УДК 612.592:612.822.3:591.543:591.481:591.044:591.112
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЗИМОСПЯЩИХ И НЕЗИМОСПЯЩИХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ ЖИВОТНЫХ
© 2012 г. Д. А. Игнатьев, Р. Я. Гордон, И. В. Патрушев, В. И. Попов
Институт биофизики клетки РАН, Пущино
В обзоре рассматриваются изменения функционального состояния неокортекса и гиппокампа сусликов 5. undulatus при входе в зимнюю спячку и крыс Wistar при гипотермии. В спячке при температуре сусликов 2-4 °С выявлены значительное подавление биоэлектрической и белоксинтези-рующей активности, уменьшение размеров нейронов и степени ветвления дендритов, ретракция шипиков, уменьшение активных зон синапсов. Сходные, хотя и менее выраженные трансформации отмечены и у крыс, охлажденных в условиях гипоксии - гиперкапнии до 17-19 °С. Гипоксия - гиперкапния облегчает норным гибернантам вход в оцепенение. При охлаждении обычных теплокровных в условиях гипоксии - гиперкапнии начинает функционировать ряд механизмов, сопутствующих входу сусликов в спячку. Определенное подобие морфофункциональных сдвигов в ЦНС зимоспящих и незимоспящих животных при входе в низкотемпературное состояние указывает на наличие сходных механизмов, способных при определенных условиях переводить животных разных видов на пониженный уровень активности.
Ключевые слова: зимняя спячка - гибернация, искусственная гипотермия, неокортекс, гиппокамп, биоэлектрическая активность нейронов, белоксинтезирующая система, организация синапсов, дендритные шипики.
ВВЕДЕНИЕ
Получение состояния искусственного гипоби-оза - одна из важнейших задач биологии и медицины. Результаты сравнительных исследований механизмов зимней спячки (естественного ги-пометаболического состояния млекопитающих) и искусственной гипотермии незимоспящих животных способствуют лучшему пониманию процессов, происходящих при низкотемпературном состоянии теплокровного организма. Они могут найти широкое применение в различных областях экспериментальной биологии и практической медицины, в частности в реаниматологии, кардиологии, хирургии, при разработке новых лекарственных средств и методов коррекции физиологического статуса организма и т. д.
Зимняя спячка, гибернация (от лат. ЫЬегпиш -зимний), - это закрепленная в ходе эволюции уникальная способность сведения к минимуму физиологических и обменных процессов организма, позволяющая ряду видов млекопитающих за счет запасенного жира в течение многих месяцев переживать бескормицу и неблагоприятные условия среды. Полагают, что высокая устойчи-
вость зимоспящих к холоду "унаследована" от отдаленных пойкилотермных предшественников и сохранилась в ходе эволюции или была закреплена вторично [15, 35].
Протекание спячки возможно в достаточно широком диапазоне температур. Крупные гибернан-ты, медведи, снижают температуру тела во время зимнего сна всего на 3-5 °С, частота пульса при этом падает до 8-12 уд/мин (летом во время сна -40-70 уд/мин) [69, 78]. Небольшие животные, например суслики, способны снижать температуру в спячке более чем на 30 °С; минимальная температура, "минус" 2.9 °С, зарегистрирована в брюшной полости арктического суслика Spermophilus parryii на Аляске и спячка в таких условиях является для данного вида животных обычным явлением [42, 50]. При входе сусликов в оцепенение в десятки-сотни раз падает ритм дыхания, частота сердцебиений, скорость метаболизма [2, 20, 25, 50, 70, 71, 81, 89]. Спячка сусликов протекает в виде последовательности циклов - баутов (от англ. bout), периодически прерываемых кратковременными периодами активации. Так, арктические суслики S. parryii пробуждаются на 12-18 ч через каждые 2-3 недели спячки [81] и, таким
образом, за гетеротермный период эти животные многократно входят в оцепенение и выходят из этого состояния.
Адаптационные механизмы зимоспящих основаны на особом использовании обычных физиологических систем [103]. Биологически активные фракции, выделяемые из тканей гибернантов, при введении незимоспящим животным индуцируют ряд характерных для спячки проявлений: снопо-добное состояние, некоторое понижение температуры и скорости метаболизма и т.д. [89, 130]. Зимоспящие виды отмечены во всех отрядах млекопитающих. Некоторые исследователи полагают, что все млекопитающие имеют генетическую предрасположенность к спячке [79]. Считают также, что зимняя спячка - это проявление фено-типической адаптации: по набору генов зимоспя-щие млекопитающие не отличаются от незимо-спящих [40].
Большой диапазон колебаний уровня жизнедеятельности делает гибернантов уникальной моделью для изучения пластичности функциональных систем организма, в частности центральной нервной системы (ЦНС). Подавление физиологических и обменных процессов при входе в оцепенение и их активация при пробуждении проходят сбалансированно и под общим центральным контролем [39, 44, 77]. Нейроны головного мозга гибернантов адаптированы к существованию в условиях низких температур, замедленного тока крови, резкого снижения обеспечения тканей кислородом и глюкозой [67, 68]; при выходе из оцепенения нервные клетки зимоспящих животных полностью восстанавливают свое функциональное состояние. Потенциальные возможности обычных теплокровных в этом отношении пока мало изучены. Появляются все новые данные, свидетельствующие о том, что состояние гипотермии способствует сохранению жизнедеятельности нервных клеток при воздействии повреждающих факторов, в частности гипоксии [62, 66, 136] или ионизирующего облучения [12, 23]. Умеренная гипотермия способствует защите мозга от ишемии, ускоряет ремиссию человека при инсульте [54, 59].
Развитие гипотермии у теплокровных начинается с торможения высшего отдела ЦНС - коры головного мозга, распространяющегося затем и на подкорковые структуры; в обратной последовательности происходит выход из низкотемпературного состояния [27, 39]. Полагают, что постепенное выключение отделов ЦНС облегча-
ет адаптацию нервной деятельности к условиям снижения температуры тела при переходе к филогенетически более древней стадии - пойкилотер-мии [27]. У гибернантов, например сусликов или ежей, активность неокортекса полностью подавляется при температурах мозга ниже 20 °С [39], в филогенетически же более древних структурах, в частности в гиппокампе, некоторые так называемые "сторожевые" нейроны и в глубоком оцепенении сохраняют электрическую активность, характерную для состояния бодрствования [39, 44, 77].
В настоящей статье представлен обзор результатов цикла сравнительных исследований, выполненных в Институте биофизики клетки РАН (Пущино) на зимоспящих и незимоспящих животных, которые могут быть полезны при разработке методов получения состояния искусственного гипобиоза, основанного на естественных физиологических механизмах:
1. На первых этапах комплексных исследований изучали: особенности протекания зимней спячки сусликов 8регторЫ1и8 ипёикШэ; условия, оптимальные для спячки; диапазон температур, при которых в принципе возможно состояние оцепенения; характеристики перехода гибернантов из одного состояния в другое; выявление моментов, когда наиболее эффективно действуют эндогенные механизмы, обусловливающие эти переходы..
2. Проводили сравнительный анализ состояния белоксинтезирующей системы нейронов неокор-текса и гиппокампа сусликов S. ипди1а1и в разных фазах цикла оцепенение-активность и крыс Wistar, охлажденных в условиях гипоксии-гипер-капнии до 17-18 °С;
3. Изучали процесс восстановления биоэлектрической активности неокортекса и гиппокампа крыс при выходе из состояния гипотермии, а также сусликов при пробуждении от зимней спячки;
4. Исследовали обратимые изменения в организации синапсов гиппокампа сусликов при входе в спячку (температура мозга 2-4 °С) и при пробуждении; аналогичные исследования проводили и на крысах, искусственно вводимых в состояние гипотермии с понижением температуры тела до 17-18 °С и при выходе из этого состояния.
5. Рассматривали перспективы получения состояния искусственного гипобиоза у незимоспя-щих животных, основанного на естественных физиологических механизмах.
ПОДГОТОВКА ЖИВОТНЫХ К ЭКСПЕРИМЕНТУ И СПОСОБЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Якутских длиннохвостых сусликов БрегторЫ-1ш ипёи1а1;ш (до 1995 г. родовое название СйеПш ипёи1а1;ш) отлавливали летом в Якутии и содержали в условия вивария в индивидуальных клетках. В экспериментах использовали животных обоего пола массой 500-800 г. Перед вхождением в спячку сусликов переносили в темное помещение с температурой среды 1-3 °С и размещали в деревянных боксах. В подстилку гнезд были вмонтированы термодатчики, показания которых позволяли следить за состоянием животных (температура в подстилке во время спячки составляла 2-4 °С, поднимаясь до 12-14 °С при пробуждении).
Состояние сусликов в эксперименте оценивали телеметрически по общим, но достаточно информативным показателям: температуре тела и частоте сердцебиений - параметра, прямо сопряженного со скоростью потребления кислорода, а следовательно, и с уровнем метаболизма. Использовали телеметрическую систему оригинальной конструкции, состоящей из кардиографических и температурных радиодатчиков и приемника [37]. Радиодатчики вживляли подкожно под общим наркозом (этаминал натрия 50 мг/кг внутрибрюшинно) под левой лопаткой животных. Отводящий ЭКГ электрод фиксировали в грудной полости, индифферентный закрепляли подкожно на голове суслика.
Крыс линии содержали в виварии в стан-
дартных условиях. Опыты проводили на крысах-самцах массой 200-250 г. Для охлаждения животных использовали так называемый метод "закрытого сосуда" [1, 72]. Крыс выдерживали в герметичной камере объемом 5.7 л при температуре среды 1-2 °С в течение 3.5-4 ч, что в условиях нарастающей в процессе дыхания гипоксии-ги-перкапнии вводило животных в состояние глубокого холодового наркоза с понижением температуры тела до 15-18 °С. После помещения в обычную газовую среду при комнатной температуре крысы в течение 3-5 ч самостоятельно возвращались в состояние нормотермии и в дальнейшем не обнаруживали отклонений в поведении [19].
Температуру крыс измеряли ректально датчиком электротермометра с точностью 0.2 оС, пом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.