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1、热应激小鼠脑电图表现及脑组织的电镜观察分析 杨芬 万琪 吴松笛 摘 要 目的 研究急性热应激条件下小鼠脑组织超微结构及脑电图的变化。方法 采用恒温恒湿动物箱建立不同温度 ( 2 4 、3 4 、3 7 、3 8 . 5 、4 0 、4 2 , 各6 0 m i n, 相对湿度6 0 %) 的热应激模型。观察成年昆明种小鼠的行为表现, 监测体温及脑电图。 透射电镜观察大脑海马组织的细胞形态改变。结果 3 4 环境温度仅引起小鼠直肠温度升高。3 7 以上的环境温度不仅使小鼠直 肠温度升高, 还使其发生脱水, 且诱发小鼠惊跳、 逃窜行为; 脑电图出现明显异常, 幅值增大, 节律减慢, 但4 2 环境
2、温度下脑电图频率 增快。电镜检查结果提示只有4 2 环境温度才引起海马组织病理性改变。结论 小鼠对环境高热敏感, 随着核心温度升高出现行 为性体温调节, 其脑电图及脑组织细胞形态学变化反映了高温环境对中枢神经系统的影响。4 0 以下环境高温引起的急性脑功能紊 乱是可逆的, 4 2 的环境温度可造成脑组织结构改变, 大多数小鼠会因中暑而死亡。 关键词 热应激障碍; 行为; 脑电描记术; 海马; 显微镜检查, 电子, 扫描透射 中国图书资料分类号 R 3 6 3 . 1 2 3 E l e c t r o nm i c r o s c o p i c s t u d yo f b r a i n
3、t i s s u e a n dE E Go fm o u s e a f t e r a c u t eh e a t s t r e s s Y a n gF e n,W a nQ i,W uS o n g d i . D e p a r t m e n t o fN e u r o l o g y,X i j i n gH o s p i t a l,F o u r t hM i l i t a r yM e d i c a lU n i v e r s i - t y ,X i a n7 1 0 0 3 2,C h i n a A b s t r a c t O b j e c t
4、i v e T os t u d yt h ec h a n g e s i nt h ec e n t r a ln e r v o u ss y s t e mi na d u l tm i c ea f t e rv a r i o u sd e g r e e so fa c u t eh e a ts t r e s s . M e t h o d s A d u l tm i c ep l a c e d i n i n s u l a t e dc a g e sw e r ee x p o s e dt o2 4 ,3 4 ,3 7 ,3 8 . 5 ,4 0 o r4 2 f
5、 o r6 0 m i nr e s p e c t i v e l yw i t ha c o n s t a n th u m i d i t yo f 6 0 %. T h e b e h a v i o r r e s p o n s ew a s c a r e f u l l ym o n i t o r e d . R e c t a l t e m p e r a t u r ew a sm e a s u r e db e f o r e t h e e x p o s u r e a n d a f t e r t h ee x p o s u r e . E l e c
6、t r o e n c e p h a g r a m sw e r e t a k e n . T h e n t h eh i p p o c a m p a l n e u r o n s o f t h e s e a n i m a l sw e r e e x a m i n e dw i t h t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e . R e s u l t s H e a t s t r e s s a t 3 4 f o r 6 0m i no n l yr a i s e dt h er e
7、c t a l t e m p e r a t u r e,a n dh e a t s t r e s sa b o v e3 7 f o r6 0m i nn o to n l y r a i s e dr e c t a l t e m p e r a t u r e,b u t a l s o i n d u c e dw a t e r l o s s a n d i r r i t a b i l i t ya n da t t e m p t t oe s c a p e . A b n o r m a lE E Gw i t h i n c r e a s e da m p l
8、 i t u d ea n d r e t a r d e dr h y t h mc o u l db e o b s e r v e d . H o w e v e r,w h e nm i c ew e r e e x p o s e d t o 2 4 a n d3 4 s u c hb e h a v i o r d i dn o t a p p e a r . A f t e r e x p o s u r e t o 4 2 ,E E Gf r e q u e n c y i n c r e a s e da n dp a t h o l o g i c a l c h a n
9、g e s i nh i p p o c a m p u sn e u r o n sw e r e f o u n d . T h em a i nu l t r a s t r u c t u r a l c h a n g e s i n c l u d e d d e g e n e r a t i o no fh i p p o c a m p a l n e u r o n s,e x p a n s i o no f s p a c ea r o u n dc a p i l l a r y,d e c r e a s e i nn u m b e ro fs y n a p t
10、 i cv e s i c l e,a n dd e c o m p o s i t i o no f s y n a p s e . C o n c l u s i o n M i c ew e r ev e r ys e n s i t i v e t oh e a t s t r e s s . A n i n c r e a s e i nc o r e t e m p e r a t u r ec o u l d i n d u c eb e h a v i o r a l t h e r m o r e g u l a t i o n . E E Ga n de l e c t r
11、 o nm i c r o s c o p i c s t u d yr e v e a l e dc h a n g e s i n t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e ma f t e rh e a t s t r e s s . F o l l o w i n ge x p o s u r e t oh i g he n v i r o n - m e n t a l t e m p e r a t u r eu n d e r 4 0 ,a c u t ed y s f u n c t i o no fb r a i nw a s r
12、 e v e r s i b l e . A t 4 2 ,d a m a g e t ot h eb r a i nt i s s u eo c c u r r e d,a n dm o s tm i c e d i e do fh e a t s t r o k e . K e yw o r d s h e a t s t r e s s;b e h a v i o r;e l e c t r o e n c e p h a l o g r a p h y;e l e c t r o nm i c r o s c o p e;h i p p o c a m p u s,e l e c t
13、r o n,s c a n n i n g t r a n s m i s s i o n 机体暴露于热环境下可出现热损伤, 即脱水、 电解 质失衡、 体温调节障碍。最严重的热损伤为中暑, 具有 严重高体温、 多器官功能衰竭及神经系统损害等特征。 目前中枢神经系统在高温环境下的变化还不是很清 楚, 尤其缺乏实验动物学方面的研究。本实验模拟急 性受热环境, 观察动物的行为表现及脑电图改变, 并通 过电镜技术观察脑组织的形态学表现, 以期为临床评 估热损伤患者的病情提供一定的理论基础。 1 材料与方法 1 . 1 热应激动物模型的建立 健康雄性昆明小鼠3 6 只, 6周龄, 购于第四军医大学实验动
14、物中心, 利用随机 数字表将其均分为6组, 即2 4 、 3 4 、3 7 、3 8 . 5 、 4 0 、4 2 6种不同环境温度组, 每组6只。实验前动 物适应环境1 5天。饲养条件为: ( 2 2 1), 相对湿度 4 0 % 5 0 %, 自然昼夜非直接光照, 自由饮食。实验时 间9: 0 0 2 0:0 0, 将动物暴露于恒温恒湿动物箱( 第四 军医大学航空航天生理医学系自制) 中, 温度分别为 2 4 、3 4 、3 7 、3 8 . 5 、4 0 、4 2 , 相对湿度均为 6 0 %, 各6 0 m i n。于实验前后将体温计插入小鼠直肠内 约2 c m处, 测量直肠温度变化情
15、况。 1 . 2 行为观察 实验过程中注意观察小鼠在高温环 境中的行为表现, 如姿势、 活动情况及有无出汗等。 1 . 3 脑电图描记 热应激结束后, 取出小鼠, 固定四 肢, 尽量减少外界人为影响, 将针电极插入左右颞骨的 表面, 并与同侧耳电极连接, 将地线接于铜丝网上, 待 稳定后监测脑电图。纸速3 c m/s, 敏感性5 0 V /5 m m。 1 . 4 组织准备及电镜检查 测量完脑电图, 立即用 1 %戊巴比妥钠麻醉小鼠, 开胸, 暴露心脏, 生理盐水 1 0 m l冲洗血液,4 %的多聚甲醛4 0 m l灌注后取出脑组 作者简介: 杨芬, 硕士生。主要从事热应激对认知功能影响的研
16、究 作者单位:7 1 0 0 3 2 西安 第四军医大学西京医院神经内科( 杨芬、 万 琪、 吴松笛) 通信作者: 万琪, 电话:0 2 9 - 8 4 7 7 5 9 2 1,E - m a i l:x s h e n e i f m m u . e d u . c n 561 解放军医学杂志2 0 0 6年2月 第3 1卷 第2期M e dJC h i nP L AV o l 3 1N o2F e b r u a r y2 0 0 6 织, 冰上操作分离出海马, 修剪成1 m m 3组织块, 立即放 入戊二醛固定液中送本校电镜中心行透射电镜检查, 观察神经元、 毛细血管及其周围组织、 突触
17、及细胞超微 结构的变化情况。 2 结 果 2 . 1 直肠温度的变化情况及行为学表现 小鼠的基 础体温一般为3 6 3 8 。在3 4 的环境下, 小鼠直肠 温度升高, 但变化幅度不大, 未超过3 9 , 小鼠活动正 常。大于3 7 的热应激条件下, 直肠温度变化明显, 6 0 m i n后常高达3 9 以上, 脱水是其重要的生理学表 现, 可见头颈部及胸部毛发潮湿, 最初小鼠表现为理 毛, 全身松弛状态, 精神萎靡, 活动减少, 但随着直肠温 度增高, 小鼠转为兴奋状态, 表现为惊跳、 逃窜行为。 处于4 2 的环境中, 小鼠的体温达4 2 以上, 无法用普 通温度计测量, 且出现个别小鼠死
18、亡现象。 2 . 2 脑电图表现 正常环境2 4 中小鼠的脑电图为 节律规整的1 0 H z波, 当给予热应激后, 小鼠的脑电 图出现明显变化, 波幅增加, 节律减慢, 呈3 4 H z波 3 4 、3 7 、3 8 . 5 、4 0 的热刺激脑电图表现基本相 同, 但4 2 的高温环境中, 小鼠脑电图又出现波节 律, 且幅值较正常明显增高。 2 . 3 电镜结果 在2 4 环境温度中, 小鼠神经元以常 染色体为主, 核膜清楚, 核仁明显, 细胞内可见各种细 胞器, 如内质网、 线粒体和高尔基体等; 突触结构清楚, 突触小泡正常; 毛细血管及其周围组织正常。给予 3 4 、3 7 、3 8 .
19、 5 、4 0 的高温刺激后, 上述结构未发 现明显异常, 偶有高尔基复合体扩张、 紊乱。在4 2 的 高温应激下, 电镜检查见明显的形态学改变, 神经细胞 体积缩小, 细胞内电子密度增高, 胞质浓缩, 细胞膜呈 螺旋状卷曲, 形成典型的髓鞘样结构。内质网变得短 小, 分散, 排列紊乱; 突触结构出现融合样改变, 突触小 泡减少; 毛细血管腔内可见脱落的内皮细胞, 血管周围 组织间隙增大。 3 讨 论 热应激处理后, 高热和脱水是最主要的生理学现 象。本实验发现, 在不同程度的热应激条件下, 小鼠的 直肠温度均升高, 且环境温度越高升高越明显。3 4 的环境高温仅引起直肠温度增加, 而无脱水症
20、状, 小鼠 的行为也无异常。但3 7 及更高程度的热应激时小鼠 出现异常行为, 如理毛、 松弛姿态、 活动减少等, 提示其 以此来增加体表面积、 提高散热、 调节体温, 即行为性 体温调节。但随后由抑制转为兴奋状态, 如惊跳、 逃 窜, 有学者报道此行为可能与热应激后血管紧张素和 加压素释放增加有关 1,2。另外, 进食减少、 体重减轻、 胃出血、 低血糖、 血压升高、 心率增快及各种神经内分 泌反应也是热应激的生理现象 3。 本实验同时观察了脑电图和脑组织细胞形态学在 高温应激下的变化情况, 结果发现, 小鼠皮层脑电图热 应激后表现为幅值增大、 节律减慢的3 4 H z 波。这 与S i n
21、 h a 4报道的3 8 . 5 高温环境中自由活动大鼠的 脑电图情况基本一致。4 2 高温环境应激后小鼠的脑 电图形又出现波节律, 可能与皮质下抑制有关, 需进 一步研究。电镜结果与脑电图的改变不同步, 即在 3 4 、3 7 、3 8 . 5 、4 0 环境下脑电反应敏感, 而此时 无脑组织形态学异常, 说明轻到中度的热应激仅引起 脑功能异常, 而无中枢神经系统器质性损伤, 提示一定 时限、 一定程度的热应激所引起的神经系统方面的表 现是完全可逆的。在4 2 的高温下, 小鼠出现明显的 脑组织损伤, 而不是简单的急性脑功能紊乱, 电镜结果 提示毛细血管周围组织间隙增大, 内皮细胞变性脱落,
22、 因而血脑屏障可能在热应激下发生破坏。有学者发现 3 9 水浸应激或3 5 运动可使血脑屏障通透性发生改 变, 血清S 1 0 0 升高 5, 轴突、 神经元、 胶质细胞、 内皮细 胞等中枢神经形态学改变与核心温度严重升高、 动物 年龄、 以前是否有热暴露史等有关 6。但是高热引起 脑损伤的病理机制还不是很清楚, 需进一步研究。本 实验结果提示, 临床中暑患者应及早行脑电图检查, 以 此来反映脑损害程度并评估预后。 参 考 文 献 1N a g a s h i m aK,N a k a i S,K o n i s h iMe t a l. I n c r e a s e dh e a t -
23、e s c a p e/c o l d - s e e k i n gb e h a v i o rf o l l o w i n gh y p e r t o n i cs a l i n ei n j e c t i o ni nr a t s .A mJ P h y s i o lR e g u l I n t e g rC o m pP h y s i o l,2 0 0 1,2 8 0(4) :1 0 3 1 2K o n i s h iM,N a g a s h i m aK,K a n o s u eK. S y s t e m i c s a l t l o a d i n g
24、d e c r e a s e s b o d y t e m p e r a t u r e a n d i n c r e a s e sh e a t - e s c a p e/c o l d - s e e k i n gb e h a v i o u rv i a t h e c e n t r a lA T 1a n dV 1r e c e p t o r s i nr a t s . JP h y s i o l,2 0 0 2,5 4 5(1) : 2 8 9 3H a r i k a iN,T o m o g a n eK J,M i y a m o t oMe t a l
25、. D y n a m i cr e s p o n s e s t o a c u t eh e a t s t r e s s b e t w e e n3 4 a n d3 8 . 5 ,a n d c h a r a c t e r i s t i c s o f h e a t s t r e s s r e s p o n s e i nm i c e . B i o lP h a r mB u l l,2 0 0 3,2 6(5) :7 0 1 4S i n h aP K. E l e c t r o - e n c e p h a l o g r a md i s t u r
26、b a n c e s i nd i f f e r e n ts l e e p - w a k e s t a t e s f o l l o w i n ge x p o s u r et oh i g he n v i r o n m e n t a lh e a t .M e dB i o lE n g C o m p u t,2 0 0 4,4 2(3) :2 8 2 5W a t s o nP,S h i r v e f f sS M,M a u g h a nR J . B l o o d - b r a i nb a r r i e r i n t e g r i t y m
27、 a yb e t h r e a t e n e db ye x e r c i s e i naw a r me n v i r o n m e n t .A mJP h y s i o l R e g u l I n t e g vC o m pP h y s i o l,2 0 0 5,2 8 8(6) :1 6 8 9 6S h a r m aH S,H o o p e sP J . H y p e r t h e r m i a i n d u c e dp a t h o p h y s i o l o g yo f t h e c e n t r a l n e r v o u s s y s t e m. I n t JH y p e r t h e r m i a,2 0 0 3,1 9(3) :3 2 5 (2 0 0 5 - 0 8 - 2 2收稿 2 0 0 5 - 1 1 - 2 0修回) ( 责任编辑 胡全兵) 661 解放军医学杂志2 0 0 6年2月 第3 1卷 第2期M e dJC h i nP L AV o l 3 1N o2F e b r u a r y2 0 0 6
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