Val66Met Polymorphism of the BDNF Gene and Work Intellectual Complexity: Associations with Speed Characteristics of Cognitive Activity in Aging

Full Text

Высокая гетерогенность когнитивного старения объясняется влиянием как генетических, так и средовых факторов [1, 2]. Показано, что повышение когнитивного резерва препятствует развитию обусловленных старением ментальных нарушений [3]. Внешними факторами формирования когнитивного резерва считаются образование и уровень профессиональной деятельности [4, 5].

BDNF (brain-derived neurotrophic factor), нейротрофический фактор, высвобождение которого зависит от активности нейронов, влияет на процессы нейропластичности, такие как нейрогенез, синаптогенез, ветвление дендритов и реорганизация нейронных сетей. Полиморфизм (Val66Met) в гене BDNF связан с различной экспрессией BDNF, что предполагает его потенциальную роль в отношении результативности когнитивного тренинга. Данные об ассоциации Val66Met с величиной когнитивного резерва малочисленны и в основном касаются влияния Val66Met на изменения резерва, вызванные участием уже пожилых испытуемых в тренинговых программах [6, 7].

Ассоциации между Val66Met полиморфизмом и эффективностью ментального тренинга, обусловленного интеллектуальной насыщенностью среды профессиональной (в настоящем исследовании — научной) деятельности на протяжении всей взрослой жизни, остаются неизученными. Актуальность таких исследований обусловлена как старением населения в развитых странах, так и все большим распространением видов профессиональной деятельности, требующих непрерывного обучения. В настоящем исследовании были рассмотрены взаимосвязи между полиморфизмом Val66Met гена BDNF и когнитивным тренингом в отношении обусловленных старением изменений процессов внимания и образной креативности в моделях, позволяющих оценить как эффективность, так и скоростные аспекты деятельности.

Исходя из результатов наших предыдущих исследований, показавших, что генетические различия в поведенческих фенотипах в наибольшей степени проявляются на фоне обусловленного старением снижения когнитивных резервов [8, 9], можно предполагать более вероятное выявление связанных полиморфизмом Val66Met гена BDNF и тренингом различий в группе пожилых испытуемых.

МЕТОДИКА

В исследовании принимали участие здоровые мужчины и женщины молодого (257 чел., средний возраст 21.65, 130 ученых) и старшего возраста (162 чел., средний возраст 64.37, 70 ученых). Выборку составили студенты, аспиранты, технический, административный и научный персонал новосибирских университетов и научно-исследовательских институтов Сибирского отделения РАН (ученые — НД — и люди, не связанные с профессиональной научной деятельностью — ННД). Все испытуемые на момент исследования учились или работали полный рабочий день. Критериями исключения были психические, неврологические и серьезные соматические заболевания (онкология, болезни сердца и диабет), черепно-мозговая травма в анамнезе, злоупотребление алкоголем или наркотиками, текущее лечение психотропными препаратами.

Тестирование внимания. Для определения характеристик различных форм внимания (бдительности, ориентационного внимания и исполнительного контроля) использовали ANT (Аttention network test) [10].

Целевой стимул представлял собой горизонтальную последовательность из 5 линий, центральная линия всегда была стрелкой, а фланговые стимулы могли быть представлены стрелками, сонаправленными центральной (конгруэнтные) или имеющими противоположное направление (неконгруэнтные), и мог предъявляться над или под центральным крестиком фиксации взгляда. Испытуемый должен был идентифицировать направление центральной стрелки (вправо или влево) путем нажатия на соответствующую клавишу клавиатуры. Для дифференциации разных форм внимания в эксперименте были использованы предупреждающие сигналы. Каждому предъявлению стимула предшествовало предъявление центрального крестика фиксации взгляда на (400–1600 мс), затем на 100 мс предъявляли предупреждающий сигнал, за которым следовало предъявление целевого стимула.

Эффективность различных систем внимания определяется на основании изменений времени реакции (ВР), вызываемых предъявлением настораживающего (alerting) или пространственных предупреждающих сигналов (подсказок), а также конгруэнтных и неконгруэнтных фланговых стимулов.

Эффективность системы бдительности оценивали по результату вычитания ВР реакции при наличии двойного (указывающего верхнее и нижнее положения целевого стимула) предупреждающего сигнала из среднего ВР при его отсутствии. Эффект ориентационного внимания вычисляли путем вычитания среднего ВР при одиночном пространственном предупреждающем сигнале (указывающем на место предъявления целевого стимула) из среднего ВР при центральном предупреждающем сигнале. Исполнительный контроль определяли вычитанием среднего ВР на конгруэнтные стимулы из среднего ВР на неконгруэнтные стимулы.

Вычисление показателей для всех ситуаций предъявления стимулов производили на основе специально разработанной компьютерной программы (Суслов А.П., авт. свид. 2012617379). Для получения среднего ВР производили усреднение ВР на нейтральные, конгруэнтные и неконгруэнтные стимулы.

Тестирование образной креативности. Использовали модифицированный тест Торренса “Незаконченные фигуры”. На основе предъявленного на экране фрагмента испытуемый должен был создать законченный образ. Экспериментальная проба начиналась с 5-секундного предъявления точки фиксации взгляда в центре монитора. Затем в центре экрана предъявляли незаконченную фигуру на 15 с. Затем на экране на 10 с появлялось слово “Ответ”, что было сигналом для нажатия на клавишу и сообщения названия придуманного образа. Если участник решал задачу раньше, он мог индуцировать появление слова “Ответ” с помощью нажатия клавиши. Далее начиналась следующая проба. Время между пробами 10 с. По окончании эксперимента испытуемые рисовали на бланках с изображением предъявлявшихся фигур все названные ими образы.

Показателями эффективности деятельности служили оригинальность и беглость, определяемая по количеству придуманных образов. Оригинальность образов рассчитывали в баллах как 1/(N + 1), где N – число аналогичных образов в компьютеризированной базе данных, составленной на основе тестирования 342 испытуемых обоего пола.

Генотипирование. Геномную ДНК экстрагировали из клеток буккального эпителия. Генотипирование аллельных вариантов полиморфизма BDNF Val66Met проводили с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) по методике H.I. Sheikh et al. [11].

В работе использовали четыре праймера для амплификации локуса BDNF, содержащего полиморфизм rs6265 (номер в базе Genebank: AB038670). Первый набор праймеров (P1 и P2) амплифицирует область 401 п.н., содержащую интересующий SNP, тогда как второй набор (P3 и P4) праймеров является аллель-специфичным и учитывает замену G → A (таблица с используемыми праймерами приведена в наших предыдущих работах, например [9]). ПЦР-амплификацию проводили при начальной температуре денатурации 94 °С в течение 5 мин, затем следовали 30 циклов 94 °С в течение 45 с, 62.5 °С в течение 60 с и 72 °С в течение 60 с. На последней стадии проводили заключительную элонгацию при 72 °C в течение 5 мин. Продукты ПЦР, включающие два аллель-специфичных ампликона (253 и 201 п.н.) и всю область (401 п.н.) в качестве внутреннего контроля, разделяли на 3% агарозном геле.

Статистическая обработка результатов. Учитывая редкую встречаемость генотипа Met/Met и противоречивость мнений о правомочности объединения гетерозигот и носителей Met/Met [12], 9 испытуемых с генотипом Met/Met были исключены из рассмотрения. Обработку экспериментальных данных производили с использованием дисперсионного анализа ANOVA на базе STATISTICA 8. Межгрупповые факторы включали ГЕНОТИП (Val/Val и Val/Met), ВОЗРАСТ (младшая и старшая возрастные группы) и ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (НД и ННД). Последующий анализ значимых взаимодействий проводили с помощью плановых сравнений и критерия Фишера. При статистическом анализе данных, распределение которых значимо отличалось от нормального, использовали непараметрический тест Крускала–Уоллиса с последующим выявлением значимых эффектов методом парных сравнений.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Распределение Val/Val, Val/Met, Met/Met генотипов не отличалось от соотношения Харди–Вайнберга для всех рассматриваемых групп испытуемых (р > 0.23).

Исследование внимания в тесте ANT. Анализ каждой из трех форм внимания в тесте ANT проводили с помощью ANOVA c выделением независимых факторов — ГЕНОТИП, ВОЗРАСТ и ХАРАКТЕР ДЯТЕЛЬНОСТИ. Ни для одной из форм внимания не выявлены значимость полиморфизма Val66Met или его взаимодействий с другими факторами.

Для показателя бдительности не выявлено значимых факторов и взаимодействий. Для показателя ориентационного внимания выявлена значимость фактора ВОЗРАСТ (F(1, 402) = 7.071, p = 0.007). При старении наблюдалось увеличение показателя ориентационного внимания. При анализе исполнительного контроля обнаружена значимость фактора ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (F(1, 402) = 17.445, p = 0.000), свидетельствующая о снижении времени селекции правильного ответа в группе НД по сравнению с ННД.

При тестировании среднего ВР для теста ANT обнаружено взаимодействие всех рассматриваемых факторов — ГЕНОТИП × ВОЗРАСТ × ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (F(1, 402) = 4.141, p = 0.042). У молодых испытуемых, независимо от генотипа, ВР в группе НД было меньше, чем в ННД. У пожилых испытуемых среди носителей генотипа Val/Val более короткое ВР было у группы НД, тогда как при генотипе Val/Met ВР было меньше у группы ННД. При этом у носителей Val/Val генотипа различия между пожилыми НД и ННД достигали уровня достоверности (р = 0.038) при отсутствии соответствующих межгрупповых различий и носителей гетерозиготного генотипа (р = 0.138, рис. 1). Также в старшей возрастной группе ННД, в противоположность НД, показатели гетерозиготного генотипа демонстрировали более низкие значения ВР по сравнению с Val/Val (F(1, 402) = 3.862, p = 0.050).

 

Рис. 1. Различия во времени реакции (ВР) между НД и ННД в группах Val/Val у испытуемых старшего возраста. НД – ученые, ННД – люди, не связанные с профессиональной научной деятельностью. Вертикальные отрезки обозначают ошибки среднего значения

 

Исследование образной креативности. При анализе оригинальности решений значимым было взаимодействие факторов ВОЗРАСТ × ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ (F(1, 396) = 7.350, р = 0.006). В группе НД не наблюдалось достоверного различия средних значений оригинальности между молодыми и пожилыми испытуемыми. В группе ННД показатели оригинальности в младшей группе были значительно выше, чем в старшей возрастной группе (р < 0.001).

Поскольку для количества решений распределение отличалось от нормального, для статистического анализа был использован критерий Крускала-Уоллиса. Сравнение групп как с генотипом Val/Val (H (3, N = 281) = 23.827, p = 0.000), так и Val/Met (H(3, N = 123) = 14.331, p = 0.003) выявило межгрупповые различия.

Последующие межгрупповые сравнения показали, что только в группе НД у носителей Val/Val генотипа отсутствует возрастное снижение беглости, наблюдаемое у ННД (H(1, N = 150) = 11,543, p = 0.001). Тогда как у Met-носителей возрастное снижение количества решений выявлено как в НД, так и в ННД группах. Таким образом, показатель беглости у пожилых НД с генотипом Val/Val достоверно (H(1, N = 100) = 12.435, p = 0.000) выше, чем в группе ННД при отсутствии различий между НД и ННД у пожилых Met-носителей (рис. 2).

 

Рис. 2. Различия в количестве созданных образов между НД и ННД с Val/Val генотипом у испытуемых старшего возраста, обусловлено возрастным снижением в группе ННД. Обозначения см. рис. 1

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Обнаружено, что совместное влияние всех рассмотренных факторов (ГЕНОТИП × ВОЗРАСТ × ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ) проявляется в отношении двух показателей, связанных со скоростными аспектами деятельности, таких как среднее ВР в тесте ANT и беглость при тестировании образной креативности. При отсутствии взаимодействия факторов ГЕНОТИП × ХАРАКТЕР ДЕЯТЕЛЬНОСТИ у молодых испытуемых, у пожилых Val-гомозигот, но не у носителей Met-аллеля, наблюдается положительное влияние обусловленного средой интеллектуального тренинга в отношении скоростных аспектов деятельности. Полученные результаты согласуются с данными о большей пластичности когнитивных функций у носителей Val/Val генотипа. Так, показано, что у пожилых людей когнитивный резерв, оцениваемый по уровню образования, профессиональной подготовки и вовлеченности в интеллектуальные занятия в свободное время, положительно ассоциирован с успешностью исполнительных функций у Val-гомозигот, при отсутствии эффекта у Met-носителей [6]. Эти наблюдения согласуются с данными о том, что у пожилых женщин когнитивный тренинг приводит к улучшению памяти и скорости обработки информации параллельно с увеличением уровня BDNF в плазме [13]. В свою очередь и зависимое от физической тренировки улучшение исполнительных функций наблюдается только у Val/Val гомозигот [14]. При исследовании влияния физических упражнений на процесс регенерации поврежденных нервов и оптогенетической стимуляции на рост аксонов в культуре ткани положительный эффект тренинга также выявлен только у носителей Val/Val генотипа [15].

Однако следует отметить, что описанные положительные эффекты совместного влияния Val/Val генотипа и когнитивного резерва выявлены в отношении исполнительных функций, тогда как в отношении вербальных процессов положительный эффект интенсивности университетского обучения в пожилом возрасте отмечен у носителей Met-аллеля. Авторы объясняют это особенностями влияния полиморфизма на нейросети, связанные с обработкой речевой информации [16]. Таким образом, полиморфизм Val66Met, по-видимому, специфически модулирует разные когнитивные функции здоровых пожилых испытуемых через сложные взаимодействия генотипов и окружающей среды.

В то же время нами обнаружена тенденция к проявлению лучших показателей рассматриваемых в работе когнитивных функций у носителей Met-аллеля по сравнению с Val-гомозиготами в группе, не подверженной постоянному когнитивному тренингу. В связи с этим необходимо отметить, что в модельных исследованиях на мышах при отсутствии тренинга регенерация поврежденных аксонов также происходила более успешно у носителей Met-аллеля [15]. Выявленный эффект может быть обусловлен происходящими при старении мышей изменениями соотношения proBDNF и его зрелой формы в сторону увеличения количества proBDNF [17]. Получены данные, свидетельствующие, что proBDNF Val66, в отличие от зрелой формы, способен усиливать долговременную синаптическую депрессию и ослаблять процесс долговременной потенциации, тогда как такой эффект не характерен для proBDNF Met66 [18].

Можно предположить, что возрастное повышение соотношения proBDNF Val66 к зрелой форме BDNF негативно влияет на когнитивные функции носителей Val/Val генотипа в условиях отсутствия стимулирующего когнитивного тренинга. В свою очередь когнитивный тренинг препятствует повышению этого соотношения, так как в большей степени увеличивает концентрацию зрелой формы BDNF [19].

Полученные результаты показывают дифференцированный эффект длительного когнитивного тренинга, который является протектором против возрастного снижения исполнительных функций у BDNF Val-гомозигот, но неэффективен у носителей Met-аллеля.

Проведенное исследование имеет ряд ограничений. Все участники исследования являются городскими жителями и представляют активную часть населения, вовлеченную в процесс трудовой деятельности. В этих условиях требования, обусловленные адаптацией к активной жизни в большом городе, сами по себе являются факторами дополнительного тренинга и могут приводить к сравнительному уменьшению выраженности эффекта сложности среды профессиональной деятельности. Кроме этого, статистическая значимость результатов проводилась без учета поправок на множественные сравнения. Однако сходные эффекты совместного влияния полиморфизма и тренинга получены в отношении скоростных показателей деятельности, для разных исполнительных функций (ВР в тесте ANT и беглости при исследовании образной креативности), что свидетельствует в пользу достоверности полученных результатов. Кроме того, полученные результаты подтверждают гипотезу исследования, предполагающую выявление различий в эффективности исполнительных функций в зависимости от совместного эффекта полиморфизма Val66Met гена BDNF и когнитивного резерва у пожилых испытуемых.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящем исследовании впервые показано, что при отсутствии генетических различий у молодых испытуемых Val66Met полиморфизм гена BDNF ассоциирован с модулирующим влиянием длительного когнитивного тренинга, обусловленного высокой интеллектуальной насыщенностью среды профессиональной деятельности, на эффективность когнитивных функций у здоровых пожилых испытуемых. В старшей возрастной группе при более высокой интенсивности тренинга, в группе НД, у Val-гомозигот, но не у Met-носителей, наблюдается положительный эффект в отношении скоростных аспектов деятельности — сокращение ВР в тесте ANT и повышение беглости при тестировании образной креативности по сравнению с аналогичными показателями пожилых испытуемых в группе ННД. Полученные результаты свидетельствуют о большей пластичности когнитивных функций у носителей Val/Val генотипа и могут быть использованы для прогноза и разработки методов дифференцированной коррекции возрастного когнитивного снижения.

Финансирование работы. Работа выполнена за счет средств федерального бюджета на проведение ФНИ (тема № 122042700001-9).

Соблюдение этических стандартов. Все исследования проводились в соответствии с принципами биомедицинской этики, изложенными в Хельсинкской декларации 1964 г. и последующих поправках к ней. Они также были одобрены локальным биоэтическим комитетом Научно-исследовательского института нейронаук и медицины (Новосибирск), протокол № 3-О от 18.03.2021 г.

Каждый участник исследования дал добровольное письменное информированное согласие после получения разъяснений о потенциальных рисках и преимуществах, а также о характере предстоящего исследования.

Конфликт интересов. Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Благодарности. Авторы выражают благодарность Дарье Владимировне Базовкиной за проведение генетического анализа и Елене Петровне Черемисиной за помощь в сборе данных.

Вклад авторов в публикацию. Н.В. Вольф – организация экспериментального исследования, статистическая обработка и анализ результатов исследования, подготовка публикации. Е.Ю. Приводнова – участие в сборе экспериментальных данных, обсуждении полученных результатов, оформлении публикации.

About the authors

N. V. Volf

Research Institute of Neurosciences and Medicine; Novosibirsk State University

Author for correspondence.
Email: volfnv@neuronm.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

E. Yu. Privodnova

Research Institute of Neurosciences and Medicine; Novosibirsk State University

Email: privodnovaeu@neuronm.ru
Russian Federation, Novosibirsk; Novosibirsk

References

Supplementary files