Функціональна динаміка осмосенситивной нейронной системи преоптичного/переднього гіпоталамуса

Ключові слова: інтернейронна мережа, преоптичний/передній гіпоталамус, осмосенситивні нейрони, експериментальна гіпер- і гіпонатріємія, функціональна динаміка, неосмотичні аференти, кортико-фугальні проекції, морфометричний аналіз.

 

Кузнецов И. Э. Функциональная динамика осмосенситивной нейронной системы преоптического/переднего гипоталамуса. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук по специальности 03. 00. 13 – физиология человека и животных.

Диссертация посвящена выявлению закономерностей структурных и функциональных перестроек нейронной сети преоптического/переднего гипоталамуса (ПО/ПГ), причастной к поддержанию водно-электролитного баланса, которые возникают при физиологических сдвигах Na+/осмотического гомеостаза. Отличительной чертой исследования является системный подход – анализ функциональной динамики (ФД) исследуемой нейронной сети в целом на основе оценки электрофизиологических и морфологических свойств достаточно представительных популяций осмосенситивных нейронов ПО/ПГ. Для создания функциональных нагрузок была использована оригинальная модель индукции длительных сдвигов в системе поддержания Nа+/осмотического гомеостаза; определена степень адекватности такой модели и временные рамки ее применимости.

Показано, что ПО/ПГ следует рассматривать как интернейронное интегративное звено распределенной системы осморегуляции, поскольку значительная часть нейронов данной сети являются осмосенситивными единицами, которые в то же время способны реагировать на неосмотические воздействия и нисходящие влияния от структур лимбической коры. Дифференциальный морфометрический анализ клеточных элементов ПО/ПГ, показал, что состояния экспериментальной гипер- и гипонатриемии приводят к специфическим изменениям гистологических характеристик нейронов ПО/ПГ: увеличению количества “светлых” нейронов и клеток с полярно дифференцированной окраской. Состояние гипернатриемии приводило к увеличению нейроно-глиального отношения в дорсолатеральных участках ПО/ПГ, тогда как гипонатриемия – к уменьшению этого индекса во всех субядрах данной структуры. Как гипер-, так и гипонатриемия приводили к увеличению линейных размеров нейронов ПО/ПГ (прирост до 11%, p<0, 05), причем в первом случае во всех зонах, а во втором – лишь в латеральных участках рассматриваемой структуры.

Описана временная структура фоновой активности (ФА) осмосенситивных нейронов ПО/ПГ, которые в контрольных условиях генерируют ФА со средней частотой от 0, 1 до 25, 1 с-1 и различной временной структурой импульсных потоков. Показано, что сдвиги Nа+/осмотического гомеостаза приводят к специфическим преобразованиям спектра средних частот ФА: в условиях как гипер-, так и гипонатриемии общие границы диапазона частот фоновой активности существенно не изменяются, но проявляется тенденция к трансформации их непрерывного спектра в ограниченный набор фиксированных характеристических частот (феномен “селектирования ” частот ФА).

Применение набора адекватных тест-воздействий, как осмотических, так и неосмотических висцеральных (температурных, прессорных и глюкозных) и кортико-фугальных (электрическая стимуляция префронтальной, цингулярной и периамигдалярной областей коры и гиппокампа) позволили оценить степень модификации нейронных реакций в условиях разнонаправленных функциональных нагрузок. В качестве наиболее общих показателей, характеризующих ФД нейронной сети ПО/ПГ, учитывались два интегральных индекса: общая реактивность (ОР) и индекс торможения – ИТ (отношение количеств нейронов с первичными тормозными и активационными реакциями). На основании этих критериев были выделены два основных типа ФД нейронной сети ПО/ПГ – активирующий и ограничительный. В условиях разнонаправленных функциональных нагрузок на систему осморегуляции ФД нейронной сети ПО/ПГ в отношении как гипер-, так и гипоосмической стимуляции в основном является ограничительной, что проявляется в снижении ОР нейронов сети и увеличении ИТ. Аналогичные проявления ФД выявлены в отношении нисходящих влияний, поступающих от кортикальных структур лимбической системы (тенденция к функциональной изоляции от нисходящих влияний). В отношении же некоторых неосмотических стимулов (термических и глюкозных) возможно проявление активирующего типа ФД (связанного с увеличением ОР нейронов ПО/ПГ), в основном в условиях гипонатриемии. Таким образом, ограничительный тип ФД в условиях сдвигов водно-солевого баланса явно превалирует.

Возможные механизмы наблюдаемой ФД нейронной сети ПО/ПГ интерпретируются как основанные на характере распределения и интенсивности активационных и тормозных влияний на различные элементы нейронной сети и переориентации афферентных импульсных потоков при изменении физиологических условий. Это позволяет объяснить наблюдаемые модификации нейронных реакций либо развитием гетеросинаптической ассоциативной пластичности, либо изменением субъединичной структуры синаптических рецепторов. Сокращение числа реагирующих нейронов, обнаруженное при использовании большинства тест-воздействий в условиях гипер- и гипонатриемии, однозначно свидетельствует об уменьшении интенсивности выходных влияний исследуемой сети. Однако, в силу того, что не представляется возможным точно определить, какие именно выходные влияния сети ПО/ПГ (тормозные или активационные) подавляются сильнее в результате развития ФД, резкое увеличение ИТ не дает достаточных оснований полагать, что в выходной активности сети преобладающими становятся тормозные влияния; наблюдаемые феномены свидетельствуют лишь о функциональной изоляции нейронной сети ПО/ПГ от эффекторных (нейросекторных) структур в целом. Функциональная изоляция ПО/ПГ в условиях гипернатриемии, очевидно, сопряжена с ограничением уровня активации СОЯ и ПВЯ; аналогичный механизм гомеостатирования электрической активности нейронов, возможно, реализуется и внутри нейронной сети ПО/ПГ. В условиях гипонатриемии ограничение выходной активности нейронной сети ПО/ПГ является следствием либо недостаточной активации ОСН ПО/ПГ ввиду снижения активности осморецепторных структур ЦВО, либо эффективного торможения ОСН ПО/ПГ.

Ключевые слова: интернейронная сеть, преоптический/передний гипоталамус, осмосенситивные нейроны, экспериментальная гипер- и гипонатриемия, функциональная динамика, неосмотические афференты, кортикофугальные проекции, морфометрический анализ.

 

Kuznetsov I. E. Functional Dynamics of the Osmosensitive Neuronal System of the Preoptic/Anterior Hypothalamus. – Manuscript.

Thesis for a degree of Doctor of Biological Sciences; speciality 03. 00. 13 – Physiology of man and animals.

The study is devoted to elucidation of structural and functional remodelling of the neuronal network of the preoptic/anterior hypothalamus (PO/AH) involved in the maintenance of the water-salt equilibrium, which developed due to physiological shifts in Na+/osmotic homeostasis. Responses of functionally identified (osmosensitive) PO/AH neurons to a wide range of adequate test influences, both osmotic, nonosmotic (thermal, glucosal and blood pressure elevation), and corticofugal (stimulation of the prefrontal, cingulate, periamygdaloid cortices and hypocampus) recorded under control conditions were compared with corresponding neuronal responses recorded under conditions of opposite functional loadings on the Na+/osmoregulatory system. An original pharmacological model of induction of the state of hyper- and hyponatriemeia was used for this purpose (preliminary we have checked the adequacy and appropriate time limits of the model). Histological and morphometric analysis of cellular elements in different PO/AH zones demonstrated that experimental hyper- and hyponatriemeia evoke specific modifications of the structural characteristics of neurons and glions, as well as of the neuron-to-glia ratio, that correlates with certain functional states of the cells. Specific changes in the spectrum of background firing activity (BFA) frequencies of osmosensitive PO/AH neurons were found to develop under conditions of hyper- and hyponatriemeia; this was transformation of a continuous spectrum of the BFA mean frequencies (typical of control conditions) toward a restricted set of certain fixed (characteristic) frequencies. Two integral parameters characterising the functional dynamics (FD) of PO/AH neuronal network were taken into account: general reactivity (relative number of the responsive neurons) and inhibition index (ratio between the numbers of neurons with primary inhibitory and excitatory responses). Two basic types of FD were distinquished basing on the comparison of these criteria in the control and in the experimental groups: a restrictive and an activatory type of FD. The restrictive type of FD substantially prevailed. Possible mechanisms of the development of the above-mentioned FD types were analysed, key links of the PO/AH neuronal networks were determined, and basic processes related to modifications of the neuronal responses due to changes in conditions of functioning of the network under study were designed. Special attention is paid to modifications of the output activity of the PO/AH neuronal network. Results of our study were published and reported.

Key words: interneuronal network, preoptic/anterior hypothalamus, osmosensitive neurons, experimental hyper- and hyponatriemia, functional dynamics, nonosmotic afferents, corticofugal projections, morphometric analysis.