Содержание к диссертации
Введение
1. Нейронные сети продолговатого мозга (пм) - пример иерархических генераторных структур 6
1.1. Морфо-функциональные особенности организации респираторных нейронных сетей (РНС) ПМ 6
1.2. Ритмогенез в бульбарных нейронных сетях. Возможности биологической регуляции ритмики и состояния покоя РНС . 24
2. Методы исследований рнс на лабораторных животных. вспомогательная аппаратура для нейрофизиологических исследований на базе новых механических систем 31
2.1. Характеристика общих методов исследования РНС 33
2.2. Многоканальные микроманипуляторы. Расширение функциональных возможностей за счет увеличения числа степеней свободы 40
2.3. Измельчители и смесители для биофизических исследований.47
2.4. Автоматические микроинъекторы физиологически активных веществ в локальные нейросетевые структуры 56
2.5. Биофизические аспекты микроинъекций. Роль диффузионных процессов 60
2.6. Использования имплантированных частиц для разрушения и раздражения биологических структур 67
3. Биофизические методы управления работой генератора центральной инспираторной активности и поддержания жизнедеятельности организма 79
3.1. Регистраторы дыхания и механических перемещений в условиях естественной и искусственной нейрональной активности ДЦ 79
3.1.1.Простейшие регистраторы дыхательных движений чд
3.1.2. Многоточечные регистраторы экскурсии поверхности груд ной клетки 81
3.2. Способы и устройства для создания управляющих воздействий на респираторные нейронные сети с помощью
электрических импульсов 87
3.2.1.Двухканальный стимулятор дыхания 89
3.2.2.Способ управления дыханием лабораторного животного. 95
3.2.3.Способ управления отдельными фазами дыхания животного. 99
3.3. Биофизические аспекты тепловых воздействий. Моделирование одышки 101
3.4. Рефлексометрия. Новые типы рефлексометров 103
4. Биофизический мониторинг рнс при управляющих воздействиях электростимуляций и микроиньекций физиологически активных веществ 108
4.1. Тормозящие и возбуждающие процессы в РНС. Использование электростимуляций и микроинъекций для мониторинговых исследований 108
4.2. Электростимуляционные исследования РНС. Выбор оптимальных частотных характеристик раздражающих стимулов . 115
4.3. Реакции регуляторных дыхательных структур на микровведения и системное действие ГАМК и ее дериватов. 122.
4.3.1.Изменения биоэлектрической активности межреберных
нервов и мышц при введении ГАМК, фенибута, карфедона
в левое и правое двойные ядра в условиях электро
стимуляции 122
4.3.2.Нейро- и миографические показатели при локальном действии аминокислот на медиальные парабрахиальные
ядра 142
4.3.3. Изменение частоты дыхания, биоэлектрической активности дыхательных мышц и нервов при внутривенном, внутрибрюшинном и per-os введении ГАМК и ее производных в зависимости от дозы введения 149
5. Компьютерная щщтификация иерархических РНС 173
5.1. Основные классы структур и соответствующие им математические модели НС 174
5.2. Методы идентификации НС. Метод минимальной реализации (ММР) 187
5.3. Особенности идентификации иерархических нейросетевых систем 198
5.4. Результаты экспериментальных исследований иерархичес ких респираторных нейронных сетей 224
Выводы 236
Литература
- Ритмогенез в бульбарных нейронных сетях. Возможности биологической регуляции ритмики и состояния покоя РНС
- Автоматические микроинъекторы физиологически активных веществ в локальные нейросетевые структуры
- Многоточечные регистраторы экскурсии поверхности груд ной клетки
- Электростимуляционные исследования РНС. Выбор оптимальных частотных характеристик раздражающих стимулов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследования сложно организованных многосвязных биологических систем, к которым относятся нейронные сети (НС) мозга млекопитающих, требуют новых инструментальных подходов и принципиально новых алгоритмов и программных продуктов, которые бы обеспечивали многоканальный биофизический мониторинг таких биологических объектов. Такие же требования выдвигаются и при исследовании многих других биологических систем, имеющих большое число степеней свободы и зачастую иерархическую многоуровневую структуру. Именно такие системы требуют применения специальных многоканальных микроманипуляторов, автоматических микроинъек-торов физиологически активных веществ, эффективных бесконтактных и многоканальных устройств для специфического или неспецифического раздражения или разрушения отдельных локальных участков мозга, новых методов управления выше указанными генераторными биологическими системами.
Такие устройства и методы реализуют биофизический мониторинг и автоматизацию исследований иерархических биологических динамических систем (ИБДС) и, в частности, иерархических нейронных сетей (ИНС) мозга. Конечной же целью экспериментальных исследований является построение адекватных математических моделей ИБДС. Сама процедура автоматической идентификации ИНС, например, и автоматического построения адекватных математических моделей - весьма актуальная и до сих пор мало изученная проблема. Последние годы в связи с активной разработкой компартыентной теории ИБДС наметились определенные перспективы в деле автоматизации построения математических компартментных моделей ИБДС и ИНС, в частности. В целом автоматизация экспериментальных исследований ИНС и построение адекватных математических моделей на основе таких экспериментальных исследований - актуальная проблема как теоретической, так и экспериментальной биофизики сложных иерархических систем.
Цели и задачи исследования. Целью настоящих исследований яви-
лась разработка новых многоканальных систем съема информации с ШС, многоканальных систем управления (или разрушения) отдельных кластеров или всей ИНС в целом, получение новой информации об организации и функционировании иерархических респираторных нейронных сетей (ИРНС) и автоматизации процедуры построения и исследования математических кошартментных моделей ИШС на основе получаемых экспериментальных результатов в режиме реального физического времени.
Конкретными задачами работы были:
-
Разработать новые многоканальные микроманипуляторы для сте-реотаксического подведения раздражающих, отводящих электродов и микропипеток и создать новые устрйства для измельчения и смешиза-ния физиологически активных веществ, имеющих, в частности, плохо растворимую в воде фазу.
-
Обосновать экспериментально и разработать биологически адаптированные способы и устройства для введения и идентификации рабочих ферромагнитных частиц (РФТ), используя которые, можно создать устройства и способы для специфического и неспецифического раздражения возбудимых структур организма, в частности, для управления работой генератора центральной инспираторной активности и поддержания жизнедеятельности организма. Апробировать эти способы и устройства в лабораторных исследованиях на ИРНС.
-
Разработать метода регистрации дыхания в условиях естественной и искусственной активности РНС; создать устройства и экспериментально обосновать новые способы управления инспираторными и экспираторными нейронными сетями (ИННС и ЭНС соответственно) и управления частотой дыхания (конкретно, способ моделирования одышки).
-
Изучить эффекты действия микроинъекций и электростимуляций отдельных структур ИРНС с целью управления биоэлектрической активностью нейронных сетей и дыхательных мышц. Получить количественные зависимости динамики развития тормозящих процессов в ИННС и ЭНС и выяснить роль супрабульбарных структур в этих процессах.
5. Экспериментально и теоретически обосновать методы идентификации респираторных нейронных сетей (РНС) с простой и иерархической структурой.Выполнить экспериментальные исследования по идентификации РНС, находящихся в стационарных режимах функционирования, с построением их математических компартментных моделей. Положенияf выносимые на зашиту:
-
Разработаны новые устройства для стереотаксического многоканального подведения электродов и ыикропипеток к структурам РНС, новые способы и устройства для измельчения и смешивания физиологически активных веществ, которые плохо растворимы в физрастворе, что обеспечило введение этих веществ в структуры РНС в мжродозах.
-
С использованием электромагнитных полей разработаны способы и устройства для введения и идентификации имплантируемых рабочих ферромагнитных частиц. Используя эти РФТ, разработан комплекс устройств и способов, обеспечивающих управление респираторными нейронными сетями. В рамках данной технологии разработаны новые устройства для регистрации асимметрии дыхательных движений.
-
Экспериментально обоснованы способы совместной и раздельной регуляции активности кластеров инспираторной и экспираторной нейронных сетей, интенсивности и продолжительности биоэлектрической активности кластеров РНС, способ моделирования одышки путем биофизического управления.
-
Используя разработанные устройства и способы, экспериментально доказан ряд положений о коыпартментной и кластерной организации респираторных нейронных сетей и изучены регуляторные эффекты влияния ядер продолговатого мозга на активность РНС.
-
В рамках компартментной теории РНС возможно проведение автоматической идентификации кластерной структуры ИРНС, выполнение наблюдений за стохастическим и хаотическим характером поведения РНС вблизи точек покоя. Доказана возможность выбора оптимальных интервалов временного и частотного диапазонов наносимых тестирующих стимулов на входы РНС путем анализа изменения собственных значений
матриц линейного приближения математических моделей РНС. Построены конпартментные математические модели РНС вблизи точек покоя с ациклическими матрицами межкомпартментных связей в режиме управляемого биофизического эксперимента.
Научная новизна работы. Разработаны новые устройства для сте-реотаксической установки микроэлектродов и ыикроинъекторов, новые автоматизированные микроинъекторы, устройства и способы для супердиспергирования и смешивания веществ, находящихся в фазовых состояниях (твердые и жидкие тела), которые не растворяются в физиологическом растворе и ранее в микродозах не зводились в структуры РНС. Все это обеспечило микроинъекции трудкорастворимых физиологически активных веществ в локальные структура мозга.
Используя электромагнитные поля специальной конфигурации, разработаны новые устройства и способы для разрушения локальных участков РНС и специфического или неспецифического раздражения входных для РНС структур и самих нейронных сетей. В рамках предлагаемого подхода разработаны новые устройства для управления работой РНС и регистрации асимметрии в перкуссии грудной клетки, которые являются следствием изменений в работе самих нейросетевых систем. Произведена апробация всех устройств и способов на биологическом субстрате.
Разработаны и запатентованы новые способы регуляции и управления активностью РНС и, в частности, раздельной активностью ин-спираторного или экспираторного кластеров. Запатентованы новые многоканальные электростимулятор и рефлексометр для реализации этих новых способов, обеспечивающие регулирование работы кластеров РНС в широких частотных диапазонах, последнее обеспечивает управление частотой генератора дыхательной активности в широких пределах.
В ходе экспериментов с микроинъекциями выявлены структуры в продолговатом мозге млекопитающих, которые оказывают значительные влияния на работу генератора инспираторной активности и на работу кластеров РНС в целом. Установлено S-образное увеличение периода
восстановления исходной инспираторной активности кластера при мик-роинъекциях физиологически активных веществ в структзгры нейронных сетей продолговатого мозга. Получены количественные закономерности динамики развития тормозящих процессов в ИННС и ЭНС раздельно.
Разработаны алгоритмы кластерной идентификации иерархических нейронных сетей, алгоритмы выбора оптимальных длительностей тестирующее РНС стимулов и их оптимальных частотных характеристик путем анализа собственных значений матриц линейных приближений для РНС, находящихся вблизи точек покоя. Разработан алгоритм анализа нейронных сетей с иерархіпеской структурой и построения компартмент-ных математических моделей таких систем без обратных связей (в отсутствие нелинейных элементов). Выполнено экспериментальное обоснование компартментной и кластерной структуры РНС, что является основой для дальнейшей разработки компартментной теории ИРНС.
Практическое и теоретическое значение работы. Разработанные и запатентованные устройства и способы стереотаксического подведения микроэлектродов и микроинъекторов используются при проведении лабораторных исследований в институте физиологии им. А.А. Богомольца АН Украины и институте физиологии человека и животных им.И.П. Павлова РАН (г.С-Петербург). Устройства для измельчения и смешивания с электромагнитными активаторами используются в медицинских институтах г.г. Москвы, Донецка, Луганска, в Ростовском государственном университете, что подтверждается актами внедрения в этих учреждениях. Способы для поддержания дыхания и управления инспираторныш и экспираторными РНС используются в Ростовском, С-Петербургскоы, Сургутском университетах при проведении экспериментальных исследований.
Алгоритмы идентификации математических моделей компартментных систем используются не только в биофизических исследованиях, но и при исследовании датчиков и информационно-измерительных систем в целом для построения адекватных математических моделей таких систем. Разработанные алгоритмы идентификации иерархических нейронных
сетей на базе разностных и дифференциальных уравнений нашли применение в практике нейрофизиологических и биофизических лабораторий НИИ и ВУЗов г.г.Киева, Самары, Ростова-на-Дону. Изданы два практических руководства (монографии) по использованию разработанных новых устройств и способов, а также алгоритмов идентификации иерархических РНС (с грифом РАН). Результаты этих работ представлены в учебных спецкурсах по теории идентификации иерархических нейронных систем, которые читались в СамГПУ (г.Самара) и СурГУ (г.Сургут).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных и факультетских семинарах Самарского государственного педагогического ункзерситета, Самарского государственного университета, Сургутского государственного университета, С-Петербургско-го государственного университета, в ряде лабораторий и НИИ России и Украины (МГУ им. М. В. Ломоносова, НИИ ВИД и Н- лаборатория математического моделирования, г.Москва, НИИ Ф им. И.П.Павлова- лаборатория физиологии дыхания, г. С-Петербург, НИИ физиологии им.А.А. Богомольца- лаборатория продолговатого мозга, г.Киев, НИИ Т и ЭБ, г.Пущино, на 15-м (г.Кишенев, 1987 г.) и 16-м (г.Пущино, 1993 г.) съездах Всесоюзного и Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова, на 1-м и 2-м международных симпозиумах по нейроин-форматике и нейрокомпьютерам и Всероссийской конференции по биокибернетике (г. Ростов-на-Дону, 1992, 1995, 1995), на межреспубликанской конференции по использованию научно-технических достижений в демонстрационном эксперименте (г.Саранск, 1992), на IY-X-x международных научно-технических конференциях "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г.Гурзуф, 1992-1998), на рабочих совещаниях "Нейроинформатика и нейрокомпьютеры" (г.Красноярск, 1993, 1994), на международном всемирном биофизическом конгрессе (Г.Амстердам, 1996), на Европейском математическом конгрессе- конференция по динамическим системам в биологии и медицине (г.Будапешт, 1996), на 2-й международной научно-практической конференции "Безопасность жизнедеятельности в Сибири
и Крайней Севере" (г.Тюмень, 1997), на международной конференции по детерминистскому и стохастическому моделированию в биологии (Г.София, 1997), на 1-й международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности- "Наука и экологическое образование. Практика и перспективы" (г.Тула, 1997), на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Экология и здоровье человека" (г.Самара, 1997), на YIII международной конференции по медико-биологической инженерии и компьютингу (Кипр, г.Лемасол, 1998), на международной школе "Проблемы теоретической биофизики (г.Москва, 1998), на IY международной конференции по новым информационным технологиям в медицине и экологии-1Т+МЕ'98 (Крым, 1998).
По теме диссертации опубликовано 47 научных работ и получено 14 авторских свидетельств и патентов. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературных данных по морфо-функциональной организации РНС и особенностяи их ритмической деятельности, главы, представляющей новую аппаратуру на базе механических систем, описания новых методов управления работой респираторных и экспираторных нейронных сетей, четвертая глава представляет результаты авторских экспериментальных исследований РНС с использованием новых способов и устройств и их обсуждение, пятая глава представляет теоретическое и экспериментальное обоснование компьютерной идентификации иерархических РНС. и, наконец, выводы с практическими рекомендациями.
Объем диссертации. Из общего объема аь стр. текст занимает ді?стр. Диссертация содержите рисунков Библиография состоит из /прусских и W, иностранных источников.
Ритмогенез в бульбарных нейронных сетях. Возможности биологической регуляции ритмики и состояния покоя РНС
Исследования,связанные с микроинъекцией ГАМК и ее дериватов в ростральную часть ДЯ и ПБЯ, были проведены на 83 белых крысах наркотизированных внутрибрюшинно уретаном в дозах от 800 мг/кг и выше Повышение дозы производилось повторно в ходе эксперимента с целью снижения электрической активности диафрагмального нерва (ДН), наружных (НМН) и внутренних (ВМН) межреберных нервов. После трахео-стомии, стандартного выделения ДН, НМН, ВМН, подхода к дорсальной поверхности продолговатого мозга (мозжечок удалялся), идентифицировались инспираторные структуры в области ретикулярного гиганто-клеточного ядра. Эти структуры в наших опытах локализовались вблизи точки, расположенной латерально от obex на 0.3 мм, рострально -1.5 мм, вглубь от поверхности мозга 1 мм. Идентификация этих структур описывается в рассмотренных выше способах регуляции дыхания. Использовались монополярные игольчатые электроды фирмы Диза (диаметр активного электрода 50 мкм, всей наружной части - 0,5 мм, сопротивление R = 0,33 0м).
В тех случаях, когда биоэлектрическая активность нервов по методическим причинам была низкой, использовалось отведение указанными электродами фирмы Диза биоэлектрической активности диафрагмы или соответствующих межреберных мышц. Во всех случаях параллельно с регистрацией нативной активности нервов и мышц на 8 канальный магнитограф фирмы "Виброприбор" (Кишинев) производилась регистрация интегрированной активности с постоянной интегрирования 100 мсек (или 10 мсек для анализа отдельных импульсов). Расчет длительности инспирации \ , экспирации т_, периода Т одного акта и э дыхания, тангенса угла наклона интегрированных кривых (slope) и прироста ds площади, ограниченной кривой интегральной активности указанных нервов и мышц и осью времени, производился с помощью ЭВМ PC 486 по составленной программе. При этом использовалось распре деление Стьюдента с доверительной вероятностью 0,95.
Микроинъекции ГАМК и её производных производились в объемах 1-14 мкл в концентрации 103 - 104 моль/л по атласу (Pellegrino L.J., Cushman A.J.) в структуры ПБЯ, которые давали максимальную апнейстическую реакцию (ростральная часть моста, латерально от средней линии на = 2.5 мм и вглубь от поверхности на = 1 мм) и ДЯ, локализованой в области ростральнее obex на = 1,5 мм, латерально от осевой линии на =1,5 мм и вглубь от поверхности на = 1,7 мм. Дозировка и подача этих веществ выполнялась автоматически с помощью устройства (микроинъектора), представленного ниже.
Контроль функционального состояния организма осуществлялся по активности ДН, НМН, ВМИ и ректальной температуре, которые поступали по 5 каналам аналого-цифрового преобразователя в ЭВМ каждые 30 с и анализировались по программе. При артефактных (иногда после инъекции ГАМ) остановок дыхания к животному применяли рассмотренные выше способы регуляции дыхания. Во всех случаях осуществлялся подогрев препарата (электрогрелка) для удержания ректальной температуры не ниже 37 С.
Некоторые методические приемы и аспекты, в порядке обсуждения и дискуссии, будут нами рассмотрены дополнительно в последующих главах 3, 4, 5, т. к. они являются предметом самостоятельных исследований автора и необходимы для понимания наблюдаемых биологических феноменов. В заключение отметим, что все краткие описания новых способов и устройств, созданных автором совместно с другими исследователями, не будут включать многих биологический данных, которые были необходимы для разработки этих способов и приборов и были получены в экспериментах.
В первую очередь это обусловленно определенными требованиями краткости данной работы, а также регламентировалось ее названием. Достаточно отметить, что для разработки перечисленных выше изобретений использовались описания 429 патентов и изобретений как нашей страны, так и зарубежных стран. Во вторых, к каждому из перечислен ных изобретений имеется его опубликованное описание, которое тиражируется и контролируется Всемирной патентной библиотекой в Гааге (Нидерланды). В третьих, исследования, выполненные в главах 4,5, в определенном смысле являются иллюстрацией этих разработок, показывают практические возможности описанных выше способов и устройств. 2.2. Многоканальные микроманипуляторы. Расширение функциональных возможностей за счет увеличения числа степеней свободы.
При проведении исследований по изучению организации и функционированию нейронных сетей возникают задачи установки и фиксации в структурах мозга одновременно нескольких стимулирующих и регистрирующих электродов, а также различных датчиков (температуры, давления и т.д.). Такая необходимость, например, возникает при исследованиях респираторных нейронных сетей (РНС) дыхательного центра (ДЦ) млекопитающих [4,9,14,154]. Когда одновременно необходимо установить 2 электрода [9,190] и 3-4 отводящих микроэлектрода и макроэлектроды для регистрации биоэлектрической активности межреберных нервов и диафрагмы [38,55,56,60,72,140,142,193,228].
Во всех этих случаях необходимы специализированные многоканальные комплексы для такой установки 6-8 электродов с возможностью отдельного перемещения в пространстве каждого из этих электродов. Для решения этого круга задач был сконструирован, изготовлен и успешно эксплуатируется на протяжении 13 лет стереотаксический многоканальный угловой манипулятор (СМУМ), краткое описание которого мы представляем в данном параграфе.
Автоматические микроинъекторы физиологически активных веществ в локальные нейросетевые структуры
Электростимуляционные методики можно отнести к специфическим способам стимуляции и управления РНС, т.к. они сопровождаются изменением ионной проницаемости мембран нейронов и непосредственно влияют на генерацию потенциалов действия нервными клетками. Как будет сказано ниже эти способы имеют неоспоримые преимущества, однако их реализация имеет ряд недостатков. В первую очередь это связано с необходимостью контакта имплантированных электродов с истоником питания (генератором электрических импульсов - стимулятором). Отсюда возникает потребность в разработке способов и устройств, обеспечивающих бесконтактные стимуляции различных структур РНС. Таким условиям удовлетворяют полевые взаимодействия между источником энергии и рабочими (стимулирующими) органами.
В решении поставленной проблемы имеются существенные ограничения на поля. Дело в том,что использование электрического (электростатического) поля в чистом виде не обеспечивает избирательность в стимуляции отдельных групп нейронов РНС, хотя такие попытки уже предпринимались экспериментаторами. Использование же высокочастотных электромагнитных полей в качестве источников подводимой энергии,, как это делалось в способе моделирования одышки (см.параграф 3.3.)і по тем же причинам (отсутствие строгой локализации воздействия) также мало эффективно. В настоящее время активно используются сфокусированные ультразвуковые воздействия для разрушения локальных структур мозга, в частности. Однако, указанный выше недостаток присущ и этим устройствам, а учитывая значительную стоимость таких установок (исчисляются несколькими миллионами долларов каждая), то, очевидно, их практическое использование в экспериментальной биофизике в ближайшее время весьма проблематично .
Из всего сказанного следует, что экспериментаторы нуждаются в сравнительно дешевых, надежных и удовлетворяющих поставленным выше требованиям устройствах для локализованных стимуляций (раздражений) , разрушений и устройствах для измерения параметров механических свойств биологических тканей (мозга, мышц и т.д.). Решение этих проблем авторы увидели в использовании низкочастотных магнитных полей специально генерируемых конфигураций, которые бы обеспечивали движение предварительно имплантированных в биоткани рабочих ферромагнитных тел (РФТ). Такие РФТ и должны обеспечивать все виды движения и функционально решать поставленные задачи. Вся эта группа способов и устройств относится к неспецифическим способам и устройствам для управления РНС и подробно описывается в данном параграфе.
В ходе проведения исследований нами было разработано новое направление по использованию бегущих и вихревых полей в определенном классе биологических экспериментальных работ. В первую очередь сюда следует отнести способы и устройства для специфического и неспецифического раздражения различных структур, связанных с дыханием. Второй блок работ связан с устройствами для избирательного разрушения таких структур. Рассмотрим конкретные примеры к сказанному.
Прежде всего отметим, что различные механические раздражения (вибрация, например) являются специфическими раздражениями для многих механорецепторов мышц, в том числе и дыхательных. Поэтому движущееся РФТ вообще говоря для афферентов дыхательных мышц и в конечном итоге и РНС может считаться специфическим раздражителем. Однако для нейронов сама вибрация может . являться неспецифическим и достаточно сильным раздражителем. В этой связи можно говорить о представленных ниже способах как о способах специфических или неспецифических раздражений в зависимости от точек приложения. Рассмотрим теперь эти способы и их реализацию более подробно.
Существенной новизной обладает способ регуляции частоты дыхания в эксперименте (способ раздражения, А.с. СССР N 1754124), позволяющий для головного мозга неспецифически (а специфически - для мышечной системы), производить раздражение локализованных возбудимых структур. В отличие от известного способа (патент США N4651747, А 61 1/00, 1987 г.) управления параметрами имплантированного тела (ИТ) с помощью акустических полей от источника излучения к ИТ, авторы .использовали магнитное, вихревое, волнообразно колеблющееся поле так, что имплантируемое тело совершало дозированное колебательно-вращательное движение вокруг собственного центра тяжести. Последнее обеспечивает строго локализованное и регулируемое воздействие на биологически возбудимые структуры без прямого контакта с объектом исследования.
В качестве имплантируемого под наркозом в ГМ тела использовалось ферромагнитное тело размером 0,5 х 1 мм. Оно вводилось в об ласть ретикулярного гигантоклеточного ядра с координатами 1; 0,3; 1 мм относительно obex. Функциональных изменений при этом не наступало. Рана закрывалась стандартным образом и заживлялась. Через несколько дней животное помещалось в камеру в условия свободного движения (вперед-назад) и подвергалось воздействию вихревого, волнообразно колеблющегося магнитного поля индукцией В = 0,07 Тл. В ответ на такие механические воздействия с латентным периодом 0,5 -1 с наблюдается увеличение частоты дыхания экспериментального животного, которая пропорциональна величине магнитной индукции В. Так, например, при задающей частоте колебательно-вращательного движения магнитного поля 20 Гц с магнитной индукцией В=0,2 Тл частота дыхания возрастала на 36% от исходной 0,38 Гц (кошка весом 3,6 кг), а при В=0,3 Тл частота дыхания возрастала на 68% от исходной у данного животного. Таким образом, бесконтактным способом путем воздействия вихревым магнитным полем в хроническом эксперименте на животных можно целенаправленно регулировать частоту дыхания.
Реализация способа потребовала разработки устройства для раздражения локальных структур организма (А.с. N1725455). Работа устройства поясняется чертежом (см. рис.2.12), где магнитные индукторы 1 с кольцевыми концентрическими осесимметричными центральной оси обмотками, вложенными одна в другую, закреплены, а биологический объект помещается между магнитными индукторами. Ферромагнитное рабочее тело 2 вводилось, например, в четырехглавую мышцу бедра, что следует из рисунка.
Многоточечные регистраторы экскурсии поверхности груд ной клетки
Результаты, полученные нами при регистрации биоэлектрической активности отдельных инспираторных и экспираторных нейронов в ответ на стимуляцию нейронных структур ВМ коррелирует с описанными выше. В серии опытов автором наблюдались различные изменения импульсной активности,, экспираторного нейрона и дыхательных движений при локальных раздражениях структур парабрахиального медиального ядра. Следует отметить, что реакции дыхательных и ретикулярных нейронов давали более значительную вариацию свой активности, чем эффекторные нервы. Последнее характерно для любых нейронов и отображает существующую вариацию связей отдельных нейронов. Это лишний раз показывает, что объективную информацию о реакции РНС на внешние воздействия можно получать только от структур интегрирующих. Данные же, полученные от отдельных нейронов, требуют большой статистической выборки.
Исследования стимуляционными методами показали существенное различие в реакции инспираторной и экспираторной нейронных сетей. Установлено, что электростимуляция структур ХЗ в инспирацию увеличивает активность эфферентных инспираторных нервов с латентным периодом 15-25 мсек. При этом реакции экспираторных нервов на короткие пачки импульсов отсутствуют. Электростимуляция хемочувстви-тельных структур в период экспирации приводит к увеличению активности экспираторных нервов с латентным периодом 80-120 мсек . Отметим, что чем позже от начала каждой фазы наносится стимул, тем сильнее ответ соответствующих этой фазе эфферентных нервов. Стимуляция в ранний период инспирации укорачивала длительность текущей инспираторной фазы. В то же время стимуляцияе начале экспирации усиливала и пролонгировала экспираторную активность. Это показывает различия в конфигурации обратных тормозных связей этих двух нейронных сетей, неравнозначность организации связей нейронных пулов инспираторной и экспираторной НС.
Эта неравнозначность проявлялась и при гипервентиляционном апноэ, когда идентифицировать работающий инспираторный нейрон не удается, в то время как 1/3 всех нейронов экспираторной нейронной сети работает в этих условиях. Отметим, что установленная неравнозначность на внешнюю стимуляцию этих 2-х сетей проявлялась и при стимуляции других интегрирующих и регуляторних структур, т.е. это внутренние свойства отдельных кластеров РНС.
Таким образом, можно говорить о наличии прямых, неопосредованных связях РНС с нейронными структурами, обеспечивающими ХД. Результаты перечисленных выше экспериментов устанавливают качественные и количественные соотношения между этими сетями и показывают, что сети формирующие ХД более высокого иерархического уровня, чем РНС. Прекращение ХД однозначно переводит работу РНС из периодической в состояние частично тонической активности. Все эти закономерности были положены в основу разработанной теории компартментных РНС [22,23,108,122].
Сенсорная зона коры мозга является второй наиболее изученной супрабульбарной структурой, влияющей на автоматическое и произвольное дыхание. В наших исследованиях по электростимуляции участков передней сигмовидной извилины и вентролатеральной части коронарной извилины были идентифицированы реакции как отдельных ретикулярных нейронов ПМ, так и выходные характеристики эфферентных дыхательных нервов (например, диафрагмального ) [108,122].
Большинство исследованных внутриклеточно бульбоспинальных и проприобульбарных ретикулярных нейронов после электрической стимуляции участков коры имели длительность следовой гиперполяризации до 30 мс,что свидетельствует о значительном возбуждающем воздействии таких стимулов. Одновременная контрольная стимуляция внутрен них межреберных нервов и характерная регистрируемая реакция исследуемых нейронов на эту стимуляцию, показывает их участие в работе РНС. Во всех исследованных случаях ВПСП имели простую форму одно-компонентных ответов, хотя встречались и более сложные реакции нейронов на стимуляцию моторной зоны коры. При этом регистрировалось от одного до 8-Ю потенциалов действия (ПД), что иллюстрируется рис. 1.5.
В наших исследованниях с электрической стимуляцией сенсомото-рной зоны коры активность диафрагмального нерва изменялась в сторону увеличения площади под огибающей интегративной характеристикой, если стимуляция наносилась в первые 2/3 фазы инспирации.Таким образом можно говорить об активирующем влиянии сенсомоторной зоны коры как на уровне отдельных дыхательных клеток, так и всей системы РНС.
Все супрабульбарные структуры мы будем рассматривать, как некоторые интегративные, влияющие, в частности, на коэффициент диссипации возбуждения b в моделях РНС. Последнее приводит к значительным изменениям частоты дыхания и формы кривых нарастания и спада интегрированной активности эфферентных дыхательных нервов.
В специально выполненных наших исследованиях по изучению динамики развития тормозно-возбуждающих процессов в РНС [21] было доказано, что пороговые свойства всех компартментов, например, ИНС согласуются с циклическими представлениями модели циклической работы РНС И.Кедер-Степановой [27,28,140]. Отметим, что стационарное состояние РНС будет соответствовать стационарной точке компартмен-тной модели РНС в момент нулевого ХД в описываемых ниже моделях.
Таким образом все общепринятые биологические концепции организации РНС базируются фактически на компартментных принципах, а наши стимуляционные исследования показывают иерархическую организацию РНС, с наличием на верхнем уровне сугграбульбарных структур. В целом, стимуляционные методики обеспечивают построение общей схемы организации ИРНС, которая представлена на рис.1.2.
Электростимуляционные исследования РНС. Выбор оптимальных частотных характеристик раздражающих стимулов
Наконец,по показателю t (интервала времени полного восстановления дыхания после применения указанного способа восстановления нормальной дыхательной ритмики у исследуемого животного в условиях приема летальной дозы фенибута и наркоза) статистически достоверного различия мы не выявили. Объясняется это, с одной стороны, большим разбросом t (большие доверительные интервалы), с другой-приблизительно в 30% случаев не удавалось вообще восстановить дыхание запатентованным способом. Последнее, на первых порах, можно бы было объяснить сочетанным воздействием наркоза и фенибута, которое сильно усложняло задачу восстановления дыхательных функций организма и давало некоторый кумулятивный эффект. Однако, применяя в шести опытах второй способ восстановления дыхания (А. с. N1794457) со специальной передозировкой фенибута и более длительным периодом его (способа) действием, мы убедились, что за указанным результатом по t скрывается методическая неточность. Она обусловлена ограниченным временем осуществления способа. Действительно, мы поддерживали жизнедеятельность указанным способом стимуляции не более 40 минут после введения летальной дозы. Вполне возможно, что дальнейшая пролонгация этих действий могла привести к восстановлению дыхания. Утверждение это базируется на общебиологических представлениях о том, что с увеличением времени эксперимента увеличивается и количество распавшегося и связанного в новые, неактивные комплексы вещества.
В целом, следует отметить, что процессы активной диффузии с распадом и связыванием вводимого вещества играют решающую роль во всех методических приемах с микро- и макроинъекций ГАМК и производных. Именно эти процессы обеспечивают восстановление исходных функций организма, в том числе и при летальных дозах. Поскольку числовые результаты по определению t сильно раз-бросаны (не укладываются в правило 3-х сигм), то мы приводим толь ко средние арифметические значения этих величин: - при внутривенном введении фенибута - t = 32,1 минуты; - при введении per-os - t = 31,4 минуты; - при внутрибрюшинном введении - t = 34,6 минут. Отметим, что в тех случаях, когда не удавалось восстановить дыхание за период реального измерения ( т.е. за 40 минут), то такой эксперимент из расчетов исключался. Далее, проведенные эксперименты по способу регуляции частоты дыхания (А.с. N1754124) показали, что поддерживать сколь угодно долго дыхание с помощью имплантированного рабочего ферромагнитного тела невозможно. В этом случае можно только регулировать в некотором диапазоне указанные выше 3 параметра (показатели t t , t ).
Рассмотрим более подробно динамику изменения 2-х основных показателей биоэлектрической активности диафрагмального нерва - длительность инспираторной активности (т ) и тангенс угла наклона кривой интегрированной инспираторной активности (slope), как объективно отражающих развитие тормозных процессов в организме.
Прежде всего следует отметить, что во всех опытах без исключения при введении фенибута любым из способов введения (внутривенно, внутрибрюшинно или per-os) к определенному времени от начала введения длительность инспираторной активности (О, длительность экспираторной активности (О, длительность всего дыхательного цикла (Т) направленно изменялись в сторону увеличения этих показателей. Величина S угла наклона интегрированной инспираторной активности могла изменяться не так значительно, была более подвержена индивидуальным особенностям организма. В целом S сдвигалась в сторону уменьшения. Сильная выраженность таких реакций была при приближении момента времени t , о котором говорилось выше, и спустя время t (там, где мы добивались восстановления дыхания). Учитывая все это, можно говорить о развитии генерализованного торможения в структурах дыхательного центра.
В качестве иллюстрации сказаному приведем типичный пример по ведения динамики изменения длительности инспираторной активности (О и тангенса угла наклона tgS кривой интегрированной инспираторной активности (slope) для лабораторного животного N 18 (см рис. 4.23, 4.24,) для случая внутрибрюшинного введения фенибута.
На этих графиках по вертикали откладываются параметры т и tgS, а по горизонтали - реальное время t в минутах с момента введения фенибута. Участок начального условного плато совпадает с латентным периодом реакции организма животного на инъекцию вещества. Время t соответствует началу изменения каждого из i-x показателей. Отметим, что в данном опыте первые изменения наступали у длительности инспираторной активности -и диафрагмального нерва с ла-латентным периодом реакции t" = 4,1 минуты. Как следствие этих изменений у периода Т всего респираторного акта изменения наступили спустя время tT = 4,1 минуты.