Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние гипотермии и осмотически активных веществ на спектральные характеристики электрической активности мозга крыс

ВАК РФ 03.03.01, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Влияние гипотермии и осмотически активных веществ на спектральные характеристики электрической активности мозга крыс"

На правах рукописи

Рабаданова Зухра Гусейновна

Влияние гипотермии и осмотически активных веществ на спектральные характеристики электрической активности мозга крыс

03. 03.01 - физиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

2 I ОКТ 2015

Астрахань 2015

005563523

005563523

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Дагестанский государственный университет» Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Кличханов Нисред Кадировнч Официальные оппоненты:

Медникова Юлия Сергеевна, доктор биологических наук, ФГБУН «Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии Российской академии наук», лаборатория нейрохимических механизмов обучения и памяти, ведущий научный сотрудник

Захарова Надежда Михайловна, кандидат биологических наук, ФГБУН «Институт биофизики клетки Российской академии наук», лаборатория механизмов природных гипометаболических состояний, заведующий лабораторией

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.

Защита состоится « 21 » ноября 2015 г. в 10:00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.009.01 при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет» по адресу: 414000, г. Астрахань, пл. Шаумяна, 1, ауд. 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный университет» по адресу: 414056, г. Астрахань, ул. Татищева, 20а и на сайте http://www.asu.edu.ru

Автореферат разослан « с 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Курьянова Евгения Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Гипотермия представляет интерес для биологов как с теоретической, так и с практической точек зрения. Под гипотермией понимают состояние пониженной температуры тела у гомойотермных животных. Такие состояния возникают в природе в результате переохлаждения организма в условиях, когда терморегуляторные механизмы неспособны гомеостатировать температуру тела (Petrone Р. et al., 2014). При глубокой гипотермии, когда температура тела снижается на 10 и более градусов, риск летального исхода резко возрастает и, поэтому такие состояния являются опасными для организма человека. В связи с этим ведутся исследования, направленные на снижение вероятности летального исхода при низких температурах тела.

С другой стороны, гипотермия используется в медицине при хирургических вмешательствах (Misfeld М. et al., 2013), ишемии мозга (Tang X., Yenari М., 2010), инсульте (Froehler М., Ovbiagele В., 2010), травме спинного и головного мозга (Dietrich W., Bramlett Н., 2010), после остановки сердца (Feitosa-Filho G. et al., 2009; Lay С., Badjatia N., 2010). Это связано с тем, что при низких температурах тела интенсивность метаболизма существенно снижается, а это приводит к снижению потребления кислорода и питательных веществ критическими для выживания организма органами (Garza М., 2007; Yenari М. et al., 2008).

Несмотря на то, что гипотермия широко применяется в практической медицине, до сих пор нет полного понимания механизмов ее защитного действия. Кроме того, недостаточно изучены аспекты сохранения электрической активности и в целом поддержания интактного состояния мозга у человека и млекопитающих при гипотермии. В связи с этим представляется актуальным исследование электроэнцефалограммы (ЭЭГ) мозга млекопитающих (в частности, классического биомедицинского объекта — лабораторных крыс) при различных гипотермических состояниях. ЭЭГ представляет собой результат суммации постсинаптических потенциалов нейронов коры мозга (Гусельников В., 1969; Зенков Л., 2004). В основе электрической активности мозга лежат ритмические колебания, генерируемые водителями ритма (пейсмекерами). При снижении температуры мозга биохимические и биофизические процессы, лежащие в основе биоэлектрогенеза, изменяются, и это ведет к изменению частоты генерируемых колебаний электрического потенциала. Вид температурной зависимости частоты импульсации пейсмекеров может послужить источником информации для построения теории температурной зависимости работы пейсмекеров. В связи с этим, в настоящей работе предприняты исследования спектрального состава ЭЭГ крыс при различных температурах тела.

Исследование гипотермических состояний у млекопитающих представляет интерес и с научной точки зрения, так как позволяет глубже понять механизмы температурной зависимости физиологических процессов у гомойотермов. Известно, что по мере снижения температуры тела млекопитающих, электрическая активность мозга крыс снижается, и при

ректальной температуре около 20-18°С ЭЭГ становится плоской (изоэлектрической) (Тимофеев Н., Прокопьева Л., 1997; Абдурахманов Р., 2002). В настоящее время нет достаточно полной версии температурной зависимости электрической активности мозга. Одна из версий состоит в том, что ЭЭГ при гипотермии становится плоской из-за того, что в мозге развивается отёк нейронов, сокращение экстраклеточного пространства, и, как следствие, прекращение генерации биопотенциалов (Mueller Е. et al., 2000). Фактором, вызывающим развитие отека мозга при гипотермии, является недостаток поступления кислорода и энергии АТФ, что может вызвать нарушение работы ионных насосов (Кличханов Н. и др., 2007) и избыточное поступление в клетку ионов Na , что, в свою очередь, вызывает повышение внутриклеточного осмотического давления и, соответственно, чрезмерное поступление в клетку воды. Введение в кровь осмотически активных веществ могло бы снять или предотвратить отёк нейронов и, тем самым, снизить критическую температуру для ЭЭГ.

Степень разработанности темы. Установлено, что по мере снижения температуры тела млекопитающих электрическая активность мозга линейно снижается, и. при температуре тела 20-18°С полностью прекращается (биологический нуль) (Игнатьев Д. и др., 2005). Согревание животного приводит к постепенному восстановлению электрической активности мозга. В цикле гипотермия-согревание на ЭЭГ обнаружен гистерезис, который связывают с развитием отека мозга (Абдурахманов Р., 2002). Можно предположить, что предотвращение развития отека при гипотермии способствовало бы улучшению электрической активности мозга. Путем внутрибрюшинного введения мочевины и ее аналогов показана принципиальная возможность снижения температуры, при которой происходит электрическое молчание мозга (Абдурахманов Р., 2002; Мейланов И., 2004). Поэтому как с практической, так и с теоретической точки зрения представляет интерес дальнейший поиск веществ, снижающих биологический нуль. Обнаружено, что у гетеротермных животных (джунгарские хомячки) во время суточного оцепенения (естественная гипотермия) на электроэнцефалограмме происходит индукция доминирующего ритма, максимум которого с понижением температуры тела смещается в область низких частот (Strijkstra A., Deboer Т., 2000). Изменение картины спектральной плотности связывают с температурными характеристиками ионных каналов, которые определяют частоту импульсации. Анализ спектральных характеристик ЭЭГ при искусственной гипотермии и последующем согревании, а также при введении осмотически активных веществ позволит выяснить механизмы изменения электрической активности мозга при низких температурах тела.

Цели и задачи исследования. Целью данной работы является выяснение особенностей изменения спектрального состава и распределения биопотенциалов ЭЭГ крыс в динамике общего охлаждения и последующего согревания без и на фоне введения осмотически активных веществ.

Задачи исследования:

1. Выявить закономерности изменения электроэнцефалограмм мозга крыс

в динамике гипотермии.

2. Проанализировать электрическую активность мозга крыс в динамике согревания после перенесенной гипотермии.

3. Изучить влияние введения сахарозы, ацетамида, реополиглюкина, а также сочетанного воздействия ацетамида и реополиглюкина на электроэнцефалограммы мозга крыс в динамике гипотермии и согревания.

4. Провести анализ спектрального состава электроэнцефалограмм мозга крыс при различных температурах тела с применением метода быстрого преобразования Фурье, а также построение гистограмм распределения биопотенциалов.

Научная новизна. Впервые с применением метода анализа быстрого преобразования Фурье обнаружена индукция тета-ритма, вызванная принудительным охлаждением уже на начальных этапах его воздействия. Установлено, что по мере снижения температуры тела доминирующая частота тета-ритма смещается в область низких частот, при согревании - в область высоких частот. Для доминирующей частоты тета-ритма показано наличие гистерезиса в цикле охлаждение-согревание. Обнаружено, что осмолитики снижают критическую температуру, при которой электрическая активность мозга прекращается. В динамике согревания животного введение сахарозы, ацетамида, а также совместное введение ацетамида с реополиглюкином, в отличие от реополиглюкина в отдельности, способствует раннему появлению признаков электрической активности мозга.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные могут быть использованы для построения теории температурной зависимости физиологической активности мозга. Апробированный в ходе настоящего исследования метод быстрого преобразования Фурье показал свою эффективность в получении новых знаний об амплитудно-частотных характеристиках ЭЭГ при гипотермических состояниях. Показана принципиальная возможность модулирующего влияния осмолитиков на ЭЭГ в цикле охлаждение-согревание. Полученные результаты могут иметь важное практическое значение при профилактике состояний, сопровождающиеся ишемией.

Методология и методы исследования. Эксперименты проводились на белых беспородных крысах. В отверстия черепной коробки вводили нихромовые макроэлектроды толщиной 0.3 мм в лаковой изоляции. Глубина погружения кончика электрода составляла 1.5-2.0 мм от поверхности черепной кости.

Два отверстия просверливали над правым полушарием мозга (в соматосенсорной области коры больших полушарий). Схема расположения электродов дана на рис. 1. на расстоянии 2-5 мм друг от друга и от центральной борозды (сагиттального шва) черепа, в нескольких мм выше линии брегмы. Координаты по атласу Фифковой и Маршала (АР + 1. Э2) у поверхности коры (Буреш и др., 1962). Один электрод вживлялся в носовую кость и использовался для заземления во избежание помех. Макроэлектроды фиксировали на голове с помощью пластмассы для зубных протезов Акродент.

Рис. 1 Карта расположения электродов на черепной кости.

Непосредственно эксперимент проводили спустя 3 дня после операции. Все опыты проведены под тиопенталовым наркозом (40 мг/кг веса тела). Дозы и схемы введения препаратов подбирались с учетом фармакодинамики, а также их защитных свойств при экстремальных условиях для животных, какими являются гипотермия и гипоксия. Согласно с полученными ранее данными нашей лаборатории (Абдурахманов Р., 2002), в экспериментах ацетамид вводили внутрибрюшинно в дозе 3 мМ на 100 г веса тела. Другой группе животных вводили 3 мМ сахарозы на 100 г веса тела. Третьей группе вводили 1 мл реополиглюкина (10% раствор декстрана в изотоническом растворе натрия хлорида; молекулярная масса от 30 до 40 кД на 100 г веса тела. Четвертой группе крыс вводили ацетамид, который растворяли в 1 мл реополиглюкина в тех же дозах. Контрольным животным вводили 1 мл физиологического раствора. Все препараты вводили за 30 мин до холодового воздействия.

Охлаждение животного проводили путем обкладывания его тела пакетом с мелко-колотым льдом. Температуру измеряли в прямой кишке на глубине 5-6 см ректальным термометром. Измерение электрической активности проводили при изменении температуры тела через каждые 2-4°С. По достижении температуры исчезновения электрической активности в мозге охлаждение прекращали и начинали согревание, подложив под тело животного грелку с теплой водой. Кроме того, о состоянии животного при низких температурах тела судили, регистрируя частоту сердечных сокращений и дыхания.

Сигнал ЭЭГ с регистрирующих макроэлектродов подавался на усилитель биопотенциалов УБП1-02 (полоса частот от 0 до 10 кГц), с выхода которого он поступал на аналого-цифровой преобразователь L-780 фирмы L-Card. Частота оцифровки 500 Гц. Время сбора данных 33 с (16500 точек). Сигналы ЭЭГ подвергались обработке с использованием пакета «L-GRAF» и сохранялись в формате dat и par. Файлы в формате dat и par конвертировали в txt-файлы и импортировали в пакет «STATISTICA 8», с помощью которого выполняли спектральный анализ ЭЭГ. Данные, представленные в цифровой форме, использовали для построения графиков кривой ЭЭГ, гистограмм распределения биопотенциалов и их спектральной мощности.

При необходимости, перед статистической обработкой временного ряда, проводили экспоненциальное сглаживание для отсечения высокочастотных колебаний и избавления от тренда. При построении кривой ЭЭГ брали первые 2000 точек, что соответствовало 4-х секундному отрезку времени. Для вычисления функции спектральной мощности и гистограммы распределения биопотенциалов бралась вся выборка. Графики спектральной плотности выстраивались в диапазоне частот от 1 до 15 Гц. Для каждой записи, соответствующей определенной температуре тела, строили графики спектральной плотности, полученные с помощью быстрого преобразования с

помощью пакета Exsel. Из наклона линейных участков находили эффективные энергии активации (ДЕ, при Т > Т„, ДЕ2 при Т < Тп). Точки пересечения линейных участков (Т„) соответствуют температуре, при которой существенно изменяется температурная зависимость доминирующего ритма.

Используя опцию «Basic statistics» в программе «STATISTICA 8» строили гистограмму.

Положения, выносимые на защиту.

1. В динамике гипотермии и последующего согревания в спектре мощности ЭЭГ появляется доминирующий ритм, частота которого зависит от температуры тела.

2. В цикле охлаждение-согревание на кривой зависимости доминирующей частоты от температуры тела имеет место гистерезис.

3. Внутрибрюшинное введение осмотически активных веществ снижает критическую температуру охлаждения, при которой ЭЭГ становится изоэлектрической, и в целом повышает резистентность животных к глубокой гипотермии.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты настоящего исследования были представлены и обсуждены на, IX-й и XII-й Пущинской школе-конф. молодых ученых «Биология - наука XXI века» (г. Пущино, 2005, 2010), Междунар. научн. конф. «Современные проблемы адаптации и биоразнообразия» (г. Махачкала, 2006), Междунар. научн. конф. «Молекулярные механизмы адаптаций» (г. Махачкала, 2008). Региональной научно-практ. конф. «Биология. Экология и охрана окружающей среды» (г. Кизляр, 2010), Всероссийской научно-практ. конф. «Закономерности распространения, воспроизведения и адаптаций растений и животных» (г. Махачкала, 2014), 53-й Междунар. науч. студ. конф. (г. Новосибирск, 2015).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы собственных исследований и их обсуждения, заключения и выводов. Работа изложена на 128 страницах, включает 3 таблицы и 48 рисунков. Список цитированной литературы включает 233 источника, из которых 182 иностранных.

Результаты собственных исследований и их обсуждение

Влияние гипотермии и последующего согревания на электрическую активность мозга крыс. Была исследована электрическая активность мозга наркотизированной крысы в динамике гипотермия-согревание. На рис. 2 (Слева) приведены типичные ЭЭГ коры головного мозга крыс при охлаждении и последующем согревании тела животного. Видно, что исходная температура до начала охлаждения 36°С при этом ЭЭГ представляет собой характерную для наркоза кривую, в которой отсутствуют высокочастотные колебания. На графике спектров мощности хорошо видно, что центр тяжести колебаний лежит в диапазоне 3-9 Гц. После начала охлаждения, когда температура тела снизилась всего на один градус, по сравнению с начальной, и достигла 35°С,

7

ЭЭГ меняется, и эти изменения, не столь хорошо заметные на глаз, отчетливо выражены на графике спектров мощности (рис. 2 Справа). Низкочастотные колебания становятся менее интенсивными, но в области частот, соответствующих тета-ритму, появляются две довольно интенсивные полосы (6-7 Гц).

1,°С

1,°С

—.—>—/ —""V—V—V 12

Рисунок 2. (Слева) Электроэнцефалограммы крысы для различных температур тела в цикле охлаждение-согревание. Масштаб по вертикали 400 мкВ, по горизонтали - 1с. (Справа) Частотная зависимость спектральной плотности ЭЭГ при различных температурах тела при охлаждении и согревании. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси ординат спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц, принятой за 100%. Сверху вниз охлаждение и затем согревание.

В дальнейшем, по мере снижения температуры тела, «центр тяжести» этих полос смещается в область низких частот, из рис.2 видно, что при ректальной температуре 20°С доминирует одна полоса (1,5 Гц), частота которой, по мере снижения температуры тела, стремится к нулю. При температуре тела 18-19°С ЭЭГ становится плоской (электрическое молчание). При этом частота сердечных сокращений (ЧСС) 1,5 уд/сек. Согревание животного восстанавливает электрическую активность мозга, но это восстановление происходит при более высокой температуре тела по сравнению с температурой прекращения электрической активности. Другими словами, имеет место гистерезис, что ярко отражает рис. ЗА, на котором показана зависимость доминирующей частоты от температуры тела. Зависимость доминирующей частоты от температуры тела может быть аппроксимирована прямой линией. Однако в Аррениусовских координатах (рис. ЗВ) выявляются два линейных участка с эффективными энергиями активации 16 ккал/моль выше точки излома и 33 ккал/моль ниже точки излома. Положение точки излома соответствует 24°С. Таким образом, существенное изменение спектра мощности уже при снижении температуры тела на 2-3°С указывает на то, что при этом происходит значительная перестройка электрической активности коры головного мозга. Можно предположить, что обеднение спектра мощности различными частотами связано с уменьшением числа нейронов, вносящих вклад в ЭЭГ. Обсуждение этой версии будет представлено ниже. 8

1®СЧЭЭГЗ

0,9 0.! V 0.6

М М

<и 0,1

1? 19 21 а 25 27 » 31 И 35 Л1

3,25

3,3

3,35

3,4

3'4!1Т1М0

Рисунок 3. (А) График зависимости доминирующей частоты ЭЭГ от температуры тела в цикле охлаждение-согревание. По оси абсцисс - температура, по оси ординат частота в Гц. ▲ - охлаждение, ■ - согревание. (В) Аррениусовский график для доминирующей частоты ЭЭГ при гипотермии.

Влияние внутрибрюшинного введения ацетамида на электрическую активность мозга крыс при гипотермии и согревании. На рис. 4 приведены данные типичного опыта, характерного для введения ацетамида. Начальная температура 36°С. Спектр мощности представляет собой картину с некоторым набором частот, которые заметны в довольно широком диапазоне от 0 до 15 Гц. Появление изолированного пика в области тета-ритма наблюдается примерно при 27°С. Дальнейшее снижение температуры тела животного приводит к смещению пика в область низких частот. ЭЭГ становится изоэлектрической при температуре тела 15°С. При согревании вновь появляется частотная полоса в низкочастотной области, максимум которой смещается в область высоких частот по мере повышения температуры тела.

I, °С 1, °С

Л и

лЛ.- 2»

.—---—• «

Х^ЖУг.

>/ЛЛ^ ,>Лг.у'Л.{\ Лл

Л ТС"4/'*'*

лЛ!\Г

"л/

Рисунок 4. (Слева) Электроэнцефалограммы крысы для различных температур тела при охлаждении и последующем согревании на фоне введения ацетамида. Масштаб по вертикали 400 мкВ, по горизонтали - 1с. (Справа) Частотная зависимость спектральной плотности ЭЭГ при различных температурах тела при охлаждении и согревании. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси ординат - спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц, принятой за 100%. Сверху вниз - охлаждение и затем согревание.

На рис. 5А показан график зависимости доминирующей частоты ЭЭГ от температуры тела, на котором видно, что введение ацетамида сместило критическую температуру, но не устранило гистерезиса. Температурная зависимость Чээг на Аррениусовских координатах аппроксимируется двумя линейными участками, с эффективными энергиями активаций 8 ккал/моль выше точки излома и 40 ккал/моль ниже точки излома (рис. 5В). Точка пересечения линейных участков соответствует 21°С. Таким образом, введение ацетамида заметно снижает положение точки излома по сравнению с контролем. Введение ацетамида статистически достоверно уменьшило энергию активации выше точки излома и статистически повысило энергию активации ниже точки излома. Таким образом, ацетамид существенно снижает температуру биологического нуля. Этот результат, возможно, указывает на то, что осмотические эффекты ацетамида являются причиной высокой активности нейронов при низких температурах тела, а наличие гистерезиса мы объясняем развитием отека нейронов головного мозга

А В

Рисунок 5. (А) График зависимости доминирующей частоты ЭЭГ от температуры тела в цикле охлаждение-согревание при гипотермии на фоне введения ацетамида. По оси абсцисс -температура, по оси ординат частота в Гц. ▲ - охлаждение, ■ - согревание. (В) Аррениусовский график для доминирующей частоты ЭЭГ при гипотермии.

Влияние внутрибрюшинного введения сахарозы на электрическую активность мозга крыс при гипотермии и согревании. На рис. 6 приведены данные типичного для введения сахарозы эксперимента. Исходная активность имеет низкую амплитуду и высокую частоту. После введения сахарозы амплитуда колебаний возрастает, и спектр мощности ЭЭГ изменяется. Несколько снижается интенсивность колебаний на высоких частотах. При снижении температуры тела на 3°С на ЭЭГ появляется четкий пик в районе 6-7 Гц, и амплитуда колебаний возрастает.

Рисунок 6. (Слева) Электроэнцефалограммы крысы для различных температур тела при охлаждении и последующем согревании на фоне введения сахарозы. Масштаб по вертикали -400 мкВ, по горизонтали - 1с. (Справа) Частотная зависимость спектральной плотности ЭЭГ при различных температурах тела при охлаждении и согревании. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси ординат спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц, принятой за 100%. Сверху вниз - охлаждение и затем согревание.

При дальнейшем снижении температуры частота доминирующего ритма стремится к нулю и, наконец, исчезает при 18°С. По мере согревания электрическая активность мозга восстанавливается при 25-26°С, однако, отсутствует характерная картина появления низкочастотного пика, положение которого смещалось бы в область высоких частот по мере повышения температуры тела. Гистерезис составляет 7-8°С (рис. 7А). В Аррениусовских координатах температурная зависимость ЧЭЭг имеет два линейных участка с эффективными энергиями активаций 14 ккал/моль выше точки излома и 26 ккал/моль ниже точки излома (рис. 7В). Точка пересечения соответствует 27°С. Таким образом, введение сахарозы не повлияло на температуру, при которой происходит полное подавление электрической активности мозга крыс относительно контроля. Однако, введение сахарозы заметно повысило положение точки излома по сравнению с контролем. Обращает на себя внимание тот факт, что восстановление электрической активности мозга при согревании на фоне введения сахарозы происходит при более низких температурах тела 25-26°С (в контроле при 27-28°С). Логично предположить, что сахароза несколько уменьшает отек мозга вызванный глубокой гипотермией. Сахароза не проникает через гематоэнцефалический барьер, а ее осмотический эффект связан со способностью интенсивной сорбции воды из тканей и переводом ее в кровеносное русло за счет увеличения осмотического давления крови. Уменьшение вязкости крови, в свою очередь, улучшает микроциркуляцию в мозге. В то же время, сахароза не полностью устранила гистерезис. Возможно, этот эффект обусловлен осмотическими свойствами сахарозы, проявление которых требовало времени.

Р!

.^чээг,

0,5 М 0.Э 0,2 ОД

2 !< И а Я 11 м и

345

3.35

-|1.Т* 1001)

3,45

сунок 7. (А) График зависимости доминирующей частоты ЭЭГ от температуры тела в цикле охлаждение-согревание на фоне введения сахарозы. По оси абсцисс - температура, по оси ординат частота в Гц. А - охлаждение, ■ - согревание. (В) Аррениусовский график для доминирующей частоты ЭЭГ при гипотермии.

Влияние внутрибрюшинного введения реополиглюкина на электрическую активность мозга крыс при гипотермии и согревания. На рис. 8 приведены типичные ЭЭГ и их спектральные плотности характерные для внутрибрюшинного введения реополиглюкина. Характер изменения картины спектральной плотности восстановления ЭЭГ практически повторяет данные предыдущих опытов. Особенностями данной серии экспериментов явилось то, что охлаждение животного в меньшей степени повлияло на активацию тета-ритма, хотя общая тенденция снижения центра тяжести в спектре мощности низких частот имеет место. Прекращение электрической активности мозга наблюдалось в районе 17-18°С, при этом в отличии от гипотермии в контроле без введения веществ, гипотермия на фоне РП увеличила ЧСС (3.5 уд/мин).

1,°С

1,°С

Рисунок 8. (Слева) Электроэнцефалограммы крысы для различных температур тела при охлаждении и последующем согревании на фоне введения реополиглюкина. Масштаб по вертикали - 400 мкВ, по горизонтали - 1 с. (Справа) Частотная зависимость спектральной плотности ЭЭГ при различных температурах тела при охлаждении и согревании. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси ординат - спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц, принятой за 100%. Сверху вниз - охлаждение и затем согревание.

Поэтому, представлялось возможным дальнейшее охлаждение до температуры 16°С, когда показатели сравнялись с таковыми в контроле. Восстановление регистрируется при 27-28°С, что свидетельствует о значительном гистерезисе - 11°С (рис. 9).

Таким образом, внутрибрюшинное введение реополиглюкина перед охлаждением животного привело к двум изменениям по сравнению с контролем. Первое, при охлаждении животного в меньшей степени проявляется активация тета-ритма, хотя общая тенденция снижения «центра тяжести» в спектре мощности низких частот имеет место. Второе, увеличение гистерезиса в цикле охлаждение-согревание. При согревании животного картина изменений ЭЭГ в какой-то степени обратна, но есть в значительной степени существенные отличия. Если ЭЭГ становится изоэлектрической при ректальной температуре около 17-18°С, то восстановление электрической активности происходит при температуре приблизительно 28°С. Очевидно, значительный гистерезис в большей степени связан с длительным «молчанием» мозга, чем дольше отсутствует его активность, тем меньше шансов ее в полной мере восстановить.

Га

Рисунок 9. График зависимости доминирующей частоты колебаний ЭЭГ от температуры в цикле охлаждение-согревание на фоне введения реополиглюкина. По оси абсцисс -температура, по оси ординат частота в Гц. Л-охлаждение, и-согреваиие.

Влияние внутрибрюшинного введения ацетамида с реополиглюкином на электрическую активность мозга крыс при гипотермии. На рис. 10 приведены данные типичного опыта характерного для введения ацетамида с реополиглюкином. Из рисунка видно, что перед началом охлаждения на ЭЭГ присутствуют достаточно мощные колебания в диапазоне 2-9 Гц. Снижение температуры тела приводит к смещению центра тяжести на графике спектральной мощности в область низких частот. При температуре 15°С ЭЭГ — практически изоэлектрическая. При этом частота сердечных сокращений 2 уд/сек. В ходе согревания электрическая активность уже при незначительном повышении температуры тела заметно возрастает. ЭЭГ полностью восстанавливается при 36°С, хотя картина спектра мощности отличается от таковой перед началом охлаждения. Несмотря на то, что температура тела была понижена до 15°С, заметно отсутствие гистерезиса (рис. 11 А). Однако обращает на себя внимание отсутствие точки излома на графике температурной зависимости Чээг в Аррениусовских координатах при гипотермии (рис. 11В), который хорошо описывается прямой с эффективной энергией активации 15 ккал/моль. Следуя логике наших рассуждений, отсутствие гистерезиса обусловлено отсутствием отека мозга, а снижение электрической активности обусловлено исключительно температурным фактором. Этот редкий случай -

13

отсутствие гистерезиса — указывает на значительные потенциальные возможности организма крыс к противостоянию глубокому охлаждению, по крайней мере, в случае сочетанного действия ацетамида и реополиглюкина в качестве криопротекторов.

(, °С

34

I, °С

Рисунок 11. (Слева) Электроэнцефалограммы крысы для различных температур тела при охлаждении и последующем согревании на фоне сочетанного воздействия ацетамида и реополиглюкина. Масштаб по вертикали - 400 мкВ, по горизонтали - 1 с. (Справа) Частотная зависимость спектральной плотности ЭЭГ при различных температурах тела при охлаждении и согревании. По оси абсцисс - частота в Гц, по оси ординат - спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц, принятой за 100%. Сверху вниз -охлаждение и затем согревание.

В

«чээп «■81

11 и 11 » И и И Я .4 И и X .4 ГС

3,1 ЗД5 3,3 3,35

3,45 3,5

Рисунок 12. (А) График зависимости доминирующей частоты ЭЭГ от температуры тела в цикле охлаждение-согревание на фоне сочетанного воздействия ацетамида и реополиглюкина. По оси абсцисс — температура, по оси ординат - частота в Гц. ▲ -охлаждение, ■ - согревание. (В) Аррениусовский график для доминирующей частоты ЭЭГ при гипотермии.

Совместное введение реополиглюкина и ацетамида привело к снижению критической температуры ЭЭГ примерно так же, как и введение ацетамида без реополиглюкина. Однако при совместном действии ацетамида и реополиглюкина гистерезис в цикле охлаждение-согревание существенно уменьшился. Это факт говорит о том, что для снижения критической температуры ЭЭГ при гипотермии целесообразно испробовать комплексное

введение веществ, способных влиять на электрофизиологические процессы в мозге при низких температурах тела.

В табл.1 приведены основные характеристики электрической активности мозга крыс в цикле гипотермия-согревание.

Таблица 1

Основные характеристики электрической активности мозга крыс в цикле

Состояние (ДЕ,), кк ал/моль (АН2), ккал/моль Тп,°С Тээг, "С Твс, °С

Контроль 15,33±1,76 34,46±1,86 24,33±1,11 18,33±0,99 27,ОС* 1,22

Ацетамид 8,79±1,16* 39,61±1,53* 20,83±0,98* 15,33±0,87* 21,97±0.88*

Сахароза 13,21±1,23 26,67±0,33* 27,33±1,65* 18,00±0,91 25,47±0,43

Реополиглюкин - - 16,73±0,65 27,67±0,33

Реополиглюкин+ Ацетамид 13,5±0,99 - 15,67±0,55* 19,67±0,98*

Примечание: ДЕ1 - эффективная энергия активации выше точки излома, ДЕ2 - энергия активации ниже точки излома, Тп - точка перегиба, Тээг — температура исчезновения электрической активности мозга крыс, Твс — температура восстановления после согревания. * - достоверность различий по отношению к контролю оценивали по критерию Стьюдента при уровне значимости р<0,05.

Во всех исследованных опытах общий характер изменения спектральной мощности повторяется от опыта к опыту: охлаждение приводит к появлению в спектре мощности полосы, соответствующей тета-ритму, и смещению этой полосы в область низких частот при снижении температуры тела. При согревании животного после гипотермии электрическая активность восстанавливается не сразу, и не всегда она является зеркальным отображением изменений, происходящих при охлаждении. Во многих случаях при согревании электрическая активность восстанавливается при температуре тела 24-28°С (в зависимости от величины гистерезиса), и первые энцефалограммы характеризуются наличием доминирующей полосы в спектре мощности, соответствующей низким частотам. При дальнейшем повышении температуры тела это полоса смещается в область высоких частот, и, в конечном итоге, спектр мощности ЭЭГ приобретает вид, довольно близкий к таковому до охлаждения животного. Доминирующая полоса в спектре мощности в цикле охлаждение-согревание нами относится, в соответствии с классификацией ЭЭГ, к тета-ритму.

Поскольку изменение частотной полосы происходит плавно, логично предположить, что температура влияет на частоту, которую генерирует один и тот же осциллятор при разных температурах мозга. Чувствительность различных нейронов коры мозга к снижению температуры неодинакова. Поэтому с понижением температуры происходит селективное выключение нейронов, выявляя неоднородность их популяций. В пользу данного предположения свидетельствуют гистограммы распределения биопотенциалов, показанные на рис. 13. Суммарная электрическая активность нейронов представлена различными частотными диапазонами и имеет характер

Рис. 13. Гистограммы распределения биопотенциалов ЭЭГ крысы. По оси абсцисс - разность потенциалов в мкВ, по оси ординат - частота встречаемости данного значения разности потенциалов ЭЭГ. Сплошная красная линия соответствует ожидаемому нормальному распределению.

нормального (гауссовского) распределения, описываемого куполообразной гистограммой. Нормальное распределение наблюдается в тех случаях, когда случайная величина является суммой большого числа случайных величин, каждая из которых вносит малый вклад по сравнению с общей суммой. При уменьшении числа нейронов, вносящих свой вклад, уменьшается как объем выборки, так и соотношение числа разных групп нейронов, вносящих вклад в ЭЭГ. Существенные изменения гистограмм распределения биопотенциалов, наблюдаемые при низких температурах тела, говорят о том, что значительное число нейронов перестают вносить вклад в ЭЭГ. В конечном итоге, гистограмма может стать полимодальной, как в случае с введением сахарозы. При согревании мозга, все большее число нейронов активируется, и характер гистограмм распределения потенциалов вновь приближается к нормальному. Количественной мерой оценки отклонения от нормальности распределения разностей потенциалов являются коэффициенты асимметрии и эксцесса. Нормальность распределения, выраженная через эти коэффициенты, определяется значением, которое должно укладываться в диапазон (-1 до 1). Коэффициент асимметрии - это свойство распределения выборки, которое характеризует несимметричность распределения случайной величины и показатель островершинности - эксцесс.

В табл. 2 приведены средние значения асимметрии и эксцесса до начала охлаждения и после согревания, а также при температурах характерных промежуточным состояниям.

Таблица 2

Коэффициенты эксцесса (Е) и асимметрии (А) в динамике гипотермия-согревание при различных состояниях. (М±т; п = 6)

Т,"С Коэфф. Контроль Ацетамид Сахароза Реополиглюкин Реополиг. + ацетамид

35-36 Е 0,19±0,03 0,16±0,04 0,12±0,01 0,13±0,04 0,18±0,03

А 0,03±0,008 0,02±0,005 0,02±0,005 0,02±0,005 0,03±0,005

27-28 Е 6,01 ±0,71 4,11 ±0,51 5,21±0,73 5,91±0,58 3,58±0,17*

А 0,19±0,005 0,15±0,01 -0,15±0,015* 0,16±0,02 0,13±0,02*

18-19 Е 8,02*1,72 6,02±0,29 -3,25±0,58* 6,39±0,51 5,64±1,33

А 0,73±0,09 0,61 ±0,08 -0,83±0.07* 0.62±0,08 0,39±0,02*

27-28 согр. Е 6,78±0,96 5,01 ±0,89 -3,46±0,66* 5,46±0,64 3,81 ±0,37*

Л 0,28±0,02 0,25±0,02 -0,11 ±0,06 0,27±0,01 0,15±0,01

35-36 согр. Е 0,76±0,11 0,42±0,08 0,72±0,11 0,54±0,10 0,38±0,06

А 0,03±0.007 0,02±0,005 0,03±0,003 0,03±0,008 0,02±0,003

Примечание: * - достоверность различий по отношению к контролю оценивали по критерию Стьюдента при уровне значимости р<0,05

Ритмические колебания в сложных системах поддерживаются специальными механизмами (динамической сетью нейронов), математическое описание которых обычно проводится методами качественного анализа дифференциальных уравнений. С математической точки зрения, устойчивым колебаниям в динамической системе соответствует предельный цикл фазового пространства данной системы. При анализе механизмов генерации ритмической активности нервной системы было предложено два механизма возникновения предельных циклов (ЕгтегКгоШ В., 2005):

• бифуркация Хопфа;

• появление на фазовом портрете особой точки типа седло-узел.

Считается, что первый механизм имеет локальный характер, то есть цикл

рождается в точке бифуркации (фазовый портрет не меняется). А второй механизм имеет глобальный характер, так как является свойством фазового портрета, наличием особой точки седло-узел, вокруг которой и возникают колебания (Вопвуик А. й а1., 2005).

Эти модели используются для описания спайковой активности нейронов. Между характером спайковой активности нейронов и тета-ритмом существует определенная взаимосвязь. Поэтому эти модели могут быть применены для анализа тета-ритма. Одним из управляющих параметров, который может влиять на частоту тета-ритма, является постоянный ток, текущий через мембрану. Температурная зависимость этого тока может определять температурную зависимость частоты тета-ритма.

Вместе с тем, согласно классификации пирамидальных нейронов, предложенной Ходжкиным еще в 1952 году, существует два класса нейронов. Первый класс может генерировать спайки с различной частотой при изменении входного тока, и он имеет гладкую зависимость частоты импульсации от входного тока, а второй класс нейронов может генерировать спайки, только начиная с некоторой критической частоты, и поэтому зависимость частоты импульсации от входного тока имеет ступенчатый характер. В соответствии с этими двумя механизмами генерации спайков, первый класс нейронов называют сумматорами, а второй — резонаторами. Одни и те же нейроны могут в зависимости от условий функционировать как интеграторы, так и резонаторы или осцилляторы (РгевсоП Б., е! а1., 2008; Вогкошвк! Ь., 2012). Эти различия между нейронами обусловлены соотношением медленных и быстрых токов, текущих через мембрану. Причем входящие токи конкурируют с выходящими, а результат определяется как величинами этих токов, так и их кинетическими особенностями. Плавное смещение частоты тета-ритма при снижении температуры тела указывает на то, что генераторы этого ритма состоят из нейронов первого класса. По мере снижения температуры тела величина входных и выходных токов изменяется. Изменяются и кинетические характеристики этих токов. В конечном итоге частота уменьшается.

В настоящее время мы не можем сказать точно, каков механизм изменения спектра мощности ЭЭГ при гипотермии у крыс. Известно, что от температуры зависят все химические и физические процессы, в том числе и константы, которые используются при построении математических моделей колебаний в нервной системе. Резкое изменение спектра мощности при незначительном снижении температуры тела может быть связано с переходом нейронов, задающих ритм колебания, из класса один в класс два, то есть, из режима сумматора в режим резонатора. Смена механизма инициации спайков нейронов может произойти многими способами, как это следует из теоретического рассмотрения этих процессов Прескоттом и его сотрудниками (РгеБсой Б. е1 а1., 2008). Дальнейшие исследования должны прояснить функциональные и молекулярные механизмы изменения спектрального состава ЭЭГ при различных температурах мозга. 18

выводы

1. При снижении температуры тела спектр мощности ЭЭГ у крыс закономерно изменяется. При температуре тела 18-19°С ЭЭГ становится плоской (электрическое молчание). На разных этапах согревания спектр мощности ЭЭГ существенно отличается от спектра мощности при той же температуре тела в процессе охлаждения, что свидетельствует о наличии гистерезиса.

2. Снижение температуры тела на 2-3°С от исходной приводит к появлению доминирующей полосы спектра, соответствующей тета-ритму. При дальнейшем понижении температуры частота доминирующей полосы уменьшается линейно, с коэффициентом <310 в диапазоне 2,5-3,5. При согревании частота доминирующей полосы смещается в область высоких частот.

3. По мере снижения температуры тела распределение биопотенциалов на ЭЭГ отклоняется от нормального. При низких температурах распределение становится полимодальным. При согревании животного наблюдается обратный процесс. Изменение картины распределения биопотенциалов, возможно, отражает флуктуации числа и вида нейронов, вносящих вклад в ЭЭГ.

4. Введение осмотически активных веществ в разной степени увеличивает электрическую активность мозга крыс при низких температурах тела. При этом картина изменений распределения биопотенциалов на ЭЭГ сохраняется.

5. Введение ацетамида в дозе 3 мМ на 100 г веса тела существенно (в среднем, на 3°С) уменьшает температурный порог исчезновения ЭЭГ, а также значение эффективной энергии активации выше точки излома и позицию перегиба на графике Аррениуса, что свидетельствует о меньшей температурной зависимости процессов генерации ритмической активности мозга.

6. Ацетамид в отдельности и в сочетании с реополиглюкином статистически значимо и существенно снижают температуру восстановления электрической активности мозга при согревании, что позволяет судить об осмотически зависимом механизме гистерезиса в динамике ЭЭГ в цикле гипотермия-согревание.

Список работ, опубликованных по теме диссертации Статьи в ведущих научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Рабаданова, З.Г. Влияние ацетамида на электрическую активность мозга крыс при гипотермии / З.Г. Рабаданова, Р.Г. Абдурахманов, И.С. Мейланов // Северокавказский регион. Изв. высших учеб. зав. Ест. науки. — 2010. — Вып. 6. - С. 65-69.

2. Рабаданова, З.Г. Статистический анализ электроэнцефалограмм крыс при гипотермических состояниях / З.Г. Рабаданова, И.С. Мейланов // Вестник ДГУ, Ест. науки. - 2011. - Вып.1. - С. 113-120.

3. Рабаданова, З.Г. Влияние внутрибрюшинного введения сахарозы на электрическую активность мозга крыс при гипотермических состояниях / З.Г. Рабаданова, Р.Г. Абдурахманов, Н.К. Кличханов, Е.В. Пиняскина // Фундаментальные исследования. — 2014. - Вып. 12(1).— С. 141-144.

Статьи в сборниках материалов научных конференций и в тематических сборниках научных работ

4. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Спектральный анализ электроэнцефалограмм крыс при гипотермии / З.Г. Пашаева, Р.Г. Абдурахманов, М.К. Расулов, И.С. Мейланов // Вестник ДГУ, Естест. науки. - 2007. - Вып. 4. — С. 65-75.

5. Рабаданова, З.Г. Анализ ЭЭГ крыс при различных температурах тела / З.Г. Рабаданова, Р.Г. Абдурахманов, И.С. Мейланов, В.Г. Умарова // Матер, регион, научно-практ. конф. «Биология, экология и охрана окружающей среды». - Кизляр. - 2010. - С. 81-87.

6. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Спектральный анализ ЭЭГ крыс при гипотермии / З.Г. Пашаева, К. А. Джамалутдинова, И.С. Мейланов, Р.Г. Абдурахманов // Сб. тез. докл. ХН-я Пущинской школы-конференция. «Биология-наука молодых ученых XXI века». — Пущино. - 2010. - С. 165-166.

7. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Электрическая активность мозга крыс при гипотермии с введением адаптогенов и блокаторов ионных каналов / З.Г. Пашаева, Р.Г. Абдурахманов, И.С. Мейланов // Труды молодых ученых ДГУ. - Махачкала: ИПЦ ДГУ. - 2005. - С. 92-95.

8. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Статистический анализ ЭЭГ крыс при гипотермии на фоне введения реополиглкжина / И.С. Мейланов, Р.Г. Абдурахманов, З.Г. Пашаева // Труды Междунар. конф. «Современные проблемы адаптации и биоразнообразия». - Махачкала. -2006. - С. 133.

9. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Влияние введения ацетамида на частотные характеристики электрической активности мозга крыс при гипотермии / И.С. Мейланов, З.Г. Пашаева, Р.Г. Абдурахманов // Труды Междунар. науч.

конф. «Современные проблемы адаптации и биоразнообразия». -Махачкала. - 2006. - С. 134.

10. Пашаева (Рабаданова), З.Г. Влияние введения ацетамида на фоне введения реополиглюкина на электрическую активность мозга крыс при гипотермии / И.С. Мейланов, Р.Г. Абдурахманов, З.Г. Пашаева, З.М. Османова // Труды Междунар. науч. конф. «Современные проблемы адаптации и биоразнообразия». — Махачкала. — 2006. — С. 135.

11. Пашаева (Рабаданова). З.Г. Влияние различных доз ацетамида на статистические характеристики ЭЭГ крыс при гипотермии / Р.Г. Абдурахманов, З.Г. Пашаева, И.С. Мейланов// Сб. статей Междунар. конф. «Молекулярные механизмы адаптации». - Махачкала: ИПЦ ДГУ. — 2008. -С.79-81.

12. Рабаданова, З.Г. Влияние общей гипотермии на частотные характеристики ЭЭГ крыс / З.Г. Рабаданова, Р.Г. Абдурахманов, Н.К. Кпичханов // Всеросс. научно-практ. конф. «Закономерности распространения, воспроизведения и адаптации растений и животных». - Махачкала: ИПЦ ДГУ. - 2014. - С. 188191.

13. Рабаданова, З.Г. Эффект общей гипотермии на электрическую активность мозга крыс / З.Г. Рабаданова // Матер. 53-й Междунар. науч. студ. конф. МНСК-2015: «Медицина». - Новосибирск. -2015. - С. 25.

Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме» Усл. печ.л -1,5. Заказ № 995 Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии "Радуга-1" г. Махачкала, ул. Коркмасова, 11 "а"