ЖУРНАЛ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ, 2004, том 54, № 2, с. 163-173
= ПАМЯТИ О.С. ВИНОГРАДОВОЙ
УДК 612.822.3
РОЛЬ МЕДИАЛЬНОЙ СЕПТАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ В НЕРВНОМ
КОНТРОЛЕ ГИБЕРНАЦИИ
© 2004 г. И. Ю. Попова
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Пущино, e-mail: I-Yu-Popova@yandex.ru Поступила в редакцию 10.10.2002 г. Принята в печать 28.10.2002 г.
Гибернация, или зимняя спячка, - это уникальное адаптивное поведение мелких млекопитающих, имеющее тонкую и сложную регуляцию со стороны центральной нервной системы. Одним из наиболее важных направлений исследований по этой теме является расшифровка механизмов выполнения мозгом регуляторных функций в условиях резкого снижения (практически до нуля) температуры тела и уровня обменных процессов. Исследования, проведенные в лаборатории системной организации нейронов под руководством проф. О.С. Виноградовой, подтвердили гипотезу об особом месте септо-гиппокампальной системы в нервном контроле зимней спячки. В настоящем обзоре наряду с краткой характеристикой процесса гибернации представлены экспериментальные данные, полученные коллективом лаборатории, которые впервые на нейронном уровне демонстрируют роль медиальной септальной области, как "сторожевого пункта" в период зимней спячки.
Ключевые слова: гибернация, медиальная септальная область, нейронная активность, нейропеп-тиды, серотонин, норадреналин.
Role of the Medial Septal Area in the Nervous Control of Hibernation
I. Yu. Popova
Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences, Pushchino
Hibernation (winter sleep) is a kind of unique adaptive behavior of small mammals subjected to fine and complex central control. One of the most promising approaches to this problem is a search for the mechanisms providing brain control under conditions of a sharp decrease in temperature, (virtually, to zero) and metabolic rate. Studies conducted at the Laboratory of System Organization of Neurons under the supervision of Professor O.S. Vinogradova confirmed the hypothesis of the special role of the septohippocampal system in the control of winter sleep. Together with a brief characterization of hibernation in general, the data obtained at the Laboratory are also summarized in the review. The experimental evidence for the role of the medial septal area as a "sentry post" in hibernation is presented.
Key words: hibernation, medial septal area, neuronal activity, neuropeptides, serotonin, noradrenaline.
Феномен зимней спячки мелких млекопитающих уже больше столетия привлекает внимание исследователей [23]. Зимняя спячка, или гибернация, - это состояние, когда проявляются предельные возможности организма. Животные способны длительное время пребывать в условиях глубокой гипотермии (0-4°С) с последующим восстановлением функций до нормального физиологического уровня; при этой температуре сохраняется не только жизнеспособность, но и поддерживается на минимальном уровне жизнедеятельность организма. Обязательным критерием этого состояния является сохранение функциональной активности центральной нервной системы, о чем свидетельствует возможность экстренного пробуждения жи-
вотного при действии сильных и значимых сенсорных стимулов [63]. Исследования мозга гиберниру-ющих животных указывают на возможность особой роли в контроле зимней спячки септо-гиппокампальной системы [27, 41, 42, 60, 63, 68], имеющей критическое значение в организации внимания, обработке информации и регуляции уровня активности переднего мозга в условиях нормотер-мии [58, 61, 65, 67, 71]. Было высказано предположение, что в период гибернации медиальная септальная область (МС) может выполнять функцию "сторожевого пункта", способного запустить процесс экстренного пробуждения животного от спячки [41]. Однако получение экспериментальных доказательств этой гипотезы представляло опреде-
163
2*
ленные трудности из-за отсутствия или крайне низкого уровня спайковой активности нейронов мозга, находящегося в состоянии глубокой гибер-нации.
Впервые исследования нейронной активности МС в мозге гибернантов начались в конце 80-х годов в лаборатории проф. О.С. Виноградовой [3, 4, 33, 56, 57]. В настоящем обзоре представлена краткая характеристика состояния гибернации, а также обобщенные и систематизированные данные, полученные сотрудниками лаборатории.
I. ГИБЕРНАЦИЯ КАК УНИКАЛЬНОЕ АДАПТИВНОЕ ПОВЕДЕНИЕ
1.1. Физиологические и биохимические особенности гибернации
Зимняя спячка мелких млекопитающих (сусликов, сурков, хомяков и др.) сформировалась в процессе эволюции как приспособительное поведение к экстремально неблагоприятным условиям окружающей среды. Переживать подобные условия в течение многих месяцев животным позволяет их уникальная способность к минимизации уровня всех физиологических процессов. Так, температура тела животных в период гибернации падает в среднем до 4°С, хотя может опускаться до -2-3°С [13, 30]. Существенно снижается частота сердечных сокращений, в среднем с 200 до 8-10 уд/мин, а также частота дыхания - со 150 до одного и менее дыхательных циклов в 1 мин. Уровень метаболизма падает с 0.2 до 0.002 кал/г/мин [40]. За период гибернации, который составляет 58% времени от общей продолжительности жизни, тратится только 21.5% энергетических ресурсов [17]. Очевидно, что у млекопитающих в состоянии гибернации физиологические процессы и основной из них - обмен веществ - не прекращаются, а только сильно замедляются. Еще в 1891 г. Г.Г. Скориченко, изучая зимнюю спячку байбаков в лаборатории известного патофизиолога В.В. Пашутина, писал: "Изучение газообмена показало мне, что даже при самой глубокой спячке, так похожей на смерть, у животных в полном ходу механизм, который регулирует потребление питательных веществ организма, соображаясь с изменяющимися условиями" [23].
В сезон гибернации животные периодически спонтанно пробуждаются с соответствующим повышением уровня метаболизма и температуры тела. Таким образом, гибернация разделена на периоды спячки - бауты, которые прерываются короткими (не более 24 ч) периодами бодрствования. Длительность баутов зависит от сезона, составляя 2-4 дня глубокой осенью, постепенно увеличиваясь до 20 дней в январе-феврале и к апрелю снова уменьшаясь до 2 дней [70]. Вхождение в гиберна-цию длится около 6-15 ч, а пробуждение - 1.5-2.5 ч.
В среднем за сезон животные пробуждаются 24 раза [17]. Таким образом, животные-гибернанты должны быть адаптированы не только к низким температурам, но и к быстрым восстановительным процессам при пробуждениях. Действительно, многочисленные эксперименты показали структурную и функциональную специализацию тканей зимоспя-щих. Например, было установлено, что в организме гибернантов не синтезируется антифриз, а используется способность воды к "суперохлаждению" [30]; сезонные конформационные перестройки мембранных липидов обеспечивают особые термические свойства мембран, что способствует функционированию ферментативных систем при низких температурах [16, 29]. В период гибернации существенно подавляются кальциевые токи, как было показано на синаптосомах и кардиомиоцитах бодрствующих и гибернирующих сусликов. Это уменьшение может отражать клеточную адаптацию, помогающую переносить почти полную ишемию при гибернации [39, 52]. Была также выявлена защитная роль эндогенных антиоксидантов при гибернации [38]. Исследования крови гибернирующих и бодрствующих животных показали, что в период спячки в ней содержатся вещества пептидной природы, обладающие гипометаболическим -гипотермическим действием [24, 48]. Была также выявлена важная роль в процессах гибернации таких моноаминов, как серотонин [12, 20, 26, 55, 69] и норадреналин [10, 25, 53]. Особенно интересен тот факт, что сезонные изменения в концентрации биологически активных веществ начинаются задолго до погружения животного в спячку [21].
Снижение частоты сердечных сокращений и дыхания также не является пассивным процессом, идущим вслед за снижением температуры тела, поскольку эти изменения наблюдаются перед каким-либо значительным снижением внутренней температуры [50, 63]. Сходным образом амплитуда ЭЭГ начинает уменьшаться задолго до снижения температуры тела [72]. Эти данные ясно показывают, что весь каскад сложных адаптивных процессов у гибернирующих животных происходит под контролем центральной нервной системы.
1.2. Роль ЦНС в контроле зимней спячки
За 1.5-2 месяца до погружения животного в спячку начинается постепенное снижение многих показателей нервной деятельности и изменение активности моноаминов и пептидных эндогенных регуляторов [21], регистрируются изменения в активности ЭЭГ [72]. Исследования ЭЭГ при погружении животных в гибернацию выявили строгую последовательность исчезновения электрической активности различных структур: кора - ретикулярная формация (РФ) и таламус - лимбическая система (гипоталамус, гиппокамп и септум) [27, 60, 63]. В состоянии глубокой спячки электрическая
активность в коре головного мозга, за исключением редких периодов, практически отсутствует. Сходным образом электрическое "молчание", изредка прерываемое короткими залпами активности, наблюдается в РФ. Напротив, в лимбической системе регистрируется почти постоянная, хотя и сниженная по амплитуде, активность ЭЭГ на протяжении всего баута. Запуск процессов пробуждения происходит после повышения активности в структурах лимбической системы. Электрическая активность мозга восстанавливается в обратной последовательности: лимбика - РФ и таламус - кора. Эти данные навели исследователей на мысль, что основная роль в центральной регуляции спячки принадлежит таким структурам, как гипоталамус и гиппокамп [27, 60, 63, 41].
Многочисленные эксперименты показали, что организация и поддержание гибернации обеспечиваются гипоталамической областью, где расположены центры, регулирующие циркадные ритмы и терморегуляцию [5, 32, 42, 43, 45-47, 72]. Процесс погружения в состояние гибернации начинается с изменения температуры гипоталамуса: происходит фазовый переход с нормотермного уровня, характерного для бодрствующих животных, на ги-бернационный уровень
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.