Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 12
1.1. Структурно-функциональная и нейрохимическая организация голубого пятна и его значение в регуляции физиологических функций 12
1.2. Местоположение и структурно-функциональная организация дыхательного центра
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследований 38
2.1. Экспериментальные животные. Наркоз 3 8
2.2. Операционная подготовка 38
2.3. Регистрация паттерна дыхания крысы 39
2.4. Регистрация биоэлектрической активности инспираторных мышц 40
2.5. Методика электрической стимуляции голубого пятна 41
2.6. Методика микроинъекции норадреналина в структуры
голубого пятна 42
2.7. Микроинъекции ницерголина в функционально различные отделы дыхательного центра 43
2.8. Методика исследования влияния гиперкапнии на биоэлектрическую активность наружных межреберных мышц при электростимуляции голубого пятна. 44
2.9. Статистическая обработка данных 45
2.10. Вещества, использованные в работе 45
ГЛАВА 3. Изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц при электростимуляции голубого пятна или в условиях микроинъекции норадреналина в область голубого пятна 46
3.1. Изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспи-раторных мышц при электростимуляции голубого пятна 46
3.2. Изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспи-раторных мышц в условиях микроинъекции норадреналина в область голубого пятна 60
ГЛАВА 4. Реакции паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц при микроинъекции ницерголина в функционально различные отделы дыхательного центра и электростимуляции голубого пятна до и на фоне действия Ницер-Голина 89
ГЛАВА 5. Влияние гиперкапнии на биоэлектрическую активность наружных межреберных мышц при локальной электростимуляции голубого пятна 122
ГЛАВА 6. Обсуждение результатов 132
ВЫВОДЫ 140
Список использованных источников и литературы 141
- Структурно-функциональная и нейрохимическая организация голубого пятна и его значение в регуляции физиологических функций
- Экспериментальные животные. Наркоз
- Изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспи-раторных мышц при электростимуляции голубого пятна
- Влияние гиперкапнии на биоэлектрическую активность наружных межреберных мышц при локальной электростимуляции голубого пятна
Введение к работе
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Физиологическая и нейрохимическая организация центральной регуляции дыхания остается одной из актуальных проблем физиологии.
Современный уровень развития экспериментальной электрофизиологической техники сделал возможным более глубокое изучение особенностей центрального механизма регуляции дыхания (Akira et al., 2000; Duffin et al., 2000; Rekling et al., 2000; Меркулова, 2001; Richter et al., 2001; Якунин и соавт., 2003; Ramirez et al., 2002; Onimaru et al., 2003; Jack et al., 2003; Vemer et al., 2004; Александрова, 2004, 2007; Инюшкин, 2005, 2006; Бреслав и Ноздрачев, 2005; Пятин и соавт., 2005; Сафонов, Тарасова, 2006; Сафонов, 2007 и др.).
Одним из важных направлений данной проблемы является изучение роли супрабульбарных структур в регуляции деятельности дыхательного центра
(ДЦ).
Изучение данной проблемы имеет как теоретическое, так и большое практическое значение.
Решение этой проблемы позволяет не только изучить механизмы функциональных перестроек деятельности ДЦ в изменяющихся условиях жизнедеятельности организма, но и решить такие фундаментальные вопросы, как механизмы интеграции одного из важнейших центров - ДЦ с различными структурами головного мозга.
Анализ данного вопроса в известной степени может способствовать выяснению общих принципов интеграции различных функциональных систем.
История развития учения о роли супрабульбарных структур мозга в регуляции дыхания сложна и противоречива (Бехтерев, 1897; Lumsden, 1923; Тере-гулов, 1928; Сергиевский, 1950; Маршак, 1961; Александров и Александрова, 1998; Инюшкин и соавт., 1998; Zhang et al., 2001; Xu et al., 2001a; Беляков и соавт., 2002; Акопян и соавт., 2004; Меркулова и соавт., 2004, Михайлова,
5 2004; Александров, Багаев, 2004; Романова, 2005, Сафонов и соавт., 2003; Орлова, Инюшкин, 2007 и др.).
Изучая механизм интеграции анатомически разобщенных отделов головного мозга (области ДЦ с одной стороны, супрабульбарных структур - с другой) в 50-60-х годах XX века самарские физиологи выдвинули положение о том, что ДЦ, имея развитые связи с различными отделами центральной нервной системы (ЦНС), образует с ними функционально подвижные объединения - «констелляции» нервных центров.
Образование «констелляций» нервных центров перестраивает деятельность ДЦ и тем самым обеспечивает приспособление процесса дыхания к изменяющимся условиям жизнедеятельности организма (Сергиевский, 1950; Меркулова, 1953; Вакслейгер, 1957).
Современный подход к изучению данной проблемы предполагает анализ механизмов реализации респираторных влияний супрабульбарных структур, использование данных об особенностях структурно-функциональной организации ДЦ, нейрохимического обеспечения бульбарных механизмов регуляции дыхания, участие нейромедиатров и нейромодуляторов в регуляции активности дыхательных нейронов. Также учитывается нейрохимическая и структурно-функциональная организация исследуемых супрабульбарных структур, их связи с областью ДЦ (Багаев и соавт., 1997; Миняев и соавт., 1998; Миняев и соавт., 2007; Пятин и соавт., 1998; St-John et al., 2000; Thoby-Brisson et al., 2000; Diethelm et al., 2001; Кульчицкий, 2001; Schwartz et al., 2002; Hosoi T et al., 2002; Инюшкин, 2003; Hilaire et al, 2004; Ведясова и соавт., 2005; Сафонов и соавт., 2006; Бреслав, 2007).
В аспекте проблемы супрабульбарного механизма регуляции деятельности ДЦ перспективным и интересным является анализ значимости одной из важнейших структур центральной нервной системы - голубого пятна (ГП) - как основного норадренергического ядра.
Голубое пятно характеризуется специфичной нейрохимической и структурно-функциональной организацией (Белова и соавт., 1980; Шишкинаи соавт., 2002; Смирнов и соавт., 2002). У крыс оно состоит из дорсолатеральной и вентролатеральной частей. Первая часть представлена плотно расположенными мелкими клетками, вторая - разреженным, но более крупными нейронами. В соме клеток ГП наряду с высоким содержанием норадреналина (Korotkova et al., 2005), присутствуют серотонин (Philippu, 2000), вещество Р (Guyenet et al., 1977; Chen et al., 2000; Guyenet et al, 2001), нейропептид галанин, имеющий широкий спектр биологического действия (Howard et al., 1997; Wickstrom et al., 2002), L-глутамат (Huang et al., 2001, Carolin et al., 2004, Koga et al., 2005), аскорбиновая кислота (Bruce et al., 1993).
В последние годы все большее внимание уделяется анализу рецепторов, которые представлены в голубом ядре. На соме и около сомы клеток ГП выявлены а2-адренорецепторы (Cedertaum et al., 1997). Обнаружены также al-адренорецепторы, которые подавляют респираторный эффект а2-адренорецепторов (Pudovkinaet al., 2005), р-адренорецепторы (Haxhiu et al., 2001; Дубынин и соавт.,).
В ГП имеются глутамат-рецепторы (Perez et al., 1995), пуриноэргиечские рецепторы (Yao S. et al., 2005), галанин-рецепторы: Gal-1, Gal-2, Gal-3 (Wickstrom H. et al., 2002; Hawes J. et al., 2004). На нейронах ГП выявлены ГАМК -рецепторы (Chen et al., 1999, Koga et al., 2005), опиатные рецепторы (Pan et al., 2002). Особый интерес представляет значение ГП в реализации дыхательных реакций на гиперкапнию.
Установлено, что нейроны ГП способны функционировать как С02/рН хемосенсоры (Andrzejewski et al., 2001, Dean et al., 2001, Filosa et al., 2003, Bal-lantyne et al., 2004, Hakuno et al., 2004).
Голубое пятно характеризуется широкими внутримозговыми связями. Тер-минали аксонов клеток данного ядра выявлены во многих слоях и областях коры большого мозга, промежуточного, среднего, продолговатого и
7 спинного мозга (Macda et al., 1972, Смирнов и соавт., 2002 и др.). Данные
особенности обуславливают широкое участие ГП в регуляции многих физиологических функций, в модуляции потоков информации, в регуляции функционального состояния ЦНС (Дубынин и соавт., 2003).
Голубое пятно участвует в регуляции цикла сон-бодрствование, организации стадии парадоксального сна, механизма контроля мышечной активности, в формировании многих вегетативных реакций, регуляции газового гемеоста-за (Белова и соавт., 1980; Смирнов и соавт., 2002; Inyshkin, 2004; Глазкова, 2005)
Характеризуя связи ГП с областью продолговатого мозга, в особенности со структурами ДЦ, следует отметить, что ряд исследователей выявили нервные проекции от ГП к дыхательным ядрам: ядру солитарного тракта (Perez et al., 1995; Caroline et al., 2004; Gerlinda et al., 2004) и комплексу пре-Бетцингера (Van Bockstaeble et al., 1999, Hakuno et al., 2004).
Наличие связей ГП с отделами ДЦ, особенности хемочувствительной и структурной организации ГП, по-видимому, объясняют факт изменения деятельности ДЦ при различных воздействиях на область ГП (Голубева, 1971, Белова и соавт., 1980, Дружинин, 1987, Смирнов и соавт., 2002, Ханбабян и соавт., 2003 Caroline et al, 2004, Глазкова, 2005). Однако подавляющее большинство исследователей ограничивается только описанием самого факта изменения дыхания при нарушении функции ГП, не вскрывая при этом механизмы реализации респираторных реакций данного ядра.
Неоднозначными являются результаты изучения дыхания при раздражении и выключении функций ГП в работах различных авторов. Остаются дискуссионными данные об изменениях деятельности ДЦ в условиях микроинъекции биологически активных веществ в область ГП. По-существу не проанализирован вопрос о сравнительной значимости функционально-различных структур ДЦ в реализации респираторных воздействий ГП. Это определило цель и задачи проведенного исследования.
8 Цель и задачи исследования. Целью работы явилось изучение роли и физиологических механизмов участия ГП в регуляции дыхания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Проанализировать изменение показателей паттерна дыхания и биоэлектрической активности диафрагмы и наружных межреберных мышц (НММ) в условиях электростимуляции ГП током различного напряжения и частоты.
Выявить специфические особенности реакций паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц на локальное введение в область ГП характерного для него нейротрансмиттера -норадреналина.
Выявить особенности связей ГП с функционально различными структурами ДЦ: ядром солитарного тракта, ростральной и каудальной частями вентральной дыхательной группы, комплексом Бетцингера и комплексом пре-Бетцингера.
Исследовать изменения биоэлектрической активности наружных межреберных мышц при электростимуляции ГП на фоне действия гиперкапнии.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые проведено сравнительное исследование респираторных эффектов, возникающих при локальной электростимуляции ГП широким диапазоном частот и напряжений стимулирующего тока.
Выявлена наибольшая зависимость респираторных эффектов ГП от частоты стимулирующего тока по сравнению с зависимостью изменений внешнего дыхания и активности инспираторных мышц от напряжения тока.
Установлены характер и зависимость изменений различных параметров паттерна дыхания и биоэлектрической активности НММ и диафрагмы от концентрации норадреналина в рабочем растворе, инъецируемом в структуры ГП, и времени после микроинъекции.
Впервые проведен сравнительный анализ связей ГП с функционально различными структурами ДЦ (ядром солитарного тракта, комплексами Бет-цингера и пре-Бетцингера, ростральным и каудальным отделами вентральной дыхательной группы).
Впервые выявлена ведущая роль ядра солитарного тракта, комплекса Бет-цингера и пре-Бетцингера в механизмах реализации респираторных влияний ГП.
Проведен анализ влияний ГП на биоэлектрическую активность наружных межреберных мышц на фоне действия гиперкапнии в условиях его локальной электростимуляции. Экспериментально продемонстрирована способность ГП модулировать респираторные реакции на гиперкапнию. Показано, что в основе данного модулирующего эффекта лежит механизм высокой чувствительности хеморецепторов ГП к изменению уровня СОг-
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные в работе данные о значении ГП в регуляции дыхания являются важным вкладом в развитие представления о роли супрабульбарных структур в регуляции деятельности ДЦ. Выявленные в работе особенности влияния ГП - как но-радренергического ядра - на паттерн дыхания и биоэлектрическую активность инспираторных мышц позволили установить многообразное участие норадренергической системы в формировании респираторного рит-могенеза и регуляции паттерна дыхания.
Наличие и особенности связей ГП с функционально различными структурами ДЦ расширяют представление о характере, источниках и механизмах реализации респираторных влияний исследуемого ядра. Эти данные имеют существенное значение в плане развития и конкретизации представлений о норадренергической регуляции дыхания.
Полученные данные о роли норадренергических структур ГП в формировании респираторных эффектов расширяют имеющиеся представления о функциональной значимости адренорецепторов и в частности а-
10 адренорецепторов области ствола мозга. Полученные результаты иллюстрируют сложные взаимодействия al- и а2- адренорецепторов и их влияние как на ритмообразующие, так и на объемные функции ДЦ.
Результаты проведенных исследований могут стать основой для разработки рекомендаций по оптимизации функций дыхательной системы.
В работе получены данные, которые в определенной степени позволят прогнозировать характер возможных изменений дыхания при нарушениях функций ствола мозга и важнейшей его структуры - ГП.
Основные положения, выносимые на зашиту:
Локальная электростимуляция ГП оказывает угнетающее действие, как на объемные, так и временные параметры внешнего дыхания и биоэлектрическую активность инспираторных мышц. Выраженность респираторных эффектов в большей степени зависит от частоты стимулирующего тока по сравнению с выраженностью изменений дыхательных реакции от напряжения тока.
Микроинъекции норадреналина 10"1, 10"7, 10*4, 10'1 М в структуры ГП приводят к выраженным изменениям паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц. Характер респираторных эффектов исследуемых растворов медиатора зависит от их концентрации и времени, прошедшего после микроинъекции норадреналина в область ГП.
Наиболее важная роль в механизмах реализации респираторных регулирующих влияний ГП на объемные и ритмогенерирующие функции ДЦ принадлежит ядру солитарного тракта, комплексу пре-Бетцингера и комплексу Бетцингера.
Голубое пятно, при его электростимуляции, способно модулировать уровень центрального респираторного драйва и, тем самым, изменять выраженность вентиляторного ответа на гиперкапнию.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены: на III Российском конгрессе по патофизиологии (Москва, 2004);
на I молодежной научной конференции «Актуальные проблемы эко
логии Волжского бассейна», (Тольятти, 2007);
на X Всероссийской Школе-семинаре с международным участием «Экспериментальная и клиническая физиология дыхания», (Санкт-Петербург, 2007);
на XXIX, XXX, XXXI и XXXII научных конференциях молодых ученых и специалистов Самарского государственного университета (Самара, 2004, 2005,2006,2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структурно-функциональная и нейрохимическая организация голубого пятна и его значение в регуляции физиологических функций
Одним из актуальных направлений в современной физиологии является изучение роли супрабульбарных структур в регуляции деятельности ДЦ. В этом плане особый интерес представляют данные о значении ГП в механизмах формирования дыхательного акта. Внимание исследователей к ГП прежде всего обусловлено специфичностью его нейрохимической организации. ГП является у взрослых млекопитающих животных и человека основным норадренергическим ядром ЦНС. В соме клеток ГП обнаружено высокое содержание норадреналина и ферментов его синтеза. Наряду с этим ГП характеризуется широкими внутримозговыми связями. Терминали аксонов клеток ГП выявлены во многих слоях и областях коры большого мозга, мозжечка, промежуточного, среднего, продолговатого и спинного мозга. Данные особенности обуславливают значительное участие ГП в регуляции многих физиологических функций, в модуляции потоков и регуляции общего состояния ЦНС (Дубынин и соавт., 2003).
Особый интерес представляет значение ГП в регуляции дыхательного ритмогенеза, в реализации дыхательных реакций на гиперкапнию и ацидоз (Haxhiu et al., 1995; Oyamada et al., 1998). Однако до настоящего времени остается много неясного и дискуссионного об участии ГП, в частности, его норадренергического механизма в регуляции деятельности ДЦ. Это является причиной пристального внимания к данной проблеме.
У всех млекопитающих животных ГП располагается поверхностно в латеральной части дна IV желудочка (Рис. 1). Его дорсальная часть отделена от полости желудочка и циркулирующего в ней ликвора только эпендимой. Латерально к ГП прилежит мезенцефалическое ядро отводящего нерва (п. abducens), медиально - серое вещество IV желудочка, вентрально -ретикулярные структуры варолиева моста (Белова и соавт., 1980).
По своей архитектонике ГП неоднородно, поэтому в нем выделяют несколько отделов. Белова и соавт. (1980) описали две части: оральную и каудальную. Каудальная часть состоит из клеток средней величины, которые плотно расположены. Имеются также мелкие клетки, рассеянные в этом отделе. Оральная часть представлена мелкими и разреженно расположенными клетками, которые располагаются в виде узкой (в медиолатеральном направлении) полоски.
Swanson (1976) у белых крыс выделил дорсальную и вентральную части, которые различаются по составу клеток и плотности их расположения. Дорсальная часть содержит плотно расположенные клетки среднего размера веретеновидной формы. В вентральной части клеточный состав тот же, что и в дорсальной части, и отличие заключается только в том, что в этой части клетки более крупные и расположены более разрежено по сравнению с величиной клеток и характером их расположения в дорсальной части.
Своеобразная окраска ГП мозга млекопитающих животных обусловлена наличием пигмента меланиновой природы. Меланин представляет собой особую форму консервации адреналоподобных веществ (Белова и соавт., 1970).
Имеются данные, указывающие на то, что нейроны ГП относятся к ретикулярному типу. Выявлены сплетения между нейронами, что приводит к образованию нейронной сети (Ballantyne et al., 2004).
Изучая роль и значение ГП как основного норадренергического ядра, следует отметить, что в стволе мозга имеются еще несколько норадренергических зон - это зона А1, А2, А5 (Qian et al., 2001). К настоящему времени структурно- функциональная организация данных зон и их значение в регуляции вегетативных функций изучена недостаточно. Имеются сведения о том, что данным зонам, в особенности зоне А5, принадлежит определенное значение в регуляции дыхания в раннем эмбриогенезе (Алексеева и соавт., 2005). Исходя из этого, считаем необходимым, дать краткую характеристику зоне А5. Данная зона представляет собой скопление норадренаргических нейронов в каудальной части вентролатеральной ретикулярной формации варолиева моста (Maiorov et al., 2000). Норадренергические нейроны зоны А5 у взрослых животных обладают способностью генерировать спонтанную активность. Наряду с этим в мембране нейронов этой зоны выявлены а2-адернорецепторы (Lee et al., 1998), ГАМК-рецепторы (Burman et al., 2003), 5-опиоидные рецепторы (Arvidsson et al, 1995), NK-рецепторы, чувствительные к субстанции P и нейромедину (Chen et al., 2000). Наличие этих рецепторов может модулировать активность нейронов зоны А5 посредством нейроактивных пептидов. Однако подавляющее большинство исследователей считают, что основной структурой норадренергической системы как в эмбриональном периоде, так, в особенности, у взрослых млекопитающих животных, является ГП (Голубева, 1971; Ramon-Moliner, 1974; Белова и соавт., 1980; Oyamada et al., 1998; Дубынин и соавт., 2003; Шишкина и соавт., 2003; Ballantyne et al., 2004).
Микробиохимический и гастофлуорисцентный анализы показали, что ГП представляет собой наибольшее скопление нарадренергических нейронов в стволе мозга. Концентрация норадреналина в ГП наивысшая по сравнению с другими исследованными ядрами мозга (900 нг/г белка) (Белова и соавт., 1980).
В структурах ГП наряду с норадреналином (Korotkova et al., 2005; Smith et al., 2006) содержится ряд других биологически активных веществ. В мелких гранулярных пузырьках (аппарат Гольджи) находится серотонин (Philippu, 2000) вещество Р (Guyenet et al, 1977), нейропептид галанин, имеющий широкий спектр действия (Wickstrom et al., 2002), L-глутамат (Huang et al., 2001; Caroline et al., 2004; Koga et al., 2005), аскорбиновая кислота (Jijima, 1971; Bruce et al., 1993), в телах нейронов ГП найден дофамин (Siggins et al., 1971).
В последние годы все большее внимание уделяется анализу рецепторов, которые широко представлены в ГП. На соме и около сомы клеток ГП выявлены а2-адренорецепторы (Cedertaum et al., 1997). Обнаружены также al-адренорецепторы, которые подавляют респираторный эффект а2-адренорецепторов (Pudovkina et al., 2005). В ГП имеются глутамат-рецепторы (Perez et al., 1995), выявлены ГАМК-рецепторы (Chen et al., 1999; Koga et al., 2005), опиатные рецепторы (Pan et al., 2002), обнаружены пуриноэргические рецепторы (Yao S. et al., 2005), галанин-рецепторы (Gall, Gal2, Gal3) (Wickstrom et al., 2002; Hawes et al., 2004; Liu et al., 2003). Имеются данные о значении ГП в реализации дыхательных реакций на гиперкапнию. Установлено, что нейроны ГП способны функционировать как CCVpH хемосенсоры (Andrzejewski et al., 2001; Dean et al., 2001; Filosa et al., 2003; Ballantyne et al., 2004; Hakuno et al., 2004).
Экспериментальные животные. Наркоз
К операции приступали через 15-20 мин после введения уретана, когда наркоз достигал необходимой глубины. Животное укрепляли на операционном столике вентральной стороной тела вверх. Рассекали кожу на шее от подбородочной области до верхнего края грудины и тупым путем раздвигали мышцы для обнажения трахеи. На уровне верхней трети трахеи делали Т- образный разрез, в который вводили дыхательную канюлю. Последнюю фиксировали в трахее при помощи лигатуры, после чего шейный разрез зашивали.
После трахеостомии животное переворачивали дорсальной поверхностью тела вверх и помещали в стереотаксическую установку СЭЖ-3, модифицированную для работы с мелкими животными. Голову животного закрепляли в головодержателе в положении вентрального сгибания так, что каудальная часть продолговатого мозга располагалась в горизонтальной плоскости. Рассекали кожу, мягкие ткани и удаляли надкостницу с костей черепа. Для доступа к ГП над исследуемой структурой при помощи шаровидного бора высверливали трепанационное отверстие. Для доступа к структурам бульбарного ДЦ мышцы головы и шеи отпрепаровывали и сдвигали в каудальном направлении. Затылочную кость стачивали шаровидным бором и удаляли. Слегка приподнимали, рассекали по средней линии и удаляли последовательно атланто 39 окципитальную мембрану и твердую мозговую оболочку. Мозжечок сдвигали в ростральном направлении или аккуратно удаляли его каудальную часть. Кровотечение останавливали при помощи гемостатической губки. Поверхность продолговатого мозга во избежание подсыхания и переохлаждения периодически омывали подогретой искусственной цереброспинальной жидкостью (Mitchell et al., 1963).
Для доступа к инспираторным мышцам вдоль позвоночника делали кожный разрез от m. acromiotrapezius до поясничной области. С правой стороны отделяли кожный лоскут от грудной фасции и обнажали наружные межреберные мышцы. Абдоминальный доступ к диафрагме осуществляли латерально, через разрез брюшных мышц параллельно реберной дуге.
Температуру тела животного поддерживали с помощью электрогрелки в течение всего эксперимента, включая операционный период, на уровне 35,0±0,5С. Температуру измеряли ректально электротермометром A&D DT-501. К исследованиям приступали не ранее, чем через 40 минут после окончания операции.
В настоящее время разработан и широко применяется в физиологических экспериментах целый ряд методов, позволяющих изучить показатели паттерна дыхания. Среди них одним из наиболее точных и информативных методов исследования является метод спирографии, который использовался в наших экспериментах. Данный метод позволяет непосредственно определить все основные объемные, временные и скоростные параметры дыхательного цикла (Бреслав, 1984).
Паттерн дыхания регистрировали при помощи спирографической методики. Для регистрации спирограммы использовали электронный спирограф с монометрическим датчиком давления. Выходной сигнал через аналого 40 цифровой преобразователь поступал на USB - порт компьютера и визуально отображался программой «rats». Оцифрованные сигналы обрабатывались в программе «Microsoft Excel». Во всех экспериментах животные дышали атмосферным воздухом. Калибровку дыхательного объема производили в конце каждого опыта. Для этого, после умерщвления животного, вводили в систему с помощью шприца точные объемы воздуха. Для изучения динамики дыхательных реакций запись спирограмм осуществляли до микроинъекции, затем на фоне микроинъекции через каждую минуту в течение первых 10 мин, а после -на 15-й, 20-й, 25-й, 30-й и 40-й мин после микроинъекции, а так же до и во время нанесения электрического стимула. На полученных спирограммах оценивали дыхательный объем (ДО, VT, мл), общую продолжительность дыхательного цикла (Тт, с), длительность его инспираторной (Ti} с) и экспираторной (Те, с) фаз, а также долю вдоха в дыхательном цикле (Tj/TT). Частоту дыхания (ЧД, f, мин"1) определяли согласно формуле f=60/Tt. Минутный объем дыхания (МОД, V, мл/мин) рассчитывали по формуле V=f Vt (Бреслав, 1984; Глебовский, 1994).
Изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспи-раторных мышц при электростимуляции голубого пятна
Несмотря на то, что ранее в отдельных работах были установлены изменения дыхания при электростимуляции ГП (Голубева, 1973; Дружинин, 1987), но до настоящего времени не проводился систематический анализ особенностей изменений дыхания при локальной стимуляции ГП широким диапазоном частот и напряжений раздражающего тока. Проведение таких исследований может расширить представления о роли и значении ГП в регуляции дыхания. Также следует отметить, что результаты электростимуляции ГП в работах различных авторов были достаточно противоречивы. Исходя из этого, была поставлена задача: проанализировать зависимость респираторных эффектов голубого пятна от изменений частоты (50 Гц и 100 Гц) и напряжения (8 В, 10 В, 13 В и 15 В) раздражающего тока.
Установлено, что электростимуляция ГП приводила к выраженным изменениям показателей паттерна дыхания и активности инспираторных мышц. Характер респираторных ответов определялся параметрами действующего стимула.
Происходило незначительное увеличение дыхательного объема в зависимости от усиления напряжения раздражающего тока как при частоте тока 50 Гц, так и частоте тока 100 Гц. Но более выраженное увеличение дыхательного объема происходило при повышении частоты электрического тока. Максимальное изменение дыхательного объема наблюдалось при напряжении тока 15 В 100 Гц. При этом данный показатель увеличился на 19% (р 0,01; tukey-тест; рис. 4,7,8; табл. 3-4). Минутный объем дыхания при раздражении ГП электрическим током уменьшался в среднем на 35 % (р 0,01; tukey-тест; рис. 4). Обращает на себя внимание большая зависимость изменения минутного объема дыхания от изменения частоты тока, по сравнению с изменениями данного показателя от изменения напряжения тока. Наиболее выраженное уменьшение минутной вентиляции легких на 42% (р 0,01; tukey-тест) наблюдалось при напряжении тока 13 В и частоте 100 Гц (рис. 4, 7, 8; табл. 3-4). I. II. V, мл\мин 100 50 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 8 10 13 15 8 10 13 15 8 10 13 15 8 10 13 15 Рис. 4. Изменение дыхательного объема ( VT, мл; I) и минутного объема дыхания (V, мл/мин; II) до (черные столбики) и в условиях электростимуляции (серые столбики) голубого пятна током частотой: А-50 Гц; Б-100 Гц и напряжением 8, 10, 13 и 15 В. Здесь и на рисунках ниже на оси абсцисс - напряжение стимулирующего тока; звездочками обозначены статистически значимые изменения показателей относительно исходного уровня: - р 0,05; - р 0,01; - р 0,001.
Указанные изменения минутного объема дыхания происходили за счет уменьшения частоты дыхания. Степень выраженности изменений частоты дыхания от напряжения стимулирующего тока при частоте 50 Гц была незначительна и составила в среднем 26% (р 0,01; tukey-тест; рис. 5) от исходного значения. Но увеличение частоты электрического тока до 100 Гц приводило к более значительному урежению дыхания при всех исследуемых показателях напряжения тока. Максимальное уменьшение частоты дыхания на 34% (р 0,05; tukey-тест) отмечалось при токе частотой 50 Гц и напряжением 15 В (рис. 5, 7, 8; табл. 3-4).
Длительность дыхательного цикла увеличивалась по мере нарастания напряжения и частоты раздражающего стимула. Но особенно выражено продолжитель 48 ность дыхательного цикла увеличивалась при возрастании частоты тока. Макси мальное отклонение от первоначального значения составило 50% (р 0,001; tukey тест) при токе частотой 100 Гц и напряжением 10 В (рис. 5, 7, 8; табл. 3-4). I. II. f, мин" Тт, с В 8 10 13 15 8 10 13 15 8 1 13 1 8 1 13 15
Рис. 5. Изменение частоты дыхания (f, мин 1; I) и длительности дыхательного цикла (Тт, с; II) до (черные столбики) и в условиях электростимуляции (серые столбики) голубого пятна током частотой: А-50 Гц; Б-100 Гц и напряжением 8,10, 13 и 15 В.
Обозначения те же, что на рис. 4.
Наблюдалось также и увеличение продолжительности выдоха на 43% (р 0,001; tukey-тест; рис. 6), а вот доля вдоха в дыхательном цикле снижалась на 20% (р 0,05; tukey-тест; рис. 6). Следует отметить, что более значимые изменения данных показателей находились в зависимости от частоты электрического стимула, а не от напряжения. Максимальные изменения при электростимуляции ГП отмечались для продолжительности выдоха при токе 10В 100 Гц (рис. 7, 8), а для доли вдоха в дыхательном цикле - при токе 15 В 50 Гц (рис. 7, 8).
Влияние гиперкапнии на биоэлектрическую активность наружных межреберных мышц при локальной электростимуляции голубого пятна
Современные исследования in vitro показали наличие большого количества хемочувствительных нейронов в различных структурах ствола мозга (Kawai et al.} 1996; Wang et al., 2000; Jiang et al, 2001; Ballantyne et al., 2000, 2001). Они играют главную роль в установке уровня легочной вентиляции в соответствии с напряжением углекислого газа и рН цереброспинальной жидкости и межклеточной жидкости мозга (Nattie, 1998, 1999, 2000). В пределах ствола мозга хемочувствительные нейроны сосредоточены в нескольких регионах, в частности, в области ядра солитарного тракта (Dean et al., 1989, 1990; Huang et al., 1997), области ГП (Pineda, Aghajanian, 1997; Oyamada et al., 1998; Oyamada et al., 1999) и ретротрапециевидного ядра (Nattie, 2000; Пятин и соавт., 1994,1997а, 19976). В данной серии экспериментов исследовали влияние вентиляторной чувствительности к гиперкапнии до и на фоне электростимуляции ГП. Об изменениях уровня легочной вентиляции в ответ на увеличения содержания СО2 во вдыхаемом воздухе судили по изменениям суммарной биоэлектрической активности наружных межрёберных мышц. Такой экспериментальный подход теоретически обоснован существованием высокой положительной корреляции между величиной дыхательного объёма и максимальной амплитудой залпов электрической активности инспираторных мышц (Evanich et al., 1976). Установлено, что изменения ЭМГ диафрагмы параллельны изменениям активности диафрагмальных мотонейронов и могут свидетельствовать об общем уровне деятельности дыхательной системы (Eldridge, 1971). Важно также отметить, что данные о высоком соответствии изменений максимальной амплитуды осцилляции в залпах активности инспираторных мышц и дыхательного объема получены в ходе исследования респираторной реакции на нарастающую гиперкапнию (Lopata et al., 1977; 1978; 1983).
В контрольных наблюдениях (п=6) с заменой воздуха на гиперкапническую смесь с 5% содержанием СОг происходило закономерное изменение респираторной реакции, выражавшееся в увеличении суммарной биоэлектрической активности наружных межреберных мышц в среднем на 24,8%. Рост биоэлектрической активности происходил преимущественно за счет увеличения максимальной амплитуды осцилляции в залпах активности на 28,4% (р 0,05; tukey-тест; рис. 66, табл. 35-36), в то время как частота дыхания не изменялась. Перевод животного на дыхание 15% гиперкапнической смесью также сопровождался ростом суммарной биоэлектрической активности инспираторных мышц на 63,2% (р 0,05; tukey-тест) за счет увеличения амплитуды залпов в среднем на 63% (р 0,01; tukey-тест) при относительно стабильной частоте дыхания (рис. 66, табл. 35-37).
Изменения суммарной биоэлектрической активности инспираторных мышц (А) и максимальной амплитуды осцилляции (Б) на фоне дыхания атмосферным воздухом (атм. воз.), 5% (СОг - 5%) и 15 % (СОг -15%) гиперкапническими смесями. На оси абсцисс процентное содержание С02 во вдыхаемом воздухе. Звездочками обозначены статистически значимые различия с исходным уровнем: - р 0,05; - р 0,01; - р 0,001.
Дыхание гиперкапнической смесью с 5-ти % содержанием СОг на фоне локальной электростимуляции ГП также приводил к росту суммарной биоэлектрической активности, однако увеличение было существенно больше чем в контроле. Так, при токе частотой 20 Гц 10 В значение данного показателя выросло на 74,8% (с 121,82 ± 9,96 до 212,96 ± 38,54 отн. ед., р 0,05; tukey-тест). При токе 50 Гц 5 В величина исследуемого параметра несколько снизилась по сравнению с контролем и составила 13,3 % (р 0,01; tukey-тест), однако по-прежнему превышала первоначальное значение данного показателя на 17,4% (р 0,05; парный t-тест; рис. 67, табл. 35).
Увеличение суммарной биоэлектрической активности происходило за счет роста максимальной амплитуды осцилляции в залпах активности наружных межреберных мышц на 67,2% (с 67,00±1,79 до 112,00± 16,24; р 0,01; tukey-тест; рис. 67, табл. 36) при токе 50 Гц 3 В. При этом выраженность эффекта нарастала постепенно с увеличением частоты и напряжения электрического тока. И лишь при токе 50 Гц 5 В данный показатель несколько снизился, но по-прежнему превышал первоначальный уровень.
Изменения частоты дыхания носили двухфазный характер. При электростимуляции ГП током 20 Гц 10 В наблюдалось учащение дыхания на 13,4% (р 0,05; t-тест) относительно контрольной группы, а при токе частотой 50 Гц и напряжением 5 В, напротив, отмечалось снижение данного показателя на 26% (р 0,05; dunnett-тест; рис. 67, табл. 37) по сравнению с контролем и первоначальным значением. Данный респираторный эффект развивался при соответствующих изменениях продолжительности межзалпового интервала активности наружных межреберных мышц и продолжительности залпа. Статистически значимые изменения продолжительности межзалпового интервала биоэлектрической активности инспираторных мышц регистрировали уже при токе 20 Гц 3 В, но максимальное увеличение данного параметра дыхания отмечалось при частоте 50 Гц и напряжении 5 В, и составило 85,7% (р 0,01; tukey-тест; рис. 68, А, табл. 68). Продолжительность залпа изменялась незначительно, хотя имела тенденцию к увеличению, и достигала пика своей реакции при параметрах стимулирующего тока 30 Гц 10 В (рис. 68, Б, табл. 69).
