Синаптическая пластичность как основа патологической реорганизации межнейронных отношений в коре большого мозга (экспериментальное исследование) Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

Key words: a skin, epidermis, derma, differon, mechanical damage, structurally functional reorganisation, reparation.

УДК 612.826.2+616.8-091.81 B.B. Семченко, С.С. Степанов

СИНАПТИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ КАК ОСНОВА ПАТОЛОГИЧЕСКОЙ РЕОРГАНИЗАЦИИ МЕЖНЕЙРОННЫХ ОТНОШЕНИЙ В КОРЕ БОЛЬШОГО МОЗГА (экспериментальное исследование)

Проведено исследование синапсов сенсомоторной коры большого мозга белых крыс после острой ишемии и аудиогенного стрессового воздействия. Установлено, что хронический стресс после перенесенной острой ишемии головного мозга является фактором, способствующим развитию патологических нейронных систем в отдаленном постишемическом периоде. Для формирования патологической системы необходим длительный период действия хронического стресса - до появления устойчивых структурных изменений синаптоархитекто-ники.

Ключевые слова: кора большого мозга, синапсы, ишемия, хронический стресс, патологические системы головного мозга.

Введение

Синаптическая пластичность является составляющей нейропластичности, рассматривается как свойство синапсов реагировать на физиологические и патологические воздействия изменением эффективности транссинаптической передачи информации. Пластическая реорганизация синапсов обеспечивает адаптацию нейронов к изменениям информационного потока, проходящего через его афферентные входы, оптимизирует работу нейронных сетей и, как следствие, - возможность адаптации организма к среде обитания [1, 2, 3]. С позиций современных представлений о структурных механизмах синаптической пластичности [4, 5], ее роль как основы патологической реорганизации межнейронных отношений изучена недостаточно.

Цель настоящего исследования: выявить особенности структурно-функциональной перестройки синаптоархитектоники молекулярного слоя неокортекса белых крыс в качестве основы патологической реорганизации межнейронных отношений в мозге после острой ишемии и аудиогенного стрессового воздействия.

Объекты и методы

Эксперимент проведен с соблюдением принципов гуманного обращения с экспериментальными животными (приложение к приказу МЗ СССР от 1977) и в соответствии с рекомендациями Международного комитета по науке о лабораторных животных, поддержанных ВОЗ. Острая ишемия головного мозга моделировалась после внутрибрюшинного введения тиопентала-натрия в дозе 7,5 мг/кг. Выделялись обе общие сонные артерии и пережимались на 20 минут (основная группа, п = 40). Затем зажимы снимали, рану ушивали и обрабатывали раствором бриллиантовой зелени. У животных контрольной группы (п = 40) после доступа к сосудам клипирование не выполнялось (ложнооперированные). Основную (группа I, п = 40) и контрольную группы (II, п = 40) животных делили на подгруппы (1-1, 1-2 и II-1, II-2). Животные подгрупп 1-1 и II-1 два раза в неделю подвергались прерывистому аудиогенному воздействию (70-80 децибел) (по две минуты) в течение 3 месяцев. Животные подгрупп 1-2 и II-2 содержались в тех же условиях, но без аудиогенного стрессового воздействия.

Изучали межнейронные синапсы сенсомоторной коры (СМК) большого мозга половозрелых беспородных белых крыс [6] через 1, 3, 5 и 9 месяцев после начала эксперимента с

© Семченко В.В., Степанов С.С., 2011

применением электронномикроскопического и морфометрического методов [1]. Оценивали: 1) синаптическую популяцию в целом; 2) степень повреждения популяции сохранившихся синапсов; 3) пространственную организацию сохранившихся синапсов и уровень неосинап-тогенеза (балльная оценка) [1].

Полученные количественные данные обработаны с помощью методов системного анализа с привлечением программы «Statistica-6» [7]. Использовался ранговый дисперсионный анализ Краскела-Уоллиса, парное сравнение (критерии Манна-Уитни и Колмогорова-Смирнова). Материал представлен как медиана ± среднее квартильное отклонение {Me ± Q). Q = V2 (Qi — Me) + {Me - Qi), где Q¡ - верхний квартиль, O-j - нижний квартиль.

Результаты исследования и их обсуждение. Сравнение синаптоархитектоники СМК животных подгрупп 1-1, 1-2 и II-1, II-2 по срокам исследования (дисперсионный анализ ANO VA Краскела-Уоллиса) показало, что через 1, 3, 5 и 9 месяцев наблюдения по всем показателям (кроме общей численной плотности через 1 месяц) имелись статистически значимые различия (табл. 1). С помощью парного сравнительного анализа по срокам исследования установлено, что наибольшие различия в сравнении с контролем были характерны для животных подгруппы 1-1 (табл. 2).

Таблица 1

Сравнительная морфометрическая характеристика синаптической популяции молекулярного слоя сенсомоторной коры большого мозга белых крыс подгрупп 1-1,1-2 и II-1, II-2 в отдаленном периоде

Показатель Период, мес

1 3 5 9

1. Общая численная плотность синапсов Н = 4,0; р > 0,05 Н = 10,9; р = 0,01* Н = 7,6; р = 0,03* Н = 9,6; р = 0,02*

2. Степень повреждения (содержание синапсов со светлым типом деструкции) Н = 7,3; р = 0,04* Н = 11,3; р = 0,01* Н = 7,8; р = 0,04* Н =7,4; р = 0,04*

3. Пространственная организация Н=8,3; р = 0,03* Н = 9,6; р = 0,02* Н = 9,1; р = 0,03* Н = 10,8; р = 0,01*

Примечание. «*» - статистически значимые различия параметров, характеризующих синаптоархитекто-иику животных всех сравниваемых подгрупп, по срокам отдаленного периода (ANOVA, df = 3; Н - критерий Краскела-Уоллиса, р - уровень значимости различий).

В этой подгруппе было существенно больше синапсов, измененных по светлому типу деструкции, и отмечалась более сложная пространственная организация синаптических устройств за счет выраженной компенсаторной реорганизации сохранившихся синапсов (табл. 2).

Все вышеизложенное свидетельствует о существенной роли внешнего окружения (наличие или отсутствие стрессового раздражения) для исхода реорганизации межнейронных отношений в отдаленном постишемическом периоде.

Морфометрический анализ структурно-функционального состояния синапсов СМК белых крыс, перенесших острую ишемию, показал, что в отдаленном постишемическом периоде (1-9 месяцев) происходят изменения, не свойственные животным подгруппы без ишемии и аудиогенного стресса. Наиболее выраженная активация деструктивных и компенсаторно-восстановительных изменений при фоне хроническом аудиогенном стрессовом воздействии на фоне ишемии.

Прогрессирующая гибель синапсов в отдаленном постишемическом периоде на фоне хронического стресса сопровождается выраженной компенсаторной реорганизацией межнейронных отношений в СМК, что приводит к существенному изменению интегративно-пусковой деятельности этого отдела головного мозга и проявляется в виде различных нарушений неврологического статуса (например, увеличение судорожной готовности мозга).

Таблица 2

Общая численная плотность, содержание деструктивно измененных синапсов и степень сложности пространственной организации синаптических устройств в молекулярном слое сенсомоторной коры большого мозга белых крыс подгрупп 1-1,1-2 и П-1, П-2 в отдаленном периоде

Группа Период, мес

1 3 5 9

Общая численная плотность синапсов, на 100 мкм2

1-1 &(Н= 12,5;./? = 0,01) 32,2 + 2,1 19,5 + 3,2&&&## 27,2 + 2,8&# 34,5 +2,5&#

1-2 & (Н = 7,5;./? = 0,04) 31,8+2,5 25,3 + 2,1*&&# 32,5 +3,1*# 34,6 + 3,8

П-1 34,8+2,7 36,6 +4,5***лл 32,4+2,7*# 31,3+3,8

П-2 (норма) 36,0 + 3,5Л 35 7 +4 5***лл 34,2+2,8** 33,6 + 3,2

Содержание деструктивно измененных синапсов, %

1-1 &(Н= 11,3; р = 0,01) 10,0 + 2Д&&& 22,5 + ### 16,7 + 3,2&&&# 4,8 + 1,2&##

1-2 & (Н = 7,9;р = 0,04) 9,8+ 1Д&& 11,1 + 2,2**& 5,1 +2,2***& 2,2+1,0** &&&

П-1 & (Н = 7,7;/? = 0,04) 3 8+1 1***лл 8,5 + 2,1***л 7 8+1 4***лл 7,2+ 1,5*л

П-2 (норма) 3 0+1 о***ллл 2,5 + 2,0*** ллл&& 3,2+1,6*** 2,6+1,8**

Пространственная организация сложности синаптических устройств, баллы

1-1 & (Н = 8,5; р = 0,03) 21 + 4&& 29 + 4&&# 28 + 7&& 30 + 9&&

1-2 19 + 3& 22 +4**# 16 + 5***#

П-1 15 +4*л 19 +4*л 18 + 3** jg -1- з**л

П-2 (норма) -1- 2**лл J3 з * * *лл& 12 + 2***л&& -1-

Примечание. «*» - статистически значимые различия в сравнении с подгруппой 1-1 при р < 0,05, «**» -при р < 0,01 и «***» - при р < 0,001; «Л» - статистически значимые различия в сравнении с подгруппой 1-2 при р < 0,05 и «ЛЛ» - при р < 0,01; «&» - статистически значимые различия в сравнении с подгруппой II-1 при р < 0,05, «&&» - при р < 0,01 и «&&&» - при р < 0,001; «#» - статистически значимые различия в сравнении с предыдущим сроком при р < 0,05 и «##» - при р < 0,01 (критерий Манна-Уитни и Колмогорова-Смирнова). «&» -статистически значимые изменения показателя в течение 9 месяцев в соответствующей подгруппе (ANOVA, df = 3; Краскела-Уоллиса, Н - соответствующий критерий).

Очевидно, что за счет перманентной деструкции и компенсаторной реорганизации межнейронных синапсов образуются патологические системы головного мозга, патофизиология которых хорошо изучена в работах Г.Н. Крыжановского [8].

Заключение

Таким образом, хронический стресс после перенесенной острой ишемии головного мозга необходимо рассматривать как фактор, способствующий увеличению риска развития патологических нейронных систем в отдаленном постишемическом периоде. Однако для формирования патологической системы (образование устойчивых структурных изменений синаптоархитектоники) необходим длительный период. При этом каждое последующее стрессовое воздействие способствует деструкции синапсов и активации механизмов синап-тической пластичности. В результате в сенсомоторной коре наблюдается перманентный циклический процесс реорганизации межнейронных контактов с увеличением количества высокоэффективных синапсов и закреплением связей между гиперактивными нейронами, которые могут служить основой формирования патологических детерминант.

Список литературы

1. Семченко В.В. Синаптическая пластичность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты) / В.В. Семченко, С.С. Степанов, Н.Н. Боголепов. - Омск : Омская областная типография, 2008. - 408 с.

2. Carlisle H.J., Kennedy М.В. Spine architecture and synaptic plasticity // Trends Neurosci. - 2005. - V. 28, №4. - P. 182-187.

3. Manto М, Oulad ben Taib N., Lull A.R Modulation of excitability as an early change leading to structural adaptation in the motor cortex // J Neurosci Res. - 2006. - V. 83, № 2. - P. 177-180.

4. Geinisman Y., Berry R.W., Distcrhoft J.F. et al. Associative learning elicits the formation of multiple-synapse boutons // J. Neurosci. - 2001. - V.21. - P. 5568-5573.

5. Calabrese В., Wilson M.S., Halpain S. Development and regulation of dendritic spine synapses // Physiology (Bethesda). - 2006. - V. 21. - P. 38-47.

6. Paxinos G., Watson Ch. AThe rat brain in stereotaxic coordinates. - Toronto : Acad. Press, 1982. - 90 p.

7. Реброва О.Ю. Статистический анализ медицинских данных. Применение пакета прикладных программ STATISTICA. - М. : МедиаСфера, 2002. - 305 с.

8. Крыжановский Г.Н. Общая патофизиология нервной системы. Руководство / Г.Н. Крыжановский. - М. : Медицина, 1997. - 352 с.

SUMMARY

V. V. Semchenko, S.S. Stepanov

Synaptic plasticity as the basis of pathological reorganization in the cortex interneural relations (experimental research)

Research synaptic of white rats sensomotor cortex after a sharp ischemia and audiogene stressful influence is carried out. It is established, that the chronic stress after the transferred sharp ischemia of a brain is the factor promoting development of pathological neural systems in the remote postischemic period. For formation of pathological system long enough time interval of action of chronic stress from the moment of a sharp ischemia before occurrence of steady structural changes synaptoarchitectonic is necessary.

Key words: cortex, synapses, ischemia, chronic stress, pathological systems of a brain.

УДК575.856:591.4:636.064

Л.П. Тельцов, Е.В. Зайцева, В.В. Семченко

ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ МОРФОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ

В статье приведены 5 основных проблем современной экологической морфологии: изучение «жизненных» форм; жизненных циклов видов; взаимосвязи филогенеза и онтогенеза; периодизация развития организмов, систем, органов, тканей; изучение законов индивидуального развития организма.

Ключевые слова: экология, проблемы, морфология, законы развития человека и животных.

Введение

Экологическая морфология сформировалась в XX веке на стыке классической морфологии и экологии. Актуальными проблемами экологической морфологии в XXI веке являются: 1) изучение развития и динамики жизненных форм организма в процессе онтогенеза; 2) изучение жизненных циклов видов; 3) взаимосвязь филогенеза и онтогенеза; 4) периодизация развития организмов и его систем, органов и тканей; 5) установление законов индивидуального развития организмов.

Объекты и методы

Важнейшие прикладные аспекты экологической морфологии - это использование принципов жизненных форм в биоценологии, бионике, биотехнологии, экологической инженерии, призванной решать задачи моделирования и создания искусственных экосистем, а также разработки мер по оптимизации естественных биоценозов и агроценозов.

1. Проблема «Жизненная форма» - одно из основных понятий экологической морфологии. Жизненная форма - это приспособительный тип организма и его систем, органов, тка-

© Тельцов Л.П., Зайцева Е.В., Семченко В.В., 2011