О характере взаимодействия радиационных и нерадиационных факторов космического полета в нейробиологических эффектах при их комбинированном действии на животных в модельных экспериментах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящее время получено достаточно экспериментальных данных, свидетельствующих о существенных нарушениях функций центральной нервной системы (ЦНС) на всех уровнях ее организации, вызываемых воздействием тяжелых ионов в дозах, сопоставимых с потенциально возможными в ходе Марсианской миссии. Чрезвычайно важной и в то же время наименее изученной проблемой являются нейробиологические эффекты комбинированного действия ионизирующих излучений и нерадиационных факторов космического полета (ФКП), в частности, важнейшего из них – микрогравитации. Анализируя нейробиологические эффекты взаимодействия моделируемой микрогравитации (АнОВ) и ионизирующих излучений, мы обнаружили их сложный характер: на всех уровнях организации ЦНС (от молекулярного до интегративного) наблюдались как синергические, так и антагонистические отношения при комбинированном воздействии этих факторов. Возможность антагонистического характера взаимодействия данных ФКП стала весьма неожиданным эффектом, требующим дальнейших исследований. Можно сделать вывод о том, что нейробиологические эффекты взаимодействия АнОВ и ионизирующих излучений при их синхронном комбинированном действии носят сложный характер, который мы назвали интерференционным, по аналогии с физическим явлением интерференции, проявляя синергический либо антагонистический эффекты, либо же появление новых эффектов в отношении поведения, метаболизма моноаминов и молекулярных механизмов. Не исключено, что проявление такого рода взаимодействия может приводить к нивелированию негативных последствий от воздействия этих факторов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Андрей Сергеевич Штемберг

ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: andrei_shtemberg@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8944-0296
Россия, Москва, Хорошевское шоссе 76А

Александр Александрович Перевезенцев

ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: perezx@me.com
ORCID iD: 0000-0001-6464-2887
Россия, Москва, Хорошевское шоссе 76А

Ксения Борисовна Лебедева-Георгиевская

ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: kseniagb@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-4424-6358
Россия, Москва, Хорошевское шоссе 76А

Александра Григорьевна Беляева

ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН

Email: yasya_bi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4980-6526
Россия, Москва, Хорошевское шоссе 76А

Список литературы

  1. Daunton N.D. Space neurosciences: A new frontier. Neurosci. Lett. 1987;(28):53.
  2. Григорьев А.И., Красавин Е.А., Островский М.А. К оценке риска биологического действия галактических тяжелых ионов в условиях межпланетного полета. Рос. физиол. журн. им. М.А. Сеченова. 2013;99(3):273–280. [Grigoriev A.I., Krasavin E.A., Ostrovsky M.A. To assess the risk of biological action of galactic heavy ions in the conditions of interplanetary flight. Sechenov Rossiyskiy Fisiologicheskiy Journal. 2013;99(3):273–280. (In Russ.)]
  3. Григорьев А.И., Красавин Е.А., Островский М.А. “К вопросу о “радиационном барьере” при пилотируемых межпланетных полетах. Вестник РАН. 2017;87(1):27–35. [Grigoriev A.I., Krasavin E.A., Ostrovsky M.A. “On the issue of the “radiation barrier” in manned interplanetary flights. Vestnik RAS. 2017;87(1):27–35. (In Russ.)]
  4. Rabin B.M., Joseph J.A., Shukitt-Hale B. Heavy particle irradiation, neurochemistry and behavior: threshold, dose-response curves and recovery of function. Advanc. Space Res. 2004;(33):1330–1333.
  5. Rabin B.M., Joseph J.A., Shukitt-Hale B. A longitudinal study of operant responding in rats irradiated when 2 months old. Radiat. Res. 2005; ( 64):552–555.
  6. Britten R.A., Davis L.K., Johnson A.M. et al. Low (2 cGy) doses of 1 GeV/u 56Fe-particle radiation loads to a persistent reduction in the spatial learning ability of rats. Radiat. Res. 2012;177(2): 146–151.
  7. Machida M., Lonart G., Britten R.A. Low (60 cGy) Doses of 56Fe HZE-Particle Radiation Lead to a Persistent Reduction in the Glutamatergic Readily Releasable Pool in Rat Hippocampal Synaptosomes. Radiat. Res. 2010; 174(5): 618–623.
  8. Chang P.Y., Doppalapudi R., Bakke J. et al. Biological impact of low dose-rate simulated solar particle event radiation in vivo. Radiat. Environ. Biophys. 2010;49(3):379–388.
  9. Khan S., Tariq M., Perrott J. et al. Distinctive microRNA expression signatures in proton-irradiated mice. Mol. Cell Biochem. 2013;382(3):225–235.
  10. Pecaut M.J., Haerich P., Zuccarelli C.N. et al. Behavioral consequences of radiation exposure to simulated space radiation in the C57Bl/6 mouse: open field, rotarod, and acoustic startle. Cognitive, Affective and Behavioral Neuroscience. 2002;2(4):329–340.
  11. Shtemberg A.S., Kokhan V.S., Matveeva M.I. et al. The impact of high-energy protons in Bragg peak on the behavior of rats and exchange of monoamines in some brain structures. Neurochem. J. 2015;9(1):66–72.
  12. Штемберг А.С. Проблемы экспериментального исследования комбинированного действия факторов космического полета на функции организма животных. Рос. физиол. журн. 2014;100(10): 1152–1168. [Shtemberg A.S. Problems of experimental investigation of the combined effect of space flight factors on animal body functions. Sechenov Rossiyskiy fisiologicheskiy Journal. 2014;100(10): 1152–1168. (In Russ.)]
  13. Murray R.H., McCally M. Combined environmental stresses. Bioastronautics data book. 2-nd ed. Wash. (DC): NASA, 1973. P. 881–914. (NASASP 3006).
  14. Лившиц Н.Н., Мейзеров E.С., Закирова P.M., Тихая В.А. Исследование действия вибрации, облучений и комплекса этих факторов на условные рефлексы и лабиринтные навыки в опытах на одних и тех же животных. Функции центральной нервной системы при комбинированном действии стресс-факторов. М.: Наука, 1973. P. 51–61. [Livshits N.N., Meyzerov.S., Zakirova P.M., Tikhaya V.A. Investigation of the effect of vibration, irradiationand the complex of these factors on conditioned reflexes and labyrinth skills in experiments on the same animals. The functions of the central nervous system under the combined action of stress factors. M.: Nauka, 1973. P. 51–61. (In Russ.)]
  15. Штемберг А.С. Комбинированное действие разных форм двигательной депривации и гамма-облучения на высшую нервную деятельность крыс. Авиакосмич. и экол. мед. 1997;31(2):38–43. [Shtemberg A.S. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya medicina. 1997;31(2):38–43. (In Russ.)]
  16. Штемберг А.С. Комбинированное действие гипокинезии и разных доз гамма-облучения на условнорефлекторную деятельность крыс. Авиакосм. и экол. мед. 1997;31(3):34–39. [Shtemberg A.S. The combined effect of hypokinesia and different doses of gamma radiationon the conditioned reflex activity of rats. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya medicina. 1997;31(3):34–39. (In Russ.)]
  17. Ushakov I.B., Shtemberg A.S., Krasavin E.A. et al. Effects of space radiation and combined impact of radiation and other spaceflight factors on CNS in model experiments on animals. Biol. Bull. Rev. 2019;9:93–104.
  18. Shtemberg A.S., Kudrin V.S., Klodt P.M. et al. The effects of antiorthostatic hypodynamia and overload on discriminant learning and monoamine exchange in the brain structures of mice. Neurochem. J. 2012;6(4):291–298.
  19. Kokhan V.S., Matveeva M.I., Bazyan A.S. et al. Combined effects of antiorthostatic suspension and ionizing radiation on the behaviour and neurotransmitters changes in different brain structures of rats. Behav. Brain Res. 2017;320:473–483.
  20. Kokhan V.S., Kudrin V.S., Shtemberg A.S. Serotonin and Noradrenaline Metabolism in the Brain of Rats under the Combined Action of Radiation and Hypogravity in a Ground-based Experiment. Neurochem. J. 2019;13(1):57–61.
  21. Kokhan V.S., Kudrin V.S., Shtemberg A.S. Serotonin and Noradrenaline Metabolism in the Brain of Rats under the Combined Action of Radiation and Hypogravity in a Ground-based. Neurochem. J. 2019;13(1):57–61.
  22. Kokhan V.S., Lebedeva-Georgievskaya K.B., KudrinV.S. et al. An investigation of the single and combined effects of hypogravity and ionizing radiation on brain monoamine metabolism and rats’ behavior. Life Sci. Space Res. 2019;20(1):12–19.
  23. Mao X.W., Nishiyama N.C., Pecaut M.J. et al. Simulated Microgravity and Low-Dose/Low-Dose-Rate Radiation Induces Oxidative Damage in the Mouse Brain. Radiat. Res. 2016. № 185. Р. 647–657.
  24. de OliveiraA.R., ReimerA.E., ReisF.M., BrandaoM.L. Conditioned fear response is modulated by a combined action of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis and dopamine activity in the basolateral amygdala. Europ. Neuropsychopharmacol. 2013;(23):379–389.
  25. Kaenmaki M., Tammimaki A., Myohanen T. et al. Quantitative role of COMT in dopamine clearance in the prefrontal cortex of freely moving mice. J. Neurochem. 2011;(114):1745–1755.
  26. Karoum F., Chrapusta S.J., Egan M.F. 3-Methoxytyramine is the major metabolite of released dopamine in the rat frontal cortex: reassessment of the effects of antipsychotics on the dynamics of dopamine release and metabolism in the frontal cortex, nucleus accumbens, and striatum by a simple two pool model. J. Neurochem. 1994;(63):972–979.
  27. Clark K.L., Noudoost B. The role of prefrontal catecholamines in attention and working memory. Front. Neural Circuits. 2014. № 8. Р. 33.
  28. Puig M.V., Gulledge A.T. Serotonin and prefrontal cortex function: neurons, networks, and circuits. Mol. Neurobiol. 2011;(44):449–464.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Динамика выработки УРАИ у крыс при облучении в разных дозах. По оси абсцисс: А – среднее число реакций, %; Б–В – время, с. По оси ординат – число сочетаний. А – число условнорефлекторных реакций; Б – латентный период УР; В – время реакции избавления. * р < 0,05.

Скачать (55KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Общий вид установки для исследования нейробиологических эффектов синхронного комбинированного действия длительного γ-облучения и АнОВ у крыс. Справа – стеллаж с вывешенными животными, подвергающимися комбинированному воздействию АнОГ и γ-облучения; наверху – крысы в домашних клетках, подвергающиеся только γ-облучению. Слева – источник γ-излучения; за ним, вне поля излучения – стеллаж с крысами, подвергающимися только АнОВ.

Скачать (178KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Время избегания закрытого пространства в тесте условного рефлекса пассивного избегания. По оси абсцисс – время избегания, с.

Скачать (20KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Длительность пребывания крыс в неогороженном участке приподнятого крестообразного лабиринта в 14-суточном эксперименте. По оси ординат – время, с.

Скачать (21KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Показатели активного (А) и пассивного (Б) поведения крыс в тесте “открытого поля” в 14-суточном эксперименте. а – число выходов в центр “открытого поля”; Б – число реакций замирания (freezing). По оси ординат – число реакций.

Скачать (61KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Латентный период выхода крыс в неогороженный участок приподнятого крестообразного лабиринта в 14-суточном эксперименте. По оси абсцисс – время реакции, с.

Скачать (22KB)
Метаданные
8. Рис. 7. ВЭЖХ анализ содержания моноаминов и их метаболитов. A – содержание моноаминов и их метаболитов; Б – соотношение метаболита к его нейромедиатору. К – контроль; S – АнОВ; IR – облучение; S + IR – АнОВ + облучение. Столбцы показывают среднее значение (% от контроля) + S.E.M. (%). n(K) = 8; n(S) = 8; n(IR) = 7; n(S + IR) = 8. DA – дофамин; 5-HT – серотонин; 5-HIAA – 5-гидроксииндолуксусная кислота, DOPAC – 3,4-дигидроксифенил-уксусная кислота; HVA – гомованилиновая кислота; PFC – префронтальная кора, РЗС – гиппокамп, ST – стриатум.

Скачать (72KB)
Метаданные
9. Рис. 8. ОТ-ПЦР анализ уровня экспрессии мРНК ключевых белков-участников метаболизма моноаминов. A – рецепторы серотонина. Б – рецепторы дофамина; n(K) = 4; n(S) = 4; n(IR )= 4; n(S + IR) = 4. В – ферменты-участники метаболизма моноаминов: катехол-О-метилтрансфераза (COMT) и тирозингидроксилаза (TH). Г – Na-зависимый серотониновый транспортер (SERT). Столбцы показывают среднее значение (% от контроля) + S.E.M. (%). n(K) = 7; n(S) = 7; n(IR) = 7; n(S + IR) = 7 для всех, за исключением “Б”.

Скачать (85KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025