Пренатальная гипоксия входит в список главных причин детской смертности и тяжелой инвалидизации новорожденных. Актуальные для современности неблагоприятные экологические факторы, материнский стресс, курение и алкоголизм приводят к недостаточному снабжению плода кислородом. Помимо этого, в результате акушерских осложнений, новорожденный также может подвергнуться гипоксическому воздействию. Кислородное голодание на раннем этапе онтогенеза является одним из основных факторов риска развития психопатологий, нарушений в сенсомоторном развитии и способности к обучению во взрослом возрасте. Окислительный стресс, индуцированный гипоксией, является одной из основных причин развития эпилепсии.

Целью настоящего исследования явилось изучение влияния хронической пренатальной гипоксии на функционирование нейрон-глиальных сетей первичных культур клеток гиппокампа и оценка нейросетевого адаптационного потенциала к воздействию последующего острого гипоксического стресса. Объектом исследования служили первичные культуры клеток гиппокампа, полученные от 18-ти дневных эмбрионов мышей гибридной линии С57ВL/6+С3Н. Беременные самки мышей с 14 по 18 день гестации на 2 часа помещались в герметичную барокамеру для создания условий, соответствующих подъему на высоту 6500-7000 м над уровнем моря. Контрольная группа животных моделированию гипоксии не подвергалась. От эмбрионов 19-го дня гестации были получены первичные культуры клеток гиппокампа, которые культивировались в течение 21 дня. На 14-й день культивирования (DIV) часть культур подвергалась моделированию острой нормобарической гипоксии путем замены кондиционной культуральной среды на среду с низким содержанием кислорода в течение 10 минут. Спонтанная Са2+ активность первичных культур гиппокампа оценивалась на 1, 3 и 7 сутки постгипоксического периода методом кальциевого имиджинга с последующей обработкой полученных данных оригинальными математическими алгоритмами. Были проанализированы как основные параметры спонтанной кальциевой активности (число функционирующих клеток, частота и длительность кальциевого сигнала), так и сетевые характеристики нейрон-глиальных сетей.

В результате проведенных исследований было показано, что воздействие хронической пренатальной гипоксии приводит к нарушению формирования функциональной архитектуры нейрон-глиальных сетей первичных культур клеток гиппокампа, характеризующееся достоверным снижением скорости распространения сигнала по сети и количества функциональных взаимосвязей между клетками сети. Воздействие хронической пренатальной гипоксии модулирует ответ нейрон-глиальной сети на действие острой гипоксии, которое проявляется в сохранении основных параметров спонтанной кальциевой активности, таких как длительность и частота Са2+ осцилляций, при ухудшении связности культур и скорости распространения кальциевого сигнала, что, вероятно, связано с перестроением функциональной архитектуры нейрон-глиальной сети. Дальнейшее изучение молекулярно-клеточных механизмов, индуцированных гипоксией, на нейросетевом уровне позволит не только уточнить и дополнить имеющиеся знания об особенностях перинатальных повреждений головного мозга, но и усовершенствовать методы диагностики и лечения гипоксических повреждений ЦНС.

Работа выполнена в рамках проекта РНФ №18-75-10071-П с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Молекулярной биологии и нейрофизиологии» ННГУ им. Н.И.Лобачевского.

Prenatal hypoxia is included in the list of the main causes of infant mortality and severe disability of newborns. Current adverse environmental factors, maternal stress, smoking and alcoholism lead to insufficient supply of oxygen to the fetus. In addition, as a result of obstetric complications, the newborn may also be exposed to hypoxic effects. Oxygen starvation at an early stage of ontogenesis is one of the main risk factors for the development of psychopathologies, disorders in sensorimotor development and learning ability in adulthood. Oxidative stress induced by hypoxia is one of the main causes of epilepsy.



The aim of this study was to study the effect of chronic prenatal hypoxia on the functioning of neural-glial networks of primary hippocampal cell cultures and to assess the neural network adaptive potential to the effects of subsequent acute hypoxic stress. The object of the study was primary cultures of hippocampal cells obtained from 18-day-old embryos of mice of the hybrid line C57BL/6+C3H. Pregnant female mice from the 14th to the 18th day of gestation were placed for 2 hours in a sealed pressure chamber to create conditions corresponding to the rise to an altitude of 6500-7000 m above sea level. The control group of animals was not subjected to hypoxia modeling. Primary cultures of hippocampal cells were obtained from embryos on the 19th day of gestation, which were cultured for 21 days. On the 14th day of cultivation (DIV), part of the cultures were subjected to modeling of acute normobaric hypoxia by replacing the conditioned culture medium with a medium with a low oxygen content for 10 minutes. Spontaneous Ca2+ activity of primary hippocampal cultures was evaluated on the 1st, 3rd and 7th days of the posthypoxic period by calcium imaging with subsequent processing of the data obtained by original mathematical algorithms. Both the main parameters of spontaneous calcium activity (the number of functioning cells, the frequency and duration of the calcium signal) and the network characteristics of neural-glial networks were analyzed.



As a result of the conducted studies, it was shown that the effect of chronic prenatal hypoxia leads to a violation of the formation of the functional architecture of the neural-glial networks of primary hippocampal cell cultures, characterized by a significant decrease in the speed of signal propagation through the network and the number of functional relationships between the cells of the network. The effect of chronic prenatal hypoxia modulates the response of the neuron-glial network to the action of acute hypoxia, which manifests itself in the preservation of the main parameters of spontaneous calcium activity, such as the duration and frequency of Ca2+ oscillations, with a deterioration in the connectivity of cultures and the rate of propagation of the calcium signal, which is probably due to the restructuring of the functional architecture of the neuron-glial network. Further study of the molecular and cellular mechanisms induced by hypoxia at the neural network level will not only clarify and supplement the existing knowledge about the features of perinatal brain damage, but also improve the methods of diagnosis and treatment of hypoxic CNS injuries.



This research was funded by a grant from the Russian Science Foundation (RSF), project no. 18-75-10071-p. This research was carried out using The Core Facilities “Molecular Biology and Neurophysiology”.