировать на меняющиеся условия окружающей среды, что может быть важно для выживания популяции в целом.

Для анализа возможного влияния умеренного пренатального стресса на адаптивное поведение взрослых потомков мы исследовали формирование у них стратегий преодоления трудностей с помощью теста “резидент-интрудер”. Согласно полученным данным, большинство мышей контрольной группы атаковали интрудера в течение первых 2 мин (рис. 2).

Рис. 2.

Влияние пренатального стресса на копинг-стратегии у потомства. Тест “резидент-интрудер” проведен на 35-дневных самцах мышей (n = 50), подвергавшихся пренатальному стрессу в период Э11-Э14. Контролем служили потомки интактных беременных мышей (n = 50). Наблюдение за животными проводили в течение 6 мин.

В целом все мыши этой группы демонстрировали атаку на интрудера в течение 3 мин. Мыши из опытной группы начинали атаковать интрудера не ранее, чем через 2 мин после его появления в клетке. У большинства мышей этой группы не наблюдалось атакующего поведения в течение всего периода наблюдения.

Полученные данные свидетельствуют о том, что увеличение уровня серотонина в плаценте в пренатальном периоде после воздействия стресса сопровождалось изменением в поведении потомства мужского пола. Исследование проводили на самцах в соответствии с данными литературы о том, что у самок, чьи матери подвергались стрессу в период беременности, последующие изменения в поведении отличались от самцов, и затрагивали такие аспекты, как тревожность и депрессию [13]. У самцов изменения касались в основном аспектов социального поведения [4]. Используемый нами поведенческий тест как раз характеризует изменения аспектов поведения, характерных именно для самцов. Известно также, что потомство мужского пола более чувствительно к пренатальному стрессу, чем женского [14].

Стратегии преодоления трудностей, или копинг-стратегии, представляют собой поведенческие и физиологические адаптации к различным условиям окружающей среды и базируются на особенностях функционирования нервной и нейроэндокринной систем. Выделяют два типа поведения, определяющих копинг-стратегии – проактивный и реактивный. Проактивный тип отличается высокой агрессивностью, высокой скоростью принятия решений, реактивный тип – низкой агрессивностью, большей гибкостью, легче адаптируется к меняющимся внешним условиям [15].

Мы видим, что животные из опытной группы отличались от контроля гораздо большей социальной гибкостью и лабильностью и низкой агрессивностью, тогда как для контрольных мышей было характерно стремление защитить свою территорию. То есть поведение потомков после пренатального стресса стало более реактивным. В свою очередь, умеренный стресс может возникать у беременных самок при изменении условий окружающей среды. Соотношение в популяции количества животных с разными типами поведения, особенно у видов с выраженным социальным взаимодействием, в целом определяет способность популяции к выживанию как в стабильных, так и меняющихся внешних условиях. Увеличение внутри группы доли животных, демонстрирующих реактивное поведение, может давать этой группе преимущество в нестабильных условиях окружающей среды, что важно для выживания популяции в этой ситуации.

Таким образом, плацентарный серотонин может опосредовать влияние внешней среды на развитие плода, и вызывать у потомства долгосрочные изменения паттернов поведения, которые лежат в основе их адаптивных возможностей.