Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме
Изучали структурные изменения в тканях неокортекса и гипоталамуса у гетеротермных хомяков при естественном и искусственном гипометаболизме и гомойотермных крыс при искусственном гипометаболизме, а также на этапах восстановления (через 2 и 24 ч после выхода из гипометаболических состояний). Наблюда...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України
2015
|
| Назва видання: | Проблемы криобиологии и криомедицины |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134522 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме / В.В. Ломако, А.В. Шило // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 93–103. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-134522 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1345222018-06-14T03:06:02Z Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме Ломако, В.В. Шило, А.В. Теоретическая и экспериментальная криобиология Изучали структурные изменения в тканях неокортекса и гипоталамуса у гетеротермных хомяков при естественном и искусственном гипометаболизме и гомойотермных крыс при искусственном гипометаболизме, а также на этапах восстановления (через 2 и 24 ч после выхода из гипометаболических состояний). Наблюдали следующие изменения в изученных тканях мозга: расширение/сужение периваскулярных пространств и появление темных нейронов; появление нейронов с ядрышками в ядре, указывающее на усиление синтеза белка в ответ на гипоксию, что подтверждено соответствующими колебаниями уровня общего белка в этих тканях. Выявленные изменения не являются следствием токсического воздействия или патологических проявлений, а, вероятно, отражают различные фазы нормальных метаболических процессов при гипометаболизме. Изменения имеют видоспецифический характер, качественно и количественно по-разному проявляются на определенных этапах входа и выхода из гипометаболических состояний. Вивчали структурні зміни в тканинах неокортексу та гіпоталамуса гетеротермних хом'яків при природному і штучному гіпометаболізмі та гомойотермних щурів при штучному гіпометаболізмі, а також на етапах відновлення (через 2 і 24 години після виходу із гіпометаболічних станів). Спостерігали такі зміни у вивчених тканинах мозку: розширення/ звуження периваскулярних просторів і поява темних нейронів; поява нейронів із ядерцями в ядрі, що вказує на посилення синтезу білка у відповідь на гіпоксію і підтверджено відповідними коливаннями рівня загального білка в цих тканинах. Виявлені зміни не є наслідком токсичного впливу або патологічних проявів, а, ймовірно, відображають різні фази нормальних метаболічних процесів при гіпометаболізмі. Зміни мають видоспецифічний характер, якісно та кількісно по-різному проявляються на певних етапах входу і виходу з гіпометаболічних станів. Structural changes in the brain neocortex and hypothalamus in heterothermal hamsters under natural and artificial hypometabolism, and in homoiothermal rats under artificial hypometabolism as well as 2 and 24 hrs later awakening from hypometabolic states were studied. The following changes in the studied brain tissues were observed: a dilation/constriction of perivascular spaces and dark neurons appearance; the emergence of neurons with nucleoli in their nucleus, likely indicating an increased protein synthesis in response to hypoxia. The latter was confirmed by the revealed corresponding fluctuations in the total protein levels in the tissues. The identified changes probably reflect different phases of normal metabolic processes under hypometabolism and are not resulted from either toxic effect or pathological manifestations. The changes were species-specific and manifested differently, both qualitatively and quantitatively, at certain stages of entering and awakening from hypometabolic states. 2015 Article Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме / В.В. Ломако, А.В. Шило // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 93–103. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 0233-7673 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134522 591.128.2.085.1:591.543.42:615.832.9 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 Ломако, В.В. Шило, А.В. Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме Проблемы криобиологии и криомедицины |
| description |
Изучали структурные изменения в тканях неокортекса и гипоталамуса у гетеротермных хомяков при естественном
и искусственном гипометаболизме и гомойотермных крыс при искусственном гипометаболизме, а также на этапах
восстановления (через 2 и 24 ч после выхода из гипометаболических состояний). Наблюдали следующие изменения в
изученных тканях мозга: расширение/сужение периваскулярных пространств и появление темных нейронов; появление
нейронов с ядрышками в ядре, указывающее на усиление синтеза белка в ответ на гипоксию, что подтверждено соответствующими
колебаниями уровня общего белка в этих тканях. Выявленные изменения не являются следствием токсического
воздействия или патологических проявлений, а, вероятно, отражают различные фазы нормальных метаболических процессов
при гипометаболизме. Изменения имеют видоспецифический характер, качественно и количественно по-разному проявляются
на определенных этапах входа и выхода из гипометаболических состояний. |
| format |
Article |
| author |
Ломако, В.В. Шило, А.В. |
| author_facet |
Ломако, В.В. Шило, А.В. |
| author_sort |
Ломако, В.В. |
| title |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| title_short |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| title_full |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| title_fullStr |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| title_full_unstemmed |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| title_sort |
гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме |
| publisher |
Інститут проблем кріобіології і кріомедицини НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Теоретическая и экспериментальная криобиология |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134522 |
| citation_txt |
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе гомойо- и гетеротермных животных при искусственном и естественном гипометаболизме / В.В. Ломако, А.В. Шило // Проблемы криобиологии и криомедицины. — 2015. — Т. 25, № 2. — С. 93–103. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. |
| series |
Проблемы криобиологии и криомедицины |
| work_keys_str_mv |
AT lomakovv gistologičeskaâkartinavneokortekseigipotalamusegomojoigeterotermnyhživotnyhpriiskusstvennomiestestvennomgipometabolizme AT šiloav gistologičeskaâkartinavneokortekseigipotalamusegomojoigeterotermnyhživotnyhpriiskusstvennomiestestvennomgipometabolizme |
| first_indexed |
2025-07-09T21:35:32Z |
| last_indexed |
2025-07-09T21:35:32Z |
| _version_ |
1837206796365725696 |
| fulltext |
УДК 591.128.2.085.1:591.543.42:615.832.9
В.В. Ломако*, А.В. Шило
Гистологическая картина в неокортексе и гипоталамусе
гомойо- и гетеротермных животных при искусственном
и естественном гипометаболизме
UDC 591.128.2.085.1:591.543.42:615.832.9
V.V. Lomako*, A.V. Shylo
Histological Picture in Neocortex and Hypothalamus
of Homoio- and Heterothermal Animals Under Artificial
and Natural Hypometabolism
Реферат: Изучали структурные изменения в тканях неокортекса и гипоталамуса у гетеротермных хомяков при естест-
венном и искусственном гипометаболизме и гомойотермных крыс при искусственном гипометаболизме, а также на этапах
восстановления (через 2 и 24 ч после выхода из гипометаболических состояний). Наблюдали следующие изменения в
изученных тканях мозга: расширение/сужение периваскулярных пространств и появление темных нейронов; появление
нейронов с ядрышками в ядре, указывающее на усиление синтеза белка в ответ на гипоксию, что подтверждено соответст-
вующими колебаниями уровня общего белка в этих тканях. Выявленные изменения не являются следствием токсического
воздействия или патологических проявлений, а, вероятно, отражают различные фазы нормальных метаболических процес-
сов при гипометаболизме. Изменения имеют видоспецифический характер, качественно и количественно по-разному про-
являются на определенных этапах входа и выхода из гипометаболических состояний.
Ключевые слова: неокортекс, гипоталамус, темные нейроны, гибернация, искусственное гипометаболическое
состояние, гомойотермия, гетеротермия.
Реферат: Вивчали структурні зміни в тканинах неокортексу та гіпоталамуса гетеротермних хом'яків при природному
і штучному гіпометаболізмі та гомойотермних щурів при штучному гіпометаболізмі, а також на етапах відновлення (через
2 і 24 години після виходу із гіпометаболічних станів). Спостерігали такі зміни у вивчених тканинах мозку: розширення/
звуження периваскулярних просторів і поява темних нейронів; поява нейронів із ядерцями в ядрі, що вказує на посилення
синтезу білка у відповідь на гіпоксію і підтверджено відповідними коливаннями рівня загального білка в цих тканинах.
Виявлені зміни не є наслідком токсичного впливу або патологічних проявів, а, ймовірно, відображають різні фази нормальних
метаболічних процесів при гіпометаболізмі. Зміни мають видоспецифічний характер, якісно та кількісно по-різному
проявляються на певних етапах входу і виходу з гіпометаболічних станів.
Ключові слова: неокортекс, гіпоталамус, темні нейрони, гібернація, штучний гіпометаболічний стан, гомойотермія,
гетеротермія.
Abstract: Structural changes in the brain neocortex and hypothalamus in heterothermal hamsters under natural and artificial
hypometabolism, and in homoiothermal rats under artificial hypometabolism as well as 2 and 24 hrs later awakening from hypometabolic
states were studied. The following changes in the studied brain tissues were observed: a dilation/constriction of perivascular
spaces and dark neurons appearance; the emergence of neurons with nucleoli in their nucleus, likely indicating an increased protein
synthesis in response to hypoxia. The latter was confirmed by the revealed corresponding fluctuations in the total protein levels in the
tissues. The identified changes probably reflect different phases of normal metabolic processes under hypometabolism and are not
resulted from either toxic effect or pathological manifestations. The changes were species-specific and manifested differently, both
qualitatively and quantitatively, at certain stages of entering and awakening from hypometabolic states.
Key words: neocortex, hypothalamus, dark neurons, hibernation, artificial hypometabolic state, homoiothermia, heterothermia.
*Автор, которому необходимо направлять корреспонденцию:
ул. Переяславская, 23, г. Харьков, Украина 61015;
тел.: (+38 057) 373-74-35, факс: (+38 057) 373-30-84,
электронная почта: victorial2003@list.ru
*To whom correspondence should be addressed:
23, Pereyaslavskaya str., Kharkov, Ukraine 61015;
tel.:+380 57 3737435, fax: +380 57 373 3084,
e-mail: victorial2003@list.ru
Department of Cryophysiology, Institute for Problems
of Cryobiology and Cryomedicine of the National Academy of
Sciences of Ukraine, Kharkov, Ukraine
Отдел криофизиологии, Институт проблем криобиологии
и криомедицины НАН Украины, г. Харьков
Поступила 09.12.2014
Принята в печать 12.01.2015
Проблемы криобиологии и криомедицины. – 2015. – Т. 25, №2. – С. 93–103.
© 2015 Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины
Received December, 09, 2014
Accepted January, 12, 2015
Probl. Cryobiol. Cryomed. 2015. 25(2): 93–103.
© 2015 Institute for Problems of Cryobiology and Cryomedicine
оригинальное исследование research article
Mammalian hibernation is an example of natural
species adaptation allowing the animals to survive
extreme conditions, and in addition it could serve as an
unique model for studying the mechanisms underlying
the resistance of an organism to the effect of extreme
factors (low temperatures, hypoxia, oxidative stress
etc.).
Гибернация млекопитающих – пример естест-
венной видовой адаптации, позволяющей живот-
ным выживать в экстремальных условиях; пред-
ставляет собой уникальную модель для изучения
механизмов устойчивости организма к действию
экстремальных факторов (низкая температура, ги-
поксия, оксидативный стресс и др.).
94 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
The processes of the hibernation entering and
awakening, the duration of its bouts are controlled by
central nervous system (CNS) [1, 8]. However, the
brain structures during hibernation are at different
levels of functional activity. Their activity decreases
downward, starting from evolutionarily younger CNS
structures (neocortex) to the evolutionarily more ‘an-
cient’ subcortical structures (hypothalamus, hippocam-
pus etc.): while a bioelectrical activity (BEA) in the
neocortex is completely suppressed, in the hypothala-
mus and hippocampus it is strongly modified but
preserved in deep hibernation [22, 32].
The animals being able of entering hibernation have
the cells and systems resistant to a variety of injuries
[4], so the methods of artificial inhibition of the meta-
bolism of homoiothermal organism are of great interest
for experimental biology and applied medicine. Artificial
hypometabolism (AHM), unlike any of equal depth
hypothermia variations, is accompanied by twice lower
oxygen consumption. Entering the AHM when the
decrease in body temperature down to 20...15°C takes
place on the background of increasing hypoxia-hyper-
capnia, causes immobility, suppression of tactile and
pain sensitivities, decrease in metabolism, heart and
respiratory rhythm and brain BEA [23]; a decline of
BEA amplitude of the neocortex is observed, as well
as a depression of all the frequency components of
the electroencephalogram (EEG) but with relative pre-
dominance of δ-oscillations [31, 33]. An animal is able
of rewarming from this state to normothermia, as in
the case of natural hypometabolism (NHM) [23], more-
over the activity of the brain reaches a normal functio-
nal level twice faster in heterothermal than homoiother-
mal animals [31].
Hypothalamic-pituitary system is a neuroeffector
link of the CNS, actively involved into the implementa-
tion of hibernation and the appearance of its morpho-
functional state could indicate the changes occurring
during an animal hibernation [30]. Histological analysis
of neocortex and hypothalamus, i.e. the CNS structures
involved into the implementation and control of thermo-
regulation [24] and hibernation [1, 8], would provide
an opportunity to identify specific structural and func-
tional changes when entering and rewarming from a
hypometabolic state (HMS) [30].
The research aim was to study structural changes
in the neocortex and hypothalamus tissues of hetero-
(hamsters) and homoiothermal (rats) animals under
artificial and natural hypometabolism and at recovery
stages (2 hrs and 24 hrs after rewarming from the
hypometabolic state).
Materials and methods
The experiments were carried out in accordance
with the General Principles of Experiments in Animals
Процессы погружения и выхода из гибернации,
длительность ее баутов контролируются централь-
ной нервной системой (ЦНС) [10, 18]. Однако
структуры мозга при гибернации находятся на раз-
ном уровне функциональной активности. Их актив-
ность снижается по нисходящей: с эволюционно
более молодых структур ЦНС (неокортекс) к эво-
люционно более «древним» подкорковым струк-
турам (гипоталамус, гиппокамп и др.). При этом
биоэлектрическая активность (БЭА) в неокор-
тексе полностью подавлена, а в гипоталамусе и
гиппокампе она регистрируется даже в состоянии
глубокой гибернации [9, 29].
У животных, способных погружаться в гибер-
нацию, клетки и системы устойчивы к различным
повреждениям [13], поэтому для эксперимен-
тальной биологии и прикладной медицины методы
искусственного снижения метаболизма гомойо-
термного организма представляют большой ин-
терес. При искусственном гипометаболизме
(ИГМ), в отличие от равной по глубине любой раз-
новидности гипотермии, потребление кислорода в
два раза ниже. Погружение в ИГМ, когда сниже-
ние температуры тела до 20...15°С происходит на
фоне нарастающей гипоксии-гиперкапнии, вызы-
вает обездвиженность, угнетение тактильной и
болевой чувствительности, метаболизма, ритма
сердца и БЭА головного мозга [4]; отмечается сни-
жение амплитуды БЭА неокортекса, депрессия
всех частотных составляющих электроэнцефало-
граммы (ЭЭГ) на фоне доминирования мощности
в δ-диапазоне [7, 8]. Из этого состояния животное
способно возвращаться к нормотермии, как и при
естественном гипометаболизме [4], причем актив-
ность мозга достигает нормального функциональ-
ного уровня в два раза быстрее у гетеротермных,
чем у гомойотермных животных [8].
Гипоталамо-гипофизарная система является
нейроэффекторным звеном ЦНС, она активно
участвует в реализации гибернации, и по картине
ее морфофункционального состояния можно судить
об изменениях, происходящих при гибернации
животного [6]. Гистологическая картина неокортек-
са и гипоталамуса – структур ЦНС, вовлеченных
в реализацию и контроль процессов терморегуляции
[30] и гибернации [10, 18], даст возможность выя-
вить характерные структурно-функциональные
изменения при погружении в гипометаболические
состояния (ГМС) и выходе из них.
Цель работы – изучить структурные изменения
в тканях неокортекса и гипоталамуса гетеро-
(хомяки) и гомойотермных (крысы) животных при
искусственном и естественном гипометаболизме
на этапах восстановления (через 2 и 24 ч после
выхода из гипометаболического состояния).
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
95
Материалы и методы
Эксперименты проведены в соответствии с
«Общими принципами экспериментов на живот-
ных», одобренными V Национальным конгрессом
по биоэтике (Киев, 2013) и согласованными с
положениями «Европейской конвенции о защите
позвоночных животных, используемых для
экспериментальных и других научных целей»
(Страсбург, 1986). Работа выполнена в осенне-
зимний период на самцах золотистых хомяков
(массой 85–95 г) и самцах беспородных белых
крыс (массой 180–220 г). До начала эксперимента
животных содержали в условиях вивария при
естественном световом режиме на стандартном
рационе ad libitum с добавлением зерен пшеницы
и семян подсолнечника.
Перед погружением в естественный гипометабо-
лизм (ЕГМ) хомяков рассаживали в индивидуаль-
ные клетки, из рациона исключали сочную пищу,
снабжали гнездовым материалом (древесные
опилки и сено) и переносили в темное помещение
с температурой воздуха около (3 ± 1)°С (промыш-
ленная холодильная камера объемом 20 м3 с авто-
матической регулировкой температуры). Хомяки
погружались в спячку через 10–14 дней. Средняя
длительность баута составила (3 ± 0,5) суток.
Состояние ИГМ моделировали с помощью ме-
тода «закрытого сосуда» [4, 7]. Животных в герме-
тически закрытом сосуде (объемом 3 дм3 для
крыс и 2 дм3 для хомяков) помещали в темную
холодовую камеру (2...5°С). Находясь в условиях
пониженной температуры и нарастающей гипок-
сии-гиперкапнии, животные постепенно (в течение
2,5–3 ч) погружались в состояние, по физиологи-
ческим параметрам сходное с естественной ги-
бернацией [4, 7]. Животных (n = 5) выводили из
эксперимента путем декапитации, забор мате-
риала проводили при достижении ГМС и на этапах
восстановления (через 2 и 24 ч).
Гистологическое исследование выполняли по
стандартной методике [1]: ткани фиксировали в
10%-м растворе нейтрального формалина в течение
24 ч. После отмывания фиксированный материал
обезвоживали в спиртах возрастающей концентра-
ции и заливали в парафин. Полученные срезы
толщиной 6–8 мкм окрашивали гематоксилином и
эозином. Препараты изучали и фотографировали
с помощью микроскопа «Axio Observer Zl» («Carl
Zeiss», Германия) с программным обеспечением
для анализа изображений «AxioVision Rel. 4.8». При
морфологическом исследовании визуально оцени-
вали состояние гистологических образцов тканей
неокортекса и гипоталамуса (диаметр просвета
сосудов, их кровенаполнение, состояние периваску-
лярных пространств, нейронов и их ядер). Уровень
общего белка в тканях определяли методом Бред-
approved by the 5th National Congress in Bioethics
(Kiev, 2013) and consistent with the statements of the
European Convention for the Protection of Vertebrate
Animals Used for Experimental and Other Scientific
Purposes (Strasbourg, 1986). The work was performed
in autumn-winter period in male golden hamsters (85–
95 g weight) and male outbred albino rats (180–220 g).
Before the experiment start the animals were kept
under animal house conditions with natural light
conditions on the standard diet ad libitum with wheat
grains and sunflower seeds.
Before entering the natural hypometabolism
(NHM) the hamsters were placed into individual cages,
the diet was deprived of juicy food, the animals were
supplied with nesting material (sawdust and hay) and
transferred into a dark room with an air temperature
of about (3 ± 1)°C (large scale freezer of 20 m3 with
automated temperature control). The hamsters entered
hibernation after 10–14 days. The average bout dura-
tion was (3 ± 0.5) days.
AHM state was achieved using the method of the
‘closed vessel’ [23, 33]. The animals in the sealed
vessel (for rats it was of 3 dm3 volume and 2 dm3 for
hamsters) were placed into a dark cold chamber
(2...5°C). Being at lowered temperatures and increas-
ing hypoxia-hypercapnia, the animals gradually (within
2.5–3 hrs) entered the state similar by some physiolo-
gical parameters to natural hibernation [23, 33]. The
animals (n = 5) were sacrificied by decapitation, the
samples were collected when achieving the HMS and
at the recovery stages (2 and 24 hrs). Histological
examination was performed according to standard
procedures [34]: the tissues were fixed in 10% neutral
formalin solution for 24 hrs. After washing the fixed
material was dehydrated in alcohols of an increasing
concentration and paraffin embedded. The obtained
6–8 mm slices were stained by hematoxylin and eosin.
The samples were examined and the photos were made
with Axio Observer Zl microscope (Carl Zeiss, Germa-
ny); image analysis was done using the AxioVision Rel.
4.8 software. Morphological study involved visual
assessment of the state of histological samples of
neocortex and hypothalamus tissues (diameter of the
lumen of blood vessels, their blood supply, condition of
perivascular spaces of neurons and their nuclei). The
content of total protein in tissues was determined
according Bradford [2]. Statistical analysis was
performed using the Mann-Whitney test.
Results and discussion
Artificial and natural HMSs in the tissue samples
of neocortex were accompanied by an increased volume
in perivascular spaces, observed especially in hetero-
thermal hamsters (Fig. 1, A). The vision fields in neo-
cortical tissues of homoiothermal rats contained signifi-
cant amount of neurons, in which the nuclei with nucleoli
96 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
форда [11]. Статистическую обработку данных про-
водили с использованием критерия Манна-Уитни.
Результаты и обсуждение
При искусственном и естественном ГМС в об-
разцах ткани неокортекса наблюдали увеличение
объема периваскулярных пространств, особенно у
гетеротермных хомяков (рис. 1, А). В поле зрения
в ткани неокортекса у гомойотермных крыс отме-
чали значительное количество нейронов, в которых
видны ядра с ядрышками (рис. 1, А1), что ука-
зывает на активацию процессов синтеза белка и
является ответной реакцией на действие гипоксии.
Подтверждением этому служат наши данные о по-
вышении уровня общего белка в ткани неокортекса
were seen (Fig. 1, A1), that indicated the activation of
protein synthesis and was a response to hypoxia. This
was confirmed by our findings about an increased level
of total protein in rat neocortical tissue from (1.49 ±
0.2) µg/ml in the control to (3.02 ± 1.41) µg/ml when
reaching the AHM. And vice versa, there was a ten-
dency to a decreased level of total protein both at arti-
ficial – (1.22 ± 0.15) µg/ml and natural HMS – (1.16 ±
0.21) µg/ml (control – (1.44 ± 0.29) µg/ml) in hamsters
neocortex tissue, which brain is less sensitive to hypoxia
like all hibernating mammals [19, 34]. Moreover, HMS in
hamsters was accompanied with appearance of dark
neurons in neocortex [13, 19] (Fig. 1, A2 and A3).
Hypothalamic tissue (Fig. 1 B), as well as the neo-
cortex both at AHM and NHM had the dilatations of
Рис. 1. Ткани головного мозга крыс и хомяков при искусственном и естест-
венном гипометаболизме: А – сенсомоторная область неокортекса; В –
гипоталамус; 1 – крысы при ИГМ; 2 – хомяки при ИГМ; 3 – хомяки при ЕГМ;
периваскулярные пространства (белые стрелки); нейроны с ядрышками в
ядре (обведено белым контуром); интактные (обведено черным контуром)
и темные (черные стрелки) нейроны. Окраска гематоксилином и эозином.
Fig. 1. Brain tissues of rats and hamsters at artificial and natural hypometa-
bolisms: А – neocortex sensorimotor area; В – hypothalamus; 1 – rats at AHM;
2 – hamsters at AHM; 3 – hamsters at NHM; perivascular spaces (white arrows);
neurons with nucleoli in nucleus (white contour); intact (black contour) and dark
(dark arrows) neurons. Hematoxylin and eosin staining.
крыс с (1,49 ± 0,2) мкг/мл в конт-
роле до (3,02 ± 1,41) мкг/мл при
достижении ИГМ. У хомяков,
мозг которых, как и у всех гибер-
нирующих млекопитающих [1,
26], менее чувствителен к гипок-
сии, в ткани неокортекса, напро-
тив, наблюдали тенденцию к
снижению уровня общего белка
как при искусственном – (1,22 ±
0,15) мкг/мл, так и естественном
ГМС – (1,16 ± 0,21) мкг/мл (конт-
роль (1,44 ± 0,29) мкг/мл). Кро-
ме того, у хомяков при ГМС в нео-
кортексе обнаружены темные
нейроны [22, 25] (рис. 1, А2 и А3).
В ткани гипоталамуса (рис. 1,
В), как и в неокортексе, при ИГМ
и ЕГМ также наблюдали разную
степень расширения периваску-
лярных пространств (более замет-
но у хомяков) (рис. 1, В2 и В3).
Отмечали множество функцио-
нально активных, наполненных
кровью сосудов разного диаметра
(капилляры, артерии, артериолы)
(рис. 1, В), особенно у хомяков при
ЕГМ (рис. 1, В3). Кроме того,
было обнаружено снижение уров-
ня общего белка в ткани гипота-
ламуса: при ИГМ – как у крыс
с (1,21 ± 0,38) мкг/мл в контроле
до (1,15 ± 0,01) мкг/мл, так и у
хомяков с (1,34 ± 0,2) мкг/мл в
контроле до (1,09 ± 0,09) мкг/мл,
а при ЕГМ у хомяков до (0,5 ±
0,14) мкг/мл (р < 0,05).
Через 2 ч после выхода из
ИГМ в ткани неокортекса как у
крыс (рис. 2, А1), так и у хомяков
A1 B1
A2 B2
A3 B3
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
97
the neocortex tissue of hamsters 2 hrs after the AHM;
some cells had also the nuclei with nucleoli (Fig. 2,
A2), as in the rats with AHM state (Fig. 1, A1). The
level of total protein in neocortex tissue of hamsters
increased up to (1.71 ± 0.18) µg/ml (control – (1.44 ±
0.29) µg/ml).
Hypothalamic tissue in 2 hrs after the AHM state
had changes similar to those in the neocortex samples
(Fig. 2, B1 and B2), but the dilatation of perivascular
spaces was more visible, especially in hamsters, and
the number of dark neurons in the hypothalamus was
higher in the rats in contrast to hamsters.
In 24 hrs after the HMS the perivascular spaces
were narrowed both in rat and hamster neocortex
(Fig. 3), especially near the large vessels in hamsters
(Fig. 3, A2), there were the vessels without perivascular
spaces; the number of dark neurons was decreased;
functionally active vessels of different diameters filled
with blood were seen.
Rat hypothalamic tissue 24 hours after AHM (Fig. 3,
B1) contained dark neurons; perivascular spaces were
narrowed. In the same terms the perivascular spaces
in hamster samples remained dilated, especially near
the large vessels (Fig. 3, B2 and B3), the vessels of
(рис. 2, А2) периваскулярные пространства оста-
вались расширенными, наблюдали также сосуды
без периваскулярных пространств. В неокортексе
крыс появилось значительное количество темных
нейронов, уровень общего белка значимо не отли-
чался от контроля – (1,58 ± 0,24) мкг/л. В ткани
неокортекса хомяков через 2 ч после ИГМ наблю-
дали темные нейроны, в некоторых клетках также
были видны ядра с ядрышками (рис. 2, А2), как и
у крыс в состоянии ИГМ (рис. 1, А1). Уровень
общего белка в ткани неокортекса хомяков повы-
шался до (1,71 ± 0,18) мкг/мл (контроль (1,44 ±
0,29) мкг/мл).
В ткани гипоталамуса через 2 ч после выхода
из состояния ИГМ прослеживались аналогичные
с образцами неокортекса изменения (рис. 2, В1 и
В2), однако расширение периваскулярных прост-
ранств было более выражено, особенно у хомяков,
а темных нейронов в гипоталамусе, напротив, у
крыс было больше, чем у хомяков.
Через 24 ч после выхода из ГМС как у крыс,
так и хомяков в неокортексе (рис. 3) периваскуляр-
ные пространства были сужены, особенно возле
крупных сосудов у хомяков (рис. 3, А2), видны
Рис. 2. Ткани головного мозга крыс и хомяков через 2 ч после выхода из
искусственного гипометаболизма: А – сенсомоторная область неокор-
текса; В – гипоталамус; 1 – крысы при ИГМ; 2 – хомяки при ИГМ; 3 – хомяки
при ЕГМ; периваскулярные пространства (белые стрелки); нейроны с
ядрышками в ядре (обведено белым контуром); интактные (обведено
черным контуром) и темные (черные стрелки) нейроны. Окраска гемато-
ксилином и эозином.
Fig. 2. Brain tissues of rats and hamsters 2 hrs after artificial hypometabolism:
А – neocortex sensorimotor area; В – hypothalamus; 1 – rats at AHM; 2 – ham-
sters at AHM; 3 – hamsters at NHM; perivascular spaces (white arrows); neu-
rons with nucleoli in nucleus (white contour); intact (black contour) and dark
(dark arrows) neurons. Hematoxylin and eosin staining.
A1 B1
A2 B2
perivascular spaces of a various
extent (more visible in hamsters)
(Fig. 1, B2 and B3). Multiple func-
tionally active, filled with blood
vessels of different diameters
(capillaries, arteries, arterioles)
(Fig. 1, B) were present, espe-
cially in hamsters at NHM (Fig. 1,
B3). Furthermore, there was
found a decreased level of total
protein in the hypothalamus tis-
sue: at AHM – both in rats (from
(1.21 ± 0.38) µg/ml in the control
down to (1.15 ± 0.01) µg/ml) and
hamsters (from (1.34 ± 0.2) µg/ml
in the control down to (1.09 ±
0.09) µg/ml), and at NHM in ham-
sters – down to (0.5 ± 0.14) µg/ml
(p <0.05).
In 2 hrs after the AHM the
perivascular spaces were dilated
in neocortical tissue both in rats
(Fig. 2, A1) and hamsters (Fig. 2,
A2), the vessels without perivas-
cular spaces were also observed.
A considerable number of dark
neurons appeared in rat neocor-
tex, the level of total protein was
not significantly different from the
control: (1.58 ± 0.24) µg/ml. The
dark neurons were observed in
98 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
тканях существенно ниже, чем в «ядре» тела,
значительно снижается как при видовой, так и при
индивидуальной адаптации к холоду, определяется
размерами тела, экологической специализацией
животных и уровнем терморегуляторного метабо-
лизма [5]. Следовательно, гибернирующие и
негибернирующие животные на холодовое воз-
действие будут реагировать по-разному.
Например, ранее было показано [16], что фор-
мирование ответной реакции на холодовое воздей-
ствие у крыс происходит по гипертрофическому
типу, а у хомяков – по атрофическому. Для получе-
ния адекватной реакции на холодовой фактор
авторы имитировали условия естественного фото-
smaller diameter were observed without perivascular
spaces.
The response of an organism to cooling depends
on the species and age of an animal, depth and duration
of cold exposure; the available published data on this
topic are quite contradictory.
In thermally neutral zone (with ambient temperature
of 27...29°C) rats and hamsters have similar basal me-
tabolic parameters, but in response to gradual reduction
of ambient temperature the metabolism rate in ham-
sters increases much faster than in rats [15]. Moreover,
homoio- and heterothermal animals are likely characte-
rized with different ratios of thermogenesis types, i. e.
shivering and non-shivering. Metabolism dependence
Рис. 3. Ткани головного мозга крыс и хомяков через 24 ч после выхода из
искусственного и естественного гипометаболизма: А – сенсомоторная
область неокортекса; В – гипоталамус; 1 – крысы при ИГМ; 2 – хомяки при
ИГМ; 3 – хомяки при ЕГМ; периваскулярные пространства (белые стрелки);
нейроны с ядрышками в ядре (обведено белым контуром); интактные
(обведено черным контуром) и темные (черные стрелки) нейроны.
Окраска гематоксилином и эозином.
Fig. 3. Brain tissues of rats and hamsters 24 hrs after artificial and natural
hypometabolism: А – neocortex sensorimotor area; В – hypothalamus; 1 – rats
at AHM; 2 – hamsters at AHM; 3 – hamsters at NHM; perivascular spaces (white
arrows); neurons with nucleoli in nucleus (white contour); intact (black contour)
and dark (dark arrows) neurons. Hematoxylin and eosin staining.
A1 B1
A2 B2
A3 B3
сосуды без периваскулярных
пространств; число темных ней-
ронов уменьшалось, наблюдали
наполненные кровью функцио-
нально активные сосуды раз-
личного диаметра.
В ткани гипоталамуса крыс
через 24 ч после ИГМ (рис. 3,
В1) были видны темные нейро-
ны, периваскулярные простран-
ства сужались. У хомяков в эти
же сроки периваскулярные про-
странства оставались расширен-
ными, особенно возле крупных
сосудов (рис. 3, В2 и В3), были
видны сосуды меньшего диа-
метра без периваскулярных
пространств.
Ответ организма на охлаж-
дение зависит от вида и возрас-
та животного, глубины и дли-
тельности холодовой экспозиции.
Данные, имеющиеся в научной
литературе по этому вопросу,
достаточно противоречивы.
В термонейтральной зоне
(температура окружающей сре-
ды 27...29°C) у крысы и хомяка
базальные метаболические по-
казатели сходные, но в ответ на
постепенное снижение темпера-
туры окружающей среды ско-
рость метаболизма у хомяков
увеличивается значительно
быстрее, чем у крыс [24]. Кроме
того, для гомойо- и гетеротерм-
ных животных, возможно, харак-
терны различные соотношения
типов термогенеза – сократи-
тельного и несократительного.
Зависимость метаболизма от
температуры в периферических
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
99
on temperature in peripheral tissues is much lower than
in the ‘core’ of the body, significantly reduces both
due to species-specific and individual cold adaptations,
and is determined by body size, ecological specialization
of animals and the level of thermoregulatory metabo-
lism [29]. Therefore hibernating and non-hibernating
animals will respond a cold exposure in a different way.
For example, it was shown that the formation of a
response to cold exposure in rats occurs by hypertro-
phic type, and in hamsters its corresponds to atrophic
one [7]. For obtaining an adequate response to a cold
factor the authors simulated the conditions of natural
photoperiod and used the cold exposure with gradually
reducing temperature.
It is known that under normal conditions the brain
receives 20% of the body’s oxygen and is particularly
sensitive to hypoxia. The subcortical, phylogenetically
more ‘ancient’ brain structures, which include hypotha-
lamus, have a priority supply of oxygen and are hypoxia
resistant, in contrast to neocortex. Hypothalamus cont-
rols all basic homeostatic processes, and its structure
is relatively the same in terrestrial mammals, unlike
the organization of much younger structures, i.e.
neocortex and limbic system. Furthermore, hypotha-
lamus has considerably higher number of vessels per
a square unit than in neocortex. In particular, we
observed a significant number of cells with nucleoli in
nucleus in the neocortex samples in rats with AHM,
indicating an increased protein synthesis and response
to hypoxia. This was confirmed by an increased level
of total protein (by 102%) in the tissue of rat neocortex.
In hamsters, the protein level both at AHM and at
NHM vice versa was reduced (by 15.3% and 19.5%
in the tissue of neocortex; by 21.66% and 62.69% in
hypothalamic tissue, respectively). It can be supposed
that such a reduction in total protein level was asso-
ciated in particular with the observed during hiberna-
tion sharp decrease in its synthesis [11]. At the same
time, it has been shown in the models of focal ischemia-
reperfusion that the inhibition of protein synthesis had
a neuroprotective effects [9] and likely protected
neurons from an injury during natural hibernation. It
should be noted that in rats with AHM the level of
total protein in hypothalamic tissue was also reduced,
that probably pointed to the implementation of
neuroprotective mechanisms in homoiotherms during
development of HMS. Unlike homoiothermal rats in
which the neurons with nucleoli in the nuclei were
observed exactly at HMS, such cells in the neocortex
of heterothermal hamsters appeared only 2 hrs later
the AHM (level of total protein herewith increased up
to 18.75%, p < 0.05). Probably this stage is exactly
the point of delayed response to hypoxia, which action
could be experienced by the heterothermal animal when
rewarming from the HMS. For example, it was shown
that the body of Arctic ground squirrel was exposed to
периода и использовали холодовое воздействие с
постепенно снижающейся температурой.
Известно, что в нормальных условиях головной
мозг получает 20% всего кислорода организма и
особенно чувствителен к гипоксии. Подкорковые,
филогенетически более «древние» структуры моз-
га, к которым относится и гипоталамус, имеют
приоритетное снабжение кислородом и устойчивы
к гипоксии, в отличие от неокортекса. Гипоталамус
управляет всеми основными гомеостатическими
процессами, его строение относительно одинаково
у наземных млекопитающих, в отличие от орга-
низации более молодых структур – неокортекса и
лимбической системы. Кроме того, в гипоталаму-
се сосудов на единицу площади значительно боль-
ше, чем в неокортексе. Так, у крыс при ИГМ в
образцах неокортекса мы наблюдали значитель-
ное количество клеток с ядрышками в ядре, что
указывает на усиление синтеза белка и является
ответной реакцией на гипоксию. Это подтвержда-
лось повышенным уровнем общего белка (на 102%)
в ткани неокортекса крыс. У хомяков уровень
белка как при ИГМ, так и при ЕГМ, напротив, был
снижен (на 15,3 и 19,5% в ткани неокортекса; на
21,66 и 62,69% в ткани гипоталамуса соответ-
ственно). Можно предположить, что такое сниже-
ние уровня общего белка связано, в частности, с
наблюдаемой при гибернации резкой редукцией его
синтеза [20]. В то же время на моделях фокальной
ишемии-реперфузии было показано [17], что инги-
бирование синтеза белка обладает нейропротек-
торным действием и, возможно, при естественной
гибернации обеспечивает защиту нейронов от по-
вреждения. Следует отметить, что у крыс при ИГМ
в ткани гипоталамуса уровень общего белка также
снижался, что, вероятно, может указывать на реа-
лизацию нейропротекторных механизмов и у гомойо-
термов при развитии ГМС. У гетеротермных хомя-
ков, в отличие от гомойотермных крыс, у которых
нейроны с ядрышками в ядрах наблюдали именно
при ГМС, такие клетки в неокортексе появлялись
только через 2 ч после выхода из ИГМ (уровень об-
щего белка при этом повышался на 18,75% (р < 0,05).
Вероятно, именно на этом этапе проявляются
отсроченные реакции на гипоксию, действие кото-
рой организм гетеротермного животного может
испытывать в процессе выхода из гипометаболи-
ческого состояния. Так, было показано [28], что
организм арктического суслика подвергался эндо-
генной гипоксии (по уровню экспрессии НIF-1a) в
процессе эутермии и в период самосогревания.
При искусственном и естественном ГМС (со-
четанные эффекты гипоксии-гиперкапнии, низкой
температуры окружающей среды и гипотермии
организма) в тканях неокортекса и гипоталамуса
у гомойо- и гетеротермных животных на структур-
100 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
ном уровне мы наблюдали расширения периваску-
лярных пространств разной степени выраженности.
Расширения периваскулярных пространств яв-
ляются характерной и наиболее ранней гистологи-
ческой картиной отека мозга и представляют в
действительности отек ножек астроцитов, от сте-
пени которого может зависеть размер периваску-
лярного пространства. У гетеротермных хомяков
расширение периваскулярных пространств было
выражено сильнее. Это может, в частности, опре-
деляться значительно большими размерами ножек
астроцитов у хомяков по сравнению с крысами
(личное сообщение к.б.н. Л.Н. Марченко). В ткани
гипоталамуса при ГМС наблюдали наполненные
кровью кровеносные сосуды различного диаметра
(капилляры, артерии, артериолы), что указывает
на адекватное кровоснабжение и достаточный уро-
вень его функциональной активности.
Степень расширения периваскулярных про-
странств в тканях мозга у гетеро- и гомойотермов
при ГМС может зависеть от различной видовой
чувствительности мозга этих животных к гипоксии
и гипотермии, особенностей вазодинамики, локаль-
ной микроциркуляции, соотношения доли активных
и неактивных капилляров в сети, увеличения или
уменьшения диаметра сосудов, а также размеров
ножек астроцитов. Размеры периваскулярных про-
странств могут определяться процессами регуля-
ции тонуса и уровнем пульсации сосудов, разной
проницаемостью гематоэнцефалического барьера
(за счет изменений в межэндотелиальных структу-
рах), а также особенностями церебральных ангио-
архитектоники и кровотока, отражать различные
фазы метаболических процессов и уровни функцио-
нальной активности в ЦНС.
В тканях неокортекса и гипоталамуса мы на-
блюдали темные нейроны (dark neurons), которые
в большинстве источников литературы трактуются
как маркер и критерий выраженности любой пато-
логии мозга, а сам феномен связывают с отсрочен-
ной гибелью нейронов [12, 14, 25, 27, 33, 34]. Более
того существует также мнение, что темные нейро-
ны являются артефактами препарирования [23].
Группой исследователей было высказано пред-
положение: если темный нейрон – это артефакт пре-
парирования или неадекватной фиксации ткани, то
структура синапсов светлых (интактных) и темных
нейронов не должна отличаться [2]. Процесс появ-
ления новых синапсов in vitro реализуется за нес-
колько десятков минут, а in vivo он занимает еще
больше времени, тогда как химическая фиксация
структуры ткани осуществляется за несколько
секунд [19]. На основании различий, выявленных
в структуре синапсов интактных и темных нейронов,
был сделан вывод о том, что темные нейроны пред-
ставляют собой особое функциональное состояние
endogenous hypoxia (on the expression rate of HIF-
1α) during euthermia and self-warming [21].
At artificial and natural HMSs (combined effects
of hypoxia-hypercapnia, low ambient temperature and
boy hypothermia) in the neocortex and hypothalamus
tissues in homoio- and heterothermal animals at the
structural level, we have noted the dilatation of peri-
vascular spaces of various severity extent. Dilated
perivascular spaces are the feature and most early
histological manifestation of brain edema and actually
is the swelling of astrocytes' end-feet, the degree of
which may depend on the size of perivascular spaces.
In heterothermal hamsters the dilatation of perivascu-
lar spaces was more pronounced. It can in particular
be determined by the considerably bigger sizes of the
astrocytes end-feet in hamsters if compared with rats
(Dr. L.N. Marchenko, personal communication). In
hypothalamic tissue at HMS there observed in the
blood vessels filled with blood of different diameters
(capillaries, arteries, arterioles), which indicated an
adequate blood supply and a sufficient level of func-
tional activity.
The dilatation rate of perivascular spaces in the
brain tissues from hetero- and homoiotherms at HMS
may depend on various brain sensitivity of these animals
to hypoxia and hypothermia, vasodynamics features,
local microcirculation, the ratio of the share of active
and inactive capillary in a network, increased or
decreased diameter of the vessels, as well as the size
of the astrocytes' end-feet. Dimensions of perivascular
spaces can be determined by the processes regulating
the tone and level of pulsation of blood vessels, by
differences in blood-brain barrier permeability (due to
changes in interendothelial structures), as well as by
the features of cerebral architecture and blood flow,
reflect different phases of metabolic processes and
level of functional activity in the CNS.
In the neocortex and hypothalamus tissues we
observed the dark neurons, which in most reports are
considered as the marker and criterion of any of brain
pathology manifestation; their appearance is associated
with delayed neuronal death [3, 5, 16, 20, 27, 28].
Moreover, there is also the notion that dark neurons
are the preparation artifacts [14].
A group of researchers has suggested that if the
dark neuron is either an artifact of preparation or inade-
quate tissue fixation, then the structure of synapses of
light (intact) and dark neurons should not be different
[17]. The appearance of new synapses in vitro takes
usually several dozens of minutes, in vivo it does much
longer time, while the chemical fixation of the tissue
structure lasts only a few seconds [10]. Basing of the
differences identified in the synapse structure of intact
and dark neurons it was concluded that the dark neurons
represented a special functional state of the cell asso-
ciated with the protection against nonspecific stimula-
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
101
клетки – защита от неспецифического возбуждения
и эксайтотоксичности [2]. Кроме того, появление
темных нейронов может быть обратимым [15, 21,
22]. В середине 90-х гг. также было показано, что
в онтогенезе темные нейроны обнаруживаются,
только если установлены основные нейронные
связи и сформирован синаптический аппарат, а у
взрослых животных изменения количества темных
нейронов зависят от циркадных ритмов: утром
таких нейронов мало, а поздно вечером – много
[31, 32]. В мозге сусликов при гибернации также
наблюдали большое количество темных нейронов,
при входе в торпор таких нейронов было меньше,
чем при выходе [2]. Пробуждение от спячки, как
известно, сопровождается взрывной БЭА мозга,
гипогликемией, оксидативным стрессом. За период
гибернации суслики проходят до десятка таких
циклов входа и пробуждения. Если бы все темные
нейроны погибали, то гибернирующие животные
не смогли бы выжить. Кроме того, общая неспеци-
фическая активация синаптической передачи
приводит к увеличению числа темных нейронов и
их отсроченной гибели, и, наоборот, усиление тор-
мозной активности или блокада возбуждающей
синаптической передачи спасает нейроны от гибе-
ли. Снижение кровотока, поступления кислорода и
глюкозы во время естественной гибернации, а так-
же последующая реоксигенация при выходе из нее
не приводят к повреждению и гибели клеток [18, 26].
В наших исследованиях темные нейроны были
обнаружены при ГМС только у хомяков, а на этапах
восстановления (через 2 и 24 ч после выхода из
ГМС) и у крыс, и у хомяков.
По-видимому, выявленные нами изменения в
тканях мозга (степень расширения периваскуляр-
ных пространств, появление темных нейронов,
нейронов с ядрышками в ядре и колебания уровня
общего белка в тканях) не являются следствием
токсического воздействия или патологических
изменений, а могут отражать различные фазы нор-
мальных метаболических процессов в ЦНС при
ГМС. Эти изменения носят видоспецифический
характер, качественно и количественно по-разному
проявляются на определенных этапах входа и
выхода из естественного и искусственного ГМС.
Кроме того, существует мнение, что струк-
турные повреждения (изменения) тканей мозга
относятся к числу «эволюционно консервативных»
и активируют оптимальные адаптивно-приспосо-
бительные реакции [3].
Выводы
Таким образом, при естественном и искусствен-
ном ГМС у гетеротермных хомяков и при ис-
кусственном ГМС у гомойотермных крыс наблю-
даются сходные изменения: в гистологической
tion and excitotoxicity [17]. In addition, the appearance
of dark neurons may be reversible [6, 12, 13]. In the
mid-90s it was also shown that the dark neurons are
found in ontogenesis only if the basic neural connections
are established and the synaptic apparatus is formed,
and in adult animals the change in the number of dark
neurons depends on the circadian rhythms: in the mor-
ning the number of these neurons is small, but in late
evening there are lots of them [25, 26]. The brain of
ground squirrels during hibernation also contained a
large amount of dark neurons, the number of such neu-
rons was less when entering the torpor than during
rewarming from the state [17]. Awakening from hiber-
nation is known to be accompanied with the burst of
brain BEA, hypoglycemia, oxidative stress. During hi-
bernation period the ground squirrels are subjected to
a dozen of such cycles of entering and awakening. If
all the dark neurons would die, then hibernating animals
could not survive. In addition, total non-specific activa-
tion of synaptic transmission leads to an increase in
the number of dark neurons and delayed death, and
vice versa the increasing of inhibitory activity or block-
ing the excitatory synaptic transmission rescues neu-
rons from a death. The reduced blood flow, oxygen
and glucose supply during natural hibernation and sub-
sequent reoxygenation when awakening does not lead
to a damage and cell death [8, 19].
In our studies dark neurons were detected during
HMS only in hamsters, and at the recovery stages (2
and 24 hrs after rewarming from HMS) both in rats
and hamsters.
It looks like the changes we identified in the brain
tissue (the dilatation rate of perivascular spaces, the
appearance of dark neurons, neurons with nucleoli in
the nucleus and variations of total protein content in
the tissues) are not the result of toxic effects or patho-
logical changes, and may reflect the different phases
of normal metabolic processes in CNS at HMS. These
changes are species-specific, they are differently (both
qualitatively and quantitatively) manifested at certain
stages of entering and rewarming from the natural and
artificial HMS.
In addition, the structural damages (changes) of
brain tissue are believed to be among the ‘evolutionarily
conservative’ phenomena and activate the optimal
adaptive responses [18].
Conclusions
Thus, natural and artificial HMS in heterothermal
hamsters and artificial HMS in homoiothermal rats are
accompanied by similar changes: histologically, the
neocortex and hypothalamus had the dilatation of
perivascular spaces, the appearance of dark neurons,
neurons containing the nucleus with nucleoli; and
biochemically, there were changes in the level of total
protein indices in these tissues.
102 проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
References
1. Beckman A.L., Stanton T.L. Properties of the CNS during the
state of hibernation. The Neural Basis of Behavior. NY: MPTP
press; 1982.
2. Bradford M.M. A Rapid and sensitive method for the quantitation
of microgram quantities of protein utilizing the principle of
protein-dye binding. Anal Biochem 1976; 72 (7): 248–254.
3. Capo I., Lalosevic D. Interpretation of dark neurons in experi-
mental model of ischemia, neurointoxication and brain infection.
Med Pregl 2011; 64 (1–2): 101–106.
4. Carey H.V., Andrews M.T., Martin S.L. Mammalian hibernation:
cellular and molecular responses to depressed metabolism
and low temperature. Physiol Rev 2003; 83: 1153–1181.
5. Cortez S.C., McIntosh T.K., Noble L.J. Experimental fluid percus-
sion brain injury: vascular disruption and neuronal and glial
alterations. Brain Res 1989; 482 (2): 271–282.
6. Csordas A., Mazlo M., Gallyas F. Recovery versus death of
"dark" (compacted) neurons in non-impaired parenchymal envi-
ronment: light and electron microscopic observations. Acta
Neuropathol 2003; 106 (1): 37–49.
7. Deveci D., Egginton S. Differing mechanisms of cold-induced
changes in capillary supply in m. tibialis anterior of rats and
hamsters. J Experim Biology 2002; 205 (Pt. 6): 829–840.
8. Drew K.L., Buck C.L., Barnes B.M. et al. Central nervous system
regulation of mammalian hibernation: implications for metabolic
suppression and ischemia tolerance. J Neurochem 2007; 102
(6): 1713–1726.
9. Drew K.L., Rice M.E., Kuhn T.B., Smith M.A. Neuroprotective
adaptations in hibernation: therapeutic implications for ische-
mia-reperfusion, traumatic brain injury and neurodegenerative
diseases. Free Radic Biol Med 2001; 31 (5): 563–573.
10.Engert F., Bonhoeffer T. Dendritic spine changes associated
with hippocampal long-term synaptic plasticity. Nature 1999;
399 (6731): 66–70.
11.Frerichs K.U., Smith C.B, Brinner M. et al. Suppression of pro-
tein synthesis in brain during hibernation involves inhibition of
protein initiation and elongation. Proc Natl Acad Sci USA 1998;
95 (11): 14511–14516.
12.Gallyas F., Zoltay G. An immediate light microscopic response
of neuronal somata, dendrites and axons to noncontusing
concussive head injury in the rat. Acta Neuropathol. 1992; 83
(5): 386–393.
13.Gallyas F., Zoltay G., Balas I. An immediate light microscopic
response of neuronal somata, dendrites and axons to contu-
sing concussive head injury in the rat. Acta Neuropathol 1992;
83 (5): 394–401.
14.Garman R.H. Histology of the central nervous system. Toxicol
Pathol 2011; 39 (5): P. 22–35.
15.Himms-Hagen S. Brown adipose tissue and cold-acclimation.
In: P. Trayhurn and D.G. Nicholls, editors. Brown Adipose
Tissue. London: Edward Arnold Ltd, 1986. p. 214–267.
16.Jortner B.S. The return of the dark neuron. A histological artifact
complicating contemporary neurotoxicologic evaluation. Neuro-
toxicology 2006; 27 (4): 628–634.
17.Klimenko О.A., Rogachevsky V.V. Volumetric ultrastructure of
dendritic synapses of identified light and dark rats hippocampal
neurons. Proceedings of XXIV Russian Conf. on Electron Mic-
roscopy (RKEM 2012); Chernogolovka, 2012: 427–428.
Литература
1. Волкова О.В., Елецкий Ю.К. Основы гистологии и гистоло-
гической техники. – М.: Медицина, 1982. – 304 с.
2. Клименко О.А., Рогачевский В.В. Объемная ультраструк-
тура дендритных синапсов идентифицированных темных
и светлых нейронов гиппокампа крыс // XXIV Российская
конф. по электронной микроскопии (РКЭМ-2012): Тезисы
докладов. – Черноголовка, 2012. – С. 427–428.
3. Крыжановский Г.Н. Общая патофизиология нервной систе-
мы: Руководство. – М.: Медицина, 1997. – 351 с.
4. Мельничук С.Д., Мельничук Д.О. Гіпобіоз тварин (молеку-
лярні механізми та практичне значення для сільського
господарства і медицини). – К.: Видавничий центр НАУ,
2007. – 220 c.
5. Пастухов Ю.Ф., Максимов А.Л., Хаскин В.В. Адаптация к
холоду и условиям Субарктики: проблемы термофизио-
логии. – Магадан: СВНЦ ДВО РАН, 2003. – Т. 1. – 373 с.
6. Поленов Л.А. Функциональная морфология Гомори-поло-
жительной гипоталамо-гипофизарной нейросекреторной
системы в период зимнего оцепенения у пойкилотермных
и при гибернации у гомойотермных позвоночных // Крио-
биология и криомедицина. – 1984. – Вып. 15. – С. 44–47.
7. Тимофеев Н.Н., Прокофьева Л.П. Нейрохимия гипобиоза и
пределы криорезистентности организма. – М.: Медицина,
1997. – 208 c.
8. Шило А.В. Динамика электрографических показателей у
крыс и хомячков при выходе из искусственного и естест-
венного гипометаболических состояний // Нейрофизио-
логия. – 2015. – Т. 47, № 1. – С. 87–95.
9. Штарк М.В. Мозг зимоспящих. – Новосибирск: Наука, 1970. –
240 c.
10.Beckman A.L., Stanton T.L. Properties of the CNS during the
state of hibernation // The Neural Basis of Behavior. – NY:
MPTP press, 1982. – P. 19–45.
11.Bradford M.M. A Rapid and sensitive method for the quantitation
of microgram quantities of protein utilizing the principle of
protein-dye binding // Anal. Biochem. – 1976. – Vol. 72, №7. –
P. 248–254.
12.Capo I., Lalosevic D. Interpretation of dark neurons in experi-
mental model of ischemia, neurointoxication and brain infec-
tion // Med Pregl. – 2011. – Vol. 64, № 1–2. – P. 101–106.
13.Carey H.V., Andrews M.T., Martin S.L. Mammalian hibernation:
cellular and molecular responses to depressed metabolism
and low temperature // Physiol. Rev. – 2003. – Vol. 83. –
P. 1153–1181.
14.Cortez S.C., McIntosh T.K., Noble L.J. Experimental fluid per-
cussion brain injury: vascular disruption and neuronal and glial
alterations // Brain Res. – 1989. – Vol. 482, №2. – P. 271–282.
15.Csordas A., Mazlo M., Gallyas F. Recovery versus death of
"dark" (compacted) neurons in non-impaired parenchymal envi-
ronment: light and electron microscopic observations // Acta
Neuropathol. (Berl.). – 2003. – Vol. 106, №1. – P. 37–49.
картине неокортекса и гипоталамуса – расширение
периваскулярных пространств, появление темных
нейронов, нейронов с ядрышками в ядре; на биохи-
мическом уровне – в показателях общего белка в
этих тканях.
Выявленные изменения проявляются у крыс и
хомяков в разной степени выраженности на входе
в гипометаболические состояния и на этапах вос-
становления (через 2 и 24 ч).
Авторы благодарят ст.н.с., к.б.н. И.Ф. Коваленко
за методическую помощь.
The found changes occur in rats and hamsters in a
different extent when entering and rewarming from
hypometabolic states and at the recovery stages (2
and 24 hrs).
We are grateful to Senior Researcher, PhD I.F. Kova-
lenko for methodological assistance.
проблемы криобиологии и криомедицины
problems of cryobiology and cryomedicine
том/volume 25, №/issue 2, 2015
103
18.Kryzhanovsky G.N. General pathophysiology of nervous
system: Handbook. Мoscow: Medicine; 1997.
19.Larson J., Drew K.L., Folkow L.P. et al. No oxygen? No problem!
Intrinsic brain tolerance to hypoxia in vertebrates. J Exp Biol
2014; 217 (Рt. 7): 1024–1039.
20.Lowenstein D.H., Thomas M.J., Smith D.H., McIntosh T.K.
Selective vulnerability of dentate hilar neurons following trau-
matic brain injury: a potential mechanistic link between head
trauma and disorders of the hippocampus. J Neurosci 1992;
12 (12): 4846–4853.
21.Ma Y.L., Zhu X., Rivera P. et al. Absence of cellular stress in
brain after hypoxia induced by arousal from hibernation in
Arctic ground squirrels. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol.
2005; 289: R1297–R1306.
22.Magarinos A.M., McEwen B.S., Saboureau M., Pevet P. Rapid
and reversible changes in intrahippocampal connectivity during
the course of hibernation in European hamsters. PNAS 2006;
103 (49): 18775–18780.
23.Melnichuk С.D., Меlnichuk D.О. Hypobios of animals (molecular
mechanisms and practical value for agriculture and medicine).
Kyiv: Vydavnytstvo NAU; 2007.
24.Morrison S.F., Nakamura K. Central neural pathways for ther-
moregulation. Front Biosci 2011; 16 (1): 74–104.
25.Murakami T., Ohtsuka A. Dark neurons in the mouse brain: An
investigation into the possible significance of their variable
appearance within a day and their relation to negatively
charged cell coats. Arch Histol Cytol 1996; 59 (1): 79–85.
26.Murakami T., Ohtsuka A., Taguchi T., Piao D.X. Perineuronal
sulfated proteoglicans and dark neurons in the brain and spinal
cord: A histochemical and electron microscopic study of new-
born and adult mice. Arch Histol Cytol 1995; 58 (5): 557–565.
27.Nawashiro H., Shima K., Chigasaki H. Selective vulnerability
of hippocampal CA3 neurons to hypoxia after mild concussion
in the rat. Neurol Res 1995; 17 (6): 455–460.
28.Ooigawa H., Nawashiro H., Fukui S. et al. The fate of Nissl-
stained dark neurons following traumatic brain injury in rats:
difference between neocortex and hippocampus regarding
survival rate. Acta Neuropathol 2006; 112 (4): 471–481.
29.Pastukhov Yu.F., Маksimov А.L., Khaskin В.В. Adaptation to
cold and subarctic conditions: Problems of thermal physiology.
Маgadan: NESC FEB RAS, 2003; 1.
30.Polenov L.А. Functional morphology of Gomori-positive hypo-
thalamic-pituitary neurosecretory system during the winter
torpor in poikilothermal and homoiothermal vertebrates from
hibernation. Cryobiology and Cryomedicine 1984; (15): 44–47.
31.Shilo O.V. Dynamics of electrographic indices in rats and ham-
sters under artificial and natural hypometabolic states. Neuro-
fiziologiya 2015; 47 (1): 87–95.
32.Shtark М.В. Brain of hibernators. Novosibirsk: Nauka; 1970.
33.Timofeev N.N., Prokofieva L.P. Neurochemistry of hypobiosis
and limits of organisms cryoresistance. Мoscow: Medicine;
1997.
34.Volkova О.V., Eletskiy Yu.K. Bases of histology and histological
techniques. Moscow: Meditsyna; 1982.
16.Deveci D., Egginton S. Differing mechanisms of cold-induced
changes in capillary supply in m. tibialis anterior of rats and
hamsters // J. Experim. Biology. – 2002. – Vol. 205, Pt. 6. –
P. 829–840.
17.Drew K.L., Rice M.E., Kuhn T.B., Smith M.A. Neuroprotective
adaptations in hibernation: therapeutic implications for ische-
mia-reperfusion, traumatic brain injury and neurodegenerative
diseases // Free Radic. Biol. Med. – 2001. – Vol. 31, №5. –
P. 563–573.
18.Drew K.L., Buck C.L., Barnes B.M. et al. Central nervous sys-
tem regulation of mammalian hibernation: implications for meta-
bolic suppression and ischemia tolerance // J. Neurochem. –
2007. – Vol. 102, №6. – P. 1713–1726.
19.Engert F., Bonhoeffer T. Dendritic spine changes associated
with hippocampal long-term synaptic plasticity // Nature. –
1999. – Vol. 399, №6731. – P. 66–70.
20.Frerichs K.U., Smith C.B, Brinner M. et al. Suppression of
protein synthesis in brain during hibernation involves inhibition
of protein initiation and elongation // Proc. Nation. Acad. Sci.
USA. – 1998. – Vol. 95, №11. – P. 14511–14516.
21.Gallyas F., Zoltay G. An immediate light microscopic response
of neuronal somata, dendrites and axons to noncontusing
concussive head injury in the rat // Acta Neuropathol. (Berl.). –
1992. – Vol. 83, №5. – P. 386–393.
22.Gallyas F., Zoltay G., Balas I. An immediate light microscopic
response of neuronal somata, dendrites and axons to contu-
sing concussive head injury in the rat // Acta Neuropathol.
(Berl). – 1992. – Vol. 83, №5. – P. 394–401.
23.Garman R.H. Histology of the central nervous system //
Toxicologic Pathology. – 2011. – Vol. 39, №5. – P. 22–35.
24.Himms-Hagen S. Brown adipose tissue and cold-acclimation //
In: Brown Adipose Tissue / Еd. P. Trayhurn and D.G. Nicholls. –
London: Edward Arnold Ltd, 1986. – Р. 214–267.
25.Jortner B.S. The return of the dark neuron. A histological artifact
complicating contemporary neurotoxicologic evaluation //
Neurotoxicology. – 2006. – Vol. 27, №4. – P. 628–634.
26.Larson J., Drew K. L., Folkow L. P. et al. No oxygen? No prob-
lem! Intrinsic brain tolerance to hypoxia in vertebrates // J. Exp.
Biol. – 2014. – Vol. 217, Рt. 7. – P. 1024–1039.
27.Lowenstein D.H., Thomas M.J., Smith D.H., McIntosh T.K.
Selective vulnerability of dentate hilar neurons following trau-
matic brain injury: a potential mechanistic link between head
trauma and disorders of the hippocampus // J. Neurosci. –
1992. – Vol. 12, №12. – P. 4846–4853.
28.Ma Y. L., Zhu X., Rivera P. et al. Absence of cellular stress in
brain after hypoxia induced by arousal from hibernation in
Arctic ground squirrels // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp.
Physiol. – 2005. – Vol. 289. – P. R1297–R1306.
29.Magarinos A.M., McEwen B.S., Saboureau M., Pevet P. Rapid
and reversible changes in intrahippocampal connectivity during
the course of hibernation in European hamsters // PNAS. –
2006. – Vol. 103, №49. – P. 18775–18780.
30.Morrison S.F., Nakamura K. Central neural pathways for ther-
moregulation // Front Biosci. – 2011. – Vol. 16, №1. – P. 74 –104.
31.Murakami T., Ohtsuka A. Dark neurons in the mouse brain: An
investigation into the possible significance of their variable
appearance within a day and their relation to negatively charged
cell coats // Arch Histol. Cytol. – 1996. – Vol. 59, № 1. – P. 79–85.
32.Murakami T., Ohtsuka A., Taguchi T., Piao D.X. Perineuronal
sulfated proteoglicans and dark neurons in the brain and spinal
cord: A histochemical and electron microscopic study of
newborn and adult mice // Arch Histol. Cytol. – 1995. – Vol. 58,
№5. – P. 557–565.
33.Nawashiro H., Shima K., Chigasaki H. Selective vulnerability
of hippocampal CA3 neurons to hypoxia after mild concussion
in the rat // Neurol. Res. – 1995. – Vol. 17, №6. – P. 455–460.
34.Ooigawa H., Nawashiro H., Fukui S. et al. The fate of Niss-
stained dark neurons following traumatic brain injury in rats:
difference between neocortex and hippocampus regarding
survival rate // Acta Neuropathol. – 2006. – Vol. 112, №4. –
P. 471–481.
|