2 курс / физиология / документы / react of fish

Поведенческие реакции рыб на болевые стимулы

Л.С.Червова Московский государственный университет

Ощущение боли как фактор защитного характера сформировалось в процессе естественного отбора из фундаментального свойства животных - способности идентифицировать неблагоприятные внешние стимулы и отвечать на них. Это свойство присуще в определённой степени представителям всех филогенетических уровней (Kavaliers, 1988). Боль вызывают раздражители, которые ведут к повреждению организма или угрожают ему этим. Функциональная сущность боли заключается не в дискриминации качества внешнего стимула, а в ощущении болевого воздействия, которое является одновременно фактором, побуждающим животное к уходу от его источника. Боль как один из видов сенсорных модальностей трудна для изучения и анализа, поскольку под "болью" подразумевают несколько сложных физиологических процессов - информация, ощущение, эмоция, нейрофизологический феномен, поэтому ни природа боли, ни диапазон ощущений, объединяемых этим понятием, не имеют точного определения даже для людей. У человека формирование боли как акта сознания является сложным процессом и детерминировано не только биологическими, но и социальными факторами (Орбели, 1966).

Поскольку анатомические и функциональные характеристики структур головного мозга представителей разных филогенетических уровней не дают оснований предполагать, что все животные могут иметь осознанные ощущения сходные с таковыми у человека, то и термин "боль" применительно к животным не может считаться точным. При рассмотрении боли у животных правильнее использовать более корректный термин "ноцицепция" (noceo (лат) - вредить, повреждать, портить), который подразумевает рецепцию аверсивного стимула и процесс передачи его по структурам нервной системы вплоть до головного мозга, где нейронально опосредуется болевое переживание (Sherrington, 1906). Одним из определений "боли" у животных может быть такое - "сенсорное ощущение, возникшее в результате действительного или потенциального повреждения, которое вызывает защитные моторные или вегетативные реакции, проявляющиеся в избегании, и способное модифицировать специфическое видовое поведение" (Zimmerman, 1991). При этом, очевидно, надо считать, что когда в научной литературе авторы для удобства используют термин "боль", говоря о животных, они подразумевают именно ноцицепцию, а не сложное субъективное и эмоциональное переживание, свойственное человеку.

У рыб болевые ошушения и вызываемые ими изменения поведения до сих пор не изучалась целенаправленно. Имеющаяся информация фрагментарна и скудна. Основные анатомические, физиологические и биохимические составляющие ноцицепции у рыб сходны с таковыми у млекопитающих. Рецепторы боли рыб - ноцицепторы - как и других позвоночных представляют собой свободные окончания спинальных (на туловище) и тригеминальных (на голове) нервных волокон. У рыб свободные нервные окончания локализуются по всей поверхности тела, в том числе и на плавниках. Они обнаружены недавно в обонятельном эпителии у данио рерио Brachydanio rerio (Hansen, Zeiske, 1998). В некоторых участках свободные нервные окончания подходят к поверхности эпидермиса на расстояние 0,5 мкм (Whitear, 1971). Исследования, проведённые на карпе Cyprinus carpio, радужной форели Parasalmo mykiss и треске Gadus morhua показали, что у этих рыб ноцицептивная чувствительность имеется на всей поверхности тела. Наиболее чувствительными к ноцицептивным стимулам у этих видов были лопасть хвостового плавника, спинные и грудные плавники, кожа вокруг глаз, эпителий обонятельного мешка; менее чувствительными - кожа поверхности головы и тела (Chervova et al., 1994; Chervovа, 1997). Высокая плотность ноцицепторов на плавниках, возможно, связана с тем, в частности, что при гнездостроительной деятельности или во время агрессивных взаимодействий у рыб повреждаются плавники. Информация от ноцицепторов поступает на нейроны заднего рога спинного мозга или каудального ядра тройничного нерва головного мозга, затем распространяется в центральной нервной системе многими путями. Прежде всего - к мотонейронам, которые посылают импульсацию к двигательным мышцам. Это обеспечивает формирование быстрого поведенческого ответа - двигательной защитной реакции (вздрагивания, отдёргивания конечности, избегания). Параллельно ноцицептивная информация поступает в восходящие пути, которые передают ее к высшим мозговым центрам, где формируются другие компоненты болевого ответа - поведенческая реакция настораживания, вегетативные и эмоциональные реакции (Breazile, Kitchell, 1969).

У рыб процессы, происходяшие в центральной нервной системе в ответ на ноцицептивную стимуляцию, не исследовались. Однако вешество Р, нейропептид, который является медиатором ноцицепции у млекопитающих, был обнаружен в периферических нервных окончаниях трески и радужной форели (Johnsson et al., 1998), в спинном мозгу атлантического ската Dasyatis sabina (Ritchie, Leonard, 1983), а также в различных областях головного мозга золотой рыбки Carassius auratus (Sharma et al., 1989) и атлантического лосося Salmo salar (Vecino, Ekstrom, 1991). В спинном мозгу и тройничном ганглии морской миноги Petromyzon marinus были обнаружены нейроны, отвечающие разрядами импульсов на сильное сдавливание кожи, оставляющее следы ущемления, уколы острой иглой и прижигание до появления белых пятен (Martin, Wickelgren, 1971; Matthews, Wickelgren, 1978).

Поведенческие ответы, которые у млекопитаюших рассматриваются в качестве маркеров первичной болевой чувствительности, стоящей на грани тактильного ощущения, и которые контролируются, как предполагается, лимбической системой, - это первичные локомоторные стартовые реакции, простое неспецифическое избегание (Wall, 1992). Такие ответы наблюдаются и у рыб в ответ на болевые стимулы (Rekubratskii, 1967; Jansen, Green, 1970; Sikharulidze, Kadagishvili, 1974; Ehrensing, et al., 1982). У млекопитающих стимуляция ноцицепторов сопровождается аффективным ответом - вокализацией. У рыб также были зафиксированы специальные звуки, издаваемые при ранении. У вьюна Misgurnus fossilis эти звуки генерировались плавательным пузырём и характеризовапись спектром частот 0-4000 Гц с максимумами 500, 1500 и 3000 Гц, и продолжались в среднем 490 мс. По этим параметрам "крик" боли вьюна отличался от звуков, сопровождающих захват пищи, питание или нерестовое поведение (Никольский и др., 1968).

Для оценки координированных реакций на болевой стимул (которые у млекопитающих контролируются, как предполагается, корой головного мозга, например, атака на источник стимула, потирание места стимуляции) у немлекопитающих и безголосых видов было предложено использовать метод условного избегания (Сharpentier, 1968). У костистых рыб (не имеющихкоры головного мозга) условнорефлекторное избегание аверсивного стимула вырабатывается легко, если этим рыбам свойственно в природе быстрое стремительное плавание. Так, черноморская ставрида Trachurus mediterraneus ponticus обучалась избегать световой сигнал, за которым следовал болевой электрический стимул, через 12-13 сочетаний. У малоподвижных рыб, "засадчиков", как у черноротого бычка Neogobius melanostomus и губана Symphodus roissali выработать избегание на условний сигнал не удавалось. В ответ на электрический стимул эти рыбы вздрагивали, совершали короткий бросок в сторону и замирали. На последующие болевые стимулы они реагировали учащением дыхания (Rekubratskii, 1967).

В условиях социальных взаимодействий животное постоянно сталкивается с ситуациями, когда оно вынуждено до определённой меры не реагировать на ноцицептивные воздействия ради более важных биологических мотиваций, таких как добывание пищи, продолжение рода, сохранение социальных контактов, сохранение потомства. Поэтому у животных с развитой центральной нервной системой имеются различные нейрональные механизмы, которые выполняют контролирующую и ограничивающую функцию в отношении ноцицептивной афферентной информации как на сегментарном уровне, так и на уровне головного мозга. Подобные биологические системы управления имеют приспособительное значение, так как позволяют обеспечить устойчивое состояние организма в таких ситуациях, когда, например, ноцицептивная импульсация от травмированного участка достигает предела выносливости. Регулирующее воздействие в этом случае оказывает эндогенная антиноцицептивная система, поддерживающая и регулирующая порог болевой чувствительности на необходимом функциональном уровне. Эта система представлена преимущественно эндогенными опиоидными пептидами (энкефалинами и эндорфинами) и опиоидными рецепторами (мишенями для эндогенных опиоидов), подразделяющимися на три основных класса , и (Dhawan et al., 1996).

Опиоидные пептиды, или эндогенные морфины, действуют так же, как экзогенные опиаты, то есть морфин и кодеин, содержащиеся в опиумном маке Papaver somniferum. Опиоидные пептиды связываются с опиатными рецепторами и, подобно морфину, подавляют болевые ответы. Кроме того, они оказывают значительные эффекты на обучение и память, половое и репродуктивное поведение, питание, социальное поведение, характер двигательной активности, регуляцию температуры и др. (Krieger, 1983).

У рыб, вслед за наземными позвоночными, также были обнаружены составляющие опиоидной антиноцицептивной системы - эндогенные опиоидные пептиды и опиоидные рецепторы. Эндогенный пептид бета-эндорфин обнаружен в гипофизах катрана Squalus acantias, арегонской мерлузы Merluccius productus, кижуча Oncorhynchus kisutch (Pezalla et al., 1978), в базальном гипоталамусе собачьей акулы (small spotted dogfish) Scyliorhinus canicula (Vallarino et al., 1989), в гипоталамических ядрах n.tuberis и n.preopticus бопса Boops boops (Vallarino, 1985), в промежуточном, среднем и продолговатом мозге радужной форели, причем распределение бета-эндорфина в центральной нервной системе форели соответствовало характеру распределения пептидсодержащих нейронов в базальном гипоталамусе тетрапод (Vallarino et al., 1989b). Энкефалины были описаны в преоптическом ядре, в мозжечке, нейроэндокринных клетках, в гипоталамусе, во вкусовой доле, висцеральных ядрах и мозжечке золотой рыбки (Reaves and Hayward, 1979; Finger, 1981; Schulman et al., 1981), в различных структурах переднего, промежуточного, среднего, продолговатого мозга и мозжечка радужной форели и атлантического лосося (Vecino and Ekstrom, 1991; Vecino et al., 1992), в ядрах шва ретикулярной формации cтвола у гидролага Hydrolagus colliei, бычьей акулы Heterodontus francisci и катрана (Stuesse et al., 1995).

В головном мозге рыб были обнаружены также и опиоидные рецепторы. У золотой рыбки найдено большое количествово мест связывания с опиоидными рецепторами в обонятельных луковицах и в основании среднего мозга (tegmentum) (Pert et al., 1974), а также в той области переднего мозга, которая гомологична стриатуму наземных позвоночных (Edley et al., 1982), в переднем мозгу катрана (spiny dogfish) и американской куньей (smooth dofish) акул, в мозгу миксин Myxine (Pert et al., 1974). Долгое время у рыб не удавалось обнаружить мю-опиоидные рецепторы, которые опосредуют преимущественно антиноцицептивные эффекты, что позволяло исследователям предполагать, что мю-опиоидная антиноцицепция появляется в эволюции впервые у амфибий. Позднее мю- и каппа-опиоидные рецепторы были обнаружены в мозгу золотой рыбки (Brooks et al., 1993) и в различных структурах мозга смолтов кижуча (Ebbesson et al., 1993). Кроме того, недавно у чукучана Catostomus commersoni и данио рерио были изолированы комплементарные ДНК и клонированы кодируемые ими мю-, дельта- и каппа-опиоидные рецепторы (G-протеины), которые по своим аминокислотным последовательностям оказались очень сходными с соответствующими опиоидными рецепторами млекопитающих (Darlison et al., 1997; Barrallo et al., 1998).

Было показано, что опиаты и опиоидные пептиды модулируют ноцицептивное поведение рыб. На золотой рыбке исследовали влияние морфина на возбудительный плавательный ответ, вызываемый болевым электрическим стимулом, прикладываемым к дорзальному плавнику. Морфин, ранжированно (по 140 мкг) добавляемый в аквариум (1 л), поглощался рыбами через жабры и оказывал аналгетическое действие. Это действие выражалось в увеличении электрического стимула, требуемого для появления активного плавательного ответа. Как и у высших позвоночных, к морфину развивалась толерантность: его аналгетический эффект снижался после повторного введения (Jansen, Green, 1970). В другой работе у золотой рыбки при электрическом раздражении, градуально увеличивающемся, наносимом каудальнее спинного плавника, регистрировали реакцию вздрагивания. Порог этой реакции повышался под воздействием морфина, добавляемого в воду (Ehrensing, et al., 1982). Аналог бета-эндорфина, вводимый как интракраниально, так и интраперитонеально, значительно удлинял латентный период реакции избегания сильного звукового раздражителя (108 дБ) у свободно плавающей золотой рыбки. Поведенческий эффект был сильнее при интракраниальном введении, что подтверждает влияние бета-эндорфина на центральные механизмы регуляции поведения (Olson et al., 1978). Кроме того, морфин, добавленный в воду аквариума, влиял на агрессивное поведение цихлид Cichlasoma nigrofasciatum, значительно снижая число атак рыбы-резидента на рыбу- захватчика территории (Avis and Peeke, 1975). Интраназально вводимые мю-опиоидные аналгетики дерморфин и бета-казоморфин уменьшали величину поведенческих ответов трески и радужной форели на ноцицептивные электрические стимулы (Chervova et al., 1992, 1994). С помощью разработанного поведенческого теста обнаружено, что ноцицептивные пороги значительно повышались у карпа после внутримышечного введения агонистов мю-, дельта-, и каппа-опиоидных рецепторов, соответственно, трамадола, DADLE и U-50488 (Chervova, Lapshin, 1999).

Таким образом, на основании представленных данных можно с большой долей уверенности полагать, что у рыб, как и у высших позвоночных, существуют ноцицептивная и опиоидная антиноцицептивная системы, которые на уровне центральных механизмов участвуют в регуляции поведения рыб.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Avis, H.H., and Peeke, H.V.S., Differentation by Morphine of Two Types of Aggressive Behavior in the Convict Cichlid (Cichlasoma nigrofasciatum), Psychopharmacologia (Berl), 1975, vol. 43, p. 287-288.

2. Barrallo, A., Gonzalez-Sarmiento, R., Porteros, A., et al., Cloning, Molecular Characterization, and Distribution of a Gene Homologous to delta-Opioid Receptor from Zebrafish (Danio rerio), Biochemical and Biophysical Research Communications, 1998, vol. 245, no. 2, pp. 544-548.

3. Breasile, J.E., and Kitchel, R.L., Pain Perception in Animals, Fed. Proceed., 1969, vol. 28, no. 4, pp. 1379-1382.

4. Brooks, A.I., Standifer, K.M., Ciszewska, G.R., et al., Expression of kappa-3 and mu Binding Sites in Bufo marinus (Giant Toad) and Carassius auratus (Goldfish) Brain, Soc. Neurosci. Abstr., Opioids: Recep., III, 1993, vol. 19, no. 5, p. 1156.

5. Charpentier, J., Analisis and Measurement of Pain in Animals, a New Conception of Pain, Pain. Soulairac, A., Cahn, J. and Charpentier, J., Eds., London: Academic Press. 1968.

6. Chervova, L.S., Pain Sensitivity and Behavior of Fishes, J. of Ichthyol., 1997, vol. 37, no. 1, pp. 98-102.

7. Chervova, L.S., Kamenskii, A.A., Malyukina, G.A., et al., Investigation of the Mechanism of Intranasal Effect of Dermorphin in Representatives of Two Classes of Vertebrates, Zh. Evol. Biokhim. Fiziol., 1992, vol. 28, no. 1, pp. 45-48.

8. Chervova, L.S., and Lapshin, D.N., Opioid modulation of nociceptive thresholds in fish, Abstr. 30th International Narcotics Research Conference. Saratoga Springs, NY, USA, July 10-15, 1999, p. 81.

9. Chervova, L.S., Lapshin, D.N., and Kamenskii, A.A., Pain Sensitivity of Trout and Analgesia Caused by Dermorphin Administrated Intranasally, Dokl. Biol. Scienc., 1994, vol. 338, pp. 424-425.

10. Darlison, M.G., Greten, F.R., Harvey, R.J., et al., Opioid Receptors from a Lower Vertebrate (Catostomus commersoni): Sequence, Pharmacology, Coupling to a G- Protein-Gated Inward-Rectifying Potassium Channel (GIRK1) and Evolution, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. Neurobiology, 1997, vol. 94, pp. 8214-8219.

11. Dhawan, B.N., Cesselin, F., Raghubir, R., et al., International Union of Pharmacology. X11. Classification of Opioid Receptors, Pharmacological Reviews, 1996, vol. 48, no 4, pp. 567-592.

12. Ebbesson, L.O.E., Daviche, P., and Ebbesson, S.O.E. Distribution and Changes in mu- and kappa-Opiate Receptors in the Midlife Critical Period of Natural Development in Coho salmon, Oncorhynchus kisutch, Abstr. Amer. Assoc. Anat., 106th Ann. Meet. Joint. Jpn. Assoc. Anat., San Diego, Calif., March 27-31, 1993, Anat. Rec., 1993, Suppl., p. 48.

13. Edley, S.M., Hall, L., Herkenham, M., and Pert, C.B., Evolution of Striatal Opiate Receptors, Brain Research, 1982, vol. 249, pp. 184-188.

14. Ehrensing, R.H., Michell, G.F., and Kastin, F.J., Similar Antagonism of Morphine Analgesia by MIF-1 and Naloxone in Carassius auratus, Pharmacol. Biochem. and Behav., 1982, vol. 17, pp. 757-761.

15. Finger, T.E., Enkephalin-like Immunoreactivity in the Gustatory Lobes and Visceral Nuclei in the Brains of Goldfish and Catfish, Neuroscienc., 1981, vol. 12, pp. 2747- 2758.

16. Hansen, A., and Zeiske, E., The Periferal Olfactory Organ of the Zebrafish, Danio rerio: an Ultrastructural Study, Chem. Senses, 1998, vol. 23, pp.39-48.

17. Jansen, G.A., and Greene, N.M., Morphine Metabolism and Morphine Tolerance in Goldfish, Anesthesiology, 1970, vol. 32, pp. 231-235.

18. Johnsson, M., Axelsson, M., and Holmgren, S., Localization of Neuropeptides in Perivascular Nerves Innervating Veins in the Atlantic Cod (Gadus morhua) and the Rainbow Trout (Oncorhynchus mykiss), Abstr. of Vlll Intern. Symp. on Fish Physiol., 15-18 August, 1998, Uppsala, Sweden, p. 34.

19. Kavaliers, M., Evolutionary and Comparative Aspects of Nociception, Brain Research Bull., 1988, vol. 21(6), pp. 923-931.

20. Krieger, D.T., Brain Peptides: What, Where, and Why?, Science, 1983, vol. 222, pp. 975-985.

21. Matthews G., and Wickelgren, W.O., Trigeminal Sensory Neurons of the Sea Lamprey, J. Comp. Physiol., 1978, vol. 123, pp. 329-333.

22. Martin, A.R., and Wickelgren, W.O., Sensory Cells in the Spinal Cord of the Sea Lamprey, J. Physiol., 1971, vol. 212, pp. 65-83.

23. Nikolskii, I.D., Protasov, V.R., Romanenko, E.V., and Shishkova, E.V., Zvuki ryb. Atlas (Sounds of fishes. Atlas), Moscow: Nauka, 1968.

24. Olson, R.D., Kastin, A.J., Michell, G.F., et al., Effects of Endorphin and Enkephalin Analogs on Fear Habituation in Goldfish, Pharmacol. Biochem. and Behav., 1978, vol. 9, pp. 111-114.

25. Orbeli, L.A., Problema boli (Problem of pain), Izbrannie trudy, Moscow-Leningrad: Nauka, 1966, vol. 4, pp. 129-190.

26. Pert, C.B., Aposhian, D., and Snyder, S.H., Phylogenetic Distribution of Opiate Receptor Binding, Brain Research., 1974, vol. 75, pp. 356-361.

27. Pezalla, P.D., Clarke, W.C., Lis, M., et al., Immunological Characterization of b- Lipotropin Fragments (Endorphin, b-MSH, and N-Fragment) from Fish Pituitaries, General and Comparative Endocrinology, 1978, vol. 34, pp. 163-168.

28. Reaves, T.A.J., and Hayward, J.N., Immunohistochemical Identification of Enkephalinergic Neurons in the Magnocellular Preoptic Nucleus of the Goldfish, Carassius auratus, Cell and Tissue Research, 1979, vol. 299, pp. 147-151.

29. Rekubratskii, V.A., Ekologicheskie stereotipy pischedobyvatelnogo i zaschitnogo povedenija ryb (Ecological stereotypes of foraging and defensive behavior of fishes), Povedenie i recepcii ryb (Behavior and receptions of fishes), Moscow: Nauka, 1967, pp. 121-125.

30. Ritchie, T.C., and Leonard, R.B., Immunohistochemical Studies on the Distribution and Origin of Candidate Peptidergic Primary Afferent Neurotransmitters in the Spinal Cord of an Elasmobranch Fish, the Atlantic Stingray (Dasyatis sabina), J. of Comp. Neurol., 1983, vol. 213, pp. 414-425.

31. Schulman, J.A., Finger, T.E., Brecha, N.C., and Karten, H.J., Enkephalin Immunoreactivity in Golgi Cells and Mossy fibers of Mammalian, Avian, Amphibian and Teleost Cerebellum, Neurosci., 1981, vol. 6, pp. 2407-2416.

32. Sharma, S.C., Berthoud, V.M., and Breckwoldt, R., Distribution of Substance P-Like Immunoreactivity in the Goldfish Brain, J.Comp. Neurol., 1989. V. 279. P. 104-116.

33. Sherrington C.S., Integrative Action of the Nervous System, Cambridge: Cambridge University Press, 1906.

34. Sikharulidze, N.I., and Kadagishvili, A.Ja., K izucheniju emocional'noj pamjati u ryb (Study of the emotional memory of different force stimuli in fish), Soobschenija AN Gruz.SSR, 1974, no 73, p. 181.

35. Stuesse, S.L., Stuesse, D.C., and Cruce, W.L.R., Raphe Nuclei in Three Cartilaginous Fishes, Hydrolagus colliei, Heterodontus francisci, and Squalus acantias, J. of Comp. Neurol., 1995, vol. 358, pp. 414-427.

36. Vallarino, M., Occurance of b-Endorphin-Like Immunoreactivity in the Brain of the Teleost, Boopa boops, Gen. Comp. Endocrinol., 1985, vol. 60, pp. 63-69.

37. Vallarino, M., Delbende, C., Tranchand Bunel, D., et al., Proopiomelanocortin (POMC)-Related Peptides in the Brain of the Rainbow Trout, Salmo gairdneri, Peptides, 1989 (a), vol. 10, pp. 1223-1230.

38. Vallarino, M., Tranchand Bunel, D., Delbende, C., et al., Distribution of the Pro- Opiomelanocortin-Derived Peptides, Alpha-Melanocyte-Stimulating Hormone (a- MSH), Adrenocopticotropic Hormone (ACTH), and Beta-Endorphin in the Brain of the Dogfish Scyliorhynus canicula: An Immunocytochemical Study, J. of Exper. Zool. Suppl., 1989 (b), vol. 2, pp. 112-121.

39. Vecino, E., and Ekstrom, P., Distribution of met-Enkephalin, leu-Enkephalin, Substsnce-P, neuropeptide Y, FMRFamide and Serotonin Immunoreactivities in the Optic Tectum of the Atlantic Salmon (Salmo salar L.), J. of Comp. Neurol., 1991, vol. 299, pp.229-241.

40. Vecino, E., Pinuela, C., Arevalo, R., et al., Distribution of Enkephalin-Like Immunoreactivities in the Central Nervous System of the Rainbow Trout: an Immunocytochemical Study, J. of Anatomy, 1992, vol. 180, pp. 435-453.

41. Whitear, M., The Free Nerve Endings in Fish Epidermis, J.Zool.(Lond.), 1971, vol. 163, pp. 231-236.

42. Wall, P.D., Defining 'Pain in Animals', Animal Pain, Short, C.E. and Van Poznak, A., Eds., New-York: Churchill Livingstone, 1992, pp. 63-79.

43. Zimmerman, M., Behavioural Investigations of Pain in Animals, Assessing Pain in Farm Animals, Duncan, I.J.H. and Molony, V., Eds. Luxemburg: Commission of the European Communities, 1986, pp. 30-35.