The Neurophysiological Aspects of Hibernation in Mammals

Abstract

Hibernacja, zwana także snem zimowym, jest stanem charakteryzującym się okresem obniżonego zużycia energii, który umożliwia wielu zwierzętom przetrwanie sezonu niskich temperatur i skrajnie małego dostępu pożywienia. Zjawisko to najlepiej zostało poznane u gryzoni - susłów, chomików i świstaków. W celu zminimalizowania zużycia energii w organizmie hibernatora dokonuje się obniżenie temperatury ciała, tempa metabolizmu, spadek pulsu i ilości zużywanego tlenu, zmniejszenie przepływu krwi w mózgowiu i suspresja odpowiedzi immunologicznej. Stan ten nosi nazwę torporu. Fazy torporu przerywane są krótkimi okresami cenotermii. Przechodzenie z głębokiej hibernacji do cenotermii związane jest z ze zmianami struktur wewnątrzkomórkowych neuronów, jak i dysocjacji klastrów białek z synaps. Żeby zdać sobie sprawę ze skomplikowania tego zjawiska, trzeba wziąć pod uwagę wyraźne zmiany w ekspresji genów, poziomach aminokwasów czy neurotransmisji. Ponadto, niektóre struktury mózgowia modyfikują swoje funkcje. Hibernujące ssaki wykształciły szereg mechanizmów chroniących układ nerwowy i pozwalających na efektywną pracę po wybudzeniu, takich jak channel arrest czy odbudowa połączeń synaptycznych. Białko tau, związane z organizacją mikrotubul, tworzy neurofibrylarne splątki u ludzi dotkniętych chorobą Alzheimera, podczas gdy u hibernatorów nie wiążą się one z żadnymi negatywnymi zmianami w obrębie tkanki nerwowej. Dlatego też dalsze badania nad tym zjawiskiem mogą pomóc zapobiegać, leczyć i minimalizować przykre skutki rozmaitych chorób i patologii w układzie nerwowym.Hibernation, or winter rest, is a state characterized by a prolonged decreased energy expenditure that enables animals to survive the season of extremely low ambient temperatures and food shortage. The well-studied mammalian hibernators include mostly rodents: ground squirrels, hamsters, woodchucks. The condition of preserving energy is obtained by distinct suppression of metabolism and lowered body temperature featured by lowered heart rate, decreased oxygen demand and respiratory rates, reduction in cerebral blood flow and diminished responses of the immune system. These are characteristics of so-called 'torpor'. The torpid state in a hibernating mammal does not last constantly but is interrupted by cyclic, brief inter-bouts of cenothermia. This regular switching between torpor and euthermic phases has been shown to be accompanied by recurrent remodeling of some intracellular structures in hippocampal neurons as well as dissociation of synaptic protein clusters.One can easily realize how complex the phenomenon is as he takes into account explicit changes of gene expression, amino acid levels or neurotransmission. Moreover, even some brain structures modify their functions. Hibernating mammals have developed multiple mechanisms that protect brain from the damage and allow the nerve tissue to perform efficiently after arousal. Such include channel arrest and effective synaptogenesis. Microtubule-associated protein tau, which is known for forming neurofibrillary tangles in Alzheimer's disease, does not do any harm to hibernators however.Therefore, further research in neurophysiological aspects of hibernation may contribute to finding new methods of curing, preventing and minimalizing the consequences of major human neuropathological conditions and diseases