Морфологические основы реорганизации межнейронных взаимоотношений гиппокампа белых крыс после тяжелой черепно-мозговой травмы

   Цель исследования – изучить морфологические изменения нейронов, глии и синаптических терминалей в СА1 и СА3 гиппокампа головного мозга белых крыс после тяжелой черепно-мозговой травмы (ТЧМТ).

   Материал и методы. Проведено экспериментальное исследование на аутбредных половозрелых белых крысах самцах стока Wistar. ТЧМТ (основная группа, n = 30) моделировалась под наркозом (Zoletil-100) на оригинальной установке. Для контроля использовали интактных животных (n = 6). Морфологическую оценку нервной ткани гиппокампа (СА1, СА3) осуществляли при помощи световой микроскопии (окраска гематоксилин–эозином, тионином по Нисслю), иммуногистохимической реакции на синаптофизин (p38), Caspase 3, GFAP и морфометрических методов исследования (программа ImageJ 1.53) в контроле и через 1, 3, 7, 14, 30 сут после ТЧМТ. Проверку статистических гипотез проводили с помощью непараметрических методов (критерии Колмогорова–Смирнова, Краскела–Уоллиса, Манна–Уитни, Вилкоксона, Спирмена) в программе Statistica 10.0.

   Результаты. Через 1 сут после ТЧМТ появлялись дегенеративно измененные темные нейроны, клетки-тени, отмечались мелкие очаги выпадения нейронов, выраженные проявления отека-набухания в перикарионах и нейропиле. Преобладали коагуляционно-ишемические механизмы гибели нейронов, структурные и иммуногистохимические признаки активации апоптоза (Caspase 3 в перикарионах) выявлялись в единичных клетках поля СА1. В отдаленном периоде исследования (30 сут) сохранялись гидропические изменения, хроматолиз с просветлением цитоплазмы, гиперхромия без и с гомогенизацией структур нейронов. Было характерно увеличение нейроглиального индекса. Между отделами и сроками выявлены статистически значимые различия основных морфометрических показателей. Через 30 сут после травмы в СА1 общая численная плотность нейронов снижалась на 43,8 %, а в СА3 – 22,0 %, сохранялся значительный (20–40 %) дефицит терминалей синапсов нейропиля. Таким образом, компенсаторно-восстановительная реорганизация нейронных сетей гиппокампа происходила на фоне его структурно-функциональной недостаточности. Вероятно, в реализации нейропластичности определенную роль играла Caspase 3.

   Заключение. После ТЧМТ выявлены диффузно-очаговые патоморфологические изменения клеток СА1 и СА3 гиппокампа. Увеличение относительного содержания глиальных клеток свидетельствовало о реализации феномена саногенеза нервной ткани. Реорганизация межнейронных связей происходила на протяжении 30 сут наблюдения, вероятно, с участием каспаз.

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

2. Горбунова А. В., Кошман И. П., Шоронова А. Ю., Авдеев Д. Б., Акулинин В. А., Степанов С. С., и др. Сравнительная характеристика структурно-функциональных изменения поля СА3 гиппокампа после острой ишемии и травмы головного мозга белых крыс. Журнал анатомии и гистопатологии. 2020; 9 (4): 19–30.

3. Гуляева Н. В. Неапоптотические функции каспазы 3 в нервной ткани. Биохимия. 2003; 68 (11): 1459–70.

4. Кинзерский А. А., Шоронова А. Ю., Коржук М. С., Акулинин В. А., Макарьева Л. М. Патент РФ № 2788904; 2021

5. Радьков И. В., Лаптев В. В., Плехова Н. Г. Технологии моделирования диффузной черепно-мозговой травмы. Современные проблемы науки и образования. 2018; 4: 1–9.

6. Степанов С. С., Макарьева Л. М., Акулинин В. А., Коржук М. С., Шоронова А. Ю., Авдеев Д. Б., Цускман И. Г., Слободская А. В. Сопоставление иммуногистохимического и ультраструктурного изучения реакции аксональных терминалей сенсомоторной коры белых крыс на перевязку общих сонных артерий. Журнал анатомии и гистопатологии. 2022; 11 (3): 65–74.

7. Храпов Ю. В., Поройский С. В. Роль биомаркеров повреждения вещества головного мозга в диагностике, оценке эффективности лечения и прогнозирования исходов тяжелой черепно-мозговой травмы. Волгоградский научно-медицинский журнал. 2013; 3: 11–20.

8. Цинзерлинг В. А., Сапаргалиева А. Д., Вайншенкер Ю. И., Медведев С. В. Проблемы нейропластичности и нейропротекции. Вестник Санкт-Петербургского университета. 2013; 4: 3–12.

9. Яковлев А. А., Гуляева Н. В. Прекондиционирование клеток мозга к патологическим воздействиям: вовлеченность протеаз (обзор). Биохимия. 2015; 80 (2): 204–13.

10. Arneson D., Zhang G., Ying Z., Zhuang Y., Byun H., Ahn I., et al. Single cell molecular alterations reveal target cells and pathways of concussive brain injury. Journal of Nature Communications. 2018 Sep; 9 (1): 3894. doi: 10.1038/s41467-018-06222-0

11. Böhmer A., Oses J., Schmidt A., et al. Neuron-specific enolase, S100B, and glial fibrillary acidic protein levels as outcome predictors in patients with severe traumatic brain injury. Journal of Neurosurgery. 2011 Jun; 68 (6): 1624–30. doi: 10.1227/NEU.0b013e318214a81f

12. Cole J., De Simoni S., Bourke N., et al. Spatial patterns of progressive brain volume loss after moderate-severe traumatic brain injury. Brain: a journal of neurology. 2018 Mar; 141 (3): 822–36 doi: 10.1093/brain/awx354

13. Chen Z., Zhong D., Li G. The role of microglia in viral encephalitis. Journal of Neuroinflammation. 2019 Apr; 16: 76. doi: 10.1186/s12974-019-1443-2

14. Fiala J. Reconstruct: a free editor for serial section microscopy. Journal of Microscopy. 2005 Apr; 218 (1): 52–61. doi: 10.1111/j.1365-2818.2005.01466.x

15. Frankowski J. C., Kim Y. J., Hunt R. F. Selective vulnerability of hippocampal interneurons to graded traumatic brain injury. Journal of Neurobiology of disease. 2019 Sep; 129: 208–16. doi: 10.1016/j.nbd.2018.07.022

16. Guo H., Zheng L., Xu H., et al. Neurobiological Links between Stress, Brain Injury, and Disease. Journal of Oxidative Medicine and Cellular Longevity Volume. 2022 May; 2: 1–17. doi: 10.1155/2022/8111022

17. Gulyaeva N. V. Biochemical Mechanisms and Translational Relevance of Hippocampal Vulnerability to Distant Focal Brain Injury: The Price of Stress Response. Journal of Biochemistry. 2019 Nov; 84 (11): 1306–28. doi: 10.1134/S0006297919110087.

18. Grieves R., Duvelle E., Wood E., Dudchenko P. Field repetition and local mapping in the hippocampus and the medial entorhinal cortex. Journal of Neurophysiology. 2017 Oct; 118 (4): 2378–88. doi: 10.1152/jn.00933.2016

19. Harris T., de Rooij, Kuhl E. The Shrinking Brain: Cerebral Atrophy Following Traumatic Brain Injury. Annals of biomedical engeering. 2019 Sep; 47 (9): 1941–59. doi: 10.1007/s10439-018-02148-2

20. Hobbiss A. F., Ramiro-Cortés Y., Israely I. Homeostatic Plasticity Scales Dendritic Spine Volumes and Changes the Threshold and Specificity of Hebbian Plasticity. Journal of iScience. 2018 Oct; 8: 161–74. doi: 10.1016/j.isci.2018.09.015

21. Herbert A. D., Carr A. M., Hoffmann E. Find Foci: A Focus Detection Algorithm with Automated Parameter Training That Closely Matches Human Assignments, Reduces Human Inconsistencies and Increases Speed of Analysis. Journal of PLoS One. 2014 Dec; 9 (12): 1–33. doi: 10.1371/journal.pone.0114749

22. Kesserling J. Neurorehabilation: a bridge between basic science and clinical practice. European journal of neurology. 2001 May; 8 (3): 221–5. doi: 10.1046/j.1468-1331.2001.00193.x

23. Legendy C. On the ‘data stirring’ role of the dentate gyrus of the hippocampus. Journal of Reviews in the Neurosciences. 2017 Jul; 28 (6): 599–615. doi: 10.1515/revneuro-2016-0080

24. Manto M., Oulad ben Taib N., Luft A. Modulation of excitability as an early change leading to structural adaptation in the motor cortex. Journal of Neuroscience research. 2006 Feb; 83 (2): 177–80. doi: 10.1002/jnr.20733

25. Ooigawa H., Nawashiro H.,·Fukui S., et al. The fate of Nissl-stained dark neurons following traumatic brain injury in rats: diVerence between neocortex and hippocampus regarding survival rate. Journal of Acta Neuropathol. 2006 Oct; 112 (4): 471–81. doi: 10.1007/s00401-006-0108-2

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

27. Redell J. B., Maynard M. E., Underwood E. L., et al. Traumatic brain injury and hippocampal neurogenesis: functional implications. Journal of Experimental neurology. 2020 Sep; 331: 113372. doi:10.1016/j.expneurol.2020.113372

28. Sestakova N., Puzserova A., Kluknavsky M. Determination of motor activity and anxiety-related behaviour in rodents: methodological aspects and role of nitric oxide. Journal of Interdisciplinary Toxicology. 2013 Sep; 6 (3): 126–35. URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/24678249/

29. Susanne M., Micaela G., Nikolaus P. Identification of the Vascular Source of Vasogenic Brain Edema following Traumatic Brain Injury Using in Vivo 2-Photon Microscopy in Mice. Journal of Neurotrauma. 2015 Jul; 32 (13): 990–1000. doi: 10.1089/neu.2014.3775

30. Spitz G., Bigler E., Abildskov T., Maller J., O’Sullivan R., and Ponsford J. Regional cortical volume and cognitive functioning following traumatic brain injury. Brain and cognition. 2013 Oct; 83: 34–4. doi: 10.1016/j.bandc.2013.06.007

31. Tolias C., Bullock M. Critical appraisal of neuroprotection trials in head injury: What have we learned. The Journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics. 2004 Jan; 1: 71–9. doi: 10.1602/neurorx.1.1.71

32. Van den B., 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