Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 15
1.1. Биологические ритмы, основные понятия и определения 15
1.2. Первичные (древние) ритмы возбуждения 20
1.2.1. Околосекундный ритм 25
1.2.2. Декасекундный ритм 27
1.2.3. Околоминутный ритм 31
1.3. Регуляторные механизмы ритмической активности 35
1.3.1. Холинергическая система 35
1.3.1.1. Развитие холинореактивных структур в онтогенезе 41
1.3.1.2. Участие Са2+ в процессах эндогенного возбуждения 44
1.3.2. Адренергическая система 48
1.3.3. Серотонинергическая регуляция 49
1.4. Роль метаболических процессов в воспроизведении спонтанного ритмического возбуждения
1.5. Нарушения ритмической деятельности 58
1.6. Заключение 62
Глава 2. Материалы и методы исследования 64
2.1. Материально-техническое обеспечение экспериментов 64
2.2. Эксперименты в условиях in vivo 67
2.2.1. Холинергическая регуляция спонтанной периодической моторной активности (СПМА)
2.2.2. Исследование метаболических влияний на ритмические процессы
2.2.2.1. Влияние ингибиторов пентозофосфатного цикла 69
2.2.2.2. Влияние ингибитора цикла трикарбоновых кислот 70
2.2.3. Изучение холинергических влияний на ритмические процессы71
2.2.3.1. Влияние центральных Н-холинореактивных структур на систему дыхания 71
2.2.3.2. Сравнительный анализ характера изменений частоты и вариабельности сердечного ритма (ВСР) и частоты дыхания после смещения вагосимпатического баланса74
2.2.4. Исследование онтогенетических особенностей участия симпатической нервной системы в регуляции сердечного и дыхательного ритмов, корреляции этих ритмов с соматической моторной активностью
2.2.5. Висцеро- и соматомоторные взаимодействия 75
2.3. Эксперименты в условиях in situ и in vitro 77
2.3.1. Исследование сердечного ритма 77
2.3.2. Исследование спонтанной сократительной активности различных отделов желудочно-кишечного тракта
2.3.3. Исследование спонтанной сократительной активности двенадцатиперстной кишки взрослых крыс в условиях патологического воздействия 80
Глава 3. Воспроизведение древних (первичных) ритмов возбуждения в паттернах активности различных функциональных систем организма81
3.1. Спонтанная моторная активность различных отделов желудочно-кишечного тракта 87
3.1.1. Спонтанная активность изолированной подвздошной кишки
3.1.2. Частотный состав сократительной активности различных отделов желудочно-кишечного тракта крысят
3.1.3. Сократительная активность изолированных отделов желудочно-кишечного тракта
3.1.4. Интегральная сократительная активность желудочно-кишечного тракта
3.2. Быстрые температурные колебания 90
3.3. Онтогенетические закономерности воспроизведения и регуляции первичных ритмов возбуждения
3.4. Участие центральных холинореактивных структур в регуляции СПМА
3.5. Характер висцеро- и соматомоторных взаимодействий укрысят при изменениях уровня активности адренергических структур104
3.6. Спонтанная двигательная активность изолированной подвздошной кишки после воздействия на энтеральные серотонинореактивные структуры 121
3.7. Обсуждение полученных данных 128
Глава 4. Метаболические особенности генерации первичных ритмов возбуждения 142
4.1. Изменения моторной и дыхательной активности при изменении уровня активности метаболических процессов, связанных с функционированием пентозофосфатного цикла 142
4.2. Изменения деятельности сердечно-сосудистой, моторной и дыхательной систем при изменении уровня активности метаболических процессов, связанных с функционированием цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса) 151
4.2.1. Опыты на взрослых животных 152
4.2.1.1. Клинический анализ ЭКГ 152
4.2.1.2. Анализ ВСР 156
4.2.1.3. Изменения параметров внешнего дыхания 160
4.2.2. Опыты на крысятах 165
4.3. Изменение паттерна быстрых температурных колебаний 175
4.4. Обсуждение полученных данных 180
Глава 5 . Воспроизведение древних (первичных) ритмов возбудимыми структурами организма в экстремальных условиях
5.1. Дыхательная система 189
5.2. Сердечно-сосудистая система 196
5.2.1. Механографическое исследование сердечного ритма 198
5.2.2. Электрографическое исследование сердечного ритма 201 5.2.2.1.Характер сердечного ритма в условиях пневмоторакса
5.2.2.2. Влияние перекиси водорода на ритм СС 204
5.2.2.3. Влияние гидрохинона на ритм СС 210
5.2.2.4. Сопоставление электрической активности миокарда и нейрональной активности блуждающего и симпатического нервов 210
5.2.2.5. Опыты с изменением активности холинергической системы
5.2.2.6. Изменение параметров функционирования сердечно-сосудистой и дыхательной систем у крыс разного возраста под воздействием малых доз ингибитора холинэстераз фосфакола
5.2.2.6.1. Подострое введение фосфакола 214
5.2.2.6.2. Новорожденные крысята, разовое введение фосфакола
Заключение
Выводы
5.3. Сократительная активность двенадцатиперстной кишки в условиях патологии
5.4. Обсуждение полученных данных256
Список литературы 258
- Биологические ритмы, основные понятия и определения
- Первичные (древние) ритмы возбуждения
- Участие Са2+ в процессах эндогенного возбуждения
- Влияние центральных Н-холинореактивных структур на систему дыхания
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ
Существует круг вопросов, решение которых является обязательным для развития любого направления физиологии. В их число входит проблема возникновения и обеспечения реализации спонтанных форм активности возбудимых структур, входящих в состав тех или иных функциональных систем.
Основываясь на разработанных Л.А.Орбели (1961) основных принципах и методах эволюционной физиологии, в частности на использовании онтогенетического и экспериментально-клинического методов, появилась возможность сформулировать общие принципы возникновения первичных ритмов возбуждения. Под первичными понимаются эндогенные ритмы, «усвоенные» живой клеткой на ранних стадиях эволюции под воздействием факторов окружающей среды и генетически закрепившиеся в процессе филогенеза. Как показал А.В.Войно-Ясенецкий (1974), организация ритмов в процессе эволюции является одним из ведущих механизмов приспособления органической природы к неорганической среде обитания. Любая возбудимая структура должна обладать авторитмичностыо. Для нормального функционирования многоклеточного организма авторитмичность возбудимой структуры находится под контролем механизмов её ограничения и подавления. Эндогенные биологические ритмы принято называть биологическими часами. Первичный периодический процесс, лежащий в основе механизма биологических часов, представляет собой гетерогенную или гомогенную химическую периодическую реакцию [Шноль, 1979]. Из существующих на сегодняшний день классификаций биоритмов, нам наиболее близка предложенная Salanki (1971) и подразделяющая биологические ритмы на 3 группы: микро-, мезо- и макроритмы. Среди этих групп наибольший интерес представляют ритмы, относящиеся к средней группе и имеющие период от 1 секунды до нескольких минут. Именно данная группа первичных ритмов является функционально востребованной возбудимыми структурами, как простейших, так и высокоорганизованных многоклеточных организмов. Существует значительное число гипотез о природе биологических часов. Одна из гипотез об источниках происхождения эндогенной ритмической активности предполагает, что роль клеточных часов выполняет энергетический метаболизм [Сельков, 1971, 1978; Pittendrigh, 1993]. К близким выводам пришел Laborit (1965), показавший, что в основе автоматического ритмического возбуждения лежат определённые метаболические процессы, причём способность к авторитмичности детерминирована принадлежностью к "эмбриональному" типу энергетического метаболизма.
Следует отметить, что к изучению проблем генерации эндогенных ритмов приходят практически все коллективы исследователей, имеющие дело с процессами спонтанного возбуждения. И здесь прослеживается общая тенденция к рассмотрению этих ритмов как специфического явления, присущего данной изучаемой структуре или функциональной системе в отрыве от других возбудимых образований, имеющих в паттерне своей спонтанной активности ритмы того же порядка [Аладжалова, 1956; Arvanitaki, Chalazonitis, 1964; Загускин, 1986 и др.]. Такой подход не может не тормозить формирования общей концепции генеза спонтанного возбуждения.
Развивая взгляды А.В.Войно-Ясенецкого, молено постулировать, что в филогенезе возникшая на ранних стадиях способность возбудимой структуры к генерации ритма определённого частотного диапазона будет использоваться различными функциональными системами для реализации своих физиологических потребностей путём вовлечения данных возбудимых элементов в свою структуру и окружения их дополнительными контролирующими и регуляторными звеньями для организации оптимальной работы системы в целом. Данная концепция позволяет суммировать факты, полученные при изучении генеза эндогенных ритмов вне зависимости от их локализации, для анализа спонтанной активности в различных структурах организма. Кроме того, правильность понимания генеза эндогенных ритмов даст возможность, разработать методы воздействия на механизмы воспроизведения определённого ритма какой-либо структурой, интерполировать их для коррекции паттерна активности других функциональных систем, в том числе и в ряде патологических состояний с целью их нормализации. Если действительно, ритмы определённого частотного диапазона имеют в своей основе единые механизмы возникновения и подчиняются общим условиям, необходимым для их воспроизведения, тогда будет возможно экспериментальное решение обсуждаемой проблемы.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Целью данного исследования является изучение механизмов возникновения спонтанного возбуждения в структурах соматической и вегетативной нервной систем в раннем постнатальном онтогенезе незрелорождающихся млекопитающих.
Поставленная цель определила следующие задачи:
Установить, в активности каких структур развивающегося организма реально проявляются первичные (древние) ритмы возбуждения и определить базисные механизмы, лежащие в основе их генерации.
Определить факторы, определяющие возникновение или угнетение того или иного ритмического компонента из состава спонтанной активности возбудимой структуры.
3. Изучить метаболические и медиаторные детерминанты, свойственные ритмам определенного частотного диапазона.
4. Исследовать механизмы взаимодействия ритмов спонтанного возбуждения в различных функциональных структурах.
5. Определить возможные пути воздействия на генераторы ритмов первичного возбуждения для коррекции характера ритмической активности функциональной системы организма.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые дано представление о наличии индивидуального метаболического и медиаторного статуса, свойственного ритмам определенного частотного диапазона. Установлено, что в генезе ритмов околосекундного диапазона у млекопитающих определяющую роль играют нейрогенные влияния, в то время как возникновение ритмов декасекундного и околоминутного диапазонов может осуществляться вне зависимости от активности нейрональных структур. Показано, что в пределах функциональной системы могут сосуществовать ритмы соседних частотных диапазонов, выполняющие различную функциональную роль, но имеющие в данный момент времени одинаковый период.
Проведено детальное изучение возрастной динамики ритмической активности различных отделов желудочно-кишечного тракта крысят. Осуществленные в условиях in vivo и in vitro исследования показали возможность закрепления на уровне нейро-висцеральных структур кишечной стенки изменений паттерна ритмической активности, возникших в результате развития патологических процессов.
Впервые показано наличие быстрых температурных колебаний, имеющих декасекундный и околоминутный период и могущих служить фактором синхронизации спонтанной активности в различных структурах организма.
Впервые показана возможность воспроизведения широкого спектра первичных ритмов возбуждения в сердечной деятельности новорожденных крысят.
Предложена концепция универсальности механизмов, лежащих в основе генерации ритмов определенного частотного диапазона вне зависимости от структурной локализации их источника. Данная концепция позволяет осуществлять управление ритмами эндогенного возбуждения в различных системах организма (двигательной, дыхательной, пищеварительной и сердечно-сосудистой). Используя эту концепцию, разработана общая структурно-функциональная схема организации генераторов первичных ритмов у млекопитающих.
ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
Первичные ритмы возбуждения, возникшие на ранних стадиях филогенетического развития живых организмов, находят отражение в ритмической деятельности ныне существующих как беспозвоночных, так и позвоночных животных. Воспроизведение первичных ритмов лежит в основе процессов спонтанного возбуждения, которок наиболее ярко выражено на ранних стадиях онтогенетического развития. В ритмической активности соматических и висцеральных структур млекопитающих наиболее широко представлены ритмы трех частотных диапазонов: околосекундного, декасекундного и околоминутного.
Ритмы определенных частотных диапазонов, возникающие в различных функциональных системах организма, имеют сходную возрастную динамику и близкий медиаторный и метаболический статус.
3. В различных возбудимых структурах организма имеются элементы (пейсмекеры или осцилляторы), деятельность которых в определенных условиях, обусловленных функциональным состоянием структуры, приводит к возникновению ритма эндогенного возбуждения. Эти первичные осцилляторы являются составной частью специализированных генераторов, например, локомоторного или дыхательного центров, которые выполняют функцию регуляции и модуляции эндогенного ритма, адаптируя его для наиболее адекватного решения текущей поведенческой реакции.
Возникновение ритмов спонтанного возбуждения зависит от характера метаболической активности возбудимой структуры и баланса возбуждающих и тормозных влияний как со стороны нисходящих и восходящих регуляторных систем, так и со стороны других возбудимых структур организма.
Знание механизмов, лежащих в основе генерации ритмов спонтанного возбуждения позволяет целенаправленно изменять параметры ритмической активности в возбудимых структурах, причем не только в тех, где ритмика определенного частотного диапазона присутствует в норме, но и там, где ее появление связано с развитием патологического процесса или не встречается вообще.
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ
Проведенное исследование относится к работам, вносящим вклад в развитие теории функцинальной эволюции возбудимых структур. В работе рассмотрены общие и частные аспекты организации спонтанной ритмической активности в соматомоторнои и висцеромоторнои системах млекопитающих.
Использование онтогенетического метода и метода диссолюций позволило систематизировать и расширить существующие представления о происхождении, воспроизведении и возрастной динамики ритмов эндогенного возбуждения у млекопитающих, механизмах их взаимодействия и регуляции. Рассмотрены вопросы регуляции спонтанной активности со стороны катехоламинергических, холинергических и серотонинергических систем. Предложенная концепция единства механизмов генерации первичных ритмов открывает новые возможности для исследования процессов эндогенного возбуждения в различных функциональных системах животных и человека.
Исследование представляет существенный интерес для ряда областей фундаментальной и клинической медицины, так как сформулированный в работе постулат "один ритм - один механизм его генерации" позволяет осуществлять целенаправленную коррекцию патологических сдвигов, связанных с нарушениями ритмической деятельности. В частности, применение такого подхода оправдало себя при разработке медикаментозного лечения гастродуоденальной патологии.
Полученные в работе результаты и обобщения могут быть использованы в лекционных курсах по общей физиологии нервной системы, клинической нейрофизиологии и нейрофармакологии, онтогенетической физиологии и некоторых специальных разделах патологической физиологии.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Материалы диссертации докладывались на заседаниях секции нейроонтогенеза Санкт-Петербургского общества физиологов (1990), V Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия медиаторных процессов" (Москва, 1990), X Всесоюзном совещании по эволюционной физиологии (Ленинград, 1990), Международной конференции "Нейрофармакология на рубеже двух тысячелетий" (Санкт-Петербург, 1992), конференции "Адаптация растущего организма к физическим и умственным нагрузкам" (Казань, 1995), конференции "Нейрогуморальные механизмы регуляции органов пищеварительной системы" (Томск, 1997), IV International symposium on comparative electrocardiology (Syktyvkar, 1997), International symposium "Brain and movement" (Moskow - Saint-Petersburg, 1997), XXXIII International Congress of Physiological Sciences IUPS (Saint-Petersburg, 1997), XVII и XIX Всероссийских съездах физиологов (Ростов-на-Дону, 1998; Екатеринбург, 2004), II симпозиуме "Физиологические механизмы природных адаптации" (Санкт-Петербург, 1998), Всероссийской конференции "Актуальные проблемы экспериментальной и клинической фармакологии" (Санкт-Петербург, 1999), Всероссийской научной конференции, посвященной 150-летию
И.П.Павлова (Санкт-Петербург, 1999), Международных конференций "Механизмы функционирования висцеральных систем" (Санкт-Петербург, 1999, 2001, 2003, 2005), XII Международного совещания по эволюционной физиологии (Санкт-Петербург, 2001), Всероссийской научной конференции «Нейрофармакология в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2002), Всероссийском симпозиуме «Механизмы терморегуляции и биоэнергетики: взаимодействие функциональных систем» (Иваново, 2002), Международной конференции "Рецепция и внутриклеточная сигнализация" (Пущино, 2005), I съезде физиологов СНГ (Сочи, 2005).
ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 49 научных работ, в том числе 25 статей и 24 тезиса докладов.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация изложена на 291 странице машинописного текста., включая 57 рисунков и 12 таблиц. Состоит из введения, обзора литературы, методики исследований, 3 экспериментальных глав с обсуждением и частными выводами, заключения и общих выводов. Библиография включает 139 отечественных и 218 зарубежных источников.
Биологические ритмы, основные понятия и определения
Известно, что все живое на Земле постоянно испытывает влияние различных факторов внешней среды: света, тепла, холода, влаги, барометрического давления, гравитационного поля, гелиогеофизических флюктуации и т.п. Среди всех этих факторов, наиболее значительное место занимают периодические, изменяющиеся по своей интенсивности, электромагнитные поля и излучения космического и земного происхождения, распределенные по всему известному нам спектру - от диапазона у-излучений до инфракрасночастотных изменений геомагнитного и геоэлектрического полей. Все материальные объекты во Вселенной подвержены циклическим колебаниям. Это связано как с ритмами самой Земли, так и влиянием на ее жизнедеятельность космических тел. Движущей силой усложнения временной организации организма с появлением все более медленных биоритмов и новых иерархических уровней биологической интеграции в процессе эволюции явилось ее адаптация или приспособление к временной организации внешней среды, к иерархии геофизических ритмов. С переменой местонахождения каждого космического объекта изменяется энергетический фон и условия обитания на Земле. На земную жизнь оказывают непосредственное воздействие интенсивность космических излучений, меняющаяся плотность межзвездной материи, сила гравитации, и уже изложенные выше силы электрического и магнитного взаимодействия. Ритмы присущи также всем процессам жизнедеятельности организма. Их воздействие равным образом, распространяются на клеточный, тканевый и квантовый уровни человеческого организма [Гоникман, 2003; Загускин, Федоренко, Интернет-ссылка]. По определению H.Kalmus (1935), повторение некоторого события в биологической системе через более или менее регулярные промежутки времени можно рассматривать как биологический ритм [Ашофф, 1984]. С иных позиций дают определение биоритма Алякринский и Степанова: «Биологический ритм есть выражение единства и борьбы двух взаимоисключающих начал жизненного процесса - разрушения и созидания, обеспечивающих качественную стабильность живой системы и ее самовоспроизведение». По мнению авторов этого определения, принимая во внимание огромное разнообразие живых существ, населяющих Землю, становится очевидным, что спектр биологических ритмов, присущих живым организмам, исключительно велик [Алякринский, Степанова, 1985]. Вместе с тем, если рассмотреть физиологические ритмы, присущие организму отдельного высокоорганизованного животного, то он оказывается носителем практически всего этого спектра.
По мнению Хальберга [Halberg, Reinberg, 1967] диапазон биологических ритмов можно разделить на 3 группы: высокие частоты (менее 0.5 часов), средние (менее 2.5 дней) и низкие (от 2.5 дней). В учебном курсе Мюнхенского института парапсихологии биоритмы делят на коротковолновые (до 10 с), средневолновые (1 мин - 1 день) и длинноволновые (1 неделя - годы) [Парапсихология]. Существует еще одна классификация (также не лишенная на наш взгляд недостатков), подразделяющая биологические ритмы на микро- (менее 1 с), мезо- (от 0.1 с до минут и часов) и макроритмы (от часов и дней до нескольких лет) [Salanki, 1971]. Для нас наибольший интерес представляют ритмы, относящиеся к средней группе и имеющие период от 1 секунды до нескольких минут. Именно данная группа первичных ритмов является функционально востребованной возбудимыми структурами как простейших, так и высокоорганизованных многоклеточных организмов. Биологические ритмы подразделяются на эндо- и экзогенные. На сегодняшний день существуют определения для каждого типа ритмов, однако нет однозначного мнения, какой физиологический ритм может считаться эндогенным.
Экзогенные ритмы подобны вынужденным колебаниям в пассивных системах и затухают, когда внешнее воздействие становится постоянным. Эндогенные ритмы уподобляют самоподдерживающим колебаниям в активных системах, в которых при постоянном поступлении энергии колебания продолжаются не затухая [Ашофф, 1984]. К эндогенным относят и некоторые ритмы, природа которых с трудом укладывается в данную категорию. Это свободнозатухающие колебания в пассивной системе [Lehmann, 1976; Yen et al., 1974].
Мюнхенские исследователи к указанным двум типам ритмов добавили третий - экзоэндоритмы. Ниже мы приведем выдержку, взятую из учебного курса института парапсихологии. «Периодически повторяющиеся колебания космических, геофизических и других влияний окружающей среды — так называемые "экзоритмы" — во многих случаях приводят к ритмическим колебаниям биологических функций у растений, животных и человека. Существующая при этом полная зависимость биологических систем от внешних факторов представляет низшую ступень развития биологической ритмики. Ритмические жизненные процессы, которые вызываются исключительно колебаниями геофизических факторов, протекают в основном в области длинноволновых ритмов.
Наряду с экзоритмами, которые оказывают прямое воздействие на организмы, существуют и эндогенные ритмы. Они вырабатываются внутри самих организмов, синхронизируются с определенными раздражителями окружающей среды (экзоритмами) и благодаря этому ориентируются на определенную фазовую связь с ними. Под этим понимается следующее; внешние раздражители с определенной продолжительностью периода вызывают также в организме определенные процессы с подобной продолжительностью периода.
Экзоэндоритмы. Здесь речь идет о чисто эндогенных спонтанных ритмах, которые синхронизированы не только с внешними, поступающими из окружающей среды факторами, а скоординированы с другими, находящимися внутри организма спонтанными ритмами. Причем определенные частотные и фазовые соотношения находятся во взаимной зависимости. Мы различаем чисто эндогенные ритмы на две группы:
Первичные (древние) ритмы возбуждения
Понятие о «первичных ритмах» было сформулировано А.В.Войно Ясенецким в результате многолетних исследований врожденных автоматизмов у различных классов животных. Под первичными подразумеваются ритмы возбуждения, присущие как сложноорганизованному организму, так и одиночной, изолированной и находящейся в неколеблющейся среде клетке. «Формирование периодизма ритмического возбуждения клеток есть результат подчинения колебательной кинетики происходящих в них биохимических процессов периодическим воздействиям внешних сил в эпоху ранних стадий развития жизни на земле. Именно в это время простейшие организмы должны были согласовать кинетику своих биохимических процессов с ритмами колебаний физической среды, чтобы не оказаться с ними в противоречии» [Войно-Ясенецкий, 1974, С. 120]. Первичные ритмы не являются чем-то особенным, присущим только низшим стадиям развития. Комплексы периодической активности сохраняются и у высших животных, когда созревают неспецифические ретикулярные системы, обладающие синхронизирующим действием на другие структуры мозга. При рассмотрении закономерностей эволюции функций ЦНС в онтогенезе позвоночных животных, Войно-Ясенецкий особенно подчеркивал, что именно ритм служит основой развития моторной функции ЦНС, а в основе развития функций мозга всех теплокровных животных лежит один и тот же принцип эволюции мозга [Войно-Ясенецкий, 1974]. К огромному сожалению, основное внимание Андрея Валентиновича было уделено вопросам ритмического возбуждения в соматической и, частично, центральной нервной системе. Поэтому мы оказались лишены возможности ознакомиться с его представлениями о первичных ритмах, реализуемых в других функциональных системах организма. Следует обратить внимание на важный вывод, сделанный Войно-Ясенецким на основании своих экспериментальных исследований. Он писал о том, что имеется генетическая связь между циклическими колебаниями медленных потенциалов мозга, наблюдаемых в ЭЭГ спящих новорожденных и взрослых животных и человека, с такими же циклическими комплексами двигательной активности, обнаруживаемыми у эмбрионов, плодов и новорожденных животных. В одном из своих докладов Войно-Ясенецкий сделал следующий вывод: «Вся совокупность добытых нами фактов приводит к необходимости признать, что процесс развития функций в онтогенезе определяется тремя основными факторами: генетической программой, влиянием внешней среды и функцией. (Одним из проявлений этой функции лежит феномен закрепления.) В фундаменте же этой триады лежит ритм, сообщенный первичным живым системам неорганической средой».
Близких, хотя и несколько отличных взглядов придерживался и Д.Н.Насонов. Делая акцент на явлении паранекроза, как самой древней формы возбуждения, он писал, что достоверной информации о том, как функционировали первобытные простейшие организмы на ранних этапах эволюции получить невозможно, но можно предполагать, что «самые примитивные из первобытных организмов, представлявшие собою комочек протоплазмы, должны были обладать свойством восстанавливать те повреждения белковой структуры, которые неизбежно возникали при столкновении с резкими изменениями среды [Насонов, 1962]. Учитывая ритмический характер факторов внешней среды, процессы репарации должны носить циклический характер. По мнению А.И.Опарина, на ранних стадиях эволюции биосферы колебания внешней энергии должны были выводить из стационарного состояния мембраны протобионтов и вызывать повторяющиеся изменения внутренней структуры макромолекул мембраны, а также влиять на агрегацию макромолекул между собой, что создавало определенный ритм обмена веществ [Опарин, 1968].
Определенная информация, касающаяся природы эндогенных ритмов может быть почерпнута из работ по исследованию биологических часов. Сообщения об открытии биохимических колебательных процессов начали появляться с конца 50-х 20-го века. Однако первый бесспорно периодический биохимический процесс открыл биохимик Бриттен Чане. Во всех клетках превращения энергии связаны с синтезом и гидролизом АТФ. Самый распространенный процесс, в котором в темноте и без кислорода образуется АТФ, это гликолиз — расщепление молекулы глюкозы на две молекулы молочной кислоты или на две молекулы этилового спирта и две молекулы СО2. Центральная реакция гликолиза (в ней фруктозо-6-фосфат превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат) катализируется ферментом фосфофруктозокиназой. Вот в этой реакции и были обнаружены колебания скорости. Следовательно, и синтез АТФ должен был осуществляться с колебаниями скорости, то быстрее, то медленнее. И колебания были "вполне подходящие", с периодом порядка минуты, вполне годились на роль маятника биологических внутриклеточных часов. Однако вскоре обнаружили, что эти колебания в гликолизе идут лишь в особых условиях и, кроме того, они сильно зависят от температуры. В отличие от анаэробного гликолиза, дающего всего две молекулы АТФ на молекулу превращенной в молочную кислоту глюкозы,, в митохондриях идет аэробное внутриклеточное дыхание, при этом образуется 34 молекулы АТФ на каждую окисленную до СО2 и Н20 молекулу глюкозы. Колебания в митохондриях были найдены. В ходе этих колебаний в митохондрии то входят потоки ионов калия, кальция или водорода, то выходят. Скорость поглощения кислорода митохондриями также периодически изменяется. И, опять же, выяснилось, что этот процесс сильно зависит от температуры. Дальнейшие исследования показали, что для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд — нескольких минут. Это взволновало исследователей потому, что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы. Изменение концентрации кальция включает или выключает сокращение мышц, активность нервных клеток, определяет их электрическую активность. Очень может быть, что колебательные изменения потоков кальция в клетке, периодические изменения проницаемости биологических мембран, периодические открывания и закрывания кальциевых каналов обусловлены специфическими физико химическими свойствами — особенностями взаимодействия именно ионов кальция с фосфолипидными мембранами. Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток может осуществляться посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например, в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентрации ионов (кальция, а затем натрия и калия) в отдельных мозговых структурах [Кондрашова, 1969; Кондрашова, Каминский, 1971; Казначеев и др., 1972; Шноль, 1996]. Итак, не исключено, что те колебательные процессы, которые не подошли на роль биологических часов, вполне могут являться источника возникновения спонтанной активности в возбудимых структурах. Ситуация осложняется тем, что по мнению некоторых исследователей, может отсутствовать прямая связь между функциональной активностью структуры и колебаниями ее энергетики и трофики. Всех их «следует, по-видимому, рассматривать как относительно автономные гомеостатические системы с собственными контурами регулирования, постоянные времени обратных связей в которых существенно различны» [Гринченко, Загускин, 1989].
Участие Са2+ в процессах эндогенного возбуждения
Участие Ca"f в процессах эндогенного возбуждения Возможно, что феномены немедиаторного действия АХ могут быть объяснены исходя из его способности изменять проницаемость тех или иных мембран для ионов. Не исключено, что решающую роль играет изменение проницаемости для ионов кальция [Михельсон, Зеймаль, 1970]. Это согласуется с данными о широком распространении осцилляции концентрации внутриклеточного кальция в структурах, обладающих способностью к спонтанному возбуждению, а также о его способности осуществлять прямую связь между различными формами активности и энергетическим метаболизмом [Adams, 1989; Clapham, 1995; Ames, 2000; Berridge et al., 2000, 2003; Rizzuto et al., 2002; Webb, Miller, 2003; Mery et al., 2005]. В частности, показана тесная связь между пейсмекерной активностью интерстициальных клеток Кахаля и спонтанными циклическими кальциевыми осцилляциями, соответствующими выбросу ионов из саркоплазматического ретикулума и их захвату митохондриями [Huizinga et al., 2000, 2004]. В астроцитах обнаружено наличие устойчивых ритмов внутриклеточной концентрации кальция, охватывающих период от 7 до 20 секунд. Эта ритмика может замедляться до 45-70 секунд под воздействием волн, связанных с межклеточными взаимодействиями, индуцированными введением серотонина, глутамата или АТФ [Van den Pol et al., 1992]. Вообще, говоря о кальции надо учитывать, что кальциевый механизм сопряжения энергетики, трофики и функции обеспечивает согласование и координацию всех рабочих процессов в клетке [Гринченко, Загускин, 1989].
В раннем кардиогенезе, когда ионные каналы пейсмекеров, ответственные за спонтанную деполяризацию клеток, еще не функционируют, в обеспечении пейсмекерной активности важную роль играют механизмы свободного кальциевого транспорта в эндоплазматическом ретикулуме. При этом в кардиомиоцитах были 9-4 обнаружены мощные синхронные выбросы Са , следующие с частотой около 1 Гц. По мнению авторов исследования, в отсутствии функционального пейсмекерного ионного канала, колебания инозитол-1,4,5-трифосфат индуцированного внутриклеточного кальциевого тока могут обеспечивать альтернативный пейсмекерный механизм [Mery et al., 2005]. Имеет место и структурное обеспечение особых свойств незрелого нейрона, выражающееся в наличии в мембране медленных натриевых и низкопороговых кальциевых каналов. Наличие таких каналов оказывает определенное влияние на закономерности поступления Са + внутрь клетки, активация каналов происходит при значениях мембранного потенциала, близких к потенциалу покоя [Костюк и др., 1986]. Анализ эмбриональной сердечной активности, выполненный на зачаточном сердце куриного эмбриона (стадия 6-9 сомитов) показал, что на ранних стадиях кардиогенеза Са" каналы первыми появляются на мембранах миокардиальных клеток, опережая возникновение Na+ каналов. Спонтанные потенциалы действия, регистрируемые от пеисмекерных зон поразительным образом зависят от внеклеточной концентрации Са [Kamino, 1989; Gonzalez et al., 2003].
Интересны работы, выполненные на однослойных клеточных культурах эмбриональных гетерогенных кардиомиоцитов 7-дневного куриного эмбриона. Сократительную активность клеток оценивали по уровню флуоресценции внутриклеточного кальций-чувствительного красителя. Период спонтанных сокращений отдельных пейсмекеров составлял от 1.7 до 2.6 секунд [Kamino et al., 1989; Gonzalez et al., 2003]. Пачечная форма сократительной активности, характерная для данного возраста характеризовалась ритмом с периодом от 45 до 70 секунд [Bub et al., 1998]. При использовании препарата, нарушающего межклеточные контакты (a-glycerrhetinic acid) обнаружили, что в зависимости от плотности культуры и состояния контактов, паттерн сердечного ритма может изменяться от правильного «синусового» до пачечного, состоящего из комплексов (5 и более сокращений, следующих с частотой около 1.3 Гц, разделенных между собой периодами покоя более 2.5 секунд [Bub et al., 2004, 2005]. По мере «взросления» препарата при инкубации происходит переход от пачечной формы активности к непрерывной [Soen, 1999; Bub et al., 2003].
Пачечная спайковая активность широко представлена и описана в различных клетках мозга [Kiehn, Harris-Warrick, 1992], желудочно-кишечного тракта [Selverston et al., 1976], сердца [Bradd et al., 1989] и эндотелия сосудов [Adams et al., 1989]. Клетки с такой формой активности могут играть важную роль в регуляции ритмического моторного паттерна в различных системах организма. Показано, что возникновение пачечного разряда является результатом взаимодействия двух осцилляторных систем: медленных колебаний внутриклеточной концентрации свободного кальция и быстрых колебаний мембранного потенциала [Bedrov et al., 2000, 2001; Levi et al., 2003]. Трансмембранные кальциевые токи (механизмы Са +-выброса и Са -клиренса, обеспечивающие свободные внутриклеточные кальциевые осцилляции) важны для генерации ритмических разрядов центральных [Baker et al., 1995] и ганглионарных нейронов. Ритмическая активность последних имеет период от 1 до 10 секунд и представляет собой синхронные изменения мембранного потенциала и цитоплазматической концентрации ионов кальция [Levi et al., 2003].
Имеются довольно многочисленные исследования, посвященные спонтанным осцилляциям концентрации Са2+ в астроцитах, расположенных в различных отделах головного мозга [Parri, Crunelli, 2002, 2003; Nett et al., 2002; Aguado et al., 2002]. Анализ полученных данных свидетельствует, что интенсификация выбросов кальция происходит при развитии ряда патологических состояний, например, эпилепсии или энцефалите [Manning, Sontheimer, 1997; Tashiro et al., 2002]. Установлено, что периодические флуктуации [Са ], следующие в околоминутном диапазоне, принимают участие в генерации спонтанной активности астроцитов. Спонтанные колебания [Са ]j есть внутреннее свойство клетки и не связаны с везикулярными трансмиттерами или активацией мембранных рецепторов [Parri, Crunelli, 2003]. Рост интенсивности спонтанных кальциевых осцилляции отмечен в астроцитах в первую неделю постнатального развития. Период осцилляции составляет порядка 100 с при их длительности около 15 с [Crunelli et al., 2002; Nett et al., 2002].
С кальциевыми осцилляциями связывают и возникновение спонтанного возбуждения интернейронов и мотонейронов спинного мозга. Определенную роль они могут играть в онтогенетически обусловленном изменении частоты ритмической активности [Buonanno, Fields, 1999; Vinay et al., 2000,2002]. К сожалению, проведенные исследования не дают ответа о тонких механизмах возникновения спонтанных кальциевых осцилляции и не позволяют сделать каких-либо выводов о роли Са2+ в генезе спонтанных сокращений. Несомненно, однако, что анализ динамики кальциевых процессов может служить одним из важных этапов в изучении природы спонтанного возбуждения.
Влияние центральных Н-холинореактивных структур на систему дыхания
Сравнительный анализ характера изменений частоты и вариабельности сердечного ритма (ВСР) и частоты дыхания после смещения вагосимпатического баланса У новорожденных и взрослых крыс исследовали последствия введения животным ингибитора холинэстераз фосфакола при его инъекции в подострых и острых дозах. У крыс осуществляли одновременную регистрацию ЭКГ и ЧДД. ЭКГ регистрировали при полосе пропускания усилителя от 0.5 до 30 Гц, ЧДД - от 0.15 до 30 Гц. Частота дискретизации сигналов составляла 5 мс, эпоха анализа - 180 с.
В ходе исследования было проведено несколько серий экспериментов, подразделённых на две основные группы. В первую вошли опыты на взрослых и новорожденных крысах с подострой интоксикацией фосфаколом. Взрослым животным препарат вводили подкожно в течение 10-ти дней в дозе 1 мкг/кг ( /що ЛД5о), крысятам - в течение 4-х дней, начиная с 0-го (несколько часов после рождения) в дозе 0.25 мкг/кг (1/т ЛД5о для 2-суточных животных). Эксперименты второй группы были проведены на 4-дневных крысятах, которым осуществлялась инъекция фосфакола в дозах 0.25 и 1 мкг/кг, т.е. одноразовая и суммарная дозы препарата, вводимые при подострой интоксикации.
Каждая возрастная группа во всех сериях экспериментов состояла из 6-12 животных. Для регистрации физиологических показателей, взрослых животных, находящихся под лёгким уретановым наркозом (0.7 г/кг), помещали в специальный станок, ограничивающий их подвижность. Крысят мягко фиксировали с помощью полосок лейкопластыря на восковой пластине, установленной в экранированной камере. Регистрацию физиологических показателей при подострой интоксикации проводили на следующий день после ее окончания. При однократном введении фосфакола ЭКГ и дыхание записывали до и в течение 2-х часов после инъекции препарата.
Анализ ВСР, или по международной терминологии HRV (Heart Rate Variability), - это метод клинической неспецифической диагностики патологии кардиоваскулярной системы. Анализ ВСР в частотной области применяется в первую очередь для выявления и оценки периодических составляющих сердечного ритма. Неравномерная выборка кардиоинтервалов при помощи методов передискретизации и интерполяции преобразуется в эквивалентную численную последовательность с равномерной выборкой, к которой применяются математические методы спектрального анализа (преобразование Фурье). В результате осуществляется переход к анализу ВСР в частотной области. В зависимости от выраженности дыхательных и недыхательных периодических составляющих, соответственно, изменяется и характер спектра [Akselrod et al, 1981; Баевский и др., 1984]. В отличие от человека, для крыс нет общепринятой системы деления на частотные диапазоны ВСР. На основе литературных и собственных экспериментальных данных весь частотный диапазон кардиоинтервалов мы разделили следующим образом. Волновые колебания синусового ритма сердца частоты 0.8-2.5 Гц принято считать высокочастотной составляющей (HF), физиологически связанной с парасимпатическим влиянием на сердечный ритм. Частоты в пределах 0.8-0.03 Гц являются низкочастотной составляющей (LF), преимущественно связанной с симпатическим фактором (активностью вазомоторного центра), частоты менее 0.03 Гц (VLF) - с гуморально-метаболическими воздействиями на сердечно-сосудистую систему. При этом физиология последних считается еще недостаточно изученной, хотя предполагается их обусловленность надсегментарными церебральными влияниями [Баевский и др., 1984, Баевский, и др., интернет-ссылка].
Дополнительные группы животных после проведения интоксикации использовали для биохимического анализа уровня холинэстеразной активности (данная часть работы проведена на базе НИИ гигиены, профпатологии и экологии человека МЗ РФ совместно со ст.н.с, к.б.н. Глашкиной Л.М.). Измерение активности холинэстераз в плазме и эритроцитах проводили по методу Эллмана [Ellman et al, 1961]. Гепаринизированную кровь получали при декапитации крыс. Форменные элементы крови осаждали центрифугированием при 300g. Активность бутирилхолинэстеразы (БХЭ) в плазме определяли кинетическим способом. В кювету спектрофотометра приливали 3 мл фосфатного буфера (pH 8.0), 0.02 мл плазмы и 0.02 мл 10 мМ дитио-бис-нитробензойной кислоты (ДТНБ). Через 2 мин замеряли исходную оптическую плотность при Л.412 ( i). Реакцию запускали с помощью 0.02 мл 0.1М бутирилтиохолин иодида (БТХ). Регистрацию показаний спектрофотометра проводили с интервалом 1 мин в течение 3-5 мин и рассчитывали среднее значение изменений оптической плотности за 1 мин (А,). Активность фермента рассчитывается по формуле с применением коэффициента молярной экстинкции образовавшегося в результате реакции 2-нитро-5-меркаптобензоата (11.4 м7моль). Активность АХЭ в эритроцитах определяли аналогичным методом, но в режиме постоянного времени инкубации (10 мин при 37С) с использованием ингибитора ферментативной активности - прозерина (0.05%). Промытую взвесь эритроцитов разводили 0.1М фосфатным буфером (рН 8.0) в 100 раз. К 1 мл раствора эритроцитов приливали 3 мл 0.1М фосфатного буфера, 0.02 мл ДТНБ и 0.02 мл ацетилтиохолина (АТХ). Параллельно на каждую пробу ставили контроль, в который до запуска реакции субстратом приливали 0.02 мл 0.05% раствора прозерина. Через 10 мин в опытные пробы приливали прозерин для остановки реакции. Эритроциты осаждали центрифугированием (10 мин при 200g) и замеряли оптическую плотность контрольных и опытных проб. Разницу экстинкции контрольной и опытной проб использовали в расчетной формуле с учетом разведения эритроцитов.
Похожие диссертации на Механизмы воспроизведения древних ритмов возбуждения в физиологических процессах
