Введение к работе
Температура окружающей среды является одним из существенных факторов, оказывающих влияние на живой организм. Освоение человеком Сибири, северных территорий и южного приполярья, климатической особенностью которых являются низкие температуры, привлекает особое внимание к вопросам о возможности, пределах и механизмах приспособления человека и животных к холоду.
Вопросы о механизмах, лежащих в основе температурной чувствительности человека и животных, и значимости температурного афферентного сигнала в формировании защитных реакций организма, до сих пор недостаточно ясны. Именно афферентный сигнал периферических и центральных терморецепторов определяет характер взаимодействия различных физиологических систем между собой, а следовательно, и отношение организма в целом к изменению температуры окружающей среды. Исходным пунктом афферентной информации при внешнем холодовом воздействии на организм являются, прежде всего, периферические кожные терморецепторы - окончания центростремительных нервов.
При постоянной температуре кожи терморецепторам присущ постоянный уровень импульсной активности, так называемая статическая активность, причем разным значениям температуры кожи соответствуют разные уровни статической активности. При быстром изменении температуры кожи (во время согревания или охлаждения) возникает резкое изменение частоты разрядов терморецепторов – динамическая активность. Физиологическое значение различных типов активности терморецепторов (статической и динамической) в формировании терморегуляторных реакций организма исследовано далеко недостаточно. Показателями, отражающими физиологическое значение и вклад температурного афферентного сигнала при внешнем температурном воздействии, могут служить температурные пороги инициации различных эффекторных реакций, направленных на поддержание температурного гомеостаза. Важно понять какова роль динамической и статической активности терморецепторов в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа организма, т.е. температурных порогов и последовательности инициации различных составляющих терморегуляторного ответа организма на внешнее температурное воздействие. Учитывая вовлеченность симпатической нервной системы в реакцию организма на воздействие низких температур, встает вопрос о возможной роли афферентного сигнала терморецепторов в степени ее активации при действии холода на организм.
В последние годы появились многочисленные исследования, касающиеся клеточных и молекулярных механизмов восприятия температуры. Полагают, что детекторами изменения температуры и основными сенсорами являются термочувствительные TRP ионные каналы, расположенные в мембране афферентных сенсорных окончаний терморецепторных нейронов. К настоящему времени идентифицировано два холодочувствительных ионных канала – TRPA1 и TRPM8. Показано, что TRPA1 функционирует в диапазоне более низких температур - ниже 17С, тогда как TRPM8 является ионным каналом, активируемым холодом в диапазоне температур 28-8С. Ионный канал TRPM8 может активироваться также ментолом, ицилином и другими химическими агентами. TRPM8 экспрессируется на окончаниях сенсорных нейронов заднекорешковых и тригеминального ганглиев, свободные нервные окончания которых и являются периферическими терморецепторами. Однако вопрос об участии холодочувствительного ионного канала TRPM8 в формировании терморегуляторных реакций до последнего времени остается открытым.
Целью настоящей работы явилось выяснение роли динамической и статической компонент температурного афферентного сигнала в механизмах формирования структуры терморегуляторного ответа и активации симпатической нервной системы при действии холода на организм, а также вовлеченность ионного канала TRPM8 в формирование этого ответа.
Для выполнения поставленной цели предусматривается использование различных режимов охлаждения, которые подобраны в соответствии с предыдущими нейрофизиологическими исследованиями активности терморецепторов кожи таким образом, что терморецепторы имеют либо и статическую, и динамическую активность, либо только статическую.
В работе были поставлены следующие задачи:
-
Выяснить особенности формирования терморегуляторного ответа организма при холодовом воздействии в условиях вовлечения статической и динамической или только статической активности терморецепторов кожи.
-
Выявить различия в активации симпатической нервной системы (как одного из факторов, влияющих на формирование терморегуляторного ответа) при холодовом воздействии в условиях вовлечения статической и динамической, или только статической активности терморецепторов кожи.
-
Выяснить возможное участие холодочувствительного ионного канала TRPM8 в формировании терморегуляторных реакций организма на холод в условиях различных режимов охлаждения.
Научная новизна работы
Показано, что наличие динамической активности термочувствительных афферентов приводит к изменению структуры терморегуляторного ответа, появлению экстренной (первой) фазы термогенного повышения метаболизма, опережающей констрикторную реакцию кожных сосудов и вторую фазу термогенеза.
Первая и вторая фазы термогенеза на холод сопровождаются преимущественным использованием различных субстратов окисления углеводов в первой фазе и жиров во второй, о чем свидетельствует разнонаправленное изменение дыхательного коэффициента: в первой фазе - повышение, а во второй – снижение.
Влияние динамической активности кожных афферентных волокон на терморегуляторные реакции (уменьшение температурных порогов терморегуляторных реакций и стимуляция экстренного термогенеза) связано с ускоренной активацией симпатической нервной системы в присутствии этой составляющей афферентного температурного сигнала.
Показано участие ионного канала TRPM8 в формировании терморегуляторного ответа при охлаждении. Нетемпературная активация этого ионного канала приводит к уменьшению порогов терморегуляторных реакций на холод и усилению экстренного термогенеза (первой фазы метаболического ответа), который проявляется в присутствии динамической компоненты афферентного температурного сигнала периферических терморецепторов.
Показана возможность изменения метаболических параметров при активации ионного канала TRPM8 в термонейтральных условиях и при холодовом воздействии, что может свидетельствовать о вовлеченности этого ионного канала в регуляцию общего метаболизма в живом организме.
Положения, выносимые на защиту
Присутствие динамической активности кожных холодочувствительных афферентов изменяет структуру терморегуляторного ответа на холод, уменьшая температурные пороги холодозашитных реакций и стимулируя экстренный термогенез.
Изменение структуры терморегуляторного ответа на холод в присутствии этой динамической составляющей афферентного температурного сигнала связано с ускоренной активацией симпатической нервной системы.
Холодочувствительный ионный канал TRPM8 участвует в формировании афферентного температурного сигнала, обеспечивающего поддержание определенного уровня метаболизма и обусловливающего структуру терморегуляторного ответа организма на холод.
Теоретическая и научно-практическая значимость работы
Полученные результаты расширяют представления о роли различных (динамической и статической) компонентов афферентного температурного сигнала в формировании эффекторного ответа организма на температурные воздействия. Показано функциональное значение динамической активности кожных термоафферентов в ускорении активации симпатической нервной системы, как механизма более раннего появления терморегуляторных реакций. Показанное на уровне целого организма участие ионного канала TRPM8 в формировании типа метаболизма и терморегуляторного ответа на холод позволяет развивать методы фармакологической коррекции метаболизма и формирования термозащитных реакций. Результаты могут быть полезны при разработках рекомендаций для сохранения и повышения работоспособности людей в условиях низких температур, коррекции физиологических функций, реабилитационных технологий в условиях природных и техногенных катастроф. Экспериментальные результаты, полученные в настоящем исследовании, используются в курсе лекций для студентов факультета естественных наук Новосибирского Государственного Университета.
Апробация результатов
Материалы диссертации обсуждались на Международной конференции International Conference on Environmental Ergonomics (Сан-Диего, США, 1998); на XVII съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов-на-Дону, 1998); Международной конференции Physiology and Pharmacology of Thermoregulation (Australia, 2001; на ХХ съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007); на VI Сибирском физиологическом съезде (Барнаул, 2008); на Международном симпозиуме International Symposium on Physiology and Pharmacology of Temperature Regulation (Мацуе, Япония, 2009); на XXI съезде Российского физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 8 статей в рецензируемых, входящих в перечень ВАК, отечественных (3) и иностранных (5) журналах.
Структура и объем диссертационной работы
