Книги, научные публикации
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | А.В. Кузин, Ю.Г. Васильев, В.М. Чучков, Т.Г. Шорохова АНСАМБЛЕВЫЕ ВЗАИМОСОДЕЙСТВИЯ В ЦЕНТРАЛЬНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ Ижевск Берлин 2004 УДК 611.81.013 + 611.899.013]:612.824 ББК 28.866 К 89 Под ...
-- [ Страница 3 ] --сосудистого русла в различных отделах нервной Показано, что значительное увеличение числа трубки происходит на разных стадиях гистоге астроцитов и олигодендроцитов сопровождает неза. Следовательно, можно предполагать и не ся миграцией их предшественников и высокой одинаковое значение эмбрионального ангиоге степенью взаимодействий с прилежащими со неза и эндотелиобласто глиобласто нейробла судами. Такие контакты наблюдаются уже на стических взаимоотношений в отделах нервной ранней стадии дифференцировки астроцитов.
системы на нейрогенез. Сосуды могут играть роль в коммитировании Общие принципы ангиогенеза и формирова макроглии (M. Zerlin, 1997). Высокая степень ния нейроглиальных комплексов, как на перифе взаимодействий наблюдается между астроци рии, так и в нервной трубке близки и включает в тами и эндотелием, формирующем полые тубы, себя следующие этапы: и в культуре тканей (L.R. Ment, 1997). У предше 1. Этап обеспечения закладок нервной труб ственников нейроглии имеется замечательное ки за счет прилежащих внеорганных сосудов. свойство контролировать перемещение и диф Наблюдается бурное развитие первичной ка ференцировку нейробластов, рост их отростков, пиллярной сети в непосредственной близости способствуя росту нейритов как in vivo, так и in от закладок нервной трубки. При этом объем за vitro (Y.S. Caviness, Nission Jena Paul et al., 1991;
нимаемый капиллярами сопоставим с абсолют R.D. Fetter, K. Broadie, C.S. Goodman, 1995). В ным объемом закладки центральной нервной коре головного мозга нейробласты используют системы. Происходит анатомическая закладка волокна нейроглии, по которым направляются нервной трубки. Начинается детерминация кле от внутренней к наружной поверхности мозга (A.
ток из общих предшественников на нейроблас Faissner, M. Schacher, 1995). Миграция нейроб ты и глиобласты. ластов реализуется и регулируется химически 2. Эмбриональный ангиогенез в нервных за ми взаимодействиями между ними и предшест кладках (рис. 29). Заключается во внедрении венниками астроцитов. В свою очередь астро превазоидов из окружающей мезенхимы в нерв циты имеют сродство к сосудам. Это обусловле ную трубку. Превазоиды формируются из при но химическими (диффузные трофические и лежащих к зачаткам сосудов и, возможно, за экстрацеллюлярные матричные молекулы) и ме счет дифференцировки мезенхимы. На этом ханическими (клеточные поверхности) фактора этапе трофическое обеспечение осуществляет ми. Они обеспечивают тропизм между клетка ся как за счет внеорганных, так и внутриорган ми, а также между клетками и межклеточным ных первичных сосудистых сетей. Формирова матриксом (P. Rakic, 1981;
M.E. Hatten, 1990;
B.
ние первичной сосудистой сети в центральной Voutsinos, L. Chouaf, P. Mertens et al., 1994;
A.
нервной системе происходит задолго до про Faissner, M. Schacher, 1995). Некоторые иссле цессов специализации нейробластов. На 16Ц18 дователи нервной системы полагают, что мик е сутки эмбриогенеза крыс, когда первичные ка роглия является производным моноцитов, ин пилляры обильно представлены в закладках фильтрирующих ЦНС в течение развития, но ме нервной трубки, система контактов между ней ханизмы, которые позволяли бы внедряться робластами некоторых ядер ствола головного этим клеткам в нервную ткань, неизвестны. Од мозга ограничена аксональными и дендритны нако показано выделение эндотелием на стадии ми спроутингами. Имеется очень незначитель развития крысиных эмбрионов Е16Ц19 адгезив ное число незрелых синаптических контактов, ных молекул. Они могут обеспечивать внедре на фоне активного роста отростков (Н.Н. Бого ние предшественников микроглии в нервную лепов, 1999). Это подтверждается данными K. трубку (I. Dalmau, 1997). Таким образом, разви Sato (1998), показавшего, что примитивная си тие микроглии также взаимозависимо от меж наптическая функция в ядрах блуждающего нер клеточного и межтканевого взаимодействия в ва крыс возникает лишь с 15Ц16 х суток внутри нервной трубке.
утробного развития. 3. Преобразования первичной капиллярной Имеются данные, что именно сосуды являют сети по мере созревания нейронных и глиаль ся основными путями для миграции глиальных ных ансамблей, или вторичный ангиогенез. Дан клеток в условиях пересадок эмбриональных ный этап предполагает, в свою очередь, не нервных тканей (М.А. Александрова, Е.В. Лосе сколько дополнительных стадий:
ва, И.В. Ермакова, 1993;
W.J. Goldenberg, J.J. А. Первичная капиллярная сеть значительно Bernstein, 1988). Сведения позволяют предпо обогащается и усложняется (рис. 30), формируя лагать возможную подобную их роль и в онтоге так называемый "эмбриональный" тип крово незе. Обнаружена высокая степень взаимодей снабжения нервной ткани. В нервной трубке ми кроциркуляторное русло характеризуется поли ствующих в контроле регионализации в раннем гональным характером ветвлений, обилием ана развитии млекопитающих. Трансформирующие стомозов, незначительной вариативностью ар факторы роста, активин и костные морфогене хитектоники в различных по морфологии и функ тические протеины вызывают в культурах нерв ции, ядерных ансамблях. В одной петле имеются ных тканей образование гетероолигомерных большие группы нейронов и глии. На данной ста комплексов. Они могут обеспечивать взаимо дии усиление кровоснабжения идет за счет аб действие клеток в нейрогенезе. К последним солютного увеличения числа сосудов в целой двум семействам выявлены рецепторы на ней анатомической структуре. У крыс в начале этого ронах и во взрослом головном мозге, что указы этапа продолжаются процессы пролиферации вает на их функциональную значимость. Данные нейробластов, а в более поздние сроки идет ми тканевые гормоны могут формировать систему, грация и деление нейроглии. Стадия охватывает параллельную нейротрофин тирозиновым ре вторую половину внутриутробного развития. Бы цепторам, регулирующим нейропластичность и страя пролиферация нейробластов у человека, мозговую репарацию (T. Ebendal et al., 1998).
соответствующая начальным срокам развития Б. Стадия оформления дефинитивной крове на этой стадии, наблюдается до 6 ти месяцев носной системы нервных центров, сопровожда внутриутробного развития. Она сменяется бур ющаяся активной дифференцировкой стенок ным развитием глии, синапсов и дендритов с 25 приносящих и выносящих сосудов (рис. 31, 32).
ой недели эмбриогенеза и продолжается после Она сопровождается разнообразием построе рождения (J. Dobbing, J. Sands, 1975). У незрело ния сосудистых сетей в соответствии со струк родящихся крыс рост мозга с преимуществен турой ядер, усилением кровоснабжения отдель ной пролиферацией нейроглии и формировани ных клеток. Плотность сосудов на единицу объе ем отростков, по нашим данным и согласно дру ма ядра изменяется незначительно. Увеличение гим авторам, начинается во время рождения и числа микрососудов вокруг тел нейронов про после него (B.E. Nexdorf Bergveilve, D. Albrecht, исходит путем их распределения и увеличения U. Heinemann, 1993). В ранний постнатальный числа нейронов, непосредственно соприкасаю период у крыс продолжается активная пролифе щихся с капиллярами. Последнее предположе рация клеток, содержащих кислый глиальный ние соотносится с данными предшествующих фибриллярный белок, в основном, в первые две исследований, согласно которым максимальная недели и продолжается формирование архитек плотность сосудов в ядрах тригеминального тоники до двух трех недель после рождения (J. комплекса наблюдается у крыс раньше периода Dobbing, J. Sands, 1975;
B.E. Nexdorf Bergveilve, полового созревания, а дальнейшее развитие D. Albrecht, U. Heinemann, 1993). васкуляризации нейронов происходит за счет Относительно позднее развитие нейроглии приближения капилляров к телам нейронов (Е.Г.
по отношению к нейронам регулирует степень, а Балашова, 1956).
затем и стабилизирует процессы развития ней Полученные нами результаты вступают в ронных комплексов в ЦНС (S.C. Clemens, U. формальное противоречие с другими исследо Klans, 1994;
T.J. Sims, S.A. Gilmore, 1994). Нару вателями, согласно которым концентрация со шение скорости ее созревания приводит к изме судов вокруг крупных нейронов выше (3Ц4 ка нению нормального формирования межнейрон пилляра вокруг нейронов двигательного, 1 - ных взаимодействий. Данное явление может на вокруг перикарионов нейронов главного чувст блюдаться при болезни Дауна, что связано с уси вительного ядер тройничного нерва) (Е.Г. Бала лением активности гена, кодирующего S 100 бе шова, 1956 а). Однако при ближайшем рассмот лок (ускоряет дифференцировку нейроглии). Ус рении эти данные совпадают с нашими при уче коренное развитие нейроглии блокирует даль те объема нейронов и числе сосудов, непосред нейший рост отростков нейронов, вызывая апоп ственно прилежащих к телам нервных клеток.
тозы нервных клеток и обедняя межнейронные Этапы формирования васкуляризации нерв взаимодействия (Л.Н. Корочкин, 1989). Значи ной трубки согласуются с исследованиями Б.Н.
мым является влияние на ЦНС большого семей Клосовского (1949) и Е.Г. Балашовой (1956) по ства эволюционно консервативных протеинов, эмбриональному развитию человека. Они пред контролирующих клеточную дифференцировку, лагали выделять следующие сроки питания:
рост и морфогенетические процессы в онтоге ликворное, затем ликворо гематическое, сосу незе (трансформирующий фактор роста - бета, дистое (на стадии миграции нейробластов). Вы активин, костные морфогенетические протеи раженная сосудистая сеть, по их мнению, видна ны). Суперсемейство трансформирующих фак уже к трем месяцам пренатального онтогенеза торов роста - бета включает в себя более 25 ве человека. Однако имеются определенные про ществ, обнаруженных в растущей нервной сис тиворечия по отношению к этим данным. Так, по теме млекопитающих и предположительно уча мнению других исследователей, васкуляриза ция в голубоватом месте у эмбрионов крыс раз яние на процессы проводниковой передачи че вивается к 18 ым суткам развития. Норадренер рез синапсы (М.О. Самойлов, 1999). Предпола гические нейроны этой области не отличаются гается, что нейроглия является важным элемен ускоренным морфологическим развитием, но том, активно участвующим в обработке поступа специфическая флюоресценция наблюдается ющей в нервную систему информации. Была уже у 12Ц15 суточных эмбрионов (А.М. Тэн, Т.И. сформулирована концепция, согласно которой Белова, В.В. Королев, 1980). Различия могут динамика возбуждения в ЦНС обеспечивается быть обусловлены разными подходами в ис путем ее передачи от нервной клетки в макро пользуемых методах исследования и их интер глию, а от нее на другие нервные клетки (R.
претации. В упомянутых работах за основу бра Galambos, 1961;
S.V. Kuffler, J.C. Nichols, 1966;
L.
лись сформированные капиллярно сосудистые Heitz, A. Schousboe, 1988;
A. Vernadakis, 1988).
сети в отдельной анатомической структуре яд Сопоставление сроков развития и критериев ра. В наших исследованиях в соответствующие уровня микроциркуляции тел нервных клеток сроки рассматривались особенности трофичес выявляют признаки значимой корреляционной кого обеспечения не отдельно взятой закладки, зависимости (табл. 35). В качестве примера а целой анатомической области нервной трубки. приведены уровни корреляции между развити Сложность соотношения нервных клеток и ем микроциркуляторного русла и сроками раз микрососудов зависит не от плотности сосудис вития крыс для основных популяций нервных той сети, а от особенностей ее распределения клеток, рассмотренных в зависимости от разме (Е.Г. Балашова Е.Г., 1956). Распределение, мик ров, в двигательном ядре тройничного нерва.
роанатомические особенности, контакты, пре Наиболее высок уровень корреляции между обладание тех или иных популяций макроглии числом сосудов на нейрон и сроками развития в находятся в непосредственной взаимозависи мелкоклеточных и среднеклеточных нервных мости от структуры нейронных ансамблей. От клетках. Он значимо ниже для крупных и очень ростки астроцитов тесно переплетаются между крупных клеток. Данная особенность, вероятно, собой и отличаются спецификой взаимодейст связана с тем, что крупноклеточные и, особен вий в различных ядрах. Наше мнение перекли но, гигантоклеточные нейроны выявляются в кается с мнением о возможности так называе сравнительно поздние сроки постнатального мой объемной передачи сигнала в нервной сис развития, а более мелкие клетки рассмотрены теме, который должен зависеть от структурно со стадии нейробластов. Удельная длина сосу функциональной роли конкретных ядерных об дов, а с нею и другие величины (площадь обмен разований ЦНС. Данная передача может осуще ной поверхности микрососудов и диаметр пери ствляться биологически активными вещества капиллярной ультрафильтрации), являющиеся ми, в том числе оксидом азота (С.Х. Снайдер, ее производными, коррелируют со сроками раз Д.С. Бредт, 1992), нейротрофинами, нейропеп вития подобно предыдущим сравниваемым по тидами (М.О. Самойлов, 1999), нейромедиато казателям. Удельная площадь микрососудов, рами (Н.Б. Саульская, 1997). Эти вещества мо наиболее эффективно обменивающихся с те гут оказывать диффузное влияние на нейроны, лом нейрона, для гигантоклеточных нейронов которые не иннервируются пресинаптическими растет с увеличением сроков развития значи терминалями эффекторной клетки, диффунди тельно быстрее, что может быть обусловлено руя на весьма значительные расстояния от мес увеличением размеров нервной клетки. Кроме та выделения. Таким образом, объемная пере этого, микрососуды начинают тесно прилежать дача сигнала осуществляет модулирующее вли к телу нейрона. Распределение различных по Таблица Корреляционная зависимость между сроком развития крысы, микроциркуляцией вокруг тел нейронов и их относительным содержанием ко всей популяции нервных клеток в двигательном ядре тройничного нерва 0,487 + 0,052 0,451 + 0,054 0,431 + 0,055 -0,612 + 0, 0,475 + 0,047 0,428 + 0,049 0,404 + 0,050 -0,017 + 0, 0,317 + 0,062 0,242 + 0,065 0,221 + 0,066 0,763 + 0, 0,299 + 0,077 0,201 + 0,089 0,409 + 0,053 0,516 + 0, размерам популяций нейронов указывает на об зависимости к срокам развития. Это обусловле ратную корреляционную зависимость между но увеличением объема нейропиля, в основном, сроками развития и содержанием мелкоклеточ в постнатальный период развития, когда рост ных нейронов, при положительной корреляции тел нейронов значительно отстает от степени между сроками и числом крупноклеточных и ги развития отростков. В пренатальном же разви гантоклеточных нервных клеток. Таким образом, тии эти процессы взаимно уравновешены. В он дифференцировка нейронов в ходе онтогенети тогенезе происходит уменьшение площади со ческого развития, от ранних сроков пренаталь судистых микробассейнов на фоне снижения их ного онтогенеза до полового созревания, со линейных размеров. Изменения осуществляют провождается увеличением количественных по ся преимущественно за счет снижения больше казателей микроциркуляции, размеров и мор го диаметра микробассейна, тогда как меньший фологического разнообразия нервных клеток. диаметр варьируется слабее, что сопровожда Интерес вызывает динамика изменений уровня ется преобразованием формы микробассейнов.
трофического обеспечения ядра как целостной Процесс синхронизируется с уменьшением чис анатомической структуры в онтогенезе (табл. ла нейронов в отдельных микробассейнах, осо 36). Так, удельная длина микрососудов на еди бенно в постнатальном развитии.
ницу объема двигательного ядра тройничного Таким образом, корреляционный анализ тро нерва коррелирует со сроками в пренатальном фического обеспечения, проведенный на при и раннем постнатальном развитии крысы до мере двигательного ядра тройничного нерва, конца 1 ой недели постнатального онтогенеза. указывает на то, что в пренатальном и постна Данная корреляция носит выраженный характер тальном развитии имеют место два варианта (0,801 + 0,023). Совершенно другой вид она его становления. В пренатальном онтогенезе принимает в сроки от конца 1 ой недели до 6 ти кровоснабжение нейробластов и нейронов улуч месяцев, когда корреляционная зависимость по шается за счет увеличения числа сосудов в объ рассматриваемому показателю подвергается еме целого ядра, и сопровождаются значитель инверсии и становится отрицательной (Ц0,505 + ной динамикой размеров, формирующих их ка 0,061). Таким образом, абсолютное число сосу пиллярных микробассейнов. В более поздние дов в эти сроки уменьшается, но степень васку сроки усиление кровоснабжения происходит пу ляризации тел нейронов продолжает увеличи тем распределения сосудов в непосредствен ваться, что ясно прослеживается как при рас ном окружении от перикарионов нейронов, сни смотрении абсолютных показателей кровоснаб жении числа клеток в сосудистом микробассей жения тел нервных клеток, так и по значениям не на фоне значительного уменьшения плотнос корреляции в популяциях гигантоклеточных ти перикарионов нейронов.
нейронов, которые появляются в постнатальном В других нервных центрах также происходят онтогенезе (после 1 ой недели постнатального подобные изменения. Подтверждением нашего онтогенеза). Данное противоречие объясняется предположения является то, что в последнее распределением сосудов в поздние сроки в не время существенно пересматривается ансамб посредственной близости от тел нервных кле левая организация структур в ЦНС. В классиче ток. Параллельно снижается плотность нейро ском варианте в ней изучали лишь межнейрон нов, что находится в обратной корреляционной ные взаимодействия и микроархитектонику Таблица Корреляционная зависимость между сроками развития крысы и некоторыми показателями двигательного ядра тройничного нерва как целого анатомического образования 10 1- 0,471 + 0,033 0,801 + 0,023 -0,505 + 0, -0,418 + 0,039 0,064 + 0,057 -0,679 + 0, -0,419 + 0,032 -0,727 + 0,057 -0,228 + 0, -0,544 + 0,042 -0,759 + 0,024 -0,269 + 0, -0,437 + 0,047 -0,564 + 0,039 -0,192 + 0, -0,512 + 0,042 -0,064 + 0,057 -0,679 + 0, нейронов и их отростков. Но появились работы, носного и глиального источников питания в ан в которых на примере структуры коры больших самблевой организации морфофункциональных полушарий, в микроансамбли включаются не единиц спинного мозга (Н.В. Новомирская, только нейроны, но и глиальные, и сосудистые 1976). Нейроглиальные ансамбли характеризу элементы (А.М. Антонова, 1985;
Л.К. Семенова, ются индивидуальностью. У одаренных людей в Н.С. Шумейко, 1994). Исследования соотносят 3Ц4 слоях 44 и 45 корковых полей мозга значи результаты изучения колонковой организации тельно выше доля сателлитной нейроглии и об нейронных ансамблей в коре больших полуша щая площадь глиальных клеток, в сравнении с рий к ангиоархитектонике и глиоархитектонике. общей выборкой (Н.И. Боголепова, 1993).
По данным авторов между скоплениями нейро Значение исследуемых комплексов в центрах нов располагаются сосудистые коллекторы (ар ядерного типа косвенно подтверждается данны терии и вены) и скопления нейроглии. Эти ми, указывающими, что даже диффузный отек структуры, вероятно, изолируют колонки. В от головного мозга происходит не равномерно, а в личие от нас, приведены сведения об ансамблях виде ограниченных участков, включающих сосу на примере их колонковой организации в коре ды, нейроны и глиальные клетки. Это создает больших полушарий. Сосудисто трофические своеобразную мозаику из отечных и менее по комплексы, таким образом, соотносятся с боль врежденных зон. Активно реагирующей нейрог шими скоплениями из сотен и даже тысяч нерв лие приписывается дренажная и поддерживаю ных клеток, указывается связь между ними, ар щая функции (Т.И. Шустова, К.Г. Тихонов, 1998).
териями, венами и крупными блоками нейрог Известно, что в условиях патологии в нервной лии. Показана динамика онтогенеза в формиро системе наблюдается очаговое выпадение вании ансамблевой организации. нервных клеток, т.е. реакции нервной ткани в Мы предлагаем исследования в центрах ЦНС носят полиморфно локальный характер ядерного типа. Важнейшим же является то, что в (Е.Э. Перевозщикова, 1999, М.Б. Потанин, настоящей работе изучены структуры на уровне 1999). Возможно, эта мозаичность связана не отдельных сосудистых микробассейнов, обес только с межнейронными синаптическими взаи печивающих кровоснабжение в пределах бли модействиями, но и с местными реакциями ми жайших капиллярных петель, объединенных об крососудов, глии и внесинаптическими межкле щими условиями организации. Таким образом, точными контактами. Согласованностью реак основное внимание уделено не скоплениям, а ций всех тканевых элементов характеризуется телам отдельных нейронов или небольших их не только центральная, но и периферическая групп и ведущими становятся не только изоли нервная система (В.Н. Байтманов, 1999). По рующие, но и интегрирующие свойства нейрог мнению Н.С. Косицина, активированные нейро лии, микроархитектонике этих комплексов на ны имеют большее сродство к азотнокислому уровне отдельных сосудистых микробассейнов. серебру в связи с пространственным распреде Это значительно увеличивает корректность лением в них протеидных комплексов, что поз выводов при рассмотрении вопросов физиоло воляет рассматривать импрегнацию как маркер гических, патологических и онтогенетических функционально активных нервных клеток (Н.С.
изменений. На примере коры больших полуша Косицин, 1999). В наших исследованиях обнару рий уже Пфейфер указывал на соответствие жено, что значительная часть нервных клеток и между ангиоархитектоническими и цитоархи астроцитов склонна к импрегнации в виде ло тектоническими слоями коры больших полуша кальных групп клеток, что особенно заметно при рий на основании вертикальных срезов после проведенных нами экспериментальных воздей наливки сосудов (R.A. Pfeiffer, 1930). Колонки ко ствиях. Это также подтверждает мнение о зо ры больших полушарий состоят из скопления нальных ответах, но не только нейронов, но и ас нервных клеток и отграничиваются пограничны троцитов.
ми пространствами шириной 13Ц30 мкм, запол Выявлено, что в районах, непосредственно ненных сосудами и нервными волокнами (сосу окружающих ишемию, к третьим суткам наблю дисто волокнистые капсулы) (Л.И. Кушаковская, дается повышение уровня фактора роста нер 1988). В формирующемся мозге млекопитаю вов в два и более раз, в сравнении с контролем, щих глиальные клетки окружают функционально а достоверное повышение - уже с 1 суток. Высо близкие группы нейронов, их дендриты и аксо кий уровень этого протеида сохраняется до ны. Глиальные клетки и гликоконьюгаты (глико дней. Гормон адсорбируется на мембранах тел протеины, гликолипиды и гликозоаминоглика нейронов и обеспечивает их защиту в острую ны) такого окружения, в частности, прослежива фазу альтерации (J.M. Conner, S. Varon, M.C.
ются в коре головного мозга (О.С. Сотников, Hoener, 1996). Нейротрофический фактор, вы Н.К. Богута, 1994;
A. Steindler Dennis, 1993). рабатываемый в астроцитах, играет важную Имеются единичные данные об участии крове роль в стимуляции и обеспечении активности дофаминергических нейронов (K.E. Boven Однако, безусловно определяющими в фор Kamp, P.A. Lapehak et al., 1997). мировании ансамблевой организации являются О возможности прямого гуморального взаи нейробласты и дифференцирующиеся нейроны.
модействия составляющих элементов комплек Среди факторов, играющих роль в формирова сов указывают многочисленные факты. О влия нии нервной системы млекопитающих немало нии на сосудисто капиллярные структуры гово важен серотонин, как ключевой фактор в неко рит выработка в нейронах биологически актив торые периоды развития. Серотонин один из ных факторов, способных регулировать сосуди классических нейротрансмиттеров экспресси стый тонус. Так в стрианигральной системе руется в раннем пренатальном онтогенезе в за крыс обнаружены нервные клетки с урокортин кладке головного мозга и обеспечивает кон подобной иммунной реактивностью у крыс. троль над его развитием, а у взрослого - над ре Урокортин рассматривается как эндогенный акциями нейронов. Постулируется, что белок лиганд, контролирующий тонус сосудов и по S 100, глиальный нейротрофный фактор, может знавательные функции (В.Г.Шаляпина, 1995;
T. модулироваться серотонином через А1 рецеп Kozicz, A. Arimura, H. Yanaihara, 1998). Выявлена торы серотонина. Ингибирование ею выработки группа нейронов, способных к выделению ин сопровождается повышением глиального кис терлейкина 6, опосредующего активацию мик лого фибриллярного белка и протеина S 100 в роглии и астроцитов при различных воздейст эксперименте по сравнению с контролем. Это виях (R. Lemke, N.L. Scholz et al., 1998). Оксид может указывать на влияние вещества на астро азота, известный как фактор релаксации, выде циты (P. Tagliaferro, 1997). Транспортер серото ляемый эндотелием, стимулирует ангиогенез и нина является важнейшим пептидом, регулиру контролируется субстанцией Р, эндотелином 1, ющим содержание внеклеточного серотонина.
брадикинином, ангиотензином II, вазопресси Уже на ранних стадиях развития в различных си ном, интерлейкином 1, адреналином и другими стемах мозга выделяется мРНК транспортера гормонами (M. Ziche, 1994). Предположитель серотонина различных классов, (постоянный но, она оказывает митогенный эффект через класс обнаруживается в серотонинергических фактор роста сосудистого эндотелия (L. нейронах, транзиторные - в других областях, Morbidelli, 1995). Все эти вещества вырабаты например, в ядрах тройничного нерва). Данные ваются нейронами. В головном мозге куриных указывают на то, что действие серотонина в раз эмбрионов пролиферирующие нейробласты ные сроки онтогенеза различно (S.R. Hansson, способны образовывать тромбосподин - 1, а B.J. Hoffman, E. Mezey, 1998). Показано, что мо нейроны экспрессируют тромбосподин - 3 (R.T. ноаминергические гипоталамические системы в Tuker, 1997). Данные тканевые гормоны активно пренатальном онтогенезе развиваются син участвуют в процессах ангиогенеза (обладают хронно с формированием серотонинергических антиангиогенной активностью) и обнаружены в структур (М.В. Угрюмов, 1997). Наличие адрено головном мозге мышей и человека (N. Sheibani., рецепторов в сосудистых сплетениях и нервных W.A. Frasier, P.J. Newman, 1997). У взрослого че клетках в онтогенезе динамично растет по мере ловека способностью секретировать тромбос их дифференцировки. По мнению авторов, это подин обладают астроциты, контролируя сте может играть определенную роль в ангиогенезе пень васкуляризации (S.C. Hsu, 1996). Астроци и в медиации норадреналина (U.H. Winzen ты поглощают как возбуждающие, так и тормоз Serhan, F.M. Leslie, 1997). Холинергические и ные медиаторы со скоростью, превышающей их ГАМК ергические нейроны коры больших полу захват синаптическими мембранами. При этом шарий головного мозга способны экспрессиро они сами изменяют метаболическую актив вать интерлейкин 6, играющий эсенциальную ность под влиянием этих веществ (А.И. Ройт роль в раннем процессе воспаления и стимули бак, 1993). рующий астроциты и микроглию (R. Lemke, R.
Значимой представляется способность ней Schliebs, V. Bigl et al., 1998).
роглии влиять на скорость и степень ангиогене При микроиньекции ацетилхолинестеразы за (T. Shiratsuchi, T. Tokino, 1997;
E.L. Lund, P.E. наблюдается специфическая активация белко Kristiansen, 1998). Это может указывать на то, вого обмена нейронов голубоватого места крыс, что в ЦНС имеются структуры, которые могут что сопровождается возбуждением астроцитов выполнять первичную гомеостатическую функ и микроглиоцитов. Предполагается, что интен цию. Двигательное и мезэнцефалическое ядра сивно функционирующие нейроны формируют тройничного нерва характеризуются высоким локальные сигналы, которые вызывают реактив содержанием фактора роста фибробластов 9, ные изменения в соседней нейроглие. Они про который оказывает значительное активирующее являются в локальных иммуногистохимических влияние на рост сосудов (T. Todo, K. Ikeda et al., ответах астроцитов в течение часа после воз 1998). действия на нейроны. Микроглия достоверно изменяется через 4Ц8 часов (L.A. Zimmer, M. изменению развития нейронных ансамблей в Ennis, M.T. Shiplay, 1997). онтогенезе (Y. Chen, M. Herrera Martshitz, K.
Эндотелий способен проявлять гормональ Anderson et al., 1997). Обнаружено, что нейроны ную активность, выделяя вещества, контролиру имеют рецепторы к нейротрофным факторам, ющие сосудистый тонус (простагландин, эндо причем тип рецепторов зависит от их структуры телины, оксид азота), так и ростовые факторы и специализации, что было показано на поло (эпидермальный фактор роста EGF/NGFb, возрелых крысах в вентральном ядре слухового трансформирующий фактор роста, фактор рос нерва (A. Burette, 1997). Динамика внесинапти та сосудистого эндотелия, монобутирин и тром ческих контактов в ЦНС проявляются в их коли босподин). Примечателен в этом плане класс чественном изменении (увеличении дендро эндотелинов. Известен выраженный вазоконст дендритических, дендро соматических и денд рикторный эффект эндотелинов 1 и 3 (G.W. ро глиальных контактов). Наблюдаются локаль Haynes, F.E. Strachan, D.J. Webb, 1994). Имеется ные расширения, нарушения конгруэнтности хо связь между группой эндотелинов и ангиотензи да мембран, агрегация органелл и повышение ном, кининами и простациклинами. Эндоте числа участков с усиленной осмиофилией (А.П.
лин 1 стимулирует ген мозгового натрийурети Новожилова, 1993).
ческого пептида и адреномодулина, имеющих Активно изучаются причины генных наруше важное модулирующее значение в ЦНС (О.А. Го ний при наследственных повреждениях мозга и мазаков, 1996). Эндотелины могут контролиро структура ядер при этих заболеваниях (V. Plante вать пролиферацию и миграцию самого эндоте Berdeneuve, D. Taussing, F. Thomas, G. Said, лия (L. Morbidelli, 1995). Иммуногистохимически 1997). Для каждого уровня организации мозга выявлено, что тела нервных клеток взрослых млекопитающих в онтогенезе характерно влия крыс характеризуются высоким содержанием ние как жестко закрепленного генетического, рецепторов класса А к эндотелину во многих от так и вероятностного обеспечения развития.
делах мозга, в том числе в покрышке моста, го Пластические перестройки свойственны не лубоватом месте, боковой мезэнцефалической только на внутриклеточном уровне, но и для ма перивентрикулярной области рострального от кроансамблей, что проявляется в изменении их дела. Низкий уровень чувствительности обнару клеточного, волокнистого и сосудистого строе жен в мезэнцефалическом ядре тройничного ния (Л.И. Корочкин, 1991;
О.С. Адрианов, 1995;
нерва. Данный рецептор, в основном, характе М.Е.R. Hallonet, N. Le' Douarin, 1993;
M.E.
рен для катехоламинергических нейронов (K. Hallonet, 1993). Имеется гамма генетических Kurokawa, 1997). программ, в совокупном взаимодействии кото Выявлена высокая пластичность нервной си рых формируется архитектоника нервной систе стемы, проявляющаяся в изменении синаптоар мы. В этой гамме важны как программы нейро хитектоники и структуры нейронов (Н.Н. Боголе нов, так и влияние генов, действующих на дру пов, 1996;
B. Budzynska, A. Zerebska, 1996;
P. гих уровнях, в том числе и на организменном.
D'Ascanio, O. Pompeiano, P. Arrighi, 1998). Дина Процесс дифференцировки нейронов универ мике подвержены не только синаптические, но и сален и достигает необратимого состояния в неспецифические межнейронные контакты терминальной стадии дифференцировки (Л.И.
(Н.Н. Боголепов, 1979;
Н.Н. Боголепов, И.И. Корочкин, 1991). Изменение нейро глио сосу Павловская, Н.И. Яковлева, 1979;
А.П. Новожи дистых взаимоотношений происходит при из лова, 1993). Морфологические изменения этих менении возраста и функционального состоя контактов сопровождаются разнообразием ния (Н.А. Межибровская, 1987).
функциональной активности нейронов и ведут к ГЛАВА IV. ТРАНСПОРТ ВЕЩЕСТВ В МОЗГЕ При суправитальном введении синего Эванса и среднем 7,18 + 0,15 мкм через 3 мин, и 11,63 + трипанового синего в нормальных условиях у по 0,19 мкм через 5 мин). Метиленовый синий про ловозрелых животных транспорт этих веществ че никает относительно равномерно, диффузно ок рез ГЭБ был значительно затруднен, но барьер рашивая структуры мозговой ткани уже через прорывался при высоких дозах введения препара минуту, повышаясь до максимума концентрации та. Более адекватным способом прорыва барьера через 15 минут и значительно снижаясь через мы посчитали создание условий искусственной мин и час после введения. Он преимущественно гипотермии, когда наблюдалось отчетливое очаго накапливается в ядрах всех клеток и цитоплазме вое нарушение барьерных свойств эндотелия в со нейронов (рис. 34, 35).
судах головного мозга. Наиболее активно это про Значительный интерес вызывают особенности исходило от 1 го часа до 4 х часов после прове переноса веществ через барьерные структуры.
денных манипуляций. После предварительных ис Так, диффузия синего Эванса протекает легче, чем следований мы остановились на введении препа трипанового синего, что приводит к более яркой рата через один час после создания искусствен окраске им отростков астроцитов. При этом краси ной гипотермии мозговой ткани. Диффузия краси тель хорошо проникают не на всем протяжении, а в теля проявлялась в окрашивании тех или иных тка части зон по ходу сосудистой стенки. Особенно это невых структур мозга. Процесс диффузии при вве заметно в более крупных сосудистых структурах.
дении метиленового синего и нейтрального крас Процесс диффузии характерен не только для мик ного для них был облегчен. Трассеры легко прони роциркуляторного русла, но и для артерий и вен.
кали через барьерные структуры мозга. Наиболее активно это происходит в посткапилля Наиболее интересными нам представляются рах. Наличие развитых глиальных муфт вокруг по данные по веществам с низкой проникающей спо сткапилляров, даже при повышенной проницаемо собностью. В условиях сохраненного барьера си сти последних не сопровождается прорывом барь ний Эванса и трипановый синий располагаются в ера в силу активного захвата краски отростками ас просвете исследуемых сосудов, часто формируя троцитов. Диффузия красителя ограничена 15 - мелкую зернистость. Трипановый синий окрашива мкм (в среднем 19,17 + 0,27 мкм через 10 мин., и ет эритроциты в темно синий цвет. Нередко можно 21,47 + 0,42 мкм через 30 мин) от границы эндоте было видеть нежное окрашивание эндотелиальной лиальной выстилки. Через час после введения яр выстилки, но далее препарат не продвигался. По кость окрашивания структур мозга значительно па добные же явления наблюдались при забое живот дает и видны лишь единичные слабоокрашенные ных через 1 минуту после введения препарата (рис участки. Распределение в них красителя ограничи 33). В случае прорыва барьера и трипановый синий вается расстояниями, наблюдаемыми через 15 - и синий Эванса диффундируют до отростков аст минут после введения вещества (в среднем 22,14 + роцитов и проникают в образованные ими перива 0,35 мкм). Краска практически не внедряется в скулярные сосудистые муфты, что позволяет окра структуры перицитов, что позволяет предполагать сить терминальные ножки их отростков. Пути их низкую активность в процессах транспорта вы транспорта красителя, по видимому, осуществля сокомолекулярных органических веществ.
ются по ходу отростков глиоцитов, что приводит к Диффузия синего Эванса в системе микроцир формированию тяжей, содержащих краситель, куляторного русла происходит неоднородно и при диспергированный в виде мельчайшей зернистос прорыве им ГЭБ, он окрашивает ткань не равно ти. Форма данных тяжей напоминает архитектони мерно, а отдельными очагами, в результате чего ку отростков астроцитов, получаемую при окраске можно наблюдать мозаичную картину, когда в од по методу Гольджи Бюбенета. Краситель не прони ном ядре встречаются как зоны имбибированные кает в внутрь тел и отростков нейронов, оставляя красителем, так и свободные от него. Окрашива интактной цитоплазму цитоплазму. Наблюдаются ние происходит в соответствии с микробассейна лишь единичные случаи окрашивания нейронов. ми, которые были рассмотрены ранее. Если рас Таким образом, можно предполагать значение ма сматривать поперечное сечение сосуда, то транс кроглиоцитов, и в частности, астроцитов, в обеспе портные потоки осуществляются однородно во чении барьерных функций. Обширная площадь всех направлениях, убывая от просвета сосуда к контактной поверхности этих клеток может обеспе периферии. Таким образом, нарушение ГЭБ со чивать захват части веществ, предотвращая их провождается очаговостью поражения, в соответ прямое действие на структуры нейронов. ствии с нейро глио сосудистыми конгломератами.
Диффузия синего Эванса через 3Ц5 минут Обнаружилась функциональная неоднород достигает 6Ц15 мкм от поверхности сосуда (в ность транспорта веществ по ходу отдельных сосу дов, что проявляется в различном проникновении ральном сером веществе среднего мозга, голубо трассера по ходу сосудов. Можно встретить струк ватом месте, областях с диффузным распределе туры со значительным и слабым поглощением нием нервных клеток главного чувствительного яд красителя. ра тройничного нерва трассер распределялся бо Исследование у кролика и у крыс показало лее равномерно. К 10Ц15 минуте наблюдается близкие результаты. Следует указать на менее ста уменьшение содержания трассера в паренхиме и бильные данные по синему Эванса у кролика при кровотоке, что сильнее заметно к 30 минуте. Это действии гипотермии на уровне ствола головного может указывать на обратный процесс диффузии мозга, тогда как в больших полушариях нарушение красителя в сосуды. Более длительно трассер со барьерных свойств происходит аналогично крысе. храняется в ядрах клеток, особенно глиоцитах.
Это, вероятно, указывает на некоторое несовер Таким образом, обнаружены различные вари шенство использованного нами метода гипотер анты распределения веществ в нервной ткани, что мии на более крупных животных. Степень проник зависит от их основных и кислых свойств, степени новения веществ в ткани мозга и особенности связывания трассера с молекулярными и макро транспортного потока в аналогичные промежутки молекулярными комплексами клетки и межклеточ времени близки к крысам. Однако полная аналогия ного вещества. В рассмотренных случаях исполь представляется искусственной, так как после за зованы препараты, не утилизирующиеся или сла боя крыс и выделения структур ствола с холодовой бо утилизирующиеся тканевыми структурами моз фиксацией препарата проходило от 1 до 1,2 мин., га, что позволило рассмотреть транспортные по тогда как у кролика это занимало 5Ц7 мин, что вы токи для веществ вне зависимости от их метабо зывало значительные изменения диффузии препа лизма в тканях мозга. В пределах поперечного се ратов. Таким образом, выяснение транспортных чения сосуда диффузия красителя осуществляет процессов в мозге удобнее рассматривать на мел ся равномерно, при различиях транспорта в про ких животных (крыса, мышь). дольном направлении. Это экспериментально Рассматривая особенности нарушения барье подтверждает возможность для использования ра в экспериментальных условиях, выявлено, что предложенного показателя удельной площади по наиболее часто наблюдается очаговое окрашива верхности наиболее эффективного обмена микро ние дорсолатеральной области голубоватого мес сосуда с телом нервной клетки для веществ с низ та, вентральных структур моста (ядро моста). кой степенью или равномерным метаболизмом в Транспорт веществ в тканевые структуры мозга паренхиме мозга. Он представляется адекватным осуществляется неравномерно в различных сосу и в случае относительно равномерного распреде дах, что наиболее ярко проявляется в патологиче ления нейронов, когда транспортные потоки в пре ских условиях. Глубина диффузии ограничена делах капилляров слабо отклоняются от нормали и 20Ц25 мкм. При разнородности транспортных по нет необходимости дифференциального рассмот токов по ходу разных сосудов и даже одного сосу рения разнонаправленных векторов диффузии в да в различных его зонах, при рассмотрении его отдельных структурах сосуда. Но если даже и при поперечном сечении выявлено, что трассеры про нять диффузионные потоки как отклоняющиеся от никают одинаково во всех направлениях. Несколь нормали, то вероятность диффузии вещества в ко иные результаты получены при исследовании направлении тела нейрона будет экспоненциаль метиленового синего. Согласно полученным дан но снижаться с увеличением углового расстояния ным, он легко подвергается транскапиллярному от медианы, соединяющей рассматриваемый со процессу переноса в стволовых отделах мозга, что суд и тело нервной клетки. Важным в обменных приводит к диффузному проникновению препара процессах, особенно с элементами активного та на 3Ц5 минуте после введения. При этом ткане транспорта, играет площадь обменной поверхнос вые структуры мозга окрашены слабо и неравно ти нервной клетки и находящихся с ней во взаимо мерно. Наиболее яркими выглядят ядра нейрог зависимости формы, размера, числа отростков лии. Тела нейронов нежно голубого цвета. Часть из нейрона. Значительная концентрация сосудов, об них окрашивается несколько ярче соседних кле наруженная особенно вокруг тел мезэнцефаличе ток. Видны ядра отдельных нервных клеток. Струк ского ядра тройничного нерва, может быть обус туры нейропиля не идентифицируются в силу рав ловлена не только степенью активности энергети номерного проникновения красителя в гетеро ческих процессов, но и низкой площадью поверх морфные структуры. Наблюдается различная ин ностей нейронов, имеющих округлую форму и ма тенсивность окрашивания белого и серого веще лое число отростков. Это может затруднять обес ства, и отдельных зон ядер. Наиболее явно разно печение по части активно всасываемых и метабо образие содержания красителя проявляется в ме лизируемых клеткой веществ, и в частности, по зэнцефалическом ядре, зонах с очаговым распре моносахарам, что было показано нами при мате делением тел нейронов главного чувствительного матическом моделировании транспорта глюкозы.
и двигательного ядер тройничного нерва. В цент ГЛАВА V. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЦНС V.1. Математический анализ диффу Сопротивление на каждом из рассмотренных зионных потоков кислорода и углекисло участков описывается формулой:
го газа (5.1.) Математический анализ диффузии газов, в частности по кислороду, на уровне системы ми где Rk - сопротивление в рассматриваемом ми кроциркуляторного русла, до настоящего вре крососуде (Па/мм3), hk - коэффициент кажу мени рассмотрен недостаточно.
щейся вязкости крови в микрососуде (ПаХс), Lk Приводимые ранее математические модели - длина микрососуда (мм), rk - средний радиус пытались рассмотреть газообмен в объеме це микрососуда (мм), - число пи.
лого мозга или в пределах условно формируе Коэффициент кажущейся вязкости крови в мого сосудистого цилиндра. Наиболее интерес микрососуде, применяемый в формуле 5.1, вво ной для дальнейшего использования при изуче дят отдельно для каждого микрососуда. Для со нии мозга в отечественных исследованиях явля судов радиусом от 2 до 10 мкм коэффициент ется модель К.П. Иванова, Ю.Я. Кислякова вязкости вводят согласно эффекту Фарадея - (1979). К сожалению, одним из важных упуще Линдсквиста при гематокрите 40Ц50%, что опи ний этой модели является излишняя ее форма сывается формулой:
лизация. Недостатками предложенного ими способа моделирования является искусствен (5.2.) ное распределение сосудов, строгие границы сосудистых микробассейнов, жесткая опреде где rk - средний радиус микрососуда приведен в ленность числа сосудов вокруг нервной клетки и мкм, а hk - приведено исходя из единиц число нейронов в окружении одного капилляра.
Н/мм3Хс. Общее сопротивление - R, определя Предложенный нами вариант моделирова ли отдельно по ходу каждой последовательнос ния предлагает изучить динамику диффузии га ти микрососудов согласно первому закону Кирх зов в реальных микрообъектах, предварительно гофа. Оно составляет:
реконструированных путем объемно простран ственной реконструкции срезов.
Формирование модели предваряет деталь (5.3.) ное исследование объекта с выбором наиболее Отсюда объемная скорость кровообращения типичных, а по желанию автора и атипичных об по рассматриваемой системе микрососудов:
разований, с последующей их реконструкцией на сериях срезов. Серийные реконструкции со провождались сохранением данных об особен ностях микроархитектоники в срезе. Анализ срезов осуществлялся через 5 мкм.
(5.4.), После получения реконструкции в компьютер заносились данные об объекте исследования с величиной ячейки 125 мкм3. Размер ячейки не имеет принципиального значения и может варь ировать от целей исследователя. Наши же ре где P - градиент давления между артериаль зультаты указывают на достаточную степень ин ным и венозным концами микрососудов (Па).
формативности даже при данных размерах яче Линейная скорость кровотока в терминаль ек.
ных капиллярах - vk (мм/с) составляет:
В модели идентифицировали тип каждого микрососуда. Для этого отслеживали по ходу (5.5.) препарата особенности мышечной стенки и уг лы ветвлений микрососудов.
Гидростатическое давление в артериоляр Линейную скорость кровотока в выносящих и ном конце в норме примем равным 35 мм рт. ст., приносящих микрососудах - vs (мм/с) - рассчи в венулярном конце - 20 мм рт. ст.
тывали, учитывая сумму объемных скоростей кровотока образующихся или сливающихся со удельное содержание кислорода в нормальных судов. Отдельно рассматривали каждый из уча условиях принимали равным 0,2 мО2/мм3, что стков между новыми ветвлениями. Формула на поддерживается большинством литературных участке из двух слившихся сосудов принимает источников. Если начало артериального конца вид: капилляра выходило за рамки рассматриваемой модели, на микропрепарате обязательно нахо дили артериолу, от которой отходил микросо (5.6.) суд, и изначальный максимальный уровень со держания кислорода, рассчитывался, с учетом Если концы капилляров не попадают в преде длины предшествующего модели отрезка от ме лы рассмотренной модели, то их длину для чело ста входа приносящего микрососуда.
века принимаем равной 0,7 мм, а для собаки - Во всех случаях в каждом последующем уча 0,64 мм, что считается их средней длиной соглас стке Ka определялся по концентрации кислоро но экспериментальным данным, подтвержденны да в дистальном конце предыдущего участка.
ми нашими собственными исследованиями.
При слиянии в венозных концов кровеносных Для моделирования изменений содержания сосудов содержание кислорода усреднялось с кислорода (К) по ходу кровеносного сосуда ис учетом его содержания в обоих сливающихся ходили из формулы:
участках микрососудов и объемной скорости кровотока в них. Таким образом, формула в об щем виде такова:
(5.7.), (5.10.), где Ka - содержание кислорода в артериальном где Kvk - удельное содержание кислорода в ве участке сосуда (мО2/мм3);
l - изменение дли нозном конце сливающегося сосуда ны участка сосуда (мм);
Mt - удельное потребле (мО2/мм3);
Qk - объемная скорость кровотока в ние кислорода нейропилем (мО2/мм3Хсек);
сливающемся сосуде (мм3/сек);
- суммар Mkk - удельное потребление кислорода телом ная объемная скорость кровотока всех сливаю нервной клетки (мО2/мм3Хсек);
R - радиус со щихся сосудов в рассматриваемом участке судистого цилиндра (мм);
Vkk - объемы нейро (мм3/сек). Так как в исследуемых структурах в нов которые снабжаются данным сосудом каждом участке сливались обычно по два сосу (мм3).
да, формула в этих случаях принимала более Части объемов нейронов, которые снабжа простой вид:
ются рассматриваемым сосудом, находили, ис пользуя формулу:
(5.11.) (5.8.) Динамика различий парциального давления, степени расширения кровеносных сосудов на где Vk1g - общий объем клетки;
L1 - длина пер ходится в непосредственной связи с изменени вого сосуда на расстоянии менее 25 мкм от тела ем пульсовой волны, что наиболее выражено в нервной клетки;
- суммарная длина всех приносящих сосудах, но на уровне внутримозго сосудов, располагающихся на расстоянии ме вых сосудов эти различия не столь существенны нее 25 мкм от тела нервной клетки.
и при моделировании движения крови в системе На участке сосуда, лежащем более чем в не учитывались. После вычисления содержания мкм от ближайших нейронов, изменение содер кислорода по ходу сосудов можно выяснить его жания кислорода определялось, исходя из урав парциальное давление в мм рт. ст. или в Па. В нения:
работе мы предпочли более привычные для би ологов мм рт. ст., к тому же результаты легко пе (5.9.) реводятся в Па через соответствующий коэф фициент (путем умножения на 133,3), и это не Содержание кислорода в артериальном уча является принципиальным. Парциальное давле стке сосуда определялось следующим образом. ние кислорода в сосуде определяется его со В проксимальном конце артериолы или арте держанием и кривой диссоциации гемоглобина.
рии, который определяли в реконструкции, Последняя величина зависит не только от со держания кислорода в сосуде, но и от парциаль а, по сути показывает давление в центральной ного давления растворенного в нем углекислого части ячейки);
h2 - площадь соприкосновения газа. При парциальном давлении углекислого соседних ячеек (в конкретной нашей модели со газа (Рсо2) = 40 мм рт. ст. кривая диссоциации ставляла 25Х10Ц6 мм2);
mi,j,k - потребление кис кислорода может быть описана по Шумихину лорода в данной ячейке (мО2/мм3Хсек). Приве Р.В, Васильеву Ю.Г. (2002) следующей форму дем формулу к более простой форме и получа лой: ем в соответствии с данными Ю.Я. Кислякова, И.С. Бреслав (1988) уравнение:
(5.15.) (5.12.) Исследованная модель исходит из некоторых допущений, вероятно, важных, но, к сожалению, на сегодня недостаточно разработанных физио Концентрацию кислорода можно определить логами и требующих дополнительного изучения.
с учетом экспериментальных кривых диссоциа Одним из таких параметров является неравно ции оксигемоголобина при различных Рсо2. мерность потребления кислорода и выработки Данный способ выяснения содержания кисло углекислого газа в нейропиле. Мы понимаем, что рода подробно описан в работе К.П. Иванова, тела астроцитов, олигодендроцитов, отростки Ю.Я. Кислякова (1979). После выяснения Ро2 по нервных клеток и синапсы могут значимо разли ходу каждого кровеносного сосуда моделирова чаться по данным показателям. К сожалению, в ли Ро2 в тканях и, в частности, в телах нервных доступной литературе нет таких данных, да и соб клеток, с учетом их удельной потребности в кис ственно взаимное распределение и относитель лороде. Согласно рекомендациям Ю.Я. Кисля ный объем каждого из приведенных клеточных и кова, И.К. Бреслав (1988), в соответствии с за субклеточных компартментов одновременно, в конами диффузии веществ по градиенту кон одной и той же структуре мозга рассмотреть не центрации, с учетом потребления этого вещест возможно. К тому же метаболизм кислорода и уг ва в тканях мозга, парциальное давление кисло лекислого газа в нейропиле, по данным физиоло рода в тканях мозга находили таким образом: гических исследований, на порядок ниже, чем тел нервных клеток, что позволяет уделять основное внимание телам нервных клеток. Можно предпо (5.13.), лагать также несколько различный характер диф фузии через межклеточные пространства и дру где Dt - коэффициент диффузии кислорода в гие структуры даже по кислороду и углекислому нервной ткани, равный 1,7Х10Ц3 мм2/с;
t - ко газу, но, зная о крайне сложном характере меж эффициент растворимости кислорода в тканях клеточного пространства нервной ткани, на сего мозга, равный 3Х10Ц8 мО2/мм3Хмм рт. ст. (G.
дня невозможно ясно себе представить характер Thews, 1960).
его распределения и преимущественной направ При изучении парциального давления кисло ленности. Мы исходили из предположения о слу рода в отдельных ячейках дифференциальные чайном характере межклеточных щелей и воз уравнения могут быть заменены разностными:
можности относительно равномерного распрост ранения этого вещества в пространстве нейро пиля, что позволяет рассматривать область меж ду телами нейронов, как математически изо морфную, с близкими возможностями диффузии и уровнем потребления. В последующих иссле (5.14.), дованиях интересным было бы разрешить и при веденные проблемы.
Изучение диффузии углекислого газа имеет ряд особенностей по отношению к кислороду.
Если по кислороду необходимо учитывать осо где Ро2 i,j,k - парциальное давление кислорода в бенности его диффузии и потребления в раз данной ячейке (условно предполагается, что личных тканевых компартментах, то транспорт оно равномерно распределено в объеме ячейки, углекислого газа обусловлен не только собст венно растворенным в биологической среде га фалическом ядре тройничного нерва собаки зом, но и диффузией солей угольной кислоты, а (рис. 57). Рассмотрим модель при нормальных также связанными с нею соединениями (в част показателях кислорода и углекислого газа, нор ности с гемоглобином). Таким образом, содер мальном системном давлении в артериях. Бу жание собственно свободного углекислого газа дем исходить из предположения, что содержа составляет лишь малую толику от его производ ние кислорода в артериолах равно 0,2Х10 - ных в тканевых структурах организма. Следует мО2/мм3, что соответствует содержанию кис иметь в виду, что распространение одно и двух лорода 95,8 мм рт. ст. По данным других авто замещенных анионов угольной кислоты в кле ров, на уровне артериол и прекапилляров оно точных компартментах и в межклеточном веще составляет 94 мм рт ст. (U. Cleichmann et al, стве может осуществляться относительно неза 1962). Уровень Расо2 = 40 мм рт. ст, рН артери висимо друг от друга и контролироваться степе альной крови считали равным 7,4.
нью проницаемости ионных каналов. В то же При нормальном системном артериальном время диффузия углекислого газа через мемб давлении средняя скорость движения крови в ранные структуры клетки осуществляется сво капиллярах, полученная экспериментальным бодно по градиенту концентрации. Соотноше путем во внутренних органах, составляет 0, ние угольной кислоты к растворенному углекис мм/с, при средней длине кровеносных капилля лому газу - величина довольно постоянная при ров 0,67 мм (Y.P. Ma et al, 1974). Согласно ре условии неизменности состава основных гради зультатам нашего морфометрического анализа, ентов составляющих жидкость, а также едином длина сосудов в структурах рассмотренных температурном режиме. Таким образом, парци нервных центров головного мозга составляла от альное давление углекислого газа может слу 0,1 до 1 мм. При математическом анализе дина жить косвенным, но достаточно достоверным мики движения сосудов, с учетом их длины и ди показателем состояния кислотно щелочного аметра, выяснено, что скорость движения крови равновесия и общего содержания как свободно в капиллярах (согласно расчетам), колебалась го, так и связанного СО2. от 0,2 до 1 мм/с. В каждом из капилляров в при По мнению большинства авторов, парциаль веденной модели учитывалась линейная ско ное давление растворенного углекислого газа в рость движения крови. Отдельно рассматривал артериальной крови (Расо2) составляет 40 мм ся каждый участок, формируемый в результате рт. ст. Парциальное давление углекислого газа в слияния или ветвления микрососудов. Разница венозной крови Рвсо2 имеет величину 46Ц48 мм систолического и диастолического давления в рт. ст. Парциальное давление в крови Рксо2 опи артериолах не учитывалась, в связи с незначи сывается формулой: тельными перепадами давления в системе мик роциркуляции внутри мозга.
Потребление кислорода телом нервной клет ки приняли равным 6,0Х10Ц6 мО2/мм3сек, а нейропиля - 0,167Х10Ц6 мО2/мм3сек (рис. 58), (5.16.) что соответствует, после приведения к исполь зуемым нами единицам измерения, данным К.П.
Иванова, М.К. Калининой (1972), H. Hyden., P.W.
Lange (1965). Выяснилось, что величина парци По головному мозгу дыхательный коэффици ального давления кислорода в покидающей мо ент считается равным единице. Коэффициент дель вене приближается к средней величине, растворимости в тканях мозга составляет tСО2 приводимой в различных источниках по внеор = 5,6 мСО2/мм3 Мпа = 7,47Х10Ц4 мО2/мм3 мм ганным венам мозга, составляя 37 мм рт. ст. Од рт ст., то есть значительно выше, чем для кисло нако содержание кислорода по ходу мелких вы рода, с учетом образования углекислым газом носящих сосудов распределяется весьма не других соединений. Для крови кСО2 = 5, равномерно. В венулах имеются зоны, в которых мСО2/мм3 ХМпа = 6,74Х10Ц4 мО2/мм3 мм рт.
парциальное давление опускается до достаточ ст. Dк - коэффициент диффузии кислорода в но низких величин - 23Ц25 мм рт. ст. Одна зона в крови равен 2,5Х10Ц3 мм2/с.
приведенной модели со значительным сниже нием содержания кислорода предшествует об V.2. Результаты, полученные при ана ласти слияния венулы с коротким капилляром, лизе диффузионных потоков кислорода потери кислорода в котором незначительны. В на математической модели.
результате смешивания крови парциальное давление вновь поднимается до 50 мм рт. ст. По В качестве примера приведен анализ на од сути, этот капилляр близок к полушунту. В силу ном из реконструированных объектов: мезэнце небольшой длины сосуда и невысокой величины сопротивления, он осуществляет заброс крови, дикалов, вызывающих нейротоксическое дейст восстанавливая уровень давления кислорода в вие (И.Т. Демченко и др., 1999). В капиллярах выносящем сосуде. Имеются варианты слияния даже большой длины, проходящих через струк более крупных посткапиллярных структур, с туры белого вещества и нейропиля, потери кис близкими уровнями парциального давления лорода по ходу их движения, менее значитель кислорода. Присутствие капилляров короткой ны, чем в участках, которые пространственно длины позволяет предполагать и возможные примыкают к телам нервных клеток. Капилляры, механизмы их формирования. Как видно из ма идущие из белого вещества мозга, даже про тематической модели, области значительного шедшее значительное расстояние, имеют до снижения содержания кислорода, соответству статочно обогащенную кислородом кровь. Этот ют зонам мозга, находящимся в условиях мест уровень кислорода быстро уменьшается при ной гипоксии. Это, вероятно, приводит к форми приближении микрососуда в зоны, непосредст рованию сосудистых почек, которые, сливаясь с венно окружающие тела нервных клеток.
близлежащими артериолами, восстанавливают При анализе распределения кислорода в тка условия адекватного сосудистого обеспечения. невых структурах мозга видно, что по мере уда Это подтверждается мнением ряда авторов, что ления от кровеносного сосуда уровень раство гипоксия и образующиеся на ее фоне продукты ренного газа в нейропиле вначале быстро убы метаболизма, являются факторами наиболее вает. В пределах 10 мкм от артериального конца активно стимулирующими ангиогенез. Астроци микрососуда уровень парциального давления ты, в соответствии с энергетическими потреб кислорода падает на 15Ц20 мм рт. ст. (на 8 - ностями, способны специфически регулировать мм рт. ст. через 5 мкм), а на расстоянии 30 мкм сосудистый тонус, расширяя при необходимос он снижается на 38Ц45 мкм. Затем концентра ти регионарные артерии (S. Murphy, G. Rich, K.L. ция начинает снижаться плавно на 0,3Ц2 мм рт.
Orgren, 1994). Стимуляция астроцитов может ст. каждые 5 мкм. Чем дальше от микрососудов, вызвать синтез ими вазоактивных веществ: про тем более постепенным становится падение стагландинов, активирующего фактора тромбо парциального давления. Если к сосудам непо цитов, оксида азота (S. Murphy, R.L. Minor, G. средственно примыкает тело нейрона, динами Welk, D.G. Harrison, 1991;
S. Murphy, G. Bruner, ка понижения парциального давления кислоро M.L. Simmons, 1992;
B. Pearce, G.P. Wilkin, 1995). да носит несколько иной характер. Снижение Нейроглия оказывает влияние и на процессы ан парциального давления происходит в пределах гиогенеза (M. Assimakopoulou, I. Varakis, N. 5 мкм с 13 до 21 мм рт. ст., а на расстоянии Papadakis, 1997), выделяя в числе прочих, фак 10 мкм на 20Ц28 мм рт. ст. В пространствах, за тор роста сосудистого эндотелия (K.H. Plate et нимаемых телами нервных клеток, уменьшение al., 1994, 1997;
S.Y. Cheng, 1997;
L.R. Ment, 1997 парциального давления кислорода происходит a). Данный гормон оказывает мощное стимули гораздо быстрее, чем в нейропиле: от 4 до 1 мм рующее действие на ангиогенез в зонах повреж рт. ст. на расстоянии 5 мкм. Области, занимае дений и участвует в медиации нарушений гема мые телами нервных клеток, формируют на гра тоэнцефалического барьера (S. Nag, 1997). фиках, отражающих уровень Ро2, "впадины", Фактор роста сосудистого эндотелия является особенно в центральных зонах крупных перика важным в формировании кровеносного русла в рионов. Центральные участки тел крупных нерв ЦНС, и активно выделяется астроцитами при не ных клеток характеризуются снижением Ро2 при достаточной оксигенации (L.R. Ment et al., 1997 предположении о потреблении на уровне 6Х10 - b), действуя местно через соответствующие ре мО2/мм3Хсек до 19 и 23 мм рт. ст.).
цепторы (flk 1). Данные рецепторы наиболее Данные анализа на рассмотренной модели интенсивно экспрессируются в ситуациях опу показывают, что соседние участки микробас холевого роста (K.N. Plate, 1994). Обнаружено сейнов, даже при изучении пространств нейро значительное повышение выработки трансфор пиля, свободных от тел нервных клеток, имеют мирующего фактора роста вблизи некротичес значительные различия в уровне газообмена.
ких очагов поражения головного мозга. Наибо Имеются зоны с высоким уровнем содержания лее активно он выделяется астроцитами (обна кислорода в микробассейне, в зоне нейропиля, руживается в макрофагах, нейронах, эндоте до 45Ц55 мм рт. ст. В наиболее слабо обеспечи лии). При повреждениях усиливается экспрес ваемых областях микробассейнов есть участки с сия рецепторов к данному фактору во всех пе низким уровнем его содержания (до 34Ц35 мм речисленных клетках (A.K. Ata, Y. Olsson, K. Funa, рт. ст.). Различия еще более выражены при срав 1997). нительном анализе тел нейронов. Они значи В то же время головной мозг весьма чувстви тельно усугубляются от крупных к мелким нерв телен к гипероксии. Возможное влияние гипе ным клеткам. Причем крупные нейроны нахо роксии может быть связано с образованием ра дятся в условиях затрудненного газообмена, да же при наличии высокой степени концентрации а нейропилем до 0,24Х10Ц6 мО2/мм3Хсек, микрососудов вокруг них. Если центральные об (рис. 59), характерное для физиологических ус ласти тел нервных клеток крупных размеров ха ловий по данным К.П. Иванова, Ю.Я. Кислякова рактеризуются снижением уровня Ро2 до 20 мм (1979). Параметры парциального давления кисло рт. ст., то мелкие нервные клетки имеют уровень рода и углекислого газа, гемодинамики, состоя Ро2 около 40Ц45 мм рт. ст. Однако этим все не ния кислотно щелочного равновесия в системе ограничивается. В рассмотренном случае сни притока оставим на прежнем уровне. В этом слу жение уровня Ро2 в телах крупных нейронов бы чае уровень газообмена для тел крупных нервных ло от 19 до 23 мм рт. ст., т. е. различалось в не клеток в приведенной модели снижается до 13 и слишком широких пределах. Мелкие же нейро 18 мм рт. ст., а для мелких нейронов - до 27, 36 и ны в различных микробассейнах находятся в мм рт. ст. Наиболее "ишемизированные", удален весьма разных условиях газообмена. Это опре ные от тел нейронов участки нейропиля характе деляется степенью близости к капилляру, уров ризуются снижением Ро2 до 32 мм рт. ст., в то вре нем насыщения его кислородом а также услови мя, как есть области с незначительным уменьше ями газообмена в рассматриваемом микробас нием данного показателя. Такая активизация по сейне в целом. В результате различия в уровне требления О2 телами нейронов, однако, обычно насыщения О2 мелких нейронов колеблются сопровождается усилением активности нейропи от 30 до 46 мм рт. ст., т.е. в 1,5 раза, даже при ля, который может повышать потребность в О2 до предположении об одинаковом уровне их мета 0,205Х10Ц6 мО2/мм3Хсек. В пользу такого пред болизма. Важным представляется то, что даже положения указывает усиление активности астро если тело мелкой нервной клетки находится на цитов и олигодендроцитов в зонах с активирован "критическом" расстоянии от ближайших сосу ными нейронами по данным ряда авторов, полу дов микроциркуляторного русла (25 мкм), при ченным биохимическими и физиологическими ме среднем потреблении кислорода нервной клет тодами. Увеличение деятельности нервных клеток кой его содержание снижается до 30 мм рт. ст. сопровождается аналогичными процессами си Таким образом, высокая концентрация сосу наптической передачи. Все эти изменения выяв дов в сером веществе, особенно вблизи тел, ляются на уровне электронной микроскопии воз главным образом крупных нервных клеток, об росшей объемной плотностью митохондрий в си наруживаемая при морфометрическом анализе напсах и телах глиоцитов. Для начала не будем из препаратов, при моделировании газообмена по менять показатели микроциркуляции. Данная си О2, выявляет, что эта концентрация лишь ком туация в принципе маловероятна, но не следует пенсирует значительное увеличения потребнос забывать, что мы и так используем в модели все ти в нем перикарионов, а вовсе не указывает на выявленные сосуды, среди которых в покое, во улучшение их обеспечения. Если крупные ней всяком случае, часть из них может быть в спав роны при среднем уровне потребления кисло шемся виде и не играть значительной роли в газо рода в рассмотренной модели характеризова обмене. Введение нового показателя весьма су лись близкими величинами содержания О2, то щественно изменило уровень парциального дав нейропиль и мелкие нервные клетки отличались ления кислорода в межклеточном веществе и, ча высокой степенью разнообразия этого показа стично, в сосудистом русле. Значительно снижа теля. Эти различия определялись зонами, огра ется Ро2 в крупных нейронах и в центральной их ча ниченными капиллярами, что позволяет гово сти (до 11 и 15 мм рт. ст.);
в мелких нервных клет рить о трофических микробассейнах. Подобные ках до 22, 31 и 34 мм рт. ст. В рассматриваемой ве микробассейны, как уже указывалось при мор не наблюдается снижение данного показателя на фологическом анализе, охватываются отростка выходе до 35,5 мм рт. ст. Имеются значительные ми астроцитов. В модели можно видеть, что ос колебания парциального давления кислорода в новная масса отростков распределена в прост нейропиле в областях отдаленных от тел нервных ранстве близких условий содержания О2 и, по клеток на расстоянии более 10 мкм от 26 до 50 мм сути, направлена по линиям основных потоков рт. ст. Области со значительной степенью сниже диффузии кислорода в нейропиле. Интересной ния кислорода в нейропиле отличаются более вы особенностью астроцита является его связь с раженным падением его содержания при увеличе прилежащими артериолой, капиллярами и пост нии метаболизма. Участки с более благоприятны капилляром, что позволяет предполагать воз ми условиями обеспечения реагируют в значи можность контроля этой клеткой условий тро тельно меньшей степени. Однако в наиболее фического обеспечения в пределах рассматри энергозависимых и наименее устойчивых участках ваемого микробассейна. тел нервных клеток, снижение Ро2 при пропорцио В предложенной модели изменим потребле нальном увеличении метаболизма происходит со ние кислорода телами нейронов до уровня макси относительно снижению его содержания в ткане мальной потребности - 6,8Х10Ц6 мО2/мм3Хсек, вых структурах. Это позволяет сделать вывод, что при единых условиях кровообращения и при одно ются снижением его уровня на 0,3Ц0,1 мм рт. ст., в временном увеличении энергопотребления, гипо то время как в нейропиле активированной зоны Ро ксические нарушения в тканевых структурах мозга опустилось на 4 мм рт ст. (с 26 до 22 мм рт. ст. в на носят локальный характер и ограничены микро иболее удаленных областях от сосудов).
бассейнами, образованными соседними микро Таким образом, локальное повышение актив сосудами, между которыми могут располагаться ности в отдельном нейроне может вести к значи участки нейропиля, а также тела нейронов. Как мому снижению резервно компенсаторных воз видно из полученных морфологических данных, можностей участка, сформированного неболь подобные участки объединены зонами распрост шим микробассейном, ограниченном соседними ранения астроцитов, которые охватывают близле капиллярными петлями. Примем во внимание жащие составляющие структуры микроциркуля возможную реакцию астроцита и возможные его торного русла. Таким образом, именно астроциты влияния с микрососудами, вокруг которых он за могут регулировать уровень газообмена в данном канчивает свои отростки. Как видно из реконст микробассейне, за счет приписываемой им воз рукции, рассматриваемый глиоцит охватывает от можности к расширению приносящих сосудов. ростками артериолу, 3 капилляра и один постка Это способно привести к изменению градиента пилляр. Наиболее значимой в данной ситуации давления между артериальным и венозным конца представляется возможность влияния на арте ми капилляров, опосредовать диаметр капилля риолу и способность расслабить ее гладкие мио ров и линейную скорость кровотока. Резче, в срав циты, увеличив просвет сосуда, уменьшая сопро нении со средним уровнем потребления, снижает тивление и увеличивая градиент давления между ся содержание кислорода в тканевых структурах капиллярами. Смоделируем увеличение просвета вокруг сосудов. На расстоянии 10 мкм от артери артериолы в 1,5 раза. Соответственное измене ального конца капилляра уменьшение Ро2 проис ние ширины просвета сосудов, увеличение гради ходит на 20 - 30 мм рт. ст., когда как в капиллярах, ента парциального давления приводит к измене непосредственно окружающих нейрон - на 35 - 40 нию линейной скорости кровотока в рассматри мм рт. ст. На расстоянии 30 мкм имеет место паде ваемом микробассейне от 1,4 до 2,2 раз, а объем ние Ро2 на 35 - 55 мм рт. ст., что, вероятно, значи ной скорости кровотока в 3 раза.
тельно понижает компенсаторные возможности к Увеличение линейной и объемной скорости газообмену подобных участков нейропиля. кровотока привело к незначительным изменениям Рассмотрим случай значительного усиления газообмена в рассмотренном микроансамбле.
энергопотребления и, соответственно, газообме Обнаруживается, что наиболее ишемизированный на, в каком либо локальном участке головного моз участок крупного нейрона имеет Ро2 равный 7 мм га, например, в зоне центрального расположенно рт. ст. в сравнении с 5 мм рт. ст. а мелкий нейрон го микробассейна рассматриваемой модели. Уве мм рт. ст. вместо 31 мм рт. ст. Ро2 нейропиля повы личим потребность в кислороде тел нейронов до силась с 22 до 24 мм рт. ст. в наиболее ишемизиро 7Х10Ц6 мО2/мм3Хсек и соответственно в нейропи ванном участке. Изменения условий газообмена ле до 0,24Х10Ц6 мО2/мм3Хсек. Оставим при этом соседних микроансамблей незначительны, кроме неизменными показатели гемодинамики и пара непосредственно примыкающих к среагировав метры артериальной крови. (рис. 60). Данное явле шим сосудам, где изменения также исчисляются ние с той или иной долей вероятности может иметь 1Ц3 мм рт. ст. Таким образом, усиление линейной и место при специфическом раздражении нервной объемной скорости кровотока в моделируемом клетки. Для мезэнцефалического ядра тройнично участке, при условии стационарного содержания го нерва таким примером может служить локаль функционирующих микрососудов оказывает весь ное воздействие на периферический рецептор ма умеренное компенсирующее влияние на усло нейрона, который располагается в парадонте. В вия газообмена. Подобная динамика может быть рассматриваемом случае обнаруживается значи одним из важных условий поддержания адекват тельное снижение парциального давления кисло ного уровня газообмена, приспосабливает ло рода (до 5,6 мм рт. ст.) в центральных зонах крупной кальные изменения потребностей в отдельном ми нервной клетки (до этого при потребности 6,8Х10Ц6 кробассейне к уровню его кровотока.
мО2/мм3Хсек она составляла 11 мм рт. ст.). В бо Моделирование различных ситуаций в рассмо лее мелкой нервной клетке она опустилась до 31 тренном участке указывает на совершено иные ус мм рт. ст. (имела значение 34 мм рт. ст.). Таким об ловия газообмена на очень локальных участках го разом, снижение парциального давления в более ловного мозга и значительные различия в пределах крупном нейроне происходит гораздо быстрее, соседних нейро глио сосудистых ансамблей. Гра чем в мелком. Влияние на соседние участки проис ницы этих ансамблей условно можно выделять ходит в минимальной степени. В соседней крупной пределами соседних капиллярных петель. Эти ан нервной клетке Ро2 сохранилось в пределах 15 мм самбли характеризуются условиями относительно рт. ст. Мелкие нейроны и нейропиль характеризу близкого газообмена и возможно трофического обеспечения. Соседние микробассейны находятся электродов, о том, что в условиях гипоксии проис в условиях относительно автономного газообмена ходит существенное снижение оксигенации крови и изменения условий диффузии кислорода в связи уже по ходу артерий. При дыхании газовой смеси с динамикой в одном из микробассейнов не оказы с 12% кислорода, 3% углекислого газа и 85% азо вают большого влияния на соседние трофические та содержание кислорода в системной артери ансамбли. Возможно, именно этим можно объяс альной крови составило 83 % So2, а в артериолах нить мелкоочаговые выпадения нейронов при об калибром 8Ц10 мкм только 57 % So2. Ро2 в этих ус щих повреждениях головного мозга (артериальная ловиях авторами описывалось через формулу или венозная гипертония, гипотермия и солнечный удар, сотрясение головного мозга и т.д.). Таким об (5.17) разом, знание средних размеров нейронов, обще где D - диаметр артериол (мкм). Для венул диа го уровня микроциркуляции в нервном центре в це метром 10Ц260 мкм эта зависимость отобража лом и многих других усредненных показателей не ется через формулу могут достаточно полно отразить состояние голо вного мозга и уровень резервно компенсаторных возможностей его трофического обеспечения да (5.18) же по такому простому показателю, как газообмен.
Результаты, полученные с помощью математи Значительно интереснее с этой точки зрения как ческого моделирования парциального давления раз не усредненные, а крайние показатели, под по ходу микрососудов, совпадают с результатами сказывающие с какого уровня может наблюдаться экспериментальных исследований авторов, что выпадение отдельных, наиболее чувствительных к подтверждает нашу математическую модель.
тем или иным влияниям групп нейронов.
Косвенным морфо функциональным подтверж V.3. Диффузионные потоки углекисло дением возможности активной компенсации аст го газа, полученные с помощью матема роцитами дефицита глюкозы в центральной нерв тического моделирования.
ной системе служит факт, что астроциты способны к ритмическому сокращению длительностью 90 с, с Исследование на математической модели Рсо периодом расслабления 240 с. Средняя частота та в тканевых структурах мозга и кровеносных сосу ких сокращений от 2 до 20 часов. При сокращении дах выявило следующие особенности распреде важным является то, что, по мнению авторов, отро ления. В крови при вводной переменной Расо2 = стки набухают, но не укорачиваются (Б.И. Ткаченко, 40 мм рт. ст., содержание углекислого газа в веноз 1994). Увеличение толщины отростков при учете ной крови увеличивается до Рвсо2 = 48 мм рт. ст.
возможности транспорта через них веществ, и, в Подобные данные согласуются со сведениями ав частности, глюкозы, может обеспечить значимое торов, полученных экспериментальным путем в увеличение площади обмена и облегчить транс артериях и венах магистральных сосудов мозга порт к поверхности тел нейронов.
(Н.В. Судаков, 2000). При этом распределение уг Значимым представляется фактор увеличе лекислого газа в рассматриваемой модели имеет ния объема межклеточного пространства при значительно более равномерный характер, чем по повреждении мозга с возникновением отека.
кислороду. Так в структурах нейропиля колебания Отек, с одной стороны, ухудшая состояние моз Рсо2 составляют не более 3Ц6 мм рт. ст. При по га в целом, тем не менее, может облегчить диф требности в кислороде тела нервной клетки, рав фузию органических веществ, и в частности, ном 6,0Х10Ц6 мО2/мм3сек, а нейропиля глюкозы через увеличение площади обмена.
0,167Х10Ц6 мО2/мм3сек (рис. 61), Рсо2 в нейро В отличие от базовой модели, предложенной пиле составило величину от 43 мм рт. ст. наиболее К.П. Ивановым, Ю.Я. Кисляковым (1979), наши оксигенизированных до 49 мм рт ст. в наиболее данные указывают на значительные резервно удаленных от капилляров участках нейропиля.
компенсаторные возможности мозговой ткани и Различия в уровне Рсо2 между соседними ячейка достаточную способность кровотока обеспечить ми также не столь существенны и не превышают повышение потребности нейронов по газообме 0,005 - 0,1 мм рт. ст. Уровень Рсо2 в нейронах вы ну. Крупные нервные клетки, как по нашим дан ше такового в нейропиле, но градиент давления ным, так и данным упомянутых авторов, находятся между центральными зонами нейрона и нейропи в условиях худшего газообмена, что значимо по лем составляет 2Ц5 мм рт. ст. Наиболее он выра вышает их чувствительность к гипоксии. Но и для жен в крупных нервных клетках. В мелких нейронах них возможности сосудистой системы достаточ он не превышает 1Ц3 мм рт. ст. между центральны ны для восполнения потребности в кислороде.
ми зонами и границей тела нервной клетки и ней В то же время имеются данные (Е.П. Вовенко, ропиля. В рассмотренных телах крупных нейронов И.Б. Соколова, 2001), полученные на крысах с по выявлено повышение парциального давления уг мощью платиновых полярографических микро лекислого газа до 52 и 52,5 мм рт. ст., а в мелких ную организацию нейронов и нейропиля. Для нейронах оно составило 49, 49 и 49,7 мм рт. ст. Та кислорода и свободного углекислого газа, при ким образом, парциальное давление углекислого анализе их распределения в ткани мозга по газа в тканях мозга при среднем потреблении ко следнее не является обязательным. Это воз леблется от 43 до 52 мм рт ст., что соответствует можно в связи с тем, что их диффузия через экспериментальных данным, полученным другими мембраны мало отличается от таковой в гидро исследователями, указывающими на то, что сред фильной клеточной и внеклеточной среде моз няя величина Рсо2 в тканях мозга составляет от 40 га. Глюкоза же проникает через эндотелий ка до 60 мм рт. ст. Ю.Я. Кисляков, И.К. Бреслав (1988) пилляров путем активного транспорта. В тканях косвенно подтверждают результаты, полученные мозга можно предполагать пассивную диффу нами с помощью математического моделирова зию глюкозы в основном через межклеточное ния. Наиболее интенсивно изменяется содержа вещество, тогда как в тела нейронов и других ние углекислого газа в области его преимущест клеток глюкоза проникает активно, после чего венного синтеза (в цитоплазме нейрона) и в пери диффундирует во внутриклеточном веществе.
васкулярных пространствах. Интенсивное сниже Последний момент наименее изучен. Неясно ние парциального давления углекислого газа про продвигается ли глюкоза пассивно по градиенту исходит в пределах 10 мкм от капилляров (особен концентрации и не изменяет ли скорость этой но артериальных концов), а повышение - на грани диффузии внутриклеточный циклоз, облегчая ее це тела нервной клетки и нейропиля. Вблизи арте распространение в клетке.
риальных концов капилляров в пределах 10 мкм Межклеточное вещество в нервной ткани, по градиент давления может составлять от 2 до 6 мм данным литературы и при морфометрическом рт. ст., а на границе нейронов 0,5Ц3 мм рт. ст. анализе электроннограмм (как наших собствен Невыраженная изменчивость показателей ных, так и имеющихся в литературных источни парциального давления углекислого газа, воз ках) составляет от 10% до 12% ко всему нейропи можно, объясняется высокой степенью поглоща лю. Он рассматривался нами как объем, в кото ющей способности биологических жидкостей, ром осуществляется распределение глюкозы в где лишь незначительная часть СО2 находится в мозге. Здесь распределение глюкозы осуществ свободном, растворенном состоянии, что значи ляется пассивно по градиенту концентрации, с мо влияет на особенности его распределения в постепенным снижением концентрации на фоне тканевых структурах мозга. Таким образом, диф ее потребления тканевыми структурами мозга.
фузия углекислого газа в центральной нервной Метаболизм глюкозы в мозге на 90% осуще системе не проявляет, в отличие от кислорода, ствляется путем аэробного фосфорилирования, тенденции к зависимости от отдельных микро и лишь 10% анаэробным гликолизом. По данным бассейнов и выраженных признаков накопления литературы анаэробный гликолиз характерен в в каком либо локальном участке нервной ткани. основном для нейроглии (в первую очередь, ас Возможно, иная тенденция была бы при модели троцитов и, в какой то степени, микроглиоцитов ровании распределения карбоната и гидрокар и олигодендроцитов). В рассматриваемой мо боната, но, к сожалению, математический расчет дели можно предусмотреть оба варианта. Для этих показателей весьма сложен. Нет эмпириче первого приближения откажемся от рассмотре ских коэфициентов трансмембранного переноса ния анаэробного гликолиза. Дыхательный коэф ионов одно и двухзамещенной угольной кисло фициент для глюкозы составляет в головном ты в нейронах и нейроглие. мозге единицу. Соотношение метаболизма глю При увеличении парциального давления уг козы к потреблению кислорода рассчитаем ма лекислого газа в приносящих сосудах степень тематически. Известно, что утилизация одного изменения его содержания в нервной ткани из грамма или 0,84 л кислорода сопровождается меняется несущественно и ограничивается пре утилизацией 0,937 г глюкозы (G. Lusk, 1931).
делами в 1Ц3 мм рт. ст., при этом сохраняются Введем это отношение к потреблению кислоро основные особенности распределения углекис да, переведя потребление мл кислорода в грам лого газа в тканевых структурах. мы. В случае с нейропилем потребление глюко зы путем аэробного гликолиза составляет 0,232Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек при величине V.4. Моделирование транспортных по утилизации кислорода 0,167Х10 - токов глюкозы в нервной системе. мО2/мм3Хсек. В случае потребления телом нейрона 6,000Х10Ц6 мО2/мм3Хсек потребление В отличие от моделирования диффузии кис им глюкозы составит 8,346Х 10Ц9 г глюко лорода и углекислого газа, осуществляющихся зы/мм3Хсек. Таким образом, сформулируем пассивно, по направлению наименьшей концен уравнение содержания глюкозы в теле нейрона.
трации, для глюкозы важно учитывать мембран Оно представляется наиболее простым из сис темы рассматриваемых величин. Концентрация глюкозы в 1мм3 тела нейрона составляет:
(5.21.) При активном переносе вещества К1 не рав но К2. Если обозначить через с0 общую концент (5.19.), рацию переносчик мембране во всех его фор мах, то этот показатель описывается формулой:
(5.22.) Поскольку скорость всего процесса перено где Pkg - концентрация глюкозы в клетке (г глю са определяется скоростью диффузии комплек козы/мм3);
l - длина ячейки (5Х10Ц3 мм);
V - са через мембрану, для плотности суммарного (объем ячейки - в нашем случае составляет потока вещества через мембрану имеем:
125Х10Ц9 мм3);
mi,j,k - потребление глюкозы в данной ячейке (г глюкозы/мм3Хсек) Dk - коэф (5.23.) фициент диффузии глюкозы в нервной ткани где (мм2/с);
h2 - площадь соприкосновения сосед них ячеек (в конкретной нашей модели состав (5.24.) ляла 25Х10Ц6 мм2). Показатель Dk в гиалоплаз а P - коэффициент проницаемости мембраны ме и ядре нервной клетки неизвестен, имеются для комплекса, D - коэффициент диффузии лишь указания на коэффициент диффузии в би комплекса в мембране, l - толщина мембраны. В ологических средах тканей, равный 5Х10 - стационарном состоянии поток комплекса в од мм2/с (K.Groebe, 1986), который и принят за ос ном направлении равен потоку переносчика в нову расчета, за неимением иного.
другом и описывается следующим образом:
Однако транспорт глюкозы в клетку осуще ствляется активно. Зависимость потока F через мембрану, в отсутствии влияния мембранного (5.25.), потенциала, от концентрации транспортной АТФ азы и концентрации ионов по сторонам от где Pс - коэффициент проницаемости мембра мембраны [S]1 и [S]2, описывается уравнением:
ны для свободного переносчика, Dс - коэффи циент диффузии переносчика.
Размер молекулы переносчика гораздо боль (5.20.), ше молекулы глюкозы. Поэтому можно постули ровать, что коэффициенты диффузии комплек са и переносчика в мембране равны и значит Р = Pс, а формула принимает вид где с0 - концентрация фермента переносчика на мембране, Р - коэффициент проницаемости (5.26) мембраны для переносчика в комплексе с фер ментом, К1 и К2 - константы диссоциации ком плекса переносимого вещества с активным цен Скорость транспорта J (произведение потока тром фермента переносчика с дух сторон от и площади поверхности мембраны). При разных мембраны.
[S]1 1/J откладывают на графике как функцию Перенос вещества (S) с помощью переносчи l/[S]1. Получается прямая (график Лайнуивера ка (С) через любую мембрану упрощенно можно Берка), которая описывается формулой:
представить себе в виде двух процессов: диф фузии в мембране комплекса (CS) одном на (5.27.), правлении и диффузии свободного переносчика в обратном направлении. Главным барьером транспортируемого вещества служит сама мем где Jm - максимальная скорость транспорта, брана. Поэтому можно принять, что у обеих по равная произведению Фм и площади поверхнос верхностей мембраны быстро устанавливается ти мембраны. Максимальная скорость транс равновесие вещества и свободного переносчи порта при прочих равных условиях зависит от ка с комплексом и, следовательно, концентрации глюкозы на внешней поверхности мембраны. Уменьшение же Jm может быть ре стороны, то соответственно коэффициент вса зультатом снижения площади поверхности мем сывания применяем по отношению к двум или браны, концентрации переносчика или скорости трем поверхностям ячейки. Наибольшие слож диффузии комплекса через мембрану. Коэффи ности возникают при трактовке коэффициента циент трансмембранного переноса через еди всасывания (концентрирующей способности ницу поверхности мембраны клетки, таким об мембраны клетки). Можно предполагать его вы разом, зависит от многих параметров, в том сокую степень лабильности, в зависимости от числе от площади поверхности, числа молекул физиологического состояния нейрона и содер переносчиков, концентрации глюкозы вне и вну жания глюкозы в межклеточном веществе и вну три клетки. Обобщая формулы, введем коэффи три клетки. Данный коэффициент колеблется циент трансмембранного переноса глюкозы че при получаемых в межклеточном веществе кон рез мембрану нейрона - Dl. Конкретная величи центрациях в рассматриваемой конкретной мо на коэффициента при различном содержании дели от 12Х10Ц10 до 0,5Х10Ц10 г/мм2. При увели глюкозы вне нейрона и уровня его функциональ чении коэффициентов в конкретных участках ной активности на сегодня неизвестна. Но при мембраны нейрона, содержание глюкозы в при достижении равновесия между всасыванием лежащем пространстве мембраны нейрона пол глюкозы и скорости ее диффузии во внеклеточ ностью истощается. Величина данного показа ном матриксе этот коэффициент не может быть теля определена путем математического анали выше скорости восполнения потерь глюкозы в за и определялась содержанием глюкозы в меж перинейральном пространстве. Таким образом, клеточном веществе и в перимембранном про он может быть легко вычислен математическим странстве нейрона в результате процессов вса путем по тому пороговому уровню, когда содер сывания, оптимальным уровнем концентрации жание глюкозы непосредственно вокруг мемб глюкозы внутри нейрона. В случае введения раны нервной клетки стремиться к нулю. При единого показателя всасывания нервной клет вычислении данного коэффициента при различ кой по всей ее площади, обнаружилась весьма ных уровнях концентрации глюкозы в нервной интересная закономерность. Обнаруживается ткани он колеблется при различной концентра грубый дефицит глюкозы в перимембранном ции глюкозы в межклеточном пространстве от пространстве вокруг клетки, либо имеется не 14Х10Ц10 (при содержании глюкозы 6 кратно достаток глюкозы в самой нервной клетке. Та превышающей ее содержание в плазме крови) ким образом, полученный показатель для нерв до величин, стремящихся к нулю (параллельно ной клетки оказался нестабильным, а его вариа снижению концентрации глюкозы). тивность определялась степенью восполняемо Так как всасывание глюкозы происходит ак сти всасывания глюкозы через мембрану тела тивно, то ее содержание в периферических зо нервной клетки, диффузией глюкозы через меж нах цитолеммы нейрона определяется не только клеточное вещество нейропиля.
пассивными процессами диффузии, но и пло Значительно изменяется формула при опи щадью контактной поверхности рассматривае сании процессов диффузии глюкозы в нейропи мой ячейки с цитолеммой нейрона и коэффици ле. Распространение глюкозы мы описывали не ентом трансмембранного переноса глюкозы че по отношению ко всему объему ячейки рез клеточную мембрану. Таким образом, фор (125Х10Ц12 мм3), а к объему межклеточного ве мула для крайних ячеек приобретает более щества (12,5Х10Ц12 мм3). Соответственно пло сложный характер и имеет следующую форму: щадь обмена между двумя ячейками уменьша ется до 2,5Х10Ц8 мм2, в то время как длина "пе ремещения" молекулы глюкозы по ячейке со ставляет величину, примерно в 1,3Ц1,5 боль шую, по сравнению с длиной ячейки. Что связа но со сложной конфигурацией межклеточных (5.28.), щелей, формирующий сложный лабиринт, по ко торому перемещается глюкоза. Данные морфо метрического анализа электроннограмм указы вают на увеличение расстояния в нейропиле именно на указанную величину. Таким образом, содержание глюкозы в межклеточном веществе где Dl - коэффициент трансмембранного всасы нейропиля можно описать следующей форму вания глюкозы нейроном из межклеточного ве лой:
щества (г/мм2);
S - площадь контактной поверх ности мембраны нейрона (мм2). Если с поверх ностью взаимодействуют не одна, а две или три тикратно выше в сравнении со скоростью диф фузии глюкозы в межклеточном веществе, что при математическом моделировании этого про цесса приводит к накоплению глюкозы в услови ях обычного потребления до 2,5Ц3,5Х10Ц6 г глю (5.29.), козы/мм3 (или 0,25Ц0,35%).
Однако данная формула не отражает измене ния содержания глюкозы в непосредственном окружении тела нервной клетки. Формула долж на принять значение:
где Ptg - концентрация глюкозы в межклеточном веществе нейропиля (г глюкозы/мм3);
lt - длина ячейки (принята равной 7,5Х10Ц3 мм, с учетом примерно 50% увеличения расстояния, которое проходит глюкоза через межклеточные щели в нервной ткани).;
Vkn - (объем занимаемый клет (5.31.) ками и их отростками в нейропиле ячейки - в на шем случае составляет 112,5Х10Ц9 мм3).;
mkni,j,k - потребление глюкозы в данной ячейке путем аэробного фосфорелирования (г глюко зы/мм3Хсек);
Dkn - коэффициент диффузии глюкозы в межклеточном веществе нервной тка Отрицательное значение, полученное от сто ни, принятый как 5Х10Ц7 мм2/с;
h2 - площадь со роны ячейки, взаимодействующей с мембраной прикосновения межклеточного вещества сосед тела нервной клетки, связано с тем, что актив них ячеек (в конкретной нашей модели состав ное всасывание нейроном в любом случае при ляла 2,5 Х10Ц6 мм2).
водит к уменьшению концентрации глюкозы в Однако, в периваскулярно лежащих ячейках межклеточном веществе.
нейропиля, в ячейке, прилежащей к эндотелию, При описании изменений содержания глюко осуществляется активный транспорт глюкозы зы в межклеточном веществе следует учесть не через эндотелиальную мембрану. В связи с только потребление с помощью аэробного фос этим, формула в данных ячейках должна учиты форилирования, но и процессы анаэробного вать коэффициент концентрационной способ гликолиза. Учитывая, что по данным литературы ности эндотелия (коэффициент всасывания) и к анаэробному гликолизу как окончательному, а площадь контактной поверхности, с которой не промежуточному этапу катаболизма глюкозы, ячейка соприкасается с эндотелием. В этом способна нейроглия, но не нейроны, то формула случае формула примет следующий вид:
для нейропиля имеет вид:
(5.30.), (5.32.), где mkni,j,k - потребление глюкозы в данной ячейке путем анаэробного гликолиза и для иных где Dle - соотношение скорости всасывания нужд (г глюкозы/мм3Хсек). Соответственно из глюкозы эндотелием к пассивной диффузии в меняются показатели во всех предыдущих фор межклеточном веществе;
Se - площадь контакт мулах.
ной поверхности мембраны нейрона (мм2);
Vn - Рассмотрим и несколько других важных фак объем межклеточного вещества нейропиля ячейки - в нашем случае составляет 112,5Х10Ц9 торов, которые могут иметь значение для описа ния метаболизма глюкозы в структурах головно мм3). Ppg - концентрация глюкозы в плазме кро го мозга. Одним из таких факторов может явить ви (г глюкозы/мм3). Согласно данным литерату ся способность к ее накоплению в глиоцитах в ры (К.В. Судаков, 2000) соотношение скорости виде гликогена, но этот фактор в условиях физи проникновения глюкозы через эндотелий шес ологического равновесия и при отсутствии при знаков дефицита глюкозы не имеет существен (5.33.), ного значения, в условиях же недостаточности кровообращения он значим на промежутке вре мени до момента истощения запасов гликогена. где Pkd - средняя концентрация глюкозы в отро В этом случае следует учитывать не только при стках рассматриваемого нейрона в соседней веденные в предыдущих формулах показатели, ячейке (г глюкозы/мм3) Sd - площадь попереч но и переменную времени. При достижении но ного сечения отростков, сливающихся с телом вого уровня равновесия процесс распада глико нейрона (мм2). Соответствующим образом не гена и его синтеза выравниваются и вполне ук обходимо ввести поправки в приведенную фор ладываются в предыдущую формулу, как часть мулу.
коэффициента mkni,j,k.
Пожалуй, более значимой представляется возможность трансмембранного переноса глю козы в клетку не только через тела нейронов, но и их отростки, и в дальнейшем ее диффузии по градиенту концентрации от дистальных зон от ростков к телам нервных клеток. Данный показа (5.34.) тель наиболее значим для проксимальных зон дендритов и аксона. Проблему описания диф фузионно транспортных потоков для данных об ластей, особенно толстых отростков, до 5 мкм (размер рассматриваемой нами ячейки), можно более адекватно учесть, принимая в реконст рукциях эти части отростков, как продолжение тел нервных клеток и максимально их учитывать в описании. В этом случае новых формул не тре Изменения концентрации глюкозы, значимые буется. Совсем иная проблема описать диффу для рассматриваемого нейрона в этом случае зию с учетом совокупности дендритного дерева.
составят значение:
В этом случае, для приблизительного описания диффузионных потоков необходимо учитывать площадь контактной поверхности между ячейка ми, не только по отношению к межклеточному веществу, но и для отростков нервных клеток (h2 + hd2), где hd2 - площадь контактной поверх ности между ячейками, которая приходится на отростки нервных клеток (мм2). Однако в этом (5.35.) случае следует принять во внимание отдельно транспорт глюкозы по межклеточному веществу и по ходу отростков нервных клеток. Если диф фузия в межклеточном веществе происходит по градиенту концентрации и равновероятна во всех направлениях, то по отношению к отрост кам нейронов это предположение было бы не корректным. Направление диффузионных пото V.5. Результаты, полученные при ана ков по глюкозе для всей совокупности отростков лизе математической модели транспор в математическом выражении является на та глюкозы столько сложной величиной, что его описание представляется нам пока недоступным. Но с При изучении концентрации глюкозы и ее другой стороны подобное описание вероятнее транспорта в головном мозге млекопитающих всего и не имеет смысла. Для тела отдельного обнаруживается высокая степень вариабельно нейрона важен не сколько приток, осуществляе сти ее содержания. Особенную сложность она мый во всей совокупности отростков, а в его приобретает с учетом предположения о преоб собственных. Таким образом, величина поступ ладающей диффузии глюкозы через межклеточ ления глюкозы на единицу поверхности нейрона ное вещество в соответствии с градиентом кон можно сформулировать через следующий пока центрации. Если предполагать этот вариант затель:
транспорта в головном мозге как единственно возможный, то выявляется следующие законо тела нейронов, обнаруживается постепенное мерности ее содержания в головном мозге. снижение концентрации глюкозы до величины При предположении о том, что метаболизм 0,5Ц0,3Х10Ц6 г глюкозы/мм3. Но значительная глюкозы в головном мозге в основном ограничи часть областей характеризуется уровнем глюко вается аэробным фосфорилированием, а также зы в межклеточном веществе на уровне 1,1Ц0,8Х возможностью 10% метаболизма путем ана 10Ц6 г глюкозы/мм3, что приближается к показа эробного гликолиза потери глюкозы, в плазме телям плазмы крови. Рассматриваемые зоны крови от артериолы к венуле составляют 26%. характеризуются постепенным снижением Если принять содержание глюкозы в артериях уровня глюкозы на 0,001Ц0,003Х10Ц6 г глюко равным 1Х10Ц6 г/мм3, что соответствует данным зы/мм3 на каждые 5 мкм. Даже на значительном литературы (А.А. Богомолец, 1941), приведен удалении от микрососудов понижение уровня ным по собаке, модель мозга, которую мы и рас глюкозы в межклеточном веществе не достигает сматриваем, то в выносящем сосуде концентра в собственно белом веществе уровня критичес ция глюкозы в крови составляет 0,74Х10Ц6 кого снижения, уступая таковому в плазме крови г/мм3. Если же уровень глюкозы считать равным в 2Ц2,5 раз, что согласуется с данными литера 1,2Х10Ц6 г/мм3 (что соответствует верхней гра туры (Siegel, 1921).
нице нормы), то потери от артерии к вене соста Динамика изменений концентрации глюкозы вят 21%. По мнению ряда авторов, среднее со в зонах, непосредственно прилежащих к телу держание глюкозы в плазме венозной крови нервной клетки, имеет значительно более слож собаки составляет цифры на 13% ниже, чем в ный характер. Рассматриваемые зоны характе артериях (Lepine, 1941), что хоть и не совпада ризуются резким падением концентрации глю ет с нашими теоретическими выкладками, но козы. В непосредственном окружении вокруг те сопоставимо с учетом высокой степени по ла нейрона снижение концентрации глюкозы требления глюкозы головным мозгом, в срав происходит на 0,3Ц1,0Х10Ц6 г глюкозы/мм3 на нении с другими органами. Для подтвержде каждые 5 мкм. Это падение не компенсируется ния, либо опровержения собственных данных диффузией из прилежащих пространств нейро мы провели анализ содержания глюкозы 5 нар пиля при условии равномерного высокого вса котизированных собак. В общей сонной арте сывания глюкозы мембраной нервной клетки.
рии концентрация глюкозы в среднем состави Подобное явление может быть объяснено отно ла (1,07 + 0,06) Х10Ц6 г/мм3, а во внутренней сительно низким коэффициентом диффузии яремной вене - (0,78 + 0,08) Х10Ц6 г/мм3, что глюкозы в сравнении с растворенными газами и приближается к теоретическим результатам. малым объемом межклеточного вещества, что Содержание глюкозы в нейропиле рассмат сопровождается пропорциональным снижением ривалось лишь по межклеточному веществу. площади обмена между соседними ячейками и При этом учитываемые показатели имеют высо увеличением расстояния, по которому проходят кую степень вариабельности, как при сравнении молекулы глюкозы в межклеточном веществе содержания глюкозы между соседними микро мозга в силу его сложной формы. Наиболее вы бассейнами, так и внутри каждого из микробас ражены признаки падения концентрации глюко сейнов. Весомое значение в этих различиях зы на расстоянии 25Ц30 мкм. Нарушения ком имеет высокая потребность в глюкозе у перика пенсации приводят к невозможности равномер риона нервной клетки. ного активного всасывания значительного объе Рассмотрим уровень содержания глюкозы ма глюкозы на этом расстоянии и неэффектив при условии, что ее потребление телом нервной ности активной насосной функции клеточной клетки составляет 8,346Х10Ц9 г глюко мембраны нейрона. С учетом того, что в модели зы/мм3Хсек, при величине утилизации кислоро мы предусматривали возможность отрицатель да, равном 6,0Х10Ц6 мО2/мм3Хсек. Потребле ных значений, по ним можно судить о степени ние нейропиля принимаем, равным 0,232Х10Ц9 г дефицита при одинаковом уровне всасывания глюкозы/мм3Хсек, а это соответствует потреб всей поверхностью клетки. Как видно из среза, ности в кислороде - 0,167 Х10Ц6 мО2/мм3Хсек такой дефицит проявляется в отрицательных (рис. 62). При данном условии наиболее высо значениях лишь в непосредственном окружении кой концентрации в межклеточном веществе нервных клеток, но быстро компенсируется уже нейропиля глюкоза достигает в ближайших на расстоянии 5Ц10 мкм от тела нейрона. Таким 5 мкм и колеблется в пределах 2,5Ц3,5Х10Ц6 г образом, расстояние в 25 мкм является критиче глюкозы/мм3. На расстоянии 10 мкм ее содер ским, исходя из нашей математической модели, жание снижается до 1,8Ц2Х10Ц6 г глюкозы/мм3. не для газообмена, а для всасывания глюкозы.
При анализе накопления глюкозы в структурах Итак, скорость всасывания глюкозы телом белого вещества и зонах серого вещества, не нейрона в различных участках неодинакова и содержащего в непосредственном окружении прямо зависит от концентрации глюкозы в меж клеточном веществе. Данная особенность со падать. Наиболее значительное снижение со провождается значительным усложнением рас держания кислорода отмечается в центральных пространения глюкозы в нервной ткани с учетом зонах тел нейронов, тогда как глюкоза резко ее содержания в межклеточном пространстве. В уменьшается в участках, более всего удаленных связи с этим было использовано моделирова от сосудов. Подобное снижение может иметь ние транспорта глюкозы через мембрану нейро место и в ограниченных местах тесного приле на, которое примерно двукратно превосходит жания тел нейронов друг к другу. Мелкие нейро скорость ее диффузии в межклеточном вещест ны, даже весьма удаленные (до 20 мкм) от мик ве. При таком сочетании сохраняется баланс рососудов, не имеют выражено низкого уровня между уровнем потребления глюкозы и ее кон кислорода, сопоставимого с крупными нервны центраций в цитоплазме нейрона и содержани ми клетками. Совсем иная ситуация в случае ем в межклеточном пространстве. При более глюкозы. Она, как мы уже указывали, снижается значительной величине всасывания (2,5Ц3 раза) в них наиболее сильно.
наблюдается дисбаланс, приводящий к истоще При сравнительном анализе разнообразия нию содержания глюкозы в нейропиле, тогда как концентрации глюкозы, кислорода и углекисло уменьшение всасывательной активности приво го газа, выясняется, что наиболее лабильна ве дит к недостатку глюкозы в теле нейрона. личина концентрации глюкозы. Это должно зна Получаем следующее распределение глюко чительно затруднять возможности к ее компен зы в нервной клетке. В цитоплазме и кариоплаз сации в условиях дефицита. Вероятно, способ ме наиболее крупных нервных клеток в рассмат ность к кумуляции ее в виде гликогена как раз и риваемой модели наблюдается уровень от позволяет компенсировать эти различия. Глико 0,24Х10Ц6 до 0,10Х10Ц6 г глюкозы/мм3, что при ген в случае сохранения равновесия на опреде уровне потребления 8,346Х10Ц9 г глюко ленном уровне, не может играть существенной зы/мм3Х10Ц6сек может быть достаточным для 10 роли в транспортных процессах в силу компен и более секунд. Подобная же тенденция наблю сации его разрушения и синтеза, но он весьма и дается в нейронах небольшого диаметра, лежа весьма значим в условиях изменения потребле щих вблизи сосудов. В то же время в мелких, уда ния. Вероятно, благодаря ему, уменьшается ленных от сосуда, нейронах имеют место участки степень дефицита уровня глюкозы в участках, со снижением содержания глюкозы до где резко увеличиваются энергетические по 0,04Ц0,05Х10Ц6 г глюкозы/мм3, что значительно требности нейронов.
снижает возможности компенсации нервных кле Исходя из полученных результатов модели ток. Позволяя им иметь резерв потребления не рования, можно предположить, что в транспор более 4Ц5 секунд, в случае прекращения ее по те глюкозы могли бы участвовать не только те ступления извне. При этом области нейропиля, ло и отростки нейрона, но и астроциты с олиго прилежащие к подобным участкам, также имеют дендроцитами. Такое предположение позволя крайне низкие значения уровня глюкозы в нейро ет включить в данную транспортную систему пиле, вплоть до 0,003Ц0,01Х10Ц6 г глюкозы/мм3. объем значительно больший, чем межклеточ Подобное снижение уровня глюкозы в непо ное вещество. По данным литературы и при средственном окружении тел нейронов можно прямой морфометрии электроннограмм нерв также наблюдать на расстоянии 20Ц30 мкм от ной ткани тела и отростки нейроглии занимают микрососуда. Если расстояние более 30 мкм, от 6 до 8% нейропиля. Попробуем рассмотреть эта закономерность является преобладающей, особенности транспортных потоков глюкозы что значительно снижает компенсаторные воз при учете возможности ее транспортировки че можности нейронов к поглощению глюкозы при рез макроглию, с возможностью ее активного резком увеличении ее потребления. переноса в межклеточные пространства ней Важным представляется также и то, что даже в ропиля. Сразу оговоримся, что подобное пред хорошо кровоснабжаемых телах крупных нейро положение является во многом спекулятивным нов имеются области, удаленные от микрососу и на сегодня экспериментально не доказан дов, со значительным снижением концентрации ным. Впрочем, известна возможность накопле глюкозы. Например, имеются полюса, в которых ния гликогена в макроглиоцитах. Это позволя содержание глюкозы может снижаться до ет, правда косвенно, предполагать возмож 0,05Ц0,08Х10Ц6 г глюкозы/мм3. Вероятно, недо ность ее транспорта после гликогенолиза в ус статок глюкозы в этих участках служит одной из ловиях дефицита глюкозы. Хотя не исключено, причин известного в морфологии явления поляри что астроциты и олигодендроциты вполне мо зации митохондрий и ядра клетки, особенно при гут восполнять, таким образом, лишь свои по резком усилении интенсивности ее потребления. требности. Другим доказательством могут слу Очень интересным представляется тот факт, жить данные о том, что с помощью монокло что уровень кислорода и глюкозы может не сов нальных антител выявлено накопление нейро нами лактатдегидрогеназы 1 типа (сердечная шается содержание глюкозы на удалении от ми форма), тогда как в астроцитах обнаружена крососуда.
лактатдегидрогеназа 5 типа. Это прямо указы Данные влияния не в состоянии полностью вает на существование астроцитарно - ней скомпенсировать высокую степень всасыва ронного метаболического цикла, где лактат тельной активности мембраны нейрона уже на продуцируется в астроцитах, а разрушается в расстоянии 30Ц35 мкм от капилляров. Сохраня нейронах (L. Pellerin, P.J. Magistretti, 1994). Был ется тенденция к низкому уровню глюкозы в не выявлен обратный захват астроцитом некото посредственном окружении цитомембраны тела рых возбуждающих медиаторов из зоны синап нейрона. Все это приводит к очень интересной тического контакта (глютамат). Это приводит к тенденции. Хорошо обеспечиваемые глюкозой активации в астроцитах калий натриевой АТФ участки крупных нейронов характеризуются зна азы, захвату глюкозы и к продукции лактата (L. чительным повышением содержания глюкозы.
Pellerin, P.J. Magistretti, 1994). Последние два Цифры содержания глюкозы в их гиалоплазме и положения косвенно могут подтверждать наше кариоплазме колеблются от 0,35Х10Ц6 до предположение. Проблема заключается в том, 0,20Х10Ц6 г глюкозы/мм3. Однако зоны нейро что не ясны скорость диффузии лактата и ско нов с низким содержанием глюкозы хоть и рость его метаболизма в цитоплазме астроци уменьшаются по площади, весьма незначитель та, коэффициент трансмембранного переноса но меняют уровень глюкозы. В них ее содержа через мембрану нейрона. В принципе учет это ние остается в пределах 0,05Ц0,09Х10Ц6 г глюко го фактора не слишком сильно усложнил бы зы/мм3. В рассматриваемой модели это наибо формулу и при знании упомянутых коэффици лее характерно для мелких нейронов, удален ентов мог быть использован. Пока же мы упро ных от капилляров, либо слабо васкуляризован стили формулу, приняв, что перенос осуществ ных участках вокруг крупных нервных клеток.
ляется собственно глюкозы, а не ее и продук Таким образом, сохраняется явная тенден тов ее метаболического обмена. ция к зависимости уровня поступления глюкозы В пользу роли астроцитов в транспортных по от расстояния до микрососуда, вне зависимос токах в нейропиле может служить выявленная ти от размеров нервной клетки. Ограничение способность к сокращению у астроцитов в ЦНС, расстояния достаточного для активного поступ которая носит селективный характер в зависимо ления большого объема глюкозы увеличивает сти от функционального состояния нейронов. В ся, но незначительно (до 30Ц35 мкм).
супраоптических ядрах гипоталамуса крыс обна Если уменьшить уровень концентрации глю ружено специфическое сокращение отростков козы в плазме крови до 0,5Х10Ц6 г глюкозы/мм астроцитов при дегидратации и их восстановле (рис 63), известный, как вызывающий возбужде ние при регидратации, чего не наблюдается в по ние животного с активацией пищевого поведе добном состоянии в других отделах мозга, кото ния, то при неизменном уровне концентрацион рые функционально и секреторно менее активны, ной способности эндотелия (в шесть раз), рас чем нейроны супраоптического ядра, выделяю сматриваемой нами как максимальный, выясня щего антидиуретический гормон. Физиологичес ется, что содержание глюкозы в головном мозге кая роль изменений пространственной конфигу претерпевает существенные изменения.
рации отростков, вероятно, связана с проталки Значимую роль в этом может играть сниже ванием аксоплазмы нейронов и влиянием на ток ние содержания глюкозы в плазме на 38% в жидкости в межклеточном пространстве или сравнении со средней нормой.
обеспечении функционально активных нейронов Выявляется, что даже с учетом всех возмож (Б.И. Ткаченко, 1994;
N. Hawrylak et al., 1998). ных способов транспорта глюкозы в тело нерв Учитывая возможность транспорта глюкозы ной клетки, а именно - активного трансмемб через отростки и тела макроглии, наряду с отро ранного переноса, пассивной диффузии через стками каждого отдельного нейрона, и предпо отростки нейрона, возможного активного транс лагая восполнение ими дефицита глюкозы, при порта через цитомембраны нейроглии и пассив математическом анализе получаем, что области ной диффузии через ее отростки - наблюдаются нейропиля характеризуются высоким уровнем следующие изменения. Значительно снижаются глюкозы в сравнении со случаем, когда возмо возможности межклеточного вещества к всасы жен ее транспорт лишь через межклеточные ванию с его поверхности молекул глюкозы. Не пространства. Содержание глюкозы в межкле достаток глюкозы в межклеточных щелях обна точном веществе при этом возрастает до руживается уже на расстоянии 15Ц20 мкм от 2,7Ц1,1Х10Ц6 г глюкозы/мм3 вблизи сосудов;
а в близлежащих микрососудов. В полтора два ра зонах нейропиля, наиболее удаленных от мик за увеличиваются диаметры участков в телах рососудов - сохраняется на уровне нервных клеток, где концентрация глюкозы па 0,77Ц0,96Х10Ц6 г глюкозы/мм3. Плавно умень дает до уровня 0,06Ц0,04Х10Ц6 г глюкозы/мм3.
В телах, особенно у нейрона, удаленного в с 4Х10Ц10 до 0,03Х10Ц10 г/мм2. При даже незна рассматриваемой модели на расстояние 20 мкм чительном усилении всасывания уровень глюко от капилляров выявляется, грубое снижение со зы в межклеточном веществе в крайних ячейках держания глюкозы до уровня 0,02Ц0,04Х 10Ц6 г вокруг мембраны полностью истощается, что глюкозы/мм3, что позволяет обеспечить нейрон делает невозможными более высокие уровни при прекращении кровотока глюкозой лишь трансмембранного переноса.
на 1Ц2 секунды. Однако такой уровень концентрации глюкозы Степень активного всасывания глюкозы, ко мембраной нервной клетки приводит к значи торая может осуществляться мембраной нейро тельному снижению ее концентрации в цитоплаз на, без полного истощения содержания глюкозы ме и кариоплазме. Так, в наиболее слабо обеспе в межклеточном веществе ограничена коэффи чиваемых глюкозой зонах тел нейронов содержа циентом от 7Х10Ц10 до 0,3Х10Ц10 г/мм2, а при ние глюкозы падает до 0,02Ц0,006Х10Ц6 г глюко увеличении этого показателя содержание глю зы/мм3. С учетом используемого нами потреб козы в межклеточном веществе падает до нуля. ления равного, 8,346Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек, Дальнейшее всасывание становиться физичес ее содержание должно полностью истощаться ки невозможным. Даже при этих, явно снижен уже через 0,75 сек. Но такой уровень концентра ных по сравнению с нормой показателях, кон ции, по видимому, и недостаточен для обеспе центрация глюкозы в перимембранном прост чения эффективной энергопродукции в нервных ранстве нейрона в 2Ц4 раза выше, чем в приле клетках. При этом в предложенной модели учи жащем межмембранном пространстве. тывается самый благоприятный вариант, когда Полученные данные позволяют думать, что активность нейронов близка к обычной, а транс указанные реакции могут усиливать концентра порт осуществляется не только через межкле ционную способность эндотелия и, вероятно, точные щели, но и через отростки нервной клет компенсируют изменения глюкозы в нервной ки и нейроглию.
ткани. Уровень концентрационной способности Но следует принять во внимание следующую эндотелия при этом, согласно расчетам, должен особенность гипогликемической комы. Извест возрасти в 1,5Ц1,8 раза, т. е. эндотелий должен но, что до комы при гипогликемии имеет место всасывать глюкозу в 9Ц10 раз активнее, чем осу перевозбуждение центральной нервной систе ществляется ее пассивная диффузия. Однако мы. С учетом этого фактора должна повышаться даже при шестикратной степени концентраци активность нейронов и нейропиля с метаболиз онной способности эндотелиальной выстилки, мом глюкозы 9,496Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек в содержание глюкозы хоть и становится критиче теле нейрона и 0,696Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек в ским, но не приводит к ее полному истощению и нейропиле, что соответстует верхним границам может быть компенсировано, в том числе и гли потребления кислорода, равным 6,667Х10 - когенолизом в астроцитах. мО2/мм3Хсек и 0,334Х10Ц6 мО2/мм3Хсек со Дальнейшее усиление гипогликемии до ответственно. В результате введения таких ко уровня 0,4Х10Ц6 г глюкозы/мм3 (рис. 64), по сути эффициентов потребления глюкозы получили дела грубо дезорганизующее функцию мозга, следующие данные.
вплоть до комы, сопровождается следующими В нейропиле имеются обширные дефицитар изменениями в рассматриваемой модели. В ные по глюкозе участки диаметром 30Ц150 мкм, в плазме крови в вене ее содержание падает до которых ее содержание снижается до уровня пре 0,11Х10Ц6 г глюкозы/мм3, что должно резко за дельно низких значений от 0 до 0,05Ц0,06Х10Ц6 г труднять всасывание в силу способности глюко глюкозы/мм3. Среднее содержание глюкозы в зы связываться с высокомолекулярными соеди нейропиле колеблется от 0,11 до 0,28 Х10Ц6 г нениями плазмы. глюкозы/мм3.
Уже в перикапиллярных пространствах содер Области, прилежащие к телам нейронов, жание глюкозы падает до 1,1Ц0,4Х10Ц6 г глюко особенно удаленные от микрососудов на рас зы/мм3, быстро убывая на удалении 10Ц15 мкм. стоянии 15Ц25 мкм, имеют снижение уровня Содержание глюкозы в нейропиле колеблется глюкозы до 0,004Ц0,07Х10Ц6 г глюкозы/мм3. Ак от 0,085Ц0,09Х10Ц6 г глюкозы/мм3 в наиболее тивной транспорт из таких дефицитарных обла слабо обеспечиваемых зонах, до 0,19Ц0,12Х10Ц6 г стей нейропиля становится практически невоз глюкозы/мм3 в относительно благополучных можным. Достаточно высок уровень глюкозы участках. Зоны нейропиля, удаленные от по лишь в 10Ц15 мкм от микрососудов. Нейроны, верхности нервной клетки до 10Ц30 мкм имеют удаленные более чем на 15 мкм от микрососу уровень глюкозы в межклеточном веществе, дов, оказываются в условиях тотального недо равный 0,02Ц0,09Х10Ц6 г глюкозы/мм3. статка рассматриваемого углевода. Падение Степень всасывания мембраной нейрона глюкозы в их цитоплазме достигает глюкозы из межклеточного вещества снижается 0,003Ц0,0005Х10Ц6 г глюкозы/мм3, что, вероят но, ведет к невозможности обеспечить работу глубоким нарушениям функции. Данные мате нейрона на таком уровне энергетического по матической модели полностью согласуются с требления. Фактически данная величина должна клиническими сведениями.
приводить к полному истощению запаса глюко Результаты математического моделирования зы уже через 1/3Ц1/20 сек после прекращения позволяют предполагать активную роль нейрог кровотока. лии в транспорте глюкозы, во всяком случае, в Все это приводит к защитному торможению условиях ее дефицита. При достаточно высоком активности нейронов, частично к их поврежде ее содержании подобный транспорт, если и нию и потере сознания. Переход к пониженной имеет место, то не столь значим, так как потреб метаболической активности нейронов до уровня ности в глюкозе вполне восполняются за счет ее до 4,748Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек в теле нейро диффузии через межклеточные пространства. В на и 0,464Х10Ц9 г глюкозы/мм3Хсек в нейропиле, то же время, при глубоком дефиците глюкозы, что соответстует нижним границам потребления приводящем к коме и прекоме, но не к гибели, кислорода равным 3,334Х10Ц6 мО2/мм3Хсек и отказ от данного показателя указывает на не 0,167Х10Ц6 мО2/мм3Хсек соответственно. По возможность функционирования мозга вообще, добное снижение уровня потребления глюкозы что противоречит клиническим данным. Впро выравнивает показатели и сопровождается по чем, усиление диффузии глюкозы может осуще вышением уровня содержания глюкозы в нейро ствляться и за счет увеличения относительного пиле и теле нервной клетки к величинам, дости объема межклеточного вещества, что, как изве гаемым при снижении глюкозы в плазме крови стно, наблюдается при отеке головного мозга.
до 0,6Х10Ц9 г глюкозы/мм3. Таким образом, де Таким образом, отек может носить и защитно фицит глюкозы, хотя и не ликвидируется, но су компенсаторный характер, увеличивая площадь щественно снижается. обмена глюкозы. Правда, при этом возрастает Если же отказаться от предположения о воз расстояние от микрососуда до тела нейрона, но можности транспорта глюкозы через нейроглию расстояние пропорционально увеличивается в (рис. 65), моделирование содержания глюкозы линейной, а площадь в квадратической прогрес даже при резком понижении ее потребления в сии.
условиях понижения глюкозы в артериях до 0,4Х10Ц6 г глюкозы/мм3, в нервной ткани образу ются обширные области полного отсутствия глю козы в нейропиле и в телах нервных клеток. Это V.6. Моделирование распределения делает фактически невозможным выживание кислорода в закладке заднего мозгового этих участков мозга, а отрицательные значения пузыря.
показывают тот дефицит глюкозы, который дол жен быть восполнен за счет других веществ. Принципы математического моделирования Таким образом, математическое моделиро диффузии кислорода в микрообъектах зароды вание транспорта глюкозы в мозговой ткани по шей млекопитающих до настоящего времени не казывает несколько важных вещей. Нейроны, разработаны. Расчет осуществляли в соответст для того чтобы какая то часть их поверхности вии с описанной ранее методикой. Особеннос могла в достаточном объеме осуществлять тью расчетов являлось исходное содержание транспорт глюкозы, должны находиться не бо кислорода, который принимали в приносящих лее 25 мкм от ближайшего микрососуда. При сосудах в лучшем случае равным 62 мм. рт. ст.
этом даже незначительное снижение уровня (J.O. Davis, 1965;
Young Maureen, 1963), но оно глюкозы до 0,7Х10Ц6 г глюкозы/мм3, сопровож может быть и значительно ниже (40Ц45 мм. рт.
дается формированием в нервных клетках уча ст.);
углекислого газа равным 46 мм. рт. ст. и вы стков, испытывающих недостаток глюкозы. Эти ше;
кривые кислородной диссоциации, учиты локальные зоны могут и не играть столь уж су вающие преобладание фетального гемоглобина щественной роли, а последствия дефицита лик и динамику его изменений в соответствии с за видироваться путем перераспределения мито данной рН крови и содержания в ней углекисло хондрий в участки с высоким уровнем концент го газа. Скорость линейного кровотока опреде рации глюкозы. лялась отдельно для каждого сосуда с расчетом При снижении глюкозы в крови до 0,4Х10Ц6 г сопротивления, учитывающего изменения вяз глюкозы/мм3 ее недостаток становиться столь кости крови, а также градиентов давления. При значительным, что часть нейропиля и отдельные вычислениях считали, что давление в принося нейроны оказываются в условиях весьма значи щих сосудах в пренатальном онтогенезе крысят тельного снижения концентрации глюкозы. Это составляет 20Ц25 мм рт. ст. (Young Maureen, приводит к невозможности функционирования 1963), а градиент давления в прекапиллярах со их на уровнях высокого энергопотребления и к ставляет от 4 до 8 мм рт. ст.
У зародыша крысы 12 ти суток внутриутроб стов) с дифференцирующимися тканевыми ного развития средний мозговой пузырь пред структурами нервной трубки, отсутствием гема ставляет собой полую структуру, с толщиной тоэнцефалического барьера. Отсутствие барь стенки от 150 до 27Ц30 мкм, с несколькими ря ерных свойств сосудистой стенки позволяет дами формирующих его ядер матричных клеток. диффундировать в мозг большому количеству Анатомические закладки ядерных центров в биологических веществ, содержание которых данные сроки не идентифицируются. Нервная существенно выше в наиболее васкуляризован трубка на уровне закладки среднего мозгового ных зонах, что может создавать градиент после пузыря состоит из 6Ц12 ти слоев медулоблас дующего развития нейробластов, что соотно тов. Мантийная и эпендимная зоны визуально не сится с мнением других исследователей. Ран отграничены. Клетки в рассматриваемой облас нее проникновение сосудов в нервную трубку ти слабо дифференцированы, имеют овальные способствует подобным влияниям.
ядра и отличаются высокой митотической актив Однако до настоящего времени не ясна ди ностью в эпендимном слое и малыми размера намика процессов газообмена и метаботропных ми. Их идентификация по направлению дальней взаимовлияний в нервной трубке. Сложность шей дифференцировки, имеющимися в нашем прямого наблюдения за этими процессами распоряжении методами, затруднительна. обусловлена значительными техническими Область мезенхимы, прилежащей непосред сложностями и высокой стоимостью экспери ственно к мозговому пузырю, характеризуется мента по прямому наблюдению подобных явле многочисленными первичными капиллярными ний. Определенную роль в разрешении подоб сетями большого диаметра, с неровными конту ной проблемы может явиться математическое рами. Они формируют обильные анастомозы и моделирование этих процессов. Обычно приме направлены как продольно, так и поперечно. От няемые модели, к сожалению, слишком форма них, прорывая наружную пограничную пластинку, лизованы и не позволяют описать динамику в толщу нервной трубки проникают первые сосу процесса с учетом очаговых различий, что со ды. Превазоиды имеют радиальную и попереч здает впечатление неприменимости математи ную направленность, располагаясь практически ческих методов в описании биологических про поперечно к внешней поверхности мозгового пу цессов, однако при учете морфологической зыря. Ход прободающих выносящих и принося структуры, во всяком случае, применительно к щих образований близок к прямому. Стенка пер диффузионным и простым метаботропным яв вичных капилляров представлена лишь эндоте лениям эти методы весьма эффективны для лиальной выстилкой. Выделить приносящие и объяснения многих явлений.
выносящие сосуды при непосредственном на В качестве примера рассмотрим особеннос блюдении отдельных срезов, по их морфологии ти диффузии в объемной реконструкции части общих методах исследования невозможно и нервной трубки. Объемная реконструкция осу принадлежность сосудов к закладкам вен и арте ществлена на кусочке объемом 6,25х106 мкм3, с рий выясняется путем отслеживания в сериях размером элементарной ячейки при математи препаратов по достижению сосудами магист ческих расчетах равной 125 мкм3. Расчеты осу ральных закладок. От некоторых из внеорганных ществлялись с учетом разнообразия парамет сосудов формируются клеточные тяжи, не со ров потребления кислорода, уровня кислорода держащие эритроцитов - вероятные области ка в приносящих сосудах (от максимально возмож пиллярогенеза. Часть микрососудов нервной ного на уровне 62 мм рт. ст., до 40 мм рт. ст.), трубки содержит эритроциты. диффузии кислорода через полость желудочка, Таким образом, достаточно ранний по сро различий кривых диссоциации кислорода в за кам процесс первичного ангиогенеза нервной висимости от уровней рН и Рсо2, при различных трубки совпадает с бурной пролиферацией мат градиентах давления в микрососудах. Подоб ричных клеток и началом процессов миграции ные расчеты легко осуществимы и занимают не нейробластов, предшествуя закладке дефини скольких часов, но весьма объемны при их ин тивных ядерных центров и ведет к формирова терпретации и изложении. В качестве примера нию в ней системы первичных капиллярных се рассмотрим наиболее оптимальный вариант тей. Возможность активного влияния микросо для развития нервной трубки (рис. 66), при ус судов на формирование нервной системы в эм ловии, что Ро2 в артериальной крови 62 мм рт.
бриогенезе, вероятно, может быть обусловлена ст., Рсо2 в артериях 46 мм. рт. ст., рН равном 7,4, несколькими моментами: изменением градиен градиенте давления между закладками артерий тов поступления питательных веществ (прежде и вен (в пределах рассматриваемых границ мо всего глюкозы и аминокислот), различиями в га дели) составляющих 8 мм рт. ст. Скорость кро зообмене, контактными и гуморальными взаи вотока при условии введения рассматриваемо модействиями эндотелиоцитов (эндотелиобла го градиента равнялась от 0,2 до 0,5 мм/сек. В таких условиях при заданных параметрах по ками в 1,4 раза). Подобное явление указывает требления кислорода в тканях, его содержание на возможность более высокого метаболизма и в выносящих микрососудах модели опускалось скорости развития васкуляризованных зон, а до 7 - 12 мм. рт. ст., дальнейшее же замедление это в свою очередь может быть одним из опре кровотока до величины 0,05 - 0,2 мм/сек сопро деляющих факторов гетерохронии в онтогенезе вождалось практически полным его истощени нервной трубки и формирования ее анатомиче ем, что маловероятно в практическом плане и ских особенностей. Снижение показателей кис подтверждает предположение об именно более лорода в артериальной крови до 45 мм рт. ст., быстром движении крови в микрососудах заро при Рсо2 = 50 мм. рт. ст., сопровождается необ дыша. При приведенных выше параметрах мо ходимостью значительного снижения потребле дели рассмотрена возможность диффузии кис ния кислорода в эмбриональных тканях эпен лорода через полость мозгового пузыря. В на димного и плащевого слоев нервной трубки до стоящем случае она дана в пределах 20 мм рт. 1,2 мл О2/100 г в 1 мин, а в мезенхиме до 0, ст., предполагаемая нами как максимально воз мл О2/100 г в 1 мин. В такой ситуации весьма можная с учетом данных других исследователей значимой становится возможность трансполо (Б. Фролков, Э. Нил, 1976). стной диффузии через мозговые пузыри. Со При условии, когда парциальное давление храняются весьма значимые различия в трофи кислорода в артериях равно 62 мм рт. ст., макси ческом обеспечении различных участков за мально возможное потребление эпендимного и кладки, в целом близкие с рассмотренными ра плащевого слоев нервной трубки ограничено нее, что указывает на устойчивость закономер 3,4 мл О2/100 г в 1 мин, при его метаболизме в ностей формирования нервной системы, выяв мезенхиме 0,6 мл О2/100 г в 1 мин. Подобные ляемой, даже с учетом неполных данных о физи порядки потребления примерно соответствуют ологической организации метаболизма и мик потреблению зрелого мозга человека в целом, роциркуляции в раннем онтогенезе млекопита но как минимум вдвое ниже чем потребности ющих. С другой стороны, знание одного из пока его серого вещества в покое. Дальнейшее повы зателей, позволяет аппроксимировать эти дан шение потребления сопровождается формиро ные для расчета и всех других.
Pages: | 1 | 2 | 3 | 4 | Книги, научные публикации