Морфофункциональные изменения структур головного мозга при депривации сна

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Депривация сна широко распространена в современном обществе как следствие хронического стресса и специфики ряда гражданских и военных специальностей. Коррекция ее последствий должна учитывать фундаментальный принцип единства формы и функции, реализуемый клеточно-глиальными ансамблями анатомических образований головного мозга. В связи с этим была поставлена цель охарактеризовать микроскопические и ультрамикроскопические перестройки структур головного мозга, участвующих в регуляции цикла сон–бодрствование, при депривации сна. Изменения основных структур, обеспечивающих чередование сон–бодрствование, приобретают патологическую сущность только в условиях длительной депривации сна, связанной с угрозой жизни. Методы световой микроскопии недостаточно чувствительны для выявления сложившихся изменений, однако электронно-микроскопическое исследование позволяет выделить как специфические ультрамикроскопические перестройки, так и десинхронозы между количественными характеристиками органелл клеток нейроглиальных ансамблей, структур головного мозга, функционально объединенных в обеспечении цикла сон–бодрствование.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. Г. Никонорова

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Автор, ответственный за переписку.
Email: gniiivm_2@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. В. Криштоп

Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

Email: gniiivm_2@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

С. В. Чепур

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: gniiivm_2@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. В. Фатеев

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: gniiivm_2@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

М. А. Юдин

Государственный научно-исследовательский испытательный институт военной медицины

Email: gniiivm_2@mil.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Абушов Б.М. Влияние депривации парадоксального сна на ультраструктуру нейронов головного мозга и поведенческие реакции крыс // Анналы клин. эксп. неврол. 2011. Т. 5 (2). С. 29–32.
  2. Абушов Б.М. Структурная пластичность нейронов поля СА1 гиппокампа крыс при 96-часовой тотальной депривации сна и после ее отмены // НАУ. Биол. науки. 2015. № 5 (10). С. 110–113.
  3. Александрова Е.В., Зайцев О.С., Потапов А.А. Нейромедиаторные основы сознания и бессознательных состояний // Вопр. нейрохир. 2014. Т. 78 (1). С. 26–32.
  4. Бонь Е.И. Структурно-функциональная организация таламуса крысы // Оренбург. мед. вестн. 2019. T. 7 (3). C. 34–39.
  5. Булгакова С.В., Романчук Н.П. Половые гормоны и когнитивные функции: современные данные // Бюл. науки практ. 2020. Т. 6 (3). С. 69–95.
  6. Гаврилов Ю.В., Деревцова К.З., Корнева Е.А. Морфофункциональные изменения нейронов гипоталамуса, участвующих в регуляции цикла сон–бодрствование, после черепно-мозговой травмы в эксперименте // Мед. акад. журн. 2019. Т. 19 (3). С. 47–56.
  7. Ганчева О.В., Данукало М.В., Мельнікова О.В. Морфоденситометричні характеристики ядер нейронів блакитної плями стовбура мозку щурів при експериментальній артеріальній гіпертензії // Патологія. 2019. Т. 16 (1). С. 4–8.
  8. Дробленков А.В., Монид М.В., Бобков П.С. Асауленко З.П. Количество и локализация рецепторов к андрогенам как маркер морфофункционального статуса нейронов аркуатного ядра гипоталамуса // Вестн. Новгород. ГУ, 2017. T. 3 (101). C. 128–134.
  9. Зиматкин С.М., Кузнецова В.Б., Кравчук Р.И. Электронно-микроскопическое исследование нейронов гистаминергического ядра Е2 гипоталамуса крысы // Журн. ГГМУ. 2004. Т. 1 (5). С. 48–51.
  10. Ковальзон В.М., Долгих В.В. Регуляция цикла бодрствование–сон // Неврол. журн. 2016. T. 21 (6). С. 316–322.
  11. Ковальзон В.М., Стрыгин К.Н. Нейрохимические механизмы регуляции сна и бодрствования: роль блокаторов гистаминовых рецепторов в лечении инсомнии // Эффект. фармакотер. Неврол. психиатр. 2013. T. 12. С. 8–14.
  12. Коржевский Д.Э., Гусельникова В.В., Кирик О.В. и др. Пространственная организация внутриядерных структур дофаминергических нейронов мозга человека // Acta Naturae. 2017. Т. 9 (3). C. 85–92.
  13. Оганесян Г.А., Романова И.В., Михрина А.Л. и др. Взаимодействие дофаминергической и вазопрессинергической систем при депривации сна у крыс // Рос. физиол. журн. 2012. T. 98 (11). C. 1307–1313.
  14. Пази М.Б., Матвевнина Д.Н., Белан Д.В. Деструктивные изменения в структурах головного мозга в модели хронического недосыпания у крыс // Фундаментальная наука и клиническая медицина / Мат. XXIV междунар. мед. биол. конф. молод. исслед. “Фундаментальная наука и клиническая медицина — человек и его здоровье” (СПб., 24 апреля 2021 г.). СПб.: Сциентиа, 2021. C. 567–568.
  15. Перекрест С.В., Новикова Н.С., Корнева Е.А. Система орексин-содержащих нейронов гипоталамуса и их участие в механизмах реализации реакций мозга на антигенный стимул // Вестн. СПбГУ. Медицина. 2010. T. 3. C. 173–187.
  16. Шаинидзе К.З., Новикова Н.С., Корнева Е.А. Иммунореактивность орексин-содержащих нейронов гипоталамуса при ограничении подвижности у крыс // Вестн. СПбГУ. Медицина. 2008. T. 3. C. 145–153.
  17. Abushov B.M., Bogolepov N.N., Melikov E.M. Neuronal ultrastructural reorganization in some brain formations during paradoxical sleep deprivation // Bull. Exp. Biol. Med. 1992. V. 114 (5). P. 1702–1705.
  18. Acosta-Peña E., Camacho-Abrego I., Melgarejo-Gutiérrez M. et al. Sleep deprivation induces differential morphological changes in the hippocampus and prefrontal cortex in young and old rats // Synapse. 2015. V. 69. P. 15–25.
  19. Agostinelli L.J., Ferrari L.L., Mahoney C.E. et al. Descending projections from the basal forebrain to the orexin neurons in mice // J. Comp. Neurol. 2017. V. 525 (7). P. 1668–1684.
  20. Airaksinen M.S., Paetau A., Paljärvi L. et al. Histamine neurons in human hypothalamus: anatomy in normal and Alzheimer diseased brains // Neuroscience. 1991. T. 44. P. 465–481.
  21. Alam M.A., Kumar S., McGinty D. et al. Neuronal activity in the preoptic hypothalamus during sleep deprivation and recovery sleep // J. Neurophysiol. 2014. V. 111 (2). P. 287–299.
  22. Aton S.J., Herzog E.D. Come together, right now: synchronization of rhythms in a mammalian circadian clock // Neuron. 2005. V. 48. P. 531–534.
  23. Azmitia E.C. Serotonin neurons, neuroplasticity, and homeostasis of neural tissue // Neuropsychopharmacology. 1999. V. 21. P. 33S–45S.
  24. Azmitia E.C., Whitaker-Azmitia P.M. Development and adult plasticity serotoninergic neurons and their target cells // Serotonergic neurons and 5-HT receptors in the CNS / Eds H.G. Baumgarten, M. Göthert. Heidelberg: Springer, 1997. P. 1–39.
  25. Bellesi M. The effects of sleep loss on brain functioning // Handbook of sleep research. L.: Acad. Press, 2019. P. 545–556.
  26. Bellesi M., De Vivo L., Tononi G., Cirelli C. Effects of sleep and wake on astrocytes: clues from molecular and ultrastructural studies // BMC Biol. 2015. V. 13. P. 66.
  27. Biswas S., Mishra P., Mallick B.N. Increased apoptosis in rat brain after rapid eye movement sleep loss // Neuroscience. 2006. V. 142 (2). P. 315–331.
  28. Blandina P., Munari L., Provensi G., Passani M.B. Histamine neurons in the tuberomamillary nucleus: a whole center or distinct subpopulations? // Front. Syst. Neurosci. 2012. V. 6. P. 33.
  29. Buzsáki G., Bickford R.G., Armstrong D.M. et al. Electric activity in the neocortex of freely moving young and aged rats // Neuroscience. 1988. V. 26 (3). P. 735–744.
  30. Chan-Palay V., Asan E. Quantitation of catecholamine neurons in the locus coeruleus in human brains of normal young and older adults and in depression // J. Comp. Neurol. 1989. V. 287. P. 357–372.
  31. Chee M.W., Tan J.C. Lapsing when sleep deprived: neural activation characteristics of resistant and vulnerable individuals // Neuroimage. 2010. V. 51 (2). P. 835–843.
  32. Chen C.T., Dun S.L., Kwok E.H. et al. Orexin A-like immunoreactivity in the rat brain // Neurosci. Lett. 1999. V. 260. P. 161–164.
  33. Cirelli C., Shaw P.J., Rechtschaffen A., Tononi G. No evidence of brain cell degeneration after long-term sleep deprivation in rats // Brain Res. 1999. V. 840. P. 184–193.
  34. Cirelli C., Tononi G. Effects of sleep and waking on the synaptic ultrastructure // Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci. 2020. V. 375. P. 20190235.
  35. Deleuze C., Huguenard J.R. Distinct electrical and chemical connectivity maps in the thalamic reticular nucleus: potential roles in synchronization and sensation // J. Neurosci. 2006. V. 26. P. 8633–8645.
  36. Dell L.A., Spocter M.A., Patzke N. et al. Orexinergic bouton density is lower in the cerebral cortex of cetaceans compared to artiodactyls // J. Chem. Neuroanat. 2015. V. 68. P. 61–76.
  37. Eiland M.M., Ramanathan L., Gulyani S. et al. Increases in amino-cupric-silver staining of the supraoptic nucleus after sleep deprivation // Brain Res. 2002. V. 945. P. 1–8.
  38. Eydipour Z., Nasehi M., Vaseghi S. et al. The role of 5-HT4 serotonin receptors in the CA1 hippocampal region on memory acquisition impairment induced by total (TSD) and REM sleep deprivation (RSD) // Physiol. Behav. 2020. V. 215. P. 112788.
  39. Fields R.D. White matter in learning, cognition and psychiatric disorders // Trends Neurosci. 2008. V. 31 (7). P. 361–370.
  40. Gilliland M., Wold L., Wollman R. et al. Pathology in sleep deprived rats is not reflected in histologic abnormalities // Sleep. 1984. V. 13. P. 190.
  41. Gisabella B., Scammell T., Bandaru S.S., Saper C.B. Regulation of hippocampal dendritic spines following sleep deprivation // J. Comp. Neurol. 2020. V. 528. P. 380–388.
  42. Gómez-González B., Hurtado-Alvarado G., Esqueda-León E. et al. REM sleep loss and recovery regulates blood-brain barrier function // Curr. Neurovasc. Res. 2013. V. 10. (3). P. 197–207.
  43. Gritti I., Mainville L., Jones B.E. Projections of GABAergic and cholinergic basal forebrain and GABAergic preoptic-anterior hypothalamic neurons to the posterior lateral hypothalamus of the rat // J. Comp. Neurol. 1994. V. 339. P. 251–268.
  44. Havekes R., Park A.J., Tudor J.C. et al. Sleep deprivation causes memory deficits by negatively impacting neuronal connectivity in hippocampal area CA1 // eLife. 2016. V. 5. P. 207–278.
  45. Hipólide D.C., D’Almeida V., Raymond R. et al. Sleep deprivation does not affect indices of necrosis or apoptosis in rat brain // Int. J. Neurosci. 2002. V. 112 (2). P. 155–166.
  46. Hurtado-Alvarado G., Velázquez-Moctezuma J., Gómez-González B. Chronic sleep restriction disrupts interendothelial junctions in the hippocampus and increases blood-brain barrier permeability // J. Microsc. 2017. V. 268. P. 28–38.
  47. Ikeda M., Hojo Y., Komatsuzaki Y. et al. Hippocampal spine changes across the sleep-wake cycle: corticosterone and kinases // J. Endocrinol. 2015. V. 226. P. M13–M27.
  48. Kaplan and Sadock’s comprehensive textbook of psychiatry / Eds B.J. Sadock, V.A. Sadock, P. Ruiz. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2017. 4621 p.
  49. Krout K.E., Belzer R.E., Loewy A.D. Brainstem projections to midline and intralaminar thalamic nuclei of the rat // J. Comp. Neurol. 2002. V. 448 (1). P. 53–101.
  50. Lewis L.D., Voigts J., Flores F.J. et al. Thalamic reticular nucleus induces fast and local modulation of arousal state // eLife. 2015. V. 4. P. e08760.
  51. Lin J.S. Brain structures and mechanisms involved in the control of cortical activation and wakefulness, with emphasis on the posterior hypothalamus and histaminergic neurons // Sleep Med. Rev. 2000. V. 4 (5). P. 471–503.
  52. Lindvall O., Björklund A. The organization of the ascending catecholamine neuron systems in the rat brain as revealed by the glyoxylic acid fluorescence method // Acta Physiol. Scand. Suppl. 1974. V. 412. P. 1–48.
  53. Lu Z., Hu Y., Wang Y. et al. Topological reorganizations of mitochondria isolated from rat brain after 72 hours of paradoxical sleep deprivation, revealed by electron cryo-tomography // Am. J. Physiol. Cell Physiol. 2021. V. 321 (1). P. C17–C25.
  54. Luyster F.S., Strollo P.J.Jr., Zee P.C. et al. Sleep: a health imperative // Sleep. 2012. V. 35 (6). P. 727–734.
  55. Ma N., Dinges D.F., Basner M., Rao H. How acute total sleep loss affects the attending brain: a meta-analysis of neuroimaging studies // Sleep. 2015. V. 38 (2). P. 233–240.
  56. McKenna J.T., Yang C., Franciosi S. et al. Distribution and intrinsic membrane properties of basal forebrain GABAergic and parvalbumin neurons in the mouse // J. Comp. Neurol. 2013. V. 521 (6). P. 1225–1250.
  57. Melchitzky D.S., Lewis D.A. Functional neuroanatomy. Ch. 1.2 // Kaplan and Sadock’s comprehensive textbook of psychiatry / Eds B.J. Sadock, V.A. Sadock, P. Ruiz. Philadelphia: Wolters Kluwer, 2017. P. 121–200.
  58. Mesgar S., Aghae A.A., Jame’ei S.B. et al. The effects of exogenous melatonin on morphological changes in locus ceruleus nucleus characterized by REM sleep deprivation // J. Otorhinolaryngol. Fac. Plast. Surg. 2017. V. 3. P. e6.
  59. Michelsen K., Panula P. Subcellular distribution of histamine in mouse brain neurons // Inflamm. Res. 2002. V. 51. P. 46–48.
  60. Neurochemistry of consciousness / Eds E. Perry, H. Ashton, A. Young. Amsterdam: John Benjamins Publ. Comp., 2002. P. 123–131.
  61. Neurotransmitters, drugs and brain functions / Ed. R.A. Webster. N.Y.: John Wiley, Ltd, 2001. 544 p.
  62. Nuutinen S., Panula P. Histamine in neurotransmission and brain diseases // Adv. Exp. Med. Biol. 2010. V. 709. P. 95–107.
  63. Obukuro K., Nobunaga M., Takigawa M. et al. Nitric oxide mediates selective degeneration of hypothalamic orexin neurons through dysfunction of protein disulfide isomerase // J. Neurosci. 2013. V. 33. P. 12557–12568.
  64. Panula P., Nuutinen S. The histaminergic network in the brain: basic organization and role in disease // Nat. Rev. Neurosci. 2013. V. 14 (7). P. 472–487.
  65. Parhizkar S., Gent G., Chen Y. et al. Sleep deprivation exacerbates microglial reactivity and Aβ deposition in a TREM2-dependent manner in mice // Sci. Transl. Med. 2023. V. 15 (693). P. eade6285.
  66. Passani M.B., Giannoni P., Bucherelli C. et al. Histamine in the brain: beyond sleep and memory // Biochem. Pharmacol. 2007. V. 73 (8). P. 1113–1122.
  67. Patt S., Gerhard L. A Golgi study of human locus coeruleus in normal brains and in Parkinson’s disease // Neuropathol. Appl. Neurobiol. 1993. V. 19. P. 519–523.
  68. Pinault D. The thalamic reticular nucleus: structure, function and concept // Brain Res. Rev. 2004. V. 46. P. 1–31.
  69. Qian S., Wang Y., Zhang X. Inhibiting histamine signaling ameliorates vertigo induced by sleep deprivation // J. Mol. Neurosci. 2019. V. 67. P. 411–417.
  70. Schiff N.D. Central thalamic contributions to arousal regulation and neurological disorders of consciousness // Ann. NY Acad. Sci. 2008. T. 1129. P. 105–118.
  71. Spano G.M., Banningh S.W., Marshall W. et al. Sleep deprivation by exposure to novel objects increases synapse density and axon-spine interface in the hippocampal CA1 region of adolescent mice // J. Neurosci. 2019. V. 39 (34). P. 6613–6625.
  72. Spreafico R., Battaglia G., Frassoni C. The reticular thalamic nucleus (RTN) of the rat: cytoarchitectural, Golgi, immunocytochemical, and horseradish peroxidase study // J. Comp. Neurol. 1991. V. 304. P. 478–490.
  73. Trošt Bobić T., Šečić A., Zavoreo I. et al. The impact of sleep deprivation on the brain // Acta Clin. Croat. 2016. V. 55 (3). P. 469–473. https://doi.org/10.20471/acc.2016.55.03.17
  74. Vertes R.P., Linley S.B., Rojas A.K.P. Structural and functional organization of the midline and intralaminar nuclei of the thalamus // Front. Behav. Neurosci. 2022. V. 16. P. 964644.
  75. Viena T.D., Vertes R.P., Linley S.B. Discharge characteristics of neurons of nucleus reuniens across sleep-wake states in the behaving rat // Behav. Brain Res. 2021. V. 410. P. 113325.
  76. Wadhwa M., Chauhan G., Roy K. et al. Caffeine and modafinil ameliorate the neuroinflammation and anxious behavior in rats during sleep deprivation by inhibiting the microglia activation // Front. Cell. Neurosci. 2018. V. 12. P. 49.
  77. Williams V.M., Bhagwandin A., Swiegers J. et al. Nuclear organization of orexinergic neurons in the hypothalamus of a lar gibbon and a chimpanzee // Anat. Rec. (Hoboken). 2022. V. 305 (6). P. 1459–1475.
  78. Wong L.W., Tann J.Y., Ibanez C.F., Sajikumar S. The p75 neurotrophin receptor is an essential mediator of impairments in hippocampal-dependent associative plasticity and memory induced by sleep deprivation // J. Neurosci. 2019. V. 39. P. 5452–5465.
  79. Wu H., Williams J., Nathans J. Complete morphologies of basal forebrain cholinergic neurons in the mouse // eLife. 2014. V. 3. P. e02444.
  80. Xie L., Kang H., Xu Q. et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain // Science. 2013. V. 342. P. 373–377.
  81. Xie G., Huang X., Li H. et al. Caffeine-related effects on cognitive performance: roles of apoptosis in rat hippocampus following sleep deprivation // Biochem. Biophys. Res. Commun. 2021. V. 534. P. 632–638.
  82. Yu X., Zecharia A., Zhang Z. et al. Circadian factor BMAL1 in histaminergic neurons regulates sleep architecture // Curr. Biol. 2014. V. 24 (23). С. 2838–2844.
  83. Zant J.C., Rozov S., Wigren H.K. et al. Histamine release in the basal forebrain mediates cortical activation through cholinergic neurons // J. Neurosci. 2012. V. 32. P. 13244–13254.
  84. Zhao H., Wu H., He J. et al. Frontal cortical mitochondrial dysfunction and mitochondria-related β-amyloid accumulation by chronic sleep restriction in mice // Neuroreport. 2016. V. 27 (12). P. 916–922.
  85. Zhu Y., Fenik P., Zhan G. et al. Intermittent short sleep results in lasting sleep wake disturbances and degeneration of locus coeruleus and orexinergic neurons // Sleep. 2016. V. 39 (8). P. 1601–1611.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024