Содержание к диссертации
Список сокращений 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ГЕНЕРАЦИИ ДЫХАТЕЛЬНОЙ РИТМИКИ 15
1.1. Структура и функционирование респираторной нейронной сети (РНС) 15
1.1.1. Топография и нейронный состав дыхательного центра 15
1.1.2. Компартментно-кластерная организация РНС
1.2. Участие нейротрансмиттерного системокомплекса в деятельности центрального генератора паттерна дыхания 28
1.3. Механизмы управляющих воздействий на РНС со стороны супрабульбарных структур головного мозга 40
1.3.1. Иерархическая организация супрабульбарных механизмов респираторного контроля 40
1.3.2. Лимбическая кора как высший иерарх в системе нейрорегуляции дыхания 45
1.4. Современные представления об устройстве и устойчивости нейросетевых генераторов на примере РНС 54
1.4.1. Теории и модели респираторного ритмогенеза 54
1.4.2. Принципы компартментно-кластерной организации РНС и нейрофизиологические основы генерации ритма в нейронных сетях 63
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 73
2.1. Экспериментальные животные, наркоз, операционная подготовка 73
2.2. Электростимуляционные методы в исследовании респираторных эффектов лимбической коры 75
2.3. Применение метода микроинъекций нейротропных веществ в ядра дыхательного центра для изучения устойчивости РНС 77
2.4. Комплексное использование электростимуляционных и нейрохимических воздействий при анализе роли нейромедиаторных систем в механизмах реализации лимбикофугальных влияний
наРНС 80
2.5. Методы регистрации показателей деятельности РНС 81
2.6. Авторские методы системного компартментно-кластерного анализа в исследованиях устойчивости РНС 83
2.7. Статистическая обработка экспериментальных данных 88
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 89
3.1. Устойчивость дыхательной ритмики к управляющим влияниям лимбической коры 89
3.1.1. Респираторные эффекты электростимуляции дорсального поля передней области поясной извилины как отражение динамики устойчивости РНС при воздействии внешних управляющих
драйвов 89
3.1.2. Респираторные эффекты электростимуляции вентрального поля передней области поясной извилины 108
3,1.3. Функциональная межполушарная асимметрия полей передней и задней областей лимбической коры, её нейрохимическая природа и роль в поддержании устойчивости РНС 131
3.2. Участие нейромедиаторных механизмов дыхательного центра в создании условий функциональной устойчивости РНС 156
3.2.1. Респираторные эффекты при локальном изменении уровня активности холиноцептивных структур в нейросетях амбигуального ядра и ядра солитарного тракта 157
3.2.2, Респираторные эффекты при локальном изменении уровня активности гюрадреноцептивных структур в нейросетях амбигуального ядра и ядра солитарного тракта 174 3.2.3. Респираторные эффекты при локальном изменении уровня активности дофаминоцептивных структур в нейросетях амбигуального ядра и ядра солитарного тракта 200
3.2.4. Респираторные эффекты при локальном изменении уровня активности серотониноцептивных структур в нейросетях амбигуального ядра и ядра солитарного тракта 218
3.2.5. Участие нейротрансмиттерных механизмов области дыхательного центра в реализации управляющих влияний лимбической коры на дыхание 236
3.3. Эффекты изменений интервалов устойчивости РНС в аспекте компартментно-кластерного подхода 254
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 279
ВЫВОДЫ 285
ЛИТЕРАТУРА 287
Введение к работе
Актуальность проблемы. Поддержание гомеостаза организма млекопитающих животных обеспечивается, благодаря регуляторным механизмам, которые осуществляют координацию адаптивных перестроек активности функциональных систем организма (ФСО) в меняющихся условиях жизнедеятельности [10, 11, 23, 51, 55, 125, 136, 137]. Особая роль в сохранении гомеостаза принадлежит системе дыхания и, в частности, дыхательному центру (ДЦ). При изучении центральных механизмов респираторного контроля исследователи всегда выделяли, как наиболее важный, вопрос о механизмах, обеспечивающих приспособительную деятельность ДЦ и устойчивость ритмики дыхания [8, 17, 38,60, 65, 74, 83, 85,90, 111, 114, 118,119, 174,207,357], однако до сих пор этот вопрос еще далек от окончательного решения. Поэтому разработка в рамках системного анализа новых подходов к объяснению стабильности дыхательной ритмики и определению границ её устойчивости в покое и при нагрузках остаётся весьма значимой проблемой физиологии дыхания, общей теории систем, теории устойчивости биологических динамических систем (БДС) и представляет несомненный интерес для развития биокибернетического направления в нейрона уке.
Следует указать, что в последние годы заметно повысился интерес к выявлению роли эндогенных регуляторов и модуляторов в генерации дыхательного ритма [37, 46, 57, 129, 130, 134, 257, 311, 344] и реорганизации взаимодействий между нейронными ансамблями ДЦ с последующим формированием различных, в том числе, патологических паттернов дыхания [109, 191, 202, 261, 298, 327, 335, 383]. В связи с этим обоснованным является проведение электрофизиологического и нейрофармакологического анализа механизмов, определяющих устойчивость функционирования РНС в условиях внешних управляющих и возмущающих драйвов, с целью разработки методов идентификации верхней и нижней границ такой устойчивости. Вполне понятно, что успешность решения прикладных и фундаментальных вопросов в рамках этой многопрофильной задачи в значительной степени зависит от методических подходов к изучению поведения РНС.
Современный уровень электрофизиологии и нейрохимии позволил исследователям раскрыть многие стороны нейронной и синаптической организации ДЦ [107, 112, 278, 289, 311, 387], приблизиться к пониманию не только клеточных, но и мембранных процессов, лежащих в основе респираторного ритмогенеза [58, 87, 192, 272, 362, 382, 405]. Однако эти данные, полученные, главным образом, в исследованиях in vitro с регистрацией активности отдельных нейронов ДЦ, не отражают в должной мере общебиологических, кибернетических принципов функционирования такой сложной биосистемы как РНС, что затрудняет их приложение к поведению иитактных нейросетей мозга и исключает полноценную возможность объективного прогнозирования динамики респираторной активности в реальных условиях жизнедеятельности.
Кроме того, значение имеющихся моделей формирования ритма и паттерна дыхания ограничено тем, что в них не всегда учитывается роль супра-бульбарных структур и, в частности, лимбической коры, являющейся важным звеном нейрорегуляции дыхания [6, 18, 89, 94], не конкретизированы анатомические субстраты и нейромедиаторные механизмы, обеспечивающие функциональные (возбуждающие и тормозные) связи между кластерами в общей иерархии центральных механизмов респираторного контроля. Вместе с тем, анализ этих сторон деятельности РНС чрезвычайно важен и актуален, причем не только в плане развития теоретической нейрофизиологии, но и как база для правильного понимания закономерностей функционирования основных систем жизнеобеспечения в норме, при экстремальных условиях и патологии, а также для выявления причин патогенеза вегетативных (респираторных) дисфункций центрального происхождения в клинике [62, 78, 91, 128, 170, 375].
В этом плане большие перспективы открывает системный анализ активности РНС с позиций компартментно-кластерной теории биосистем (ККТБ) [44, 47, 121], базирующейся на концепции ФСО П.К. Анохина [10, 12], пред ставленнях об интегративных механизмах деятельности мозга К.В. Судакова [125, 127], теориях синергизма [138, 254] и устойчивости БДС [102, 103]. Дальнейшее развитие этих общих подходов на примере изучения такого сложно организованного объекта как РНС млекопитающих в условиях моделирования регуляции дыхания по возмущению и составляет основу настоящего исследования. При этом главная задача, затрагиваемая нами, сводится именно к решению проблемы надежности работы ДІД в условиях различных управляющих влияний.
Целью диссертационной работы является исследование с позиций системного биокибернетического подхода устойчивости функционирования РНС млекопитающих животных в условиях неЙромедиаторных и электрости-муляционных внешних управляющих воздействий на бульбарные и супра-бульбарные структуры мозга.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Изучить респираторные эффекты в условиях электростимуляции различных полей передней и задней областей поясной извилины (ПИ), как основного отдела лимбической коры (ЛК). Определить наличие в ЛК крыс эфферентных представительств дыхательной системы.
2. Исследовать характер и нейромедиаторные механизмы функциональной межполушарной асимметрии (ФМА) ЛК в отношении регуляции дыхания.
3. Исследовать роль неЙромедиаторных (ацетилхолин-, норадреналин-, дофамин- и серотонинергических) механизмов в управлении респираторной активностью на уровне амбигуального ядра (АЯ) и ядра солитарного тракта (ЯСТ).
4. Установить возможность существования и определить природу нейро-медиаторной асимметрии гомотопных структур бульбарного ДД млекопитающих животных. 5. Определить значение ацетилхолина (АХ), норадреналина (НА), дофамина (ДА) и серотонина (5-НТ) на уровне ядер ДЦ в механизмах реализации респираторных эффектов ЛК.
6. Разработать новые методы идентификации интервалов устойчивости РИС в рамках системного анализа.
7. Провести анализ изменений интервалов устойчивости РИС к элек-тростимуляционным и нейротрансмиттерным воздействиям с позиций ККТБ.
Научная новизна исследования. Впервые с позиций ККТБ по интегральным показателям активности РИС проведен анализ устойчивости дыхательной ритмики в условиях моделирования кортикальных и нейромедиатор-ных воздействий на ДЦ. Выявлены ранее неизвестные закономерности в организации управляющих влияний различных областей ЛК на дыхание у крыс и, в частности, установлено наличие в передней области ПИ этих животных двух топических представительств дыхательной системы - супракаллозального тормозящего и инфракаллозального возбуждающего полей. Подтвержден факт более выраженного участия передней области ПИ, по сравнению с задней, в создании функциональной устойчивости РНС у крыс. Получены новые данные, свидетельствующие о существовании ФМА гомотопных областей ЛК в отношении регуляции дыхания, и установлена роль норадренергической медиации в создании выявленной асимметрии. Построена концептуальная ком-партментно-кластерная модель вовлечения ПИ в реализацию управляющих влияний на РНС.
Впервые в пролонгированной временной шкале прослежена динамика показателей электроактивности инспираторных мышц и паттерна внешнего дыхания, а также проведена оценка интервалов устойчивости РНС на фоне стимуляции и блокады нейромедиаторных структур АЯ и ЯСТ, как компар-тментов дорсальной и вентральной респираторных групп. Установлен факт иейромедиаторной асимметрии гомотопных ядер бульбарного ДЦ. В частно сти, обнаружена более высокая чувствительность ЯСТ и АЯ левой стороны мозга к НА и ДА, а правой - к 5-НТ. Также впервые в аспекте компартментно-кластерного подхода (ККП) исследована роль катехоламин-, АХ- и 5-ИТ-ергических механизмов на уровне АЯ и ЯСТ в опосредовании облегчающих и угнетающих влияний ЛК на дыхание у крыс.
Разработаны новые методы, обеспечивающие идентификацию левой и правой границ интервалов устойчивости инспираторных и экспираторных нейросетей. В рамках разработанных методов изучены эффекты изменений границ допустимых интервалов квазилинейного поведения РНС, а также доказана возможность регистрации точек катастроф при стационарных состояниях РНС в условиях флуктуирования марковских параметров интегральной ин-спираторной активности.
Теоретическое и практическое значение диссертационной работы заключается в том, что она содержит результаты системного анализа и интегральной оценки участия ЛК и нейротрансмиттерных механизмов в поддержании устойчивости функционирования РНС в отдельных ядрах ДЦ, что очень важно для развития концепции о компартментном (нейросетевом, пуло-вом) уровне интегративной деятельности ЦНС, в целом, и о роли нейронных модулей в создании надежности и пластичности деятельности частных рабочих конструкций мозга.
Кроме того, полученные в работе экспериментальные данные существенно дополняют положения современной нейрофизиологии дыхания о про-приобульбарных процессах респираторного контроля, а также механизмах вовлечения структур супрабульбарного (кортикального) уровня в организацию адаптивного поведения РНС на фоне экзогенных возмущающих влияний. Установленный в работе приоритетный факт наличия в передней области ПИ крыс возбуждающего и тормозного представительств дыхательной системы, вносит значительный вклад в понимание базовых принципов организации кортикальных механизмов управления деятельностью висцеральных ФСО млекопитающих.
Сведения о диапазонах изменчивости интервалов устойчивости интегральной респираторной активности при микроинъекциях АХ, НА, ДА, 5-НТ, их агонистов и антагонистов в отдельные ядра ДЦ в совокупности с выявленной нами нейромедиаторной асимметрией право- и левосторонних РНС важны для понимания нейрохимических закономерностей формирования респираторной ритмики, регуляции паттерна дыхания, а также механизмов реализации управляющих центрифугальных влияний на ритмогенные и паттернфор-мирующие компартменты ДЦ.
Результаты исследований имеют также прикладное значение для медицины и нейрохимии, они могут быть использованы при обосновании практического применения изученных нейротропных веществ с целью эффективной фармакологической коррекции дыхательных расстройств центрального генеза в клинике и управления дыхательной функцией в эксперименте.
Разработанные математические модели иерархических РНС и приемы идентификации интервалов устойчивости их деятельности могут быть использованы как способ хранения конкретной информации о параметрах активности ФСО (и любых других БДС) при изменении условий существования, а также могут найти применение в качестве прогностических механизмов при оценке возможного поведения РНС в тех или иных ситуациях, Особенно полезными разработанные критерии интервалов устойчивости ДЦ могут оказаться при изучении патологии дыхания, когда возникает угроза сужения диапазона стабильного функционирования респираторной системы и возможна остановка дыхательных движений.
Внедрение результатов исследования. Основные результаты исследования, включая теоретические данные и разработанные методы, используются в учебном процессе и научно-исследовательской работе на базе кафедр и ла бораторий Сургутского и Ульяновского государственных университетов, Самарского и Сургутского государственных педагогических университетов, Ростовского государственного медицинского университета, что подтверждено соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Шестой Всесоюзной конференции по физиологии вегетативной нервной системы (Ереван, 1986); XV Всесоюзном съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Кишинев, 1987); Всесоюзном совещании по эволюционной физиологии, посвященном памяти Л.А. Орбели (Ленинград, 1990); X и XI международных научных конференциях по проблемам нейрокибернетики (Ростов-на-Дону, 1992, 1995); Республиканской научной конференции физиологов, посвященной 95-летию со дня рождения М.В. Сергиевского (Самара, 1993); Первом, Втором и Третьем Российских конгрессах по патофизиологии (Москва, 1996, 2000, 2004); XVII, XVIII и XIX Российских съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов-на-Дону, 1998; Казань, 2001; Екатеринбург, 2004); Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию со дня рождения И.П. Павлова (Санкт-Петербург, 1999); Всероссийской конференции с международным участием «Достижения биологической функциологии и их место в практике образования» (Самара, 2003); II, Ш и IV Всероссийских конференциях с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 2001, 2003, 2005); Международной научной конференции «Актуальные проблемы адаптации организма в норме и патологии» (Ярославль, 2005); V сибирском физиологическом съезде (Томск, 2005); III конференции (с международным участием) Украинского общества нейро-наук (Донецк, 2005); научных конференциях преподавателей и сотрудников Самарского государственного университета (Самара, 1995-2005), расширен ном заседании кафедры экологии и лаборатории биокибернетики и биофизики сложных систем Сургутского государственного университета (Сургут, 2005).
Декларация личного участия автора. Автором лично выполнены эксперименты на животных по изучению роли структур ЛК и неиромедиаторных систем в формировании паттерна дыхания. С непосредственным участием автора разработаны математические методы оценки устойчивости дыхательной ритмики и проведена идентификация интервалов этой устойчивости в условиях экспериментального моделирования управляющих воздействий на РНС. В работе использованы результаты исследований, выполненных и опубликованных в соавторстве с долей личного участия автора 70-80 % .
Публикации. Основные положения диссертации отражены в 54 публикациях, среди которых 3 монографии, статьи и сообщения в научных журналах и сборниках, в том числе 14 работ в рекомендуемых ВАК изданиях.
Положения, выносимые на защиту.
1. В передней области ЛК млекопитающих животных имеются дифференцированные эфферентные представительства дыхательной системы, направляющие тормозные (супракаллозальное поле 24) и облегчающие (инфра-каллозальное поле 25) влияния к РНС, и тем самым, обеспечивающие адаптивное управление их деятельности при изменении функционального состояния организма или внешних условий его существования.
2. Имеется функциональная асимметрия во влияниях гомотопных полей поясной извилины на активность РНС и внешнее дыхание, что обусловлено различным представительством НА-ергических механизмов в ЛК правой и левой гемисфер мозга.
3. АХ-, НА-, ДА- и 5-ЯГ-ергические механизмы, представленные в ней-росетях АЯ и ЯСТ, участвуют в регуляции и поддержании устойчивости рит мики дыхания, модулируя по тормозному и возбуждающему типу уровень активности функциональных компартментов РНС.
4. Билатеральным образованиям ДЦ свойственна нейромедиаторная асимметрия, выражающаяся в неодинаковом уровне активности НА-, ДА- и цептивньгх элементов в право- и левосторонних респираторных ядрах.
5. Реализация управляющих влияний Ж на дыхание опосредуется АХ-, НА-, ДА- и 5-ЯГ-ергическими механизмами, которые на уровне АЯ и ЯСТ могут изменять чувствительность РНС к облегчающим и угнетающим лимби-кофугальным влияниям.
6. Интервалы устойчивости РНС, идентифицируемые по интегральной активности дыхательных мышц и их эфферентных нервов, дают объективную картину реального состояния функциональных компартментов ДІД в точках покоя РНС.
7. Модели идентификации интервалов устойчивости РНС обеспечивают компактное хранение информации о различных режимах функционирования ДЦ (стационарных, периодических, переходных и хаотических) и прогнозирование динамики поведения РНС на границе нормы и патологии.
