ВЗАИМОСВЯЗЬ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГЛУБОКИХ СЛОЯХ СОМАТОСЕНСОРНОЙ КОРЫ И СКОРОСТИ КРОВОТОКА В МОЗГЕ НАРКОТИЗИРОВАННЫХ МЫШЕЙ

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Несмотря на очевидную важность температуры для функционирования мозга, она остается одним из наименее изученных его параметров. Температура определяется балансом между выделением тепла в ходе метаболизма и его отведением кровотоком, который регулируется нейроваскулярным сопряжением. С помощью метода лазерной спекл-контрастной визуализации и микроалмазной термометрии нами была впервые проведена длительная одновременная регистрация скорости кровотока и температуры в мозге наркотизированных животных in vivo. Для анализа сопряжения между температурой и кровотоком использовали два подхода: усиление общего кровотока с помощью внутрибрюшинной инъекции адреналина и усиление активности нейронов аппликацией раствора KCl на поверхность мозга. Полученные данные указывают на то, что температура нервной ткани имеет более сложную динамику по сравнению с кровотоком, что, по-видимому, связано с прямой или опосредованной активацией как отдельных нейронов, так и нейронных ансамблей. Исследования температурной динамики могут внести значимый вклад в понимание механизмов нейроваскулярного сопряжения.

Об авторах

А. М Ромшин

Институт общей физики им. Прохорова РАН

Москва, Россия

А. А Осипов

Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН; Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН

Москва, Россия; Москва, Россия

В. К Крохалева

Институт общей физики им. Прохорова РАН; Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Москва, Россия; Москва, Россия;

С. Г Журавлев

Институт общей физики им. Прохорова РАН

Москва, Россия

О. Н Егорова

Институт общей физики им. Прохорова РАН

Москва, Россия

И. И Власов

Институт общей физики им. Прохорова РАН

Москва, Россия

И. Ю Попова

Институт общей физики им. Прохорова РАН; Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН

Email: I-Yu-Popova@yandex.ru
Москва, Россия; Москва, Россия

Список литературы

  1. Kiyatkin E. A. Brain temperature and its role in physiology and pathophysiology: Lessons from 20 years of thermorecording. Temperature (Austin), 6 (4), 271–333 (2019). doi: 10.1080/23328940.2019.1691896
  2. Sung D., Risk B. B., Wang K. J., Allen J. W., and Fleischer C. C. Resting-state brain temperature: dynamic fluctuations in brain temperature and the brainbody temperature gradient. J. Magn. Reson. Imaging, 57 (4),1222–1228 (2023). doi: 10.1002/jmri.28376
  3. Minamisawa H., Nordstrom C. H., Smith M. L., and Siesjö B. K. The influence of mild body and brain hypothermia on ischemic brain damage. J. Cereb. Blood Flow Metab., 10 (3), 365–374 (1990). doi: 10.1038/jcbfm.1990.66
  4. Blatteis C. M. The onset of fever: new insights into its mechanism. Prog. Brain Res., 162, 3–14 (2007). doi: 10.1016/S0079-6123(06)62001-3
  5. Moltz H. Fever: causes and consequences. Neurosci. Biobehav. Rev., 17 (3), 237–369 (1993). doi: 10.1016/s0149-7634(05)80009-0
  6. Siesjö B. K. Brain energy metabolism (John Wiley & Sons, New York, 1978).
  7. Falk D. Brain evolution in Homo: The “radiator” theory. Behav. Brain Sci., 13 (2), 333–344 (1990). DOI: https://doi.org/10.1017/S0140525X00078973
  8. Dehkharghani S. and Qiu D. MR thermometry in cerebrovascular disease: physiologic basis, hemodynamic dependence, and a new frontier in stroke imaging. AJNR Am. J. Neuroradiol., 41 (4), 555–565 (2020). doi: 10.3174/ajnr.A6455
  9. Zhu M., Ackerman J. J., and Yablonskiy D. A. Body and brain temperature coupling: the critical role of cerebral blood flow. J. Comp. Physiol. B, 179 (6), 701–710 (2009). doi: 10.1007/s00360-009-0352-6
  10. Nybo L., Secher N. H., and Nielsen B. Inadequate heat release from the human brain during prolonged exercise with hyperthermia. J. Physiol. 545 (2), 697–704 (2002). doi: 10.1113/jphysiol.2002.030023
  11. Yablonskiy D. A., Ackerman J. J., and Raichle M. E. Coupling between changes in human brain temperature and oxidative metabolism during prolonged visual stimulation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 97 (13), 7603–7608 (2000). doi: 10.1073/pnas.97.13.7603
  12. McIlvoy L. Comparison of brain temperature to core temperature: A review of the literature. J. Neurosci. Nurs., 36 (1), 23–31 (2004). doi: 10.1097/01376517-200402000-00004
  13. Williams L. R. and Leggett R. W. Reference values for resting blood flow to organs of man. Clin. Phys. Physiol. Meas., 10 (3), 187–217 (1989). doi: 10.1088/0143-0815/10/3/001
  14. Baker M. A. and Chapman L. W. Rapid brain cooling in exercising dogs. Science, 195 (4280), 781–783 (1977). doi: 10.1126/science.836587
  15. Jessen C. Selective brain cooling in mammals and birds. Jpn. J. Physiol., 51 (3), 291–301 (2001). doi: 10.2170/jjphysiol.51.291
  16. Drew P. J. Neurovascular coupling: motive unknown. Trends Neurosci., 45 (11), 809–819. (2022). doi: 10.1016/j.tins.2022.08.004
  17. Gordon G. R., Choi H. B., Rungta R. L., EllisDavies G. C., and MacVicar B. A. Brain metabolism dictates the polarity of astrocyte control over arterioles. Nature, 456 (7223), 745–749 (2008). doi: 10.1038/nature07525
  18. Paxinos G., Franklin K. B. J., S. D.: Academic Press (2001). Paxinos G. and Franklin K. B. J. The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. 2nd Edition (Acad. Press, San Diego, 2001).
  19. Winship I. R. Laser speckle contrast imaging to measure changes in cerebral blood flow. Methods Mol. Biol. (Clifton, NJ), 135, 223–235 (2014). doi: 10.1007/978-1-4939-0320-7_19
  20. Romshin A. M., Zeeb V., Martyanov, A. K., Kudryavtsev O. S., Sedov V. S., Ralchenko V. G., Sinogeykin A. G., and Vlasov I. I. A new approach to precise mapping of local temperature fields in submicrometer aqueous volumes. Sci Rep., 11, 14228 (2021). doi: 10.1038/s41598-021-93374-7
  21. Malkov A., Ivanov A. I., Popova I., Mukhtarov M., Gubkina O., Waseem T., Bregestovski P., and Zilberter Y. Reactive oxygen species initiate a metabolic collapse in hippocampal slices: potential trigger of cortical spreading depression. J. Cereb. Blood Flow Metab., 34 (9), 1540–1549 (2014). doi: 10.1038/jcbfm.2014.121.
  22. Fedotov I. V., Solotenkov M. A., Pochechuev M. S., Ivashkina O. I., Kilin S. Ya., Anokhin K. V., and Zheltikov A. M. All-optical brain thermometry in freely moving animals. ACS Photonics, 7, 3353–3360 (2020). doi: 10.1021/acsphotonics.0c00706
  23. Petrini G., Tomagra G., Bernardi E., Moreva E., Traina P., Marcantoni A., Picollo F., Kvaková K., Cígler P., Degiovanni I. P., Carabelli V., and Genovese M. Nanodiamond–quantum sensors reveal temperature variation associated to hippocampal neurons firing. Adv. Sci., 9 (28), e2202014 (2022). doi: 10.1002/advs.202202014
  24. Marín J. and Rivilla F. Nerve endings and pharmacological receptors in cerebral vessels. Gen. Pharmacol., 13 (5), 361–368 (1982). doi: 10.1016/0306-3623(82)90100-8
  25. Toussay X., Basu K., Lacoste B., and Hamel E. Locus coeruleus stimulation recruits a broad cortical neuronal network and increases cortical perfusion. J. Neurosci., 33 (8), 3390–3401 (2013). doi: 10.1523/JNEUROSCI.3346-12.2013X
  26. Abdul-Rahman A., Dahlgren N., Johansson B. B., and Siesjö B. K. Increase in local cerebral blood flow induced by circulating adrenaline: involvement of bloodbrain barrier dysfunction. Acta Physiol Scand., 107 (3), 227–332 (1979). doi: 10.1111/j.1748-1716.1979.tb06467.x
  27. N. Dahlgren, I. Rosen, T. Sakabe, and Siesjö B. K. Cerebral functional, metabolic and circulatory effects of intravenous infusion of adrenaline in the rat. Brain Res., 184 (1), 143–152 (1980). doi: 10.1016/0006-8993(80)90593-4
  28. Sokrab T. E. and Johansson B. B. Regional cerebral blood flow in acute hypertension induced by adrenaline, noradrenaline and phenylephrine in the conscious rat. Acta Physiol. Scand., 137 (1), 101–106 (1989). doi: 10.1111/j.1748-1716.1989.tb08725.x
  29. Borchardt R.T. Catechol o-methyltransferase. Methods Enzymol., 77, 267–272 (1981). doi: 10.1016/s0076-6879(81)77036-8
  30. Del Franco A. P. and Newman E. A. Astrocyte β-adrenergic receptor activity regulates NMDA receptor signaling of medial prefrontal cortex pyramidal neurons. J. Neurosci., 44 (2), e0990232023 (2023). DOI: 10.1523/ JNEUROSCI.0990-23.2023
  31. Reyner-Parra D., Bonet C., Seara T. M., and Huguet G. Traveling waves in a model for cortical spreading depolarization with slow–fast dynamics. Chaos, 33 (8), 083154 (2023). doi: 10.1063/5.0160509
  32. Sawant-Pokam P. M., Suryavanshi P., Mendez J. M., Dudek F. E., and Brennan K. C. Mechanisms of neuronal silencing after cortical spreading depression. Cereb. Cortex., 27 (2), 1311–1325 (2017). doi: 10.1093/cercor/bhv328P
  33. Kaufmann D., Theriot J. J., Zyuzin J., Service C. A., Chang J. C., Tang Y. T., Bogdanov V. B., Multon S., Schoenen J., Ju Y. S., and Brennan K.C. Heterogeneous incidence and propagation of spreading depolarizations. J. Cereb. Blood Flow Metab., 37 (5), 1748–1762 (2017). doi: 10.1177/0271678X16659496D
  34. Xu S., Chang J. C., Chow C. C., Brennan K. C., and Huang H. A mathematical model for persistent postCSD vasoconstriction. PLoS Comput. Biol., 16 (7), e1007996 (2020). doi: 10.1371/journal.pcbi.1007996S
  35. Busija D. W., Bari F., Domoki F., Horiguchi T., and Shimizu K. Mechanisms involved in the cerebrovascular dilator effects of cortical spreading depression. Prog. Neurobiol., 86 (4), 379–395 (2008). doi: 10.1016/j.pneurobio.2008.09.008D
  36. Hsieh B. Y., Kao Y.-C., Zhou J. N., Lin Yi.-P., Mei Yu.-Y., Chu S.-Yu., and Wu D.-Ch. Vascular responses of penetrating vessels during cortical spreading depolarization with ultrasound dynamic ultrafast Doppler imaging. Front. Neurosci., 16, 1015843 (2022). doi: 10.3389/fnins.2022.1015843
  37. Wang Y., Wang Y., Yue G., and Zhao Y. Energy metabolism disturbance in migraine: From a mitochondrial point of view. Front. Physiol., 14, 1133528 (2023). doi: 10.3389/fphys.2023.1133528Y
  38. Chrétien D., Bénit P., Ha H. H., Keipert S., ElKhoury R., Chang Y. T., Jastroch M., Jacobs H. T., Rustin P., and Rak M. Mitochondria are physiologically maintained at close to 50°C. PLoS Biol. 16 (1), e2003992 (2018). doi: 10.1371/journal.pbio.2003992D
  39. Romshin A. M., Osypov A. A., Popova I. Y., Zeeb V. E., Sinogeykin A. G., and Vlasov I. I. Heat release by isolated mouse brain mitochondria detected with diamond thermometer. Nanomaterials (Basel), 13 (1), 98 (2023). doi: 10.3390/nano13010098

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах