Role of Prenatal Hypoxia in Brain Development, Cognitive Functions, and Neurodegeneration

This review focuses on the role of prenatal hypoxia in the development of brain functions in the postnatal period and subsequent increased risk of neurodegenerative disorders in later life. Accumulating evidence suggests that prenatal hypoxia in critical periods of brain formation results in significant changes in development of cognitive functions at various stages of postnatal life which correlate with morphological changes in brain structures involved in learning and memory. Prenatal hypoxia also leads to a decrease in brain adaptive potential and plasticity due to the disturbance in the process of formation of new contacts between cells and propagation of neuronal stimuli, especially in the cortex and hippocampus. On the other hand, prenatal hypoxia has a significant impact on expression and processing of a variety of genes involved in normal brain function and their epigenetic regulation. This results in changes in the patterns of mRNA and protein expression and their post-translational modifications, including protein misfolding and clearance. Among proteins affected by prenatal hypoxia are a key enzyme of the cholinergic system-acetylcholinesterase, and the amyloid precursor protein (APP), both of which have important roles in brain function. Disruption of their expression and metabolism caused by prenatal hypoxia can also result, apart from early cognitive dysfunctions, in development of neurodegeneration in later life. Another group of enzymes affected by prenatal hypoxia are peptidases involved in catabolism of neuropeptides, including amyloid-β peptide (Aβ). The decrease in the activity of neprilysin and other amyloid-degrading enzymes observed after prenatal hypoxia could result over the years in an Aβ clearance deficit and accumulation of its toxic species which cause neuronal cell death and development of neurodegeneration. Applying various approaches to restore expression of neuronal genes disrupted by prenatal hypoxia during postnatal development opens an avenue for therapeutic compensation of cognitive dysfunctions and prevention of Aβ accumulation in the aging brain and the model of prenatal hypoxia in rodents can be used as a reliable tool for assessment of their efficacy

ПРОГНОЗ ЭКСТРЕМАЛЬНОГО ЗИМНЕГО МАЛОВОДЬЯ РЕКИ НОРИЛКИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

The object of the study is the Norilka River, located in the North of the Krasnoyarsk territory. Only 45% of the norm of precipitation fell in the basin of the Norilka River for the period from October 2012 to May 2013, that resulting in an extremely low spring flood formation. The feeding of the large lakes that form the river flow was also limited, as dry weather set in during the summer. This caused great concern regarding the water availability of water intakes of mining and processing plant in the city of Norilsk for the winter of 2014. The situation required the solution of a complex of hydrological tasks, the main of which is the development of a forecast of minimum water consumption for the winter of 2014. The forecast was developed using relationship between area pre-winter moistening with intensity of the winter runoff depletion. Since the capacity of the ice cover can significantly affect to decrease of the river flow, the hydrological forecast takes into account the long-term air temperatures forecast for 2013-2014 winter period. It was obtained the forecast that the minimum monthly discharge for April would be at about 22 m3/s, meanwhile daily discharge 20 m3/s. The received results were a basis for carrying out the measures directed on maintenance of steady water supply with need discharge in 7 m3/s. The low ground dam below water intakes was arranged at backwater on a site of water intakes for August-September 2013. The actual flow discharge for April 2014 was about 14 m3/s. Therefore, the construction of the dam was justified and interruptions of water supply of the plant did not happen. The methodological approaches applied to the solution of this problem can be useful in case of similar situations in the Northern regions of Russia.Объектом исследования является р. Норилка (р. Норильская), расположенная на севере Красноярского края. Работа выполнена с использованием многолетних данных гидрометеорологических наблюдений на сети Росгидромета и «Таймырской гидрометеорологической экспедиции». В бассейне р. Норилки, как и в целом в регионе Таймыра, в период с октября 2012 по май 2013 года выпало всего 45% от нормы осадков, в результате чего сформировалось чрезвычайно низкое весеннее половодье. Питание больших озер, которые формируют сток реки, также было ограничено, поскольку в летний период установилась сухая жаркая погода. Это вызвало большую обеспокоенность в отношении водообеспеченности водозаборов крупнейшего в России горно-обогатительного комбината в городе Норильске в зимний период 2014 года. Возникшая ситуация потребовала решения комплекса гидрологических задач, основная из которых – разработка прогноза минимальных расходов воды на зимний период 2014 года. Прогноз разработан на основе анализа связи предзимнего увлажнения территории с интенсивностью снижения зимнего стока. Так как мощность ледяного покрова может существенно влиять в этом регионе на пропускную способность русел рек, то в прогнозе учтены прогнозируемые температуры воздуха зимы 2013-2014 годов. В результате расчетов установлено, что минимальный месячный сток в апреле составит 22 м3/с, суточный – 20 м3/с при погрешности около ±5 м3/с. Полученные результаты явились основой для проведения мероприятий, направленных на обеспечение устойчивого водоснабжения с потребностью в 7 м3/с. Ниже водозаборов в августе-сентябре 2013 года была обустроена грунтовая перемычка, создавшая подпор на участке водозаборов. Фактический расход в апреле 2014 года составил около 14 м3/с. При ширине реки почти 200 м, формировании на ней гряд и льда мощностью до 1,5-2 м этот расход воды мог не обеспечить приток в водозаборные ковши. Поэтому строительство перемычки было оправданным и перебоев водоснабжения комбината не произошло. Методические подходы, примененные к решению данной задачи, могут быть полезны при возникновении аналогичных ситуаций в северных регионах России.   Литература Анисимов О.А., Жильцова Е.Л. Об оценках изменений климата регионов России в XX в. и начале XXI в. по данным наблюдений // Метеорология и Гидрология. 2012. № 6. С. 95-107. Гуревич Е.В. Влияние температуры воздуха на зимний сток рек (на примере бассейна р. Алдан) // Метеорология и гидрология. 2009. №9. С. 92-99. Ресурсы поверхностных вод СССР: в 20 т. Том 16. Ангаро-Енисейский район. Выпуск 1. Енисей. / Отв. ред. А.П. Муранов. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 724 с. Climate Change 2007: The Physical Science Basis / Solomon S., Qin D., Manning M. (eds.). Cambridge New York: Cambridge University Press, 2007. 1008 p. Schnorbus M., Werner A., Bennett K. Impacts of climate change in three hydrologic regimes in British Columbia, Canada // Hydrological Processes. 2014. Volume 28, Issue 3. P. 1170-1189. DOI: 10.1002/hyp.9661. Shrestha R.R., Schnorbus M.A., Werner A.T., Berland A.J. Modelling spatial and temporal variability of hydrologic impacts of climate change in the Fraser River basin, British Columbia, Canada // Hydrological Processes. 2012. Volume 26, Issue 12. P. 1840-1860 DOI: 10.1002/hyp.928

ПРИРОДНЫЕ РИСКИ И СТРАТЕГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОДООБЕСПЕЧЕННОСТИ ТЕРРИТОРИЙ

According to the “Water strategy” accepted by the Government of Russian Federation in 2009, risks of the negative influence of natural water on the environment mostly are related with the peak flood runoff. The water deficit is not in the list of risks. The water deficit has begun to increase during the past decades even in humid zones mainly due to the climate change. Therefore, there is a necessity to assess reasons and trends of water regimes and water resources changes for different territories. The twofold of the runoff distribution in the different chains of the river network displayed for the modern decades. The low flows in the lower river chains (so-called “the large rivers”) increased substantially since 1987-1990. The same situation was in “the small rivers” until 2000’s, but low flows there became decrease later (however, it is still more than it was during 1950-1970’s). The favorable conditions of the water leakage keeping for the long period had led to the disturbance of the water balance components, when water leakage in rivers became exceed their feeding, and water has “outflow” from the basins of small rivers. Nonsynchronous changes of the water regimes of river net chains of different order can’t be explained by “global approaches” to the climate changes. Therefore, there is a different suggested way to solve this problem, related to nonlinear reaction of the river basins water system to the climate long-term variations, when one quasi-stationary conditions (definite relative stable period of climate conditions) change to another. It is useful to add to “The water strategy” more detailed hydrological basis. It should include all aspects of the standard and special hydrological network development, problems of the scientific study hydrological processes, spatial-temporary nonuniformity of the different order river basins water turnover reaction on the climate change.Объектом настоящего исследования являются разномасштабные эффекты влияния изменения климата на гидрологический режим. Существующие подходы к оценке влияния климата на водные ресурсы и гидрологический режим основаны на глобальных данных или данных гидрометеорологического мониторинга регионального уровня. В соответствии с таким сложившимся подходом разрабатываются и адаптационные стратегии как на секторальном (в секторах экономики), так и на региональном уровне. Вместе с тем, реакция водного режима территорий на происходящее изменение климата, и, в первую очередь, температуры воздуха, неоднозначна для водных объектов различных масштабов. Например, на малых реках северо-запада Российской Федерации и в бассейне верхней Волги начиная с 1995-2000 г. наблюдается снижение минимального стока, в том числе зимой. Пересыхают родники, снижаются уровни грунтовых вод, деградирует первичная гидрографическая сеть. Одновременно с этим наблюдаются значительный сток в межень на крупных реках, идет активизация процессов подтоплений территорий, экзогенных процессов. Такое несинхронное изменение водности в разных звеньях гидрографической сети речных бассейнов не может быть объяснено на основе общих соображений влияния климата на сток. Соответственно, не могут быть разработаны и оптимальные адаптивные мероприятия к происходящим изменениям в водном режиме территорий. Нестационарность и нелинейность процессов формирования стока в переходный климатический период вносят большую неопределенность в гидрологическое обоснование проектирования и эксплуатации объектов водохозяйственного комплекса, сельского хозяйства, гидроэнергетики и так далее Поэтому нужен более дифференцированный подход к оценке изменений в водном режиме территорий, связанных с нелинейной реакцией водной системы речных бассейнов на климатические изменения при переходе от одного квазистационарного состояния к другому.   Литература Арефьева Е.В., Мухин В.И., Мирмович Э.Г. Подтопление, как потенциальный источник чрезвычайных ситуаций // Технологии гражданской безопасности. 2007. Том 4. № 4. С. 69-72. Жигунов A.B, Семакова Т.А., Шабунин Д.А. Массовое усыхание лесов на Северо-Западе России // Материалы научной конференции «Лесобиологические исследования на Северо-Западе таежной зоны России: итоги и перспективы», посвященной 50-летию Института леса Карельского научного центра РАН (г. Петрозаводск, 3-5 октября 2007 года). Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2007. C. 42-52 Иванова Н.Н., Ларионов Г.А. Динамика протяженности малых рек: факторы и количественные оценки // Причины и механизмы пересыхания малых рек / Под ред. А.П. Дедкова, Г.П. Бутакова. Казань: изд-во Казан.ун-та, 1996. С. 37-42 Разумов В.В., Разумова Н.В., Молчанов Э.Н. Подтопление земель в Сибирском регионе России // Геориск. 2015. № 4. С. 22-36. Рожков А.А., Козак В.Т. Устойчивость лесов. М.: Агропромиздат, 1988. 232 с. Сурина Е.А. К вопросу об усыхании ельников в междуречье Северной Двины и Пинеги в условиях глобального потепления климата // Материалы Всероссийской конференции: IV Мелеховские научные чтения, посвященные 105-летию со дня рождения Мелехова И.С. «Проблемы лесоведения и лесоводства» (г. Архангельск, 10-12 ноября 2010 г.). Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010. С. 188-191. Grigoriev V.Yu., Frolova N.L. Terrestrial water storage change of European Russia and its impact on water balance. // Geography, Environment, Sustainability. 2018. Vol. 11. No. 1. P. 38-50. DOI: 10.24057/2071-9388-2018-11-1-38-50 Zhuravin S.A., Markov M.L. Development of studies in small research basins in Russia and the most recent tasks. // Proceedings of the Workshop «Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins» (Goslar-Hahnenklee, Germany, 30 March–2 April 2009). / eds. by A. Herrmann, S. Schumann. IAHS Publ. 336. 2010. P. 219-224

Ontogenetic and Phylogenetic Approaches for Studying the Mechanisms of Cognitive Dysfunctions

This chapter summarizes the phylogenetic and ontogenetic approaches for studying cognitive disorders such as Alzheimer’s disease. It gives an extended example of evaluation of animal behavior and brain properties using an original model of prenatal hypoxia in rats by various physiological, behavioral, immunohistochemical, molecular biological, and biochemical techniques at different stages of postnatal development, which provide a better understanding of the pathological processes in the human brain during the development of neurodegeneration

ПЕРСПЕКТИВЫ НЕЧЕТКО-МНОЖЕСТВЕННЫХ ОПИСАНИЙ ИННОВАЦИОННЫХ РИСКОВ

The authors have summarized the shortcomings of traditional methods of risk assessment based on probabilistic approaches, identifi ed the advantages of fuzzy multiple descriptions. Justifi ed the transition to non-Markov paradigm research of innovative risk. The implementation of innovative strategies takes place inRussiaunder development trends of globalization, nonlinearity and nonequilibrium external and internal environment that requires a new understanding of the management of high risk and innovative insurance in ensuring the sustainability of modern enterprises. Under these conditions, the problem also updated the competitiveness of enterprises, based on their innovative activity. However, a number of researchers have noted inconsistencies in practice innovative risk management mechanisms and insurance management innovation in enterprises, as well as the lack of development of management problems high innovation risk that the objective obstacles increase innovation activity of the domestic economy and its post-industrial development.Авторами обобщены недостатки традиционных методов оценки рисков на основе вероятностных подходов, выявлены преимущества метода нечетко-множественных описаний. Обоснован переход к немарковской парадигме исследований инновационного риска. Реализация инновационной стратегии России проходит в условиях развития тенденций глобализации, нелинейности и неравновесности внешней и внутренней среды, что требует нового понимания особенностей управления высоким инновационным риском и страхования в обеспечении устойчивости современных предприятий. В этих условиях также актуализируется проблема конкурентоспособности предприятий, основанной на их инновационной активности. Вместе с тем, ряд исследователей отмечает несогласованность на практике механизмов управления инновационным риском и его страхования с управлением инновационной деятельностью на предприятиях, а также недостаточную разработку проблем управления высоким инновационным риском, что объективно препятствует повышению инновационной активности отечественной экономики и ее постиндустриальному развитию

PROSPECTS FUZZY MULTIPLE DESCRIPTIONS OF INNOVATIVE RISKS

The authors have summarized the shortcomings of traditional methods of risk assessment based on probabilistic approaches, identifi ed the advantages of fuzzy multiple descriptions. Justifi ed the transition to non-Markov paradigm research of innovative risk. The implementation of innovative strategies takes place inRussiaunder development trends of globalization, nonlinearity and nonequilibrium external and internal environment that requires a new understanding of the management of high risk and innovative insurance in ensuring the sustainability of modern enterprises. Under these conditions, the problem also updated the competitiveness of enterprises, based on their innovative activity. However, a number of researchers have noted inconsistencies in practice innovative risk management mechanisms and insurance management innovation in enterprises, as well as the lack of development of management problems high innovation risk that the objective obstacles increase innovation activity of the domestic economy and its post-industrial development

PRENATAL HYPOXIA IN DIFFERENT PERIODS OF EMBRYOGENESIS DIFFERENTIALLY AFFECTS CELL MIGRATION, NEURONAL PLASTICITY AND RAT BEHAVIOR IN POSTNATAL ONTOGENESIS

Long-term effects of prenatal hypoxia on embryonic days E14 or E18 on the number, type and localization of cortical neurons, density of labile synaptopodin-positive dendritic spines and parietal cortex-dependent behavioral tasks were examined in the postnatal ontogenesis of rats. An injection of 5’ethynyl-2’deoxyuridine to pregnant rats was used to label neurons generated on E14 or E18 in the fetuses. In control rat pups a majority of cells labeled on E14 were localized in the lower cortical layers V-VI while the cells labeled on E18 were mainly found in the superficial cortical layers II-III. It was shown that hypoxia both on E14 and E18 results in disruption of neuroblast generation and migration but affects different cell populations. In rat pups subjected to hypoxia on E14, the total number of labeled cells in the parietal cortex was decreased while the number of labeled neurons scattered within the superficial cortical layers was increased. In rat pups subjected to hypoxia on E18, the total number of labeled cells in the parietal cortex was also decreased but the number of scattered labeled neurons was higher in the lower cortical layers. It can be suggested that prenatal hypoxia both on E14 and E18 causes a disruption in neuroblast migration but with a different outcome. Only in rats subjected to hypoxia on E14 did we observe a reduction in the total number of pyramidal cortical neurons and the density of labile synaptopodin-positive dendritic spines in the molecular cortical layer during the first month after birth which affected development of the cortical functions. As a result, rats subjected to hypoxia on E14, but not on E18, had impaired development of the whisker-placing reaction and reduced ability to learn reaching by a forepaw. The data obtained suggest that hypoxia on E14 in the period of generation of the cells, which later differentiate into the pyramidal cortical neurons of the V-VI layers and form cortical minicolumns, affects formation of cortical cytoarchitecture, neuronal plasticity and behavior in postnatal ontogenesis which testify to cortical dysfunction. Hypoxia on E18 does not significantly affect cortical structure and parietal cortex-dependent behavioral tasks