Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективное решение проблемы центральных механизмов регуляции дыхания невозможно без выявления специфики нейро-медиаторной и нейромодуляторной организации взаимосвязей структур дыхательного центра (ДЦ) между собой и другими элементами контуров регуляции дыхательной системы (Сергиевский и др., 1993; Bianchi et al., 1995, 2009; Onimaru et al., 1995; Hilaire et al., 1999; Балыкин и др., 2001; Якунин и др., 2001; Попов, 2003; Feldman et al., 2003; Меркулова и др., 2007; Мирошниченко, Зин-ченко, 2008; Guyenet et al., 2009). Этот аспект нейрофизиологии дыхания в последние годы приобретает всё большую актуальность, в т.ч. в связи с необходимостью разработки методов фармакологической коррекции центральных нарушений дыхательной функции и проблемой управления дыханием в целом, и активно изучается многими исследователями (Пятин, Никитин, 1998; Zuperku et al., 2002; Миняев и др., 2004; Михайлова, 2004; Kinney et al., 2005; Инюшкин и др., 2007; Stuth et al, 2008; Сафонов, 2009; Noguesa, Benarroch, 2011). Как известно, в области ДЦ присутствуют многие нейромедиаторы, которые вовлечены в той или иной степени в регуляцию активности его нейросетей (Alheid et al., 2008; Stornetta, 2008; Ведясова и др., 2010). Показано, что особо значимыми для возникновения дыхательного ритма являются тормозные синаптические связи, при этом одна из важнейших ролей в центральной регуляции респираторного ритма в норме и патологии отводится ГАМК (Schmidt et al., 1996; Тихомирова, 2000; Bou-Flores et al, 2001; Busselberg et al, 2001; Dutschmann et al, 2002; Тараканов и др., 2005; Александрова и др., 2008).
К настоящему времени установлено, что ГАМК участвует в деятельности ритмогенных (Shao et al, 1997; Сафонов, Лебедева, 2003; Bongianni et al, 2010) и паттернформирующих структур ДЦ (Feldman et al., 2003), модулирует активность нейронных сетей, ответственных за генерацию нормального дыхания (Rybak et al, 2001) и его патологических форм (St-John et al, 1996; Тараканов, Сафонов, 2008). Показана роль ГАМК в механизмах функционирования респираторных нейронов ядра солитарного тракта (Yokota et al, 2008; Wang et al, 2010; Alheid et al, 2011), вентро-медуллярной области (Nattie, Li, 2001), комплексов Бётцингера и пре-Бётцингера (Shao, Feldman, 1997; Bongianni et al., 2010), а также выявлено, что ГАМК действует в ядрах ДЦ посредством ионо-тропных ГАМКА- и метаботропных ГАМКв-рецепторов (Yajima, Hayashi, 1999; Blackshaw et al, 2000).
Однако, в системе современных знаний о ГАМКергических механизмах респираторного контроля отсутствуют систематизированные сведения о роли ГАМКд- и ГАМКв-рецепторов в регуляции дыхания структурами вентральной респираторной группы (ВРГ). Вместе с тем, данная область ДЦ привлекает к себе внимание наличием разных классов нейронов с залповым типом активности, в том числе инспираторных, экспираторных и постинспираторных (Bianchi et al, 1995; Saito et al., 2002; Falk, Rekling, 2009;). Среди этих нейронов имеются как проприобульбарные нейроны (Zoungrana et al., 1997), участвующие в функциональном объединении ВРГ с другими структурами ДЦ, так и бульбоспи-нальные, непосредственно определяющие на выходе из ДЦ параметры ритма и паттерна дыхания (Ellenberger, 1999). Понимание механизмов включения многочисленных нейронных систем ВРГ в процессы регуляции дыхания невозможно без выявления роли тормозных медиаторов и их рецепторов, в том числе мембранных рецепторов типа ГАМКА и ГАМКВ.
Цель исследования. Цель работы заключалась в изучении роли ГАМКд-и ГАМКв-рецепторов рострального и каудального отделов вентральной респираторной группы (рВРГ и кВРГ) ДЦ в центральных механизмах регуляции дыхания у взрослых крыс.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Изучить влияние микроинъекций растворов ГАМК в рВРГ и кВРГ на частотные и амплитудные параметры паттерна внешнего дыхания и абриса биоэлектрической активности инспираторных мышц.
Изучить изменения внешнего дыхания и реакции диафрагмы и наружных межрёберных мышц в условиях активации ГАМКА-рецепторов рВРГ и кВРГ мусцимолом.
Изучить изменения внешнего дыхания и реакции диафрагмы и наружных межрёберных мышц в условиях блокады ГАМКА-рецепторов рВРГ и кВРГ би-кукуллином.
Изучить изменения внешнего дыхания и реакции диафрагмы и наружных межрёберных мышц в условиях активации ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ баклофеном.
Изучить изменения внешнего дыхания и реакции диафрагмы и наружных межрёберных мышц в условиях блокады ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ 2-гидроксисаклофеном.
Научная новизна работы. В работе впервые проведён сравнительный анализ роли ГАМКцептивных механизмов в регуляции дыхания структурами функционально различных отделов ВРГ у половозрелых крыс. Продемонстрирована различная роль ГАМК в модуляции паттерна дыхания на уровне рВРГ и кВРГ, в т.ч. показано более выраженное тормозное влияние медиатора на частоту дыхания при микроинъекциях в рВРГ.
Получены новые данные о неоднозначной роли ГАМКа- и ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ при их вовлечении в управление глубиной и частотой дыхания и регуляцию биоэлектрической активности инспираторной мускулатуры. В частности, установлено, что активация ГАМКА-рецепторов рВРГ мусци-молом способствует ускорению ритмики дыхания и сопровождается ростом его объёмных параметров, тогда как их блокада бикукуллином снижает частоту дыхательных движений и величину лёгочной вентиляции. Это указывает на участие ГАМКА-рецепторов в модуляции активности нейросетей, управляющих как ритмом, так и интенсивностью дыхания. Одновременно продемонстрирован факт выраженного увеличения глубины дыхания при микроинъекциях в кВРГ и рВРГ селективного агониста ГАМКв-рецепторов баклофена и отсутствия существенных изменений частоты дыхания при инъекциях их антагониста 2-гидроксисаклофена, что позволяет говорить о включении ГАМКв-рецепторов ВРГ в регуляцию преимущественно объёмных параметров паттерна дыхания и об их меньшей роли в модуляции респираторного ритма.
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные в работе новые сведения о характере и особенностях респираторных реакций после введения ГАМК-позитивных и ГАМК-негативных веществ в функционально специфические отделы ВРГ имеют существенное значение в плане развития и конкретизации теоретических представлений о нейрохимических механизмах регуляции дыхания. Выявленные особенности динамики внешнего дыхания и залповой активности дыхательных мышц на фоне блокады и активации ГАМКа- и ГАМКв-рецепторов кВРГ и рВРГ у половозрелых крыс позволяют рассматривать ГАМКергическую систему как важнейший вид нейротрансмиссии, вовлечённой в функционирование паттернформирующих нейронных сетей ДЦ. Установленные различия в респираторных эффектах активации и блокады ГАМКа- и ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ важны для понимания нейрохимических основ респираторного ритмогенеза и регуляции паттерна дыхания, закономерностей формирования и обработки афферентации, поступающей в различные от-
делы ДЦ. Результаты проведённого исследования расширяют современные знания о влиянии ГАМК на деятельность ДЦ, демонстрируя новые стороны дифференцированного участия отделов ВРГ в регуляции дыхания.
Результаты работы имеют также практическое значение для нейрофарма-кологии и медицины, так как способствуют пониманию механизмов формирования и разработке методов коррекции нарушений дыхания центрального генеза (в т. ч. связанных с дисфункциями нейротрансмиттерных систем), таких как синдром внезапной смерти во сне, апноэ во время сна, синдром врождённой ги-повентиляции. Полученные данные могут найти практическое применение в исследовательской работе нейрофизиологов и нейрохимиков, при создании способов управления дыханием в экспериментах, связанных с решением проблемы функционирования нейромедиаторных и нейромодуляторных систем мозга.
Внедрение результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы, включая данные о респираторных эффектах ГАМК, её агони-стов и антагонистов, а также полученные сведения о различной роли ГАМКд- и ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ в механизмах регуляции паттерна дыхания, внедрены в учебный процесс и используется в научно-исследовательской работе кафедры анатомии, физиологии и гигиены ФГБОУ ВПО «Поволжской социально-гуманитарной академии».
Основные положения, выносимые на защиту
Микроинъекции ГАМК в рВРГ и кВРГ вызывают респираторные эффекты преимущественно тормозного типа, характер и выраженность которых зависит от действующей концентрации медиатора.
Реализация респираторных эффектов ГАМК в области ВРГ опосредуется ГАМКа- и ГАМКв-рецепторами, которые характеризуются неравномерным представительством и различной ролью в механизмах регуляции дыхания на уровне рВРГ и кВРГ
ГАМКд-рецепторы рВРГ преимущественно участвуют в механизмах регуляции временных параметров паттерна дыхания, вызывая при своей активации модуляцию скорости респираторного ритма за счёт уменьшения длительности обеих фаз дыхательного цикла.
ГАМКд-рецепторы кВРГ вовлечены в регуляцию как амплитудных, так и временных параметров дыхания и играют особую роль в механизмах формирования выдоха.
5. ГАМКв-рецепторы на уровне рВРГ и, особенно, кВРГ играют первостепенную роль в модуляции активности паттернформирующих механизмов, ответственных, главным образом, за объёмные параметры паттерна внешнего дыхания и амплитуду залповой активности дыхательных мышц.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: V Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем», посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Н. Черниговского (Санкт-Петербург, 2007); VI Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем», посвященной 50-летию открытия A.M. Уголевым мембранного пищеварения (Санкт-Петербург, 2008); XI медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье. Фундаментальная наука и клиническая медицина» (Санкт-Петербург, 2008); XI школе-семинаре «Экспериментальная и клиническая физиология дыхания» (Репино, 2010); XXI съезде физиологического общества им. И.П. Павлова РАН (Калуга, 2010); I Всероссийской с международным участием научно-практической конференции «Наука, образование, медицина» (Самара, 2011); отчётных конференциях преподавателей и сотрудников Самарского государственного университета (Самара 2009, 2010, 2011); расширенном заседании кафедры физиологии человека и животных Самарского государственного университета (Самара, 2011); расширенном заседании кафедры физиологии и патофизиологии ульяновского государственного университета (Ульяновск, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованных источников, изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 56 рисунков, 4 таблицы и 3 приложения. Список использованных источников включает 260 наименований, в том числе 203 на иностранных языках.
