CC BY
37
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
49
УДК 617-001.17:613.381
ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОСТОЙ РЕФЛЕКТОРНОЙ ДУГИ ПРИ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ ПОСЛЕ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ ГИПОКИНЕЗИИ
С. Л. Попель
доцент кафедры теории и методики физической культуры и спорта Прикарпатского национального университета им. В. Стефаныка
С помощью гистологического, электронно-микроскопического и морфометрического анализа показано, что деструктивные изменения в элементах простой рефлекторной дуги при долговременной гипокинезии имеют гетерогенный характер и касаются как сегментарной системы, так и проводникового аппарата. Нарушение кровообращения вызывает разобщение обмена веществ в системе гемокапилляр-нейроцит и тем самым вызывает гипоксию и развитие деструктивных изменений в составных компонентах простой рефлекторной дуги. После физической нагрузки предупреждаются патогенные факторы гипокинетической болезни и создаются необходимые условия для активации внутриклеточных регенераторных процессов, что способствует относительной нормализации структуры нейроцитов спинного мозга за счёт расширения просвета микрогемососудов, лучшей сохранности внутриклеточных компонентов, активации регенераторных процессов. Обсуждаются возможные механизмы морфологической перестройки элементов простой рефлекторной дуги при долговременной гипокинезии и физической нагрузке.
Ключевые слова: гипокинезия, нейроцит, нервные волокна, кровеносные сосуды.
Введение
Трудности исследования влияния долговременной гипокинезии (ДГК) на организм человека связаны с рядом объективных и субъективных причин [1], [2], которые определяют нарушение основного методологического принципа, согласно которому функциональная система локомоторной организации организма должна рассматриваться как целостная система взаимосвязей ее составных компонентов [3]. В первую очередь это касается оценки таких взаимосвязей между центральным и периферическим звеном простой рефлекторной дуги (ПРД). Функциональная целостность этих отделов ПРД подтверждается результатами исследования патологии мышц при ДГК, где большинство авторов [3], [4] указывает на выраженные изменения периферического нервного аппарата [5]. Однако в работах, посвященных влиянию ДГК на организм разных животных и человека [3], [5], [6], уделяется незаслуженно мало внимания исследованию постгипокинетических реакций нервных проводников, спинномозговых ганглиев и спинальних мотонейронов. Еще меньше исследований проведено по проблеме оценки влияния физической нагрузки (ФН) разной интенсивности на эти компоненты после ДГК [5], [7], [8], [9].
Цель работы - изучить изменения проводникового и сегментарного компонентов простой рефлекторной дуги при физической нагрузке после долговременной гипокинезии.
Материал и методы исследования. Исследования проведены на 250 лабораторных крысах. Гипокинезию моделировали путем содержания животных в клетках-пеналах на протяжении 240 суток согласно с “Правилами обращения с экспериментальными животными”. Физическую нагрузку проводили бегом в тредмиле по 5 мин три раза в сутки (общая нагрузка 150 м/сут) на протяжении 15 и 30 сут. Для гистологического исследования забирали ткани серого вещества спинного мозга и седалищного нерва (СН) в средней части бедра, фиксировали в 12% нейтральном формалине и заливали в парафин. Для электронномикроскопического исследования материал фиксировали в 2,5% растворе глютаральдегида, постфиксировали в 1% растворе тетраоксида осмия на фосфатном буфере pH 7,2-7,4, обезвоживали в спиртах и ацетоне, после чего заливали в смесь эпоксидных смол. Гистологические срезы красили толуидиновым синим по методу Ниссля, Кульчицкого, Масон и Ван-Гизон. Для светлооптического исследования использовали систему анализа Vision CCD Camera и программу InterVideoWinDVR. Ультратонкие срезы контрастировали по Рейнольдсу и изучали в электронном микроскопе ПЕМ-125К. Полученные результаты исследования обрабатывали методами вариационной статистики с учетом индивидуальной и групповой изменчивости.
50
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЖІНА
Результаты исследования и их обсуждение
Адекватность модели ГК подтверждали обнаруженные изменения на проводниковом и сегментарном уровнях организации ПРД. Так, при световой микроскопии в передних рогах спинного мозга (СМ) наблюдается разнообразный спектр поражений нейроцитов - от первичного раздражения до тяжелых патоморфологических изменений клеток. Чаще всего обнаруживаются гиперхромные нейроциты с большим количеством вещества Ниссля мелкозернистого, почти пылевидного вида и светлым эксцентрично расположенным ядром. В кариоплазме часто определяется плотное ядрышко. Морфометрическое исследование указывает на уменьшение размеров тела нейроцитов (рисунок I). Их цитоплазма слабо воспринимает красители, поэтому они выглядели набухшими, а контуры трудно определимыми. На периферии цитоплазма нередко имеет светлый ободок.
Рисунок 1 - Нейроциты передних рогов спинного мозга после длительной гипокинезии.
Окраска по методу Ниссля Ув.: ок. х 7, об. х 90
При электронномикроскопическом исследовании в гиперхромных нейроцитах наблюдается нетипичное распределение хроматина в кариоплазме. Субклеточные элементы имеют гетерогенное строение, что определяется резким сжатием канальцев гранулярной эндоплазматической сети с потерей фиксированных и свободных рибосом.
В цитоплазме нейроцитов в большом количестве встречаются липофусциновые включения и лизосомы. В одном и том же комплексе Гольджи цистерны могут быть одновременно и набухшими, и фрагментированными, и редуцированными. Митохондрии также имели различные модификации: от повышения плотности матрикса и неразличимости крист в одних и, напротив, в виде вакуолизации матрикса, фрагментации и потери крист в других.
Такие морфологические превращения неспецифические, встречаются при многих физиологических и патологических процессах и свидетельствуют о реактивных изменениях клеточного метаболизма [7], [9].
Наряду с гиперхромными встречаются, хотя и в значительно меньшем количестве, нормохромные нейроциты. В их цитоплазме определялись признаки морфофункционального напряжения в виде вакуолизации канальцев ЭПС, незначительного набухания митохондрий и большого количества первичных и вторичных лизосом. Ещё реже встречались гипохромные
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
51
нейроциты с обедненной органоидами цитоплазмой и типичной для нормальных нейроцитов структурой кариоплазмы.
Олигодендроциты в СМ при ДГК имели полиморфные изменения карио- и цитоплазмы, и их можно было разделить на три типа: с почти типичной структурой, гипер- и гипохромные. Нормохромные олигодендроциты имели признаки морфофункционального напряжения и такие же умеренные нарушения структуры органоидов, как и нейроциты.
В миелиновых волокнах сегментарных центров СМ выявлялось расслоение, искривление и слипание между собой отдельных ламелл миелина с повышением или снижением плотности миелиновой оболочки (миелинопатия). Площадь поперечного сечения аксонов уменьшается, вследствие чего меящу ними и миелиновой оболочкой появлялись разного размера бесформенные пространства, иногда значительного размера (рисунок 2).
1 - аксоплазма; 2 - митохондрия
Рисунок 2 - Миелиновое нервное волокно сегментарного центра Ls спинного мозга крысы
после длительной гипокинезии Ув.: х 12000
В структуре астроцитов при ДГК наиболее отчетливо изменялась кариоплазма, которая была нетипично гомогенной и более плотной, чем в контроле. Цитоплазма клеток, напротив, либо не отличалась по своей структуре от таковой в контроле, либо была существенно обеднена органоидами. В значительной степени нарушалась структура аксодендритических и аксосоматических синапсов.
При электронномикроскопическом исследовании сегментарных спинномозговых ганглиев (СМГ) были обнаружены отчетливые и разнообразные нарушения ультраструктуры нейроцитов и нейроглиоцитов, нервных волокон и синаптических контактов. При этом морфологические элементы микроциркуляторного русла почти не имели нарушений, лишь в ряде случаев в капиллярах отмечались эритроцитарные сладжи.
Среди нейроцитов встречались как дистрофически измененные по темному типу, так и дистрофически измененные по светлому типу клетки с очень светлой цитоплазмой. В гиперхромных нейроцитах такие органоиды, как канальцы гранулярной ЭПС и цистерны комплекса Гольджи, располагались плотно, встречались лизосомы и липофусциновые включения (рисунок 3).
В светлых нейроцитах цитоплазма почти не содержала органоидов, а сохранившиеся (митохондрии, канальцы ЭПС и цистерны комплекса Гольджи) часто были вакуолизированы (рисунок 4).
52
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЖІНА
1 - ядро; 2 - розетки из плотно упакованных канальцев гранулярной ГЭС; 3 - ядрышко Рисунок 3 - Гиперхромный нейроцит спинномозгового ганглия крысы при ДГК
Ув.: х 8000
1 - ядро; 2 - вакуолизированные митохондрии; 3 - цистерны комплекса Гольджи; 4 - лизосомы Рисунок 4 - Участок цитоплазмы нейроцитов спинномозгового ганглия крысы после ДГК с дистрофией цитоплазмы по светлому типу Ув.: х 10000
Обнаруживались единичные погибающие нейроциты с нетипично плотной структурой ядра и ядрышка с блеббингом цитоплазмы вследствие вакуолизации всех основных органоидов: ЭПС, комплекса Гольджи и митохондрий (рисунок 5).
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
53
Часть леммоцитов (миелинобразующих глиоцитов) имела типичную структуру ядра и почти неизмененную цитоплазму. В большинстве же это были клетки с гиперхромной или просветленной цитоплазмой, т. е. леммоциты, как и нейроциты, имели морфологические признаки дистрофии по темному, либо светлому типу (рисунок 6).
Рисунок 5 - Погибающий нейроцит с выраженной вакуолизацией (блеббингом) основных органоидов цитоплазмы. Спинномозговой ганглий крысы при ДГК
Ув.: х 6000
I - ядро; 2 - миелиновое волокно; 3 - гипохромный нейроцит Рисунок 6 - Гиперхромный леммоцит спинномозгового ганглия крысы при ДГК
Ув.: х 12000
54
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЖІНА
Миелиновые волокна седалищного нерва (СН) характеризовались такими изменениями, как слипание ламелл с потерей четкости рисунка и повышением осмиофильности миелиновой оболочки (рисунок 6) либо расщеплением миелина на ламеллы неодинаковой толщины и их своеобразным переплетением, придающим миелину вид сеточки, особенно в крупных волокнах (рисунок 7). Аксоны изменялись в значительно меньшей степени и гораздо реже, чем миелин (рисунки 6, 7).
I - аксон; 2 - миелин; 3 - нейролеммоцит
Рисунок 7 - Крупное миелиновое нервное волокно с выраженной миелинопатией и умеренной аксонопатией из седалищного нерва крысы после ДГК
Ув.: х 6300
Отчетливо выраженными были нарушения синаптических контактов, которые часто не имели типично оформленной пресинаптической и постсинаптичесжой зоны. Контактирующие волокна были обеднены синаптическими пузырьками, а митохондрии в них теряли четкость крист и матрикса (рисунок 8).
Таким образом, установлено, что ДГК сопровождается структурно-функциональными изменениями образований простой рефлекторной дуги. Исследование динамики изучаемых показателей позволяет предположить развитие в ранние сроки ДГК изменений нейроцитов спинномозговых ганглиев по механизмам парабиоза. В дальнейшем часть из них восстанавливает свою структуру и функцию, в остальных наблюдается развитие гипер- или гипохромной деструкции с миелинопатией дендритов. Наличие периферической деафферентации усиливает степень двигательных расстройств.
Морфологическая перестройка отдельных компонентов ПРД при физической нагрузке средней аэробной мощности (ФНСАМ) происходит на фоне предварительных изменений после ДГК и свидетельствует о её протекторной роли, что проявляется морфометрической перекалибровкой клеточного и проводникового состава.
Прежде всего, обращает на себя внимание уменьшение количества нейроцитов СМ и СМГ, подверженных гипер- и гипохромной дистрофии. В цитоплазме тех же из них, которые вовлекаются в реактивные процессы, наблюдаются гораздо меньшие изменения в сравнении с такими без ФНСАМ.
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
55
Рисунок 8 - Синаптический «бутон» из трех дендритов с плохо очерченной контактной зоной (стрелки) и почти полным отсутствием синаптических везикул.
Спинномозговой ганглий крысы после ДГК Ув.: х 12000
У животных после ДГК уже через 15 сеансов ФНС AM улучшается васкуляризация серого вещества спинного мозга: увеличивается количество сосудов большого и среднего диаметра. При этом уменьшаются явления тигролиза в нейроцитах, который имеет преимущественно периферический или сегментарный характер. На ультраструктурном уровне наблюдается лучшая сохраняемость мембран гранулярной эндоплазматической сетки и комлекса Гольджи. Наблюдается менее выраженное расширение их канальцев и цистерн, фрагментация и вакуолизация, а также деструкция крист и просветление матрикса митохондрий.
Наблюдается значительная активация ядерных структур: гипертрофия, дубликация и эктопия ядрышка, большое количество гранулярного материала рибосомального типа в кариоплазме и, особенно, вблизи ядрышка (рисунок 9).
В кариоллеме увеличивается количество ядерных пор, рибосом и полисом, особенно парануклеарно возле ядерной оболочки и в участке ее инвагинаций, которые увеличивают площадь взаимодействия ядра и цитоплазмы. В эти сроки в нейроплазме части нейроцитов двигательных ядер спинного мозга наблюдается рост плотности органелл, гипертрофия диктиосом, комлекс Гольджи и митохондрий, большое количество полисом. Часть митохондрий становились удлинёнными, разветвлёнными, содержали много крист, часто располагались вблизи ядерной оболочки и цистерн гранулярной эндоплазматической сетки (рисунок 10).
После 30-тикратного воздействия ФНСАМ в нейроцитах передних рогов спинного мозга хорошо выражено базофильное вещество. Гипо- и гиперхромные нейроциты выявляются редко.
Субмикроскопически во многих нейроцитах цистерны гранулярной эндоплазматической сетки и комлекса Г ольджи приобретают свойственную им структурную организацию, нормализуется структура и количество рибосом и полисом, активными выглядят компоненты ядра. Кариоплазма умеренной электронной плотности, в ней выявляются ядрышка разной формы и размера, много рибосомальных гранул. Это свидетельствует об улучшении пластического обеспечения функций нейроцитов [1], [2], [11].
56
ВЕСНІК МДПУ імя I. П. ШАМЖІНА
Рисунок 9 - Ультраструктура нейроцита спинного мозга крысы через 240 суток гипокинезии (а). Деструктивные изменения органелл в нейроплазме, фрагментация, вакуолизация канальцев гранулярной эндоплазматической сетки и цистерн комплекса Гольджи, уменьшение количества рибосом и полисом, просветление матрикса и деструкция
крист митохондрий (б)
36.: а х 8000, б х 17000.
Рисунок 10 - Субмикроскопическая организация нейроцита спинного мозга крысы через 15 сеансов физической нагрузки средней аэробной мощности на фоне предыдущей гипокинезии. Гипертрофия ядрышка, много рибосом в нейроплазме, возобновление
структуры органел 36.: х 10000
Во все сроки опыта в условиях применения ФНСАМ отмечается умеренное увеличение количества лизосом и небольшое количество аутофагосом по сравнению с группой животных автономного восстановления после ДГК. Это указывает на меньшую степень повреждения мембранных компонентов нейроцитов, снижение интенсивности катаболических реакций, характерных для постгипокинетических изменений.
БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ
57
Таким образом, при ФНС AM преду предаются патогенные факторы гипокинетической болезни и создаются необходимые условия для активации внутриклеточных регенераторных процессов. Это способствует относительной нормализации структуры многих нейроцитов спинного мозга после долговременной гипокинезии.
Выводы
Полученные результаты гисто-ультраструктурных исследований свидетельствуют о том, что раннее назначение физической нагрузки средней аэробной мощности вызывает расширение просвета микрогемососудов и способствует уменьшению деструктивных изменений в нейроцитах спинного мозга после долговременной гипокинезии. Лучшая сохранность внутриклеточных компонентов обеспечивает активацию регенераторных процессов, которые являются основой для нормализации структуры нервных клеток.
Перспективы последующих разработок. Полученные данные экспериментального гисто-ультраструктур но го исследования в дальнейшем могут быть использованы для применения разных режимов физической нагрузки в комплексном лечении гипокинетической болезни, а также позволят проводить последующие морфофункциональные исследования на супрасегментарном уровне организации организма.
Литература
1. Abelson, J. Is the spliceosome a ribonucleoprotein enzyme? / J. Abelson // Nat. Struct. Mol. Biol. -2008. - Vol. 15. - № 12. - P. 1235-1237.
2. Brow, D. A. Allosteric cascade of spliceosome activation / D. A. Brow // Annu Rev Genet. - 2002. -Vol. 36.-P. 333-360.
3. Гипокинезия и гиперкинезия как факторы риска в экстремальных условиях / Т. М. Нарымбетова [и др.] // Успехи современного естествознания. - 2011.-№ 5-С. 64-66.
4. Свободный тестостерон как маркер адаптации к нагрузкам средней интенсивности / М. Ю. Шкурников [и др.] // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2008 - Т. 146. - № 9 -
С. 330-332.
5. Меерсон, Ф. 3. Адаптация к стрессовым ситуациям и физическим нагрузкам / Ф. 3. Меерсон, М. Г. Пшенникова. - М. : Медицина, 1988. - С. 30-51.
6. Багаутдинов, И. Р. Морфология двигательных ядер спинного мозга при хронической гипокинезии / И. Р. Багаутдинов, Ю. Г. Васильев // Фундаментальные исследования. - 2005. - № 5 - С. 104-104.
7. Пожарова, Г. В. Особенности адаптации системы гемостаза к физическим нагрузкам разной интенсивности / Г. В. Пожарова, М. А. Гераськина // Фундаментальные исследования. - 2005. - № 5 - С. 85-86.
8. Сахаров, Д. А. Анализ основных изоформ гормона роста человека до и после интенсивных физических нагрузок / Д. А. Сахаров, М. Тевис, А. Г. Тоневицкий // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 2008 - Т. 146. - № 10 - С. 446М50.
9. Шевцов, В. И. Регенерация и рост тканей в условиях воздействия на них дозированных направленных механических нагрузок / В. И. Шевцов // Вестник РАМН. - 2000. - № 2. - С. 19-23.
10. Смирнов, А. В. Изменение структуры периферических отделов нервной и эндокринной систем растущего организма под влиянием гиподинамии и гипокинезии / А. В. Смирнов, Д. А. Чернов, Н. Ю. Иванаускене // Морфология. - 2000. - № 3, Т. 117. - С. 112.
11. Blencowe B.J. Alternative splicing: new insights from global analyses / B. J. Blencowe // Cell. -2006. -№ 1, Vol. 126. -P. 37^17.
Summary
By histological, electronic-microscopic and morphometric analysis it is shown that the destmctive changes in the elements of simple reflex arc at of long duration hypokinezia have geterogen character and touch both the segmentar system and explorer vehicle. Violation of circulation of blood causes disjoining of exchange of matters in the system blood vessels-neuron and the same causes hypokinezia and development of destmctive changes in the component components of simple reflex arc. After the physical loading the pathogenic factors of hypokinezia illness are warned and necessary terms for activating of intra cellular regenerator processes are created, that is instrumental in relative normalization of structure of neuron of spinal cord due to expansion of road clearance of blood vessels, the best safety of intra cellular components, activating of regenerator processes. The possible mechanisms of morphological alteration of elements of simple reflex arc come into question at of long duration hypokinezia and physical loading.
Keywords: hypokinezia, neuron, nerve fibers, blood vessels.
Поступила e редакцию 12.09.13
