Влияние физических нагрузок на ультраструктурную организацию спинномозгового узла крыс после длительной гипокинезии

46

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

УДК 611.73: 616-009.17

С. Л. Попель1, Б. М. Мыцкан2

'Кандидат медицинских наук,

доцент кафедры теории и методики физической культуры и спорта,

Прикарпатский национальный университет имени В. Стефаныка, г. Иваново-Франковск, Украина 2Доктор биологических наук, профессор,

Прикарпатский национальный университет имени В. Стефаныка, г. Иваново-Франковск, Украина

ВЛИЯНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗОК НА УЛЬТРАСТРУКТУРНУЮ ОРГАНИЗАЦИЮ СПИННОМОЗГОВОГО УЗЛА КРЫС ПОСЛЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ГИПОКИНЕЗИИ

Цель работы - изучить ультраструктурную перестройку нейроцитов спинномозгового узла крыс при физической нагрузке средней аэробной мощности после длительной гипокинезии. Исследование проведено на 60 крысах-самцах линии “Вистар ” половозрелого возраста, которые были разделены на две группы: I группа - контрольная (30 крыс), II группа - экспериментальная (30 крыс). Физическую нагрузку моделировали бегом в тредбане по 10 мин на протяжении 30 дней. Забор материала осуществляли каждые 5 дней. Использовали электронно-микроскопический метод исследования. В результате исследования показаны разные формы морфологической изменчивости нейроцитов спинномозгового узла крыс после длительной гипокинезии. Установлено, что ультраструктурная перестройка в спинномозговом узле после длительной гипокинезии и последующей физической нагрузки сопровождается закономерными изменениями нейроцитов и их окружения. На раннем этапе наиболее реагируют светлые нейроны, а выраженность ультраструктурних изменений зависит от кратности действия физической нагрузки. Это сопровождается реактивными изменениями в глиоцитах и кровеносных микрососудах, что подчеркивает наличие тесной взаимозависимости в микросистеме “нейрон-глио-гемокапилляр ”.

Ключевые слова: спинномозговой узел, нейроцит, физическая нагрузка, гипокинезия,

крыса.

Введение

Будучи мощным негентропийным адаптогенным фактором, физическая нагрузка имеет высокую биологическую активность, особенно в диапазоне среднего и субмаксимального уровня мощности, и влияет на самые разнообразные органы и системы организма [1]. В литературе этот вопрос достаточно широко обсуждается [2]—[5]. Характер действия физической нагрузки на нервные клетки и их окружение исследован в значительно меньшем объеме [2], [6]. Спинномозговой узел является местом расположения первого, афферентного, нейрона простой рефлекторной дуги, который в первую очередь реагирует на разнообразные изменения в организме, в том числе и в системе органов опорно-двигательного аппарата [7]. Сообщения по этому вопросу фрагментарны и несистематизированы. Между тем роль нервной системы в реализации компенсаторных реакций организма в пределах адаптационного синдрома тяжело переоценить [1], [5]. И если физиологичные механизмы приспособительных реакций разных отделов нервной системы на физическую нагрузку изучены достаточно глубоко [2], [8], то об их морфологическом аспекте известно намного меньше [7].

Цель работы - изучить особенности ультраструктурной перестройки спинномозгового узла при действии физической нагрузки средней аэробной мощности у крыс после долговременной гипокинезии.

Материал и методы исследования. Экспериментальную группу (ЭГ) составляли 30 крыс-самцов, которые предварительно находились 240 суток в условиях долговременной гипокинезии (ДГК) и у которых физическую нагрузку (ФН) моделировали бегом в тредмиле. Мощность ФН составляла 70% от уровня максимального потребления кислорода, то есть отвечала среднему аэробному уровню.

© Попель С. Л., Мыцкан Б. М., 2015

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

47

Контрольную группу (КГ) составляли 30 животных, которые также находились в условиях ДГК, но восстановительный период проходил в условиях обычной двигательной активности. Животных выводили из эксперимента путем декапитации под нембуталовым наркозом согласно “Правилам проведения исследований на лабораторных животных”. Забор материала проводили через каждые 5 дней, начиная с 5-ых и заканчивая 30-ми сутками эксперимента. Для электронно-микроскопического исследования спинномозговые узлы поясничного и крестцового отделов спинного мозга (сегменты L5 - Si) готовили по общепринятой методике.

Результаты исследования и их обсуждение

Установлено, что клеточный компонент спинномозгового узла реагирует на ФН неспецифическими проявлениями и зависит от вида нейронов.

Пятикратное действие, в первую очередь, вызывает изменения органелл в светлых нейронах (рисунок 1).

1 - ядро, 2 - ядрышко, 3 - цитоплазма нейроцита, 4 - базальная мембрана, 5 - отросток глиоцита

Ув.: х 8000.

Рисунок 1. - Ультраструктурное строение светлого нейроцита в составе спинномозгового узла у крысы ЭГ после 5 сеансов физической нагрузки средней аэробной мощности

В митохондриях изменения имеют пестрый характер: в одних из них после ДГК остается локальный отёк, вакуолизация и частичная деструкция крист, в других - увеличивается размер на фоне повышения осмиофильности матрикса, возобновляется овальная форма, увеличивается количество и величина крист. Известно, что отек митохондрий наблюдается при действии самых разнообразных альтерирующих факторов [1], [4], [5], [7]. Поэтому можно думать, что в нашем случае уменьшение отека митохондрий является неспецифической приспособительной реакцией на физическую нагрузку, которая ведет к интенсификации процессов энергообеспечения клеток.

У животных ЭГ на 10 сут. восстановительного периода после ФН в цитоплазме нейроцитов спинномозгового узла выявляются митохондрии с электронно-плотным матриксом и большим количеством крист, цистерны эндоплазматической сетки и комплекса Гольджи увеличиваются в размерах, увеличивается также число свободных и фиксированных рибосом, что свидетельствует об интенсификации синтетических процессов, которые направлены на возобновление структурно-функциональной организации клетки [5].

48

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

После 15-кратной ФН для животных ЭГ характерным явилось то, что в ядре наблюдаются 1-2 больших ядрышка. В цитоплазме большинства нейроцитов на этот момент преобладают мелкие митохондрии, которые образуют скопление вблизи ядра, а иногда находятся в непосредственном контакте с кариолеммой. Во многих нейронах уменьшается число лизосом, гипертрофируются цистерны эндоплазматической сетки и элементы комплекса Гольджи. В нейроплазме одиночных нейронов образуются спиралеподобные тельца, которые, по нашему мнению, являются результатом закручивания цистерн эндоплазматической сетки. Значительно увеличивается количество свободных рибосом. Такая перестройка органелл нервной клетки обеспечивает их переход на новый уровень функционирования [3], [4]—[6]. На этом этапе адаптации к ФН во многих нейроцитах спинномозгового узла выявляется положительная структурная перестройка.

При увеличении кратности действия физической нагрузки (до 20 раз) изменения цитоплазматических структур в нейроцитах усиливаются и приобретают более генерализованный характер. В светлых нейроцитах приобретает чёткость структура глубокой хроматофильной субстанции. В составе этих нейроцитов исчезают аутолизосомы и липофусциновые тельца, которые выявлялись на более ранних этапах восстановительного периода после ДГК в ЭГ и, особенно, в сравнении с КГ животных. Митохондрии нейроцитов представляют неоднородную популяцию. Рядом с патологически измененными встречаются мелкие и средние митохондрии с сохранёнными кристами. Такая гетерохронность в строении митохондрий может встречаться даже в пределах одного нейроцита.

Увеличение кратности действия физической нагрузки (до 25 сеансов) ведет к структурным изменениям также и в темных нейроцитах (рисунок 2).

1 - ядро нейроцита, 2 - цитоплазма нейроцита, 3 - ядро глиоцита, 4 - базальная мембрана, 5 - отросток глиоцита, 6 - ядро нейроллемоцита, 7 - миелиновое нервное волокно

Ув.: х 8000.

Рисунок 2. - Ультраструктурное строение темного нейроцита в составе спинномозгового узла у крысы ЭГ после 25 сеансов физической нагрузки средней аэробной мощности

В их цитоплазме оказываются участки концентрации вакуолизированных митохондрий, отмечается гипертрофия комплекса Гольджи и расширение цистерн эндоплазматической сетки, что часто сопровождается увеличением количества фиксированных рибосом.

БІЯЛАГІЧНЫЯ НАВУКІ

49

Реакция ядерного аппарата на 5-10-кратное влияние физической нагрузки характеризуется повышенной подвижностью кариолеммы. В светлых нейроцитах появляется значительное количество инвагинаций кариолеммы, расширяется перинуклеарное пространство, ядрышки вакуолизируются, увеличивается их количество.

С последующим увеличением кратности действия физической нагрузки в кариолемме появляются “открытые поры”, что отражает процесс активации трансмембранного переноса веществ [3], [4]. Иногда в ядрах наблюдаются округлые тельца, которые образуются не только в ответ на действие физической нагрузки, но также и других химических и физических факторов

[1], [3], [7].

У животных КГ отсутствие активной физической нагрузки приводит к другой динамике изменений в период восстановления. Через 5 суток ультраструктурные постгипокинетические изменения не только сохраняются, но и усиливаются, и только через 10 суток восстановительного периода в отдельных нейроцитах определяются признаки компенсаторно-приспособительных реакций. Большая часть нейронов имеет признаки деструктивных процессов. Нужно отметить, что у этих животных восстановительные процессы имеют также и другую динамику, а именно через 15-20 суток восстановительные процессы начинаются параллельно как в светлых, так и в темных нейронах. Такая одновременная репаративная реакция является невыгодной с энергетической точки зрения, о чём свидетельствуют данные научной литературы. Например, теория десинхронизации адаптивных процессов, или принцип перемежающейся функциональной активности, объясняет выгодность и эффективность роста трубчатых костей в ширину и в длину в разные временные периоды [7], в разное время суток возникает энергетически выгодная и целесообразная активация отделов головного мозга [8], адаптация клеточных органоидов [3], [4], и процессы созревания целых клеточных ансамблей [2] также имеют определенную временную последовательность.

Реактивные изменения в ганглиозных глиоцитах развиваются лишь при многократном (1520-кратном) действии физической нагрузки средней аэробной мощности, что свидетельствует о более низкой пластичности этих компонентов спинномозгового узла. Они проявляются локальным расширением зон контакта глиоцитов с нейроцитом и ослаблением связей глиоцитов между собой. Увеличение кратности действия физической нагрузки средней аэробной мощности до 25-30-крат сопровождается углублением контакта глиоцитов и нейрона, которые образуют взаимные инвагинации. В самих глиоцитах определяется вакуолизация цитоплазмы и митохондрий, оказываются локальные скопления липидных включений разнообразной электронно-оптической плотности и размеров. Ультраструктура глиоцитов после 30-кратной ФН свидетельствует о доминировании в большинстве из них явлений физиологической регенерации.

У животных КГ возобновление двигательной активности не сразу приводит к восстановлению ультраструктуры глиоцитов. Так, через 5 суток в большинстве перинейрональных глиоцитов усиливается вакуолизация цитоплазмы, особенно на стороне, обратной к телу нейрона. Нередко везикулы сливаются в более крупные вакуоли, внутри которых встречаются многослойные пузырьки. Ядра глиальных клеток имеют сильно иссеченные очертания, наблюдаются признаки их сморщивания и вакуолизации.

Ультраструктура глиоцитов через 30 суток восстановительного периода свидетельствует о том, что в большинстве глиальных клеток явления физиологической регенерации отсутствуют.

У подопытных животных ЭГ во всех сериях ФН в спинномозговом узле отмечается структурная перестройка кровеносных сосудов микроциркуляторного русла: нормализация микрорельефа и отсутствие исчерченности очертаний люминальной поверхности, уменьшения численности пиноцитозных пузырьков в цитоплазме эндотелиоцитов, нормализация структуры ядра - всё это явления, выраженность которых нарастает с увеличением кратности действия ФН средней аэробной мощности. Рядом с этим уменьшается складчатость базальной и люминальной поверхностей эндотелиоцитов, нормализуется величина межклеточных щелей.

У животных КГ кариолемма образует глубокие инвагинации, а ядра имеют признаки набухания или пикноза. В цитоплазме эндотелиоцитов сохраняются явления отека, пиноцитозные пузырьки концентрируются, в основном, на базальной плазмаллемме. При этом, базальная мембрана микрососудов разрыхлена и утолщена. Эти изменения сохранятся до 15-ти суток, тогда как после влияния ФН изменения в отдельных сосудах наблюдаются только до 5-х суток.

50

ВЕСНІК МДПУ імя І. П. ШАМЯКІНА

Выводы

1. Физическая нагрузка средней аэробной мощности вызывает существенную морфофункциональную перестройку нейроцитов, нейроглии и кровеносных сосудов в спинномозговом узле.

2. Более ранняя реакция свойственна светлым нейроцитам. При этом выраженность и локализация ультраструктурных изменений зависит от кратности действия физической нагрузки средней аэробной мощности: при начальных дозах они оказываются преимущественно в цитоплазматических структурах нейроцитов, при многократных - охватывают также структуры ядра, возникают реактивные изменения в глиоцитах. Раннюю и четко выраженную адаптационную реакцию на влияние физической нагрузки средней аэробной мощности дает эндотелий кровеносных сосудов, что подчеркивает наличие тесной взаимозависимости в микросистеме “нейрон-глио-гемокапилляр”.

3. Выявленные нами адапатационные ультраструктурные изменения в спинномозговом узле являются составляющей процесса формирования долговременного структурного следа адаптации нервной системы к физической нагрузке.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Манина, А. А. Ультраструктурные основы деятельности мозга / А. А. Манина. - М. : Медицина, 1976. - 237 с.

2. Левицкий, В. А. Нейроно-глио-капиллярные взаимотношения в составных компонентах простой рефлекторной дуги на протяжении постнатального периода онтогенеза : дис. ... д-ра мед. наук / В. А. Левицкий. - Івано-Франківськ, 1997. - 464 л.

3. Ломагин, А. Г. Нарушение и восстановление ультраструктуры ядрышка при повреждении клетки физическими и химическими агентами / А. Г. Ломагин // Успехи соврем. биол. - 1987. - Т. 103, вып. 1. - С. 81-93.

4. Машанский, В. Ф. Ранние реакции клеточных органоидов / В. Ф. Машанский, И. М. Рабинович. -Л. : Наука, 1987. - 311 с.

5. Мошков, Д. А. Адаптация и ультраструктура нейрона / Д. А. Мошков. - М. : Наука, 1985. - 198 с.

6. Попель, С. Л. Динамика ультраструктурных изменений составных компонентов спинномозговых узлов под влиянием физических нагрузок средней аэробной мощности / С. Л. Попель, В. А. Левицкий // Запорожский медицинский журнал. - 2002. - Т. 13, №3. - С. 71-73.

7. Струков, А. И. Морфологический эквивалент функции / А. И. Струков, О. К. Хмельницкий, В. П. Петленко. - М. : Медицина, 1983. - 208 с.

8. Перминов, К. А. Гемодинамические данные и показатели нервной системы во взаимосвязи с уровнем стрессустойчивости, физическим развитием в условиях функциональных нагрузок / К. А. Перминов, В. Ф. Трушков // Фундаментальные исследования. - 2007. - №8 - С. 111-114.

Поступила в редакцию 09.06.15 E-mail: serg_popel@mail.ru

S. L. Popel', B. M. Mytckan

INFLUENCE OF PHYSICAL LOADINGS ON ULTRASTRUCTION ORGANIZATION OF SPINAL NODUS OF RATS AFTER PROTRACTED GYPOKINESIA

The aim of the work was to investigate ultrastruction alteration of neurons of rat spinal nodus at the physical loading of the middle aerobic power after protracted hypokinesia. Research was conducted on sexually matured 60 rats-males of Wistar line. Group I was a control banding (30 rats), Group II was an experimental one (30 rats). Physical load was modeled by means of run in the tredbane during 10 min within 30 days. As a result, different forms of morphological changeability of neurocytes of rat spinal nodus after protracted hypokinesia have been shown. It was set that ultrastruction alteration in a spinal nodus after protracted hypokinesia and subsequent physical loading of middle aerobnoy power are accompanied by appropriate changes of neurons and their surroundings. It is accompanied by reactive changes in gliocytes and circulatory system of microvessels. It underlines the presence of close interdependence in microsystem of “neuron-glia-blood vessels”.

Key words: spinal nodus, neuron, physical loading, hypokinesia, rat.