Цель: изучить влияние ионизирующего излучения на структурно-функциональную организацию старой и древней коры головного мозга. Методы. Эксперимент проводился на 168 белых беспородных крысах-самцах в возрасте 2,5–3 месяцев. Животных облучали γ-квантами 60Со в дозе 87,5 Гр. Крыс выводили из эксперимента декапитацией через 3, 10, 35, 60, 150, 300 и 600 мин после воздействия облучения. Для каждой опытной подгруппы имелся адекватный контроль. Мозг животных обрабатывался по стандартной гистологической методике. На парафиновых срезах, окрашенных гематоксилином Караци–эозином и толуидиновым синим, в цитоархитектонических полях СА1 и СА3 гиппокампа и пириформной зоне подсчитывали соотношение различных форм морфологической изменчивости нервных клеток, проводили морфометрическую оценку нейронов. Результаты. Установлено процентное соотношение и проведен морфофункциональный анализ различных форм морфологической изменчивости нервных клеток в цитоархитектонических полях гиппокампа и пириформной зоны коры головного мозга после воздействия облучения. Заключение. Реакция нейроцитов гиппокампа на облучение включает три стадии: начальных, умеренных деструктивных и выраженных деструктивных изменений. Ионизирующее излучение в дозе 87,5 Гр вызывает в гиппокампе и пириформной коре глубокие дистрофически-некротические изменения, нарастающие к концу срока наблюдения.
В.Н. Ильичева – ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н. Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, доцент, доцент, кандидат медицинских наук; Д.А. Соколов – ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, доцент, кандидат медицинских наук; И.Б. Ушаков – ФГБНУ ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, директор, академик РАН, профессор, доктор медицинских наук; А.С. Штемберг – ФГБНУ ГНЦ РФ Институт медико-биологических проблем РАН, отдел экспериментальной биологии и медицины, заведующий, доктор биологических наук; В В. Минасян – ГБОУ ВПО Воронежская государственная медицинская академия им. Н. Н. Бурденко Минздрава России, кафедра нормальной анатомии человека, ассистент.
В настоящее время в связи с развитием ядерной энергетики и использованием источников ионизирующего излучения в различных отраслях научной и производственной деятельности человека возрастает риск возникновения внештатных чрезвычайных ситуаций, при которых сотрудники радиационных объектов и население прилежащих территорий могут подвергаться облучению в различном диапазоне доз [5]. Это обстоятельство обусловливает актуальность изучения влияния ионизирующей радиации на различные отделы центральной нервной системы.
Анализ литературных источников показал, что архи- и палеокортикальные формации мозга являются наименее изученными в отношении острых радиационных воздействий. Среди структур старой коры головного мозга особый интерес представляет гиппокамп, отвечающий за механизмы памяти, внимания, ориентировочного рефлекса, временнóго обеспечения высшей нервной деятельности [2-4]. Не менее важной структурой, принадлежащей древней коре больших полушарий, является пириформная зона, участвующая в реализации процессов обоняния, эмоциональной сфере, формировании некоторых целенаправленных двигательных реакций.
изучить влияние ионизирующего излучения на структурно-функциональную организацию старой и древней коры головного мозга.
Эксперимент проводился на 168 половозрелых белых беспородных крысах-самцах массой 180–200 г, в возрасте 2,5–3 месяцев. Для эксперимента было сформировано две группы животных. Крыс первой группы помещали в специальную камеру из оргстекла и облучали γ-квантами 60Со (1,25 МэВ) на установке «Хизотрон» (Чехия) в кранио-каудальном направлении. Доза облучения составила 87,5 Гр; мощность дозы – 0,86 Гр/мин. Дозиметрический контроль облучения осуществлялся клиническим дозиметром 27012, стержневая камера которого располагалась в поле облучения. Группу радиационного контроля составляли животные, которые помещались в камеру для облучения, однако излучающую установку не включали. Животные контрольных и опытных групп были одного возраста, пола, содержались в обычном виварном режиме. Крыс выводили из эксперимента декапитацией через 3, 10, 35, 60, 150, 300 и 600 мин после воздействия облучения.
Материалом для изучения служили фронтальные срезы полушарий большого мозга. Объектом исследования явились цитоархитектонические поля СА1 и СА3 гиппокампа и пириформная зона древней коры.
Выбор участков мозга для изучения осуществлялся при помощи цитоархитектонических карт [8]. При уходе за животными и проведении экспериментов руководствовались базисными нормативными документами: рекомендациями комитета по экспериментальной работе с использованием животных при МЗ РФ, рекомендациями ВОЗ, рекомендациями Европейской конвенции по защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных и других целей [7].
Для проведения морфологических исследований кусочки мозга фиксировали в 10%-ном растворе нейтрального формалина. Парафиновые срезы толщиной 6 мкм окрашивали гематоксилином Караци – эозином и толуидиновым синим по Нисслю. С целью выявления морфологических изменений, происходящих в нейронах при действии изучаемых факторов, проводили визуальную оценку характера распределения базофильного вещества в их цитоплазме. Производили подсчет нервных клеток с различными типовыми формами морфологической изменчивости, которые выделяли в соответствии с классификацией [6], согласно которой в нейроцитах различных отделов головного мозга при действии антропогенных факторов различной природы возникают неспецифические типовые морфологические формы пограничной, альтеративной (деструктивной) и адаптационной (компенсаторно-приспособительной) изменчивости. Морфометрическое исследование заключалось в определении объема тел нейроцитов, их ядер и ядрышек в мкм3, используя формулу V=1/6παβ2 для структур, аппроксимируемых с эллипсоидом вращения и V=1/48π(αβ) для образований сфероидальной формы, где α – больший, β – меньший диаметры [1]. По данным величины объемов рассчитывали ядерно-цитоплазматические (ЯЦИ) и ядрышко-ядерные (ЯЯИ) индексы. Результаты исследования обрабатывались статистически.
Анализируя эффект воздействия ионизирующего излучения на нейроциты полей СА1 и СА3 гиппокампа, были условно выделены три стадии наблюдаемых изменений.
Первая стадия начальных изменений соответствует 3-й мин. наблюдения и характеризуется быстрым развитием ответной реакции на острое лучевое воздействие. Наблюдается перераспределение содержания различных типов нервных клеток. Количество нормохромных (НХ) нейроцитов снижается до 33,4 и 36,1% в полях СА1 и СА3 соответственно. Одновременно наблюдается увеличение содержания гипохромных (ГО) нейронов в поле СА1 до 29,6; в поле СА3 – до 28,2%. Содержание гиперхромных (ГР) нервных клеток в поле СА1 возрастает до 14,1%, в поле СА3 их численность снижается до 13,3%. Количество пикноморфных (ПМ) нейроцитов и клеток-теней (КТ) в изучаемых отделах гиппокампа умеренно увеличивается. Их содержание в поле СА1 6,3 и 16,6% соответственно; в поле СА3 – 4,7 и 17,7% соответственно. На данном этапе наблюдений в поле СА1 НХ нервные клетки реагировали на γ-облучение увеличением объемов тела и ядра. Объем ядрышка уменьшался. В поле СА3 объем тела НХ нейроцитов несколько уменьшался, в то время как аналогичный показатель ядра и ядрышка возрастал. ГО нервные клетки поля СА1 реагировали резким увеличением объемов тела и ядра и уменьшением объема ядрышка с соответствующими их динамике ЯЦИ и ЯЯИ. В поле СА3 тело и ядро ГО нейроцитов уменьшались в объеме. Значение ЯЦИ в указанный срок возрастало. Объем ядрышка ГО нейронов и значение ЯЯИ увеличивались. ГР нервные клетки полей СА1 и СА3 реагировали уменьшением объемов тела и ядра; ЯЦИ возрастал. Таким образом, уменьшение объема нервных клеток происходило в большей степени за счет цитоплазмы. Объем ядрышка в клетках поля СА1 уменьшался вместе со значением ЯЯИ; противоположные изменения наблюдались в поле СА3.
Вторая стадия умеренных деструктивных изменений – протекает с 10-й по 60-ю мин. эксперимента. В этот период в поле СА1 уменьшается содержание НХ и ГО нейроцитов и КТ, за счет увеличения ГР и ПМ нервных клеток. В поле СА3 отмечается увеличение количества НХ, ГР и ПМ нейроцитов за счет относительного снижения численности ГО нейроцитов и КТ. В нейроцитах нарастают явления хроматолиза, наблюдается микровакуолизация цитоплазмы. В некоторых клетках отмечается смещение ядра к периферии. Кроме того, наблюдаются некротически измененные нейроциты, вокруг которых обнаруживаются клетки микроглии. Изменения объемов тела, ядра и ядрышка нейроцитов изучаемых отделов гиппокампа в указанные сроки носили фазный характер. Уменьшение их показателей чередовалось с увеличением изучаемых параметров. Отмечались общие черты реагирования нервных клеток полей СА1 и СА3 гиппокампа. Так к 10-й мин. после γ-облучения наблюдалось уменьшение объема тела всех типов клеток, причем значения ЯЦИ в эти сроки в основном возрастали, что свидетельствует об уменьшении объема нервных клеток преимущественно за счет уменьшения их цитоплазмы. К 35-й мин. было отмечено уменьшение объема ядер всех типов клеток. Таким образом, к 35-й мин. наблюдения нейроциты гиппокампа испытывали снижение функциональной активности. К 60-й мин. в поле СА1 за исключением ГО клеток объемы тела, ядра и ядрышка НХ и ГР нейронов незначительно увеличивались (р>0,05), но не достигали контрольных значений. Такие тенденции в динамике изменений параметров клетки можно интерпретировать как умеренное повышение функциональной активности.
Третья стадия выраженных некротических изменений длится со 150-й по 600-ю мин. пострадиационного периода. На протяжении указанных сроков в изучаемых отделах гиппокампа наблюдается уменьшение содержания НХ нейроцитов. К 600-й мин. их количество соответствует 20,3 и 23,8% в полях СА1 и СА3 соответственно. В то же время количество ГО нейронов в поле СА1 возрастает до 28,7; в поле СА3 – до 29,8%. Увеличивается количество дистрофически и некротически измененных нервных клеток, преимущественно за счет гипохромных форм. Дистрофические изменения проявляются по типу гипохромной нейронодистрофии и характеризуются наличием нейроцитов с крупноочаговым, субтотальным или тотальным хроматолизом, вакуолизацией цитоплазмы и ядра, смещением ядра и ядрышка к периферии. В поле СА1 изменение содержания ГР, ПМ нервных клеток и КТ носит фазный характер. Максимальное количество ГР и ПМ клеток регистрируется на 300-й мин. и составляет 17,0 и 15,8% соответственно. В поле СА3 содержание ГР нервных клеток на данном этапе ниже по сравнению с предыдущими сроками наблюдения. Значение их численности убывает до 14,1%. Максимальное количество ПМ клеток (10,2%) устанавливается к 300-й мин. Наряду с ПМ нейроцитами некротические изменения нейронов в большей мере представлены КТ, соответствующими стадии колликвационного нейрононекроза. Их количество к 600-й мин. в поле СА1 составляет 23,6%; в поле СА3 – 24,1%. В результате глубоких некротических изменений, развивающихся при действии γ-облучения, нарушается слоистая структура гиппокампа. В поле СА1 в указанные сроки исследования наблюдались сходные фазные изменения объемов тела и ядра НХ и ГО нейронов с увеличением их показателей на 150- и 600-й мин. и уменьшением на 300-й мин. эксперимента. Объем ядрышек в этих клетках уменьшался через 150-й мин. после облучения и увеличивался к 600-й мин. пострадиационного периода. Изменения объема ядрышек и значений ЯЯИ были однотипными. Со 150-й по 300-ю мин. наблюдения изменения объемов тела, ядра и ядрышка ГР нейроцитов носили разнонаправленный характер. К 600-й мин. эксперимента их параметры увеличивались. В поле СА3 объем тела НХ клеток уменьшался к 150-й мин. наблюдения, а к 300- и 600-й мин. – возрастал. Объем ядрышка таких клеток возрастал только к концу сроков наблюдения. Динамика изменений ЯЦИ и ЯЯИ соответствовала наблюдаемым изменениями ядра и ядрышка. Изменения объемов ГО нейронов характеризовались снижением объемов тела и ядра со 150-й по 300-ю мин. наблюдения и последующим их увеличением к 600-й мин. эксперимента. Значения ЯЦИ менялись в соответствии с изменениями объема ядра на 300 и 600-й мин. пострадиационного периода. Объем ядрышка, а также значения ЯЯИ после уменьшения к 150-й мин. исследования увеличивались с 300-й по 600-ю мин. эксперимента. Изменение объемов тела, ядра и ядрышка у ГР клеток было однотипным. Со 150-й по 300-ю мин. наблюдения величина изучаемых показателей уменьшалась, а к 600-й мин. их значения возрастали. Показатель ЯЦИ увеличивался только к концу сроков наблюдения. ЯЯИ менялся в соответствии с динамикой изменений объема ядрышка. Наблюдаемое к 600-й мин. увеличение значений объемов тела, ядра и ядрышка ГР нейроцитов в поле СА3 выше контрольного уровня может быть интерпретировано как начальное проявление регенерационной гипертрофии.
При гамма-облучении кpыс в дозе 87,5 Гр в дpевней коре головного мозга в различные сроки пострадиационного периода наблюдались фазные изменения в соотношении различных клеточных форм нейроцитов, объема их тела, ядра и ядрышка по сравнению c параметрами биологичeского контроля.
Изменение содержания НХ и ГР нервных клеток с одной стороны, и ПМ и КТ, – c другой, носило разнонаправленный характер. Количество Нх и ГР, уменьшаясь через 3 мин после облучения в 2,1 и 1,27 раза до 25,0 и 15,0% соответственно не измeнялось до 35-й минуты наблюдения. После заметного уменьшения через 1 ч от начала эксперимента до 14,0 % число НХ нейроцитов относительно возрастало спустя 150 мин до уровня, предшествовавшего его снижению (28,0%), и оставалось до конца срока исследования (600 мин) пониженным (25,0 %) по сравнению c контролем. Количество ГР клeточных форм заметно снижалось через 10 и 150 мин после облучения до 8,0 и 10,0% соответственно и, спустя 600 мин достигало исходного уровня. Содержание ГО нейроцитов было увеличено на прoтяжeнии всех сроков исследования. При этом периоды повышения их численности, наблюдавшиеся через 3 мин (30,0%), 35 мин (36,0%) и 300 мин (34,0%) чередовались c периодами относительного уменьшения их количества через 10 мин (17,0%), 150 мин (20,0%) и 600 мин (27,0%)после действия фактора. Число ПМ нейроцитов существенно повышалось на 10-й мин (23,0%), а также через 60 мин (16,0%), 150 мин (15,0%) и 600 мин (14,0%) наблюдения; в остальные сроки их количество было пониженным, и колебалось в незначительных пределах от 10,0% (10 мин) – 12,0% (35 мин) до 5,0% (к 5 ч). Содержание клеток-теней достоверно повышалось на 10-й мин (23,0%), а также в период от 60 до 300 мин и колебалось в интервале 26,0–31,0%.
Периодическое повышение объемов тела, ядра и ядрышка НХ и ГР клеток на 3, и 300-й мин с последующим понижением их значения через 10, 35 и 150 мин наблюдения не сопровождалось существенным изменением ЯЯИ индекса в названные сроки в связи с относительно синхронными изменениями их размеров. B то же время более значительное увеличение объема ядра по сравнению е величиной тела клетки приводило к возрастанию в НХ нейроцитах ЯЦИ на 10-й и 35-й мин до 2,0.
Аналогичные фазные изменения объема тела, ядра и ядрышка, ЯЦИ и ЯЯИ наблюдались в ГО нейроцитах. Однако на протяжении большей части пострадиационного периода (в течение 5 ч наблюдения), циклические изменения объема тела ГО клеток были выражены в меньшей степени. B связи с относительно большим увеличением объема ядра, чем размера клетки, на 10-й мин пpоисходилo возрастание ЯЦИ до 2,0 и 1,9 соответственно. К концу периода наблюдения размеры тела, ядра, ядрышка, к также ЯЦИ и ЯЯИ в НО и ГР нервных клетках приближались в большинстве случаев к значениям биологического контроля.
Светооптически в ранние сроки наблюдения (3–10-я мин) среди нейроцитов преобладали реактивные изменения, сопровождавшиеся очаговым и перинуклеарным хроматолизом, замeтным набуханием тела, ядpа и ядрышка на 3-й мин. B более поздние сроки после облучения (10-150-я мин) увеличивалось количество нервных клеток с деструктивными изменениями по типу гидропической дистрофии. К концу срока наблюдения существенно возрастал объем альтеративных изменений по типу колликвационного и коагyляционного некроза, o чем свидетельствует увеличение содержания клеток-теней и пикноморфных нейроцитов. Компенсаторно-приспособнтельные изменeния проявлялись в увеличении многоядрышковых НХ и ГР нейроцитов c реактивными изменениями. У 27,0% нервных клeток в поздние сроки после облучения деструктивные изменения не обнаруживались, что свидетельствует o высокой устойчивости их к ионизирующему излучению.
Таким образом, гамма-облучение приводит к выраженным циклическим морфофункциональным изменениям нейроцитов древней коры головного мозга. Характер изменения в соотношении нервных клеток различного типa свидетельствует о снижении функционального потенциала палеокортекса за счет уменьшения количества НХ и ГР клеток, а также возрастания количества ГО форм. Развитие деструктивных процессов подтверждается увеличением числа клеток c явлениями гидропической дистрофии и находящихся на стадии некротических изменений ПМ нейроцитов и КТ.
Наблюдающееся в пострадиационном периоде фазное увеличение объема тела, ядра и ядрышка нервных клеток свидетельствует о периодическом возрастании внутриклеточного осмотического градиента, возникающего в результате ионизации биомолекул под влиянием ионизирующего излучения, что приводит к гидратации гнало- и нуклеоплазмы.
Таким образом, нами установлено, что в результате воздействия ионизирующего излучения в дозе 87,5 Гр в нейроцитах гиппокампа и пириформной коры головного мозга развивается комплекс неспецифических морфофункциональных изменений, которые заключаются в перераспределении соотношения различных форм морфологической изменчивости нервных клеток, фазном изменении объемов тела, ядра и ядрышка нейроцитов; характер и степень выраженности изменений зависит от интенсивности действующего фактора и времени после прекращения его воздействия. Реакция нейроцитов гиппокампа на облучение включает три стадии: начальных, умеренных деструктивных и выраженных деструктивных изменений. Под влиянием изученных факторов увеличивается содержание нервных клеток с пограничными изменениями по гипохромному типу, а также нейроцитов с альтеративными изменениями, соответствующими коагуляционному и колликвационному нейрононекрозам. Ионизирующее излучение в дозе 87,5 Гр вызывает в пострадиационном периоде глубокие дистрофически-некротические изменения, нарастающие к концу срока наблюдения.