Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из наиболее важных гравитационно-зависимых факторов действующих на организм человека и животных является гидростатический компонент давления крови и других биологических жидкостей, который формируется в результате проявления силы тяжести (Gauer, Henry, 1963; Пестов 1997). Изменение положения тела в пространстве по отношению к вектору гравитации (постуральных воздействий) сопровождается перераспределением жидкостных сред организма в соответствии с направлением гидростатических сил в сосудистой системе. Важным последствием перемещения объемов крови являются взаимообусловленные реакции со стороны различных физиологических систем организма, в развитии которых существенное значение принадлежит изменению показателей общей гемодинамики, состояния сердечно-сосудистой функции и кровообращения в отдельных органах.
Поскольку перераспределение крови, возникающее при постуральных воздействиях, изменяет кровенаполнение легочных сосудов и нарушает легочную гемодинамику, то происходящие сдвиги кровообращения в легких будут непосредственным образом отражаться на функциональном состоянии и регуляторных механизмах дыхательной системы (Дворецкий, 1994; Bettinelli et al., 2002).
Влияние антиортостатического положения на реакции системы кровообращения и дыхания исследовано в гораздо меньшей степени, чем ортостатического. Интерес к изучению антиортостатического воздействия значительно возрос в связи с интенсивным освоением космического пространства. В практике космической медицины антиортостатическое положение используется в качестве функциональной пробы, воспроизводящей перераспределение крови в краниальном направлении, характерное для условий невесомости. Полученный к настоящему времени экспериментальный материал, позволяет провести физиологические параллели между влиянием реальной невесомости и антиортостатической моделью (Михайлов и др., 1979; Газенко, Григорьев, 1980; Газенко, Касьян, 1990; West, 1991; Генин, Пестов, 1997; White, Blomqvist, 1998; Prisk et al., 2002; Григорьев, Баранов, 2003).
Исследование функции внешнего дыхания и газообмена при моделировании физиологических эффектов невесомости и в условиях космического полета, свидетельствует об изменении структуры легочных объемов и емкостей, вязкостно-эластического сопротивления легких и паттерна дыхания (Касьян, Макаров, 1974; Paiva, Estenne, Engel, 1989; West, 1991; Баранов, 1993; West, Prisk, 1999; Wantier et.al., 1998; Prisk, 2000; Montmerle, Linnarsson, 2002; Bettinelli et.al., 2002). Это свидетельствует об ухудшении функционального состояния респираторной системы. Однако механизмы регуляции легочной вентиляции и газообмена, в этих условиях, практически не исследованы.
Немногочисленные работы по исследованию газообмена в космическом полете и модельных исследованиях, обнаружили тенденцию к развитию гипоксемии и ретенции двуокиси углерода в организме. Имеются данные о смещении кислотно-основного состояния крови в сторону ацидоза, застойной венозной ишемии и гипоксии мозга, изменении состава спинномозговой жидкости (Берри, 1975; Катков и др., 1977; Голиков и др., 1980; Матвеев, 1987; Баранов, 1993). Это дает основания предполагать о возможном изменении уровня афферентации, поступающей в дыхательный центр от центральных и периферических хеморецепторов.
Учитывая вышеизложенное, следует признать, что роль гуморальных и нейрогенных компонентов лежащих в основе формирования компенсаторных реакций системы дыхания на гравитационные воздействия окончательно не выяснена и требует дальнейшего углубленного изучения.
Большую теоретическую и практическую значимость приобретают исследования влияния изменения эластической нагрузки на дыхательный аппарат в связи с применением профилактических методов коррекции гемодинамических сдвигов, возникающих в условиях невесомости, большинство из которых основано на сдвигах внутригрудного давления и сопровождаются физиологическими изменениями дыхательной и сердечно-сосудистой системы (Генин, Пестов, 1972; Пестов и др., 1972; Катков и др., 1983; Генин и др., 1983; Баранов, Тихонов, Дегтярев, 1991; Halliwill et al., 1998; Баранов и др., 2001; Kitano et al., 2005).
Разработка и совершенствование средств и методов профилактики, направленных на улучшение общего физического состояния и работоспособности космонавтов на начальном этапе действия невесомости, повышение ортостатической устойчивости после длительной гипокинезии или пребывания в невесомости имеет существенное практическое значение. Несмотря на большое количество теоретических обоснований применения различных профилактических средств, данная проблема в настоящее время пока еще находится в стадии развития (Генин, Пестов, 1997; Arbeille et al., 1999; Custaud et al., 2000; Millet et al., 2000). Для ее оптимального решения необходима как разработка новых средств профилактики и их технической реализации, так и инвазивная верификация в исследованиях на животных уже известных методов, проведение детального физиологического обоснования эффективности и адекватности способов коррекции гемодинамических сдвигов, на основании изучения межсистемных реакций дыхания и кровообращения при постуральных воздействиях.
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение механо- и хеморецепторных механизмов регуляции дыхания, резервных возможностей дыхательной системы и межсистемных соотношений дыхания и кровообращения в условиях антиортостатического воздействия.
Основные задачи исследования:
-
Изучить взаимозависимые реакции внешнего дыхания и центральной гемодинамики, вызванные пассивным переходом из горизонтального в орто- и антиортостатическое положение.
-
Исследовать влияние антиортостатического положения на объемно-временные параметры и механические характеристики аппарата внешнего дыхания.
-
Изучить механизмы регуляции и резервные возможности системы внешнего дыхания при антиортостатическом воздействии. Выявить роль афферентной системы легких в механизмах компенсации респираторных эффектов антиортостаза.
-
Исследовать влияние антиортостатического положения на хеморецепторные механизмы регуляции дыхания. Оценить роль центральной и периферической хеморецепции в формировании респираторных реакций на антиортостаз.
-
Изучить динамику внутригрудного и центрального венозного давления в инспираторной и экспираторной фазе при изменении механических свойств и конфигурации грудной клетки. Определить физиологическое состояние биомеханики дыхания и гемодинамики в условиях земной гравитации соответствующее невесомости.
-
Показать эффективность и привести физиологическое обоснование дискретного (ДОД) и комплексного баровоздействия (ДОД и ОДНТ) в антиортостатическом положении для снижения увеличенного кровенаполнения сосудистой системы головы и трансформации гемодинамических показателей, характерных для ортостатического положения.
-
Изучить возможность применения интервальной гипоксической тренировки для снижения интенсивности ортостатических реакций кардиореспираторной системы. Определить оптимальный диапазон и режим гипоксического воздействия для предотвращения нарушений циркуляторного гомеостаза при пассивном ортостазе.
Научная новизна исследования. Впервые было установлено, что в орто- и антиортостатическом положении возникают взаимообусловленные реакции дыхания и кровообращения, которые зависят от интенсивности и направленности применяемых воздействий. Было показано, что в антиортостатическом положении происходит увеличение резистивного и эластического компонента сопротивления дыханию, что свидетельствует об увеличении механической нагрузки на дыхательную систему. Впервые показано, что в ответ на антиортостатическое воздействие развивается компенсаторная реакция дыхательной системы, которая выражается в увеличении общего инспираторного усилия, направленного на минимизацию изменений легочной вентиляции.
Получены приоритетные данные, позволяющие сделать вывод о том, что постуральные воздействия не только изменяют структуру легочных объемов и биомеханику дыхания, как было известно ранее, но влияют также на центральные механизмы регуляции дыхания. Впервые определено участие механо- и хеморецепторных механизмов регуляции дыхания и их относительный вклад в оптимизацию легочной вентиляции в условиях антиортостатического положения.
Впервые установлено, что снижение резервных возможностей дыхательной системы в условиях антиортостатического положения может быть связано не только с ухудшением функционального состояния дыхательных мышц, но и с изменениями хемо- и механорецепторных механизмов регуляции дыхания. Получены новые данные, указывающие на то, что в условиях антиортостатической нагрузки может происходить ослабление афферентного потока от рецепторов растяжения легких. Установлено, что легкие находятся в состоянии, которое можно охарактеризовать как «функциональную ваготомию», вызванную снижением легочных объемов и скорости инспираторного потока. Показано, что в этом состоянии, ослаблена обратная объемная связь дыхательного центра с легкими, реализующаяся посредством рефлекса Геринга-Брейера.
Впервые установлена ведущая роль центральной хеморецепции в регуляции дыхания в условиях антиортостаза. Обнаружено ослабление вклада периферических хеморецепторов в рефлекторные механизмы регуляции дыхания в антиортостатическом положении.
Исследование динамики внутригрудного и центрального венозного давления в различные фазы дыхательного цикла позволило впервые установить сходство межсистемных соотношений биомеханики дыхания и гемодинамических сдвигов в инспираторной фазе в условиях земной гравитации и в невесомости.
Предложено техническое решение и проведено физиологическое обоснование эффективности методов коррекции негативных гемодинамических сдвигов, возникающих в условиях антиортостатического перераспределения крови в краниальном направлении. Впервые показано, что влияние дискретного баровоздействия – дыхание под отрицательным давлением (ДОД) обеспечивает в антиортостатическом положении трансформацию гемодинамических показателей до величин, соответствующих горизонтальному положению. Влияние комплексного воздействия ДОД и отрицательного давления на нижнюю часть туловища (ДОД и ОДНТ) трансформирует гемодинамические параметры к величинам, характерным для вертикального положения,
Впервые была показана возможность использования интервальной гипоксической тренировки (ИГТ) в качестве метода снижения интенсивности ортостатических реакций сердечно-сосудистой системы после антиортостатического воздействия. Конструктивное воздействие ИГТ на систему кровообращения, выражалось в повышении ортостатической устойчивости в результате преимущественного вклада сосудистого, чем сердечного компонента системной реакции в компенсацию ортостатической гипотензии.
Положения, выносимые на защиту.
-
Гемодинамические реакции при постуральных воздействиях вызывают сопряженные перестройки в системе внешнего дыхания: изменение структуры легочных объемов и механических характеристик дыхательного аппарата. Антиортостатическое положение приводит к снижению дыхательного объема, минутной вентиляции легких и к повышению сопротивления дыханию, что свидетельствует об увеличении механической нагрузки на дыхательную систему.
-
В антиортостатическом положении развиваются компенсаторные реакции системы дыхания, направленные на минимизацию изменений легочной вентиляции, опосредованные механо- и хеморецепторным контуром регуляции дыхания. В основе механорефлекторного механизма лежит ослабление афферентной импульсации от рецепторов растяжения легких, что приводит к повышению общего инспираторного усилия. Хеморефлекторные механизмы компенсации осуществляются преимущественно за счет усиления роли центральной хеморецепции.
-
Антиортостатическое воздействие вызывает снижение резервных возможностей системы дыхания, обусловленное ослаблением афферентной импульсации от механорецепторов легких и снижением вклада периферической хеморецепции в механизмы регуляции дыхания.
-
В основе физиологических механизмов методов коррекции неблагоприятных гемодинамических сдвигов, вызванных антиортостатическим положением, лежат межсистемные взаимоотношения дыхания и кровообращения. Основным фактором, способствующим трансформации гемодинамических параметров к величинам, характерным для вертикального положения, является усиление присасывающего действия грудной клетки в результате снижения внутригрудного давления.
-
Применение интервальной гипоксической тренировки повышает тонус венозных сосудов, способствуя усилению роли сосудистого компонента в компенсации ортостатических реакций сердечно-сосудистой системы.
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные данные расширяют существующие в настоящее время представления о роли центральных механизмов регуляции дыхательной системы, межсистемных соотношений дыхания и кровообращения в процессе адаптации организма человека и животных к экстремальным факторам окружающей среды. Изучение особенностей механизмов регуляции дыхания в условиях центральной гиперволемии, вызванной антиортостатическим положением, вносит существенный вклад в развитие теоретических основ физиологии. Результаты выполненного исследования могут быть полезными для теории и практики гравитационной физиологии, т.к. позволяют уточнить роль респираторной и сердечно-сосудистой системы в адаптации организма к невесомости.
Значительную теоретическую и практическую значимость представляют данные, полученные при исследовании влияния изменения эластической нагрузки на дыхательный аппарат. Подобные сдвиги трансторакального и транспульмонального давлений наблюдаются при искусственной вентиляции легких, в условиях водной иммерсии, в дыхательных аппаратах при глубоководных погружениях и аварийных ситуациях в условиях высотного полета и др.
Физиологическое обоснование способов коррекции негативных гемодинамических сдвигов возникающих в условиях моделируемой невесомости может быть полезным для практики космической физиологии и медицины в целях применения данных методов для решения научных, экспертных, прогностических и тренировочных медико-биологических задач в космических полетах.
Полученные в работе данные о снижении интенсивности ортостатических реакции сердечно-сосудистой системы методом интервальной гипоксической тренировки могут быть использованы в качестве средства, повышающего ортостатическую устойчивость после космических полетов и длительной гипокинезии в клинической практике.
Изучение реакций дыхания и кровообращения в антиортостатическом положении имеет большое теоретическое и прикладное значение для медицинской практики. Последние десятилетия ознаменовались интенсивным развитием лапароскопической хирургии, при которой используется положение Тренделенбурга (антиортостатическое положение пациента на хирургическом столе). Такое положение тела особенно сказывается на функциональном состоянии сердечно-сосудистой системы и дыхания. Абсолютное большинство патофизиологических изменений обусловлено легочными осложнениями, возникающими в послеоперационном периоде, которые являются частой причиной летальных исходов и заболеваний, нарушающих процесс выздоровления
Совокупность представленных данных расширяет представления о возможных путях развития патологических изменений в системе дыхания вызванных центральной гиперволемией, которая сопутствует ряду заболеваний органов дыхания, таких как: бронхиальная астма, хроническая обструктивная болезнь легких, синдром сонного апноэ и др.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены: на Международной Конференции “Механизмы функционирования висцеральных систем” посвященой 150-летию со дня рождения акад. И.П.Павлова. Санкт-Петербург, 1999; на Российской конференции «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях» (Москва, 2000); на 13 конференции «Humans in space» Symposium Exploring Space (Santorini, Greece, 2000); на XVIII съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Казань, 2001); на Конференции «Medizin und Mobilitat» (Германия, 2001); на XII конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2002); на Конгрессе «Человек в экстремальных условиях: проблемы здоровья, адаптации и работоспособности» (Москва, 2002); на конференции «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям» (Москва, 2003); на 19 съезде Физиологического Общества им. И.П. Павлова. (Екатеринбург, 2004); на Рабочем совещании «Биомеханика» (Санкт-Петерург, 2005); на XIII Конференции по космической биологии и авиакосмической медицине (Москва, 2006); на VIII Мировом конгрессе ISAM (Москва, 2006); на XX съезде Физиологического общества им. И.П. Павлова (Москва, 2007); на V Всероссийской конференции с международным участием, посвященная 100-летию со дня рождения В.Н.Черниговского «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2007); на Рабочем совещании «Биомеханика-2007» (Санкт-Петербург, 2007); на VI Всероссийской конференции с международным участием, посвященная 50-летию открытия А.М. Уголевым мембранного пищеварения. (Санкт-Петербург, 2008); на Международной конференции «Advances in Pneumology», Германия, Лейпциг, 2009; на VII Всероссийской конференции с международным участием, посвященная 160-летию со дня рождения И.П.Павлова (С.-Петербург, 2009), на 21 Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010); на Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы регуляции физиологических систем организма в процессе адаптации к условиям среды», посвященная 85-летию со дня основания Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (Санкт-Петербург, 2010).
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации отражено в 39 публикациях в отечественной и зарубежной печати, в том числе 18 статей в рецензируемых журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, выводов и списка цитируемых работ. Объем диссертации составляет 304 страниц печатного текста, включая 31 рисунок и 11 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 395 названий, из которых 138 отечественных и 257 зарубежных источников.
