Введение к работе
Актуальность проблемы. Благодаря исследованиям нескольких поколений отечественных и зарубежных физиологов в настоящее время общепринятым стало положение о том, что ведущая роль в регуляции дыхания принадлежит структурам бульбарного дыхательного центра (ДЦ). Однако, несмотря на это, в проблеме структурно-функциональной организации ДЦ имеется много дискуссионных вопросов, основным среди которых является вопрос – какие нейронные ядра входят в состав ДЦ? Обычно в состав ДЦ включают ядра содержащие нейроны, активность которых синхронна с фазами дыхательного цикла (Cергиевский и соавт, 1975; Bianchi et al., 1995;
Duffin, 2004; Сафонов, 2007; Onimaru et al., 2008 и др.).
В настоящее время подавляющее большинство авторов рассматривает ДЦ как совокупность дыхательных нейронов продолговатого мозга расположенных в пяти структурно-функциональных областях: дорзальная дыхательная группа, локализованная в вентролатеральной части n. tractus solitarius; вентральная дыхательная группа, ее каудальный отдел расположен в области n. retroambigualis, ростральный отдел в области n. ambiguous и n. retroambigualis; комплекс Бетцингера расположен в области n. retrofacialis; комплекс пре-Бетцингера располагается в ростральной части n. ambiguous, каудальнее n. retrofacialis и ростральнее n. lateralis reticularis (Richter at аl., 1983; Ballantyne at аl., 1984; Smith at аl., 1991; Сергиевский и соавт., 1993; Funk at аl., 1993; Schwarczacher at аl., 1995; Пятин и соавт., 1998; Михайлова, 2004; Бреслав, Ноздрачев, 2005; Инюшкин, 2006; Меркулова и соавт., 2007 Александрова и соавт., 2007; Миняев и соавт., 2007; Попов и соавт., 2007 и др). Однако нейроны, активность которых синхронна с фазами дыхания, выявлены и в других структурах головного мозга: ядро Келликера-Фузе, медиальное парабрахиальное ядро (Рitts, 1946; Темин, 1975; Ефимов и соавт., 1988; Rybak at аl., 1997; Сафонов, 2006; Onimaru at аl., 2009 и др.), ретикулярное гигантоклеточное ядро (ГКЯ) (Бродал, 1960; Киреева, 1981; Гордиевская, 1981; Якунин, 1987; Сергиевский и соавт., 1993; Dobbins et.al., 1994 и др.). Дискуссия о том рассматривать ли данные ядра частью ДЦ, или они только влияют на формирование паттерна и ритма дыхания в бульбарном ДЦ до настоящего времени не завершена.
Исследование механизмов нейрохимической организации ДЦ является одной из основных задач современной нейрофизиологии, анализ которой может иметь большое значение для поисков новых путей решения сложных и дискуссионных вопросов центрального механизма регуляции дыхания. Одним из таких является вопрос о роли ГКЯ в механизмах регуляции дыхания.
Характеризуя связи ГКЯ с областью продолговатого мозга, в особенности со структурами ДЦ, следует отметить, что ряд исследователей выявили обширные нервные проекции между ГКЯ и дыхательными ядрами: нейроны n. ambiguous, n. retroambigualis и n. tractus solitarius образуют прямые двусторонние моно-, олиго- и полисинаптические связи между собой и медиовентральной частью ГКЯ (Сергиевский и соавт., 1983; Samuel et al., 1986 и др.), кроме того, ГКЯ образует обширные связи с медиальной частью n. retrofacialis (Wang et al., 2002).
ГКЯ отличается многообразием нейротрансмиттеров. Его функции обеспечиваются многочисленными классическими нейромедиаторами и нейропептидами, а так же присутствующими здесь соответствующими рецепторами. Данные особенности обуславливают широкое участие ГКЯ в регуляции многих физиологических функций, в модуляции потоков информации, в регуляции функционального состояния ЦНС, в регуляции цикла сон-бодрствование (Holmesa et al., 1994), соматосенсорных и соматомоторных функций (Frank et al., 1983; Richard et al., 1990 и др.), оно оказывает влияние на дыхательные (Рitts, 1946; Christoрher et al., 1990; Kawahara et al., 1991; Martino et al., 2003 и др.) и сердечно-сосудистые переменные (Christoрher et al., 1989; Richard et al., 1990 и др.), вовлечено в механизмы обезболивания (Fletcher et al., 2006 и др.) и т.д.
Ряд исследователей, преимущественно в опытах на кошках, выявили наличие инспираторных «мест» (ИМ) и экспираторных «мест» (ЭМ) в ГКЯ (Рits et. al., 1939 и др.). Были выявлены так же инспираторные и экспираторные нейроны, преимущественно в медиовентральной части ГКЯ (Сергиевский и соавт., 1975; Чубаркин, 2006, 2007 и др.).
На основании данных о наличии в ГКЯ кошек респираторных «мест», инспираторных и экспираторных нейронов, обильных связей данного ядра со структурами, традиционно относящимися к ДЦ, связями данного ядра с моторными ядрами дыхательных мышц и других данных, ряд исследователей высказали мнение, что ГКЯ является частью бульбарного ДЦ (Ройтбак 1959; Якунин, 1987; Сергиевский и соавт., 1993; Гордиевский, 2004 и др.). Однако как было отмечено выше, большинство современных исследователей данную точку зрения не поддерживают (Duffin, 2004; Onimaru et.al., 2008 и др.).
Дыхательные нейроны в ГКЯ были обнаружены и в экспериментах на крысах (Сергеев, 1982; Буданцев, 1983; Dobbins et.al., 1994). Однако авторы, объектом исследования которых были крысы, практически не рассматривали значение нейронов ГКЯ в формировании паттерна дыхания и ритмогенерирующей функции ДЦ, не выясняли нейрохимические аспекты регуляции дыхания ГКЯ.
Исходя из этого, сочли важным провести исследование значимости респираторных «мест» ГКЯ в центральных механизмах регуляции дыхания крыс. Решение поставленных вопросов возможно в какой-то степени внесет ясность в вопрос – есть ли основание рассматривать ГКЯ как шестой структурно-функциональный участок бульбарного ДЦ или респираторные «места» ГКЯ крыс только оказывают влияние на многообразные функции бульбарного ДЦ.
Цель исследования. Целью работы явилось изучение роли и значения ГКЯ в регуляции дыхания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Проанализировать изменение показателей паттерна дыхания и
биоэлектрической активности диафрагмы и наружных межреберных мышц (НММ) в условиях электростимуляции респираторных «мест» ГКЯ током различного напряжения и частоты.
2. Проанализировать изменения паттерна дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц в ответ на химическое разрушение нервных клеток респираторных «мест» ГКЯ с помощью микроинъекции L-глутамата.
3. Выявить специфические особенности реакций паттерна дыхания
и биоэлектрической активности инспираторных мышц на локальное введение в область ГКЯ донора оксида азота – нитропруссида натрия (НН) (10-4М).
4. Выявить специфические особенности реакций паттерна дыхания
и биоэлектрической активности инспираторных мышц на локальное введение в область ГКЯ гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК).
5. Оценить роль и степень участия инспираторного и экспираторного «мест» ГКЯ в центральных механизмах регуляции дыхания.
Научная новизна работы. В настоящей работе экспериментально показано наличие инспираторного и экспираторного «мест» в ГКЯ крыс. Впервые проведено сравнительное исследование дыхательных эффектов, возникающих при локальной электростимуляции ИМ и ЭМ ГКЯ крыс широким диапазоном частот и напряжений стимулирующего тока. Выявлена зависимость респираторных эффектов от места воздействия и величины воздействующего стимула.
Экспериментально доказано участие оксида азота (NO) в регуляции дыхания на уровне ГКЯ. Установлены характер и зависимость изменений различных параметров паттерна дыхания и биоэлектрической активности НММ и диафрагмы от места микроинъекции НН и времени экспозиции вещества.
Экспериментально доказано участие ГАМК в регуляции дыхания на уровне ИМ и ЭМ ГКЯ.
Путем разрушения нервных клеток ИМ и ЭМ ГКЯ получены новые данные, характеризующие существенный вклад исследуемого ядра в регуляцию центральной респираторной активности.
Теоретическое и практическое значение работы. Полученные в исследовании результаты раскрывают принципиально новые стороны и механизмы участия ГКЯ в регуляции дыхания и являются важным вкладом в развитие представления о его роли в регуляции деятельности ДЦ. Выявленные в работе особенности влияния ГКЯ на паттерн дыхания и биоэлектрическую активность инспираторных мышц позволили установить многообразное участие данного ядра в формировании респираторного ритмогенеза и регуляции паттерна дыхания.
Полученные сведения о характере и особенностях реакций внешнего дыхания и биоэлектрической активности инспираторных мышц на микроинъекции различных биологически активных веществ в респираторно активные участки ГКЯ являются чрезвычайно важными для понимания механизмов регуляции дыхания на нейрохимическом уровне.
В работе получены данные, которые, в определенной степени, позволяют прогнозировать характер возможных изменений дыхания при нарушении функционирования ГКЯ, а так же могут быть полезны в поисках механизмов восстановления респираторного ритма при нарушениях дыхания центрального генеза.
Основные положения, выносимые на защиту
-
В ГКЯ крыс присутствуют инспираторное и экспираторное «места», кратковременная электростимуляция которых приводит к обрыву вдоха при воздействии на экспираторное «место» и выдоха в случае электростимуляции инспираторного «места».
-
Локальная электростимуляция током различных частот и напряжений инспираторного «места» ГКЯ оказывает стимулирующее действие на паттерн дыхания и активность инспираторных мышц. Стимуляция электрическим током экспираторного «места» ГКЯ производит противоположный эффект.
-
Воздействие токсических доз L-глутамата оказывает существенное влияние на дыхание вплоть до его остановки. Разрушение нейронов инспираторного «места» ГКЯ токсическими дозами глутамата, сопровождается торможением дыхания. Разрушение нейронов экспираторного «места» ГКЯ сопровождается противоположными реакциями внешнего дыхания и активности инспираторных мышц.
-
Оксид азота на уровне ГКЯ принимает участие в регуляции дыхания. Микроинъекции донора оксида азота, нитропруссида натрия в респираторные «места» ГКЯ, приводят к выраженным изменениям паттерна дыхания и активности инспираторных мышц. Характер эффектов в большей степени зависит от места воздействия и времени прошедшего после микроинъекции.
-
Микроинъекции ГАМК в инспираторное «место» ГКЯ сопровождаются угнетением дыхания. ГАМК на уровне экспираторного «места» действует на дыхание противоположным образом. Воздействие ГАМК на инспираторное и экспираторное «места» не сопровождается изменениями длительности дыхательного цикла и частоты дыхания.
-
Респираторные места ГКЯ одни из важнейших структур, участвующих в формировании ритма и паттерна дыхания, наряду с другими традиционно признанными структурно-функциональными участками ДЦ.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на следующих научных конференциях: VI Всероссийской конференции с международным участием, посвященной 50-летию открытия А. М. Уголевым мембранного пищеварения «Механизмы функционирования висцеральных систем», (Санкт-Петербург, 2008 год); XI Всероссийской школе-семинаре с международным участием «Экспериментальная и клиническая физиология дыхания», (Санкт-Петербург, 2010); XXXIV, XXXV и XXXVI научных конференциях молодых ученых и специалистов Самарского государственного университета (Самара, 2009, 2010, 2011); конференции молодых ученых «Механизмы адаптации физиологических систем организма к факторам среды», посвященной 85-летию со дня основания Института физиологии им. И.П. Павлова РАН (Санкт-Петербург, 2010 год); XXI съезде физиологического общества имени И.П. Павлова (г. Калуга 2010); расширенном заседании кафедры физиологии человека и животных, Самарского государственного университета (Самара, 2012).
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 9 таблиц и 56 рисунков. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов исследования, обсуждения результатов, выводов, списка литературы (83 отечественных и 149 зарубежных источников).
