Система субсинаптических единиц межнейронных синапсов головного мозга в норме, при ишемических состояниях и в восстановительном периоде Степанов, Сергей Степанович

Введение к работе

Актуальность исследования. Межнейронные взаимоотношения в центральной нервной системе млекопитающих реализуются посредством специализированных для химической передачи нервного импульса межнейронпых контактов - синапсов. Синапсы формируются на теле и отростках нейронов в течение всей жизни организма. Потенциальная способность к образованию синапсов генетически детерминирована, максимально реализуется в созревающем и поврежденном мозге. Процессы формирования, функционирования и пластической реорганизации синапсов включают несколько последовательных этапов и происходят с участием компонентов пре- и постсинаптической мембран, парамембршшых скоплений синаптического цитоскелета и вещества синштгической щели - системы субсинаптиче-ских единиц (ССЕ), зависят от концапрации ионов Са ⁺, Na⁺, К⁺ в зоне контакта, аксо- и децлротока, состояшія биоэнергетических и биосинтетических процессов нейронов и глии. В зоне синапса посредством специфических рецепторов постешшгггической мембраны и вторичных мессецджеров осуществляется влияние на все стороны функционирования пост-сгаїаптического нейрона [Акмаев И. Г., 1992; Гомазков О. А_, 1993; Сотников О.С. и др., 1994;ШепердГ., 1987; GuldnerF.H., Phillips S. С, 1986; CalverleyR. К. S., Jones D.G., 1990].

За счет хорошо развитого синаптического цитоскелета синапсы обладают стабильной пространственной организацией, высокой пластичностью, являются ключевым местом коммуникации между нейронами и играют важнейшую роль в системной деятельности мозга как в составе функциональных, так и при формировании патологических систем мозга. ССЕ является составной частью синаптического цитоскелета и принимает участие в организации всех основных этапов транссинаптической передачи импульса [Крыжановский Г. Н., 1997; Geinisman Y., 1993,1996; Jones D.G.; Harris R.J., 1995]. Несмотря на значимость ССЕ в функционировании синапсов, ее роль в синагггической реактивности и пластичности щучена слабо. Особенно это касается интегрирующей роли ССЕ.

Показано, что любые физиологические и патологические атияния на мозг проявляются структурными изменениями на уровне синапсов, структурный гомеостаз поддерживается посредством постоянной реализации механизмов образования новых контактов, их созревания, трансформации активно функционирующих синапсов в гипертрофированные с последующей их реорганизацией в более сложные синаптические устройства. Активация мозга сопровождается усложнением пространственной организации синапсов, увеличением их эффективности, инактивация - упрощением организации нейропиля. Патологическое воздействие на мозг, несмотря на включение компенсаторных процессов, первоначально приводит к деструкции значительной части синапсов и образующих их нейронов, а затем - к выраженной стимуляции компенгаторно-восстановительшгх процессов преимущественно в зоне межнейронных контактов сохранившихся нейронов [Швалев В. Н. и др., 1992; Логвинов СВ. и др., 1994; Лютикова ТМ. и др., t996; Боголепов НН. и др., 1996; Guldner F. Н., Phillips S. С, 1986; Jones D.G., Calverley R.K., 1991; Jones D.G.; Harris R.J., 1995].

Высокая избирательная чувствительность синапсов к гипоксии и ишемии мозга послужила основанием целенаправленного исследования этих образований нейрона при изучении патогенеза постишемических повреждений и эпилептизации мозга. В результате получена подробная ультраструктурная характеристика сгаїапсов при различных ишемических состояниях мозга (Боголепов Н. Н., 1975; Ссмченко ВБ. и др., 1995, Geinisman Y., 1993; 1996]. Однако этих данных недостаточно для расшифровки глубинных общебиологических закономерностей реорганизации межнейронных взаимоотношений в постшлемическом периоде и при эпилептизации мозга. Отсутствует достаточно полно сформулированная общая теория функциоіпфовашга синапсов как автономных функциональных систем. Окончатель-

но не установлена роль ССЕ как системообразующего фактора синапсов. Не ясна роль ССЕ в механизмах пластической реорганизации синапсов при ишемии и в постишемическом периоде.

Дня ответа на эти и многие другие вопросы представляется важным детальное мор-фометрическос исследование ССЕ синапсов головного мозга в норме, при различных ише-мических состояниях и в восстановительном периоде. Необходима сравнительная характеристика формы и размеров ССЕ различной степени сложности, их количества в различных отделах мозга. Исследования ССЕ подобного рода отсутствуют, но они необходимы для оп-ределегам структурной базы молекулярного действия медиаторов на нейронные рецепторы, ионселекшвные Na⁺, К⁺, Са¹⁺-каналы и комплекс ионных насосов, лежащих в основе шгге-гративио-пусковой деятельности мозга, реализации поведенческих реакций, высших функций мозга в норме и при ностишемической патологии. Определешге места ССЕ в синаптиче-ской пластичности позволит целенаправленно воздействовать на механизмы реорганизации межнейроиных взаимоотношеншт.

Цель и задачи исследования. Изучить закономерности структурно-функциональной реорганизации системы субсинаптических единиц межнейронных синапсов головного мозга в норме, при ишемических состояниях и в восстановительном периоде для определении ее роли в реактивности и пластичности синапсов. Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ системы субсинаптических единиц синапсов I, Ш, IV и V слоев соматосенсорной коры большого мозга, молекулярного слоя коры мозжечка, сектора САз гиппокампа, вентробазальных ядер талямуса, миндалины контрольных крыс и коры большого мозга человека в норме.

2. Провести сравнительный анализ изменений системы субсинаптических единиц синапсов I, Ш, IV и V слоев соматосенсорной коры белых крыс при ишемических состояниях и в восстановительном периоде.

3. Провести сравнительный анализ изменений системы субсинаптических единиц синапсов молекулярного слоя соматосенсорной коры, мозжечка и Еентробазальньтхядер талямуса белых крыс при ишемических состояниях и в восстановительном периоде.

4. Изучить щтгоархитектонику соматосенсорной коры, вентробазальных ядер талямуса, коры мозжечка белых крыс в различные сроки после кратковременной тотальной ишемии мозга.

5. Определить особенности реактивных и пластических изменений системы суб-синагпических единиц синапсов и изменения синагггоархіггектоникн соматосенсорной коры большого мозга белых крыс и височной коры человека в процессе увеличения судорожной готовности мозга.

6. Провести сравнительный количественный анализ реактивных и пластических изменений системы субсинаптических единиц синапсов мозга белых крыс и человека.

Научная новизна. В настоящей работе впервые дана сравнительная развернутая характеристика ССЕ синапсов головного мозга белых крыс и человека в норме, при ишемических состояниях и в восстановительном периоде. Раскрыты структурные механизмы, лежащие в основе реактивной и пластической реорганизации ССЕ синапсов и представлены новые данные о сшиптической пластичности и регуляции структурного гомеостаза на уровне синапсов. В частности, установлено, что плотные проекции (ПП), образующие пресинап-тическую решетку, и постсинаптическое уплотнение (ПСУ) необходимо рассматривать как едшгую систему со всеми особенностям!, присущими вігутрисистемньїм взаимоотношениям. Физиологические и реактивные пространственные изменения синапсов зависят от организации ССЕ. Синапсы, обладающие различным объемом ССЕ, имеют различную термодинами-

ческую устойчивость, отличаются степенью чувствительностью к ишемии и вариабельностью пространствешюй рекомбинации в постишемическом периоде.

Впервые дана сравнительная характеристика структурных изменеїшй ССЕ межнейронных контактов различных отделов мозга в процессе деструкции и элиминации синапсов, образования незрелых межнейроиных контактов, их созревания, дифференцировки, стабилизации и функционирования (гипертрофия и расщепление на автономные контакты), реорганизации сохранившихся и вновь образованных межнейроиных коїггакгов в динамике пости-шемического периода в различных отделах головного мозга. Показано, что все эти процессы находятся в динамическом равновесии и зависят от организации ССЕ. В постишемическом периоде равновесие между различными формами синапсов смещается в сторону активации большей часта контактов сшштической популяции сохранившихся функционирующих нейронов. ССЕ этих синапсов гипертрофируется, затем расщепляется сначала гипертрофированная ССЕ и только посте этого - синапс в целом. В результате происходит усложнение пространствеїшой организации синаптического устройства по кошзергентному или дивер-геїгпюму типу и образование более мелких автономных синапсов. Увеличеше содержания синапсов с гипертрофированной и перфорированной ССЕ, сложных сшіаптических устройств является структурным проявлением реорганизации межнейроїшьіх взаимоотношешш в постишемическом периоде. Степень этой реорганизации отличается в различных отделах мозга.

Установлено, что для постишемической активации синапсов и активации синапсов при эпилепгизации мозга характерно сходство пространственной реорганизации ССЕ и синаптического устройства в целом. Активно футкщіоїшрующий синапс в силу особенностей организации ССЕ является нестабильной структурой, посредством реорганизации которой реализуются высокие атастические возможности нейрона.

Впервые для постишемического периода выявлено, что, несмотря на особенности струтегурно-функциональной реорганизации ССЕ синапсов различных отделов мозга, общебиологические закономерности синаптической пластичности направлены, в конечном итоге, на восстановление площади синаптических связей контакпфующігх нейроноз за счет процессов гиперплазии и рекомбинации ССЕ. Это и определяет особенности реабилитации ин-тегративно-пусковой деятельности мозга в іюстишемическом периоде.

На основашш полученных результатов предложена концепция "субсинаггпяеекой интегрирующей системы синапса".

Теоретическое и практическое значение. Сравнительные катичесгвенные исследования ССЕ синапсов различных отделов мозга в норме, при ишемических состояштях и восстановительном периоде, проведенные в настоящей работе, существенным образом расширили представления о структурнс-функциональных механизмах реактивности и пластичности химических синапсов. Разработаны теоретические положения, совокупность которых является новым достижением в развитии сітаптологии. Расшифровка реактивных и пластических механизмов мозга на уровне синапсов служит фундаментальной базой для целенаправленного изыскания способов регуляции функций мозга, разработки патогенетичееки обоснованной профилактики и терапии постгапоксических энцефалопатии, стимуляции компенсаторно-восстановительных процессов.

Предложенная теоретическая концепция «субсинаптической интегріфуюіцей системы синапса» позволяет объяснить ведущие механизмы структурно-функциональных реактивных и гаїастических перестроек сішапсов, выявленных при изучении ишемических и по-стишемических состояний мозга. С позиций данной концепции убедительно трактуются избирательная элиминация мелких контактов и устойчивость крупных контактов, механизмы появления разгагчных типов искривления плоскости контактов, реоргаїпгзация ССЕ и синап-

сов в целом, тсрмодшимичсская целесообразность реорганизации пшертрофированпых коїггакгов, большая эффективность гипертрофированных и перфорированных коїггактов, закономерности активации механизмов пластической реорганизации межнейронных взаимоотношений в пссгашемическом периоде. Поэтому использование основных положений данной концепции может послужить базой для создания нового направления в изучении межнейронных взаимоотношений в цешралыюй нервной системе в норме, при экстремальных состояниях и в восстановительном периоде.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на республиканской научной конференции "Морфологические науки практической медицине и биологии" (Омск, 1986), II Всероссийском съезде анатомов, гистологов и эмбриологов (Москва, 1988), учредительном конгрессе международного общества патофшиологов (Москва, 1991), научію-пракшческой конференции (Тюмень, 1991), симпозиумах и конференциях НИИ мозга РАМН (Москва, 1987, 1988, 1990, 1992), научно-практической конференции НИИ общей реаниматологии РАМН (Москва, 1992), конференции кафедры гистологии и эмбриологии Омской медицинской академии (Омск, 1992), заседании проблемной комиссии 'Экстремальные и терминальные состояния" (Омск, 1992), республиканской научной конференции (Омск, 1993), конференции кафедры неврологии и нейрохирургии Омской медицинской академии (Омск, 1993), международном симпозиуме, посвященном 85-летгао академика РАМН ВАБеговского (Москва, 1994), Ш съезде анатомов, гистологов и эмбриологов РФ (Тюмень, 1994), II нейрогистологической конференции, посвященной памяти чл.-корр. АН и АМН СССР НГЛСолосова (Сашсг-Петербург, 1994), международном симпозиуме ¹¹Фшиолого-биохимические основы жизнедеятельности мозга" (Санкт-Петербург, 1994), I Российском конгрессе по патофизиологии (Москва, 1996), Ш междунар. конф. по функциональной нейроморфологии, посвященной 100-летию со дня рождения чл.-корр. АН и АМН СССР НГХолссова (Санкт-Петербург, 1997), Ш съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, сентябрь, 1997), международном симпозиуме, посвященном 90-летиго академика В АНеговского (Москва, 1999).