КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В НЕРВНОЙ СИСТЕМЕ

1

• Авторы
• Файлы

Васильев Ю.Г. Шумихина Г.В. Соболевский С.А. Статья в формате PDF 113 KB

Одной из проблем морфологических исследований в гистологии и применения данных, полученных при морфологическом анализе применительно к живым объектам, является попытки найти взаимосвязь между поcмepтной структурой, выявляемой на микропрепаратах и возможностью описания особенностей их функционирования. Определенную роль в разрешении этой проблемы может играть компьютерное  моделирование некоторых биологических процессов. Достаточно перспективным, этом отношении, является выяснение распределения веществ в структурах биологических тканей с учетом законов диффузии, скорости метаболизма и трaнcмембранного переноса. Важно данное направление и в связи с невозможностью точного прижизненного определения содержания того или иного вещества в отдельных клетках и их частях, особенно в нервной системе.

Была использована методика изучения возможностей трофического обеспечения мозга с помощью математического моделирования диффузии кислорода, углекислого газа и глюкозы в программе EXCEL. Предложенный вариант моделирования рассматривает трaнcпортные потоки газов и глюкозы в реальных микрообъектах. Формирование модели предваряет приготовление серийных гистологических микропрепаратов и их объемную реконструкцию.

В компьютер заносились данные об объекте исследования. В каждом кровеносном сосуде математически определялась линейная скорость кровотока с учетом сопротивления и градиента давления. Выяснялась  содержание глюкозы и растворенных газов по ходу сосуда (при этом для кислорода рассматривались кривые диссоциации оксигемоглобина в зависимости от парциального давления кислорода, состояния кислотно-щелочного равновесия, концентрации углекислого газа). В модели учитывались коэффициенты диффузии веществ, активный трaнcембранный и трaнcэндотелиальный перенос глюкозы.

В результате были получены интересные данные. Так выяснено, что содержание кислорода и глюкозы в нервной ткани, и особенно в телах нейронов носит крайне неравномерный хаpaктер. Это существенно отличает их распределение от углекислого газа. При этом зоны минимальной концентрации глюкозы и кислорода не совпадают, и если для одних нейронов хаpaктерен дефицит кислорода, то для других ведущим является низкие возможности компенсации по глюкозе. Расстояние в 25 мкм от капилляра является критическим не для газообмена, а для обмена глюкозы. Данные, получаемые с помощью математического моделирования соотносятся с экспериментальными и клиническими наблюдениями. Так гипогликемия со снижением содержания глюкозы в артериях до уровня 0,4∙10^{-6 г глюкозы/мм3}, известная, как грубо дезорганизующая функцию мозга, сопровождается следующими изменениями в рассматриваемой модели. Уже в перикапиллярных прострaнcтвах содержание глюкозы падает до 1,1-0,4∙10^{-6 г глюкозы/мм3}. Уровень глюкозы в межклеточном веществе в крайних ячейках вокруг мембраны тел части нейронов полностью истощается, что делает невозможным усиление ее всасывания из межклеточного вещества. В наиболее слабо обеспечиваемых глюкозой зонах тел нейронов содержание глюкозы снижается до 0,02-0,006∙10^{-6 г глюкозы/мм3}. В нейропиле имеются обширные дефицитарные по глюкозе участки диаметром 30-150 мкм, в которых содержание снижается до уровня предельно низких значений от 0 до  0,05-0,06∙10^{-6 г глюкозы/мм3}. Нейроны, удаленные более чем на 15 мкм от микрососудов, оказываются в условиях тотального недостатка рассматриваемого углевода.

Результаты математического моделирования позволяют предполагать активную роль нейроглии в трaнcпорте глюкозы, во всяком случае, в условиях ее дефицита. При  глубоком дефиците глюкозы, приводящем к коме и прекоме, но не к гибели, отказ от данного показателя указывает на невозможность функционирования мозга вообще, что противоречит клиническим данным.

Математическое моделирование в стереологической реконструкции нервной трубки в сроки, когда в ней происходят процессы пролиферации и детерминации нейробластов, а также в ходе миграции нейробластов в области анатомических закладок органов также указывают на неравномерный хаpaктер распределения глюкозы и кислорода. Участки с относительно высоким содержанием этих веществ чередуются с областями с их низкой концентрацией. Участки дефицита глюкозы более локальны, но они же отличаются минимальным содержанием потрeбляемого вещества. Такое разнообразие распределения глюкозы и кислорода может явиться значимым фактором в процессе развития нервной системы. 

---