Нейроны головного мозга сусликов адаптированы к низким температурам и полностью восстанавливают свое состояние при выходе из оцепенения [3]. Потенциальные возможности гомойотермных животных в этом отношении мало изучены. Известно, что при снижении температуры мозга биохимические и биофизические процессы, лежащие в основе биоэлектрогенеза, изменяются, индуцируя изменение частоты генерируемых колебаний электрического потенциала: по мере снижения температуры тела млекопитающих, электрическая активность мозга крыс снижается и при ректальной температуре ≈ 18–20 °С электроэнцефалограмма (ЭЭГ) становится плоской (изоэлектрической) [7, 8]. Основным критерием восстановления функций мозга у млекопитающих при воздействии гипотермии является способность нервных клеток к восстановлению электрической активности [3]. Опыты, проведенные в нашей лаборатории, дают основания предполагать, что глубокая гипотермия вызывает отёк мозга, так как температура мозга несколько отстает от ректальной температуры при согревании [1]. До настоящего времени число исследований влияния веществ, способных снимать отёк мозга крайне ограничено. В связи с этим представляется актуальным исследование ЭЭГ у млекопитающего (крысы) при различных гипотермических состояниях с введением вещества, обладающего осмотическим эффектом – сахарозы. В работе представлен спектральный анализ электроэнцефалограмм крыс при общей гипотермии с введением сахарозы.
Материалы и методы исследования
Опыты проведены на 15 белых беспородных крысах-самцах весом 140–180 г, содержавшихся на обычном рационе в условиях вивария. Все опыты проведены под тиопенталовым наркозом (40 мг/кг живого веса). Охлаждение животных производили посредством обкладки туловища полиэтиленовыми пакетами с битым льдом. Температуру тела измеряли с помощью ртутного термометра в прямой кишке. По достижении температуры, при которой ЭЭГ становится плоской (критическая температура), охлаждение прекращали и начинали согревание, подложив под тело животного грелку с теплой водой. Общее время охлаждения до ректальной температуры 20 °С составляло около 1,5 часа, время согревания до 36 °С составляло примерно столько же. При этих скоростях изменения температуры тела разность между температурой мозга и ректальной температурой составляет 0,5–1,0 °С. Регистрация ЭЭГ осуществлялась с помощью нихромовых (d = 0,3 мм) электродов, вживлённых в соматосенсорную область коры головного мозга (2–3 мм латеральней средней линии и 5 мм проксимальней брегмы). Сигнал с регистрирующих электродов через усилитель биопотенциалов УБП1-02 (полоса частот от 0 до 10 кГц) подавался на аналого-цифровой преобразователь L-780 фирмы L-Card (изготовитель Россия). Частота оцифровки 500 Гц. Время сбора данных 33 сек (16500 точек). Данные ЭЭГ обрабатывали в «STATISTICA 6», используя быстрое преобразование Фурье. Поскольку наркоз и низкие температуры подавляют высокочастотные колебания в спектре ЭЭГ, анализировали мощность колебаний в диапазоне частот от 0 до 15 Гц.
Результаты исследования и их обсуждение
Поскольку характер изменения энцефалограмм и спектральной плотности в динамике охлаждения и согревания имел идентичный характер на протяжении всей серии опытов (15 крыс), представляется возможным обсудить один из них. На рис. 1. показаны электроэнцефалограммы крысы в цикле гипотермия – согревание. При исходной температуре тела 36 °С регистрируется низкоамплитудная ЭЭГ. Введение сахарозы до начала охлаждения (рис. 1, вторая кривая сверху) привело к увеличению размаха колебаний. Начало гипотермии 34 °С этот процесс несколько усилил. Последующее охлаждение животного привело к закономерному подавлению электрической активности. При глубокой гипотермии ̴ 18–19 °С, ЭЭГ становится плоской т.н. электрическое молчание. Поскольку последующее снижение температуры резко увеличивал риск летального исхода, дальнейшее охлаждение животного не проводили.
Рис. 1. ЭЭГ крысы для различных температур тела при охлаждении и последующем согревании с введением сахарозы в дозе 3 мМ/100 г веса тела. Масштаб по вертикали 400 мкВ, по горизонтали – 1 с.
Рис. 2. Спектральные плотности ЭЭГ крысы при охлаждении и последующем согревании с введением сахарозы. По оси абсцисс – частота в Гц, по оси ординат спектральная плотность в процентах от общей плотности в диапазоне от 0 до 15 Гц.
На рис. 2 показана типичная картина частотного распределения спектральной плотности ЭЭГ крыс при общей гипотермии и последующем согревании. Первые две кривые до начала гипотермии несут общий характер. Подавляющая доля спектральной плотности приходится на диапазон частот от 0 до 9 Гц. Правда, в диапазоне частот, согласно общепринятой классификации, соответствующих тета-ритму [9], заметны интенсивные колебания. После введения сахарозы (рис. 1, 2, вторая кривая сверху) существенных изменений на ЭЭГ и ее спектральной плотности не наблюдается. При снижении температуры тела до 33 °С частота колебаний уменьшается, амплитуда увеличивается, и в спектре мощности ЭЭГ доминирует полоса тета-ритма. В дальнейшем при снижении температуры тела частота тета-ритма стремится к нулю. Изоэлектрической ЭЭГ стала при 19 °С.
Первые признаки электрической активности мозга возникают не при той же температуре тела, при которой она исчезла, а при более высокой ̴ 25. А значит, имеет место гистерезис. На рис. 2. видно, что восстановление электрической активности мозга при согревании сопровождается появлением полосы низких частот, которая при дальнейшем повышении температуры тела смещается в область высоких. И, наконец, при 36 °С спектр мощности имеет характерный вид гиперболического спада в область высоких частот. Эти данные согласуются с результатами нашей предыдущей работы [5]. Ведение сахарозы в дозе 3 мМоль/100 г веса тела не привело к снижению критической температуры.
Ранее нами было показано, что при гипотермии ЭЭГ у крыс становится плоской при температуре тела 19–18 °С [7]. Было также показано, что внутрибрюшинное введение мочевины в дозе 3 мМоль на 100 г веса тела снижает эту критическую температуру на несколько градусов [4]. Аналог мочевины ацетамид также снижает критическую температуру для ЭЭГ [6]. Механизм действия мочевины и ее аналогов не известен.
В настоящее время нет достаточно полной теории температурной зависимости электрической активности мозга. Одна из гипотез состоит в том, что ЭЭГ становится плоской из-за того, что в мозге развивается отёк нейронов, сокращение экстраклеточного пространства, и, как следствие, прекращение генерации биопотенциалов. Фактором, вызывающим развитие отека мозга является недостаток поступления кислорода и энергии АТФ, что может вызвать нарушение работы ионных насосов и избыточное поступление в клетку ионов Na+, что в свою очередь, вызывает повышение внутриклеточного осмотического давления и соответственно чрезмерное поступление в клетку воды. Добавление в кровь осмотически активных веществ, могло бы снять или предотвратить отёк нейронов и, тем самым, снизить критическую температуру для ЭЭГ. Отсутствие выраженного эффекта сахарозы на критическую температуру говорит о том, что мочевина и ацетамид действуют неким специфическим образом, а не только как осмотики. В отличие от других осмотиков (мочевины и ацетамида), сахароза не проникает через гематоэнцефалический барьер [2], этот 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. Однако 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). Возможно, этот эффект обусловлен осмотическими свойствами сахарозы, проявление которого требовало времени.
Таким образом, нами экспериментально показано, что гипотермия приводит к подавлению электрической активности мозга крыс, и индукции тета-ритма, частота которого уменьшается при снижении температуры тела, что, возможно, является ключевым фактором защитного действия при неблагоприятных для жизни условиях. Оценка целесообразности и эффективности применения сахарозы как осмолитика освещены недостаточно. У большинства исследователей нет сомнений в необходимости поддержания электролитного гомеостаза между клетками мозга и кровью, однако ответ на вопрос, каков механизм защитного действия осмолитиков, до сих пор не ясен. Поэтому исследования по влиянию моносахаров на температурную зависимость электрической активности мозга будут предметом наших дальнейших исследований.
Рецензенты:Омаров К.З., д.б.н., заведующий лабораторией зоологии животных, ФГБУН «Прикаспийский институт биологических ресурсов Дагестанского научного центра Российской академии наук», ГОУ ВПО «Дагестанский государственный университет», г. Махачкала;
Габибов М.М., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой анатомии, физиологии, гистологии ДГУ, ГОУ ВПО «Дагестанский государственный университет», г. Махачкала.
Работа поступила в редакцию 05.12.2014.