Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni

При изучении морфологии маутнеровских нейронов (МН) рыб Percсottus glehni было выявлено значительное уменьшение их объемов в процессе зимовки, что, вероятно, обусловлено необходимостью экономии энергетических резервов организма. В начальный период зимнего оцепенения было обнаружено уменьшение объе...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2015
Hauptverfasser:	Санталова, И.М., Пенькова, Н.А., Михеева, И.Б., Мошков, Д.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України 2015
Schriftenreihe:	Проблемы криобиологии и криомедицины
Schlagworte:	Теоретическая и экспериментальная криобиология
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134517
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni / И.М. Санталова, Н.А. Пенькова, И.Б. Михеева, Д.А. Мошков // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 114–121. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-134517
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1345172018-06-14T03:06:32Z Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni Санталова, И.М. Пенькова, Н.А. Михеева, И.Б. Мошков, Д.А. Теоретическая и экспериментальная криобиология При изучении морфологии маутнеровских нейронов (МН) рыб Percсottus glehni было выявлено значительное уменьшение их объемов в процессе зимовки, что, вероятно, обусловлено необходимостью экономии энергетических резервов организма. В начальный период зимнего оцепенения было обнаружено уменьшение объемов обоих основных дендритов без изменений в соматической части МН. В период завершения зимовки общий объем сомы и латерального дендрита уменьшился на 50%, а вентрального – на 80%. Предполагается, что уменьшение интегральных объемов нейронов связано с развитием гипометаболизма, а также со значительным снижением потоков афферентной информации, поступающей к МН от слухового и зрительного анализаторов. При вивченні морфології маутнерівських нейронів (МН) риб Perccottus glehni було встановлено значне зменшення їхніх об'ємів у процесі зимівлі, що, ймовірно, обумовлено необхідністю економії енергетичних резервів організму. На початковому періоді зимового заціпеніння виявлено зменшення об'ємів обох основних дендритів без змін у соматичній частині МН. У період завершення зимівлі загальний об'єм соми та латерального дендриту зменшився на 50%, а вентрального – на 80%. Припускається, що зменшення інтегральних об'ємів нейронів пов'язане з розвитком гипометаболізму, а також зі значним зниженням потоків аферентної інформації, яка надходить до МН від слухового та зорового аналізаторів. Investigation of the Mauthner neurons (MN) morphology in fish Perccottus glehni revealed a significant reduction in their volumes during dormancy, probably stipulated by a need to spare the body energy resources. The initial period of winter dormancy was characterized by a decrease in volumes of both main dendrites with no changes in somatic part of MN. During the terminal period of winter dormancy a total volume of soma and lateral dendrite reduced by 50%, and for the ventral one it did by 80%. It can be assumed that a decrease in integral neuronal volumes is associated with developing hypometabolism, as well as with a significantly decreased inputs of afferent information, entering MN from auditory and visual analyzers. 2015 Article Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni / И.М. Санталова, Н.А. Пенькова, И.Б. Михеева, Д.А. Мошков // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 114–121. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 0233-7673 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134517 591.543.42:597+611.81 ru Проблемы криобиологии и криомедицины Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Теоретическая и экспериментальная криобиология Теоретическая и экспериментальная криобиология
spellingShingle	Теоретическая и экспериментальная криобиология Теоретическая и экспериментальная криобиология Санталова, И.М. Пенькова, Н.А. Михеева, И.Б. Мошков, Д.А. Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni Проблемы криобиологии и криомедицины
description	При изучении морфологии маутнеровских нейронов (МН) рыб Percсottus glehni было выявлено значительное уменьшение их объемов в процессе зимовки, что, вероятно, обусловлено необходимостью экономии энергетических резервов организма. В начальный период зимнего оцепенения было обнаружено уменьшение объемов обоих основных дендритов без изменений в соматической части МН. В период завершения зимовки общий объем сомы и латерального дендрита уменьшился на 50%, а вентрального – на 80%. Предполагается, что уменьшение интегральных объемов нейронов связано с развитием гипометаболизма, а также со значительным снижением потоков афферентной информации, поступающей к МН от слухового и зрительного анализаторов.
format	Article
author	Санталова, И.М. Пенькова, Н.А. Михеева, И.Б. Мошков, Д.А.
author_facet	Санталова, И.М. Пенькова, Н.А. Михеева, И.Б. Мошков, Д.А.
author_sort	Санталова, И.М.
title	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni
title_short	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni
title_full	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni
title_fullStr	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni
title_full_unstemmed	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni
title_sort	влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб percсottus glehni
publisher	Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Теоретическая и экспериментальная криобиология
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134517
citation_txt	Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni / И.М. Санталова, Н.А. Пенькова, И.Б. Михеева, Д.А. Мошков // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 114–121. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series	Проблемы криобиологии и криомедицины
work_keys_str_mv	AT santalovaim vliâniesostoâniâzimnegoocepeneniânatrehmernuûstrukturumautnerovskihnejronovurybpercsottusglehni AT penʹkovana vliâniesostoâniâzimnegoocepeneniânatrehmernuûstrukturumautnerovskihnejronovurybpercsottusglehni AT miheevaib vliâniesostoâniâzimnegoocepeneniânatrehmernuûstrukturumautnerovskihnejronovurybpercsottusglehni AT moškovda vliâniesostoâniâzimnegoocepeneniânatrehmernuûstrukturumautnerovskihnejronovurybpercsottusglehni
first_indexed	2025-07-09T21:34:59Z
last_indexed	2025-07-09T21:34:59Z
_version_	1837206763923832832
fulltext	УДК 591.543.42:597+611.81 И.М. Санталова, Н.А. Пенькова, И.Б. Михеева, Д.А. Мошков Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni UDC 591.543.42:597+611.81 I.M. Santalova, N.A. Penkova, I.B. Mikheeva, D.A. Moshkov Effect of Winter Dormancy on Three-Dimensional Structure of the Mauthner Neurons in Perccottus glehni Fish Реферат: При изучении морфологии маутнеровских нейронов (МН) рыб Percсottus glehni было выявлено значительное уменьшение их объемов в процессе зимовки, что, вероятно, обусловлено необходимостью экономии энергетических ре- зервов организма. В начальный период зимнего оцепенения было обнаружено уменьшение объемов обоих основных ден- дритов без изменений в соматической части МН. В период завершения зимовки общий объем сомы и латерального дендрита уменьшился на 50%, а вентрального – на 80%. Предполагается, что уменьшение интегральных объемов нейронов связано с развитием гипометаболизма, а также со значительным снижением потоков афферентной информации, поступающей к МН от слухового и зрительного анализаторов. Ключевые слова: гипометаболическое состояние, зимовка рыб, Percсottus glehni, морфология, маутнеровские нейроны, 3d-реконструкция. Реферат: При вивченні морфології маутнерівських нейронів (МН) риб Perccottus glehni було встановлено значне зменшення їхніх об'ємів у процесі зимівлі, що, ймовірно, обумовлено необхідністю економії енергетичних резервів організму. На початковому періоді зимового заціпеніння виявлено зменшення об'ємів обох основних дендритів без змін у соматичній частині МН. У період завершення зимівлі загальний об'єм соми та латерального дендриту зменшився на 50%, а вентрального – на 80%. Припускається, що зменшення інтегральних об'ємів нейронів пов'язане з розвитком гипометаболізму, а також зі значним зниженням потоків аферентної інформації, яка надходить до МН від слухового та зорового аналізаторів. Ключові слова: гіпометаболічний стан, зимівля риб, Perccottus glehni, морфологія, маутнерівські нейрони, 3d-реконструкція. Abstract: Investigation of the Mauthner neurons (MN) morphology in fish Perccottus glehni revealed a significant reduction in their volumes during dormancy, probably stipulated by a need to spare the body energy resources. The initial period of winter dormancy was characterized by a decrease in volumes of both main dendrites with no changes in somatic part of MN. During the terminal period of winter dormancy a total volume of soma and lateral dendrite reduced by 50%, and for the ventral one it did by 80%. It can be assumed that a decrease in integral neuronal volumes is associated with developing hypometabolism, as well as with a significantly decreased inputs of afferent information, entering MN from auditory and visual analyzers. Key words: hypometabolic state, fish winter dormancy, Perccottus glehni, morphology, Mauthner neurons, 3D reconstruction. Автор, которому необходимо направлять корреспонденцию: ул. Инcтитутcкая, 3, г. Пущино, Моcковcкая облаcть, Российская Федерация 142290; тел.: (+7 4967) 73-37-96, факс: (+7 4967) 33-05-53, электронная почта: cima@rambler.ru To whom correspondence should be addressed: 3 Institutskaya str., Pushchino, Moscow Region, Russia 142290; tel.: +7 4967 73 3796, fax: +7 4967 33 0553, e-mail: cima@rambler.ru Institute of Theoretical and Experimental Biophysics, Russian Academy of Sciences, Pushchino, Russia Инcтитут теоpетичеcкой и экcпеpиментальной биофизики PАН, г. Пущино, Россия Поступила 12.12.2014 Принята в печать 19.01.2015 Проблемы криобиологии и криомедицины. – 2015. – Т. 25, №2. – С. 114–121. © 2015 Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины Received December, 12, 2014 Accepted January, 19, 2015 Probl. Cryobiol. Cryomed. 2015. 25(2): 114–121. © 2015 Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine оригинальное исследование research article Способность живых организмов к выживанию в экстремальных условиях (холод, отсутствие пи- щи) является предметом исследования биологов и медиков [3, 5, 6, 8]. При введении животных в состояние гибернации появляется возможность создать модель всех состояний организма: от ак- тивного при нормотермии до практически полного торможения функций. С помощью этой уникальной физиологической модели можно изучить различ- ные процессы как на организменном, так и на клеточном уровне. Известно, что при гибернации у животных и птиц глубоко подавляется метабо- лизм, вследствие чего снижается температура тела, частота сердечных сокращений и замедляют- ся другие физиологические функции, однако со- The capability of living organisms to survive under extreme conditions (cold, lack of food) attracts the attention of biologists and medical scientists [6, 8, 9, 11]. Hibernating animals could be used to develop the models for various states of an organism: from an active mode, at normothermia, to a virtually full functional inhibition. Using this unique physiological model it is possible to study different processes at both organism and cell levels. The metabolism is known to be deeply suppressed in animals and birds during hibernation, accompanied by a decrease in body temperature and heart rate, as well as other physiological functions, how- ever, with preservation of all the mechanisms, providing the return of an animal back to the active functioning [2, 7]. From this point of view the fish species which проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 115 храняются все механизмы, обеспечивающие воз- врат животного к последующей активной жизни [4, 14]. С этой точки зрения рыбы, которые способны адаптироваться к разным температурным усло- виям обитания, являются также интересным науч- ным объектом. Например, ротан Percсottus glehni – представитель пресноводных пойкилотермных гидробионтов – населяет пруды, мелкие и заболо- ченные озера, старицы рек, в которых вода промер- зает зимой до дна. Эта рыба отличается низкой оксифильностью, может жить в сильно загрязнен- ных водоемах [2, 13] и не требует специальных условий для содержания, что удобно для лабора- торных исследований [7]. Производя сравнительно мало эндогенного тепла и обладая лишь отдельными терморе- гуляторными реакциями, пойкилотермные живот- ные, в том числе и ротаны, не могут обеспечить постоянство теплообмена в организме. При значи- тельном снижении температуры зимой они перехо- дят в состояние «глубокого сна», для которого характерны подавление двигательной активности, полное прекращение или резкое уменьшение объемов потребляемой пищи, снижение интенсив- ности обмена. Основным регулирующим звеном в перестройке организма при разных адаптациях, в том числе и при длительных холодовых воздейст- виях, является центральная нервная система [3]. Поэтому было интересно проследить за структур- ными изменениями в нейронах исследуемого вида рыб в условиях длительного охлаждения: конец декабря – начало зимнего оцепенения, конец мар- та – его завершение. Цель работы – исследование пластических изменений в нейронах ЦНС пресноводных рыб при гипометаболическом состоянии методом трехмер- ной реконструкции нейронов [9]. Объектами ис- следования были маутнеровские нейроны (МН) – единственные идентифицированные нейроны позвоночных [11, 21]. Они представляют собой две гигантские нервные клетки, расположенные в про- долговатом мозге у всех костистых рыб и амфибий. Маутнеровские нейроны получают афферентные входы от разных анализаторов и способны к слож- ной интеграции входной активности [11, 20, 21]. Каждый МН у рыб представляет собой своеобраз- ный командный центр, управляющий специфиче- ским поведением животных, – «реакцией страха». Установлена определенная закономерность между уровнем двигательной активности рыб и морфоло- гическими характеристиками их МН, поэтому они являются удобной моделью для изучения взаимо- связи структуры и функции нейронов при различных состояниях организма [10–12, 15, 17]. can adapt to different temperature habitat conditions are also an interesting scientific subject. For example, the rotan fish Perccottus glehni, the representative of freshwater poikilothermal aquatic organisms, inhabits ponds, small lakes, wetlands and oxbow rivers, where the water freezes to the bottom in winter. This fish has a low oxyphility and may live in heavily polluted water [3, 4], with no special conditions for maintenance, which is convenient for laboratory studies [10]. The poikilotherms, including the rotans, produce relatively few endogenous heat and possess only several thermoregulatory reactions, and therefore can not provide the constant heat exchange in the body. Under a significant temperature decrease in winter they enter the ‘deep sleep’ state, characterised by sup- pressed locomotor activity, either a complete termina- tion or a sharp reduction of consumed amount of food, and a decreased metabolism as well. The main trigger in an organism reorganization caused by various adap- tations, including those during long-term cold exposures, is the central nervous system [6]. Therefore of interest was to trace the structural changes in neurons of the studied fish species under long-term cooling: the end of December (beginning of winter dormancy) and the end of March (its termination). This research was aimed to study the plastic chan- ges in neurons of freshwater fish CNS under hypome- tabolic state using the method of three-dimensional reconstruction of neurons [12]. The Mauthner neurons (MN), the only identified neurons of vertebrates [14, 21], served as the research objects. They represent two giant nerve cells, located in the myelencephalon in all bony fish and amphibians. Mauthner neurons receive afferent inputs from various analyzers and are capable of complex integration of an input activity [14, 20, 21]. Every MN in fish is a kind of command center, con- trolling specific behaviour in animals (‘fear reaction’). There was established a certain regularity between the level of locomotor activity of fish and morphological characteristics of their MN, therefore they are a con- venient model to study the relationship of neuron structure and function in different states of body [5, 13, 14, 16, 17]. Materials and methods Research was performed in freshwater fish Perccottus glehni, caught in Tulchino lake of Serpu- khov district, Moscow region. For the experiment we selected the mature individuals of 8–12 cm length and about 200 g weight, and divided them into 3 groups: group 1 (n = 6) was in active state (July); group 2 (n = 4) was in beginning of dormancy (the end of Decem- ber); group 3 (n = 4) was in the terminal period of winter dormancy (the end of March). All the expe- 116 проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 Материалы и методы В работе использовали пресноводную рыбу ротан Percсottus glеhni, выловленную с помощью удочки в озере Тульчино Серпуховского района Московской области. Для эксперимента отбирали половозрелых животных длиной 8–12 см и массой около 200 г, которых распределили на группы: 1 (n = 6) – активное состояние (июль); 2 (n = 4) – начало зимовки (конец декабря); 3 (n = 4) – выход из зимнего оцепенения (конец марта). Все экспе- рименты проводили в соответствии с общепри- нятыми биоэтическими нормами. Рыб группы 1, выловленных в июле, сразу брали в эксперимент. Рыб групп 2 и 3, выловленных начале зимы, хранили в 5-литровых прозрачных сосудах с водопроводной водой в холодильной камере с температурой –1°С (±1°С). На 2–3-е сутки хранения вода в сосудах частично замерзала, что соответствовало состоянию рыб в течение всей зимовки. Таким образом, рыба содержалась в прес- ной холодной воде, темноте, тишине, без пищи и с ограниченным доступом кислорода, т. е. в усло- виях, максимально приближенных к естествен- ным. В процессе эксперимента сосуды с рыбой 1–2 раза в месяц доставали из холодильной камеры на несколько минут для оценки состояния. При наблю- дении за рыбой в течение декабря-марта выявлено практически полное отсутствие двигательной ак- тивности и сильное подавление дыхания, опреде- ляемое по движению жаберных крышек. Данные признаки свидетельствовали об обычном состоя- нии животных в условиях оцепенения [1, 7]. В день эксперимента рыбу доставали из холо- дильника, для проверки жизнеспособности ее помещали в воду с температурой 6°С и в течение 5 мин наблюдали за поведением. Если рыба доста- точно долгое время сохраняла нормальное поло- жение тела, двигала плавниками и жаберными крышками, то ее отбирали для опыта. Рыбу доста- вали из воды и декапитировали на льду. Выделяли мозг и в капле фиксирующего раствора вырезали участок продолговатого мозга, содержащий МН. Фиксировали 12 ч в 4%-м растворе формальдегида и 2,5%-м растворе глутаральдегида на 0,1 М како- дилатном буфере (рН 7,2). Дофиксировали в 2%-м растворе четырехокиси осмия, обезвоживали и зак- лючали в эпоксидную смолу [11]. Для получения серии последовательных срезов толщиной 3 мкм эпоновые блоки резали фронтально на пирамитоме («LKB», Швеция). Срезы, содержа- щие сому, латеральный (ЛД) и вентральный (ВД) дендриты МН последовательно фотографировали при ×250 под микроскопом «NU 2E» («Carl Zeiss», riments were conducted according the generally ac- cepted bioethic regulations. The fish of group 1, caught in July, were immediately taken into the experiment. The fish of groups 2 and 3, caught in the early winter, were held in 5 l transparent containers with tap water in cooling chamber with temperature of –1°C (±1°). During 2–3 days of storage the water in containers was partially frozen, that cor- responded to the conditions of fish inhabitation during the whole winter. Thus, fish were kept in fresh cold water, in dark, silence, with no food and limited oxygen access, i. e. under conditions maximally approached to the natural ones. During the experiment we pulled containers with fish 1–2 times per month from cooling chamber for some minutes to estimate their state. When observing fish during December-March period we revealed quite a complete absence of locomotor activity and a strong suppression of respiration, determined by the movement of opercles. These signs testify to a normal state of animals during dormancy [1, 10]. On the first day of morfological investigation we pulled fish from refrigerator, placed into 6°C water and observed their behaviour for 5 min to verify their viability. If the fish kept the normal body position, moved their fins and opercles for quite a long time, they were selected for the further manipulations. Fish were removed from the water and decapitated on ice. Brain was isolated and a site of the medulla, containing MN was excised in a drop of fixing solution. Then it was fixed for 12 hrs in 4% formaldehyde solution and 2.5% glutaraldehyde in 0.1 M cacodylate buffer (pH 7.2). The samples were then counterstained in 2% osmium tetroxide solution, dehydrated and embedded into epoxy resin [14]. To obtain 3 µm serial sections the epoxy resin blocks were frontally cut with piramitome (LKB, Swe- den). The sections containing soma, lateral (LD) and ventral (VD) dendrites of MN were sequentially photographed at ×250 with microscope NU 2E (Carl Zeiss, Germany), equipped with a digital camera Nikon D 5000 (Seiko, Japan). Each section was photographed by multiple parts, as a result we obtained not least than 20 images. Each image overlaped with a neighbouring one to ensure the optimal panorama of a section. Three- dimensional images of the objects were made using the IGL Trace software (Dr. J. Fiala, USA), the quan- titative data were obtained with 3D View 3.5 soft- ware (Actify, Inc., USA). The volume of soma, LD and VD were calculated separately. The MN volume was presented as the sum of volumes of its parts. [12]. The findings were statistically processed with the Excel software (Microsoft, USA), as well as the KyPlot V2 Beta 15 (32-bit) (developed by Koichi проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 117 Германия), снабженным цифровой фотокамерой «Nikon D 5100» («Seiko», Япония). Каждый срез фотографировали по частям, в результате получали не менее 20 изображений. При этом каждое изобра- жение перекрывалось соседним участком для обеспечения оптимальной панорамы среза. Трех- мерные изображения объектов выполняли с по- мощью программы «IGL Trace» (Dr. J. Fiala, США), количественные данные получали с по- мощью программы «3D View 3.5» («Actify, Inc.», США). Отдельно вычисляли объем сомы, ЛД и ВД дендритов. Объем МН представляли как сумму объемов его частей [9]. Статистическую обработку результатов прово- дили с использованием программы «Excel» («Microsoft», США), а также программы «KyPlot V2 Beta 15» (Koichi Yoshioka, Япония). Для срав- нения данных применяли непараметрический критерий Манна-Уитни (U-критерий). Количест- венные данные представляли в средних величинах и средних квадратичных отклонениях. Результаты и обсуждение Изучение гистологических препаратов продол- говатого мозга ротанов показало (рис. 1), что у них МН идентифицируются как две симметрично расположенные клетки с типичным строением: сома, латеральный и вентральный дендриты. Структурная организация МН, трехмерно реконст- руированных по серийным гистологическим срезам в разные периоды наблюдения, представлена на рис. 2. Анализ структуры нейронов свидетель- ствует о значительной трансформации объемов всех частей клетки. В начале зимнего оцепенения (конец декабря) уменьшается размер обоих основ- ных дендритов, но соматическая часть нейронов не изменяется (таблица). К концу периода зимовки (конец марта) значительные изменения выявляют- ся во всех частях нейрона. Объем нейронов в со- матической части и ЛД уменьшается почти в 2 раза, особенно вентральных дендритов (на 80%), которые сильно укорачиваются и истончаются (рис. 2, C). В процессе адаптации к сложным условиям сре- ды обитания (холод, голод, сниженная сенсорная информация, дефицит кислорода и др.) у животных формируются жизненно необходимые механизмы, регулирующие метаболизм целого организма, при этом точкой приложения авторегуляторных воз- действий являются отдельные клетки. В связи с этим практически все типы клеток животных пре- терпевают обратимые структурно-функциональ- ные изменения [4, 5, 14]. Нейроны также, прис- посабливаясь к воздействиям внешней среды, не Yoshioka, Japan). To compare the data we used the Mann-Whitney U test. Quantitative data were presen- ted in mean values and the mean square deviation. Results and discussion The study of histological preparations of rotan fish Perccottus glehni myelencephalon (Fig. 1) demonstra- ted that the MN could be identified there as two sym- metrically located cells with a typical structure: soma, lateral and ventral dendrites. The Fig. 2 shows the struc- ture of MN, three-dimensionally reconstructed from serial histological sections in different periods of obser- vation. The analysis of neuron structure testifies to a significant transformation in the volumes of all cell parts. At the beginning of winter dormancy (end of Decem- ber) the size of both main dendrites reduces, but somatic part of neurons remains unchanged (Table). By the end of dormancy period (end of March) the significant changes are revealed in all the parts of neuron. The volume of neurons in somatic part and LD reduces almost twice, especially of ventral dendrites (by 80%), which are very shortened and thinned (Figure 2, C). During adaptation to difficult habitat conditions (cold, hunger, reduced sensory information, oxygen lack, etc.) the animal aquire essential mechanisms, regulating metabolism of the whole body, wherein the application points of autoregulatory effects are single cells. Due to this fact virtually all types of animal cells undergo reversible structural and functional changes [3, 7, 8]. When adapting to the environment effects the neurons not only preserve their integrity, but specifically modify the activity of all their components Рис. 1. Макрофотография среза продолговатого мозга рыб Percсottus glehni, содержащего правый и левый маутнеровские нейроны (S – сома; LD и WD – лате- ральный и вентральный дендриты соответственно; N – ядро нейрона). Масштабный отрезок – 100 мкм. Fig. 1. Macrophoto of myelencephalon section of fish Perccottus glehni, containing right and left Mauthner neu- rons (S denotes soma; LD and WD are lateral and ventral dendrites, respectively; N is neuronal nucleus). Bar 100 µm. 118 проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 просто сохраняют свою целостность, но направлен- но модифицируют работу всех своих компонентов [8, 16, 19], по-видимому, через различные пути сохранения энергетического баланса. Например, суслики в течение зимней спячки экономят более 80% энергии, которая необходима для поддержания обычного уровня метаболизма [4]. Мы обнаружили, что у рыб в состоянии гипоме- таболизма и вследствие экономии энергетических ресурсов значительно уменьшается объем маутне- ровских нейронов. Эти изменения закономерны и физиологически целесообразны. Однако почему структурные изменения происходят в разных участках МН в разной степени? Известно, что МН получают афферентные окончания, по крайней мере, от трех важнейших анализаторов: вестибулярного, слухового и зритель- ного [11, 21]. Электрофизиологическими и гистохи- мическими методами было установлено, что аффе- рентные входы на эти клетки морфологически строго сегрегированы. Статоакустический вход по- крывает в виде смешанных синапсов дистальную часть латерального дендрита, вестибулярный – в виде химических синапсов всю поверхность ЛД и сомы [18]. Зрительный вход располагается на дис- тальной и проксимальной частях ВД [10]. Можно предположить, что в зимний период функция зрения рыб из-за низкой освещенности становится не актуальной, т.к. через лед толщиной 40 см прони- [11, 15, 18], apparently via different pathways of energy balance preservation. For example, the ground squirrels during winter hibernation save more than 80% of energy, that is necessary to maintain a normal level of metabolism [7]. We found out a significant reduction in the volume of the Mauthner neurons in fish caused by hypome- tabolic state and corresponding sparing the energy resources. These changes are appropriate and physio- logically expedient. But why structural changes occur in different parts of MN to various extent? The MN are known to receive afferent endings, at least from three major analyzers: vestibular, auditory and visual ones [14, 21]. Electrophysiological and histochemical techniques allowed to established the fact, that afferent inputs onto these cells were strictly segregated morphologically. Statoacoustic input covers a distal part of lateral dendrite in the form of mixed synapses, a vestibular one does the entire surface of LD and soma as chemical synapses [18]. Visual input is located on distal and proximal parts of VD [13]. We may assume that in winter period the visual function in fish becomes not relevant because of low illumination, since through 40 cm ice only 5–10% of light rays penetrate. Consequently the VD occur to be in a state of natural deprivation. Under conditions of limited visibility there is no need to maintain the whole dendrite in active state, therefore its dimensions are reduced so much, that is undoubtedly beneficial and saves energy A Рис. 2. Трехмерная реконструкция МН рыб Percсottus glehni в разные сезонные периоды: А – лето (июль); В – начало зимовки (декабрь); С – завершение зимовки (март) (S – сома; LD и WD – латеральный и вентраль- ный дендриты соответственно; N – ядро нейрона). Масштабный отрезок – 100 мкм. Fig. 2. Three-dimensional reconstruction of Percсottus glehni fish MN in different seasons: A – summer (July); B – start of winter dormancy (December); C – end of dormancy (March); (S denotes soma; LD and WD are lateral and ventral dendrites, respectively; N is neuronal nucleus). Bar 100 µm. B C доиреП яинедюлбан noitavresbO doirep анорйеногоксворентуаммеъбО × 01 3 мкм 3 noruenrenhtuaMehtfoemuloV × 01 3 µm3 анорйенамоС amosnorueN йыньларетаЛ тирднед laretaL etirdned йыньлартнеВ тирднед lartneV etirdned йищбО НМмеъбо latotNM emulov )ьлюи(отеЛ )yluJ(remmuS 6,92±2,38 6,52±5,68 7,01±06 1,35±3,132 олачаН огенмиз яиненепецо )ьрбакед( fotratS ycnamrod )rebmeceD( 5,92±7,28 0,42±5,64 8,9±5,32 1,85±57,751 еиначнокО огенмиз яиненепецо )трам( fodnE ycnamrod )hcraM( 3,5±4,84 8,21±8,04 0,3±2,8 51±6,59 проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 119 кает всего 5–10% световых лучей, вследствие этого ВД оказываются в состоянии естественной депривации. В условиях ограниченной видимости отсутствует необходимость поддер- живать в активном состоянии весь дендрит, поэтому его размеры сильно редуцируются, что приводит к эконо- мии энергетических ресурсов организ- ма. Размеры ЛД также значительно уменьшаются (на 50%, p < 0,05). Известно, что на ЛД оканчиваются входы от акустического и вестибу- лярного анализаторов [18]. Вероятно, слуховая информация в период зимов- ки также неактуальна, однако сохране- ние нормального положения тела рыб в воде важно в любое время года, поэтому размеры ЛД изменяются в меньшей степени, чем ВД. Известно, что МН рыб и амфибий очень плас- тичны и под влиянием различных факторов окружающей среды они мо- гут изменять структурную организа- цию [11]. Результаты наших исследо- resources of body. The LD sizes are significantly reduced as well (by 50%, p < 0.05).It is known that the inputs from acoustic and vestibular analyzers terminate on LD [18]. Pro-bably, the auditory information during dormancy is also not relevant, but keeping of normal body position in water is important for fish at any time of the year, therefore the LD sizes are less changed than VD. It is known that the MN of fish and amphibians are very plastic and under the effect of different environmental factors may change their structural organisation [14]. Our findings have shown that the fish MN may change their size within quite a wide range. For example, under experimental neuron deafferentation (eye enucleation) there is a significant reduction in size of their ventral dendrites [5, 12]. Thus, a decrease in a sensor load on the MN is accompanied with significant (p < 0.05) changes of their size and therefore functional activity, that enables neurons to respond to the certain effect in a differentiated way [5, 14]. We believe that the MN volume is mostly affected by hypometabolism, and the neuron deafferentation makes only additional contribution into this process. Plastic changes in neuron structure of overwintering hibernating mammals were discovered in the early 90s of last century. In hippocampal neurons of ground squirrels there was found a decrease in the size of nerve cell bodies and the branching degree of their dendrites as well [15]. Similar morphological changes Объем МН рыб Percсottus glehni в процессе зимнего оцепенения Volume of Percсottus glehni fish MN during winter dormancy Примечание: – отличия статистически значимы по сравнению с данными лета, p ≤ 0,05. Note: * – the differences are statistically significant if compared with summer data, p ≤ 0.05. ваний показали, что МН рыб могут изменять размеры в достаточно широких пределах. Напри- мер, при экспериментальной деафферентации нейронов (энуклеация глаз) значительно умень- шается размер их вентральных дендритов [9, 15]. Таким образом, при снижении сенсорной нагрузки на МН значимо (p < 0,05) изменяется их размер и, следовательно, функциональная активность, что позволяет нейронам дифференцированно отвечать на конкретное воздействие [11, 15]. Мы полагаем, что на объем МН главным образом влияет гипо- метаболизм, а деафферентация нейронов вносит лишь дополнительный вклад в этот процесс. Пластические изменения в структуре нейронов зимоспящих млекопитающих, находящихся в сос- тоянии гибернации, были обнаружены еще в начале 90-х годов прошлого века. На нейронах гиппокампа сусликов было показано, что размер тел нервных клеток и степень ветвления их дендритов умень- шаются [16]. Подобные морфологические измене- ния были выявлены и в других отделах мозга (коре и таламусе) [4, 14, 19]. При различных гипотер- мических воздействиях в препаратах головного мозга хомяков было обнаружено, что структура дендритного древа существенно редуцируется при гибернации [8]. Поскольку строение мозга мле- копитающих достаточно сложное, то исследовать структурные перестройки одного нейрона в процес- се проведения нескольких экспериментов невоз- 120 проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 можно. Рыбы для подобных исследований яв- ляются более удачной моделью. Использование идентифицированных нейронов Маутнера при изучении сложных механизмов адаптации клеток в процессе гибернации позволяет исследовать структурные изменения во всех частях клетки не только на светооптическом, но и электронно- микроскопическом уровне. Выводы В экспериментально созданных условиях зимовки рыб Percсottus glehni с использованием метода трехмерной реконструкции было выявлено значительное изменение объема маутнеровских нейронов. Возможно, что в условиях воздействия длительной гипотермии в сочетании с естественной деафферентацией маутнеровских нейронов опре- деляющим фактором пластических перестроек в нейронах является снижение метаболической ак- тивности вследствие необходимости экономии энергетических ресурсов животного. В результате гипометаболизма, а также после снижения потоков афферентной информации объем МН уменьшает- ся, поскольку отсутствуют условия и необходи- мость поддерживать их в полноценном состоянии. were revealed in other parts of brain (cortex and tha- lamus) [2, 7, 19]. The structure of dendritic tree in hamster brain preparations was found out as signifi- cantly reduced under different hypothermic effects [11]. Since the mammalian brain structure is quite complex, it is impossible to investigate the structural rearrangements in one neuron during number of experi- ments. Fish are more appropriate model for these studies. The use of the identified Mauthner neurons in studying the complex mechanisms of cell adaptation during hibernation enables the investigation of the structural changes in all cell parts not only at light- optical level, but electron-microscopic one as well. Conclusions Using the method of three-dimensional reconstruc- tion we revealed a significant change in the Mauthner neuron volume of fish Perccottus glehni in the experimentally simulated overwintering conditions. A decrease in metabolic activity due to a need to spare energy resources of animal is possibly a determining factor of plastic rearrangements in neurons under conditions of long-term hypothermia effect in com- bination with natural deafferentation of the Mauthner neurons. As a result of hypometabolism, as well as after a decrease in afferent information inputs the MN volume is reduced, since there are no conditions and no need to maintain them in normal state. Литература 1. Анисимова И.М. Лавровский В.В. Ихтиология. – М.: Высш. шк., 1983. – 255 с. 2. Голованов В.К., Ручин А.Б. Критический термический максимум головешки-ротана Perccottus glenii в разные сезоны года // Вопросы ихтиологии. – 2011. – Т. 51, №6. – С. 822–827. 3. Игнатьев Д.А., Гордон Р.Я., Патрушев И.В., Попов И.В. Функциональное состояние головного мозга зимоспящих и незимоспящих при различных температурах живот- ных // Успехи физиол. наук. – 2012. – Т.43, №1. – C. 48–74. 4. Израилова Г.Р., Халилов Р.А., Адиева А.А. Современные подходы к исследованию гипотермии // Фундаментальные исследования. – 2014. – Т. 5, №11. – С. 1046–1058. 5. Калабухов Н.И. Спячка млекопитающих. – М.: Наука, 1985. – 259 с. 6. Каpадулева Е.В., Cанталова И.М., Заxаpова Н.М. Особен- ности молекулярных и морфологических изменений в кар- диомиоцитах зимоспящих сусликов в разные периоды годо- вого цикла // Биофизика. – 2014. – Т. 59, №5. – С. 926–932. 7. Каранова М.В. Состав свободных аминокислот крови и мышц ротана Perccottus glehni в период подготовки и за- вершения гибернации // Журнал эвол. биохимии и физио- логии. – 2009. – Т. 45, №1. – С. 59–68. 8. Марченко В.С., Буцкий К.И. Нейропластичность головного мозга хомяков при гипотермии. – LAP LAMBERT Academic Publishing, 2013. – 60 с. 9. Михайлова Г.З., Коканова Н.А., Тирас Н.Р., Мошков Д.А. Трехмерная реконструкция и определение объема нейро- на. – М.: Либроком, 2012. – 80 с. References 1. Anisimova I.M., Lavrovskiy V.V. Ichthyology. Moscow: Vysshaya Shkola; 1983. 2. Carey H.V., Andrews M.T., Martin S.L. Mammalian hibernation: cellular and molecular responses to depressed metabolism and low temeprature. Physiol Rev 2003; 83(4): 1153–1181. 3. Chemagin A.A. Distribution of Amur sleeper (Percottus glenii Dybowski, 1877) in the Lower Irtysh floodplain lakes. Funda- mentalnye Issledovaniya 2014; 12(11): 2656–2660. 4. Golovanov V.K., Ruchin A.B. Critical thermal maximum of fish Perccottus glenii in different seasons. Journal of Ichthyology 2011; 51(6): 822–827. 5. Grigorieva E.E., Shtanchayev R.S., Mikhailova G.Z. et al. Correlation between the size of individual parts of Mauthner neurons in goldfish and their integral function after enucleation of the eye. Neuroscience and Behavioral Physiology 2012; 42(1): 52–57. 6. Ignat’ev D.A., Gordon R.Ya., Patrushev I.V., Popov I.V. The functional brain state of hibernators and nonhibernators at different temperatures of animals. Usp Fiziol Nauk 2012; 43(1): 48–74. 7. Israilova G.R., Khalilov R.A., Adieva A.A. Modern approaches in studying hypothermia. Fundamentalnye Issledovaniya 2014; 11(5): 1046–1058. 8. Кalabukhov N.I. Hibernation of mammals. Мoscow: Nauka; 1985. 9. Karaduleva E.V., Santalova I.M., Zakharova N.M. Specific molecular and morphological changes in cardiomyocytes of hibernating gound squirrels in different periods of annual cycle. Biofizika 2014; 59(5): 926–932. проблемы криобиологии и криомедицины problems of cryobiology and cryomedicine том/volume 25, №/issue 2, 2015 121 10.Михеева И.Б., Григорьева Е.Е., Михайлова Г.З. и др. Серо- тонинергические синапсы на вентральном дендрите маутнеровского нейрона (ультраструктурное исследо- вание с использованием иммунозолотой метки // Морфо- логия. – 2013. – Т. 143, №1. – С. 11–15. 11.Мошков Д.А. Адаптация и ультраструктура нейрона. – М.: Наука, 1985. – 200 с. 12.Санталова И.М., Мошков Д.А., Чайлахян Л.М. Эффект блокатора Са2+-каналов верапамила на структуру и функ- цию маутнеровских нейронов золотой рыбки // Доклады Акад. наук. – 2004. – Т. 398, №5. – С. 715–717. 13.Чемагин А.А. Распространение ротана-головешки (PERCCOTTUS GLENII DYBOWSKI, 1877) в пойменных озе- рах нижнего Иртыша // Фундаментальные исследова- ния. – 2014. – Т.12, №11. – С. 2656–2660; 14.Carey H.V., Andrews M.T. and Martin S.L. Mammalian hiber- nation: cellular and molecular responses to depressed metabo- lism and low temperature // Physiol. Rev. – Vol. 83. – P .1153– 1181 15.Grigorieva E.E., Shtanchaev R.S., Mikhailova G.Z. et al. Corre- lation between the size of individual parts of Mauthner neurons in goldfish and their integral function after enucleation of the eye // Neuroscience and Behavioral Physiology. – 2012. – Vol. 42, №1. – P. 52–57. 16.Popov V.I., Bocharova L.S., Bragin A.G. Repeated changes of dendritic morphology in the hippocampus of ground squirrels in the course of hibernation // Neuroscience. – 1992. – Vol. 48, №1. – P. 45–51. 17.Santalova I.M., Moshkov D.A. Smooth endoplasmic reticulum in fish Mauthner cells at different functional states // Neuro- sience, 1999. – Vol. 89, №2. – P. 593–602. 18.Szabo T.M., McCormick C.A., Faber D.S. Otolith endorgan input to the Mauthner neuron in the goldfish // J. Comp. Neurol. – 2007. – Vol. 505, №5. – P. 511–525. 19.von der Ohe C.G., Darian-Smith C., Garner C.C., Heller H.C. Ubiquitous and temperature-dependent neural plasticity in hibernators // J. Neurosci. – 2006. – Vol. 26, №41. – P. 10590– 10598. 20.Weis S.A., Zottoli S.J., Do S.C. et al. Correlation of C-start be- haviors with neural activity recorded from the hindbrain of free-swimming goldfish (Carassius auratus) // J. Exp. Biol. – 2006. – Vol. 209, Pt. 23. – P. 4788–4801. 21.Zottoli S.J., Hordes A.R., Faber D.S. Localization of optic tectal input to the ventral dendrite of the goldfish Mauthner cell // Brain Res. – 1987. – Vol. 401, №1. – P. 113–121. 10.Кaranova М.V. The composition of free amino acids of Perccottus glehni blood and muscles of during preparation and completion of hibernation. Journal of Evolutionary Biochemistry and Physiology 2009; 45(1): 59–68. 11. Marchenko V.S., Butskiy K.I. Brain neuroplasticity in hamsters at hypothermia. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing; 2013. 12.Mikhailova G.Z., Kokanova N.A., Tiras N.P., Moshkov D.A. Three-dimensional reconstruction and volume determination of neuron. Мoscow: Librokom; 2012. 13.Mikheeva I.B., Grigor'eva E.E., Mikhailova G.Z. et al. Sero- toninergic synapses on the ventral dendrite of Mauthner neu- ron (ultrastructural study using immuno-gold labeling. Morfologiya 2013; 143(1): 11–15. 14.Moshkov D.A. Adaptation and neuron ultrastructure. Moscow: Nauka; 1985. 15.Popov V.I., Bocharova L.S., Bragin A.G. Repeated changes of dendritic morphology in the hippocampus of ground squirrels in the course of hibernation. Neuroscience 1992; 48(1): 45– 51. 16.Santalova I.M., Moshkov D.A. Smooth endoplasmic reticulum in fish Mauthner cells at different functional states. Neuro- sience 1999; 89(2): 593–602. 17.Santalova I.M., Moshkov D.A., Chailakhyan L.M. Effect of verapamil, а Ca2+ channel blocker on structure and function of goldfish Mauthner neurons. Doklady Biological Sciences 2004; 398(5): 715–717. 18.Szabo T.M., McCormick C.A., Faber D.S. Otolith endorgan input to the Mauthner neuron in the goldfish. J Comp Neurol 2007; 505(5): 511–525. 19.von der Ohe C.G., Darian-Smith C., Garner C.C., Heller H.C. Ubiquitous and temperature-dependent neural plasticity in hibernators. J Neurosci 2006; 26(41): 10590–10598. 20.Weis S.A., Zottoli, S.J., Do S.C. et al. Correlation of C-start behaviors with neural activity recorded from the hindbrain of free-swimming goldfish (Carassius auratus). J Exp Biol 2006; 209(Pt 23): 4788–4801. 21.Zottoli S.J., Hordes A.R., Faber D.S. Localization of optic tectal input to the ventral dendrite of the goldfish Mauthner cell. Brain Res 1987; 401(l): 113–121.

Влияние состояния зимнего оцепенения на трехмерную структуру маутнеровских нейронов у рыб Percсottus glehni

Institution

Ähnliche Einträge