Введение к работе
Актуальность проблемы. Сложная адаптивная регуляция паттерна дыхания, соответствующая конкретным потребностям организма, - результат координированной деятельности многих физиологических механизмов, совокупность которых и составляет функциональную систему внешнего дыхания. К числу регулирующих механизмов этой системы, в' аервую очередь, относятся супрабульбарные влияния, так как только с их участием может быть обеспечено наиболее совершенное приспособление дыхания к меняющимся потребностям организма в газообмене. В целом физиологическая система, контролирующая внешнее дыхание, настолько сложна, что это дало основание Fenn еще в 1963 году при открытии международного симпозиума по регуляции дыхания отметить, что проблему интеграции внешнего дыхания правильнее рассматривать как одну из проблем поведения, а не частной функцией организма.
Особое место среди супрабульбарных механизмов респираторного контроля занимают структуры лшбической системы, так как в естественных условиях существования организма организация адаптивного поведения с его вегетативными коррелятами осуществляется при их непременном участий.
К настоящему времени накоплен достаточно большой экспериментальный материал, свидетельствующий об участии трех основных образований лимбической системы - лимбической коры, авдгдалы а гипоталамуса, в регуляции ряда вегетативных функций, в том числе и дыхания. В острых и хронических экспериментах на разных видах животных показано, что разрушение или раздражения передней лимбической коры - "висцерального поля" лимбической коры ( Wall, Davis, 1951« Showers, СгозЪу, 1958; Showers, 1959; Kaada, i960; McCeary, Moore, 1965'К амигда-лярных ядер ( Anand, Dua, 1956; KLing et al., 1960; Ursin, Kaada, 1960; Koikegami, 1964; Алликметс, 1966; Bonvallet, ВоЪо, 1972; Мгалоблишвили, 1974; Applegate, Kapp, 1983; Наз>-per'et al., 1984), гипоталамических структур ( Gellhorn, 1957; Hess, 1957; Redgabe, Gellhom, 1958; Ban, 1966; Hyde, Gbgafce, 1966; Петриляк, Брачок, 1967; Сергиевский :i соавт., 1975; Evans, 1976; Monteau, Hila'ire, 1977, 1973 ) вызывают отчетливые изменения дыхания (от резкого стимулирования 0
' -.4 -.
угнетения, иногда доходящего до апноэ). В большинстве из этих ра<5от, отливающихся значительной противоречивостью давша, исследовались в основном параметры внешнего дыхания. Однако по изменению'внешнего дыхания - интегрального показателя дыхательной системы в целом, нельзя судить о функциональном состоянии различных групп респираторных нейронов и, " следовательно, выявить особенности нейронных механизмов регуляции акгивнооти бульварного дыхательного центра структурами лимбичеокой системы. Поэтому наиболее перспективным для изучения еупрабульбарных механизмов респираторного контроля является применение микроэлектродной техники регистрации им- . пульсной активности различных типов дыхательных нейронов продолговатого мозга. Подобно тому как методика исследования активаости одиночных волокон сыграла большую роль в выяснении функции легочных рецепторов, так и микроэлектродная техника исследования активности одиночных нейронов продолговатого мозга, разряжающихся в ритме дыхания, произвела настоящий переворот в существующих представлениях о деятельности центрального аппарата регуляции дыхания и открыла новую страницу в исследованиях этой области.
і Актуальность изучения центральных механизмов регуляции дыхания чрезвычайно велика, так как это не только проблема теоретической нейрофизиологии, но и база для правильного понимания закономерностей функционирования одной из важнейших систем жизнеобеспечения организма в норле, при различных экстремальных условиях и в патологии.
При'исследовании центральных процессов регуляции паттерна дыхания весьма важным является выяснение нейрохимических (нейромедиаторных) механизмов регуляции активности бульварных дыхательных нейронов. Развитие методов химической идентификации и классификации структур мозга, основанных на определении в телах нейронов, их аксонах и тёрмина-лях содержания веществ-передатчиков информации между нейронами, открыло широкие возможности для дальнейшего изучения функций ЦНС. В настоящее время считается, что больший^ ство-химических соединений, принимающих участие в передаче информации между нейронами, представлены тремя классами -
аминокислотами, аминами и пептидами.
В ряде исследований о применением классических методов введения вещества (в кровяное русло, внутряцистерально, топической аппликацией) изучено влияние на дыхание, активность диафрагмального нерва и рвопираторннх нейронов возможных ней-ромедиаторов, их предшественников, ингибиторов и антагонистов (Ильиченко, 1970;. Bolme, Fuxe, .1973; Сергиевский и соавт., 1975; Bolae et al., 1977; .lambert et el., 1978; Armijo et al., 1979; Eluridge et al., 1979; Lundbfjrg et al., 1979;' Mueller et al., 1979» 1935; Olson et al., 1979; Cljenaick et al., 1980; Hazinski et al., 1980; Yamada et al., 1981; Hedner et al., 1983; Millhorn et al., 1983; Воинов и ооавт., 1984). Однако интерпретация данных, полученных в этих экспвря- ,-ментальных условиях, значительно осложняется из-за наличия j барьеров на путях распространения вещества (гемато-энцефала-ческото, энзиматического и пр.), медленного его распространения, возможности опосредованных эффектов вследствие обширности зоны воздействия вещества и тесной функциональной взаимосвязи меаду разными участками ВДС. Благодаря этому воегда возникает вопрос о первичном или вторичном генезе наблюдаемых дыхательных реакций, что существенно снижает ценность полученных результатов. Поэтому разработанный еще в 1950-х годах С Nastuk, 1953; Del Castillo, Katz, '1955, 1956, 1957 ) и затем модифицированный в лаборатории Sccels , ( Curtis, Ecoels, 1958 а,Ъ; Curtis, 1964- ) метод введения минимальных доз вещества с помощью микроэлектрофорегических инъекций непосредственно в среду, окружающую нейрон, в сочетании с параллельной регистрацией его активности сразу привлек внимание исследователей. Широкому распространению этого метода в последние годы способствовало внедрение в практику физиологического и фармакологического эксперимента многоканальных . макроэлектродов. С их применением появилась реальная возможность подведения нескольких нейротропных веществ именно к тем нейронам, активность которых исследовалась. В связи с этим становятся очевидным, что решающими для выяснения рола различных нейромедиаторных систем в центральной регуляции паттерна дыхания являются данные, полученные при изучении
влияния прямой мпкрононойоретяческой аппликации исследуемых веществ к одиночным бульбаряым респираторным нейронам. Такие данные в литературе малочислеянн и весьма разноречивы ( Sal-Eoiraghi, Steiner, 1963; Denavit-Sautiie, Chaiapagnat, 1975; Eenavit-Saubie et al., 197.8; Kirsten et al., 1978; ВоЪтез? et al., 1979; Champagnat et al., 1979-, 1980, 1982; Fallert ob al., 1979; Jordan, Spyer, 1981 ). Мезду тем изучение нейрохимической организации процессов регуляция активности ин-спираторыих и экспираторных нейронов продолговатого мозга необходимо не только для дознания интимных нейрофизиологических ыеханизчов функционирования бульбарного дыхательного центра, но и для ефективного нейрофармакологического управления дыхательной функцией организма.
Цолъ и задачи исследования. Цель настоящей работы состояла в изучения роли корково-амигдало-гипоталамического звена лимбическоп системы и некоторых нейромедиаторных систем мозга в регуляции активности нейронов вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга.
3 соответствия с поставленной целью были определены следующие основина задачи:'
исследовать характер активности различных типов дыхательных нейронов, локализованных в области вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга;
изучить особенности реакций нейронов вентрального дыхательного ядра-на низко- и высокочастотное раздражение передней лшбическок корн. Посредством детального сканирующего раздражения исследовать топическую локализации и количественное соотношение подавляющих и облегчающих влиянии передней лимбвчоокоК коры на активность тестируемых дыхательных нейронов;
изучить эффектив'ность, характер и особенности нисходящих влияний различных ядерных образований миндалевидного комплекса на импульсную активность одиночных функционально идентифицированных нейронов вентрального дыхательного ядра продолговатого, мозга;
провести сравнительное исследованае влияния передней и задней областей медиального гипоталамуса на импульсную активность одиночных инспираторных и экспираторных нейронов
продолговатого мозга;
, - провести сравнительное избенке характера зф^рентных вляяний передней и задней областей латерального'гипоталамуса на активность респираторных нейронов продолговатого мозга. Исследовать реакции одиночных инспираторных я экспираторных нейронов на пачечное раздражение задналатеральной области гипоталамуса в разине фазы дыхательного вдкла; "
методом микроиоиофореза исследовать реакции одиночных функционально идентифицированных нейронов,вентрального -дыхательного ядра продолговатого мозга на подведение аминокислот - L -глутамата и ГАЫК (в норме и на фоне блокада ГАМК-рецеп-торов бакукуланом);
изучить влияние на Импульсную активность одиночных инспираторных и экспираторных нейронов продолговатого мозга микроионофоретической аппликации, моноамино'в - серотонина я нор-адреналина (в норме и яа фоне блокады альфа- или бета-адрено-рецепторов фвнтолаиином и пропранололом.соответственно);
провести сравнительный анализ зффектов влияния исследованных моноаманов на активность одних и тех же тестируемых нейронов; .
изучить влияние на импульсную активность нейронов вентрального дыхательного ядра микроионофоретической аппликации ацетилхолина, М- и Н-холиноблокаторов. (атропина и эт-пенала соответственно);
исследовать реакции одиночных инспираторных и экспираторных нейронов продолговатого мозга на микроионофорети-ческое подведение морфина как классического представителя опиатов и опиоидянх пептидов (мет-энкефалияа и бета-эндорфи-на) в норме и на фоне блокады опиатных рецепторов налоксо-ном;
сравнить эффекты влияния микроионофоретической аппликации исследованных нейроактивных веществ на дыхательные нейроны с эффектами влияния их микроаппликации на неспецифа-ческив (без дыхательной активности) нейроны области вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые проведено систематическое сравнительно-микроэлектрофизиоло-гическое исследование характера, особенностей и механизмов
їлияния основных структур лирической системы (лимбяческой :оры, ашгдалы и гипоталамуса) на импульсную активность диночных функционально идентифицированных дыхательных іейронов продолговатого мозга с целью выяснения роли корко-ю-амигдало-гипоталашческого звена лимбического мозга в іроцессах центральной регуляции паттерна дыхания.
Выявленные в данном исследовании особенности нейрофизиологической структуры различных лимбичecкиx, звеньев функциональной системы регуляции дыхания свидетельствуют о более гибкой организации регуляторних механизмов на уровне гипоталамуса и кортикомедиальной амигдалы. Согласно полученным экспериментальным данный, эта структуры лимбического мозга участвуют в регуляции активности медуллярных дыхательных нейронов без четкой топографической организации а их эфферентные влияния являются менее дифференцированными, чем' влияния базолатеральной ашгдалы и лимбическбй коры.-Б передней лимбической коре и базолатеральной'амигдале нами об-нарукены топографически ограниченные функциональные области, вызывающие качественно различные реакции нейронов вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга. При этом показано преобладание подавляющих реакций исследованных дыхательных нейронов над возбудительными.
Сравнительное изучение характера эфферентных влияний различных ядерных образований миндалевидного комплекса на активность нейронов вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга выявило большую реактивность'тестируемых нейронов п^и раздражении кортикомедиальной группы ядер амигдалы, чем ври стимуляции базолатеральной группы. Обнаружено, что среди амигдалярных структур наиболее эффективным нисходящим влиянием на активность исследованных медуллярных дыхательных нейронов обладает центральное ядро.
Полученные нами данные о качественном отличии эфферентных влияний кортикомедиальной и базолатеральной групп . ядер на активность бульбарных дыхательных нейронов указывают на разную функциональную организацию амигдалярных структур, отличающихся по своему филогенетическому развитию.
При сравнении эффективности влияния изученных лимби-ческих образований на импульсаую активность респираторных
нейронов продолговатого мозга установлено,- что наиболее низкий порог вызова реакций и наибольшая их эффективность и выраженность наблюдаются при раздражении гипоталамических структур, что свидетельствует о том, что гипоталамус является важным звеном в лимбическнх механизмах регуляции дыхания, а не пассивной исполнительной системой для более высоких уровней регуляции. Показано, что наиболее эффективным .влиянием на активность исследованных дыхательных нейронов обладает заднелатеральный гипоталамус.
Результаты экспериментов о пачечным раздражением заднє латерального гипоталамуса в разные моменты дыхательного цик ла позволяют придти к предположению о большем выходе нисход щего разряда гипоталамуса на популяцию -анспираторных нейрон С этим предположением согласуются а данные о- более низком пороге вызова реакций в популяции инспираторннх нейронов по сравнению с экспираторными, полученные наш при тетаничес-ком раздражении гапоталамических структур.' Причем среда исследованных инспираторных нейронов наиболее легко возбудимь ми оказались раннеинспираторные нейроны. Исходя из полученн данных, можно полагать, что гипоталамаческоа влияние на бульбарный механизм выключения экспирации и включения инсш раторной фазы реализуется посредством проприобульбарных реї неинспираторных нейронов вентрального дыхательного ядра пр( долговатого мозга.
В качестве гипотезы высказывается предположение о том что система выходных регуляторних нейронов исследованных нами лимбических структур представлена полиэффзкторннми не: ронами интагратиачого типа, запускающими не только дыхател ныв, но и другие вегетативные нейроны продолговатого мозга Установленные в настоящей работе возбуждающие и подавляющи влияния передней лимбической коры, амигдалы и гипоталамуса на. активность бульварных .дыхательных нейронов являются, по видимому, одним из нейрофизиологических механизмов супра-бульбарно'й интегрэтивной системы лимбичєского мозга, осуществляющей качественно новый тип регуляции, обеспечивают координацию дыхательных изменений с другими компонентами эмоционально-поведенческих реакций организма.
В детальных мякроионофоретачвских исследованиях на
-Ли -
большом фактическое материале установлен гетврохшизм нейронов области вентрального дыхательного ядра продолговатого мозга (реактивность на аппликацию двух в более нейроактив-ных веществ). Выявлена высокая чувствительность исследованных бульбарных дыхательных нейронов к аминокислотам, моноаминам и опиатным веществам.
Посредством микроионофоретической аппликация специфических бдокаторов показано участие ГАМК и опиоидвнх пептидов в ингибвторшх механизмах бульбарного дыхательного центр. Установлено- существенное различие паттерна тормозной реакции при действии огшатнш. веществ и ГАМК. Опиатнне вещества подавляли максимальную, пиковую частоту импульсов в залпах исследуемых нейронов, в то время как ГАМК полностью блокировал их спайковую активность.
Данные, подученные в мякроионофоретических экспериментах с аппликацией норадреналина и серотонина, дают основание полагать наличие на нейронах бульварного дыхательного центра разных типов иояоаманергических рецепторов.
При помощи микроионофорвтической аппликации альфа- и бета-адреноблокаторов показано, что возбудительные реакции иаспираторннх а экспираторных нейронов на микроиояофо-ретическое подведение норадреналина опосредованы активацией альфа-адренорвцелторов, а подавляющие - бета-адрано-рецедторрв.
Результаты настоящей работы о полихимазме респираторных нейронов продолговатого мозга свидетельствуют, по-видимому, о том» что выявленные наш возбуждающие и подавляющие влияния исследованных лимоичвских структур осуществляются посредством сложной гетерохймической системы нисходящих путей, конвергирующих на этих нейронах.
Теоретическое и практическое значение работы. Настоящая работа является фундаментальным исследованием, посвящениям одной из наиболее актуальных проблем современной нейрофизиологии и физиологии дыхания - изучению центральных механизмов регуляции активности бульбарного дыхательного центра..
Результаты данного исследования являются теоретической основой для понимания нейронных механизмов регуляции
- II -
активности инспяраторннх и экспираторных нейронов продолговатого мозга структурами лимбической системы. На основании анализа полученных данных сформулированы важные'положения, сви-детельствуккцие об особой роли корково-амигдало-гипоталамичес-кого звена лямбического мозга в иерархической организации си-' стеш центральной регуляции дыхательной функция организма.
Электрофизйологические данные о характере и особенностях модулирующего, влияния каждой из исследованных структур на активность .медуллярных дыхательных нейронов позволяют-выявить значение разных уровней регуляции лимбической системы и их взаимодействие в процессах центрального респираторного контроля, выявить клеточные механизмы, обеспечивающие сложную адаптивную регуляцию паттерна дыхания.
Практическая ценность полученных результатов очевидна и определяется тем, что они могут быть использованы в клинической ^практике для выяснения патогенеза вегетативных дисфункций центрального происхождения, при диагностике и лечении нарушений дыхательной системы лимбического генеза.
Результаты проведенного исследования важны не только для нейрофизиологии, но и для нейрофармакологии, так как выяснение нейрохимических (нейромедиаторных) механизмов рв-гуляри активности респираторных нейронов продолговатого мозга даст возможность разработать методы целенаправленного поиска новых фармакологических препаратов избирательного действия на центральные процессы регуляции паттерна дыхания. Следовательно, расширит возможности управления деятельностью бульбарного дыхательного центра посредством фармакологической коррекции его функций в условиях патологии и экстремальных воздействий, что представляет особый интерес для клиники гипоксических состояний организма, для космической биологии я практической медицины.
Данные настоящей работы могут быть использованы научными коллективами, изучающими проблему центральной организации механизмов регуляции висцеральных функций, которая является одним из основных направлений современной нейрофизиологии. Их целесообразно включить в лекционные курсы го нейрофизиологии и физиологии дыхания в вузах медико-биоло-гичозчого профиля.
Апробация работы. Мзтериа-ш диссертации доложены и обсуждена на: И, Ш, П съездах Армянского физиологического общества (Ереван, 1974, 1979, 1987); П конгрессе Болгарского общаства физиологических наук (София, І9"4); ХП, ХШ, ХІУ, ХУ съездах Всесоюзного физиологического общаства им. И.П.Павлова (Тбалзси, 1975; Алма-Ата', IS79; Баку, 1983; Кипшаев, 1987); УП, Ш Всесоюзных конференциях по электрофизиологии центральной нервной системы (Каунас, 1976; Ерозан, 1980); ІУ, У, УІ .Всесоюзных конференциях по физиологии вегетативной нервной системы .(Ереван, 1976; 1982, посанд. ГОО-лвтит со дня рождения акад. Л.А.Орбели; 1986); XI, ХП Всег^изнж конференциях по физиология и патологии К'-ртяко-взсцерядъных взаимоотношений (Ленинград, 1981, поовящ. 50-летию отдела физиологии висцеральных систем им. акад. К.М.Быкова; 1986, посвящ. 100-летию со дня рождения акад. К.М.Быкова); П конгрессе Болгарского фармакологического общества (Пловдив, 1984); Научной сессии Армянского физиологического общества и Института физиологии им. акад. Л.А.Орбела "Актуальные вопросы нейрофизиологии" (Ереван, 1985); Всесоюзной кояферен ции "Современные' проблемы физиологии нервной я мышечной систем", посвящ. 100-летию со дня рождения акад. И.С.Бараташвили (Тбилиса, 1985); Всесоюзной конференции "Современные проблемы нейробиологии", посвящ. 50-летию института физиологии им- акад. И. С.Бараташвили (Тбилиси, 1986); П, Ш Международных симпозиумах по фармакологии траясшттерных взаимодействий (София, 1966, І990); Всесоюзной конференции "Проблемы нейрогуморалъной регуляции деятельности висцеральных систем", посвящ. 80-летию со дня.рождения акад. В.НЛернигсвского (Ленинград, 1987); УП, УШ научных конференциях "Центральная регуляция вегетативных функцкЕ" (Тбилиси, 1987, 1989); П, Ш Всемирных конгрессах по яейрокау-кам (Будапешт, 1987; Монреаль, 1991); Всесоюзной конференции по физиологии пептидов (Ленинград, 1988); Международных конгрессах физиологических обществ (Хельсинки, 1989; Глазго, 1993); Всесоюзной конференции "Механизмы действия медиаторов и гормонов на эффекторные клетки" (Суздаль, 1989); 7 Всесоюзной конференции "Физиология и биохимия ме-дяаторнкх процессов" (Москва, Ї990); Выездной сессии Науч-
- ІЗ -
ного Совета "Физиология человека и югоогных" АН УССР (Донецк, 1991); Научной сессии Института физиологии им. акад. Л.А.Орбели, посвящ. 50-летию организации Института (Ереван, 1993).
Публикации. Материалы диссертации представлены в 47 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Работа изложена на 380 страницах машинописного текста,.иллюстрирована'82 рисунками (18 диаграммами) и 2 таблицам. Диссертация состоит из введения; обзора литературы по основным вопросам затронутых проблем; восьми глав экспериментальной части, включая описание методики, результаты собственных исследований, обсуждение полученных данных; заключения; выводов и списка цитированной литературы, содержащего 760 источников.