anatomyЖурнал анатомии и гистопатологииJournal of Anatomy and Histopathology2225-7357N.N. Burdenko Voronezh State Medical University10.18499/2225-7357-2020-9-4-19-30anatomy-1198Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕORIGINAL STUDYСравнительная характеристика структурно-функциональных изменения поля СА3 гиппокампа после острой ишемии и травмы головного мозга белых крысComparative Characteristics of Structural and Functional Changes in the Hippocampal CA3 Region in White Rats After Acute Ischemia and Brain InjuryГорбуноваА. В.GorbunovaA. V.

Омск

Omsk

КошманИ. П.KoshmanI. P.

Омск

Omsk

ШороноваА. Ю.ShoronovaA. Yu.

Омск

Omsk

АвдеевД. Б.AvdeevD. B.

Омск

Omsk

АкулининВ. А.AkulininV. A.

Акулинин Виктор Александрович

ул. Ленина, 12, Омск, 644099

Viktor Akulinin

ul. Lenina, 12, Omsk, 644099

v_akulinin@outlook.comСтепановС. С.StepanovS. S.

Омск

Omsk

СтепановА. С.StepanovA. S.

Омск

Omsk

МакарьеваЛ. М.Makar'evaL. M.

Омск

Omsk

КоржукМ. С.KorzhukM. S.

Омск

Omsk

ФГБОУ ВО «Омский государственный медицинский университет» Минздрава РоссииOmsk State Medical University202017012021941930Copyright © Горбунова А.В., Кошман И.П., Шоронова А.Ю., Авдеев Д.Б., Акулинин В.А., Степанов С.С., Степанов А.С., Макарьева Л.М., Коржук М.С., 20212021Горбунова А.В., Кошман И.П., Шоронова А.Ю., Авдеев Д.Б., Акулинин В.А., Степанов С.С., Степанов А.С., Макарьева Л.М., Коржук М.С.Gorbunova A.V., Koshman I.P., Shoronova A.Y., Avdeev D.B., Akulinin V.A., Stepanov S.S., Stepanov A.S., Makar'eva L.M., Korzhuk M.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://anatomy.elpub.ru/jour/article/view/1198

Цель исследования – изучить пирамидные нейроны и астроциты поля СА3 гиппокампа головного мозга белых крыс в динамике после острой ишемии и тяжелой черепно-мозговой травмы.

Материал и методы

Материал и методы. Острую ишемию моделировали путем 20-минутной окклюзии общих сонных артерий (ООСА), а тяжелая черепно-мозговая травма (ТЧМТ) – ударом свободно падающего груза. Использовали окраску по Нисслю, гематоксилином и эозином, иммуногистохимические реакции на NSE, MAP-2, p38, GFAP. Пролиферативную активность клеток оценивали с помощью реакции на Ki-67. Исследование проведено на тонких (4 мкм) серийных фронтальных срезах в контроле (животные без патологических факторов, n=5), через 1, 3, 7 и 14 суток после экспериментального моделирования ООСА (n=20) и ТЧМТ (n=20). Морфометрический анализ проводили с использованием программы ImageJ 1.52s. Определяли относительную площадь зон отека-набухания в нейропиле, численную плотность пирамидных нейронов, содержание дистрофически и некробиотически измененных нейронов, содержание нейронов с одним и более ядрышками, пролиферирующих клеток, плотность крупных стволов дендритов пирамидных нейронов, общую численную плотность и относительную площадь гигантских синаптических терминалей в stratum lucidum. Оценку характера распределения вариационных рядов, проверку статистических гипотез, построение графиков проводили с помощью программ Statistica 8.0 и среды R.

Результаты

Результаты. Летальность между группами не различалась и не превышала 7%. Через 1 сутки после ООСА и ТЧМТ статистически значимо увеличивались относительный объем отека-набухания, содержание дистрофически и некробиотически измененных нейронов, уменьшалась общая численная плотность и относительная площадь терминалей, но общая численная плотность нейронов не изменялась. Через 3, 7 и 14 суток активировались механизмы нейро-, глио- и синаптической пластичности. Увеличивалось содержание нейронов с двумя и более ядрышками, общее количество и содержание гипертрофированных астроцитов, восстанавливался цитоскелет поврежденных нейронов и увеличивалось содержание межнейронных синапсов. В течение периода с 3-х до 14-х суток общая численная плотность нейронов при ООСА уменьшалась на 16.3%, а при ТЧМТ – на 33.7% (p=0.001). Патологические и компенсаторно-восстановительные изменения носили диффузно-очаговый характер и проявлялись более выражено после ТЧМТ.

Заключение

Заключение. Таким образом, после ООСА и ТЧМТ в поле СА3 гиппокампа отмечались однотипные очаговые гетерохронные и гетероморфные дистрофические, некробиотические и компенсаторно-восстановительные изменения нервной ткани. Структурно-функциональное восстановление происходило на фоне уменьшения общей численной плотности пирамидных нейронов и отека-набухания нервной ткани. Более выраженные дистрофические и некробиотические изменения при ТЧМТ сочетались с более выраженными компенсаторно-восстановительными изменениями астроцитов и гигантских межнейронных синапсов поля СА3 гиппокампа. Выявленные изменения рассматривались как основа стандартной перманентной компенсаторно-восстановительной реорганизации нервной ткани гиппокампа в постишемическом и посттравматическом периоде.

The aim of the study was to study pyramidal neurons and astrocytes of the hippocampal CA3 region in dynamics in white rats after acute ischemia and severe traumatic brain injury.

Material and methods

Material and methods. Acute ischemia was simulated by 20-minute occlusion of the common carotid arteries (CCA), and severe traumatic brain injury (TBI) by a free-falling weight impact. The Nissl staining, hematoxylin and eosin staining, immunohistochemical reactions for NSE, MAP-2, p38, GFAP were used in the study. The proliferative activity of the cells was assessed using the Ki-67 response. The study was carried out on thin (4 μm) serial frontal sections in the animals of the control group (animals without pathological factors, n=5) in 1, 3, 7 and 14 days after the experimental modeling of CCA occlusion (n=20) and TBI (n=20). Morphometric analysis was performed using the ImageJ 1.52s software. The relative area of edema-swelling zones in the neuropil, the number density of pyramidal neurons, the content of dystrophic and necrobiotically altered neurons, the content of neurons with one or more nucleoli, proliferating cells, the density of large trunks of pyramidal neurons dendrites, the total number density and the relative area of giant synaptic terminals in stratum lucidum was detected. The distribution of variation series, the verification of statistical hypotheses, and the construction of graphs were assessed using the Statistica 8.0 software and the R.

Results

Results. Mortality between groups did not differ and did not exceed 7%. In a day after CCA occlusion and TBI, there was a statistically significant increase in the relative volume of edema-swelling, the content of dystrophic and necrobiotically altered neurons, the total number density and the relative area of the terminals decreased, but the total number density of neurons did not change. In 3, 7 and 14 days, the mechanisms of neuroglio- and synaptic plasticity were activated. The content of neurons with two or more nucleoli increased, the total number and content of hypertrophied astrocytes increased, the cytoskeleton of damaged neurons was restored, and the content of interneuronal synapses increased. During the period from 3 to 14 days, the total number density of neurons in CCA occlusion decreased by 16.3%, and in TBI – by 33.7% (p=0.001). Pathological and compensatory-restorative changes were of a diffuse-focal nature and were more pronounced after TBI.

Conclusion

Conclusion. Thus, the same type of focal heterochronous and heteromorphic dystrophic, necrobiotic and compensatory-restorative changes in the nervous tissue were observed after CCA occlusion and TBI in the hippocampal CA3 region. Structural and functional recovery occurred together with a decrease in the total numerical density of pyramidal neurons and edema-swelling of the nervous tissue. More pronounced dystrophic and necrobiotic changes in TBI were combined with more pronounced compensatory-restorative changes in astrocytes and giant interneuronal synapses of the hippocampal CA3 region. The revealed changes were considered as the basis for the standard permanent compensatory-restorative reorganization of the nervous tissue of the hippocampus in the postischemic and post-traumatic periods.

острая ишемиячерепно-мозговая травмаСА3 гиппокампанейроныдендритысинапсыцитоскелетастроглияиммуногистохимияморфометриякрысы Wistaracute ischemiatraumatic brain injuryhippocampal CA3 regionneuronsdendritessynapsescytoskeletonastrogliaimmunohistochemistrymorphometryWistar ratsReferencesБоровиков В. Statistica. Искусство анализа данных на компьютере. 2-ое изд. СПб.: Питер; 2003Borovikov V. Statistica. Iskusstvo analiza dannykh na komp'yutere. 2-oe izd. Sain-Petersburg: Piter; 2003] (in Russian).Лю Б.Н., Исмаилов С.Б., Лю М.Б. Состояния цитоскелета: связь с «кислородно-перекисными» эффектами в норме, при клеточных патологиях и апоптозе. Биомедицинская химия. 2008;54(1):58–77Lyu BN, Ismailov SB, Lyu MB. The state of cytoskeleton and its links "oxygen-peroxide" effects in some pathologies and apoptosis. Biomeditsinskaya Khimiya. 2008;54(1):58–77] (in Russian).Семченко В.В., Степанов С.С., Боголепов Н.Н. Синаптическая пластичность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты). М.: Директ-Медиа; 2014Semchenko VV, Stepanov SS, Bogolepov NN. Sinapticheskaya plastichnost' golovnogo mozga (fundamental'nye i prikladnye aspekty). M.: Direkt-Media; 2014] (in Russian).Степанов А.С. Сравнительная характеристика синаптоархитектоники неокортекса, гиппокампа и миндалевидного комплекса белых крыс в норме и после острой ишемии. Журнал анатомии и гистопатологии. 2017; 6 (4): 47–54. doi: 10.18499/2225-7357-2017-6-4-47-54Stepanov AS. Comparative characteristics of the white rats neocortex, hippocampus and amygdale complex synaptoarchitectonics in norm and after acute ischemia. Journal of Anatomy and Histopathology. 2017 Dec 12;6(4):47–54] (in Russian).Степанов А.С., Акулинин В.А., Степанов С.С., Авдеев Д.Б., Горбунова А.В. Коммуникация нейронов поля CA3 гиппокампа головного мозга белых крыс после острой ишемии. Общая реаниматология. 2018; 14(5): 38-49. doi: 10.15360/1813-9779-2018-5-38-49Stepanov AS, Akulinin VA, Stepanov SS, Avdeev DB, Gorbunova AV. Neurons Communication in the Hippocampus of Field CA3 of the White Rat Brain after Acute ischemia. General Reanimatology. 2018 Oct 28;14(5):38–49] (in Russian).Степанов С.С., Акулинин В.А., Авдеев Д.Б., Степанов А.С., Горбунова А.В. Структурно-функциональная реорганизация ядрышкового аппарата нейронов неокортекса, архикортекса и базальных ганглиев головного мозга белых крыс после 20-минутной окклюзии общих сонных артерий. Журнал анатомии и гистопатологии. 2018;7(4):67–74. doi: 10.18499/2225-7357-2018-7-4-67-74Stepanov SS, Akulinin VA, Avdeev DB, Stepanov AS, Gorbunova AV. Structural-functional Reorganization of the Nucleolar Apparatus of Neurons of the Neocortex, Archicortex and Basal Ganglia of the Brain of White Rats After a 20-minute Occlusion of the Common Carotid Arteries. Journal of Anatomy and Histopathology. 2019 Jan 11;7(4):67–74] (in Russian).Яшкичев В.И. Изменение гидратации белков цитоскелета нейрона – механизм образования и движения нервного импульса. Социально-экологические технологии. 2015;1–2:58–64Yashkichev VI. Change of hydration of proteins of the cytoskeleton – mechanism of creation and movement of nerve impulse. Environment and Human: Ecological Studies. 2015;1–2:58–64] (in Russian).Arneson D, Zhang G, Ying Z, Zhuang Y, Byun HR, Ahn IS, et al. Single cell molecular alterations reveal target cells and pathways of concussive brain injury. Nature Communications. 2018 Sep 25;9(1):3894. doi: 10.1038/s41467-018-06222-0Arneson D, Zhang G, Ying Z, Zhuang Y, Byun HR, Ahn IS, et al. Single cell molecular alterations reveal target cells and pathways of concussive brain injury. Nature Communications. 2018 Sep 25;9(1):3894. doi: 10.1038/s41467-018-06222-0Blennow K, Brody DL, Kochanek PM, Levin H, McKee A, Ribbers GM, et al. Traumatic brain injuries. Nature Reviews Disease Primers. 2016 Nov 17;2(1): 16084. doi: 10.1038/nrdp.2016.84Blennow K, Brody DL, Kochanek PM, Levin H, McKee A, Ribbers GM, et al. Traumatic brain injuries. Nature Reviews Disease Primers. 2016 Nov 17;2(1): 16084. doi: 10.1038/nrdp.2016.84Cole JH, Jolly A, de Simoni S, Bourke N, Patel MC, Scott G, et al. Spatial patterns of progressive brain volume loss after moderate-severe traumatic brain injury. Brain. 2018 Jan 4;141(3):822–36. doi: 10.1093/brain/awx354Cole JH, Jolly A, de Simoni S, Bourke N, Patel MC, Scott G, et al. Spatial patterns of progressive brain volume loss after moderate-severe traumatic brain injury. Brain. 2018 Jan 4;141(3):822–36. doi: 10.1093/brain/awx354Coronado VG, Xu L, Basavaraju SV, et al. Surveillance for traumatic brain injury-related deaths – United States, 1997–2007. MMWR CDC Surveill Summ. 2011;60:1–32.Coronado VG, Xu L, Basavaraju SV, et al. Surveillance for traumatic brain injury-related deaths – United States, 1997–2007. MMWR CDC Surveill Summ. 2011;60:1–32.Grieves RM, Duvelle É, Wood ER, Dudchenko PA. Field repetition and local mapping in the hippocampus and the medial entorhinal cortex. Journal of Neurophysiology. 2017 Oct 1;118(4):2378–88. doi: 10.1152/jn.00933.2016Grieves RM, Duvelle É, Wood ER, Dudchenko PA. Field repetition and local mapping in the hippocampus and the medial entorhinal cortex. Journal of Neurophysiology. 2017 Oct 1;118(4):2378–88. doi: 10.1152/jn.00933.2016Harris TC, de Rooij R, Kuhl E. The Shrinking Brain: Cerebral Atrophy Following Traumatic Brain Injury. Annals of Biomedical Engineering. 2019;47(9):1941–59. doi: 10.1007/s10439-018-02148-2Harris TC, de Rooij R, Kuhl E. The Shrinking Brain: Cerebral Atrophy Following Traumatic Brain Injury. Annals of Biomedical Engineering. 2019;47(9):1941–59. doi: 10.1007/s10439-018-02148-2Hobbiss AF, Ramiro-Cortés Y, Israely I. Homeostatic Plasticity Scales Dendritic Spine Volumes and Changes the Threshold and Specificity of Hebbian Plasticity. iScience. 2018 Oct;8:161–74. doi: 10.1016/j.isci.2018.09.015Hobbiss AF, Ramiro-Cortés Y, Israely I. Homeostatic Plasticity Scales Dendritic Spine Volumes and Changes the Threshold and Specificity of Hebbian Plasticity. iScience. 2018 Oct;8:161–74. doi: 10.1016/j.isci.2018.09.015Leal G, Bramham CR, Duarte CB. BDNF and Hippocampal Synaptic Plasticity. Vitamins and Hormones. 2017;104:153–95. doi: 10.1016/bs.vh.2016.10.004Leal G, Bramham CR, Duarte CB. BDNF and Hippocampal Synaptic Plasticity. Vitamins and Hormones. 2017;104:153–95. doi: 10.1016/bs.vh.2016.10.004Legéndy CR. On the ‘data stirring’ role of the dentate gyrus of the hippocampus. Reviews in the Neurosciences. 2017 Jul 26;28(6):599–615. doi: 10.1515/revneuro-2016-0080Legéndy CR. On the ‘data stirring’ role of the dentate gyrus of the hippocampus. Reviews in the Neurosciences. 2017 Jul 26;28(6):599–615. doi: 10.1515/revneuro-2016-0080Majdan M, Plancikova D, Brazinova A, Rusnak M, Nieboer D, Feigin V, et al. Epidemiology of traumatic brain injuries in Europe: a cross-sectional analysis. The Lancet Public Health. 2016 Dec;1(2):e76–83. doi: 10.1016/S2468-2667(16)30017-2Majdan M, Plancikova D, Brazinova A, Rusnak M, Nieboer D, Feigin V, et al. Epidemiology of traumatic brain injuries in Europe: a cross-sectional analysis. The Lancet Public Health. 2016 Dec;1(2):e76–83. doi: 10.1016/S2468-2667(16)30017-2Moser EI, Moser M-B, McNaughton BL. Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Nature Neuroscience. 2017 Nov;20(11):1448–64. doi: 10.1038/nn.4653Moser EI, Moser M-B, McNaughton BL. Spatial representation in the hippocampal formation: a history. Nature Neuroscience. 2017 Nov;20(11):1448–64. doi: 10.1038/nn.4653Ng SY, Lee AYW. Traumatic Brain Injuries: Pathophysiology and Potential Therapeutic Targets. Frontiers in Cellular Neuroscience. 2019 Nov 27;13:528. doi: 10.3389/fncel.2019.00528Ng SY, Lee AYW. Traumatic Brain Injuries: Pathophysiology and Potential Therapeutic Targets. Frontiers in Cellular Neuroscience. 2019 Nov 27;13:528. doi: 10.3389/fncel.2019.00528Palacios EM, Sala-Llonch R, Junque C, Fernandez-Espejo D, Roig T, Tormos JM, et al. Long-term declarative memory deficits in diffuse TBI: Correlations with cortical thickness, white matter integrity and hippocampal volume. Cortex. 2013 Mar;49(3):646–57. doi: 10.1016/j.cortex.2012.02.011Palacios EM, Sala-Llonch R, Junque C, Fernandez-Espejo D, Roig T, Tormos JM, et al. Long-term declarative memory deficits in diffuse TBI: Correlations with cortical thickness, white matter integrity and hippocampal volume. Cortex. 2013 Mar;49(3):646–57. doi: 10.1016/j.cortex.2012.02.011Paxinos G, Watson C. The Rat brain in stereotaxic coordinates. 5th ed. San Diego: Elsevier Academic Press; 2005.Paxinos G, Watson C. The Rat brain in stereotaxic coordinates. 5th ed. San Diego: Elsevier Academic Press; 2005.Raven F, Van der Zee EA, Meerlo P, Havekes R. The role of sleep in regulating structural plasticity and synaptic strength: Implications for memory and cognitive function. Sleep Medicine Reviews. 2018 Jun;39:3–11. doi: 10.1016/j.smrv.2017.05.002Raven F, Van der Zee EA, Meerlo P, Havekes R. The role of sleep in regulating structural plasticity and synaptic strength: Implications for memory and cognitive function. Sleep Medicine Reviews. 2018 Jun;39:3–11. doi: 10.1016/j.smrv.2017.05.002Rennert RC, Wali AR, Steinberg JA, Santiago-Dieppa DR, Olson SE, Pannell JS, et al. Epidemiology, Natural History, and Clinical Presentation of Large Vessel Ischemic Stroke. Neurosurgery. 2019 Jun 14;85(suppl_1):S4–8. doi: 10.1093/neuros/nyz042Rennert RC, Wali AR, Steinberg JA, Santiago-Dieppa DR, Olson SE, Pannell JS, et al. Epidemiology, Natural History, and Clinical Presentation of Large Vessel Ischemic Stroke. Neurosurgery. 2019 Jun 14;85(suppl_1):S4–8. doi: 10.1093/neuros/nyz042Spitz G, Bigler ED, Abildskov T, Maller JJ, O’Sullivan R, Ponsford JL. Regional cortical volume and cognitive functioning following traumatic brain injury. Brain and Cognition. 2013 Oct;83(1):34–44. doi: 10.1016/j.bandc.2013.06.007Spitz G, Bigler ED, Abildskov T, Maller JJ, O’Sullivan R, Ponsford JL. Regional cortical volume and cognitive functioning following traumatic brain injury. Brain and Cognition. 2013 Oct;83(1):34–44. doi: 10.1016/j.bandc.2013.06.007Stein TD, Alvarez VE, McKee AC. Concussion in Chronic Traumatic Encephalopathy. Current Pain and Headache Reports. 2015 Aug 11;19(10):47. doi: 10.1007/s11916-015-0522-zStein TD, Alvarez VE, McKee AC. Concussion in Chronic Traumatic Encephalopathy. Current Pain and Headache Reports. 2015 Aug 11;19(10):47. doi: 10.1007/s11916-015-0522-zvan den Bedem H, Kuhl E. Molecular mechanisms of chronic traumatic encephalopathy. Current Opinion in Biomedical Engineering. 2017 Mar;1:23–30. doi: 10.1016/j.cobme.2017.02.003van den Bedem H, Kuhl E. Molecular mechanisms of chronic traumatic encephalopathy. Current Opinion in Biomedical Engineering. 2017 Mar;1:23–30. doi: 10.1016/j.cobme.2017.02.003

The authors declare that there are no conflicts of interest present.