Ультраструктура нейрон-глиального взимодействия в норме и экспериментальной патологии
- Авторы: Шишкова Е.А.1, Рогачевский В.В.1
-
Учреждения:
- Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 558-561
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://bakhtiniada.ru/2313-1829/article/view/256270
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623305
- ID: 256270
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Наработан многолетний опыт анализа синапсов и их глиального окружения в норме, в природных и экспериментальных моделях функциональной пластичности и развития патологии мозга. Однако большинство таких работ проводят электрофизиологическими методами в сочетании с флуоресцентным имиджингом, тогда как тонкая структура синапсов и окружающих их астроцитарных отростков неразрешимы методами световой и даже отдельными методами электронной микроскопии. Ввиду своей трудоёмкости исследования экспериментальной патологии мозга методами объёмной электронной микроскопии [1] до недавнего времени были сильно ограничены. Внедрение автоматизированных методов подготовки образцов и их анализа на основе машинного зрения и искусственного интеллекта значительно облегчает эту задачу.
В данном исследовании методами просвечивающей электронной микроскопии и 3D-реконструкций в Str. radiatum СА1 области гиппокампа крыс в хронической литий-пилокарпиновой модели эпилепсии показано снижение числа синапсов с увеличением их размеров наряду со снижением астроцитарной изоляции активных зон. Сочетание таких факторов, как снижение плотности глиальной изоляции увеличенных активных зон и, как следствие, облегчение диффузии нейротрансмиттера к активным синапсам может оказывать мультипликативный эффект на развитие эпилептиформной активности и эксайтотоксичности.
Это «упрощение» астроцитарной сети при эпилепсии сходно с таковым в 2/3 слое соматосенсорной коры мозга, по сравнению со слоем 1. При этом известно, что пирамидные нейроны слоя 2/3 потенциально способны к эпилептиформной активности при снижении тормозного влияния слоя 1, что позволяет использовать структурно-функциональные особенности верхних слоев коры в качестве природной клеточной модели развития эпилепсии.
Снижение Ca2+-событий в отростках астроцитов в литий-пилокарпиновой модели эпилепсии может быть связано с низкой буферной ёмкостью ионов Ca2+ гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и/или с нарушением передачи волны Ca2+ посредством щелевых контактов между астроцитарными отростками. Для анализа щелевых контактов необходимо высокое разрешение, а для визуализации цистерн гладкого ЭПР в перисинаптических отростках астроцитов — специальные методы его выявления.
Мы разработали оригинальные методы окраски гладкого эндоплазматического ретикулума [2], что позволило количественно оценить щелевые контакты и цистерны ЭПР в астроцитарных сетях в 1 и 2/3 слоях соматосенсорной коры. Площадь щелевых контактов в пересчёте на объём астроцита в слое 1 в 2 раза превышала значения в слое 2/3. Зеркальные отношения были получены для объёма гладкого ЭПР: в слое 2/3 суммарный объём цистерн ретикулума в пересчёте на объём астроцитарных отростков в ткани в 2 раза превышал значения в слое 1 [3]. При этом в эпилепсии мы наблюдаем двукратное увеличение площади отдельного астроцитарного щелевого контакта на фоне снижения кальциевых событий.
Полученные результаты позволяют предполагать существование в норме баланса между буфером ионов Ca2+ (гладким ЭПР) и щелевыми контактами, нарушение которого могло бы способствовать развитию судорожных состояний.
Полный текст
Наработан многолетний опыт анализа синапсов и их глиального окружения в норме, в природных и экспериментальных моделях функциональной пластичности и развития патологии мозга. Однако большинство таких работ проводят электрофизиологическими методами в сочетании с флуоресцентным имиджингом, тогда как тонкая структура синапсов и окружающих их астроцитарных отростков неразрешимы методами световой и даже отдельными методами электронной микроскопии. Ввиду своей трудоёмкости исследования экспериментальной патологии мозга методами объёмной электронной микроскопии [1] до недавнего времени были сильно ограничены. Внедрение автоматизированных методов подготовки образцов и их анализа на основе машинного зрения и искусственного интеллекта значительно облегчает эту задачу.
В данном исследовании методами просвечивающей электронной микроскопии и 3D-реконструкций в Str. radiatum СА1 области гиппокампа крыс в хронической литий-пилокарпиновой модели эпилепсии показано снижение числа синапсов с увеличением их размеров наряду со снижением астроцитарной изоляции активных зон. Сочетание таких факторов, как снижение плотности глиальной изоляции увеличенных активных зон и, как следствие, облегчение диффузии нейротрансмиттера к активным синапсам может оказывать мультипликативный эффект на развитие эпилептиформной активности и эксайтотоксичности.
Это «упрощение» астроцитарной сети при эпилепсии сходно с таковым в 2/3 слое соматосенсорной коры мозга, по сравнению со слоем 1. При этом известно, что пирамидные нейроны слоя 2/3 потенциально способны к эпилептиформной активности при снижении тормозного влияния слоя 1, что позволяет использовать структурно-функциональные особенности верхних слоев коры в качестве природной клеточной модели развития эпилепсии.
Снижение Ca2+-событий в отростках астроцитов в литий-пилокарпиновой модели эпилепсии может быть связано с низкой буферной ёмкостью ионов Ca2+ гладкого эндоплазматического ретикулума (ЭПР) и/или с нарушением передачи волны Ca2+ посредством щелевых контактов между астроцитарными отростками. Для анализа щелевых контактов необходимо высокое разрешение, а для визуализации цистерн гладкого ЭПР в перисинаптических отростках астроцитов — специальные методы его выявления.
Мы разработали оригинальные методы окраски гладкого эндоплазматического ретикулума [2], что позволило количественно оценить щелевые контакты и цистерны ЭПР в астроцитарных сетях в 1 и 2/3 слоях соматосенсорной коры. Площадь щелевых контактов в пересчёте на объём астроцита в слое 1 в 2 раза превышала значения в слое 2/3. Зеркальные отношения были получены для объёма гладкого ЭПР: в слое 2/3 суммарный объём цистерн ретикулума в пересчёте на объём астроцитарных отростков в ткани в 2 раза превышал значения в слое 1 [3]. При этом в эпилепсии мы наблюдаем двукратное увеличение площади отдельного астроцитарного щелевого контакта на фоне снижения кальциевых событий.
Полученные результаты позволяют предполагать существование в норме баланса между буфером ионов Ca2+ (гладким ЭПР) и щелевыми контактами, нарушение которого могло бы способствовать развитию судорожных состояний.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-34-90068.
Об авторах
Е. А. Шишкова
Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
Автор, ответственный за переписку.
Email: shishkova@neuro.nnov.ru
Россия, Пущино
В. В. Рогачевский
Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
Email: shishkova@neuro.nnov.ru
Россия, Пущино
Список литературы
- Peddie C., Genoud C., Kreshuk A., et al. Volume electron microscopy// Nature Reviews Methods Primers. 2022. Vol. 2. P. 51. doi: 10.1038/s43586-022-00131-9
- Shishkova E., Kraev I., Rogachevsky V. Evaluation of Oolong Tea Extract Staining of Brain Tissue with Special Reference to Smooth Endoplasmic Reticulum // Biophysics. 2022. Vol. 67. P. 752–760. doi: 10.1134/S0006350922050177
- Шишкова Е.А., Рогачевский В.В. Два субкомпартмента гладкого эндоплазматического ретикулума в перисинаптических отростках астроцитов: Ультраструктура и распределение в синапсах гиппокампа и неокортекса // Биофизика. 2023. Т. 68, № 2. С. 320–333. doi: 10.31857/S0006302923020126
Дополнительные файлы
