Russian Journal of PhysiologyRussian Journal of PhysiologyРоссийский физиологический журнал им. И.М. Сеченова0869-81392658-655XThe Russian Academy of Sciences65158910.31857/S086981392303007XFSSYALEXPERIMENTAL ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИNeurobiological Effects of Combined Exposure to Antiorthostatic Suspension, Quasi-Chronic Gamma Irradiation and Heavy Ion Irradiation in RatsНейробиологические эффекты комбинированного действия антиортостатического вывешивания, квазихронического гамма-излучения и ионов углерода у крысPerevezentsevA. A.ПеревезенцевА. А.andrei_shtemberg@mail.ruLebedeva-GeorgievskayaK. B.Лебедева-ГеоргиевскаяК. Б.andrei_shtemberg@mail.ruKuznetsovaO. S.КузнецоваО. С.andrei_shtemberg@mail.ruKudrinV. S.КудринВ. С.andrei_shtemberg@mail.ruPikalovV. A.ПикаловВ. А.andrei_shtemberg@mail.ruShtembergA. S.ШтембергА. С.andrei_shtemberg@mail.ruInstitute of BioMedical Problems of Russian Academy of SciencesИнститут медико-биологических проблем РАНZakusov Institute of Pharmacology of Russian Academy of Medical SciencesНаучно-исследовательский институт фармакологии им. В.В. Закусова РАМНLogunov Institute for High Energy Physics of NRC KIИнститут физики высоких энергий им. А.А. Логунова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”ru010320232023109334836501022025Received:01022025Published:01032023Copyright ©; 2023, А.А. Перевезенцев, К.Б. Лебедева-Георгиевская, О.С. Кузнецова, В.С. Кудрин, В.А. Пикалов, А.С. ШтембергCopyright ©; 2023, А.А. Перевезенцев, К.Б. Лебедева-Георгиевская, О.С. Кузнецова, В.С. Кудрин, В.А. Пикалов, А.С. Штемберг2023А.А. Перевезенцев, К.Б. Лебедева-Георгиевская, О.С. Кузнецова, В.С. Кудрин, В.А. Пикалов, А.С. ШтембергА.А. Перевезенцев, К.Б. Лебедева-Георгиевская, О.С. Кузнецова, В.С. Кудрин, В.А. Пикалов, А.С. Штембергhttps://journals.eco-vector.com/0869-8139/article/view/651589

We have researched neurobiological effects of physical impacts, modeling conditions of interplanetary space flight: microgravity (modeled by AntiOrthostatic Suspension, AOS) and deep space radiation (modeled by quasi-chronic gamma irradiation and head irradiation by 12C ions) taking into account typological characteristics of high nervous activity (HNA) of model animals (Long Evans male rats). Behavioral changes, as well as EEG and neurochemical changes in key brain areas are investigated. We have shown difference between control and exposed animals, as well as between animals of different HNA typologies (more or less excitable), in motoric and research activity aside as in cognitive abilities. Such difference is driven by shift in balance in main inhibition and exctitation-related neurotransmitters, GABA and GLU and dopaminergic system. In particular, more excitable rats learn faster but are more vulnerable to mentioned model impacts. As a clear sign of HNA distortion we also found some changes in EEG waves.

Исследовали нейробиологические эффекты физических факторов, моделирующих в наземном эксперименте условия межпланетного космического полета: гипогравитации (модель антиортостатического вывешивания) и ионизирующих излучений (квазихроническое гамма-облучение и облучение головы животных ионами углерода 12С) с учетом типологических характеристик экспериментальных животных (самцов крыс линии Long Evans). Были изучены изменения в поведении животных, ЭЭГ и нейрохимических процессах в структурах мозга, ответственных за когнитивные и эмоциональные процессы (фронтальная кора, таламус, гипоталамус). Показаны различия в двигательной и ориентировочно-исследовательской активности, а также когнитивных функциях животных с преобладанием возбуждения или торможения под действием изученных факторов, в основе которых лежат различия в балансе основных тормозного и возбуждающего нейромедиаторов (ГАМК и глутамата). В частности, установлено, что крысы с преобладанием возбуждения быстрее обучаются, но хуже сохраняют навыки по сравнению с крысами преимущественно тормозного типа. Обнаружены изменения соотношения основных ритмов ЭЭГ в результате экспериментальных воздействий.

space radiationinterplanetary spaceflight galactic cosmic raysmicrogravitybehaviorneurochemistryкосмические полетыионизирующее излучениегалактические лучитяжелые ионынервная системанейрохимияповедениегрызуныRabin BM, Joseph JA, Shukitt-Hale B (2004) Heavy particle irradiation, neurochemistry and behavior: threshold, dose-response curves and recovery of function. Advances in Space Res 33: 1330–1333. https://doi.org/10.1016/j.asr.2003.09.051Rabin BM, Joseph JA, Shukitt-Hale B (2005) A longitudinal study of operant responding in rats irradiated when 2 months old. Radiat Res 164: 552–555. https://doi.org/10.1667/rr3349.1Britten RA, Davis LK, Johnson AM, Keeny S, Siegel A, Sanford LD, Singletary SJ, Lonart G (2012) 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 177: 146–151. https://doi.org/10.1667/rr2637.1Machida M, Lonart G, Britten A (2010) Low (60 cGy) doses of 56Fe HZE-particle radiation lead to a persistent reduction in the glutamatergic readily releasable pool in rathippocampal synaptosomes. Radiat Res 174: 618–623. https://doi.org/10.1667/RR1988.1Лебедева-Георгиевская КБ, Кохан ВС, Шуртакова АК, Перевезенцев АА, Кудрин ВС, Штемберг АС, Базян АС (2019) Нейробиологические эффект комбинированного воздействия антиортостатического вывешивания и ионизирующих излучений различного качества. Нейрохимия 3: 254–264. [Lebedeva-Georgievskaya KB, Kohan VS, Shurtakova AK, Perevezentsev AA, Kudrin VS, Shtemberg AS, Bazyan AS (2019) Neurobiological effects of combined exposure to anti-orthostatic hanging and ionizing radiation of various quality. Neurochemistry 3: 254–264. (In Russ)]. https://doi.org/10.1134/S1027813319030105Штемберг АС, Перевезенцев АА, Лебедева-Георгиевская КБ, Митрофанова ОВ, Кудрин ВС, Базян АС (2020) Роль типологических особенностей высшей нервной деятельности в нейробиологических эффектах комбинированного действия антиортостатического вывешивания, γ-излучения, протонов и ионов углерода 12С. Радиац биол Радиоэкол 1: 51–62. [SHtemberg AS, Perevezentsev AA, Lebedeva-Georgievskaya KB, Mitrofanova OV, Kudrin VS, Bazyan AS (2020) The role of typological features of higher nervous activity in the neurobiological effects of the combined action of anti-orthostatic hanging, gamma radiation, protons and carbon ions 12C. Radiac Biol Radioecol 1: 51–62. (In Russ)]. https://doi.org/10.31857/S0869803120010130Семагин ВН, Зухарь АВ, Куликов МА (1988) Тип нервной системы, стрессоустойчивость и репродуктивная функция. М. Наука. [Semagin VN, Zuhar’ AV, Kulikov MA (1988) Type of nervous system, stress resistance and reproductive function. M. Nauka. (In Russ)].Штемберг АС (1987) Роль индивидуальных типологических особенностей высшей нервной деятельности в формировании и радиационной устойчивости упроченных двигательно-оборонительных условных рефлексов у крыс. Изв АН СССР сер Биол (4): 547–557. [Shtemberg AS (1987) The role of individual typological features of higher nervous activity in the formation and radiation stability of strengthened motor-defensive conditioned reflexes in rats. Izv AN USSR ser Biol (4): 547–557. (In Russ)].Симонов ПВ (1976) Условные реакции эмоционального резонанса у крыс. В кн:Нейрофизиологический подход к анализу внутривидового поведения. М. Наука. [Simonov PV (1976) Conditional reactions of emotional resonance in rats. In: Neurophysiological approach to the analysis of intraspecific behavior. M. Nauka. (In Russ)].Айрапетянц МГ, Хоничева НМ, Мехедова АЯ, Ильяна Вильяр X (1980) Реакции на умеренные функциональные нагрузки у крыс с индивидуальными особенностями поведения. Журн высш нервн деят 5: 994. [Ajrapetyanc MG, Honicheva NM, Mekhedova AYA, Il’yana Vil’yar X (1980) Reactions to moderate functional loads in rats with individual behavioral characteristics. J Higher Nerv Activity 5: 994 (In Russ)].Хоничева НМ, Ильяна Вильяр Х (1981) Характер поведения в ситуации избегания как критерий оценки типологических особенностей крыс. Журн высш нервн деят 5: 975–983. [Honicheva NM, Il’yana Vil’yar H (1981) The nature of behavior in a situation of avoidance as a criterion for assessing the typological characteristics of rats. J Higher Nerv Activity 5: 975–983.]Логановский КН (2000) Невроические и психопатологические синдромы в отдаленном периоде воздействия ионизирующих излучений. Журн неврол психиатр им СС Корсакова 4: 15–21. [Loganovskij KN (2000) Neurotic and psychopathological syndromes in the long-term period of exposure to ionizing radiation. J Neurol Psychiatr named after SS Korsakov 4: 15–21. (In Russ)].Штемберг АС, Базян АС, Лебедева-Георгиевская КБ, Матвеева МИ, Кудрин ВС, Кохан ВС (2013) Влияние облучения протонами высокой энергии на поведение крыс и его нейрохимические механизмы. Авиакосм эколог мед 6: 54–60. [SHtemberg AS, Bazyan AS, Lebedeva-Georgievskaya KB, Matveeva MI, Kudrin VS, Kohan VS (2013) The effect of high-energy proton irradiation on rat behavior and its neurochemical mechanisms. Aerospace Ecol Med 6: 54–60. (In Russ)].Штемберг АС, Кохан ВС, Кудрин ВС, Матвеева МИ, Лебедева-Георгиевская КБ, Тимошенко ГН, Молоканов АГ, Красавин ЕА, Наркевич ВБ, Клодт ПМ, Базян АС (2015) Воздействие высокоэнергетических протонов в пике Брэгга на поведение крыс и обмен моноаминов в некоторых структурах мозга. Нейрохимия 1: 78–85. [SHtemberg AS, Kohan VS, Kudrin VS, Matveeva MI, Lebedeva-Georgievskaya KB, Timoshenko GN, Molokanov AG, Krasavin EA, Narkevich VB, Klodt PM, Bazyan AS (2015) The effect of high-energy protons at Bragg peak on rat behavior and monoamine metabolism in some brain structures. Neurochemistry 1: 78–85. (In Russ)]. https://doi.org/10.7868/S1027813315010100McGregor IS (1991) Contrasting effects of stress on medial and sulcal prefrontal cortex self-stimulation. Brain Res Bull 27(2): 225–229.Ruge H, Wolfensteller U (2013) Functional integration processes underlying the instruction-based learning of novel goal-directed behaviors. Neuroimage 68: 162–172. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2012.12.003Tulving E (1972) Episodic and semantic memory. In: Organization of Memory. E Tulving, W Donaldson (Eds). New York. Acad. 381–403.King D, Zigmond MJ, Finlay JM (1997) Effects of dopamine depletion in the medial prefrontal cortex on the stress-induced increases in extracellular dopamine in the nucleus accumbens and shell. Neurology 1: 141–153.Zaitsev AV, Lewis DA (2013) Functional properties and short-term dynamics of unidirectional and reciprocal synaptic connections between layer 2/3 pyramidal cells and fast-spiking interneurons in juvenile rat prefrontal cortex. Eur J Neurosci 38 (7): 2988–2998. https://doi.org/10.1111/ejn.12294Маркель АЛ (1981) К оценке основных характеристик поведения крыс в тесте “открытого поля”. Журн высш нервн деят 2: 301–307. [Markel’ AL (1981) To assess the main characteristics of the behavior of rats in the “open field” test. J Higher Activity 2: 301–307. (In Russ)].Zhou WL, Antic SD (2012) Rapid dopaminergic and GABAergic modulation of calcium and voltage transients in dendrites of prefrontal cortex pyramidal neurons. J Physiol 590 (16): 3891–3911. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2011.227157Белокопытова КВ, Белов ОВ, Кудрин ВС, Наркевич ВБ, Клодт ПМ, Базян АС, Красавин ЕА, Тимошенко ГН (2015) Распределение моноаминов и их метаболитов в структурах головного мозга крыс в поздние сроки после облучения ионами 12C. Нейрохимия 3: 243–251. [ Belokopytova KV, Belov OV, Kudrin VS, Narkevich VB, Klodt PM, Bazyan AS, Krasavin EA, Timoshenko GN (2015) Distribution of monoamines and their metabolites in rat brain structures in the late stages after irradiation with 12C ions. Neurochemistry 3: 243–251. (In Russ)]. https://doi.org/10.7868/S1027813315030024Bechara A, Damasio AR (2005) The Somatic Marker Hypothesis: A neural theory of economic decision. Games Econom Behav 52(2): 336–372. https://doi.org/10.1016/j.geb.2004.06.010