Поддержание температуры тела является жизненно-важным процессом у теплокровных животных и человека. Учитывая, что повышение температуры тела зачастую приводит к головной боли, было показано участие термосенсоров в патогенезе мигрени. Считается, что пусковым механизмом боли при мигрени является активация волокон тройничного нерва. Известно, что термосенсорами в термочувствительных нейронах являются каналы суперсемейства TREK и TRP, при этом разные представители каналов активируются в различных диапазонах температур. Среди TRP каналов наиболее значимыми для патогенеза мигрени являются TRPV1, которые активируются при температуре выше 42°С; TRPV3 – выше 32°С; TRPV4 – при 27-34°С; TRPM8 – при 8-25°С; и TRPA1 – ниже 16°С, что также не исключает вероятность их кооперативного взаимодействия.

В настоящей работе мы исследовали влияние изменения температуры на электрическую активность тройничного нерва крысы.

Эксперименты проводили с использованием препарата получерепа крысы. Регистрацию потенциалов действия (ПД) проводили от тройничного нерва, выделенного из менингеальной оболочки, с использованием внеклеточного электрода. Препарат помещался в ванночку и перфузировался раствором Кребса. В ходе эксперимента регистрировали ПД, возникающие в течение 10 минут на следующих этапах: в контроле при температуре 22-23°С; после повышения температуры раствора в ванночке до 27°С; после повышения температуры раствора в ванночке до 37°С; после понижения температуры до 27°С с добавлением в раствор капсаицина в концентрации 1 µМ.

ПД группировались с помощью кластерного анализа, который позволяет оценить вклад отдельных нервных волокон в общую активность тройничного нерва.

В среднем количество ПД за 5 минут в контроле составило 612±219 (среднее ± стандартная ошибка среднего; n=5). Повышение температуры раствора от 22 до 27°С приводило к достоверному увеличению количества ПД за 5 минут до 1616±347 (ttest; р<0.01). Затем повышали температуру до 37°С, что в течение 5 минут вызывало увеличение количества ПД c 1066±270 до 1421±314 (р<0.05). Последующая аппликация капсаицина в концентрации 1 µМ не изменяла частоту ПД. Среднее количество ПД за 5 минут действия капсаицина незначительно уменьшилось с 1362±222 до 1271±281(р=0.86).

Серия экспериментов с увеличением температуры от 22 до 37°С показала достоверное увеличение количества ПД за 5 минут от 447±214 в контроле до 1764±717 при повышении температуры (Т-критерий Уилкоксона; p<0.01; n=9). Последующая аппликация капсаицина после понижения температуры показала незначительное увеличение количества ПД за 5 минутный интервал с 931±388 до 959±358 (p=0.75).

Кластерный анализ зарегистрированных в тригеминальном нерве ПД показал, что активность возникновения ПД в кластерах различается. Кластерный анализ проводили для серии экспериментов с последовательным изменением температуры до 27, 37°С и после аппликации капсаицина для того, чтобы выявить способность нервных волокон отвечать на различные воздействия, приводящие к изменению электрической активности. Кластер считался ответившим, если количество ПД в этом кластере удвоилось при увеличении температуры до 27°С, 37°С или при аппликации капсаицина. В результате анализа было показано: 22% кластеров не ответили ни на одно из воздействий; 16% кластеров отвечали на увеличение температуры до 27°С; 5% только на увеличение температуры до 37°С; 10% кластеров ответило только на аппликацию капсаицина; 32% кластеров ответило и на увеличение температуры до 27°С и на последующее увеличение температуры до 37°С. Таким образом, наличие кластеров с различным профилем активности предполагает, что нервные волокна тригеминального нерва могут отвечать на температурные воздействия в различных диапазонах и, следовательно, могут содержать разные типы термосенсоров.

Предположив, что в нервных волокнах Аδ- и С-типа (с соответствующими амплитудно-временными параметрами ПД) присутствуют различные типы термосенсоров либо их сочетания, мы провели расчет средней амплитуды ПД по группам кластеров, ответивших на изменение температуры и капсаицин. Оказалось, что существует достоверное отличие между некоторыми группами. Например, средняя амплитуда ПД не ответивших кластеров составила 8.7±0.76 отн. ед. (n=22) и была достоверно ниже (p<0.05) средней амплитуды кластеров, ответивших на повышение температуры до 37°С и была равна 12.9±1.6 отн.ед. (n=5). В то же время средняя амплитуда ПД для самой многочисленной группы кластеров (n=41), ответивших на увеличение температуры до 27°С и до 37°С, составила 10.8±2.05 отн.ед. и была достоверно ниже средней амплитуды групп кластеров, ответивших на увеличение температуры до 27°C (11.5±1.18 отн.ед., n=21, p<0.005), 37°C (12.9±1.6 отн.ед., n=5, p<0.001), и аппликацию капсаицина (11.8±1.46 отн.ед., n=13, p<0.05).

Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) при увеличении температуры происходит увеличение количества ПД; 2) волокна, входящие в состав тригеминального нерва, могут содержать характерное для каждого типа нервных волокон сочетание TRP каналов, определяющее их реакцию на различную температуру; 3) различное сочетание TRP каналов может указывать на принадлежность нервных волокон к Аδ или С-типу.

Мы предполагаем, что активация термосенсоров, действуя совместно с химическими агентами, играет большую роль в возникновении патологической активности в нервных волокнах менингеальной оболочки, что может приводить к возникновению болевого синдрома в патогенезе мигрени.

Работа выполнена за счет средств Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030)».

Maintaining body temperature is a vital process in homoiotherms. The fact that an increase in body temperature often leads to headache, led to discovery that thermoreceptors take part in migraine. It is believed that the trigger mechanism for migraine pain is the activation of trigeminal nerve fibers. It is known that channels from the TREK and TRP superfamilies serve as thermosensors in thermosensitive neurons, and different representatives of these channels are activated in different temperature ranges. Among TRP channels TRPV1 type is the most significant for migraine, and is activated at temperatures above 42°C; TRPV3, TRPV4, TRPM8, and TRPA1 types cannot be excluded from the possibility of their cooperative interaction and are activated at above 32°C, 27-34°C, 8-25°C, and below 16°C, respectively.

In this work, we investigated the effect of temperature changes on the electrical activity of the rat trigeminal nerve.

The experiments were carried out using a rat half-skull preparation. Action potentials (AP) were recorded from the trigeminal nerve isolated from the meningeal membrane and placed in a bath that was perfused with Krebs solution. Recordings were done using an extracellular electrode. During the experiment different conditions were applied for 10 minute as follows: control at a temperature of 22-23°C; increasing the temperature of the solution to 27°C; increasing the temperature of the solution to 37°C; lowering the temperature to 27°C, and adding capsaicin (1 µM).

Recorded APs were identified and grouped using cluster analysis that makes it possible to assess the contribution of individual nerve fibers to the overall electrical activity of the trigeminal nerve.

The average number of APs per 5 minutes in the control was 612±219 (mean ± sem; n=5). In 5 minutes after increasing the temperature of the solution from 22 to 27°C the amount of APs significantly increased up to 1616±347 (t-test; p<0.01). Within 5 minutes after the temperature was raised to 37°C the amount of APs increased from 1066±270 to 1421±314 (p<0.05). Subsequent application of capsaicin at a concentration of 1 µM slightly decreased frequency of AP from 1362±222 to 1271±281 (p=0.86).

A series of experiments with an increase in temperature from 22 to 37°C within first 5 minutes showed a significant increase in the amount of APs from 447±214 in control to 1764±717 (Wilcoxon T-test; p<0.01; n=9). Further use of capsaicin, after lowering the temperature down to 27°C, showed a non-significant increase in the amount of APs over a 5-minute interval from 931±388 to 959±358 (p=0.75).

Cluster analysis of APs recorded in the trigeminal nerve showed that the occurrence of APs in each cluster was different. Cluster analysis was carried out for a series of experiments with sequential increase in temperature to 27°C, and 37°C, followed by application of capsaicin. This regiment of several treatments was specifically designed in order to see how nerve fibers were able to “respond” to various conditions that lead to a change in electrical activity. A cluster was considered to being able to respond if the number of APs in this cluster doubled when the temperature increased to 27°C, 37°C, or after capsaicin was applied. As a result of the analysis, it was shown that 22% of the clusters did not respond to any of the actions; 16% of the clusters responded to an increase in temperature to 27°C; only 5% responded to temperature increase to 37°C; only 10% of the clusters responded to the application of capsaicin, 32% of the clusters responded to both an increase in temperature to 27°C and a subsequent increase in temperature to 37°C. Thus, the presence of clusters with different activity profiles suggests that the nerve fibers of the trigeminal nerve can respond to temperature changes in different ranges and, therefore, can contain different types of thermoreceptors.

Assuming that different types of thermoreceptors or combinations thereof are present in Aδ- and C-type nerve fibers (with the distinct amplitude-time parameters of AP), we calculated the average AP amplitude for groups of clusters that responded to changes in temperature and capsaicin. It turned out that there was a significant difference between some groups. For example, the average AP amplitude of non-responding clusters was 8.7±0.76 a.u. (n=22) that was significantly lower (p<0.05) than in those that responded to an increase in temperature to 37°C (12.9±1.6 a.u., n=5). At the same time, the average AP amplitude for the largest group of clusters that responded to an increase in temperature to both 27°C and 37°C was 7.5±0.43 a.u. (n=41). That was significantly lower than in those that responded to an increase in temperature to 27°C (11.5±1.18 a.u., n=21, p<0.005), 37°C (12.9±1.6 a.u., n=5, p<0.001), or after capsaicin was applied (11.8±1.46 a.u., n=13, p<0.05).

Thus, the following can be concluded: 1) with an increase in temperature, an increase in the amount of APs occurs; 2) the fibers that make up the trigeminal nerve may contain a combination of TRP channels that is different in each type of nerve fibers and that determines their distinct response to different temperatures; 3) a different combination of TRP channels possibly is indicative of the Aδ or C fiber type.

We suggest that the activation of thermoreceptors, acting together with chemical agents, plays an important role in the occurrence of pathological activity in the nerve fibers of the meningeal sheath that can lead to the onset of pain in migraine.

This paper was supported by the Kazan Federal University Strategic Academic Leadership Program (PRIORITY-2030).