Распространяющаяся депрессия (РД) представляет собой реакцию нервной ткани в виде кратковременной обратимой самораспространяющейся интенсивной клеточной деполяризации [1]. Острое повреждение головного мозга (черепно-мозговая травма, инсульт) и эпилептические судороги могут провоцировать волну распространяющейся депрессии (РД). Считается, что для возникновения РД необходимо локальное повышение концентрации ионов калия во внеклеточной среде, ведущее к деполяризации нейронов. Внеклеточно волна РД регистрируется как высокоамплитудный негативный сдвиг постоянного потенциала, который является наиболее надежным индикатором её развития в нервной ткани. Амплитуда волны РД отражает число нейронов, участвующих в деполяризации, а её длительность – скорость реполяризации клеточных мембран. При фокальном возникновении РД распространяется относительно медленно (2-6 мм/мин) по серому веществу мозга. Малая скорость распространения и большая длительность (0.5-1 мин) волны РД говорят о том, что основной вклад в её развитие вносят внесинаптические процессы.

Электрофизиологический эксперимент для определения изменения в связанности между двумя полушариями в кортико-лимбической системе (неокортексе) головного мозга крыс проводился на взрослых крысах-самцах линии Wistar. За две недели до начала эксперимента крысам были имплантированны электроды для регистрации электрокортикограммы (ЭКоГ) и направляющие канюли для проведения фокального микроповреждения нервной ткани. Электрическую активность фронтальной коры в широком диапазоне частот регистрировали с помощью усилителя постоянного тока с высоким входным сопротивлением и АЦП (E14-440, L-Card, Россия) в условиях хронического эксперимента.

В нашем распоряжении имелись записи ЭКоГ, полученные в условиях свободного поведения у восьми бодрствующих крыс. У ряда животных было получено несколько записей, всего 14. Появление РД в областях регистрации определялось по характерным медленным сдвигам внеклеточного потенциала. Анализировались 600-секундные эпохи записи ЭКоГ фронтальной коры обоих полушарий до и после одностороннего повреждения амигдалы и индукции волны РД. Записи ректифицировались методом скользящего среднего, удалялись низкочастотные тренды, подвергались полосовой фильтрации (50 Гц), затем корректировались артефакты, вызванные выходом сигнала за динамический диапазон АЦП. Сегменты были разделены на 20-секундные неперекрывающиеся последовательные интервалы. Для каждого интервала была вычислена мера связанности — функция взаимной информации по методу, предложенному в [2].

Анализ межполушарной функциональной связности в сигнале в целом с использованием функции взаимной информации (нелинейная, частотно неразрешённая мера ненаправленного взаимодействия) показал значительное изменение межполушарной связности под влиянием РД. Оказалось, что одновременно с падением мощности корковых осцилляций односторонняя волна РД вызывает существенное (в 2-5 раз) ослабление функциональной связанности между полушариями (уменьшение функционального сходства сигналов). Минимум взаимной информации достигается в среднем через 100 секунд после начала снижения. Восстановление связанности до фонового уровня занимает ещё 100-200 с. Работа выполнена при поддержке РНФ, грант № 22-15-00327.

1. Vinogradova L.V., Suleymanova E.M., Medvedeva T.M. Transient loss of interhemispheric functional connectivity following unilateral cortical spreading depression in awake rats. Cephalalgia. 2021 Mar;41(3):353-365.

2. Kraskov, Stögbauer H., Grassberger P. Estimating mutual information. Physical Rev. E. 69.066138, 2004.

Spreading depression (SD) is a response of nervous tissue in the form of short-term reversible self-propagating intense cellular depolarization [1]. Acute brain damage (traumatic brain injury, stroke) and epileptic seizures can provoke waves of spreading depression. It is believed that a local increase in the concentration of potassium ions in the extracellular environment, leading to depolarization of neurons, is necessary for the occurrence of SD. Extracellularly, the SD wave is registered as a high-amplitude negative shift of the constant potential, which is the most reliable indicator of its development in the nervous tissue. The amplitude of the SD wave reflects the number of neurons involved in depolarization, and its duration reflects the rate of cell membrane repolarization. In focal occurrence, SD propagates relatively slowly (2-6 mm/min) through the brain gray matter. Low propagation velocity and long duration (0.5-1 min) of the SD wave indicate that the main contribution to its development is made by extrasynaptic processes.

To determine changes in the connectivity between the two hemispheres in the cortico-limbic system (neocortex) of the rat brain, electrophysiological experiments were performed on adult male Wistar rats. Two weeks before the experiment, the rats were implanted with electrodes for electrocorticogram (ECoG) registration and guiding cannulas for focal microdamage of the nervous tissue. Electrical activity of the frontal cortex in a wide frequency band was recorded using a high input impedance DC amplifier and an ADC (E14-440, L-Card, Russia) under the conditions of a chronic experiment.

We had at our disposal ECoG recordings obtained under conditions of free behavior in eight awake rats. Several recordings, 14 in total, were obtained in a number of animals. The appearance of SD in the recording areas was determined by characteristic slow shifts of the extracellular potential. We analyzed 600-second epochs of ECoG recordings of the frontal cortex of both hemispheres before and after unilateral damage to the amygdala and induction of a single SD wave. The recordings were rectified by the moving average method, low-frequency trends were removed, bandpass filtering (50 Hz) was applied, and then artifacts caused by the signal exceeding the dynamic range of the ADC were corrected. The segments were divided into 20-second non-overlapping consecutive intervals. For each interval, a measure of connectivity, a function of mutual information, was calculated according to the method proposed in [2].

Analysis of interhemispheric functional connectivity in the signal as a whole using the mutual information function (a nonlinear, frequency unresolved measure of non-directional interaction) showed a significant change in interhemispheric connectivity associated with SD. It turned out that simultaneously with a decrease in the power of cortical oscillations, the unilateral SD wave caused a significant (2-5 times) decrease in functional connectivity between the hemispheres (a decrease in functional similarity of signals). The minimum of mutual information was reached in about 100 s after the beginning of the decrease. It took another 100-200 s to restore connectivity to the background level. This work was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 22-15-00327).

1. Vinogradova L.V., Suleymanova E.M., Medvedeva T.M. Transient loss of interhemispheric functional connectivity following unilateral cortical spreading depression in awake rats. Cephalalgia. 2021 Mar;41(3):353-365.

2. Kraskov, Stögbauer H., Grassberger P. Estimating mutual information. Physical Rev. E. 69.066138, 2004.