Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 13
1.1. История проблемы 13
1.2. Проявления азотного наркоза у млекопитающих 16
1.3. Гипоксия в организме млекопитающих 39
1.4. Роль стресс-белков в реакциях клеток на экстремальные воздействия 51
1.5. Заключение 55
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 57
2.1. Описание баросистемы 57
2.2. Исследуемые показатели 58
2.3. Морфологические методы исследования 64
2.4. Фармакологические методы исследования 65
2.5. Тренировочные режимы гипоксии 66
2.6. Статистическая обработка результатов исследований 66
2.7. Сводная таблица экспериментальных исследований и регистрируемых показателей 67
ГЛАВА 3. Действие повышенного давления азота на организм млекопитающих 69
3.1. Двигательная активность и рефлексы позы крыс при различных значениях давления
азота 69
3.2. Динамика биоэлектрической активности мозга крыс в ходе компрессии азотом 77
3.3. Взаимные корреляции двигательных и электрографических проявлений азотного наркоза 82
3.4. Изменение состояния вегетативных систем организма крыс под действием повышенного давления азота
3.4.1. Динамика показателей активности респираторной системы крыс 84
3.4.2. Динамика показателей электрической активности миокарда крыс 86
3.4.3. Динамика потребления кислорода крысами входе компрессии азотом 87
3.4.4. Изменение характеристик системы температурного гомеостаза крыс в ходе компрессии азотом 87
3.4.5. Изменение напряжения кислорода в коре мозга крыс при компрессии азотом 90
3.5. Взаимные корреляции двигательных, электрографических и вегетативных
проявлений азотного наркоза 91
3.6. Количественная оценка процесса развития азотного наркоза 93
ГЛАВА 4. Действие пониженного парциального давления кислорода на организм млекопитающих 95
4.1. Двигательная активность и рефлексы позы крыс при дыхании гипоксическими кислородно-азотными смесями 95
4.2. Динамика биоэлектрической активности мозга крыс при гипоксии 97
4.3. Изменение состояния вегетативных систем организма крысы в условиях гипоксической гипоксии
4.3.1. Динамика показателей активности респираторной системы крыс при гипоксии 98
4.3.2. Динамика показателей электрической активности миокарда крыс 99
4.3.3. Динамика потребления кислорода крысами при гипоксии 1 4.3.4. Изменение напряжения кислорода в коре мозга крыс при гипоксии 102
4.3.5. Взаимные корреляции двигательных и вегетативных проявлений гипоксического воздействия 104
4.3.6. Сравнение физиологических проявлений азотного наркоза и кислородного
голодания 106
ГЛАВА 5. СОЧЕТАННОЕ ДЕЙСТВИЕ ПОВЫШЕННОГО ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ
АЗОТА И ПОНИЖЕННОГО ПАРЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НА ОРГАНИЗМ
МЛЕКОПИТАЮЩИХ 107 5.1. Развитие азотного наркоза у крыс на фоне гипоксической гипоксии 107
5.2. Развитие азотного наркоза у крыс на фоне гипоксического прекондиционирования 110
5.3. Эффективность различных вариантов гипоксического прекондиционирования 113
ГЛАВА 6. HSP-статус нейронов моторной коры мозга крыс при действии повышенного парциального давления азота, пониженного парциального давления кислорода и их сочетания 115
6.1. Динамика HSP70 в моторной коре мозга крыс при азотном наркозе 115
6.2. Динамика HSP70 в моторной коре мозга крыс при курсовой интервальной гипоксии 122
6.3. Динамика HSP70 в моторной коре мозга крыс при действии повышенного давления
азота после курсовой интервальной гипоксии 123
6.4. Изменение количества HSP70 в моторной коре мозга крыс под действием
кверцитина 124
6.5. Исследование содержания белка NeuN в ядрах клеток моторной коры крыс после азотного наркоза и гипоксии 125
6.6. Адаптивные процессы в нейронах моторной коры мозга крыс на фоне действия экстремальных факторов 131
ГЛАВА 7. Обсуждение результатов экспериментальных исследований 132
Выводы 139
Список литературы
- Роль стресс-белков в реакциях клеток на экстремальные воздействия
- Статистическая обработка результатов исследований
- Изменение состояния вегетативных систем организма крыс под действием повышенного давления азота
- Изменение состояния вегетативных систем организма крысы в условиях гипоксической гипоксии
Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение физиологического действия основных компонентов воздуха – азота и кислорода – актуально в исследовательской и клинической практике в связи с тем, что недостаток кислорода в тканях является основным симптомом большинства патологических состояний, а повышенное давление азота приводит к нарушению состояния людей, работающих под водой – азотному наркозу. Кроме того, влияние на организм сочетанного действия этих газов при одновременном или последовательном изменении их парциального давления в дыхательной газовой среде практически не исследовано и является перспективным направлением развития подводной физиологии и медицины (Fenn, 1969; Зальцман с соавт., 1979; Bennett et al., 1982; Thom, 1992; Самойлов, 1999; Лукьянова, 2004; Буравкова с соавт., 2006).
Нарастание интенсивности дозированного гипоксического стимула приводит к изменениям функционального состояния животных, которые выражаются в потере рефлексов позы, активизации резервов систем дыхания и кровообращения, изменении потребления кислорода (Волохов, Образцова, 1950; Иванов, 1968). Эти изменения могут быть оценены количественно.
Наркотическое действие повышенного давления азота вызывает у человека обратимые эмоциональные, когнитивные, двигательные и сенсорные изменения (Bennett, Eliott, 1993). Аналогичные изменения регистрируются в организме млекопитающих (Ветош, 2003). Однако у животных в этих условиях имеет место преобладание нарушений двигательной активности и рефлексов позы. Количественное описание двигательных изменений в ходе развития азотного наркоза предполагает разработку специальной измерительной шкалы.
Исследование сочетанного действия гипоксического и гипербарического азотного стимулов на организм млекопитающих нуждается в поиске клеточного метаболического критерия оценки степени стрессорного воздействия. Одним из таких критериев является содержание в клетках головного мозга белков семейства HSP70, играющих ключевую роль в защите клеток организма от поражающего действия экстремальных факторов, в том числе гипоксии. Их можно отнести к универсальным эндогенным адаптогенам молекулярной природы, ответственным за восстановление третичной структуры продуцируемых клеткой белков de novo и после их частичной денатурации. Наиболее изучены в этом отношении белки семейства HSP70 (Schlesinger, Ashburner, 1982; Меерсон, Малышев, 1993; Маргулис, Гужова, 2000; Morimoto, Nollen, 2004; Пастухов, Екимова, 2005). Для анализа содержания белков семейства HSP70 в отдельных структурах и клеточных элементах головного мозга может быть применен иммуноцитохимический метод исследования, который позволяет количественно оценить топику распределения стресс-белков (Коржевский, 2005).
Цель работы: изучение совместного действия повышенного парциального давления азота и пониженного парциального давления кислорода на физиологические и биохимические характеристики организма крыс породы Wistar.
Задачи исследования:
1. Исследовать действие повышенного давления азота на динамику напряжения кислорода в моторной коре мозга крыс.
2. Изучить влияние параметров гипоксического прекондиционирования на чувствительность и устойчивость млекопитающих к действию гипербарического азота.
3. Оценить динамику чувствительности и устойчивости крыс к действию повышенного давления азота на фоне нарастающего гипоксического стимула.
4. Количественно описать изменения двигательной активности, рефлексов позы и характеристик кардиореспираторной системы крыс породы Wistar на фоне стабильно нарастающего гипоксического стимула в пределах 0,021-0,002 МПа кислорода в дыхательной газовой среде.
5. Определить содержание стресс-белков семейства HSP70 в клетках мозга крыс на фоне действия нормобарической гипоксии.
6. Провести исследование содержания белков семейства HSP70 в головном мозгу крыс при действии повышенного давления азота.
Научная новизна исследований.
Впервые показано, что напряжение кислорода в моторной коре мозга крыс в ходе компрессии азотом выходит за пределы значений, полученных при нормальном давлении этого газа, начиная с 7,1 МПа. Впервые установлено, что прекондиционирующее действие гипоксии (6 % кислорода в дыхательной газовой среде) приводит к уменьшению чувствительности и увеличению устойчивости крыс к действию повышенного давления азота. Впервые при совместном действии повышенного давления азота и пониженного давления кислорода выявлено увеличение чувствительности и уменьшение устойчивости крыс к азотному наркозу. Впервые удалось продемонстрировать увеличение содержания стресс-белков семейства HSP70 в клетках коры мозга крыс под влиянием повышенного давления азота.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Результаты работы расширяют теоретические представления о влиянии сочетанного действия азота и кислорода на метаболические процессы в нейронах мозга млекопитающих. Подтверждается предположение о том, что повышенное давление азота приводит к увеличению содержания стресс-белков семейства HSP70 в клетках мозга животных. Удалось показать участие HSP70 в механизме увеличения резистентности организма к действию повышенного давления азота в результате предварительных гипоксических тренировок. Экспериментальное использование измененной дыхательной газовой среды (повышенное парциальное давление азота в сочетании с пониженным парциальным давлением кислорода) позволило выявить снижение устойчивости к азотному наркозу, что свидетельствует о синергическом действии гипоксии и азота под давлением. Полученные в работе данные могут быть использованы при планировании экспериментов по исследованию процессов нейродегенерации, нейропротекции и нейрорепарации для широкого класса экспериментальных моделей.
Данные проведённых экспериментов могут способствовать дальнейшему поиску конкретных режимов гипоксической терапии и ставить вопрос о возможном терапевтическом использовании повышенных парциальных давлений индифферентных газов. Выявленное увеличение содержания стресс-белков семейства HSP70 в клетках мозга при гипоксии позволяет объяснить молекулярный механизм эффекта тренирующего действия гипербарического азота, используемого в водолазной практике, полученного еще в 50-е годы прошлого века. Обнаруженная в работе динамика HSP70 в клетках мозга при действии гипоксии и азота под давлением, даёт возможность обосновать и найти новые подходы к разработке методов диагностики и профилактики нарушений, связанных с воздействием на организм экстремальных факторов среды. Результаты исследования и вытекающие из них выводы могут быть использованы в лекциях по гипербарической физиологии и медицине в ВУЗах и организациях дополнительного последипломного образования.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. В ходе компрессии азотом вплоть до 7,1 МПа в условиях нормоксической, нормокапнической и нормотермической ДГС у крыс породы Wistar отсутствуют признаки вентиляторной, циркуляторной и гемической гипоксии клеток мозга.
2. Уменьшение парциального давления кислорода в ДГС приводит к двухфазному увеличению чувствительности и уменьшению устойчивости животных к действию
повышенного давления азота.
3. Содержание стресс-белков семейства HSP70 в клетках коры мозга крыс под влиянием повышенного парциального давления азота, пониженного парциального давления кислорода и их сочетанного действия увеличивается.
Апробация работы.
Основные результаты работы были представлены на международном симпозиуме по гипербарической и подводной медицине (Италия, Милан, 1996); на XXXIII международном конгрессе физиологических наук (Санкт-Петербург, 1997); на международной конференции, посвященной 150-летию акад. И.П.Павлова «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 1999); на XI-XIII международных совещаниях по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 1996, 2001, 2006); на Всероссийской конференции «Индифферентные газы в водолазной практике, биологии и медицине» (Москва, 2000); на Российской конференции «Проблемы обитаемости в гермообъектах» (Москва, 2001); на VIII международном симпозиуме по биологии высоких давлений (Москва, 2003); на четвертой Российской конференции (с международным участием) «Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция» (Москва, 2005); на 4-6-й Всеармейских научно-практических конференциях «Баротерапия в комплексном лечении и реабилитации раненых, больных и пораженных» (Санкт-Петербург, 2000, 2003, 2006); на конференции «Гипербарическая физиология и водолазная медицина» (Москва, 2005); на VII международном конгрессе “International society for adaptive medicine (ISAM)” (Москва, 2006); на международном симпозиуме «Актуальные проблемы биофизической медицины» (Украина, Киев, 2007); на XХ съезде физиологического общества им. И.П.Павлова (Москва, 2007); на Пятой Российской конференции «Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция» (Москва, 2008); на Всероссийской конференции «Научное наследие академика Л.А. Орбели. Структурные и функциональные основы эволюции функций, физиология экстремальных состояний» (Санкт-Петербург, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 28 печатных работ, включая 6 статей и 22 тезиса.
Структура о объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики исследования, 4 глав экспериментальных данных, обсуждения полученных результатов, выводов и списка литературы, содержащего 341 источник. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками и содержит 12 таблиц.
Роль стресс-белков в реакциях клеток на экстремальные воздействия
В 1774 году появилась статья Дж.Пристли (Pristley., 1774), которую принято считать первым научным сообщением об открытии кислорода воздуха. В 1878 году Поль Бер (Бер, 1878) в своей знаменитой книге "Барометрическое давление" впервые обосновал положение о том, что физиологическая роль кислорода, азота и углекислого газа, присутствующих в воздухе, зависит от их парциальных давлений. Азоту автор приписал только физическое действие на этапе декомпрессии.
Уменьшение парциального давления кислорода в дыхательной газовой среде (ДГС) П.Бер рассматривал как патологическое гипоксическое состояние. Экспериментальное исследование этого состояния великий французский ученый осуществлял в хорошо контролируемых условиях барокамеры. В это же время в России М.О.Жирмунский (Колчинская с соавт., 2003) показал, что повторные гипоксические экспозиции в барокамере приводят к привыканию организма к недостатку кислорода.
В конце XIX века В.В.Пашутин, П.М.Альбицкий, а позднее, в XX веке Н.Н.Сиротинин, на различных экспериментальных моделях продолжили исследование гипоксических состояний организма человека и животных. В первой половине XX века английские ученые Дж.С.Холден и Дж.Баркрофт вплотную приблизилась к объяснению нарушений состояния сознания, двигательной активности, памяти и эмоций у испытуемых в условиях гипоксии различного генеза (Холден, Пристли, 1937; Баркрофт, 1937).
К 1930 году Г.Демент (Damant, 1930), а в 1935 году Альберт Бенки с соавторами опубликовали работы, содержащие описание необычного явления — физиологического действия повышенного давления азота на организм человека (Behnke et al.,1935). Авторы рассматривали феноменологию развития нарушений памяти, внимания, эмоций и управления движениями у испытуемых. Такое действие воздуха под давлением авторы считали нейротропным, а причиной возникновения феномена - азотную компоненту ДГС. А.Бенки с соавторами предложили принять в качестве механизма действия повышенного давления азота изменения в организме, вызываемые повышенным растворением этого газа в жировых фракциях клеточных структур, что, возможно, ведёт к аноксемии. По мнению А. Бенки, аналогичным образом на организм человека действуют этанол, эфир, закись азота и барбитураты. Главным достоинством работы, явилось предложение заменить в ДГС азот на гелий. При этом все признаки азотного наркоза исчезали. В Великобритании работы по проверке этого открытия возглавил сын Дж. С. Холдена - Д. Б. С. Холден (Холдейн, 1943; Haldane, 1950; Фельдман, 1976), в нашей стране — выдающиеся ученые Н.В.Лазарев (Лазарев, 1941) и Л.А.Орбели (Орбели с соавт., 1944; Крепе, 1975).
Во второй половине XX века сотрудники научной школы Н.Н.Сирогинина -А.З.Колчинская, В.А.Березовский, Т.В.Серебровская - внедрили в экспериментальную и клиническую практику метод интервальной гипоксической тренировки (Колчинская с соавт., 2003), который позволял значительно увеличить неспецифическую резистентность организма после специально организованного курсового гипоксического воздействия (Самойлов, 1999). Достойное развитие этот метод получил в работах Е.А.Коваленко (Коваленко с соавт., 1992), В.Б.Малкина и Е.Б.Гиппенрейтера (Малкин, Гиппенрейтер, 1977) и Т.Г.Сазонтовой (Сазонтова с соавт., 1999).
В 1962 году Ф.Ритосса (Ritossa, 1962) опубликовал основополагающую работу, позволившую цитологам и генетикам приступить к исследованию нового класса внутриклеточных белков. Позднее эти белки стали называть heat shock proteins или HSP или стресс-белки. Действие гипоксии приводило к увеличению концентрации в клетках HSP70 (Меерсон, Малышев, 1993; Sharp et al. 1999). В настоящее время стресс-белки активно изучаются многими исследовательскими группами (Lipton, 1999; Malyshev et al., 1999; Guzhova et al., 2001; Morimoto, 2004).
В конце XX века существенный вклад в исследование клеточных механизмов гипоксии был внесен Л.ДЛукьяновой и ее сотрудниками (Лукьянова, 2004). В это же время фундаментальные работы Р.Б.Стрелкова (Стрелков с соавт., 1994) позволили разработать конкретные терапевтические процедуры и методические рекомендации гипоксического преконди цион ирования.
В 1967 году У.Финн (Fenn, 1967) впервые обратил внимание на возможную связь механизмов азотного наркоза с кислородным обеспечением организма. К сожалению, дальнейшее экспериментальное исследование этого вопроса осталось практически неразработанным. Известны только 4 публикации, посвященные совместному действию гипероксии и повышенного давления азота (Карев, 1973; Thomas et al., 1976; Hesser et al., 1978; Bitterman et al., 1987). Авторы всех этих работ отмечали синергическое усиление токсической потенции повышенных давлений кислорода и азота Данные об особенностях механизмов азотного наркоза на фоне гипоксии в доступной нам литературе отсутствуют.
Усилиями Г.Л.Зальцмана (Зальцман, 1961; Зальцман с соавт., 1979), П.Б.Беннета (Bennett, 1966; Bennett et al., 1993) и С.Тома (Thom, 1997; Thorn, Fisher, 1998) исследование физиологических и биохимических механизмов азотного наркоза были продолжены.
Таким образом, за более чем 200-летнюю историю исследования гипоксических состояний и наркотического действия азота под давлением, пройден путь от описания феноменологии этих явлений до высокоточного анализа молекулярных процессов на субклеточном уровне. Однако до сегодняшнего дня гипоксические состояния и наркотическое действие азота изучались изолированно друг от друга. В настоящее время становится актуальным исследование сочетанного действия гипоксии и повышенного давления азота с учетом HSP-статуса клеток мозга.
Статистическая обработка результатов исследований
Регистрация спонтанной биоэлектрической активности головного мозга крыс в условиях гипербарии проводилась у предварительно оперированных под нембуталовым наркозом животных (Коган, 1952; Черкес с соавт., 1976). Этим крысам вводились электроды из платины диаметром 200 мкм, изолированные по всей длине, кроме конически заточенного торца. Они были установлены стереотаксическим методом по координатам атласов (Snider, Lee, 1961; Schober, 1986) в головку хвостатого ядра, чёрную субстанцию, бледный шар, гиппокамп, ретикулярную формацию среднего мозга, красное ядро, а также лобную и моторную зоны коры правого полушария. Индифферентный электрод из хлорированной серебряной проволоки диаметром 500 мкм устанавливали в затылочную кость рядом с сагиттальным швом.
Спонтанная биоэлектрическая активность мозга животного в ходе компрессии азотом усиливалась и записывалась на бумажный носитель традиционным образом (Шеповальников, 1971), а также в память компьютера выбирались и записывались эпохи по 5 сек для последующей обработки. Спектральный анализ электрической активности мозга животных производился по специально разработанной программе. Программа позволяла рассчитывать когерентные отношения между парами электрических сигналов, отводимых из различных точек мозга в виде коэффициентов когерентности для спектральных окон переменной ширины. Расчеты проводились для участков спектра шириной 0,3 — 0,4 гц. Если коэффициент когерентности превышал величину 0,5, то это рассматривалось, как признак сходства двух анализируемых потоков сигналов, как по частоте, так и по фазе. На основании распечаток коэффициентов корреляции составляли диаграммы корреляционных отношений между структурами мозга на тех или иных этапах развития азотного наркоза. Анализ динамики изменения корреляционных отношений между биоэлектрическими процессами в структурах мозга позволял судить о нарушениях связности электрогенеза в функциональных системах ЦНС (Елисеева, 1982).
Измерение напряжения кислорода в мозге осуществляли полярографическим методом по методике И.Т.Демченко (Демченко, 1976) с незначительной модификацией, посредством платиновых электродов диаметром 200 мкм, многослойно изолированных, с конусовидно заточенными и покрытыми тремя слоями нафиона кончиками. Индифферентные электроды изготавливались из хлорированной серебряной проволоки диаметром 500 мкм. Трепанационные отверстия для последующей установки электродов выполняли под нембуталовым наркозом (40 мг/кг) над поверхностью моторной коры мозга и в затылочной области коры. Ежедневно в течение 5-7 дней после операции производили очистку трепанационных отверстий от лейкоцитарных сгустков. Критериями, допускающими успешное использование трепанированных животных в последующих экспериментах, являлись нормальный поведенческий паттерн и положительная, динамика весовых характеристик животного. Электроды устанавливали в верхний слой коры мозга на глубину 0,5-1 мм J непосредственно перед началом эксперимента. Калибровку электродов в жидких калибровочных эталонах по трем точкам производили до и после установки их на поверхность мозга (Березовский, 1975, Агафонов, 1990).
Для регистрации использовался размещенный снаружи камеры микровольтамперметр Ф-138. Между измерительным и индифферентным электродами подавали постоянное напряжение величиной 0,6 вольта.
Для регистрации ЭКГ использовалась специальная пластинка с изолированной для каждой лапы токопроводящей поверхностью. Для записи электрокардиограммы использовался усилитель электроэнцефалографа EEG-8 (Венгрия) с выходом на специализированный вычислительный комплекс на базе СМ 1300. После завершения записи электрокардиограммы проводилась компьютерная обработка полученных результатов (Селивра с соавт., 1992). Электрокардиограммы обрабатывались по следующим параметрам: частота сердечных сокращений (ЧСС) и мода (Мо). 2.2.5. Регистрация дыхательной активности животных.
Регистрация дыхательной активности проводилась с помощью угольного электромеханического датчика, который размещался на груди животного позади передних конечностей на уровне мечевидного отростка грудинной кости. Регистрация и запись этой активности осуществлялись через гермоввод на расположенный снаружи чернильнопишущий регистратор. Форма сигнала электропневмограммы и частота дыхания анализировались вручную.
Для изучения температурного гомеостаза у животных определяли ректальную температуру, температуру поверхности тела и головного мозга.
Температуру поверхности коры мозга животных определяли с помощью терморезисторов типа МТ-54, которые имплантировали животным эпидурально под нембуталовым наркозом (в дозе 40 мг/кг) за 5-7 дней до опыта. Для измерения ректальной температуры использовали специальные датчики электротермометра типа ТПЭМ-1, которые . вводили в прямую кишку животного на глубину 6 — 8 см. Температуру на поверхности тела измеряли терморезисторами типа МТ-54, которые приклеивались на выбритую поверхность кожи. Измерение сопротивления терморезисторов осуществляли с помощью цифрового вольтметра типа В7-35, располагающегося снаружи камеры.
Изменение состояния вегетативных систем организма крыс под действием повышенного давления азота
В ходе компрессии азотом до 4,1 МПа с последующей изопрессией, температура «ядра» тела крыс, измерявшаяся в моторной коре мозга и per rectum, достоверно уменьшалась почти на 9 градусов (см. рис. 18). Начало развития этой гипербарической гипотермии соответствовало давлению 1,3 МПа. Скорость снижения температуры «ядра» тела в этих условиях составляла 7 С в час. 40-,
Динамика изменения температуры ядра тела крыс в ходе компрессии азотом. 1-температура коры мозга; 2 - ректальная температура; 3 - температура ДГС в барокамере; 4 -барограмма (профиль изменения давления азота). Доверительные интервалы указаны для Р = 0,95.
Гипотермическое действие азота под давлением было обратимо. При снижении давления ДГС в барокамере температура «ядра» тела животных начинала увеличиваться и возвращалась к норме, если декомпрессия проводилась по оптимальному режиму.
Доказательством того, что именно азот под повышенным давлением приводит к развитию гипотермии у крыс, является полученный нами в абсолютно аналогичных условиях факт снижения температуры «ядра» тела этих животных при действии повышенного давления гелия. В гипербарической гелиево-кислородной среде температура в глубине тела крыс начинала снижаться уже при давлении 0,7 МПа, что позволяет предполагать значительную роль процессов теплоотдачи в развитии гипотермии под влиянием растущей теплоёмкости ДГС в ходе компрессии. Полученные данные дают возможность объяснить возникновение некоторых, оказывающихся теперь вторичными, признаков действия азота под давлением. В частности, усиление двигательной активности животных при давлении азота 1,3 —1,5 МПа вызывается, вероятно, стремлением увеличить теплопродукцию за счёт локомоторной мышечной работы на фоне начавшегося уменьшения температуры «ядра» тела (Слоним, 1984; Баженов, 1981).
Учащение и углубление дыхания у животных в ходе компрессии, а также рост частоты сердечных сокращений в этих условиях, можно рассматривать не только как реакцию на повышение плотности ДГС, но и как включение резервов организма для увеличения потребления кислорода, необходимого для покрытия возросших энергетических затрат.
Смещение максимума огибающей спектра ЭЭГ в область низких частот (4-6 Гц) под действием повышенного давления азота у крыс можно объяснить не только в общих терминах запуска "ритма напряжения", но и с точки зрения участия нейронных структур заднего гипоталамуса одновременно в регуляции уровня теплообразования в организме (Hardy et al., 1964) и генерации тета-ритма, распространяющегося в корковых и подкорковых структурах ЦНС (Ильюченок, Банников, 1968).
Таким образом, действие азота под давлением на организм гомойотермних животных приводит к значительному уменьшению температуры «ядра» тела, которое начинается в ходе компрессии одновременно с началом развития двигательных нарушений и, возможно, определяет многие, если не все, эти нарушения. 3.4.5. Изменение напряжения кислорода в коре мозга крыс при компрессии азотом.
В ходе компрессии среднее значение р02 в моторной коре мозга крыс колебалось в пределах от 26 до 33 мм.рт.ст., что является нормальными значениями для этого вида животных (Аточин, Жиляев, Кривченко, 1992). Это означает, что даже сорокакратное увеличение парциального давления азота в ДГС не приводит к нарушению снабжения кислородом коры мозга экспериментальных животных. Результаты измерения представлены на рис. 19.
По достижении в барокамере давления азота 5,1 МПа, напряжение кислорода в мозгу начинало снижаться почти линейно со скоростью 0,46 торр/мин. При давлении 7,1 напряжение кислорода в мозгу крыс опускалось за пределы нижней границы нормы. Это же давление служило границей, отделяющей второй этап развития процесса адаптации крыс к действию повышенного давления азота от третьего - терминального.
На заключительном этапе компрессии азотом 9,1 - 12,1 МПа напряжение кислорода в мозгу крыс быстро уменьшалось и достигало нулевого значения при 11,6 МПа. В этих условиях у большинства крыс, участвовавших в экспериментах, ещё можно было зарегистрировать ЭКГ. Очевидно, кислородоснабжение миокарда крыс в гипербарических условиях имеет первый приоритет.
Таким образом, кислородный режим мозга крыс в ходе развития биологического действия азота остается в пределах нормы вплоть до давления 7,1 МПа. Это означает, что даже семидесятикратная повышенная плотность ДГС еще не приводит к появлению признаков гипоксии в моторной области коры больших полушарий. Следовательно, в диапазоне повышенных давлений азота 0,1-4,1 МПа, применяемом нами в исследованиях сочетанного действия гипоксии и азотного наркоза, при использовании нормоксических ДГС кислородный гомеостаз моторной коры мозга крыс не был нарушен. 11,6МПа
Изменение напряжения кислорода в мозгу крыс в ходе компрессии азотом. По оси ординат - напряжение кислорода в мозгу [торр]. По оси абсцисс время [мин]. Доверительные интервалы указаны для Р = 0,9.
Гипербарическая гипотермия может быть скомпенсирована путем поддержания температуры ДГС в барокамере в пределах термонейтральной зоны (Ветош, 1997, 1999). Изменение двигательной активности и рефлексов позы крыс в ходе компрессии азотом в пределах термонейтральной зоны несколько отличалось от привычного. Ключевые признаки биологического действия азота, такие как атаксия задних и передних конечностей и манежные движения проявлялись при более высоких давлениях. Повышение тонуса мышц сгибателей и разгибателей конечностей, спины и шеи отсутствовало. Не наблюдалось боковое положение тела. Но появился новый признак - вялый паралич конечностей. Вес эти изменения, в сравнении с прежним набором поведенческих признаков, представлены в таблице 6.
Изменение состояния вегетативных систем организма крысы в условиях гипоксической гипоксии
Действие того или иного фактора на функциональную систему, если оно выходит за пределы ординарных значений, вызывает активацию ее физиологических и биохимических резервов. Спектр этих резервов для экстремальных факторов различной модальности, как правило, различен. При одновременном сочетанном действии двух экстремальных факторов на функциональную систему организма, активизируются соответствующие наборы функциональных резервов. Анализ последних позволяет выявить тс позиции, в которых совпадают функциональные резервы, активируемые одновременно предъявляемыми экстремальными факторами. А это, в свою очередь, позволяет вынести суждения о новых характеристиках адаптивных реакций на предъявленные воздействия.
В случае одновременного действия высокого парциального давления азота и гипоксического стимула можно ожидать активизацию функциональных резервов системы внешнего дыхания, сердечно-сосудистой системы, системы окислительного фосфорилирования митохондрий и репарационной внутриклеточной системы на основе стресс-белков. Исчерпание компенсаторных возможностей со стороны вышеперечисленных резервных систем может привести к повышению чувствительности организма крыс к действию повышенного давления азота и к уменьшению устойчивости животных к действию этого гипербарического фактора.
Можно также ожидать, что общим пулом внутриклеточных резервов организма крыс к действию повышенного давления азота и пониженного давления кислорода будет репарационная HSP-система клеток. Наиболее вероятно, что заметные изменения внутриклеточного HSP-пула произойдут в метаболически активных клеточных системах, например, в нейронах мозга, ответственных за выработку моторных команд.
Исследование процесса развития азотного наркоза на фоне гипоксии производилось при парциальном давлении кислорода в ДГС, равном 0,021; 0,012; 0,008; 0,006 и 0,004 МПа. В качестве основных поведенческих признаков наркотического действия азота использовались: атаксия задних конечностей, атаксия передних конечностей и потеря выпрямительных рефлексов (см. рис. 12). Результаты исследования представлены на рис. 27. В условиях нормоксии основные признаки наркотического действия азота впервые проявлялись при давлениях 1,7 МПа (атаксия задних конечностей), 2,6 МПа (атаксия передних конечностей) и 4,1 МПа (потеря выпрямительных рефлексов). Появление самого раннего признака азотного наркоза — атаксии задних конечностей при давлении азота 1,7 МПа мы рассматривали как количественную меру чувствительности организма крыс к наркотическому действию азота. Разницу давлений азота между появлением самого раннего и самого позднего признаков азотного наркоза мы рассматривали как количественную меру устойчивости к наркотическому действию азота. В условиях нормоксии она составляла 4,1 — 1,7 = 2,4 МПа. При умеренной, компенсируемой гипоксии (0,012 и 0,008 МПа кислорода в ДГС) все основные поведенческие признаки впервые проявлялись при меньших давлениях. При этом повышалась чувствительность и уменьшалась устойчивость животных к действию гипербарического азота.
Изменение двигательной активности и рефлексов позы крыс в ходе развития азотного наркоза на фоне нарастающего гипоксического стимула. По горизонтальной оси -концентрация кислорода в ДГС (объемные проценты). По вертикальной оси - парциальное давление азота в ДГС (МПа).
В условиях жесткой, декомпенсированной гипоксии (0,006 и 0,004 МПа кислорода в ДГС) ее влияние на процесс развития азотного наркоза усиливалось. Более быстрыми темпами росла чувствительность и падала устойчивость крыс к наркотическому действию азота. При 0,004 МПа кислорода в ДГС весь спектр поведенческого репертуара укладывался в диапазон давлений азота 1,1 МПа. В условиях нормоксии в этом диапазоне давлений азота отсутствовал любой, даже самый ранний признак азотного наркоза.
Таким образом, данные, приведённые на рис. 27, убедительно свидетельствуют о том, что процесс развития азотного наркоза является кислородозависимьш в диапазоне концентраций кислорода в ДГС 0,021 - 0,004 МПа. При этом двухфазно увеличивалась чувствительность и уменьшалась устойчивость организма млекопитающих к наркотическому действию азота.
Использование гипоксического воздействия на этапе, предшествующем компрессии азотом, гипоксическое прекондиционирование, может приводить к физиологически и биохимически значимым результатам. Для достижения этого результата важно правильно выбрать все параметры гипоксического стимула.
Метаболические последствия гипоксического прекондиционирования можно ожидать не ранее, чем через 30-60 минут после этого воздействия. В ряде случаев при правильно подобранной амплитуде гипоксического стимула, функционально значимые изменения метаболизма клеток могут сохраняться в течение 24-36 часов (Самойлов с соавт., 2004). Для достижения такого результата необходимо создавать в организме гипоксию декомпенсированного уровня. Для крыс породы Wistar нами было определено эффективное значение парциального давления кислорода в ДГС, соответствующее 0,006 МПа, приводящее к формированию метаболического гипоксического следа, длящегося более суток (Журавин, 2003). Основываясь на этом, курсовое прекондиционирующее гипоксическое воздействие на крыс производили один раз в сутки в одно и то же время в первой половине дня. Максимальная длительность гипоксического курса составляла 16 дней. Эффективность гипоксического прекондиционирования количественно оценивали на модели азотного наркоза (см. таблицу 6).
Три основных признака наркотического действия азота под давлением представлены в таблице 8. После восьмого сеанса курсового гипоксического воздействия атаксия задних конечностей впервые проявилась под давлением 2,6 МПа, что на 52,9 % больше нормы. Атаксия передних конечностей и потеря выпрямительных рефлексов отсрочились на 30,7 и 31,7 % соответственно.
