Отдел криофизиологии

Функциональная геометрия ГЭБ при гипотермии и гибернации (материалы диссертации к.б.н. Марченко В.С.)

На протяжении четверти века одним из приоритетных научных направлений отдела явились нейробиологические аспекты функционирования охлаждённого мозга гомойо- и гетеротермных животных. Наиболее детально и комплексно изучалось структурно-функциональное состояние гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) в центральных механизмах терморегуляции при гипотермии и гибернации. Эти исследования определили тему докторской диссертации выполняемой Марченко В.С.

Было показано, что одним из важных механизмов действия охлаждения является изменение проницаемости ГЭБ. Гипотермические воздействия, особенно ритмически организованные, способны модифицировать структурно-функциональное состояние элементов ГЭБ, изменять уровень селективной проницаемости для нейромедиаторов. Динамический баланс нейроактивных веществ при гипотермии и гибернации может, как вызывать, так и быть следствием структурно-функциональных трансформаций, изменяющих морфофизиологическую подвижность, лабильность элементов ГЭБ. В последние годы в биологии и медицине формируется новое научное направление, позволяющее количественно оценивать наиболее общий уровень упорядоченности или хаотичности, по сути, лабильности функциональной архитектоники систем организма по показателям мультифрактальной размерности. Важной составной частью, первым и последним защитным рубежом ГЭБ является структурно-функциональный комплекс "эндокринного древа" эндотелия кровеносных капилляров. Связанный нейро-глиальной "паутиной", пронизанный лабиринтом межклеточного пространства и мозговых желудочков, укутанный эпителиальной сетью мозговых оболочек, он формирует сложную гармонию, структурная организация которой подобна при разных увеличениях, наглядно демонстрирует преимущества фрактальных и необходимость новых парадигм функциональной морфологии. Морфологическим фракталом можно назвать объект со сложной иерархией структур, который состоит из частей в статистическом смысле подобных целому. Его размерность по Хаусдорфу больше топологической и, как правило, дробная. Фрактальный анализ хорошо зарекомендовал себя в морфологических исследованиях, например, в морфометрии ультраструктуры гипоталамуса при традиционных методах лечебной гипотермии. Мы использовали этот метод нелинейной морфометрии в изучении ультраструктурных механизмов ритмических холодовых воздействий для разработки новых методов так называемой резонансной терапии, когда с лечебной целью применяют различ-ные виды сенсорной стимуляции с частотными параметрами, соответствующие индивидуальным структурно-функциональным осцилляторам физиологических систем. Для этих целей был разработан программный комплекс FRAM (Рис.1).




Рис. 1. Интерфейс программного комплекса FRAM (а) при построении временных полей фрактальных размерностей паутинной оболочки мозга (б) и формировании нейрональной филоподии (в) in vivo.


Показано, что повышение проницаемости ГЭБ инициируется процессами типа долговременной потенциации и поддерживается "нейрональным газом" (NO, CO). Проникновение биоактивных веществ сквозь ГЭБ "вслед за NO и CO" в первом приближении - это движение газа по лабиринту в пористой среде, которое может описываться в терминах теории перколяции. Известно, что если порог перколяции (ПП) < 0,5, то в состоянии проводящей среды существует "абсолютно открытая зона", если ПП > 0,5 - "абсолютно закрытая". Проницаемость ГЭБ связана с порогом перколяции, её повышение при гипотермии характеризуется относительно узкими максимумами (2-3 мин), в течение которых системное введение вегетотропных веществ дает центральный эффект. Если резистентность барьера (Кр=1-Кп) < 0,5, ГЭБ проницаем и для НА и для АХ, а при Кр > 0,5 - только для НА или АХ. Макрогеометрия вблизи порога перколяции (ПП) имеет фрактальную размерность (D). Непосредственно перед резким повышением проницаемости ГЭБ также формируется особенное (фрактальное) структурно-функциональное состояние мозга( Рис. 2, 3).



Рис. 2. Функциональная геометрия флуоресцентных гранулированных перетелиальных клеток Мато Mesocricetus auratus при гибернации: а - конфокальная микроскопия ex vivo, б - "фрактальное окрашивание", в - фрактальный анализ электроннограммы в реконструкции подвижности.



Рис. 3. Фрактальный анализ электроннограмм капилляров мозга: а - контрольной крысы, б - гибернирующего хомяка, в - крысы после ритмических холодовых воздействий.


В синаптическом аппарате у 5-10% активных синапсов гипоталамуса формируется парасинаптический инструмент, состоящий из цистерн с чередованием персистентной (самоподдерживающейся) и антиперсистентной геометрией (Рис. 4).



Рис. 4. Трёхмерная реконструкция и фрактальный анализ синапсов охлаждённой крысы (а) и гибернирующего хомяка (б).


Проницаемость ГЭБ повышается тогда, когда синхронизируется геометрия эндотелиоцитов, синапсов, биоэлектрической и нейрохимической активности. Эти структуры и процессы приобретают одинаковую размерность (~1,7 или ~1,3) при снижении резистентности ГЭБ к АХ или катехоламинам (КА) соответственно. По нашим данным взаимоотношения КА и ГЭБ обеспечивает NO, а АХ - CO, поэтому существенная разница во времени существования этих монооксидов может обусловить степень "вспенивания" пространственно-временных патернов мозга, гипо- или гиперактивность.

Таким образом, несмотря на очевидную уникальность явления зимней спячки, кажется весьма вероятным, что гибернация может протекать с привлечением физиологических механизмов в той или иной степени присущих и не зимоспящим организмам. При гипотермии и гибернации происходит структурная стабилизация хаотической динамики функциональной геометрии пространственной микроангиоархитектоники и фрактальной организации нейро-глиально-эндотелиальных компонентов ГЭБ центров терморегуляции гипоталамуса. Этот на первый взгляд общий вывод по нашему разумению в недалёкой перспективе явиться ключом для определения ультраструктурных коррелятов зимнеспящего мозга, что поможет "открыть двери" гистогематических барьеров на пороге создания истинного состояния искуственной гибернации.



На страницу отдела На домашнюю страницу

Украина, 61015, Харьков, ул. Переяславская 23,
Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины
Тел: (+38 057) 373-41-43,   373-38-07,   373-30-39;     Факс: (+38 057) 373-30-84
E-mail: cryo@online.kharkov.ua