Введение к работе
Актуальность исследования После исследований Геринга и Брейера (1868), объяснявших переключение дыхательных фаз с позиции замкнутого рефлекторного кольца и участии в эгом процессе блуждающих нервов, были получены многочисленные результаты, значительно расширившие и углубившие наши представления о механизмах переключения дыхательных фаз (Lumsden, 1923, Вакслейгер, 1949, Сершевский, 1950, Euler, 1986, Feldman, 1986, Сергиевский и соавт, 1993, Глебовский, 1994, Пятин, Никитин, 1998 и др ) К настоящему времени наиболее изучен механизм переключения вдоха на выдох, менее понятен и недостаточно исследован механизм переключения выдоха на вдох (или «включения» в активный процесс механизма, запускающего вдох и поддерживающего плавное нарастание центральной инспираторной активности - ПИЛ) Согласно преде гавлениям Feldman (1976), Cohen (1979), Euler (1986), Пятина, Никитина (1998), этот механизм осуществляется генератором ЦИА В переключении дыхательных фаз участие различных групп дыхательных нейронов недостаточно полно исследовано
Наиболее ценные результаты, объясняющие переключение дыхательных фаз и ритмогенез, были получены при использовании техники внутриклеточной (Richter, 1985, 1992 и др) и внеклеточной регистрации активности дыхательных нейронов (ДН) (Сергиевский и соавт, 1975, 1993, Bradley et al, 1975, Cohen, 1981, Сергеев, 1984, Пятин, Никитин, 1998, Меркулова, Инюшкин, 2001, Сафонов, Лебедева, 2003, Андрианов, 2005, Пятин и соавт, 2006) Предполагают, что генерация ЦИА обусловлена неимпульсными формами взаимодействия нейронов - электротоническими влияниями медленных изменений мембранных потенциалов, возникающих в дендритных разветвлениях (Euler, 1986, Feldman, 1986), увеличением внеклеточной концентрации ионов К+ во время вдоха, которое способствует деполяризации инспираторных нейронов (ИН) (Richter et al, 1978), модуляцией поступления сигналов от хеморецепторов к ИН по ходу дыхательного цикла (механизм ворот - «gattmg») (Глебовский, 1994)
Известно, что переключение дыхательных фаз можно вызвать не
только электрическим раздражением структур ствола мозга, но и
раздражением различных афферентных нервов Раздражение
гигантоклеточного ядра продолговатого мозга наряду с переключением дыхательных фаз способно задавать «произвольный» дыхательный ритм (Кедер-Степанова, 1981, Сергеев, 1984, Якунин, 1987, Сергиевский и соавт, 1993 и др)
Проблема произвольной регуляции дыхательного ритма и навязывание «произвольного» дыхательного ритма актуальна в связи с недостаточным знанием о нейронных механизмах переключения дыхательных фаз и недостаточной изученностью поведения ДН при навязывании дыхательным движениям различной по частоте периодики
С теоретической точки зрения навязывание дыхательного ритма электрической стимуляцией гигантоклеточного ядра продолговатого мозга позволяет понять механизмы переключения дыхательных фаз, а с практической — выявить наиболее оптимальный произвольно навязанный ритм при оценке поведения ритмгенерирующих и паттернгенерирующих дыхательных нейронов Не менее значимым с теоретической и практической точек зрения является решение вопроса о функциональном взаимодействии генератора ритма и центрального генератора паттерна (ЦГП) (Якунин, 1987,1991), включающего генератор ЦИА, механизм выключения вдоха, механизм центрального торможения вдоха и механизм генерации активных выдохов (Глебовский, 1994), а также участие в этих процессах ретикулярных нейронов ствола мозга
Исходя из того, что дыхательные нейроны находятся вблизи от ретикулярных нейронов, следует очевидное предположение, что между ними должны существовать тесные функциональные взаимодействия Однако, функциональная интеграция нейронных систем в организации дыхательного акта очень сложна и еще полностью не изучена
Таким образом, проблема переключения дыхательных фаз и участие в этом процессе ДН при навязывании дыхательного ритма продолжает оставаться во многом нерешенной
Перечисленные факты и их анализ привели нас к заключению о необходимости исследования нейронных механизмов влияния RGC на ритм- и паттернгенерирующие ДН и участие последних в переключении дыхательных фаз и согласовании естественного и навязанного дыхательных ритмов
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение нейронных механизмов переключения дыхательных фаз при навязывании произвольной частоты дыхательным движениям электрической стимуляцией ипспираторных и экспираторных «точек» гигантоклеточного ядра продолговатого мозга
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи 1 оценить изменения импульсной активности ретикулярных и дыхательных нейронов при переключении дыхательных фаз вдоха на выдох и выдоха на вдох,
изучить изменения импульсной активности дыхательных и ретикулярных нейронов при навязывании дыхательного ритма различной частоты,
выявить особенности реакций паттерн- и ритмгенерирующих нейронов при переключении дыхательных фаз и навязывании дыхательного ритма не согласующегося по частоте с естественным ритмом
Научная новизна работы Впервые, используя современные нейрофизиологические методы, на клеточном уровне исследовано действие произвольно навязанного ритма на автоматическое (ритмическое) дыхание животных В работе по пучены данные, позволяющие подойти к пониманию механизмов произвольной коррекции автономної о процесса дыхания
Определены механизмы влияния произвольно навязанною ритма на импульсную активность нейронов дыхательного центра При этом наиболее
существенные изменения отмечаются у ритмгенерирующих дыхательных нейронов (преинспираторных, постинспираторных и ранних инспираторных нейронов)
Импульсная активность ритм- и паттернгенерирующих ДН зависит от неспецифических структур РФ продолговатого мозга, что отчетливо проявилось при стимуляции инспираторных и экспираторного мест, в которых у нейронов отсутствует периодическая дыхательная активность
Научно-практическая значимость исследования Полученные в работе результаты изменений импульсной активности дыхательных нейронов при электрической стимуляции структур гигантоклеточного ядра продолговатого мозга, вызывающих переключение дыхательных фаз, важны для анализа нейронных механизмов генерации ритмической дыхательной активности и адаптивной перестройки этой активности при навязывании дыхательного ритма С теоретической точки зрения полученные результаты позволили оценить роль различных типов дыхательных нейронов в переключении дыхательных фаз, а с практической — выявить наиболее оптимальный произвольно навязанный ритм, согласующийся с автоматическим дыхательным ритмом
Изучение регуляции дыхательного ритма существенно не только для понимания систем управления дыханием, но и для медицинской практики — для более обоснованного подхода к ведению больных с расстройствами дыхания центрального происхождения Полученные результаты, в которых наблюдались изменения в дыхательной системе при навязанных ритмических режимах, представляют интерес для клинических ситуаций, требующих использования управляемого дыхания, а также в психотерапевтической практике
Основные положения, выносимые на защиту
1 Нейроны дыхательного центра и вся дыхательная система в целом способны в довольно широких пределах воспроизводить задаваемый стимуляцией инспираторных и экспираторного мест гигантоклеточного ядра продолговатого мозга вынужденный ритмический режим, отличающийся от
спонташгого дыхательного ритма Устойчивый режим дыхания при таких ритмических раздражениях может поддерживаться в течение длительного времени
2 В обеспечении функции генерации ритма и паттерна
инспирагорный и экспираторный классы нейронов организованы не
симметрично По синаптическим входам два класса нейронов организованы
асимметрично у экспираторных нейронов выявлены олигосинаптические (в
том числе моносинаптические) возбуждающие входы, а у инспираторных
нейронов - полисинаптические (реже олигосинаптические) возбуждающие
входы
3 Чрезмерно частый (более чем на 30%) или редкий (на 25% и более)
навязанный ритм по сравнению с исходным спонтанным ритмом угнетал
активность дыхательного центра за счет уменьшения в 2-5 раз импульсной
активности ритмгенерирующих (ранних инспираторных, преинспираторных и
постинспираторных) и в меньшей степени у паттернгенерирующих
(инспираторных и экспираторных) нейронов Изменения импульсной
активности ритм- и паттернгенерирующих нейронов определялись тем,
насколько был согласован по частоте произвольный с автоматическим
дыхательным ритмом
Апробация работы Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-пракгической конференции «Теория и методика профессионального образования в научно-педагогических исследованиях» (Москва, 2001), межвузовской конференции (Самара, 2005), на заседании Самарского отделения Всероссийского физиологического общества им ИП Павлова (2006)
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 научных работ
Структура и обьем диссертации Диссертация объемом 114 страниц, в том числе 15 рисунков, состоит из введения, обзора литературы, главы «Материал и методы исследования», 2-х глав экспериментального
исследования, заключения и выводов Список цитируемой литературы содержит 212 источников, 136 из которых иностранных авторов
