Моделирование изменений в коре головного мозга при малых радиационных воздействиях

Цель исследования – в модельных экспериментах на крысах выявить изменения в нейронах коры больших полушарий головного мозга в зависимости от дозы γ-облучения, мощности дозы и режима воздействия и установить приоритет каждого из воздействующих факторов (γ-облучения, времени восстановления и их совместного воздействия) в реакции нервных клеток на облучение в малых дозах.

Материал и методы. Эксперимент с соблюдением правил биоэтики проведен на 300 половозрелых белых крысах, которые подвергались острому и хроническому γ-облучению в суммарных дозах от 10 сГр до 100сГр с мощностью дозы воздействия от 50 до 660 сГр/ч. Сенсорную и моторную зоны коры больших полушарий головного мозга исследовали на протяжении всей жизни после радиационного воздействия с помощью традиционных нейроморфологических, гистохимических и статистических методик с последующим математическим моделированием полученных оценочных критериев.

Результаты. Несмотря на особенности режимов радиационного воздействия все они не вызывали в функционально различных зонах коры больших полушарий статистически значимых изменений нейронов. На протяжении всего восстановительного периода как у контрольных, так и экспериментальных животных, наблюдались фазные стохастические изменения различных нейроморфологических показателей состояния нервных клеток имеющих, как правило, пограничный характер, а уровень их значимости колебался по отношению к контролю в незначительных пределах. При этом на изменение одних нейроморфологических показателей большее влияние оказывала доза или мощность дозы γ-облучения, а других – время восстановления. При совместном воздействии радиационного фактора и продолжительности восстановительного периода большинство показателей соответствовало возрастному контролю.

Заключение. Статистически значимых морфофункциональных изменений нейронов как в сенсорной, так и в моторной зонах коры больших полушарий при рассмотренных режимах γ-облучения в суммарных дозах до 100 сГр не выявлено.

1. Асташова А.Н., Федоров В.П., Ушаков И.Б. Радиационные риски в авиации. История и современность. Воронеж: Научная книга, 2019

2. Гундарова О.П., Федоров В.П., Кварацхелия А.Г., Маслов Н.В. Сравнительная характеристика изменений нейронов головного мозга при однократном и пролонгированном радиационном воздействии. Журнал анатомии и гистопатологии. 2021; 10(3): 35–46 doi: 10.18499/2225-7357-2021-10-3-35-46

3. Гундарова О.П., Федоров В.П., Кварацхелия А.Г. Мозжечок и радиация. М.: Научная книга; 2021

4. Даренская Н.Г., Ушаков И.Б., Иванов И.В. От эксперимента на животных – к человеку: поиски и решения. Воронеж: Научная книга; 2010

5. Маслов Н.В., Федоров В.П., Зуев В.Г. Морфофункциональное состояние теменной коры при действии малых доз ионизирующего излучения. Воронеж: Научная книга; 2012

6. Сгибнева Н. В. Математическое обоснование нейроморфологических эффектов в сенсомоторной коре при облучении в малых дозах. Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2012;11(2):445–50 EDN: OZDYNF

7. Сгибнева Н.В., Федоров В.П. Морфофункциональное состояние сенсомоторной коры после малых радиационных воздействий. Воронеж: Научная книга; 2013

8. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Малые радиационные воздействия и мозг. Воронеж: Научная книга; 2015

9. Ушаков И.Б., Федоров В.П., Сгибнева Н.В. Нейроморфологические корреляты мощности дозы радиационного воздействия. Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. 2019;4:59–69 doi: 10.25016/2541-7487-2019-0-4-5969. EDN: LVRHYO

10. Ушаков И.Б., Фёдоров В.П. Радиационные риски вертолетчиков при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС: ранние и отдаленные нарушения здоровья. Медицина катастроф. 2021;3:52–7 doi: 10.33266/2070-1004-2021-3-52-57. EDN: MOGZZQ

11. Ушаков И.Б., Федоров В.П. Радиационноиндуцированные изменения содержания ДНК и РНК в нейронах головного мозга. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2021;66(1):5–12 doi: 10.12737/1024-6177-2021-66-1-5-12. EDN: UCUUZS

12. Федоров В.П., Петров А.В., Степанян Н.А. Экологическая нейроморфология. Классификация типовых форм морфологической изменчивости ЦНС при действии антропогенных факторов. Журнал теоретической и практической медицины. 2003;(1):62–6

13. Федоров В.П., Ушаков И.Б., Асташова А.Н. Обоснование и разработка моделей для оценки церебральных последствий у летного состава после работ на радиоактивно загрязненной местности. Актуальные проблемы авиационной и космической медицины: материалы научно-практической конференции. СПб: ВМА; 2018: 294–6 EDN: YWKLTV

14. Штемберг А.С. Нарушения высшей нервной деятельности крыс в процессе длительного гамма-облучения. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2005;39(4):50–2 EDN: PNGNVV

15. Acharya MM, Lan ML, Kan VH, Patel NH, Giedzinski E, Tseng BP, et al. Consequences of ionizing radiation-induced damage in human neural stem cells. Free Radical Biology and Medicine. 2010 Dec;49(12):1846–55. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2010.08.021

16. Batmunkh M, Belov OV, Bayarchimeg L, Lhagva O, Sweilam NH. Estimation of the spatial energy deposition in CA1 pyramidal neurons under exposure to 12C and 56Fe ion beams. Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 2015 Oct;8(4):498–507. doi: 10.1016/j.jrras.2015.05.008

17. Britten RA, Davis LK, Johnson AM, Keeney S, Siegel A, Sanford LD, et al. Low (20 cGy) doses of 1 GeV/u (56)Fe--particle radiation lead to a persistent reduction in the spatial learning ability of rats. Radiation Research. 2012 1;177(2):146–51. doi: 10.1667/rr2637.1

18. Burns TC, Awad AJ, Li MD, Grant GA. Radiationinduced brain injury: low-hanging fruit for neuroregeneration. Neurosurgical Focus. 2016 May;40(5):E3. doi: 10.3171/2016.2.focus161

19. Cucinotta FA. Review of NASA Approach to Space Radiation Risk Assessments for Mars Exploration. Health Physics. 2015 Feb;108(2):131–42. doi: 10.1097/hp.0000000000000255

20. Desouky O, Ding N, Zhou G. Targeted and nontargeted effects of ionizing radiation. Journal of Radiation Research and Applied Sciences. 2015 Apr;8(2):247–54. doi: 10.1016/j.jrras.2015.03.00321.

21. Forbes ME, Paitsel M, Bourland JD, Riddle DR. Early-Delayed, Radiation-Induced Cognitive Deficits in Adult Rats are Heterogeneous and AgeDependent. Radiation Research. 2014 Jun 17;182(1):60–71. doi: 10.1667/rr13662.1

22. Greene-Schloesser D, Robbins ME, Peiffer AM, Shaw EG, Wheeler KT, Chan MD. Radiationinduced brain injury: A review. Frontiers in Oncology. 2012;2(73):1–18. doi: 10.3389/fonc.2012.00073

23. Greene-Schloesser D, Robbins ME. Radiationinduced cognitive impairment-from bench to bedside. Neuro-Oncology. 2012 Sep 1;14(4):iv37–44. doi: 10.1093/neuonc/nos196

24. Suman S, Rodriguez OC, Winters TA, Fornace AJ, Albanese C, Datta K. Therapeutic and space radiation exposure of mouse brain causes impaired DNA repair response and premature senescence by chronic oxidant production. Aging. 2013 Aug 6;5(8):607–22. doi: 10.18632/aging.100587

25. Tang FR, Loke WK, Khoo BC. Low-dose or lowdose-rate ionizing radiation–induced bioeffects in animal models. Journal of Radiation Research. 2016 Dec 27;58(2):165–82. doi: 10.1093/jrr/rrw120

26. United Nations. UNSCEAR 2006. Report to the General Assembly, with Scientific Annexes. Annex C. Non-targeted and delayed effects of exposure to ionizing radiation. UnitedNations. NewYork. 2009: 1–79.

27. Ushakov IB, Fedorov VP, Komarevtsev VN, Dyachkov AA. Comparative Evaluation of Neuromorphological Effects Under Single and Fractionated Irradiation in Small Doses. Biomedical Journal of Scientific & Technical Research. 2019 Jan 18;13(2):1–3. doi: 10.26717/bjstr.2019.13.002389

28. Ushakov IB, Fedorov VP, Komarevtsev VN. Changes in the Content of Nucleic Acids in Brain Neurons under Various Modes of Low Radiation Exposure. American Journal of Biomedical Science & Research. 2020 Jun 12;9(2):137–8. doi: 10.34297/ajbsr.2020.09.001369

29. Zhuang H, Zheng Y, Wang J, Chang JY, Wang X, Yuan Z, et al. Analysis of risk and predictors of brain radiation necrosis after radiosurgery. Oncotarget. 2015 Dec 10;7(7):7773–9. doi: 10.18632/oncotarget.6532