Функциональная активность нейронов ствола мозга в ответ на аффер

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ им. И.П.ПАВЛОВА

На правах рукописи

ОШАРИНА ВИКТОРИЯ ВИКТОРОВНА

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ НЕЙРОНОВ СТВОЛА МОЗГА В ОТВЕТ НА АФФЕРЕНТНУЮ ВИСЦЕРАЛЬНУЮ И СОМАТИЧЕСКУЮ СТИМУЛЯЦИЮ

Специальность: 03.00.13 — ФИЗИОЛОГИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Санкт-Петербург

2007 г.

Работа выполнена в лаборатории кортико-висцеральной физиологии Института физиологии И.П.Павлова РАН

Научные руководители:

профессор, доктор биологических наук В.А.Багаев

доктор биологических наук С.С.Пантелеев

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук В.Г.Александров, Санкт-Петербургский педагогический Университет им.А.И.Герцена

доктор биологических наук Н.Г.Камышев, Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН

Ведущая организация:

Санкт-Петербургская педиатрическая медицинская академия

Защита диссертации состоится «23» апреля 2007 г. в час. на заседании Диссертационного Совета К 002.020.01 в Институте физиологии им.И.П.Павлова РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии им.И.П.Павлова РАН

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Известно, что одним из основных источников поступления висцеросенсорных импульсов от рецепторов внутренних органов в центральную нервную систему являются афферентные волокна блуждающего нерва, которые оканчиваются в ядре одиночного тракта. Ядро одиночного тракта рассматривается как афферентное звено в системе многочисленных висцеральных рефлексов, а также как первое передаточное звено на пути висцеральных импульсов к вышележащим структурам мозга, в том числе и к парабрахиальным ядрам (Ноздрачев, 1983; Багаев и др., 1997; 2000).

Известно, что высшие структуры мозга могут не только контролировать деятельность внутренних органов, но и функции этих структур могут модулироваться восходящей висцеросенсорной информацией, поступающей от внутренних органов (Александров и др., 1996; 2000; Любашина и др., 2000; 2002; Bernston et al., 2003; Пантелеев и др., 2004). Идея о влиянии восходящей висцеральной информации на высшие функции мозга получила свое развитие в ряде современных исследований, в том числе и в нашей лаборатории под руководством В.А.Багаева (Александров и др., 1996; 2000; Любашина и др., 2000; 2002; Cameron, 2002; Morris, 2002; Пантелеев и др., 2004). В 1985 году на собаках было продемонстрировано, что продолжительная электрическая стимуляция блуждающего нерва уменьшает судорожные приступы и оказывает превентивное действие на возникновение корковых эпилептиформных разрядов в ЭЭГ (Zabarra, 1992). Клинические данные (с 1994 года) показали эффективность хронической стимуляции блуждающего нерва при лечении медикаментозно устойчивых и неоперабельных форм эпилепсии (George et al., 2003). Эффективность стимуляции определяется активацией висцеросенсорных путей и модулирующим влиянием этой активации на функции эпилептогенных структур мозга (гиппокамп, миндалина). Минимизация побочных эффектов стимуляции (нарушения дыхания, сердечного ритма и т.п.) в значительной степени зависит от правильного выбора параметров стимуляции (Héberlé et al., 2002; Zaaimi et al.), которые в настоящее время определяются по субъективным критериям, основанным на личном опыте лечащего врача и вербальных оценках пациента (Groves, Brown, 2005). В связи с этим, остается актуальной необходимость выяснения путей и механизмов лечебного действия стимуляции блуждающего нерва (Schachter and Saper, 1998). Одним из методических подходов к их изучению может служить анализ изменений характеристик гетерохроматина с целью определения активации генома нейронов, вовлеченных в реализацию ваго-вагальных рефлексов и в проведение висцеросенсорных импульсов. Анализ экспрессии c-fos генов раннего действия в ответ на раздражение нерва позволит выявить участие именно этих генов в процессе передачи информации по афферентным волокнам блуждающего и большеберцового нервов, а так же позволит определить локализацию нейронов, активированных стимуляцией.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы, выполненной в рамках плановых исследований лаборатории кортико-висцеральной физиологии Института физиологии им. И.П.Павлова, являлось сравнительное изучение влияния стимуляции афферентных волокон блуждающего и большеберцового нервов на функциональную активность нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра, а также изучение сопутствующих стимуляции рефлекторных реакций висцеральных систем.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

С использованием электрофизиологических методов изучить рефлекторные реакции желудка, сердца и дыхательной системы в ответ на стимуляцию центрального отрезка блуждающего нерва импульсами разной частоты.

С использованием цитогенетического метода изучить изменение характеристик интерфазного гетерохроматина в нейронах ядра одиночного тракта в ответ на стимуляцию центрального отрезка блуждающего нерва.

С использованием иммуногистохимического метода провести сравнительное изучение пространственной локализации нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра, экспрессирующих c-Fos в ответ на стимуляцию центральных отрезков блуждающего и большеберцового нервов.

Научная новизна. Приоритетными являются результаты электрофизиологических экспериментов, в которых показано, что стимуляция блуждающего нерва вызывает тормозные ответы висцеральных систем (релаксация желудка, брадикардия, диспноэ) и рассогласование в работе сердечной и дыхательной систем. Дискоординация кардиореспираторной деятельности отражается в нарушении дыхательной синусной аритмии и снижении коэффициента корреляции между частотой дыхания и R-R интервалами ЭКГ. Причем, изменение частоты следования стимулирующих импульсов с 1 Гц до 10 Гц усиливает все тормозные эффекты висцеральных систем вплоть до остановки дыхания.

Впервые показано, что стимуляция центрального отрезка блуждающего нерва (10 Гц) сопровождается снижением общей площади гетерохроматина в ядрах нейронов области ядра одиночного тракта и смещением массы хромоцентров к мембране ядер этих нейронов. Подобное изменение характеристик гетерохроматина свидетельствует об активации генома нейронов исследованной области мозга при данной частоте стимуляции.

Впервые выполнено цитогенетическое исследование функциональной активности нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра в ответ на стимуляцию висцерального и соматического нервов. Продемонстрировано количество и пространственная локализация нейронов экспрессирующих с-Fos в ответ на стимуляцию соответствующих нервов в указанных ядрах. Стимуляция блуждающего и большеберцового нервов активирует нейроны висцеральных и соматических зон, соответственно. Кроме того, показано, что в вентролатеральных подъядрах ядра одиночного тракта имеет место сомато-висцеральное перекрытие. В парабрахиальном ядре такого перекрытия не наблюдается. Продемонстрировано, что стимуляция обоих нервов сопровождается активацией экспрессии генов раннего действия (c-fos) в подъядрах ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты, полученные в электрофизиологической серии опытов, могут быть использованы для подбора оптимальных параметров стимуляции блуждающего нерва с целью повышения эффективности лечения и снижения риска возникновения побочных эффектов при лечении эпилепсии, как в экспериментальных условиях, так и в клинической практике.

Полученные данные об изменении характеристик гетерохроматина (дегетерохроматизация) и об усилении экспрессии c-Fos в нейронах ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра в ответ на афферентную висцеральную стимуляцию свидетельствуют об активации генома и генов раннего действия, в частности, c-fos, при данном виде стимуляции. Это представляет существенный интерес для понимания общих принципов передачи висцеросенсорной информации к структурам переднего мозга и может быть использовано для разработки физиологической основы применения стимуляции блуждающего нерва в лечебных целях.

Апробация материалов диссертации. Результаты работы были представлены на 6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология – наука 21 века» (Пущино, 2002); на 5-й Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2002); на юбилейной конференции, посвященной 50-летию со дня основания Института физиологии Национальной Академии Наук Беларуси (Минск, 2003); на III Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 175-летию со дня рождения Ф.В.Овсянникова «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2003); на XVI национальном анатомическом конгрессе с международным участием (София, Болгария, 2003); на Всероссийской конференции молодых исследователей «Физиология и медицина» (Санкт-Петербург, 2005); на IX конференции «Стресс и поведение» (Санкт-Петербург, 2005); на конференции C.I.A.N.S (Братислава, Словакия, 2005); на 4-м конгрессе ISAN (Марсель, Франция, 2005); на 4-й Всероссийской конференции с международным участием Института физиологии им.И.П.Павлова (Санкт-Петербург, 2005); на Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 80-летию А.М.Уголева (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ (из них 2 статьи) в отечественной и зарубежной печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы, в которой представлены основные методические приемы, использованные в работе, трех глав с изложением экспериментальных результатов, обсуждения, выводов и списка литературы. Работа содержит 148 страниц. Из них – 28 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 333 источника: 44 отечественных и 289 зарубежных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа выполнена на наркотизированных уретаном (1,3 — 1,5 г/кг, в/б) крысах линии Wistar (n=23) и Sprague-Dawley (n=35) массой 240 – 300 г. Мы проводили регистрацию моторных реакций желудка, изменений частоты сердечных сокращений и электромиографических реакций диафрагмальных мышц. Сигналы от регистрирующих электродов, расположенных в полости желудка, под куполом диафрагмы и на конечностях, после необходимого усиления, подавались на аналого-цифровой преобразователь (Neuro Phore BH-2 system, USA) и вводились в компьютер в режиме реального времени с помощью программ Spike 2 (CED, Великобритания). Статистическая обработка всех полученных данных осуществлялась с использованием программных пакетов Statgraphycs Plus, Origin 7.0, MatLab 6.5.

В электрофизиологической серии опытов оперативное вмешательство включало в себя трахеотомию, перерезку левого блуждающего нерва, перевязку пищевода и введение катетера в желудок через отверстие в 12-перстной кишке, наложение электрода под купол диафрагмы. На конечностях животных закреплялись электроды для записи ЭКГ. Стимуляция блуждающего нерва осуществлялась током силой 300-330 мкА, частотой следования импульсов 1 Гц и 10 Гц. В следующем режиме: 10 с стимуляция/ 10 мин покой, 10 реализаций.

В иммуногистохимической серии экспериментов животные были разделены на 6 групп (n=5 в каждой группе): контроль без какого-либо воздействия, оперативное вмешательство на блуждающем и большеберцовом нервах без их стимуляции, оперативное вмешательство со стимуляцией большеберцового нерва, оперативное вмешательство со стимуляцией блуждающего нерва импульсами разной частоты (1 Гц и 10 Гц). Параметры стимуляции блуждающего нерва те же, что и в предыдущей серии опытов. Параметры стимуляции большеберцового нерва: 300-330 мкА, 5 Гц. Режим стимуляции: 10 с стимуляция/ 10 мин покой, 10 реализаций. Операция состояла в препаровке соответствующего нерва и фиксации баллона на грудной клетке для регистрации дыхательных движений. Через 2,5 часа от начала эксперимента проводили транскардиальную перфузию 4% параформальдегидом. Изъятый мозг подвергался обработке по стандартной иммуногистохимической технике (Hsu et al., 1981). Подсчет количества c-Fos-иммунореактивных нейронов на срезах мозга проводили в программном пакете ImageTool 3.0. Для определения границ подъядер и их пространственного расположения мы использовали атлас мозга крысы (Paxinos, Watson, 1998).

В опытах по изучению изменений характеристик гетерохроматина в ответ на стимуляцию блуждающего нерва все животные были разделены на три группы: контроль без какого-либо воздействия (n=8), оперативное вмешательство на блуждающем нерве без стимуляции (n=7) и оперативное вмешательство на блуждающем нерве с его стимуляцией (n=8). Блуждающий нерв стимулировали по схеме: 2 мин стимул/ 2 мин покой. Ткань мозга изымали в области ваго-солитарного комплекса (согласно данным атласа мозга крысы, Paxinos et al., 1998). С целью выявления гетерохроматиноых участков хромосом препараты интерфазных ядер (n=150 в группе) окрашивались по методу дифференциального С-окрашивания (Sumner, 1972). Для обработки, накопления и статистического анализа полученных результатов использовали информационную систему для компьютерного анализа изображений, разработанную К.Н.Дудкиным (Дудкин и др., 1999).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Влияние электрической стимуляции блуждающего нерва на функции желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой и дыхательной систем.

В ходе экспериментов получено и проанализировано 58 реализаций желудочных, диафрагмальных и сердечных ответов, из них 27 – при стимуляции нерва частотой следования импульсов 1 Гц и 31 – 10 Гц.

При стимуляции нерва импульсами с частотой следования 1 Гц падение внутрижелудочного давления (ВЖД) составляет 52 ± 3% от фонового уровня (p<0,05). Время до наступления максимального уровня падения ВЖД составляло в среднем 11,5 ± 0,3 с и время восстановления ВЖД было 61,5 ± 8,5 с. Стимуляция блуждающего нерва (1 Гц) сопровождается снижением частоты сердечных сокращений (ЧСС) во время стимуляции (9,2 ± 0,8% по отношению к исходной частоте, p<0,05), причем наибольший R-R интервал наблюдался приблизительно через 9 секунд от начала стимуляции. Кроме того, наблюдается тенденция к уменьшению частоты дыхания (ЧД) во время стимуляции нерва (примерно на 10 % по отношению к исходной ЧД).

Увеличение частоты следования импульсов до 10 Гц сопровождается более значительным падением ВЖД по сравнению с группой со стимуляцией блуждающего нерва частотой следования импульсов 1 Гц (76 ± 5%, p<0,05), время достижения максимального падения составляет 16,8 ± 3,3 с и время полного восстановления ВЖД - 212,5 ±22,3 с. Снижение ЧСС составляет 31 ± 2% (p<0,05 по отношению к исходной частоте и к группе со стимуляцией блуждающего нерва частотой следования импульсов 1 Гц). При этом максимальный R-R интервал наблюдается примерно через 3 секунды. При данной частоте стимуляции более всего страдает дыхательная система, что проявляется в остановке дыхания в период стимуляции нерва (в 28 случаях из 31, p<0,05). По окончании стимуляции ЧСС и ЧД возвращаются к исходным значениям.

Нами впервые выполнена оценка изменения корреляционных отношений между ЧД и R-R интервалами ЭКГ при стимуляции блуждающего нерва импульсами частотой следования 1 Гц и 10 Гц (рис.1). Показано снижение коэффициента корреляции между работой сердца и дыхательной системы во время стимуляции нерва. Степень выраженности изменений корреляционных отношений усиливается с увеличением частоты следования стимулирующих импульсов.

Рис.1. Изменения кардиореспираторной активности при стимуляции блуждающего нерва импульсами частотой 1 Гц (слева) и 10 Гц (справа): а) огибающая сигнала диафрагмы, б) изменения интервала R-R электрокардиограммы, в) синхронограмма, г) кривая изменения коэффициента корреляции между а) и б). Черта под кривыми – отметка стимуляции.

Влияние электрической стимуляции блуждающего нерва на характеристики интерфазного гетерохроматина

Целью этой серии экспериментов было определение изменений характеристик гетерохроматина (площадь, количество и распределение в ядре) в ответ на стимуляцию блуждающего нерва (рис.2).

В контрольной группе животных площадь гетерохроматина в ядре одиночного тракта составляла 4,69±0,10 мкм, количество хромоцентров в ядре было 16,4±0,7. Основная масса хромоцентров располагалась в непосредственной близости с условным центром ядра (Дудкин и др., 1999). Оперативное вмешательство сопровождалось уменьшением количества хромоцентров в ядре до 13,9±0,7 (p<0,05) при сохранении площади гетерохроматина (4,68±0,10), то есть происходила агрегация хромоцентров. При стимуляции блуждающего нерва мы наблюдали дезагрегацию хромоцентров (их количество в ядре - 15,9±0,7) с уменьшением площади гетерохроматина в ядре (4,33±0,11, p<0,05). При анализе пространственной локализации хромоцентров было показано их смещение от условного центра ядра к периферии (к мембране ядра).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.2. Схематическое представление перераспределения гетерохроматина в ядре нейрона у животных контрольной (а), оперированной без стимуляции нерва (б) и оперированной со стимуляцией нерва (в) групп.

Влияние электрической стимуляции блуждающего и большеберцового нервов на c-Fos иммунореактивность нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра

Целью иммуногистохимических исследований было определение уровня экспрессии генов раннего действия (c-fos) и локализации c-Fos позитивных нейронов в пределах подъядер ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра, активированных стимуляцией блуждающего и большеберцового нервов (рис.3). В ядре одиночного тракта мы различали следующие группы подъядер: 1) медиальное и интермедиальное (m+im), 2) комиссуральное (com), 3) дорсомедиальное и желатинозное (dm+g), 4) вентролатеральное (vl) на трех рострокаудальных уровнях (задвижка — obex, ареа пострема – area postrema, IV желудочек – IV ventriculus). Парабрахиальное ядро было разделено на следующие группы подъядер: 1) наружное, центральное, серповидное латеральные (LPBE/C/Cr), 2) дорсолатеральное (LPBD), 3) вентролатеральное и waist area (LPBV/W), 4) медиальное (MPB) на двух рострокаудальных уровнях (мост – pons и средний мозг — mesencephalon).

Операции на блуждающем и большеберцовом нервах вызывают билатеральное увеличение экспрессии c-Fos во всех подъядрах ядра одиночного тракта на всем рострокаудальном протяжении. Как правило, хирургическое вмешательство на соматическом нерве вызывает более выраженную экспрессию c-Fos, чем перерезка висцерального нерва, за исключением некоторых областей (dm+g и com), где наблюдалась противоположная картина. В нейронах парабрахиального ядра ваготомия сопровождается билатеральным усилением экспрессии c-Fos в MPB на уровне среднего мозга. Оперативное вмешательство на большеберцовом нерве сопровождается экспрессией c-Fos во всех подъядрах парабрахиального ядра билатерально, за исключением LPBV/W.

Стимуляция блуждающего нерва импульсами частотой 1 имп/сек не вызывает достоверного (относительно оперированной группы) усиления экспрессии c-Fos в подъядрах ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра. При увеличении частоты стимулирующих импульсов до 10 Гц резкое билатеральное усиление экспрессии c-Fos с ипсилатеральным доминированием в com, dm+g, m+im и vl подъядрах на уровне obex и area postrema. В парабрахиальном ядре билатеральное увеличение экспрессии c-Fos обнаружено во всех его подъядрах, за исключением LPBD и LPBV/W, так же с ипсилатеральным преобладанием (рис.3).

SHAPE \* MERGEFORMAT

Рис.3. Схема распределения c-Fos позитивных нейронов в ядре одиночного тракта и в парабрахиальном ядре. Л – левая и П – правая сторона. Цифры – усредненное количество c-Fos позитивных клеток. Треугольники – локализация c-Fos меченых клеток в пределах ядер. Овальное окно – ипсилатеральное доминирование экспрессии c-Fos (к оперированной группе).

Стимуляция большеберцового нерва вызывает билатеральное усиление с-Fos экспрессии в vl на уровнях area postrema и IV желудочка мозга. В ипсилатеральных LPBD и LPBV подъядрах парабрахиального ядра стимуляция соматического нерва вызывает снижение с-Fos экспрессии (рис.3).

Экспрессия c-Fos на уровне obex и area postrema более выражена (количественно) в ответ на висцеральную стимуляцию (блуждающий нерв). Экспрессия c-Fos в vl подъядрах на уровне area postrema и 4 желудочка мозга преобладает в ответ на соматическую стимуляцию.

В парабрахиальном ядре количество c-Fos позитивных клеток значительно больше при стимуляции соматического нерва в LPBE/C/Cr подъядрах правого парабрахиального ядра и билатерально — в LPBD подъядрах. В MPB подъядрах парабрахиального ядра превалирует c-Fos экспрессия в ответ на стимуляцию блуждающего нерва.

ОБСУЖДЕНИЕ

Основной целью настоящей работы является определение оптимальных для вызова висцеральных реакций параметров стимуляции блуждающего нерва и степень вовлечения генома нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра в процессы передачи афферентной соматической и висцеральной информации.

Нами, как и другими исследователями, показано падение ВЖД при электрическом раздражении блуждающего нерва, что может рассматриваться как компонент физиологической адаптивной релаксации (Jahnberg, 1977; Abrahamsson et al., 1973; 1986; Багаев и др., 1997) с участием нейронов вагосолитарного комплекса и местных возбуждающих и тормозных механизмов метасимпатической нервной системы (Desai et al., 1991; Ноздрачев, 1989; 1991).

Стимуляция блуждающего нерва импульсами с частотой следования 1 Гц и 10 Гц вызывает уменьшение ЧСС. С увеличением частоты стимулирующих импульсов ЧСС значительно снижается (усиление брадикардии) и в ЭКГ наблюдается увеличение интервалов R-R. По-видимому, эти эффекты стимуляции (отрицательный хронотропный эффект) можно объяснить нарушениями в проведении возбуждения по проводящей системе сердца (Cheng et al., 2000; Brack et al., 2004).

Стимуляция блуждающего нерва импульсами частотой следования 1 Гц сопровождается незначительным нарушением дыхания в виде диспноэ. Увеличение частоты стимуляции нерва до 10 Гц сопровождается существенным замедлением ЧД вплоть до его остановки. Возможно, это объясняется торможением активности инспираторных нейронов дорсального дыхательного центра, расположенного в области ядра одиночного тракта, импульсацией приходящей по афферентным волокнам блуждающего нерва (von Euler, 1986; Feldman et al., 1986; 2003). Аналогичные нарушения дыхания наблюдаются в клинике при стимуляции блуждающего нерва при лечении эпилепсии (Iriarte et al., 2001; Charous et al., 2001; Héberlé et al., 2002; Zaaimi et al., 2005). Нами впервые показано нарушение дыхательной синусной аритмии при стимуляции блуждающего нерва, что свидетельствует о дискоординации работы сердца и дыхательной системы. Дискоординация кардиореспираторной деятельности становится более выраженной при увеличении частоты стимулирующих импульсов до 10 Гц.

Полученные нами висцеральные ответы на стимуляцию блуждающего нерва являются побочными эффектами этой стимуляции (нарушение сердечной деятельности и дыхания), которые часто встречаются в клинической практике и могут снижать эффективность лечения и, кроме того, приводить к летальному исходу (Héberlé et al., 2002; Zaaimi et al., 2005). На основании наших данных мы предполагаем, что наиболее эффективным способом подбора параметров стимуляции, оптимальных, с точки зрения лечебного действия (активация висцеросенсорных путей) и минимума побочных эффектов, может быть их оптимизация по частоте следования стимулирующих импульсов (Osharina et al., 2006). Эти данные, безусловно, требуют дополнительных исследований.

С целью экспериментального подтверждения вовлечения генома нейронов ядра одиночного тракта в реализацию ваго-вагальных рефлексов мы провели серию экспериментов по изучению изменений характеристик гетерохроматина в нейронах этого ядра в ответ на стимуляцию центрального отрезка блуждающего нерва. Нами впервые показано, что стимуляция блуждающего нерва сопровождается уменьшением площади гетерохроматина и смещением хромоцентров к периферии ядра клеток (Ошарина и др., 2004). Наблюдается не только перераспределение гетерохроматина в пределах ядра нейрона, но и истинное уменьшение его площади. Это позволяет предположить, что геном нейрона участвует в реализации ваго-вагальных рефлексов и в проведении висцеросенсорной информации. Из литературных источников известно, что эпилептиформная активность приводит к конденсации хроматина (гетерохроматизации) (Schulze-Bonhage et al., 1995). Можно предположить, что дегетерохроматизация, возникающая в ответ на стимуляцию блуждающего нерва, может лежать в основе механизмов лечебного действия этой стимуляции. Эти предположения, безусловно, требуют дополнительных исследований.

Далее мы провели серию опытов по изучению экспрессии c-Fos в нейронах ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра в ответ на раздражение блуждающего и большеберцового нервов. Этот методический подход позволил нам выяснить происходит ли активация генов раннего действия c-fos при активации генома нейронов в ответ на стимуляцию и в каких подъядрах исследованных структур ствола мозга локализуются активированные нейроны.

Нами показано, что оперативное вмешательство, как на висцеральном, так и на соматическом нервах сопровождается билатеральной активацией одних и тех же подъядер ядра одиночного тракта – область сомато-висцеральной конвергенции. Нейроны парабрахиального ядра более чувствительны к оперативному вмешательству на соматическом нерве, что, вероятно, связано с различными путями проведения соматической и висцеральной афферентной информации и, в частности, с наличием прямых связей латеральных подъядер парабрахиального ядра со спинномозговыми нейронами (Cechetto et al., 1985; Bernard et al., 1995; Feil and Herbert, 1995).

Для оценки влияния стимуляции блуждающего и большеберцового нервов на экспрессию с-Fos мы сопоставляли количество нейронов, активированных после операции, с их количеством после стимуляции соответствующего нерва. В результате выявлено, что стимуляция блуждающего нерва импульсами частотой 1 Гц не вызывает усиления экспрессии c-Fos в ядре одиночного тракта. То есть, при данной частоте стимуляции активируются дуги висцеральных рефлексов (изменения в работе сердца и желудка) без активации генома нейронов ядра одиночного тракта.

Увеличение частоты стимулирующих импульсов до 10 Гц сопровождается усилением экспрессии с-Fos в нейронах m+im, com, dm+g, vl подъядер ядра одиночного тракта, что обусловлено присутствием в них афферентных терминалей блуждающего нерва, проводящих висцеросенсорную информацию от рецепторов желудка, сердца и легких (Kalia and Sullivan, 1982; Saper, 1994; Багаев и др., 1997; Lin et al., 1998). По нашему мнению побочные эффекты стимуляции блуждающего нерва, наблюдаемые в клинической практике, обусловлены активацией именно этих подъядер. К тому же, c-Fos активация этих подъядер может лежать в механизме вовлечения этих нейронов в проведение висцеросенсорной информации.

Увеличение экспрессии c-Fos в ядре одиночного тракта, наблюдаемое нами при соматической стимуляции (стимуляция большеберцового нерва), ограничивалось вентролатеральными (vl) подъядрами. Следует напомнить, что именно здесь расположен дорсальный дыхательный центр (von Euler et al., 2003) и c-Fos активация в этих подъядрах в ответ на висцеральную и соматическую стимуляцию, свидетельствует о сомато-висцеральной перекрытии в этой области.

Таким образом, в ядре одиночного тракта наблюдается билатеральное усиление экспрессии c-Fos в ответ на оперативное вмешательство на обоих нервах и в ответ на стимуляцию этих нервов. Ипсилатеральное преобладание экспрессии c-Fos в ядре одиночного тракта при стимуляции блуждающего позволяет нам предположить, что подобная активация нейронов является результатом стимуляции именно афферентных волокон нерва, а не результатом вторичной активации через дуги висцеральных рефлексов. В последнем случае мы наблюдали бы равномерно выраженную билатеральную c-Fos экспрессию (как у оперированных животных без стимуляции нерва), то есть, операция приводит к активации дуг висцеральных рефлексов, а стимуляция блуждающего нерва с частотой следования импульсов 10 Гц – к активации генома нейронов висцеросенсорных путей.

Анализ количества нейронов экспрессирующих с-Fos в подъядрах парабрахиального ядра в ответ на оперативное вмешательство в сравнении с их количеством в ответ на стимуляцию соответствующего нерва показал, что стимуляция блуждающего нерва импульсами с частотой следования 1 Гц не вызывает усиление экспрессии c-Fos на этом уровне.

Увеличение частоты стимуляции блуждающего нерва до 10 Гц сопровождалось ипсилатеральным увеличением экспрессии c-Fos в висцеральных областях, представляющих желудочные, дыхательные и сердечно-сосудистые зоны (LPBE/C/Cr и LPBD) (Herbert et al., 1990; Karimnamazi et al., 2002; Bernard et al., 1994).Стимуляция большеберцового нерва сопровождалась снижением уровня экспрессии c-Fos в ипсилатеральных LPBD и LPBV подъядрах, которые являются представительством соматической и вкусовой чувствительности, соответственно (Herbert et al., 1990; Hermanson et al., 1997; Li et al., 2006). Снижение уровня c-Fos экспрессии в ответ на стимуляцию большеберцового нерва может быть связано с тормозным влиянием этой стимуляции на нейроны спинномозговых структур, которые напрямую связаны с латеральными областями парабрахиального ядра и, могут подавлять активность нейронов этих областей (Cechetto et al., 1985; Foreman, 1989; Bernard et al., 1995). С другой стороны, мы изучали только c-Fos экспрессию, в то время как стимуляция может активировать другие гены раннего действия, экспрессию которых мы не изучали в рамках данной работы.

Таким образом, наши данные свидетельствуют о функциональной активации нейронов ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра в ответ на афферентную висцеральную и соматическую стимуляцию. Кроме того, мы можем предположить, что в основе терапевтического действия стимуляции блуждающего нерва лежит активация генома нейронов ядра одиночного тракта, которая способна модулировать функционирование вышележащих структур, в том числе и эпилептогенных очагов.

ВЫВОДЫ

Стимуляция блуждающего нерва импульсами частотой следования 1 Гц сопровождается тормозными реакциями висцеральных систем (релаксация желудка, брадикардия, диспноэ). Увеличение частоты стимулирующих импульсов до 10 Гц сопровождается усилением тормозных ответов висцеральных систем (вплоть до остановки дыхания в период стимуляции). Это свидетельствует об активации дуг ваго-вагальных рефлексов при данной стимуляции и о зависимости степени выраженности висцеральных ответов от частоты стимулирующих импульсов.

Стимуляция блуждающего нерва (10 Гц) сопровождается изменением характеристик гетерохроматина: декомпактизацией и смещением от условного центра ядра к мембране, что свидетельствует об активации генома нейронов и его участии в реализации ваго-вагальных рефлексов.

Оперативное вмешательство на висцеральном и соматическом нервах сопровождается усилением экспрессии c-Fos в ядре одиночного тракта и в парабрахиальном ядре. Стимуляция блуждающего нерва импульсами частотой следования 1 Гц является недостаточной для активации экспрессии генов раннего действия c-fos в исследованных структурах и является не достаточной для активации восходящих висцеральных путей.

Увеличение частоты стимулирующих импульсов до 10 Гц (блуждающий нерв) сопровождается активацией экспрессии c-Fos в висцеральных областях ядра одиночного тракта и парабрахиального ядра.

Стимуляция большеберцового нерва активирует нейроны вентролатеральных подъядер ядра одиночного тракта — область сомато-висцерального перекрытия. В нейронах соматических областей

парабрахиальных ядер стимуляция большеберцового нерва подавляет c-Fos экспрессию, вызванную оперативным вмешательством.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

О.А.Любашина, В.В.Ошарина Механизмы реализации висцеральных рефлексов при активации рецепторов разной модальности. В сб.: Тез.докл. 6-й Пущинской школы-конференции мол.ученых «Биология – наука 21 века». Пущино, 2002, с.

Н.А.Дюжикова, В.В.Ошарина, Ю. Н.Савенко Активация афферентного звена ваго-вагальной рефлекторной дуги изменяет структурные свойства гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса. Тез.докл. юбилейной конф., посвящ. 50-летию со дня основания Ин-та физиологии Нац.Акад.наук Беларуси. Минск, Технопринт, 2003, с.54.

Н.А.Дюжикова, В.В.Ошарина, Ю.Н.Савенко Изменение характеристик конститутивного гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса крыс после стимуляции блуждающего нерва. Тез.докл. III Всерос. конф. с межд.участием, посвящ.175-летию со дня рождения Ф.В.Овсянникова «Механизмы функционирования висцеральных систем». СПб, 2003, с. 100.

V.Osharina, N.Dyuzhikova, J. Savenko Stimulation of the rat vagosolitary complex neurons modifies the structural properties of heterochromatin. Abstracts of XVI National congress of anatomy with international partcipation. Bulgaria, Sofia, 2003. p. 72.

В.В.Ошарина, Ю.Н.Савенко, Н.А.Дюжикова, О.А.Любашина, Н.В.Ширяева, С.В.Миронов, А.И.Вайдо Изменение характеристик гетерохроматина в ядрах нейронов ваго-солитарного комплекса продолговатого мозга крыс после стимуляции блуждающего нерва.// Бюлл.экспер.биол. и мед., т.138, N 8, с.132-134, 2004.

В.В.Ошарина Исследование c-Fos иммунореактивности в нейронах ядра одиночного тракта и парабрахиального комплекса в ответ на стимуляцию блуждающего нерва.//Сб. матер. Всероссийской конф.мол.исследователей «Физиология и медицина», Вестник молодых ученых. Приложение к серии науки о жизни, с.85, СПб, 2005.

Ocharina V., Wallois F., Bagaev V., Larnicol N. Bases neuronales de l’activité anti-épileptique de la stimulation vagale : approche morpho-fonctionnelle chez le rat adulte.// Lille, 2005, France.

Ocharina V., Wallois F., Bagaev V., Larnicol N. Basic approach of the anatomical substrate of the anti-epileptic effect of intermittent vagus nerve stimulation (VNS) : a Fos study in the adult rat. Autonomic Neuroscience : Basic and Clinical, v.119, p.121, 2005 (Abstracts of 4th Congress of the International Society for Autonomic Neuroscience, Marseille, France, 12-16 July, 2005).

V.Osharina, N.Larnicol, F.Wallois, V.Bagaev Immunohistocemical studies of the reactions of the nucleus tractus solitarius and parabrachial complex neurons to the vagus nerve stimulation.//Proceedings of the 9th Conf. “Stress and Behaviour”. In: Психофармакология и биологическая наркология, т.5, N2, с.914, 2005.

V.Osharina, V.Bagaev, N.Larnicol, F.Wallois Reactions of the nucleus tractus solitarius and parabrachial complex neurons to the vagus nerve stimulation.//Book of Abstracts of Intern. C.I.A.N.S Conference 2005, June 29th – July 2nd, Bratislava, Slovakia, 2005, p. 17.

В.Ошарина, Н.Ларникол, Ф.Валуа, В.Багаев Рефлекторные изменения активности висцеральных систем в ответ на электрическое раздражение центрального отрезка левого блуждающего нерва в цервикальном отделе. Тезисы докладов. IV Всеросс. Конф. С междунар. Участием, ИФ Павлова И.П., СПб, октябрь 2005, с. 180

Viktoria Osharina, Vitaly Bagaev, Fabrice Wallois and Nicole Larnicol Autonomic response and Fos expression in the NTS following intermittent vagal stimulation: Importance of pulse frequency. Autonomic Neuroscience, V. 126-127, 30 June 2006, P. 72-80 .

В.Ошарина Сравнительный анализ c-Fos иммунореактивности в нейронах ядра одиночного тракта и парабрахиального комплекса в ответ на висцеральную и соматическую стимуляцию.// Сборн.тез.Всеросс.конф. с междунар.участием, посвящ. 80-летию А.М.Уголева, Санкт-Петербург, 2006, с. 78.

PAGE

PAGE 3

PAGE 16

PAGE 4

PAGE 6

ОБСУЖДЕНИЕ

ОБСУЖДЕНИЕ

ВЫВОДЫ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

70

хромоцентры

70

60

90

70

мембрана ядра

центр ядра

110

85

а)

б)

78

118

90

48

45

16

15

68

53

43

42

11

в)

11

Стимуляция

большеберцового нерва

Перевязка

большеберцового нерва

Стимуляция

блуждающего нерва

б)

а)

в)

г)

ваготомия

интактные

Л

П

Л

П