CC BY
22
MEDICAL SCIENCES
CHANGES IN THE BIOELECTRIC ACTIVITY OF THE MODELING OF TRANSIENT FOCAL BRAIN INJURY IN RATS Sufianova G.Z.1, Khlestkina M.S.2, Shapkin A.G.3, Argunova GA.4 (Russian Federation) Email: [email protected]
1Sufianova Galina Zinovievna - Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of Department;
2Khlestkina Maria Sergeevna - Senior Lecturer;
3Shapkin Andrey Grigoryevich - Associate Professor;
4Argunova Galina Anatolyevna - Associate Professor, DEPARTMENT OF PHARMACOLOGY, TYUMEN STATE MEDICAL UNIVERSITY, TYUMEN
Abstract: objective of the study is to research the changes of DC potential and spontaneous electrical activity while modeling ischemic brain damage during experiment with rats. In this article, we demonstrate that intravascular occlusion of MCA is accompanied by development of prominent depolarization changes in ischemic hemisphere within first five days. High diagnostic value of simultaneous recording of DC potential as degree of nerve tissue polarization, and EEG, indicating the degree of functional activity, implies prospects of presented research method during the experiment and in clinical practice for diagnostics of nerve damage tissue and evaluation of potential neuroprotection qualities of new medication. Keywords: DC potential, EEG, cerebral ischemia.
ИЗМЕНЕНИЯ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ФОКАЛЬНОЙ ТРАНЗИТОРНОЙ ИШЕМИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА У КРЫС Суфианова Г.З.1, Хлёсткина М.С.2, Шапкин А.Г.3, Аргунова Г.А.4
(Российская Федерация)
1 Суфианова Галина Зиновьевна - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой;
2Хлёсткина Мария Сергеевна - старший преподаватель; 3Шапкин Андрей Григорьевич - доцент; 4Аргунова Галина Анатольевна - доцент, кафедра фармакологии, Тюменский государственный медицинский университет, г. Тюмень
Аннотация: целью исследования было изучение изменений уровня постоянного потенциала и спонтанной медленной электрической активности при моделировании ишемического повреждения головного мозга в эксперименте у крыс. В статье показано, что внутрисосудистая окклюзия средней мозговой артерии сопровождается в течение первых 5 суток развитием выраженных деполяризационных изменений в ишемизированном полушарии. Высокая диагностическая значимость одновременной регистрации УПП, как показателя степени поляризации нервной ткани, и ЭЭГ, отражающего уровень функциональной активности, предполагает перспективность использования данного метода исследования в эксперименте и клинической практике для диагностики повреждения нервной ткани и оценки потенциальных нейропротекторных свойств новых лекарственных препаратов.
Ключевые слова: уровень постоянного потенциала, ЭЭГ, ишемия головного мозга.
Введение
Изучение явлений распространяющейся депрессии (РД) и ишемической деполяризации являются в настоящее время достаточно перспективными в оценке механизмов повреждения нервной ткани [2-4, 8-10, 15-19, 24]. Данное явление широко привлекает внимание исследователей в связи с возможной ролью в патогенезе многих физиологических и патологических состояний ЦНС [15-20, 22]. По мнению ряда исследователей, одновременная регистрация спонтанной биоэлектрической активности в виде уровня постоянного потенциала (УПП) головного мозга, отражающего уровень поляризации, и ЭЭГ, как показателя функциональной активности структур головного мозга, может быть эффективным способом оценки степени ишемического повреждения нервной ткани, изучения патогенеза заболеваний ЦНС и разработки новых нейропротекторных препаратов [2,3, 5-7, 10-13, 15, 18, 20-26].
Целью исследования было изучение изменений уровня постоянного потенциала и спонтанной медленной электрической активности при моделировании ишемического повреждения головного мозга в эксперименте у крыс.
Материалы и методы
Работа выполнена на 20 крысах самцах, весом 180-220 г. Всех животных разделили на 2 группы: 1 (контрольная) группа (n=8) была представлена ложнооперированными животными без дальнейшего моделирования ишемии головного мозга; во 2 (основной) группе (n=12) моделировали транзиторную 30 минутную ишемию головного мозга путем интравазальной окклюзии левой средней мозговой артерии (СМА) [3, 10, 13, 15, 27]. Окклюдер вводился через общую сонную артерию до СМА и фиксировался в сосудистом русле с помощью клипс. Для изготовления окклюдера использовался доступный синтетический рассасывающийся монофиламентный шовный материал на основе поликликолида. Все инвазивные процедуры проводили под достаточным внутривенным обезболиванием (золетил - 100 в дозировке 7,5 мг/кг, внутримышечно).
Для оценки функционального состояния головного в эксперименте использовали одновременную регистрацию медленной электрической активности (ЭЭГ), как показателя функциональной активности, и УПП, отражающего уровень поляризации нервной ткани. Регистрация биоэлектрической активности осуществлялась непрерывно в течение 30 минут. Электроды для исследования биоэлектрической активности головного мозга располагали в симметричных точках в проекции лобных и теменных долей. Запись электрофизиологических показателей осуществлялась непрерывно после стабилизации электроэнцефалограммы, не ранее чем через 20 минут после начала исследования. Регистрация биоэлектрической активности проводилась по униполярной методике с помощью 4-канального усилителя постоянного тока с входным сопротивлением 100 МОм. Полученные данные оцифровывались с частотой 500 Гц и вводились в компьютер для дальнейшей математической обработки.
Построение амплитудного спектра ЭЭГ осуществлялась с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье стандартных функций пакета Matlab [8, 15, 18]. Эпохи анализа данным методом составляли 1 сек. Для математической обработки брались только безартефактные участки. Значения амплитудного спектра усреднялись по 5 частотным диапазонам: дельта-1 (0,5-0,78 Гц), дельта-2 (0,78-3,88 Гц), тета (3,88-7,75 Гц), альфа (7,7512,4 Гц) и бета (12,4-32,6 Гц). Суммарная амплитуда медленной электрической активности рассчитывалась путем усреднения амплитуд всего диапазона анализируемых частот. Статистическую и математическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ MS Office 2003 и Matlab 7. Для оценки статистической значимости полученных результатов использовались параметрический критерий t — Стьюдента и непараметрический критерий U — Уилкоксона-Манна-Уитни. Результаты представлены в виде M ± m , где M — среднее арифметическое, а m — ошибка средней. Различия считали значимыми при Р<0,05.
Результаты и обсуждение
Динамика изменения УПП у ложнооперированных животных в течение 5 суток характеризовалась колебаниями УПП до 1,5 мВ синхронно во всех отведениях. Подобные изменения УПП были статистические не значимы и, скорее всего, отражали суточные ритмические колебания биоэлектрической активности мозга. Изменения медленной электрической активности головного мозга также характеризовались периодическими статистически незначимыми суточными колебаниями суммарной амплитуды и амплитуды отдельных частотных диапазонов ЭЭГ на 10-15%.
В основной серии, в 1 сутки после моделирования ишемического повреждения во всех отделах коры головного мозга отмечались статистически значимые электроотрицательные сдвиги УПП до 15-20 мВ. Максимальная негативизация УПП регистрировалась левом (ишемизированном) полушарии. В 1 сутки степень снижения УПП в левых отведениях составляла в среднем 5,2+1,3 мВ (Р<0,01 в сравнении с исходным уровнем и ложнооперированной группой). К 3 суткам негативные сдвиги УПП были максимальными и составили 10,6+2,8 мВ (Р<0,01 в сравнении с исходным уровнем и ложнооперированной группой, Р<0,01 в сравнении аналогичными изменениями в 1-2 сутки после моделирования повреждения). К 5 сутками отмечалась незначительная тенденция к восстановлению УПП до 8,1+1,4 мВ (Р<0,01 в сравнении с исходным уровнем и ложнооперированной группой, Р<0,01 в сравнении аналогичными изменениями в 1-2 сутки после моделирования повреждения). В правом полушарии изменения УПП были менее выраженными и характеризовались снижением УПП на 3,4+1,1 мВ (Р<0,01 в сравнении с исходным уровнем и ложнооперированной группой) в 1 сутки после повреждения. В последующие дни изменения УПП в этом отведении статистически значимо не отличались от изменений в 1 сутки. К 5 суткам отмечалась тенденция к восстановлению УПП до -1,2+0,6 мВ (Р<0,01 в сравнении аналогичными изменениями в левом полушарии).
Изменения ЭЭГ были менее специфичны и характеризовались в 1 сутки после повреждения выраженным угнетением суммарной амплитуды во всех отведениях на 20-40% от исходного уровня (Р<0,05), преимущественно за счет более выраженного угнетения высокочастотного диапазона (альфа и бета ритмы) и доминирования дельта и тета частотных диапазонов. К 3 суткам после ишемического повреждения у животных основной группы регистрировалось частичное восстановление суммарной амплитуды биоэлектрической активности к исходному уровню, с преобладанием в спектре низкочастотной составляющей. К 5 суткам наблюдалось повторное угнетение амплитуды ЭЭГ до 50-60% от исходного уровня. Максимальная степень снижения мощности ритмов ЭЭГ регистрировалась в левом (ишемизированном) полушарии.
УПП можно определить как устойчивую разность потенциалов, существующую между мозгом и электрически индифферентными точками или между разными областями мозга [1 - 4, 15, 18]. В настоящее время предполагается, что УПП является интегративным показателем поляризованности мозговых структур, возникающий, главным образом, за счет суммации мембранных потенциалов нейроцитов и глиальных клеток [3, 4, 10, 15 - 19, 21, 24]. Большинство авторов связывают положительные сдвиги уровня постоянного потенциала, зарегистрированные с поверхности головного мозга, с развитием поляризационных процессов (гиперполяризации или реполяризации), а негативные отклонения - деполяризационных [1 - 3, 19, 21, 24]. Одним из ведущих патофизиологических механизмов ишемического повреждения нервной ткани является ишемическая деполяризация. Альтерирующее действие деполяризации связывается с нарушением ионного гомеостаза, резким увеличением метаболической нагрузки при ишемии, что приводит к несоответствию между потребностью в энергетических субстратах и их поступлением в ткань [2, 10, 15, 19 - 22]. Во многих исследованиях показано, что существует высокая корреляция между степенью повреждения нервной ткани и изменениями УПП [15-22, 24]. Таким образом, оценка поляризационных сдвигов в нервной ткани может быть эффективным критерием как степени повреждения, так и
выраженности защитного действия того или иного лекарственного препарата или физического фактора УПП [15, 19]. Зарегистрированные в нашем исследовании электроотрицательные сдвиги УПП при ишемическом повреждении коры головного мозга у крыс наиболее вероятно связаны именно с развитием ишемической деполяризации в зоне повреждения вследствие локального нарушения кровоснабжения структур головного мозга [3, 4, 10, 15 - 19, 21, 24]. Заключение
Комплексная одновременная регистрация УПП и ЭЭГ позволяет более точно оценивать изменения функционального состояния нервной ткани. Изолированная регистрация ЭЭГ может использоваться только для оценки функциональной активности коры головного мозга и может сопровождаться диагностическими ошибками и ложными выводами о текущем изменении функционального состояния головного мозга. Высокая диагностическая значимость одновременной регистрации УПП, как показателя степени поляризации нервной ткани, и ЭЭГ, отражающего уровень функциональной активности, предполагает перспективность использования данного метода исследования в эксперименте и клинической практике для диагностики повреждения нервной ткани и оценки потенциальных нейропротекторных свойств новых лекарственных препаратов.
Список литературы /References
1. Аладжалова Н.А. Медленные электрические процессы в головном мозге. М.: Издательство АН СССР, 1962. 240 с.
2. Королева В.И., Виноградова Л.В. Ишемическая и гипоксическая деполяризация в неокортексе крыс // Журн. высш. нерв. деят., 2000. Т. 50. № 4. С. 612-623.
3. Мурик С.Э., Суфианов А.А., Суфианова Г.З., Шапкин А.Г. Экспериментальные данные об электрофизиологических коррелятах ишемии мозга разной тяжести // Бюллетень Восточно-Сибирского научного центра Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, 2003. № 1. С. 148.
4. Пономарева Н.В. Пространственное распределение уровня постоянного потенциала головного мозга в норме и при органических заболеваниях ЦНС: Дис. ... канд. мед. наук. М., 1986.
5. Скворцова В.И. Ишемический инсульт. Руководство для врачей. М., 2006. 420 с.
6. Суфианов А.А. Нейроэндоскопические вмешательства при опухолях пинеальной области, задних отделов третьего желудочка и задней черепной ямки // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 2000. № 4. С. 9.
7. Суфианов А.А., Носков А.П., Белик А.А. Эндоскопическая диагностика и дифференцированное лечение осложнений шунтирующих операций у детей // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2000. № 2. С. 7.
8. Суфианов А.А., Шапкин А.Г., Суфианова Г.З., Чимытова Е.А., Таборов М.В. Использование метода локального преобразования Фурье для оценки электроэнцефалографических изменений у пациентов после ликворошунтирующих и нейроэндоскопических операций по поводу гидроцефалии // Нейрохирургия, 2010. № 2. С. 47-51.
9. Суфианов А.А., Шапкин А.Г., Суфианова Г.З., Чимытова Е.А., Таборов М.В., Шапкин Ю.Г., Якимов Ю.А., Махов А.Н. Сравнительная электрофизиологическая оценка эффективности ликворошунтирующих и эндоскопических нейрохирургических вмешательств при гидроцефалии // Неврологический вестник. Журнал им. В.М. Бехтерева, 2007. Т. XXXIX. № 2. С. 97-99.
10. Суфианова Г.З. Нейропротекторное действие агонистов аденозиновых рецепторов при фокальных ишемических и травматических повреждениях ЦНС // диссертация на соискание ученой степени доктора медицинских наук / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военно-медицинская академия». Санкт-Петербург, 2003.
11. Суфианова Г.З., Суфианов А.А., Шапкин А.Г. Противосудорожный и нейропротекторный эффекты циклопентиладенозина в модели судорожного статуса у крыс // Экспериментальная и клиническая фармакология, 2013. Т. 76. № 11. С. 13-16.
12. Суфианова Г.З., Усов Л.А., Суфианов А.А., Переломов Ю.П., Раевская Л.Ю., Шапкин А.Г. Защитное действие агонистов аденозиновых рецепторов на модели травматического повреждения спинного мозга у крыс //Экспериментальная и клиническая фармакология, 2002. Т. 65. № 5. С. 58-61.
13. Суфианова Г.З., Усов Л.А., Суфианов А.А., Шапкин А.Г., Раевская Л.Ю. Защитное действие циклопентиладенозина на малоинвазивной модели острой фокальной ишемии головного мозга у крыс // Экспериментальная и клиническая фармакология, 2002. Т. 65. № 1. С. 24-26.
14. Суфианова Г.З., Усов Л.А., Суфианов А.А., Шапкин А.Г., Раевская Л.Ю., Голубев С.С. Защитное действие a-агонистов на малоинвазивной модели ишемии спинного мозга у крыс // Экспериментальная и клиническая фармакология, 2003. Т. 66. № 1. С. 23-26.
15. Суфианова Г.З., Шапкин А.Г. Повреждение нервной ткани: механизмы, модели, методы оценки // М: Издательство РАМН, 2014. 288 c.
16. Суфианова Г.З., Шапкин А.Г., Хлёсткина М.С. Изучение возможности нейропротекторной стратегии при ишемии головного мозга // Национальная Ассоциация Ученых, 2015. № 15-1 (15). С. 163-164.
17. Шапкин А.Г., Суфианова Г.З., Суфианов А.А., Шапкин Ю.Г., Таборов М.В., Шевченко
B.П. Электрофизиологические нарушения при локальном компрессионном повреждении спинного мозга // Хирургия позвоночника, 2009. № 1. С. 76-80.
18. Шапкин Ю.Г. Исследование механизмов ишемической деполяризации при локальном компрессионном повреждении коры головного мозга на фоне действия нейротропных препаратов // Дисс. ... канд. мед. наук. Новосибирск, 2007. 140 с.
19. Hossmann K.A. Periinfarct depolarizations // Cerebrovasc. Brain Metab. Rev. 1996.8(3). P.195-208.
20. Jarvis C.R., Anderson T.R., Andrew R.D. Anoxic depolarization mediates acute damage independent of glutamate in neocortical brain slices // Cereb. Cortex., 2001. Vol. 11. № 3. P. 249-259.
21. Kaminogo M., Ichikura A., Onizuka M. et al. Mild hypothermia on anoxic depolarization and subsequent cortical injury following transient ischemia. // Neurol. Res., 1999. Vol. 21. № 7. P. 670-676.
22. Kubota M., Nakamura T., Sunami K. et al. Changes of local cerebral glucose utilization, DC potential and extracellular potassium concentration in experimental head injury of varying severity // Neurosurg. Rev., 1989. Vol. 12. Suppl.1. P. 393-399.
23. Kulinskii V.I., Usov L.A., Sufianova G.Z., Sufianov A.A. Protective effect of intracerebroventricular injection of adenosine agonists during total cerebral ischemia // Bulletin of Experimental Biology and Medicine, 1994. Т. 117. № 6. С. 626-628.
24. Nedergaard M., Hansen A.J. Characterization of cortical depolarizations evoked in focal cerebral ischemia // J. Cereb. Blood Flow Metab., 1993. Vol. 13. P. 568-574.
25. Sufianov A.A., Komarevskii A.V., Belik A.A., Noskov A.P., Chimytova E.A., Seliverstov P.V. Shunting operations in the hypertensive hydrocephalic syndrome in children with developmental defects of the central nervous system // Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко, 1999. Т. 1. С. 7.
26. Sufianov A.A., Sufianova G.Z., Iakimov I.A. Microsurgical study of the interpeduncular cistern and its communication with adjoining cisterns // Child's Nervous System, 2009. Т. 25. № 3.
C. 301-308.
27. Sufianova G.Z., Usov L.A., Sufianov A.A., Shapkin A.G., Raevskaya L.Yu., Golubev S.S., Murik S.E. Minimum-invasive model of focal brain ischemia in rats // Экспериментальная и клиническая фармакология, 2001. Т. 64. № 4. С. 63-67.
