Кратковременная синаптическая пластичность нейронных сетей гиппокампа при экспериментальной дисфункции гематоэнцефалического барьера

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Нарушение синаптической пластичности служит характерным признаком ряда неврологических расстройств, успешно моделируемых на животных. Кратковременные формы пластичности обеспечивают динамическую регуляцию синаптической эффективности в ответ на различные паттерны нейрональной активности и в значительной степени зависят от поддержания оптимальных условий микроокружения нейронов, ключевым регулятором которых выступает гематоэнцефалический барьер (ГЭБ). В последние годы ГЭБ рассматривается как активный участник поддержания гомеостаза ЦНС, а его дисфункция признается одним из триггеров многих неврологических патологий. Нами разработан способ моделирования ранних последствий дисфункции ГЭБ in vitro путем адаптации ионного состава инкубационного раствора к плазме крови с добавлением тромбина. В настоящем исследовании проанализированы особенности кратковременной синаптической пластичности СА3-СА1-нейронных сетей гиппокампа в ранний период после моделируемой дисфункции ГЭБ. Результаты показали значительные изменения кратковременной синаптической пластичности в гиппокампе на фоне моделирования дисфункции ГЭБ. Мы наблюдали усиление парной фасилитации (PPF) на интервалах 25 и 50 мс, что указывает на пресинаптический характер изменений в высвобождении нейромедиатора. Кроме того, было зарегистрировано значительное увеличение амплитуды посттетанической потенциации (ПТП), свидетельствующее о повышенной реактивности нейронных сетей СА3-СА1. Селективное усиление ранней, зависящей от активности фазы, пластичности после высокочастотной стимуляции при отсутствии изменений в общей временной динамике позволяет предположить специфическую модуляцию паттерн-зависимой кратковременной пластичности при патологии ГЭБ. Ранее в идентичных условиях была продемонстрирована индукция эпилептиформной активности нейронных сетей гиппокампа. Таким образом, настоящее исследование характеризует специфические изменения синаптических свойств на этапе формирования патологического состояния, потенциально способного приводить к долговременным последствиям.

Об авторах

А. В. Савотченко

Азовский государственный педагогический университет

Email: asavotchenko@yandex.ru
Бердянск, Россия

Е. Н. Чуян

Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского

Симферополь, Республика Крым, Россия

Список литературы

  1. Zucker RS, Regehr WG (2002) Short-term synaptic plasticity. Ann Rev Physiol 64: 355–405. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.64.092501.114547
  2. Tsodyks MV, Markram H (1997) The neural code between neocortical pyramidal neurons depends on neurotransmitter release probability. Proc Natl Acad Sci U S A 94(2): 719–723. https://doi.org/10.1073/pnas.94.2.719
  3. Zucker RS (1989) Short-term synaptic plasticity. Annu Rev Neurosci 12: 13–31. https://doi.org/10.1146/annurev.ne.12.030189.000305
  4. Abbott LF, Regehr WG (2004) Synaptic computation. Nature 431(7010): 796–803. https://doi.org/10.1038/nature03010
  5. Davidson T, Stevenson R (2024) Vulnerability of the hippocampus to insults: links to blood–brain barrier dysfunction. Int J Mol Sci 25: 1991. https://doi.org/10.3390/ijms25041991
  6. Yong S, Yong M, Teoh S, Soga T, Parhar I, Chew J, Lim W (2021) The hippocampal vulnerability to herpes simplex virus type I infection: Relevance to Alzheimer's disease and memory impairment. Front Cell Neurosci 15: 695738. https://doi.org/10.3389/fncel.2021.695738
  7. Jing H, Yan N, Fan R, Li Z, Wang Q, Xu K, Hu X, Zhang L, Duan X (2023) Arsenic activates the NLRP3 inflammasome and disturbs the Th1/Th2/Th17/Treg balance in the hippocampus in mice. Biol Trace Elem Res 201(7): 3395–3403. https://doi.org/10.1007/s12011-022-03421-1
  8. Bumanglag A, Sloviter R (2008) Minimal latency to hippocampal epileptogenesis and clinical epilepsy after perforant pathway stimulation-induced status epilepticus in awake rats. J Comp Neurol 510(6): 561–580. https://doi.org/10.1002/cne.21801
  9. Зайцев АВ, Амахин ДВ, Дёмина АВ, Захарова МВ, Ергина ЮЛ, Постникова ТЮ, Диеспиров ГП, Магазаник ЛГ (2021) Синаптические дисфункции при эпилепсии. Рос физиол журн им. ИМ Сеченова 107(4–5): 492–517. [Zaitsev АV, Amakhin DV, Dyomina AV, Zakharova MV, Ergina JL, Postnikova TY, Diespirov GP, Magazanik LG (2021) Synaptic dysfunction in epilepsy. Russ J Physiol 107(4-5): 492–517. (In Russ)]. https://doi.org/10.31857/S0869813921040166
  10. Dahmen B, Puetz VB, Scharke W, von Polier GG, Herpertz-Dahlmann B, Konrad K (2018) Effects of early-life adversity on hippocampal structures and associated HPA axis functions. Dev Neurosci 40(1): 13–22. https://doi.org/10.1159/000484238
  11. Bremner JD, Hoffman M, Afzal N, Cheema FA, Novik O, Ashraf A, Brummer M, Nazeer A, Goldberg J, Vaccarino V (2021) The environment contributes more than genetics to smaller hippocampal volume in Posttraumatic Stress Disorder (PTSD). J Psychiatr Res 137: 579588. https://doi.org/10.1016/j.jpsychires.2020.10.042
  12. Li H, Zhao Z, Fassini A, Lee HK, Green RJ, Gomperts SN (2025) Impaired hippocampal circuit function underlying memory encoding and consolidation precede robust Aβ deposition in a mouse model of Alzheimer's disease. Sci Rep 15(1): 21957. https://doi.org/10.1038/s41598-025-05653-2
  13. Schmidt-Kastner R (2015) Genomic approach to selective vulnerability of the hippocampus in brain ischemia-hypoxia. Neuroscience 309: 259–279. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2015.08.034
  14. Hicks RR, Smith DH, Lowenstein DH, Saint Marie R, McIntosh TK (1993) Mild experimental brain injury in the rat induces cognitive deficits associated with regional neuronal loss in the hippocampus. J Neurotrauma 10(4): 405–414. https://doi.org/10.1089/neu.1993.10.405
  15. Nuthikattu S, Milenkovic D, Norman JE, Villablanca AC (2024) Single nuclei transcriptomics in diabetic mice reveals altered brain hippocampal endothelial cell function, permeability, and behavior. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis 1870(2): 166970. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2023.166970
  16. Liu R, Collier JM, Abdul-Rahman NH, Capuk O, Zhang Z, Begum G (2024) Dysregulation of ion channels and transporters and blood-brain barrier dysfunction in Alzheimer's disease and vascular dementia. Aging Dis 15(4): 1748–1770. https://doi.org/10.14336/AD.2023.1201
  17. Heinemann U, Kaufer D, Friedman A (2012) Blood-brain barrier dysfunction, TGFβ signaling, and astrocyte dysfunction in epilepsy. Glia 60(8): 1251–1257. https://doi.org/10.1002/glia.22311
  18. Seiffert E, Dreier JP, Ivens S, Bechmann I, Tomkins O, Heinemann U, Friedman A (2004) Lasting blood-brain barrier disruption induces epileptic focus in the rat somatosensory cortex. J Neurosci 24(36): 7829–7836. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1751-04.2004
  19. Löscher W, Friedman A (2020) Structural, molecular, and functional alterations of the blood-brain barrier during epileptogenesis and epilepsy: A cause, consequence, or both? Int J Mol Sci 21(2): 591. https://doi.org/10.3390/ijms21020591
  20. Savotchenko A, Klymenko M, Shypshyna M, Isaev D (2023) The role of thrombin in early-onset seizures. Front Cell Neurosci 17: 1101006. https://doi.org/10.3389/fncel.2023.1101006
  21. Papatheodoropoulos C (2018) Electrophysiological evidence for long-axis intrinsic diversification of the hippocampus. Front Biosci (Landmark Ed) 23(1): 109–145. https://doi.org/10.2741/4584
  22. Bolshakov AP, Rozov AV (2014) Mechanisms of facilitation and depression in CNS synapses: presynaptic and postsynaptic components. Neurochem J 8(4): 238–276. https://doi.org/10.1134/S1819712414040023
  23. Хазиев ЭФ, Балашова Д В, Ценцевицкий АН, Бухараева ЭА, Самигуллин ДВ (2019) Кальциевый транзиент и секреция медиатора в разных участках нервного окончания лягушки при изменении условий входа ионов кальция. Рос физиол журн им ИМ Сеченова 105(10): 1262–1270. [Khaziev EF, Balashova DV, Tsentsevitsky AN, Bukharaeva EA, Samigullin DV (2019) Calcium transient and mediator release in different parts of the frog nerve endingon the change of conditions of calcium ions entry. Russ J Physiol 105(10): 1262–2170. (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S0869813919100030
  24. Axmacher N, Henseler ММ, Jensen O, Weinreich I, Elger ChE, Fell J (2010) Cross-frequency coupling supports multi-item working memory in the human hippocampus. PNAS 107(7): 3228–3233. https://doi.org/10.1073/pnas.0911531107
  25. Jackman SL, Regehr WG (2017) The mechanisms and functions of synaptic facilitation. Neuron 94(3): 447–464. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2017.02.047
  26. Turrigiano GG (2017) The dialectic of Hebb and homeostasis. Phil Trans R Soc 372: 20160258. http://dx.doi.org/10.1098/rstb.2016.0258
  27. Rasmussen R, O'Donnell J, Ding F, Nedergaard M (2020) Interstitial ions: A key regulator of state-dependent neural activity? Prog Neurobiol 193: 101802. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2020.101802
  28. Rosenberg GA (1999) Ischemic brain edema. Prog Cardiovasc Dis 42(3): 209–216. https://doi.org/10.1016/s0033-0620(99)70003-4
  29. Ivens S, Kaufer D, Flores LP, Bechmann I, Zumsteg D, Tomkins O, Seiffert E, Heinemann U, Friedman A (2007) TGF-beta receptor-mediated albumin uptake into astrocytes is involved in neocortical epileptogenesis. Brain 130(Pt 2): 535–547. https://doi.org/10.1093/brain/awl317
  30. Coulter DA, Steinhäuser C (2015) Role of astrocytes in epilepsy. Cold Spring Harb Perspect Med 5(3): a022434. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a022434
  31. Ju F, Ran Y, Zhu L, Cheng X, Gao H, Xi X, Yang Z, Zhang S (2018) Increased BBB permeability enhances activation of microglia and exacerbates loss of dendritic spines after transient global cerebral ischemia. Front Cell Neurosci 12: 236. https://doi.org/10.3389/fncel.2018.00236
  32. Isaeva E, Hernan A, Isaev D, Holmes GL (2012) Thrombin facilitates seizures through activation of persistent sodium current. Ann Neurol 72(2): 192–198. https://doi.org/10.1002/ana.23587
  33. Swissa E, Monsonego U, Yang LT, Schori L, Kamintsky L, Mirloo S, Burger I, Uzzan S, Patel R, Sudmant PH, Prager O, Kaufer D, Friedman A (2024) Cortical plasticity is associated with blood-brain barrier modulation. Elife 12: RP89611. https://doi.org/10.7554/eLife.89611
  34. Lippmann K (2024) A reduction in the readily releasable vesicle pool impairs GABAergic inhibition in the hippocampus after blood-brain barrier dysfunction. Int J Mol Sci 25(13): 6862. https://doi.org/10.3390/ijms25136862
  35. Singh T, Mehra A, Batabyal T, Joshi S, Kapur J (2025) Thrombin mediates seizures following cortical injury-induced status epilepticus. Epilepsy Res 213: 107549. https://doi.org/10.1016/j.eplepsyres.2025.107549
  36. Suzuki M, Ogawa A, Sakurai Y, Nishino A, Venohara K, Mizoi K, Yoshimoto T (1992) Thrombin activity in cerebrospinal fluid after subarachnoid hemorrage. Stroke 23: 1181–1182. https://doi.org/10.1161/01.str.23.8.1181
  37. Sweeney MD, Zhao Z, Montagne A, Nelson AR, Zlokovic BV (2019) Blood-brain barrier: From physiology to disease and back. Physiol Rev 99(1): 21–78. https://doi.org/10.1152/physrev.00050.2017
  38. Van Vliet EA, Aronica E, Gorter JA (2015) Blood-brain barrier dysfunction, seizures and epilepsy. Semin Cell Dev Biol 38: 26–34. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2014.10.003
  39. Zheng ZH, Tu JL, Li XH, Hua Q, Liu WZ, Liu Y, Pan BX, Hu P, Zhang WH (2021) Neuroinflammation induces anxiety- and depressive-like behavior by modulating neuronal plasticity in the basolateral amygdala. Brain Behav Immun 91: 505–518. https://doi.org/10.1016/j.bbi.2020.11.007
  40. Maggio N, Itsekson Z, Dominissini D, Blatt I, Amariglio N, Rechavi G, Tanne D, Chapman J (2013) Thrombin regulation of synaptic plasticity: implications for physiology and pathology. Exp Neurol 247: 595–604. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2013.02.011
  41. Ben Shimon M, Lenz M, Ikenberg B, Becker D, Shavit Stein E, Chapman J, Tanne D, Pick CG, Blatt I, Neufeld M, Vlachos A, Maggio N (2015) Thrombin regulation of synaptic transmission and plasticity: implications for health and disease. Front Cell Neurosci 9: 151. https://doi.org/10.3389/fncel.2015.00151

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».