Аноксическая деполяризация головного мозга
![]() | Эта статья может быть слишком технической для понимания большинства читателей . ( Ноябрь 2013 г. ) |
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 ]
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 + /К + 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]

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 ]
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 ]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 ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Jump up to: а б с Агаманолис, Д. «Глава 2: Церебральная ишемия и инсульт» . Невропатология . Проверено 4 ноября 2013 г.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ишемическая полутень , заархивировано 20 сентября 2020 г. в Wayback Machine.
- Лай Т.В., Шю В.К., Ван Ю.Т. (2011). «Пути вмешательства при инсульте: рецепторы NMDA и не только». Тенденции Мол Мед . 17 (5): 266–75. doi : 10.1016/j.molmed.2010.12.008 . ПМИД 21310659 .