Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 14
Энергетический обмен гомойотермного организма 14
Основные закономерности теплообмена 18
Основная концепция терморегуляции 26
Нервные механизмы терморегуляции 29
Кожные терморецепторы 39
Охлаждение организма, гипотермия 48
Роль ионов кальция в клеточном метаболизме 54
Глава 2. Методика 62
Глава 3. Роль кожных холодовых терморецепторов в механизмах терморегуляции 81
3.1. Измерение температуры в поверхностных и глубоких слоях кожи 82
3.2. Определение глубины расположения в коже Холодовых терморецепторов 85
3.2.1. Термостимуляция со стороны поверхностных и глубоких слоев кожи .86
3.2.2. Анализ ответов терморецепторов на изменение температуры поверхностного термода 91
3.3. Связь поверхностных и глубоких кожных Холодовых терморецепторов с нейронами гипоталамуса и таламуса 98
3.3.1. Нейроны гипоталамуса 99
3.3.2. Нейроны таламуса 106
Глава 4. Изменение частоты и паттерна разряда холодовых терморецепторов при различной температуре кожи 110
4.1. Медленное охлаждение кожи НО
4.2. Быстрое охлаждение кожи с помощью льда 126
Глава 5. Стимуляция импульсной активности холодовых терморецепторов и механохолодовых рецепторов кроликов с помощью эдта при низкой температуре кожи 137
5.1. Изменение частоты разряда рецепторов 141
5.2. Снижение нижнего температурного порога прекращения импульсной
активности Холодовых терморецепторов и механохолодовых рецепторов... 144
5.3. Изменение паттерна разряда рецепторов 145
Глава 6. Стимуляция терморегуляторнои и дыхательной функций организма при иммерсионной гипотермии 160
6.1. Стимуляция холодовой дрожи у крыс с помощью локального нагревания гипоталамуса 161
6.2. Стимуляция холодовой дрожи с помощью ЭДТА без отогревания тела .172
6.3. Стимуляция легочного дыхания у крыс с помощью ЭДТА 183
Глава 7. Стимулирующее влияние ЭДТА на терморегуляторную и дыхательную функции при непрерывном воздушном охлаждении организма 195
7.1. Эксперименты на крысах с жесткой фиксацией тела . 195
7.2. Особенности развития гипотермии у крыс при различной степени ограничения двигательной активности 204
7.3. Стимуляция терморегуляторной и дыхательной функций с помощью ЭДТА и ЭГТА при глубокой гипотермии у крыс с ограниченной двигательной активностью 216
7.3.1. Введение ЭДТА 217
7.3.2. Введение ЭГТА 219
7.3.3. Контрольные опыты 219
Глава 8. Изменение содержания са2+ в плазме крови животных при внутривенном введении ЭДТА 231
8.1. Концентрация общего кальция в плазме крови кроликов до и после внутривенного введения ЭДТА 232
8.2. Измерение концентрации Са в плазме крови кроликов и крыс 233
Заключение 243
Выводы 267
Литература
- Энергетический обмен гомойотермного организма
- Измерение температуры в поверхностных и глубоких слоях кожи
- Изменение частоты разряда рецепторов
- Стимуляция холодовой дрожи у крыс с помощью локального нагревания гипоталамуса
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ
Температура играет важнейшую роль во взаимоотношении организма с окружающей средой. Освоение человеком регионов с холодным или жарким климатом с целью добычи и использования различных природных богатств, осуществления производственной и исследовательской деятельности выдвигает новые проблемы обеспечения нормальных условий жизнедеятельности для населения этих районов. Проектирование систем отопления и охлаждения воздуха в жилых и служебных помещениях, костюмов, защищающих человека от внешних температурных воздействий, требуют знания физических законов и физиологии теплообмена. Важность решения этой проблемы возрастает в связи с активным освоением космического пространства. Обнаружено, что в космическом полете снижается эффективность механизмов терморегуляции (Лакота, Ларина, 2002).
У гомойотермних организмов температура центральных областей тела («ядра») поддерживается на постоянном уровне с высокой точностью. Большее время человек и животные находятся в условиях термонейтральной зоны (для человека - зона температурного комфорта). В этих условиях коррекция теплового состояния организма осуществляется за счет изменения кожного кровотока. Происходит напряженная работа «физиологического термостата», возникающие при этом колебания температуры головного мозга не превышают нескольких сотых градуса. В норме главной задачей терморегуляции является обеспечение постоянства температуры «ядра» тела в термонейтральных условиях; при изменении температуры тела на 1-1.5 С у человека резко снижается умственная и физическая работоспособность.
Предлагаемые схемы работы температурного регулятора (Bligh, 1985; Bruck, Zeisberger, 1987; Werner, 1988; Hammel, 1990), включают в себя элементы интеграции сигналов от различных термосенсоров тела, реципрокное взаимодействие между афферентными путями от Холодовых и тепловых терморецепторов. Однако вопрос о том, что же является предметом терморегуляции, и каков механизм своевременного включения терморегуляторных
реакций, остается дискуссионным. Концепция регуляции температуры тела у человека и гомойотермних животных по температуре гипоталамуса (Benzinger, 1969) не может объяснить высокой точности терморегуляции. Температурная чувствительность гипоталамуса величина непостоянная и зависит от температуры кожи (Kruk, Davydov, 1977; Bligh, 1985; Simon et al., 1986). Кроме того, показано, что терморегуляторные реакции организма могут включаться в отсутствии сдвигов температуры гипоталамуса (Иванов, Слепчук, 1985; Слепчук, 1987). Согласно современной гипотезе, предметом терморегуляции является изменение средней температуры тела или теплосодержания (Snellen, 1972; Houdas et al., 1978; Adolph, 1979; Webb, 1997). Точное определение средней температуры тела невозможно из-за сложной конфигурации тела, различий в теплопродукции и теплопроводности органов и тканей. Давно высказывались предположения (Bazett, 1951; Бартон, Эдхолм, 1957; Nielsen, 1969; Иванов, 1990), что гомойотермные организмы способны регистрировать кожные температурные градиенты, величину и направление тепловых потоков через кожные покровы тела, что позволяет оценивать колебания теплосодержания тела или его средней температуры. Существование такого механизма до сих пор не доказано.
В центре терморегуляции в гипоталамусе обнаружены нейроны, обладающие собственной термочувствительностью, а также нейроны, суммирующие информацию от кожных терморецепторов и центральных термосенсоров (Wit, Wang, 1968; Martin, Manning, 1971; Дымникова и др., 1973; Hensel, 1981; Дымникова, Халилов, 1984; Bruck, Zeisberger, 1987; Li, Thornhill, 1998). Принцип интеграции информации о температуре кожи различных областей тела и температуре различных отделов головного мозга - важнейший принцип работы системы терморегуляции. Можно предположить, что в гипоталамусе происходит интеграция информации о температуре поверхностных и глубоких слоев кожи, определение величины и направления тепловых потоков через кожу, а затем выработка соответствующих эфферентных команд. Согласно данным литературы, холодовые терморецепторы расположены под эпидермисом и могут измерять температуру только поверхностных слоев кожи (Hensel, 1981; Kenshalo, 1984), однако были отмечены факты запаздывания реакции некоторых Холодовых
терморецепторов на изменение температуры кожи (Jarvilechto, 1973; Маловичко и др., 1974; Константинов и др., 1980). Поэтому представлялось актуальным провести определение глубины локализации в коже Холодовых терморецепторов, что имеет принципиальное значение для терморегуляции гомойотермних организмов.
Точность восприятия температуры кожи в большой степени зависит от информации, поступающей в центр терморегуляции от кожных терморецепторов. Установлено, что кривая зависимости частоты импульсации кожных Холодовых терморецепторов от температуры кожи имеет «колоколообразную» форму, поэтому одинаковая частота импульсации может наблюдаться при различной температуре кожи. Возникает вопрос, как же в этих случаях происходит распознавание температуры кожи? Полагают, что информация о температуре кожи может быть заключена в структуре импульсного потока (Hensel, 1983; Kenshalo, 1984), но вопрос о кодировании температурной информации еще не решен (Dykes, 1975; Kenshalo, Duclaux, 1977). Поэтому представлялось актуальным исследование изменений частоты и паттерна разряда одиночных кожных Холодовых терморецепторов кроликов при различных значениях температуры кожи.
Изучение проблемы действия холода на гомойотермные организмы является одной из актуальных проблем физиологии и медицины. Реанимация жертв глубокой гипотермии является труднейшей задачей (Новиков и др., 1998; Kempainen, Brunette, 2004; Stocks et al., 2004), часто даже в клинических условиях не удается предотвратить гибель человека от замерзания. При понижении окружающей температуры для поддержания температуры тела на постоянном уровне необходимо включение специфических терморегуляторных реакций, способствующих повышению теплопродукции (терморегуляционный мышечный тонус и холодовая дрожь). В норме этого достаточно, чтобы не допустить понижения температуры тела и мозга. Однако мощность этих реакций недостаточна, чтобы обеспечить сохранение теплового баланса организма при длительном пребывании в холоде, в результате развивается гипотермия (Иванов и др., 1992). При глубокой гипотермии терморегуляционный мышечный тонус и холодовая дрожь ослабевают, развивается «холодовой паралич» центра
терморегуляции; дальнейшее падение температуры тела приводит к наступлению «холодового паралича» дыхательного центра и организм погибает (Paton, 1991; Wainberg, 1993; Иванов, 1996). До настоящего времени единственным методом выведения организма из состояния глубокой гипотермии является его согревание, которое не всегда эффективно.
Согласно гипотезе Хочачка (Hochachka, 1986), при гипотермии основным фактором, дезорганизующим метаболизм клетки и вызывающим паралич ее функций, является накопление в цитозоле ионизированного кальция. Из-за высокой внеклеточной концентрации Са2+ непрерывно входит внутрь клетки; универсальные пути удаления Са2+ из цитоплазмы клеток требуют затраты энергии и осуществляются с помощью Са2+-насосов. Перемещение одного иона кальция против большого концентрационного градиента требует энергии одной молекулы АТФ (Carafoli, 1991), при гипотермии разрушается четвертичная структура фермента АТФазы, синтез АТФ в клетке резко нарушается, клетка испытывает недостаток энергии. При гипоксии и гипотермии происходят сходные патологические нарушения в клетках организма, в конечном итоге приводящие к росту внутриклеточной концентрации Са и к повреждению клеток (Siesjo, Bengtsson, 1989; Gukovskaya, Zinchenko, 1990; Pulsinelli, 1995; Асланиди и др., 1997; Boutilier, 2001). Учитывая эти данные, мы предположили, что понижение концентрации Са в плазме крови может оказаться эффективным для стимуляции терморегуляторной и дыхательной функций организма после их «холодового паралича», развивающегося при глубокой гипотермии.
Поскольку проверка этих гипотез не может быть выполнена на человеке, в качестве объекта исследований были выбраны кролики и крысы, так как основные закономерности теплообмена, терморегуляции сходны у разных гомойотермных организмов.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель исследования состояла в выяснении механизма измерения кожных температурных градиентов, обеспечивающего точность терморегуляции в норме, и
механизма угнетения терморегуляторной функций гомойотермного организма при гипотермии.
Эта цель предусматривала решение следующих задач:
Определить глубину расположения в коже Холодовых терморецепторов на основе анализа латентного времени и характера их реакции на быстрые изменения температуры поверхностных и глубоких слоев кожи.
Исследовать латентное время ответов нейронов гипоталамуса и таламуса на быстрое изменение температуры кожи, сопоставить его с латентным временем ответов кожных Холодовых терморецепторов на аналогичный температурный стимул.
Провести исследование изменения частоты и паттерна (анализ гистограмм межимпульсных интервалов) импульсной активности кожных Холодовых терморецепторов при различной температуре кожи.
Определить температурные пороги прекращения импульсной активности кожных Холодовых терморецепторов и Холодовых механорецепторов при локальном охлаждении кожи. Разработать метод стимуляции рецепторов при температуре «холодового паралича» их активности с помощью внутривенного введения препарата, понижающего концентрацию Са в плазме крови (ЭДТА).
5. Определить температурные пороги наступления «холодового паралича»
терморегуляторной и дыхательной функций у крыс при гипотермии. Осуществить
стимуляцию холодовой мышечной дрожи с помощью локального нагревания
области заднего гипоталамуса.
6. Изучить особенности изменения терморегуляторной и дыхательной
функций в процессе развития глубокой гипотермии у крыс с различной степенью
ограничения двигательной активности. Оценить эффективность внутривенных
инъекций ЭДТА (динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты) или
ЭГТА (этиленгликоль тетраацетат) для стимуляции терморегуляторной и
дыхательной функций организма при гипотермии.
7. Исследовать изменения концентрации ионизированного кальция в крови у
кроликов и крыс до, и после введения ЭДТА.
ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. У гомойотермных организмов имеется механизм для измерения кожных
температурных градиентов. Он заключается в расположении Холодовых
терморецепторов в различных слоях кожи, в проведении информации о
температуре поверхностных и глубоких слоев кожи к разным нейронам
гипоталамуса. Это имеет принципиальное значение для терморегуляции и является
основой для измерения величины и направления тепловых потоков через кожную
поверхность, и контроля над изменениями теплосодержания или средней
температуры тела.
2. Функциональная активность кожных Холодовых терморецепторов,
терморегуляторная и дыхательная функции организма восстанавливаются при
температуре их «холодового паралича» после введения в кровяное русло
препаратов, связывающих ионы кальция (ЭДТА или ЭГТА). При глубокой
гипотермии снижение концентрации Са + в плазме крови на 15-27% вызывает
максимальную активизацию этих функций организма. При восстановлении
исходной концентрации Са2+ вновь происходит угнетение активности
терморецепторов, терморегуляторной и дыхательной функций организма.
3. Одним из факторов, вызывающих «холодовой паралич» терморегуляторной
и дыхательной функций гомойотермного организма, является нарушение
энергозависимых механизмов транспорта ионов кальция из цитоплазмы клеток.
Уменьшение концентрации Са2+ в плазме крови способствует снижению
температурных порогов наступления «холодового паралича» функций кожных
Холодовых терморецепторов, терморегуляторной и дыхательной функций
организма.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые получены доказательства расположения Холодовых терморецепторов в коже на различной глубине; связи поверхностных и глубоких кожных терморецепторов с различными нейронами гипоталамуса (медиальная преоптическая область, дорсо- и вентромедиальное ядра) и таламуса (антеро- и медиодорсальное ядра ассоциативной зоны). Это является механизмом регистрации величины и направления тепловых потоков через кожу, позволяющим
организму с высокой точностью определять изменение его теплосодержания или средней температуры тела.
Исследовано изменение частоты импульсации и гистограмм распределения межимпульсных интервалов у кожных Холодовых терморецепторов кроликов при охлаждении кожи от верхней до нижней температурной границы функциональной активности рецепторов. Выявлены достоверные отличия паттерна разряда при температурах кожи выше и ниже статического максимума разряда при равной частоте импульсации.
Впервые показано, что понижение концентрации Са2+ в плазме крови приводит к возобновлению импульсной активности, росту частоты разряда кожных Холодовых терморецепторов и Холодовых механорецепторов при температуре их «холодового паралича».
Получены данные об активизации холодовой мышечной дрожи у крыс после локального нагревания области гипоталамуса на фоне общего охлаждения животного. Это свидетельствует о том, что нарушение терморегуляторной функции организма при гипотермии обусловлено охлаждением центра терморегуляции.
Впервые выявлены феномены активизации терморегуляторной и дыхательной функций у крыс при гипотермии (охлаждение в воде или в воздушной среде) без специального отогревания, а только посредством введения в кровяное русло ЭДТА или ЭГТА, препаратов связывающих Са2+ в плазме крови. Проведено сравнение эффектов от введения ЭДТА животным с различной степенью ограничения двигательной активности при непрерывном охлаждении в воздушной среде. Впервые проведены измерения концентрации Са в плазме крови животных до и после внутривенного введения ЭДТА.
Впервые выдвинуто положение, что посредством уменьшения концентрации Са2+ в плазме крови гомойотермного организма можно восстановить функции кожных Холодовых терморецепторов, терморегуляторного и дыхательного центров, а также понизить температурные пороги наступления «холодового паралича» этих функций.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Проведенные исследования имеют важное теоретическое значение, поскольку
решают фундаментальную проблему терморегуляции, касающуюся выявления
нейрофизиологического механизма определения изменений теплосодержания или
средней температуры тела. Установлено, что холодовые терморецепторы
расположены в коже на разной глубине, информация от поверхностных и глубоких
кожных Холодовых терморецепторов поступает к разным нейронам таламуса и
гипоталамуса. Такая «конструкция» афферентного звена системы терморегуляции
позволяет измерять кожные температурные градиенты. Очевидно, в гипоталамусе
происходит обработка этой информации, в результате чего организм осуществляет
контроль над изменениями теплосодержания или средней температуры тела.
Существенно дополнены сведения о механизмах кодирования температурной
информации. Все эти механизмы обеспечивают высокую точность и быстроту
включения и выключения терморегуляторных реакций при малейших изменениях
теплового состояния организма при термонейтральной окружающей температуре и
небольших отклонениях от нее. Полученные данные могут быть использованы при
создании математических моделей терморегуляции гомойотермного организма,
при разработке систем жизнеобеспечения организма в космической и подводной
физиологии. I
Данные об активирующем влиянии ЭДТА и ЭГТА на функции кожных Холодовых терморецепторов, на терморегуляторную и дыхательную функции при глубокой гипотермии гомойотермного организма имеют большое теоретическое и практическое значение для физиологии терморегуляции. Экспериментально доказано, что в основе развития «холодового паралича» функций кожных Холодовых терморецепторов, механохолодовых рецепторов, терморегуляторного и дыхательного нервных центров головного мозга при глубокой гипотермии лежит нарушение процессов, регулирующих гомеостаз ионов кальция в цитоплазме клеток.
Предложенный в настоящем исследовании метод активизации терморегуляторной и дыхательной функций организма с помощью понижения концентрации Са2+ в плазме крови, не требующий нагревания организма, является
принципиально новым и может быть рекомендован к использованию при реанимации жертв эксидентальной гипотермии. Работа вносит вклад в теоретические представления о механизмах гибели организма при глубокой гипотермии.
Данные о механизмах регуляции температурного гомеостаза гомойотермного организма в термонейтральной зоне, о механизмах угнетения и стимуляции функций кожных Холодовых терморецепторов при локальном охлаждении кожи, терморегуляторной и дыхательной функций организма при гипотермии могут найти практическую реализацию в курсах лекций в медицинских и биологических высших учебных заведениях. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Материалы исследований докладывались на Международных конференциях: 5-я Ежегодная конференция по терморегуляции (ГДР, Байхлинген, 1990, «Колосовские чтения» (Санкт-Петербург, 1997), «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 1999), «Фундаментальная и прикладная термофизиология» (Беларусь, Минск, 2000), «Медико-биологические проблемы термофизиологии» (Беларусь, Минск, 2002); на конференциях: «Важнейшие теоретические и практические проблемы терморегуляции» (Минск, 1986), «Система терморегуляции при адаптации организма к факторам среды» (Новосибирск, 1990), «Космическая биология и авиакосмическая медицина» (Москва, 2002); на Всесоюзных съездах физиологического общества им. И.П.Павлова (Ростов-на-Дону, 1998, Казань, 2001); на Всероссийских симпозиумах: «Механизмы терморегуляции и биоэнергетики: взаимодействие функциональных систем» (Иваново, 2002), «Механизмы боевого стресса» (Москва, 2004); на Конгрессе Ассоциации авиационно-космической, морской, экстремальной и экологической медицины России «Человек в экстремальных условиях: проблемы здоровья, адаптации и работоспособности» (Москва. 2002); на Российских конференциях: «Физиологические механизмы природных адаптации» (Санкт-Петербург, 1995, 1998), «Физиология рецепторов» (Н.Новгород, 1999), «Организм и окружающая среда, жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях» (Москва, 2000), «Организм и окружающая среда:
адаптация к экстремальным условиям» (Москва, 2003), «Механизмы регуляции висцеральных систем (Санкт-Петербург, 2001), «Актуальные проблемы терморегуляции и тепломассопереноса кровью» (Санкт-Петербург, 1996), на 6-й Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука 21 века» (Пущино, 2002); на конференции, организованной Институтом физиологии им. И.П.Павлова, «Механизмы угнетения и восстановления физиологических функций при глубоком охлаждении организма» (Санкт-Петербург, 2000).
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, изложения и обсуждения результатов собственных экспериментальных исследований, заключения, выводов и списка цитированной литературы, содержащего 565 источников (325 из них иностранные). Объем диссертации составляет 311 страниц печатного текста, включая 83 рисунка, 20 таблиц.
Энергетический обмен гомойотермного организма
Для протекания процессов жизнедеятельности в организме необходима энергия, она образуется в результате распада химических веществ, потребляемых с пищей. Энергетический обмен происходит в каждой живой клетке. Потенциальная энергия, заключенная в пище в химических связях молекул белков, жиров и углеводов, в процессе анаэробного (гликолиз) и аэробного (с участием кислорода) метаболизма превращается в механическую, электрическую и тепловую энергию. Только часть освободившейся энергии может быть использована для процессов жизнедеятельности, другая часть рассеивается в виде тепла. Выделяемая в процессе обмена веществ энергия используется организмом для выполнения биологической работы, которая необходима для поддержания структуры клеток и сохранения их функций, для обеспечения специфической деятельности клеток (нервных, мышечных и др.). В основе механизмов поддержания потенциала покоя или потенциала действия у рецепторов и нейронов лежит неравенство концентрационного и электрического мембранного градиента. Энергия непрерывно используется для выполнения работы по перемещению ионов (или молекул) против этого градиента. Важнейшим потребителем энергии является химическая работа синтеза органических (и неорганических) соединений, работа синтеза (ресинтеза) макроэргов, которые являются универсальными передатчиками энергии при любой физиологической работе. Один из важнейших клеточных макроэргов -аденозинтрифосфорная кислота (АТФ); она является переносчиком и аккумулятором химической энергии в организме. Энергия гидролиза АТФ используется для перемещения ионов через клеточные мембраны. Реакция фосфорилирования АДФ с образованием АТФ происходит за счет энергии окисления органических соединений, служащих субстратами окисления, молекулярным кислородом. Для синтеза АТФ используется энергия электрического потенциала, создаваемого градиентом ионов водорода между внутренним пространством митохондрий и цитозолем клетки. По дыхательной цепи, локализованной в мембране митохондрий, происходит перенос электронов, создается градиент концентраций ионов водорода, ионы перемещаются из митохондрий в окружающую среду (Lehninger, 1972; Вайль и др., 1986); в результате накапливается энергия, которая потом используется при окислительных реакциях (Скулачев, 1989; Иванов, 1993 а).
Живой организм не может использовать для биологической работы тепло, образуемое в результате протекающих в организме химических реакций, поэтому оно должно немедленно выводиться в окружающую среду, чтобы не допустить повышения температуры тканей и органов. В процессе эволюции механизмы терморегуляции оказались наиболее развитыми у гомойотермных (теплокровных) организмов, которые поддерживают температуру тела на постоянном уровне, значительно превышающем температуру окружающей среды. У этих организмов (млекопитающие и птицы) имеются специальные механизмы регуляции интенсивности метаболизма (Дольник, 1981; Bligh, 1973, 1990). Терморегуляция -это физиологическая система организма, обеспечивающая постоянство внутренней температуры тела при различной температуре окружающей среды и при изменении собственной теплопродукции. Терморегуляция направлена как на предупреждение нарушений теплового баланса организма, так и на его восстановление. Организмы млекопитающих и птиц имеют постоянную температуру тела, благодаря этому химические реакции могут протекать с относительно постоянной скоростью. Пойкилотермные организмы (холоднокровные): пресмыкающиеся, земноводные, рыбы не имеют хорошо организованных механизмов поддержания постоянства температуры температура тела. Температура этих организмов во многом определяется температурой окружающей среды.
При повышении окружающей температуры происходит пропорциональное повышение обмена всех живых организмов в соответствии с правилом Вант-Гоффа. Скорость химических реакций возрастает при повышении температуры на 10С примерно в 2-3 раза, т.е. коэффициент Q)0 для интенсивности обменных процессов равен 2-3 (Агаджанян и др., 2001).
Постоянство температуры внутренней среды (гомойотермия) - достижение эволюции, которое обеспечивает нормальную деятельность центральной нервной системы у высших организмов (Пастухов и др., 2003). Для гомойотермных организмов характерен высокий уровень обмена веществ (тахиметаболизм), поддержание температуры тела на постоянном уровне, в диапазоне 36-39С (в зависимости от вида животного), эффективная теплоизоляция, терморегуляционное поведение («поведенческая терморегуляция»). Гомойотермия дает организму относительную независимость от температуры окружающей среды, однако имеет высокую энергетическую стоимость: величина теплопродукции на единицу массы у теплокровных организмов в 6-8 раз больше, чем у холоднокровных (Bligh, 1973). С целью экономии энергии некоторые гомойотермные животные во время зимней спячки (гибернация) отступают от принципов гомойотермии.
Суммарная теплопродукция гомойотермного организма зависит от основного обмена организма, мышечной активности, от «специфического динамического действия» принимаемой пищи. Постоянство температуры тела обеспечивается благодаря поддержанию баланса между продукцией тепла и его отдачей в окружающую среду. Равновесие между теплопродукцией и теплоотдачей в термонейтральной зоне обеспечивается за счет вазомоторных реакций (Hardy, 1961). При изменении этого равновесия включаются специальные терморегуляторные реакции, направленные на сохранение температуры тела.
Основной обмен организма обеспечивает поддержание тканей, органов в состоянии функциональной деятельности и в готовности для перехода к активной деятельности. Основной обмен человека измеряют в термонейтральной зоне при физическом покое методом прямой или непрямой калориметрии (по потреблению кислорода). В этих условиях используемая организмом энергия полностью превращается в тепло, теплоотдача организма соответствует теплопродукции. Человек на уровне основного обмена затрачивает в час около 70-80 ккал энергии (1 ккал на 1 кг массы тела в час; 1800 ккал/сутки, 84 Вт). Мозг и внутренние органы потребляют около 65% используемой человеком энергии, покоящиеся мышцы -примерно 17-20%, а кожа, соединительные ткани и кости - 7-9% (Иванов, 1990).
Измерение температуры в поверхностных и глубоких слоях кожи
У кроликов (п=10) и крыс (п=12) измеряли температуру кожи в поверхностных слоях, Тпов (на глубине 0.13+0.05 мм в назолабиальной области у кроликов и на глубине 0.09±0.07 мм в области спины у крыс) и у подкожной клетчатки, Тгл (на глубине 2.5510.36 мм в назолабиальной области у кроликов и на глубине 1.8±0.45 мм в области спины у крыс), рисунок 17. Определялись величина и направление температурного градиента при постоянной окружающей температуре, при согревании и охлаждении кожи. Показано, что при окружающей температуре 19-21 С у наркотизированных и обездвиженных кроликов (ректальная температура 36.8±0.6С) в назолабиальной области Тпов была 29.4±0.7, а Тгл 31.2±1.0С, разница между ними (температурный градиент) составляла 0.8±0.5С. У не наркотизированных кроликов в этих же условиях градиент был практически такой же - 0.88+0.09С. Измерения температурного градиента в коже спины у наркотизированных крыс показали, что при окружающей температуре 19-21 С (ректальная температура 35.7±0.5С) Тпов была 31.5+0.6, а Тгл - 32.4±0.7С; разница температур достигала 0.9±0.5С. В работе Слепчук и Румянцева (1981) у не наркотизированных кроликов при окружающей температуре (Токр) 20.3+0.1 температурный градиент на спине достигал 0.95±0.13, на животе 0.90+0.12. При Токр 25.2+0.1 - 0.60+0.07 и 0.63±0.06С, соответственно. При Токр 29.6+0.1 градиенты снижались до 0.49+0.06 и 0.36±0.06С. При понижении окружающей температуры до 15.5+0.1 С градиент на спине составлял 0.98+0.11, а на животе - 1.17+0.18 С. Таким образом, даже при постоянной окружающей температуре имеются существенные различия между температурой в поверхностных и глубоких слоях кожи.
Для измерения температурных градиентов в коже в условиях изменения наружной температуры были проведены специальные эксперименты (п=12). На кожу назолабиальной области наркотизированных кроликов устанавливался термод, его температура могла повышаться или понижаться с различной скоростью. В одних опытах температура термода изменялась быстро. При этом температура поверхностных слоев кожи (Тпов) изменялась со скоростью 2.1±0.2С/мин от 22.4+0.5 до 39.9±0.9, т.е. диапазон изменения Тпов достигал 17.5±0.6С. В этих же температуры и скорость ее изменения в глубоких слоях кожи были значительно меньше, чем под эпидермисом.
При согревании термода температурный градиент мог достигать 9-11 С, тепловой поток был направлен внутрь. При охлаждении термода происходило уменьшение температурного градиента вплоть до нулевого значения, и затем изменение его направления. При охлаждении максимальное различие между температурой в поверхностных и глубоких слоях кожи достигало 7-8С, но тепловой поток при этом был направлен наружу (рис. 18).
Как показали измерения, различия между температурой поверхностных и глубоких слоев кожи обусловлены влиянием окружающей температуры и характера температурных воздействий. При внешнем температурном воздействии из-за запаздывания температурных изменений в глубоких слоях кожи, в коже могут наблюдаться значительные температурные градиенты.
Согласно многочисленным исследованиям (Iggo, 1969; Hensel, 1976; Kenshalo, 1977) было установлено, что кожные холодовые терморецепторы обладают высокой чувствительностью к изменению температуры кожи на доли градуса. Характерным свойством терморецепторов является их динамическая реакция на быстрые температурные стимулы. При охлаждении кожи со скоростью не менее 0.5С/с частота импульсации Холодовых терморецепторов резко повышается до некоторого максимума, а затем понижается до нового стационарного уровня (Molinari, Kenshalo, 1977). При скоростях температурного воздействия 0.1С/с и менее динамического компонента не наблюдается: частота разряда Холодовых терморецепторов повышается при охлаждении (или понижается при согревании) постепенно.
По литературным данным, холодовые терморецепторы локализованы под эпидермисом на глубине 0.15-0.26 мм (Hensel, 1973; Hensel et al., 1974), сила их реакции зависит от скорости и амплитуды температурного стимула. Для выяснения вопроса о возможности расположения Холодовых терморецепторов в глубоких слоях кожи были поставлены эксперименты, где анализировались изменения частоты импульсации одиночных Холодовых терморецепторов назолабиальной области кроликов при быстрых изменениях температуры поверхностных слоев кожи и аналогичных температурных воздействиях, но производимых со стороны глубоких слоев кожи. Была поставлена задача по корреляции между изменениями частоты разряда рецептора и изменениями температуры в поверхностных, а также в глубоких слоях кожи определить локализацию терморецепторов в коже.
Изменение частоты разряда рецепторов
Целью наших исследований было активизировать кожные термочувствительные рецепторы при температуре «холодового паралича» их функции. Первое внутривенное введение ЭДТА производилось через 6.1±2.0 мин после достижения нижнего температурного порога импульсной активности рецепторов. После введения препарата у 12 рецепторов наблюдалось возобновление импульсной активности и повышение частоты разряда. Латентное время реакции составило 1.0±0.2 мин. У Холодовых терморецепторов максимальная частота импульсации достигалась на 4.4±0.7 мин, а у механохолодовых - на 12.3±0.6 мин. Частота разряда у 10 рецепторов возрастала на 23±3 имп/с. У двух рецепторов (№ 5 и 6, см. таблицу 4) активизация активности была очень слабой, но достоверной (р 0.01). Интересно отметить, что на фоне длительного «молчания» после введения дозы ЭДТА эти рецепторы начинали работать в особом режиме: наблюдались разряды в виде парных импульсов.
В контрольных опытах после введения физиологического раствора активизации у рецепторов (5 Холодовых терморецепторов и 4 механохолодовых) не наблюдалось.
Осциллограммы импульсации глубокого холодового терморецептора, который реагировал на введение ЭДТА повышением частоты биопотенциалов, приведены на рисунке 48. Важно отметить, что на всех осциллограммах температура кожи практически одинакова. Когда через 13.4±3.0 мин после первого производилось второе введение ЭДТА, наблюдалась аналогичная реакция, однако она развивалась более быстро. Латентное время реакции было 0.6±0.1 мин, время достижения максимума ответа - 2.1±0.5 мин. Прирост частоты разряда составил 11±3 имп/с.
Следует подчеркнуть, что в ответах разных рецепторов на введение ЭДТА имелись отличия. Так у 4-х Холодовых терморецепторов в ответ на первое введение частота импульсации сначала повышалась до максимума, а затем постепенно понижалась практически до исходных величин. Когда на этом фоне производилось повторное введение ЭДТА, то наблюдалась сходная реакция. Пример реакции такого типа приведен на рис.49 (рецептор №12). А у 3-х других Холодовых терморецепторов после достижения максимума реакции на первое введение ЭДТА не происходило значительного снижения частоты разряда, поэтому второе введение ЭДТА происходило на фоне повышенной импульсной активности рецепторов. В результате наблюдался более значительный рост частоты разряда (рис. 49, рецептор №8).
Как видно из рисунка 49, при охлаждении кожи (первая стрелка) сначала наблюдалась активизация импульсации рецепторов №8 и №12, затем при усилении охлаждения (вторая стрелка) был достигнут нижний температурный порог активности рецепторов. Далее, можно видеть характерные ответы этих Холодовых терморецепторов в ответ на первое и второе введение ЭДТА. Поскольку активность обоих рецепторов была зарегистрирована в одном эксперименте, разница в ответах рецепторов может объясняться отличиями на мембранном уровне. температурного порога прекращения их биоэлектрической активности. С этой целью в отдельных опытах через 20 - 25 мин после введения ЭДТА и регистрации ответа рецепторов производилось дополнительное охлаждение. При этом температура кожи снижалась ниже пороговой для данного рецептора. У 3-х механохолодовых рецепторов и 2-х поверхностных Холодовых терморецепторов продолжалась биоэлектрическая активность, что свидетельствовало о понижении температурного порога их активности. Это хорошо видно на рисунке 50, где приведены осциллограммы импульсации механохолодового рецептора до и после введения ЭДТА. В результате первого введения ЭДТА частота импульсации этого рецептора возросла до 27 имп/с на 12-й мин, а уже на 16-й мин понизилась до 8 имп/с. После повторного введения ЭДТА удалось значительно понизить температурный порог активности этого рецептора. Можно видеть (осциллограмма 7), что даже при Тпов 0, Тгл 7.9С частота разряда достигала 13 имп/с, хотя до введения препарата импульсная активность у рецептора отсутствовала даже при более высокой температуре кожи: Тпов 2.2, Тгл 7.8С. На рисунке 51 представлен график изменения частоты разряда и температуры кожи в этом эксперименте. Выявлено, что при дополнительном охлаждении и понижении Тпов до 1.0 , Тгл 6.5С сохранялся высокий уровень частоты разряда рецептора - 22-24 имп/с. В других экспериментах температура кожи не снижалась ниже порогового уровня, однако на основании значительной активизации биоэлектрической активности рецепторов после введения ЭДТА, можно говорить о снижении температурных порогов активности и у них. В среднем снижение температурного порога было от Тпов 2.8+0.4 до 1.3±0.2С (Pw 0.01).
Стимуляция холодовой дрожи у крыс с помощью локального нагревания гипоталамуса
Эксперименты были проведены на 9 крысах массой 200-300 г. По координатам Р2 Lo или P2L1 (Pellegrino et al., 1979) животному вводили обогреватель и термопару, вторая термопара для измерения температуры мозга вводилась по координатам А3 L0 Н7. Измеряли температуру кожи в области спины (термопару вводили под кожу) и температуру в прямой кишке. Регистрировали интегральное значение электрической активности мышц за каждые 30 секунд. Эксперимент начинали через 2,5-3 часа после операции. Охлаждение животного производилось в ванне с холодной водой (8-10С), крыса была фиксирована на специальном станке. Крыса погружалась в воду наклонно, голова и верхняя часть спины располагались над поверхностью воды; охлаждение длилось примерно 45-50 мин. Затем крысу вынимали из воды, согревание области заднего гипоталамуса производили с помощью обогревателя. На определенном этапе опыта производили совместное нагревание мозга и кожи в области спины (на спину накладывали тонкостенный резиновый пузырь с теплой водой). Результаты исследования
Перед началом охлаждения крыс температура в прямой кишке составляла 34.4±0.4, мозга - 32.0±0.9, кожи спины - 33.9±0.6С. При этом электрическая активность мышц была слабая, у некоторых животных наблюдались редкие вспышки дрожи (3.6±1.4/мин). Охлаждение в воде приводило к постепенному понижению температуры тела, одновременно происходило увеличение интенсивности электрической активности мышц. Возрастала частота вспышек дрожи и амплитуда потенциалов, образующих вспышку дрожи. Максимальная холодовая дрожь была зарегистрирована при следующих температурах: Тр 25.0+1.0, Тм 26.3±0.7, Тс 25.6±1.2С. Суммарный уровень мышечной активности достигал 1250±122 усл.ед./мин, амплитуда импульсов 250-500 мкВ, дрожь возникала с частотой 50.4±4.5 всп/мин. Продолжающееся охлаждение приводило к постепенному ослаблению терморегуляционной деятельности мышц: уменьшалась интенсивность дрожи, мышечного тонуса, снижались частота и амплитуда вспышек дрожи. Когда частота вспышек дрожи достигала 14.6±2.2 всп/мин, амплитуда мышечных потенциалов снижалась до 100-180 мкВ и интенсивность холодовой дрожи составляла 415+86 усл. ед./мин.
Охлаждение продолжалось 30-50 минут, затем крыс вынимали из воды. Следующий этап эксперимента проводился при комнатной температуре 19±2С. Чтобы предотвратить повышение температуры тела, животное накрывали тканью, смоченной холодной водой,. Животные находились в состоянии глубокой гипотермии, температура тела и мозга были значительно понижены: Тр 17.1+0.3, Тм 19.3±0.3, Тс 17.9±0.3С. Частота дыхания составляла 22±6 циклов/мин, частота сердечных сокращений - 60±5 ударов/мин. В этом состоянии только у двух крыс сохранились вспышки дрожи: 12 всп/мин, амплитуда потенциалов 70-120 мкВ. У 4-х крыс дрожь полностью отсутствовала, а у 3-х сохранялись вспышки редких потенциалов с низкой амплитудой (35-50 мкВ), с частотой 5-8 в минуту. На рис. 59 (1-4), 60 (1-5), 61 (1-2) представлены образцы электромиограмм, иллюстрирующие изменение характера холодовой дрожи у крыс на различных этапах развития глубокой иммерсионной гипотермии.
После того, как крыс вынимали из воды, примерно через 15-20 мин температура тела стабилизировалась на определенном пониженном уровне. С помощью стереотаксического аппарата в мозг (на глубину 8-9 мм), вводили обогреватель с термопарой. Нижний конец обогревателя располагался на 2 мм каудальнее области заднего гипоталамуса. По показаниям введенной термопары температура мозга в месте локализации кончика обогревателя (Тоб) составляла 20.9±0.5С. Этот уровень принимался за исходный, и начиналось согревание термода, температура повышалась ступеньками по 2-3, длительностью 4-10 мин.
Анализ экспериментов показал, что во всех случаях нагревание термода приводило к усилению электрической активности мышц. Однако для каждого опыта было свое пороговое значение повышения температуры мозга, которое стимулировало электромиограмму. В среднем интенсивность электрической активности мышц при пороговом обогреве мозга достигала 561 ±142 усл.ед./мин. Согревание гипоталамуса приводило к усилению частоты и амплитуды вспышек дрожи. А если до начала термостимуляции дрожь отсутствовала (см. таблицу опыты № 5, 6, 8, 9), то при повышении температуры мозга появлялись вспышки холодовой дрожи с частотой 10-22 всп/мин и амплитудой 60-100 мкВ.
В тех опытах, где до термостимуляции сохранялись очень слабые вспышки потенциалов, не похожие на типичные залпы холодовой дрожи (опыты № 1-4, 7), реакция на обогрев мозга выражалась в увеличении частоты вспышек дрожи, в усилении их амплитуды и частоты потенциалов внутри вспышки, т.е. формировались типичные залпы дрожи. При дальнейшем согревании гипоталамуса выше порогового уровня было зарегистрировано усиление реакции, суммарный уровень ЭМГ возрастал до 777+216 усл.ед./мин, а частота вспышек холодовой дрожи увеличивалась еще в 1.3-2.5 раза, амплитуда мышечных потенциалов достигала 150-250 мкВ. Следует отметить, что имели место определенные индивидуальные различия в развитии реакции усиления терморегуляционной активности мышц в ответ на локальный обогрев заднего гипоталамуса (таблица 5).
