Л.Л. Клименко, О.В. Протасова, Л.К. Обухова, М.Н. Комарова «Динамика уровня постоянного потенциала и микроэлементов в полушариях головного мозга мышей при нормальном и ускоренном старении» (С.20-28) «

Клименко Л.Л *, Протасова О.В. *, Обухова Л.К. **, Комарова М.Н. ***

ДИНАМИКА УРОВНЯ ПОСТОЯННОГО ПОТЕНЦИАЛА И МИКРОЭЛЕМЕНТОВ В ПОЛУШАРИЯХ ГОЛОВНОГО МОЗГА МЫШЕЙ ПРИ НОРМАЛЬНОМ И УСКОРЕННОМ СТАРЕНИИ

*Институт химической физики им. Н.Н.Семенова РАН, Москва, Россия

**Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, Москва, Россия

***НИИ физико-химической медицины МЗ МП РФ, Москва, Россия

С помощью метода эмиссионной спектрометрии исследована концентрация Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, P, Pb, S, Zn в полушариях головного мозга мышей при нормальном и ускоренном старении. Показано снижение концентрации микроэлементов у ускоренно стареющих мышей. Измеренный у тех же животных уровень постояного потенциала также снижается при ускорении старения. Выявлены достоверные корреляционные связи между постоянным потенциалом и концентрацией микроэлементов. Ускорение старения приводит к прераспределению и частичному распаду корреляционных связей.

Феноменология старения и инволюции функциональной межполушарной асимметрии (ФМА) включает в себя возрастные изменения показателей различных уровней: поведенческого, нейрофизиологического, биохимического, молекулярного, энергетического и других.

Исследование взаимосвязи между этими уровнями в процессе позднего онтогенеза дает представление о старении системы ФМА в целом.

Ранее нами было выявлено, что показатели названных выше уровней не только синхронно изменяются в процессе нормального старения крыс [5, 6, 7], но и сохраняют межполушарный градиент в течение всего периода онтогенеза, Что ассоциируется с различной скоростью старения полушарий – «асимметрией старения». Кроме того, ранее было показано, что концентрация микроэлементов, вносящих существенный вклад в формирование системы межполушарной асимметрии, достоверно различается в физиологически неравнозначных (доминантном и субдоминантном) полушариях головного мозга крыс [4].

В настоящее время общепринятым является положение о высокой биологической активности микроэлементов, связанной с их участием в синтезе витаминов и гормонов и их роли в качестве структурных единиц в молекулах ферментных систем. Диапазон действия каждого микроэлемента достаточно широк и определяется способностью микроэлемента к комплексообразованию с аминокислотами, кето — и оксикислотами, ферментами. Некоторые ферменты активируются различными микроэлементами, другие в качестве неотъемлемого компонента своей молекулы содержат характерный металл, от которого полностью зависит их активность, что и определяет их жизненно важную биологическую роль: нет ни одного класса ферментов, в котором в качестве кофактора не присутствовали бы различные микроэлементы [2].

Головной мозг, в частности кора больших полушарий, по содержанию микроэлементов занимает одно из первых мест среди других органов и тканей. Широкое исследование влияния микроэлементов на мозговую функцию провел Нarold H. Sanstead [14]. При исследовании действия некоторых микроэлементов на функции высших отделов центральной нервной системы показано изменение основных процессов коркового возбуждения и торможения. R. Palm с соавторами [13] исследовали концентрацию микроэлементов Zn и Cu в пяти отделах мозга (кора, corpus striatum, гиппокамп, средний мозг и medulla и мозжечок) у взрослых самцов крыс в возрасте 15 и 49 недель. Во всех отделах мозга, кроме corpus striatum, значительно увеличился с возрастом сухой вес. Концентрация Zn возросла в период от 15 до 49 недель в коре и corpus striatum и снизилась в мозжечке и гиппокампе. Уровень Cu увеличился во всех отделах мозга, но в большей степени в corpus striatum. Таким образом, выявлена взаимосвязь между паттернами, определяющими хронологический возраст, и концентрацией Cu и Zn в различных отделах мозга. N. Nakagawa [12] также исследовал изменение концентрации микроэлементов в мозге мышей в процессе старения. Были использованы ускоренно стареющие мыши, проявляющие в позднем возрасте дефекты обучения и памяти. Концентрация Zn, Cu, Mn, Mo и Rb была измерена методом эмиссионной спектрометрии в 8 областях мозга ускоренно стареющих и контрольных мышей в возрасте 3, 6, 9 и 12 месяцев. В мозге контрольных мышей при старении было выявлено снижение концентрации Zn, Mn и Rb и повышение концентрации Cu, что свидетельствует об участии именно этих микроэлементов в процессе старения мозга. В группе экспериментальных мышей было выявлено снижение концентрации Zn и Mn и повышение концентрации Mo при старении – так же, как и у контрольных мышей. Низкий уровень меди наблюдался в коре экспериментальных мышей в молодом возрасте. Таким образом, выявленное изменение метаболизма микроэлементов в мозге ускоренно стареющих мышей может быть причиной ускорения процесса старения. Серия исследований, проведенных A. Takedа (1994–1999) [15-23], выявила большое значение микроэлементов в метаболизме мозга. Радиографическое исследование мозга показало различное распределение Zn и Mn в мозге крыс. Изотопы 65ZnCl2 и 54MnCl2, введенные в боковой желудочек мозга, свободно проходили через цереброспинальную и внеклеточную жидкость и были обнаружены во всех желудочках через 1 час после инъекции. Через 6 дней после инъекции 65Zn был сконцентрирован в гиппокампе и в гипоталамических ядрах, но не в коре и высших отделах ипсилатерального полушария. Низкий уровень этого изотопа наблюдался в контрлатеральном полушарии, за исключением гипоталамических ядер. 54Mn концентрировался в красном ядре и в ретикулярной формации обоих полушарий. Относительно высокое содержание 65Zn в коре мозга свидетельствует о том, он проходит в эту область мозга через гематоэнцефалический барьер. 65ZnCl2 и 54MnCl2 больше всего сконцентрированы в хориоидном сплетении. Через 3 дня после введения относительно высокий уровень Zn наблюдается в зубчатой извилине, гиппокампе и коре. Уровень Mn также был высоким в этих отделах мозга. Более позднее исследование A. Takeda (1998) относится к изучению роли микроэлементов в функциональной деятельности мозга. Ранее авторы показали, что Mn может восприниматься обонятельными нейронами после высвобождения из терминалей вторичного обонятельного нейрона, в сому которого изотоп 54Mn может попасть после внутривенной инъекции 54MnCl2. Показано, что после введения К+ 54Mn, аккумулированный в миндалине, высвобождается в межклеточное пространство. Авторы считают, что роль ионов Mn в функции обонятельной системы и миндалины динамически связана с управляющими процессами в ЦНС. Впоследствии был исследован внутримозговой транспорт 65Zn после одностороннего введения его в corpus striatum и substantia nigra. В случае интрастриального введения 65Zn он достаточно плотно концентрировался в ипсилатеральном среднем пучке переднего мозга и в substantia nigra. Таким образом, становится очевидной высокоспецифичная роль микроэлементов в функциональной деятельности ЦНС. Показано, что Mn является субъектом широко распространенного аксонного транспорта в нервной передаче (нейронных связях). В дальнейшем была выявлена связь между накоплением Zn в тканях и дегенеративными процессами в нигростриальных дофаминэргических связях. Предполагается, что Zn необходим для репаративных процессов в мозге после гибели нейронов. Исследуя транспорт Mn в мозг из периферических тканей, авторы показали, что 54Mn больше концентрировался в хориоидном сплетении благодаря перераспределению Mn из печени и поджелудочной железы. В 1999 году проведено исследование ведущей роли активно функционирующего, т.е. везикулярного цинка в деятельности лимбической системы. Показано, что Zn локализуется в лимбической системе, которая может обмениваться информацией с областями мозга, имеющими высокую концентрацию цинка в терминалях нейронов. Изменение концентрации Mn исследовано в процессе старения крыс (в возрасте от 5 дней до 95 недель), поскольку Mn является эссенциальным металлом, играющим важную роль в деятельности мозга. Концентрация 54Mn в мозге 5–дневных крыс была самой высокой из всех протестированных возрастных групп; очевидно, что в молодом возрасте требуется высокое содержание Mn и оно является критичным для нормального развития мозга.

Этот краткий обзор современного состояния вопроса о роли микроэлементов в деятельности мозга делает очевидным важное значение микроэлементов в метаболизме и функциональной активности мозга, также как и в механизме старения мозга. Однако роль микроэлементов в феномене старения системы функциональной межполушарной асимметрии нуждается, по нашему мнению, в дальнейшем исследовании. Анализ возрастной динамики корреляционных связей между показателями нейрофизиологического и элементоорганического уровней ФМА – УПП и концентрацией микроэлементов – поможет составить более полное представление о старении системы ФМА и ключевых механизмах, лежащих в основе возрастных изменений интегративной деятельности мозга.

Методика.

Животные. В работе было использовано 48 мышей-самок линии СВА в возрасте 14 и 26 месяцев. 22 контрольных и 26 экспериментальных животных были разделены на 4 группы. Контрольные мыши: возраст 14 месяцев (n=7) и 26 месяцев (n=15); экспериментальные мыши: возраст 14 месяцев (n=7) и 26 месяцев (n=19).

Моторная асимметрия исследовалась по поведению в Т-образном лабиринте согласно методике, описанной в работах [3-7].

Модель ускоренного старения. Было исследовано нормальное – физиологическое < старение животных (контрольные группы) и ускоренное старение (экспериментальные группы) – в соответствии с общепринятой методикой, описание которой приведено в ряде работ [1, 8, 9, 10, 24].

Измерение УПП проводилось по ранее описанной методике [3, 4]. После окончания острого опыта находящихся под наркозом мышей декапитировали.

В экспериментальных группах животных определение межполушарной асимметрии мышей по двум критериям – поведенческому (побежкам в Т- образном лабиринте) и нейрофизиологическому (измерению УПП) – было проведено дважды: до и после применения модели ускоренного старения.

Определение микроэлементов. Для исследования концентрации микроэлементов в коре головного мозга применялся эмиссионный спектральный анализ [4, 11]. Определяли концентрацию Al, Cd, Co, Cu, Fe, Mg, Mn, Mo, P, Pb, S, Zn. Нижний предел концентрации в зависимости от элемента составляет от 1 х 10 до 1 х 103 мкг/мл. Инструментальная точность определения была не ниже 5% от определяемой концентрации. Количественно микроэлементы оценивались в мкг/100 мг мозговой ткани.

Статистическая обработка результатов: определение средних значений, сравнительный и корреляционный анализ проводили на IBM PC c помощью пакета прикладных программ Statistica for Windows 4.11

Результаты и обсуждение

Анализ средних значений исследованных параметров в контрольных группах показал, что в позднем онтогенезе не выявлено достоверных различий между УПП и побежками в возрастных группах 14 и 26 месяцев. Показано снижение концентрации меди в полушариях головного мозга в возрасте 26 месяцев по сравнению с 14-ю месяцами: в 14 месяцев в правом полушарии концентрация меди составляла (6,193±0,035) мкг/100 мг, а в 26 месяцев концентрация меди снизилась до значения (5,123±0,028) мкг/100 мг. Однако при сравнении контрольных и экспериментальных групп наблюдаются более многочисленные достоверные различия.

Статистика сравнения проводилась по критериям Стьюдента, Вилкоксона и Манн-Уитни; по всем критериям получены сходные результаты.

При сравнении средних значений в контрольных и экспериментальных группах были получены следующие результаты.

Средние значения моторной асимметрии мышей в возрасте 26 месяцев до и после применения модели ускоренного старения достоверно различались: у ускоренно стареющих мышей количество побежек направо снижается, т.е. популяция экспериментальных мышей «левеет», что свидетельствует о различной скорости старения полушарий головного мозга (таблица 1).

Таблица 1. Изменение моторной и нейрофизиологической асимметрии мышей в
возрасте 26 месяцев до и после ускорения старения
Возраст 26 месяцев,
норма
Ускоренное старение,
возраст 26 месяцев
Побежки в Т-образном
лабиринте
5±0,4 2,8±0,3
УППd, мВ 7,1±1,0 -8,07±1,05
УППs, мВ 7,7±1,1 -5,5±1,03
УПП(d-s) ,мВ -0,26±0,6 -2,5±0,4

Таблица 1. Изменение моторной и нейрофизиологической асимметрии мышей ввозрасте 26 месяцев до и после ускорения старенияВозраст 26 месяцев,нормаУскоренное старение,возраст 26 месяцевПобежки в Т-образномлабиринте5±0,4 2,8±0,3УППd, мВ 7,1±1,0 -8,07±1,05УППs, мВ 7,7±1,1 -5,5±1,03УПП(d-s) ,мВ -0,26±0,6 -2,5±0,4

Подобное полевение популяции ускоренно стареющих мышей наблюдали мы и ранее [9]. Снижение средних значений УПП в наблюдается при ускорении старения как в возрасте 14, так и 26 месяцев, что можно объяснить возрастным усилением свободнорадикального окисления и связанным с ним увеличением проницаемости мембран и падением мембранных потенциалов, интегральной характеристикой которых является УПП. Аналогичное снижение УПП в позднем онтогенезе наблюдали мы ранее при физиологическом старении крыс [3, 4]. Как видно из таблицы 1, при ускорении старения наблюдается инверсия из положительного в отрицательное значение межполушарной разности потенциалов, которая является нейрофизиологической характеристикой ФМА: таким образом, УПП в правом полушарии снижается гораздо больше, чем в левом, по нейрофизиологическому критерию это полушарие стало доминантным, что повлекло за собой выявленную инверсию моторной асимметрии – полевение популяции.

Средние значения концентрации микроэлементов. Сравнение всей контрольной группы со всей экспериментальной, без деления на подгруппы, отличающиеся по возрасту и латерализации, выявило достоверные концентрационные различия как в правом, так и в левом полушарии: концентрация Al, Cu, Mg, Mn и Zn в контроле выше, чем у ускоренно стареющих животных.

В возрастных контрольных и экспериментальных группах также выявлены достоверные концентрационные различия. В 14 месяцев у ускоренно стареющих мышей наблюдается снижение концентрации Al и Zn. В 26 месяцев в левом полушарии у ускоренно стареющих мышей снижаются концентрации Al и Mn, а в правом полушарии кроме снижения концентрации этих же микроэлементов, выявлено также снижение концентрации Cu и Mg (рис. 1). Подобное возрастное снижение микроэлементов в различных отделах мозга наблюдали ранее N Nakagava (1998) и A. Takeda (1999) [12, 24]; таким образом, в связи с жизненно важной биологической ролью микроэлементов, их участие в возрастном изменении метаболизма является ключом к пониманию механизма старения мозга.

Сравнение концентрации микроэлементов в правом и левом полушариях у контрольных и экспериментальных мышей было проведено после предварительного разделения групп в возрасте 26 месяцев на правшей и левшей по моторной асимметрии [3, 5, 6,]. Сравнение концентраций микроэлементов проводили между идентичными полушариями правшей и левшей. В контрольных группах не было выявлено достоверных концентрационных различий между сравниваемыми полушариями, однако в группе ускоренно стареющих мышей существует достоверное различие в концентрации Zn – в правом (доминантном) полушарии левшей концентрация Zn меньше, чем в правом (субдоминантном) полушарии правшей: (18,7±0,07) мкг/100 мг у левшей и (23, 6±0,03) мкг/100 мг у правшей; таким образом, можно говорить о концентрационном различии функционально неравнозначных полушарий.

Корреляционный анализ выявил многочисленные достоверные корреляционные связи как между микроэлементами, так и между показателями различных уровней, что ассоциируется с объединением рассматриваемого нами в данном исследовании элементоорганического уровня в единую систему функциональной межполушарной асимметрии с характерными для понятия «система» причинно-следственными и иеррархическими отношениями между уровнями. Однако общее количество корреляционных связей, которое можно рассматривать в качестве оценки степени согласованности изменений сравниваемых величин, различается в полушариях головного мозга у контрольных и экспериментальных животных. Так, у контрольных животных в возрасте 26 месяцев количество достоверных корреляционных связей между всеми исследуемыми параметрами (побежками, УПП и концентрацией микроэлементов) в правом полушарии в 2 раза больше, чем в левом (рис. 2).

После ускорения старения происходит перераспределение связей, заключающееся в частичном распаде связей между всеми исследованными показателями и выравнивании количества связей в правом и левом полушариях. Так, в левом полушарии в контроле выявлены достоверные связи между Zn и Fe; Zn и Al, а при ускорении старения эти связи отсутствуют, но возникает связь между Zn и Cu, Zn и Mg. Корреляционная связь между Cu и Mg остается неизменной в контроле и в экспериментальной группе, а связь между Mn и Cu возникает лишь при ускорении старения. Аналогичная картина наблюдается и в правом полушарии. Уменьшение числа (или распад) достоверных корреляционных связей между микроэлементами при ускоренном старении соответствует ранее высказанному нами представлению о распаде корреляционных связей при нормальном старении системы межполушарной асимметрии [3]. Выравнивание же количества связей в полушариях при ускорении старения свидетельствует о возрастном изменении степени согласованности различных показателей метаболизма в ЦНС, следствием которого может явиться нарушение пластических, энергетических и информационных составляющих управляющей системы.

Итак, при исследовании динамики уровня постоянного потенциала и микроэлементов в полушариях головного мозга мышей при нормальном и ускоренном старении было показано, что ускорение старения приводит:

• к появлению в популяции большого количества животных с левой поворотной тенденцией – к «полевению» популяции;

• к снижению УПП и инверсии межполушарной разности потенциалов;

• к снижению концентрации микроэлементов в полушариях ускоренно стареющих животных;

• к перераспределению корреляционных связей между микроэлементами и выравниванию количества связей в полушариях головного мозга.

Таким образом, концентрация микроэлементов в полушариях головного мозга является составной частью системы межполушарной асимметрии – показателем ее элементоорганического уровня – а ее изменение в процессе старения можно рассматривать как один из ключевых механизмов, определяющих старение и инволюцию функциональной межполушарной асимметрии.

Рис. 1. Изменение концентрации микроэлементов в правом полушарии головного мозга мышей при ускоренном старении (контроль – серого цвета, ускоренное старение – белого).

Рис. 2. Количество корреляционных связей между микроэлементами в полушариях головного мозга мышей в возрасте 26 месяцев в контроле и при ускоренном старении.

Литература

1. Акифьев А.П., Обухова Л.К., Измайлов Д.М. // Вестник РАН. – 1992. – №5. – С. 82-92

2. Диксон М., Уэбб Э. Ферменты. – М.: Мир. – 1982. – 385 с.

3. Клименко Л.Л. // Биофизика. – 1987б. – Т.32. – №4. – С. 691

4. Клименко Л.Л., Протасова О.В., Конрадов А.А., Фокин В.Ф., Л.А. Пирузян // Изв. РАН., Сер. биол. – 1995. – № 4. – С. 422–429

5. Клименко Л.Л., Деев А.И., Протасова О.В., Фокин В.Ф., Пирузян Л.А. // Биофизика. – 1998. – Т. 43. – В. 6. – С. 1063-1065.

6. Клименко Л.Л., Деев А.И., Протасова О.В., А. А. Конрадов, Фокин В.Ф. // Биофизика. – 1999. – Т. 44. – В.5. – С. 916-920.

7. Клименко Л.Л., Деев А.И., Протасова О.В., А. А. Конрадов, Фокин В.Ф., Пирузян Л.А. // Биофизика. – 1999. – Т. 44. – В.3. – С. 540-544.

8. Обухова Л.К., Жижина Г.П., Соловьева А.С., Блюхтерова Н.В. // Изв РАН, Сер. биол. – 1998. – №6. – С. 697-704.

9. Обухова Л.К., Клименко Л.Л., Соловьева А.С. // Изв РАН, Сер. биол. – 1997. – №3. – С. 315-319.

10. Потапенко А.И., Обухова Л.К. // Изв РАН, Сер. биол. – 1992. – №6. – С. 940.

11. Black M.S., Thomas M.B., Browner R. F. // Anal. Chem. – 1981. –V. 53. – №14. – P. 2224.

12. Nakagawa N. // Hokkaido Igaku Zasshi. – 1998. – V. 73 – Is. 2. 181-99.

13. Palm, R.Wahlstrom, G.Hallmans, G. // Lab Anim. – 1990. V.24, Is. 3. – P. 240-5

14. Sandstead, H. H. // Am J Clin Nut. – 1986. – V. 43, Is. 2. – P. 293-8.

15. Takeda A., Sawashita J., Okada S., // Brain Res. – 1994. – V. 658, Is. 1-2. – P. 252-4.

16. Takeda A., Akiyama T., Sawashita J., Okada, S. // Brain Res. – 1994. – V. 640, Is. 1-2. – P. 341-4.

17. Takeda A., Ishiwatari S., Okada S. // Brain Res. – 1998. – V. 811, Is. 1-2. – P. 147-51.

18. Takeda A., Kodama Y., Ohnuma M., Okada S. // Brain Res. Bull. – 1998. – V. 47, Is. 1. – P. 103-6.

19. Takeda A., Sawashita J., Okada S. // Neurosci Lett. – 1998. – V. 242, Is. 1. – P. 45-8.

20. Takeda A., Sawashita J., Takefuta S., Okada S. // Biol Trace Elem Res. – 1998. – V. 61 – Is. 1. – P. 71-8.

21. Takeda A., Kodama Y., Ishiwatari S., Okada S. // Brain Res Bull. – 1998. – V. 45, Is. 2. – P. 149-52.

22. Takeda A., Sawashita J., Takefuta S., Ohnuma M.. Okada S. // J Neurosci Res. – 1999. – V. 57, Is. 3. – P. 405-10

23. Takeda A., Ishiwatari S., Okada S. // J Neurosci Res. – 1999. – V. 56, Is. 1 – P. 93-8

24. Wheller K.T.,Wierowski S.V., Ritter P. // Int. J. Radiat. Biol. – 1981. V. 40. – P. 293

Комментарии и пинги к записи запрещены.

Комментарии закрыты.

Дизайн: Polepin