Jump to content

Аноксическая деполяризация головного мозга

Аноксическая деполяризация — это прогрессирующая и неконтролируемая деполяризация нейронов , во время инсульта или ишемии головного мозга при которой происходит недостаточное кровоснабжение мозга . [1] Аноксическая деполяризация индуцируется потерей проницаемости селективной мембраны нейронов и градиентами ионов через мембрану, которые необходимы для поддержания активности нейронов. В норме насос Na+/K+-АТФаза поддерживает трансмембранный градиент K. + и На + ионы, но при аноксической травме головного мозга запас энергии для привода этого насоса теряется. [2] Признаками аноксической деполяризации являются повышенные концентрации внеклеточного К. + ионы, внутриклеточный Na + и Ca 2+ ионы, а также внеклеточный глутамат и аспартат . мозга Глутамат и аспартат обычно присутствуют в качестве основных возбуждающих нейромедиаторов , но высокие концентрации активируют ряд нижестоящих апоптотических и некротических путей . Это приводит к дисфункции нейронов и смерти мозга . [3]

Нейронный сигнал при нормальном поглощении кислорода

[ редактировать ]
Потенциал действия нерва

Нейроны функционируют в центральной нервной системе, генерируя сигналы из синапсов , и это работает только в соответствующей химической среде. [4] Электрический сигнал передается через натриевые каналы и вытекающие калиевые каналы , в которых внутриклеточный К + концентрация ионов выше, чем соответствующая внеклеточная концентрация, тогда как внеклеточные концентрации Na + , Как 2+ и Cl ионы превышают соответствующие внутриклеточные концентрации. Такое неравномерное распределение ионов поддерживается Na + + АТФазный насос, активно перекачивающий Na. + выход и К + в клетку в соотношении 3:2 на использованную АТФ . нейрона Мембранный потенциал покоя составляет -70 мВ из-за негерметичных калиевых каналов. [5] Поскольку нейрон деполяризуется из-за Na + При притоке ионов через натриевые каналы мембрана достигает порогового потенциала , а затем запускает «все или ничего» потенциал действия , который либо распространяется вниз по аксону , либо переходит к другим нейронам через несколько щелевых соединений , которые их связывают. [4]

Иллюстрация синапса

Химический сигнал ( синаптическая передача ) начинается с потенциала действия, который распространяется вниз по аксону так называемого пресинаптического терминала и запускает Ca. 2+ приток, который заставляет синаптические пузырьки сливаться и высвобождать нейротрансмиттеры посредством экзоцитоза в синаптическую щель . [5] [6] Высвобожденные нейротрансмиттеры затем связывают свои специфические нейрорецепторы на постсинаптической мембране или активируют их специфические лиганд-управляемые ионные каналы , запуская потенциал действия, который может быть либо возбуждающим , либо тормозящим , в зависимости от природы лиганд-управляемого ионного канала. Нейромедиаторы удаляются из синаптической щели либо путем ферментативной деградации, либо путем повторного захвата тем же пресинаптическим нейроном посредством эндоцитоза или специфических переносчиков нейромедиаторов . [4]

Мозговой энергетический кризис

[ редактировать ]

Начало инсульта

[ редактировать ]

В течение нескольких секунд после начала инсульта мозг реагирует переходом в состояние метаболической депрессии , при котором потребление энергии снижается, чтобы компенсировать снижение производства энергии. Метаболическая депрессия возникает в результате подавления синаптической передачи и гиперполяризации .

Подавление синаптической передачи происходит потому, что пресинаптический импульс временно не вызывает высвобождения нейромедиаторов, что в сочетании с измененной ионной проводимостью и изменением постсинаптических нейрорецепторов делает синапсы невосприимчивыми к связыванию нейромедиаторов, тем самым подавляя постсинаптическое возбуждение. [5]

С другой стороны, гиперполяризация используется для снижения активности нейронов путем установления высокого порогового потенциала для срабатывания потенциала действия. Этот энергосберегающий отклик обусловлен непрерывным входящим током K + мембраны ионы, которые помогают поддерживать ионный градиент до тех пор, пока сопротивление не будет нарушено и не начнется бескислородная деполяризация. [5]

Дисбаланс ионного гомеостаза

[ редактировать ]

Поддержание баланса между внутриклеточными и внеклеточными концентрациями ионов на постсинаптическом терминале имеет решающее значение для нормальной функции нейронов. Во время истощения кислорода в мозге два события, которые инициируют, а также распространяют аноксическую деполяризацию, включают чрезмерный приток катионов, а также отток АТФ в постсинаптическом терминале. [1] Рецепторы, обеспечивающие этот приток и отток, представляют собой ионотропные рецепторы , которые представляют собой лиганд-управляемые ионные каналы, которые связывают специфические нейротрансмиттеры, высвобождаемые из синаптических везикул пресинаптического окончания, чтобы вызвать открытие каналов, которые служат проводниками для катионов, которые , в свою очередь, инициируют потенциал действия через постсинаптические терминали нормально функционирующих нейронов. [7]

Ключевым игроком в драматическом процессе притока катионов является глутамат, возбуждающий нейромедиатор, который вызывает эксайтотоксичность во время аноксической деполяризации. [8] Было обнаружено, что ряд ионотропных рецепторов способствуют аноксической деполяризации мембран нервных клеток . К ним относятся рецепторы NMDA , рецепторы AMPA , P2X7 пуринергические рецепторы , каналы паннексина (Panx1), каналы переходного рецепторного потенциала (TRP) и кислоточувствительные ионные каналы (ASIC). [1]

При ишемии головного мозга глутамат высвобождается в избытке из пресинаптического терминаля, что приводит к неконтролируемому открытию глутаматных рецепторов , включая рецепторы NMDA и AMPA, что обеспечивает чрезмерный приток Са 2+ во внутриклеточную среду. Пуринергические и NMDA-рецепторы активируют каналы паннексина-1, которые становятся гиперактивными и позволяют высвобождать АТФ из внутриклеточной среды. По мере увеличения внеклеточного глутамата и АТФ несколько комплексов активируются и сходятся в каскадных путях апоптоза и некроза, которые вызывают повреждение и смерть нейронов. [1]

Постаноксическая деполяризация: повреждение нижних нейронов

[ редактировать ]
Низкая буферность Ca2+ и эксайтотоксичность при физиологическом стрессе и патофизиологических состояниях в мотонейронах (МН)

После аноксической деполяризации в зоне инфаркта высвобождение глутамата и аспартата во внеклеточное пространство вызывает неконтролируемую внутриклеточную мобилизацию Са. 2+ , главным образом, через NMDA-рецепторы. [9] Это критическая стадия развития повреждения нейронов, поскольку именно Са 2+ перегрузка, которая приводит к нескольким последующим каскадам событий, которые приводят к некротической гибели нейронов или к апоптозу, включая продукцию свободных радикалов и оксида азота , которые вызывают повреждение мембраны. [10]

Другим цитотоксическим явлением, которое следует за аноксической деполяризацией, является накопление лактата и ацидоз в результате гликолиза, который вызывает повреждение митохондрий . [10] Ишемическое инсульт также вызывает нарушение гематоэнцефалического барьера . [9] Другие возникающие косвенные повреждения включают липолиз , протеолиз , набухание клеток, дезагрегацию микротрубочек и фрагментацию ДНК . [5]

Выборочная уязвимость

[ редактировать ]

Нейроны более восприимчивы к ишемии головного мозга, чем поддерживающие глиальные клетки , поскольку нейроны имеют более высокую потребность в энергии, проводят потенциал действия и производят глутамат, тогда как глиальные клетки лишены этих свойств. Тем не менее, нейроны различаются между собой по своей чувствительности к ишемии в зависимости от конкретных свойств, которые они проявляют, связанных с их расположением в мозге. [11]

Избирательная уязвимость заключается в том, что некоторые части мозга более чувствительны к гипоксии , чем другие, и, следовательно, к ишемическому инсульту . [10] Склонные к аноксии клетки головного мозга включают гиппокампа пирамидные клетки CA1 нейроны , , клетки Пуркинье пирамидные неокортекса в некоторых слоях, базальные ганглии , ретикулярные нейроны таламуса и мозжечка нейроны ствола мозга . [12]

В то время как базальные ганглии, клетки Пуркинье мозжечка, гиппокамп и клетки неокортекса более уязвимы к транзиторной ишемической атаке (ТИА), ствол мозга и ретикулярные нейроны таламуса более уязвимы к длительной ишемической атаке (собственно инсульту). [11] Между тем, пирамидные клетки гиппокампа были идентифицированы как наиболее уязвимые клетки к ишемии. [12] Одно из возможных объяснений существования избирательной уязвимости объясняет это явление разным количеством глутамата, вырабатываемого разными нейронами, поскольку именно высвобождение глутамата в синаптической щели запускает Ca 2+ приток, который, в свою очередь, запускает биохимические процессы, повреждающие нейроны. [11] В другом исследовании было установлено, что вариации в экспрессии раннего гена и белка теплового шока вызывают избирательную уязвимость. [12]

Механизмы аноксической толерантности

[ редактировать ]

Метаболическая депрессия

[ редактировать ]

Расписная черепаха ( Chrysemys picta ) использует механизм метаболической депрессии для борьбы с истощением кислорода. [13] Через несколько минут после начала гипоксии в мозгу черепахи снижается мозговой кровоток, который в конечном итоге прекращается. Между тем, гликолиз стимулируется для поддержания почти оптимального производства АТФ . [3] Эта компенсаторная стимуляция гликолиза происходит потому, что в мозгу черепахи цитохромы а и а 3 имеют низкое сродство к кислороду. [13] Анаэробный гликолиз приводит к перегрузке лактатом, которую черепахи в некоторой степени компенсируют за счет увеличения выработки CaCO 3 в панцире и костях . [3]

Однако гликолиз не эффективен для производства АТФ, и для поддержания оптимальной концентрации АТФ мозг черепахи снижает потребление АТФ, подавляя активность нейронов и постепенно высвобождая аденозин . Это восстанавливает баланс потребления/производства АТФ, который затем поддерживается за счет снижения ионной проводимости и высвобождения ГАМК . Снижение активности нейронов приводит черепаху в коматозное состояние на время аноксии. [14]

Эффект Пастера

[ редактировать ]

Еще одним устойчивым к аноксии животным, которое обычно используется в качестве модели для изучения аноксии в мозге млекопитающих, является карась , который может выжить в даже более экстремальных аноксических условиях, чем нарисованная черепаха. В отличие от C. picta , который принимает столь радикальные меры, чтобы впасть в коматозное состояние, чтобы поддерживать оптимальную концентрацию АТФ, карась не впадает в коматозное состояние при аноксии. Вместо этого он остается активным, поддерживая нормальный сердечный выброс , а также увеличивая мозговой кровоток. [5] Несмотря на то, что гликолиз стимулируется на ранней стадии гипоксии как у карася, так и у C. picta , карась способен оставаться активным благодаря своей способности перенаправлять гликолитический путь, так что лактат превращается в этанол , который затем может быть высвобожден. в воду через жабры , тем самым предотвращая перегрузку лактатом и ацидоз. [3]

Поскольку у карася есть более эффективная стратегия предотвращения накопления лактата, чем у C. picta , первоначальный гликолиз продолжается не прекращаясь, процесс, называемый эффектом Пастера . [14] Чтобы не отставать от быстрого метаболизма глюкозы посредством гликолиза, а также поддерживать баланс между выработкой и потреблением АТФ, карась умеренно подавляет свою двигательную активность, высвобождает ГАМК и избирательно подавляет некоторые ненужные сенсорные функции. [14] Карась также противодействует разрушительному воздействию кислородного голодания, плавая в более прохладную воду – явление, известное как добровольная гипотермия . [3]

Толерантность у новорожденных млекопитающих

[ редактировать ]

Было обнаружено, что мозг нескольких новорожденных млекопитающих способен обеспечивать устойчивость к аноксии аналогично тому, как это происходит у водных организмов, толерантных к аноксии. [13] Это все еще относительно новая область исследований, которая может иметь клиническое значение в борьбе с инсультом у людей. Исследование, изучавшее толерантность к аноксии у новорожденных млекопитающих, выявило два основных способа, с помощью которых они справляются с острой гипоксией . В то время как большинство новорожденных преимущественно снижают скорость метаболизма, чтобы сохранить энергию во время гипоксии, некоторые новорожденные млекопитающих, такие как свиньи, олени и другие животные этого класса, которые с рождения способны к высокой степени независимой активности, используют гиперпноэ. (аномально быстрое или глубокое дыхание). [15] Почему метаболическая депрессия менее эффективна у взрослых млекопитающих по сравнению с новорожденными, на данный момент неясно. Из-за этических проблем толерантность к аноксии не тестировалась на новорожденных людях.

Исследование: нейропротекторы

[ редактировать ]
Активация рецептора NMDA и антагонисты

В настоящее время не существует эффективного способа борьбы с инсультом. Единственным препаратом, одобренным FDA для лечения инсульта, является растворяющий тромбы , генетически модифицированный фермент называемый тканевым активатором плазминогена , который необходимо вводить в течение 9 часов после появления симптомов [1] , чтобы он был эффективным в уменьшении повреждений после ишемического инсульта. гладить . [16]

Многие клинические испытания потерпели неудачу в попытках разработать эффективные нейропротекторные препараты для борьбы с инсультом, возможно, потому, что эти препараты воздействуют только на один аспект инсульта и, следовательно, игнорируют тот факт, что инсульт является многогранной проблемой. Некоторые из потенциальных методов лечения инсульта, которые были протестированы рядом исследователей с использованием нескольких моделей на животных, включают рецептора сигма-1 лиганды для модуляции Ca. 2+ высвобождение антагонистов рецепторов NMDA для предотвращения Ca 2+ перегрузки и блокаторы ионных каналов для предотвращения чрезмерных потоков ионов. [ нужна ссылка ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с д Вейлингер Н.Л., Маслиева В., Бялецкий Дж., Шридхаран С.С., Тан П.Л., Томпсон Р.Дж. (2013). «Ионотропные рецепторы и ионные каналы при ишемической гибели и дисфункции нейронов» . Акта Фармакол Син . 34 (1): 39–48. дои : 10.1038/aps.2012.95 . ПМК   4086487 . ПМИД   22864302 .
  2. ^ Стис, П. (1998). «Аноксическое и ишемическое повреждение миелинизированных аксонов белого вещества ЦНС: от механистических концепций к терапии» . Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 18 (1): 2–25. дои : 10.1097/00004647-199801000-00002 . ПМИД   9428302 .
  3. ^ Jump up to: а б с д и Нильссон, Г.; Лутц, П. (2004). «Мозг, толерантный к аноксии» . Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 24 (5): 475–486. дои : 10.1097/00004647-200405000-00001 . ПМИД   15129179 .
  4. ^ Jump up to: а б с Первс, Дейл; Августин, Дж.Дж.; Фитцпатрик, Д.; Холл, туалет; ЛаМантия, А.; Макнамара, Джо; Уайт, Л.Е. (2008). «Нейронная сигнализация». Нейронаука (4-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Синауэр. стр. 23–207 . ISBN  9780878936977 .
  5. ^ Jump up to: а б с д и ж Лутц, Польша; Нильссон, GE (1997). Подразделение нейронауки и разведки: Мозг без кислорода (2-е изд.). Остин, Техас: Landes Bioscience и Chapman & Hall. стр. 1–207.
  6. ^ Кочламазашвили, Г; Хауке, В. (2013). «Двойная роль SNAP-25 как носителя и хранителя синаптической передачи» . Отчеты ЭМБО . 14 (7): 579–580. дои : 10.1038/embor.2013.74 . ПМК   3701241 . ПМИД   23732543 .
  7. ^ Гойал, Р; Чаудхури, А. (2013). «Структурно-активная связь синаптической и узловой нейротрансмиссии» . Автономная нейронаука: фундаментальная и клиническая . 176 (1–2): 11–31. дои : 10.1016/j.autneu.2013.02.012 . ПМЦ   3677731 . ПМИД   23535140 .
  8. ^ Мадри, К; Хаглерёд, К; Эттвелл, Д. (2010). «Роль полуканалов паннексина в аноксической деполяризации пирамидных клеток гиппокампа» . Мозг . 133 (Часть 12): 3755–3763. дои : 10.1093/brain/awq284 . ПМЦ   2995884 . ПМИД   20940167 .
  9. ^ Jump up to: а б Чжао, Х; Стейнберг, Г.; Сапольский, Р. (2007). «Общее и специфическое действие легкой и умеренной гипотермии в ослаблении ишемического повреждения головного мозга» . Журнал церебрального кровотока и метаболизма . 27 (12): 1879–1894. дои : 10.1038/sj.jcbfm.9600540 . ПМИД   17684517 .
  10. ^ Jump up to: а б с Хуанг, Б; Кастильо, М (2008). «Гипоксически-ишемическое повреждение головного мозга: результаты визуализации от рождения до взрослой жизни». Рентгенография . 28 (2): 417–439. дои : 10.1148/rg.282075066 . ПМИД   18349449 .
  11. ^ Jump up to: а б с Агаманолис, Д. «Глава 2: Церебральная ишемия и инсульт» . Невропатология . Проверено 4 ноября 2013 г.
  12. ^ Jump up to: а б с Бусл, К; Грир, Д. (2010). «Гипоксически-ишемическое повреждение головного мозга: патофизиология, нейропатология и механизмы» . Нейрореабилитация . 26 (1): 5–13. дои : 10.3233/NRE-2010-0531 . ПМИД   20130351 .
  13. ^ Jump up to: а б с Лутц, П.Л. (1992). «Механизмы аноксического выживания в мозге позвоночных». Ежегодный обзор физиологии . 54 : 601–618. дои : 10.1146/annurev.ph.54.030192.003125 . ПМИД   1348613 .
  14. ^ Jump up to: а б с Джон В. Томпсон; Йоран Э. Нильссон; Мигель А. Перес-Пинсон (2013). «2: Устойчивость к аноксии у низших и высших позвоночных». У Джеффри М. Гиддея; Мигель А. Перес-Пинсон; Джон Х. Чжан (ред.). Врожденная толерантность в ЦНС: трансляционная нейропротекция путем предварительного и посткондиционирования . Нью-Йорк: Спрингер Нью-Йорк. стр. 19–35. ISBN  978-1-4419-9694-7 .
  15. ^ Мортола, Дж (1999). «Как новорожденные млекопитающие справляются с гипоксией». Физиология дыхания . 116 (2–3): 95–103. дои : 10.1016/S0034-5687(99)00038-9 . ПМИД   10487295 .
  16. ^ Бегенский А; Кортес-Сальва, М.; Семинерио, М.; Мацумото, Р.; Антилла, Дж.; Куэвас, Дж. (2013). «Оценка аналогов гуанидина in vitro в качестве лигандов сигма-рецепторов для потенциальной терапии против инсульта» . Журнал фармакологии и экспериментальной терапии . 344 (1): 155–166. дои : 10.1124/jpet.112.199513 . ПМЦ   3533416 . ПМИД   23065135 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4b13023790009feb84584277c1ca1139__1709756520
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/4b/39/4b13023790009feb84584277c1ca1139.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Anoxic depolarization in the brain - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)