Сопоставление иммуногистохимического и ультраструктурного изучения реакции аксональных терминалей сенсомоторной коры белых крыс на перевязку общих сонных артерий

Цель исследования – изучить структурно-функциональные изменения аксональных терминалей в слоях I, III и V сенсомоторной коры (СМК) головного мозга крыс Wistar после двусторонней перевязки общих сонных артерий (ПОСА) с помощью иммуногистохимического и электронномикроскопического методов.

Материал и методы. Неполную ишемию головного мозга моделировали путем двусторонней перевязки общих сонных артерий (ПОСА – 2-сосудистая модель глобальной ишемии без гипотонии) на белых крысах линии Wistar (n=36). СМК изучали в контроле (интактные крысы, n=6), через 1, 3, 7, 14 и 30 сут (n=30) после ПОСА. Использовали окраски по Нисслю, гематоксилином и эозином, иммуногистохимические реакции на p38 и метод электронной микроскопии. Определяли общую численную плотность и относительную площадь аксональных терминалей. Проверку статистических гипотез проводили с помощью непараметрических методов для парного и множественного сравнения в программе Statistica 8.0.

Результаты. После ПОСА в СМК мозга крыс увеличивалось содержание дегенеративно измененных нейронов. Изменения нейронов СМК сопровождались гипергидратацией нейропиля и реактивным астроглиозом. Общая численная плотность терминалей во всех слоях СМК статистически значимо уменьшалась уже через 1 сут (в слое I – на 28,6%, III – 46,9%, V – 46,4%) и сохранялась примерно на этом уровне в течение всего наблюдения. Относительная площадь синаптических терминалей различалась в сравниваемых слоях СМК. В слоях I и III СМК сначала (1-е и 3-и сут) значения этого показателя снижались, а затем (7-, 14- и 30-е сут) – увеличивались. В слое V СМК активация экспрессии данного белка происходила уже в остром периоде (1-е и 3-и сут), снижалась через 7 и 14 сут, вновь усиливалась через 30 сут. При ультраструктурном исследовании выявлялось больше мелких терминальных ветвей аксонов. Однако общая тенденция изменений количества терминалей была аналогичной.

Заключение. После двусторонней ПОСА в слоях I, III и V СМК крыс были выявлены деструктивные и компенсаторно-восстановительные изменения аксональных терминалей. Реорганизация межнейронных взаимоотношений происходила на фоне выраженных проявлений гипергидратации нейропиля. Максимальное разрушение синаптических терминалей отмечалось в слое III СМК, а их адаптивные изменения – в слое V. Результаты иммуногистохимического и ультраструктурного исследований сопоставимы и дополняют друг друга. Все это, вероятно, можно рассматривать как структурную основу изменения интегративно-пусковой деятельности головного мозга после ПОСА.

1. Боровиков В. Statistica. Искусство анализа данных на компьютере. 2-ое изд. СПб: Питер; 2003

2. Макарьева Л.М., Акулинин В.А., Степанов С.С., Шоронова А.Ю., Авдеев Д.Б., Коржук М.С. Морфологическое и морфометрическое описание нейронов сенсомоторной коры головного мозга крыс после перевязки общих сонных артерий. Журнал анатомии и гистопатологии. 2022;11(1):49–58 doi: 10.18499/2225-7357-2022-11-1-49-58

3. Макарьева Л.М., Коржук М.С., Акулинин В.А., Степанов С.С., Шоронова А.Ю., Авдеев Д.Б. Нейроглиальные взаимоотношения и структуры межнейронной коммуникации слоя V сенсомоторной коры белых крыс после перевязки общих сонных артерий. Журнал анатомии и гистопатологии. 2022;11(2):43–51 doi 10.18499/2225-7357-2022-11-2-43-51

4. Питерс А., Палей С., Уэбстер Г. Ультраструктура нервной системы: Пер. с англ. 1972

5. Семченко В.В., Степанов С.С., Боголепов Н.Н. Синаптическая пластичность головного мозга (фундаментальные и прикладные аспекты). Омск: Омская областная типография; 2008

6. 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: 10.18499/2225-7357-2017-6-4-47-54

7. Степанов А.С., Акулинин В.А., Степанов С.С., Авдеев Д.Б., Горбунова А.В. Коммуникация нейронов поля СА3 гиппокампа головного мозга белых крыс после острой ишемии. Общая реаниматология. 2018;14(5):38–49 doi: 10.15360/1813-9779-2018-5-38-49

8. Bergsman JB, Krueger SR, Fitzsimonds RM. Automated criteria-based selection and analysis of fluorescent synaptic puncta. Journal of Neuroscience Methods. 2006 Apr;152(1-2):32–9. doi: 10.1016/j.jneumeth.2005.08.008

9. Black MM. Axonal transport: The orderly motion of axonal structures. Methods in Cell Biology. 2016;(131):1–19. doi: 10.1016/bs.mcb.2015.06.001

10. Calhoun ME, Jucker M, Martin LJ, Thinakaran G, Price DL, Mouton PR. Comparative evaluation of synaptophysin-based methods for quantification of synapses. Journal of Neurocytology. 1996 Jan;25(1):821–8. doi: 10.1007/BF02284844

11. Chen KS, Masliah E, Mallory M, Gage FH. Synaptic loss in cognitively impaired aged rats is ameliorated by chronic human nerve growth factor infusion. Neuroscience. 1995 Sep;68(1):19–27. doi: 10.1016/0306-4522(95)00099-5

12. Clare R, King VG, Wirenfeldt M, Vinters HV. Synapse loss in dementias. Journal of Neuroscience Research. 2010 Apr 5;88(10):2083–90. doi: 10.1002/jnr.22392

13. Gordon-Weeks PR, Fournier AE. Neuronal cytoskeleton in synaptic plasticity and regeneration. Journal of Neurochemistry. 2013 Nov 11;129(2):206–12. doi: 10.1111/jnc.12502

14. Guillamón-Vivancos T, Gómez-Pinedo U, Matías-Guiu J. Astrocitos en las enfermedades neurodegenerativas (I): función y caracterización molecular. Neurología. 2015 Mar;30(2):119–29. doi: 10.1016/j.nrl.2012.12.007

15. Herold J, Schubert W, Nattkemper TW. Automated detection and quantification of fluorescently labeled synapses in murine brain tissue sections for high throughput applications. Journal of Biotechnology. 2010 Sep 15;149(4):299–309. doi: 10.1016/j.jbiotec.2010.03.004

16. Hu W, An C, Chen WJ. Molecular Mechanoneurobiology: An Emerging Angle to Explore Neural Synaptic Functions. BioMed Research International. 2015 Apr 14;2015:e486827. doi: 10.1155/2015/486827

17. Ippolito DM, Eroglu C. Quantifying Synapses: an Immunocytochemistry-based Assay to Quantify Synapse Number. Journal of Visualized Experiments. 2010 Nov 16;(45):2270. doi: 10.3791/2270

18. Jing Z, Shi C, Zhu L, Xiang Y, Chen P, Xiong Z, et al. Chronic Cerebral Hypoperfusion Induces Vascular Plasticity and Hemodynamics but Also Neuronal Degeneration and Cognitive Impairment. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism. 2015 Apr 8;35(8):1249–59. doi: 10.1038/jcbfm.2015.55

19. Knott G, Marchman H, Wall D, Lich B. Serial Section Scanning Electron Microscopy of Adult Brain Tissue Using Focused Ion Beam Milling. Journal of Neuroscience. 2008 Mar 19;28(12):2959–64. doi: 10.1523/JNEUROSCI.3189-07.2008

20. Koizumi S, Hirayama Y, Morizawa YM. New roles of reactive astrocytes in the brain; an organizer of cerebral ischemia. Neurochemistry International. 2018 Oct;119(10):107–14. Doi: 10.1016/j.neuint.2018.01.007

21. Kreshuk A, Straehle CN, Sommer C, Koethe U, Cantoni M, Knott G, et al. Automated Detection and Segmentation of Synaptic Contacts in Nearly Isotropic Serial Electron Microscopy Images. Barnes S, editor. PLoS ONE. 2011 Oct 21;6(10):e24899. Doi: 10.1371/journal.pone.0024899

22. Merchan-Pérez A, Rodriguez J-R, AlonsoNanclares L, Schertel A, DeFelipe J. Counting synapses using FIB/SEM microscopy: a true revolution for ultrastructural volume reconstruction. Frontiers in Neuroanatomy. 2009;3(18):1–14. doi: 10.3389/neuro.05.018.2009

23. Mishchenko Y. Automation of 3D reconstruction of neural tissue from large volume of conventional serial section transmission electron micrographs. Journal of Neuroscience Methods. 2009 Jan;176(2):276–89. doi: 10.1016/j.jneumeth.2008.09.006

24. Paxinos G, Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates. 5-th ed. Amsterdam, Boston: Elsevier Academic Press; 2005.

25. Uyeda A, Muramatsu R. Molecular Mechanisms of Central Nervous System Axonal Regeneration and Remyelination: A Review. International Journal of Molecular Sciences. 2020 Oct 30;21(21):8116. doi: 10.3390/ijms21218116

26. Wu C-C, Reilly JF, Young WG, Morrison JH, Bloom FE. High-throughput Morphometric Analysis of Individual Neurons. Cerebral Cortex. 2004 May;14(5):543–54. Doi: 10.1093/cercor/bhh016

27. Xing Y, Bai Y. A Review of Exercise-Induced Neuroplasticity in Ischemic Stroke: Pathology and Mechanisms. Molecular Neurobiology. 2020 Jul 20;57(10):4218–31. doi: 10.1007/s12035-020-02021-1