Исследование роли висцеральных полей коры больших полушарий в модуляции объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Исследование роли висцеральных полей коры больших полушарий в модуляции объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания

03.03.01 - физиология

Иванова Татьяна Геннадьевна

Санкт-Петербург 2011

Работа выполнена на кафедре анатомии и физиологии человека и животных Российского государственного педагогического университета им. А.И.Герцена

Научный руководитель: доктор биологических наук Александров Вячеслав Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор биологических наук Пантелеев Сергей Степанович

Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН доктор биологических наук Федин Анатолий Николаевич

Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт экспериментальной медицины СЗО РАМН

Защита диссертации состоится " 25 " апреля 2011 г. в ____ часов на заседании Диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций (Д002.020.01) при Институте физиологии им. И.П.Павлова РАН (199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, д.6)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физиологии им. И.П.Павлова РАН

Автореферат разослан "_____" марта 2011 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук Н.Э. Ордян

инсулярный дыхание анестезированный

1. Общая характеристика работы

Актуальность проблемы.

Согласно современным теориям, кора больших полушарий осуществляет координацию аффективного поведения и поведения висцеральных систем, обеспечивая целесообразные реакции организма на изменения, происходящие во внешней и внутренней среде. Предполагается, что ключевую роль в этих процессах играют отделы префронтальной коры расположенные на медиальной и латеральной поверхности больших полушарий (Barbas et al, 2003; Hansel, von Kanel, 2008). Их повреждение нередко вызывает психические расстройства, которые сопровождаются нарушениями автономных функций, изменениями активности нейроэндокринной системы (Drevets et al, 2008). При инсультах, затрагивающих эти области коры, отмечаются осложнения со стороны сердечно-сосудистой системы, нарушения функции дыхания (Davenport et al, 1996; Johnston et al, 1998; Kocan, 1998; Rochester, Mohsenin, 2002; Dutsch et al, 2007). Подобные эффекты наблюдаются и при экспериментальных повреждениях префронтальной коры (Oppenheimer, 2006).

С другой стороны, в пределах медиальной и латеральной префронтальной коры идентифицированы так называемые висцеральные поля, которые содержат зоны сенсорного и эффекторного представительства ряда висцеральных систем (Беллер, 1978; Багаев, Александров, 2000). Раздражение этих областей коры вызывает изменения текущей активности сердечнососудистой и дыхательной систем (Yasui et al, 1991; Aleksandrov, Aleksandrova, 2000; Ведясова и др., 2010). Морфологические исследования показывают, что висцеральные поля имеют широкие связи с подкорковыми и стволовыми автономными центрами (Moga et al., 1990; Bianchi et al., 1995). Они входят в состав так называемой центральной автономной сети, которая осуществляет центральное управление вегетативными функциями (Benarroch, 1993).

Вместе с тем, физиологические механизмы, обеспечивающие вовлечение префронтальной коры в процессы формирования вегетативных компонентов адаптивного поведения, и в том числе её влияние на рефлекторные механизмы регуляции дыхания, изучены недостаточно. Наличие прямых эфферентных проекций из областей префронтальной коры к ядерному комплексу блуждающего нерва позволяет предположить, что одним из таких механизмов может быть модуляция рефлекторных дуг, замыкающихся в пределах этой структуры (Panteleev, Grundy, 2000; Бусыгина и др., 2010). К вагальным рефлекторным механизмам, участвующим в регуляции дыхания, относятся инспираторно-тормозящий и экспираторно-облегчающий рефлексы Геринга-Брейера, которые обеспечивают объёмно-зависимую обратную связь в системе дыхания. Вопрос о возможном влиянии полей висцеральной коры на эти рефлекторные механизмы до настоящего времени не ставился и не исследовался.

Важным фактором, влияющим на поведение висцеральных систем, является системный уровень возбуждающих и тормозных медиаторов. Особая роль в регуляции дыхания принадлежит гаммааминомасляной кислоте (ГАМК), которая является основным тормозным медиатором в центральной нервной системе. В области бульбарных структур, входящих в состав дыхательного центра, обнаружено значительное число ГАМК-эргических синапсов. Установлено, что повышение церебрального уровня ГАМК способствует развитию центральных форм респираторной депрессии, формированию патологических типов дыхания центрального генеза (Kazemi et al., 1991; Brooks et al., 1992; Сафонов, 2006; Меркулова, 2007). Вместе с тем, отсутствуют данные о возможном влиянии повышенного церебрального уровня ГАМК на рефлекторные механизмы, участвующие в регуляции дыхания. Нет сведений о том, как функционируют в этих условиях механизмы, реализующие кортикальный контроль объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания.

Цель и задачи исследования.

Цель настоящего исследования заключалась в экспериментальной проверке гипотезы, согласно которой висцеральные поля префронтальной коры участвуют в центральном контроле дыхания путём модуляции объёмно зависимой обратной связи в системе дыхания, причём важную роль в этом процессе играет ГАМК-эргическая медиаторная система.

Для достижения цели исследования были поставлены и решены следующие задачи:

количественно охарактеризовать паттерн дыхания и состояние объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания анестезированной спонтанно дышащей крысы;

описать и сопоставить между собой перестройки паттерна дыхания, которые происходят вследствие электрической микростимуляции висцеральных полей инсулярной и инфралимбической коры крысы;

изучить влияние электрической микростимуляции висцеральной коры на силу инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов Геринга-Брейера;

исследовать влияние церебровентрикулярных микроинъекций ГАМК на паттерн дыхания, состояние объёмно-зависимой обратной связи в дыхательной системе и респираторные эффекты электрического раздражения висцеральной коры

Научная новизна.

В результате проведенных исследований дана всесторонняя количественная характеристика паттерна спонтанного дыхания и состояния объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания анестезированной крысы. Впервые выполнено количественное описание специфических перестроек паттерна дыхания, которые происходят вследствие электрической микростимуляции различных частей висцеральной коры. Впервые обнаружены модулирующие влияния висцеральной коры на состояние объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания, и доказано, что они представляют собой особый механизм обеспечивающий участие коры в формировании паттерна дыхания. Получены приоритетные экспериментальные данные относительно влияния повышенного церебрального уровня ГАМК на силу рефлексов Геринга-Брейера и процесс их модуляции импульсами, исходящими из областей префронтальной коры.

Теоретическое и практическое значение работы.

Результаты исследования существенно расширяют и дополняют современные представления о роли префронтальной коры в формировании паттернов поведения висцеральных систем. Они свидетельствуют, в частности о том, что модуляция рефлексов Геринга-Брейера является одним из механизмов, реализующих участие областей префронтальной коры в центральном контроле дыхания. Данные о влиянии церебрального уровня ГАМК на силу объёмно зависимой обратной связи в системе дыхания, и на эффективность функционирования кортикальных механизмов, осуществляющих модуляцию этой связи, имеют практическое значение для фармакологии. Их следует учитывать при разработке лекарственных средств направленных на коррекцию респираторных нарушений различной этиологии.

Основные положения, выносимые на защиту.

Висцеральные поля префронтальной коры участвуют в перестройках паттерна дыхания посредством модуляции рефлекторных дуг инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов Геринга-Брейера.

Церебральный уровень ГАМК является фактором, который оказывает существенное влияние на силу рефлексов Геринга-Брейера.

Процесс кортикальной модуляции объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания находится под контролем ГАМК-эргических механизмов.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на Межвузовской конференции молодых ученых «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, 11-13 апреля 2006 года); IX Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 26 апреля 2006 года); Межвузовской конференции молодых ученых «Герценовские чтения» (Санкт-Петербург, 17-19 апреля 2007 года); X Всероссийской научно-практической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 27 апреля 2007 года); V Международной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика В.Н. Черниговского «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт-Петербург, 16-19 октября 2007 года); XX съезде физиологического общества имени И.П.Павлова (Москва, 4-8 июня 2007 года); XI Всероссийской научно-практическая конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 19 апреля 2008 года); 61-й студенческой научно-технической конференции ГУАП (Санкт-Петербург, 14-18 апреля 2008 года); VII Всероссийской конференции с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем», посвященной 160-летию со дня рождения И.П. Павлова (Санкт-Петербург, 29 сентября - 2 октября 2009 года).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 14 публикациях, 3 статьи опубликованы в журналах рекомендованных ВАК.

2. Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, описания основных экспериментальных методик, четырёх глав, содержащих результаты собственных экспериментальных исследований и их обсуждение, общего заключения и списка использованной литературы. Объём диссертации составляет 120 страниц печатного текста, включая 4 таблицы и 39 рисунков. Список использованной литературы содержит описание 49 отечественных и 103 зарубежных работ.

Объект и методы исследования.

Все экспериментальные данные были получены в острых опытах выполненных на лабораторных крысах Wistar (самцы, вес 280-320 г, возраст 2-3 месяца, n=103). До начала экспериментов животные содержались в соответствии с обычными требованиями. Эксперименты проводились в условиях общей анестезии (уретан 1250-1350 мг/кг), глубина наркоза контролировалась по степени выраженности корнеального и болевого рефлексов. При помощи термоконтроллера (ML295/R, пр-во ADInstruments, Австралия) температура тела животного поддерживалась на уровне 36,8-37,0 С.

Методика пневмотахографии давала возможность получить кривые, отражающие изменения объёмной скорости воздушного потока в процессе дыхания. Измерения, выполненные по этим кривым, позволяли определять частоту дыхательных движений (f), общую длительность дыхательного цикла (TTOT), длительность вдоха (TI) и длительность выдоха (TE); дыхательный объём (VT) и вентиляцию (VE); скоростные параметры - максимальную величину воздушного потока на вдохе (VImax) и выдохе (VEmax).

Регистрация инспираторных колебаний внутригрудного давления (Pes) позволяла оценить общее инспираторное усилие. Измерения осуществлялись при помощи латексного баллона, установленного в нижней трети пищевода и соединенного с датчиком давления.

Окклюзии верхних дыхательных путей были использованы для тестирования силы инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов Геринга-Брейера. Окклюзия в конце выдоха (конечно-экспираторная окклюзия) приводит к фиксации объёма лёгких на уровне ФОЕ. Инспираторно-тормозящий рефлекс при этом выключается что приводит к удлинению последующих вдохов, производимых на фоне окклюзии и увеличению Pes. Для количественной оценки силы этого рефлекса длительность и амплитуда первого окклюзионного колебания внутригрудного давления нормировались, то есть выражались в процентах к соответствующим величинам перед окклюзией. Окклюзия в конце вдоха (конечно-инспираторная окклюзия), когда объём легких и активность медленно адаптирующихся рецепторов растяжения лёгких максимальны, приводит к усилению экспираторно-облегчающего рефлекса и удлинению первого окклюзионного выдоха. Нормированная длительность этого выдоха, то есть выраженная в процентах к длительности последнего выдоха перед окклюзией, использовалась в качестве показателя силы экспираторно-облегчающего рефлекса.

Электрическое раздражение коры производилось монополярно, при помощи вольфрамового электрода покрытого лаковой изоляцией. Диаметр активного участка электрода равнялся 50 мкм, длина 250 мкм, сопротивление 100 кОм. На объект подавались серии прямоугольных импульсов тока длительностью 0,5 мс, следовавших с частотой 60 Гц. Продолжительность серий составляла 10-20 секунд. Пороговая сила тока, при которой наблюдались изменения паттерна дыхания, составляла 50-70 мкА, ответы усиливались по мере увеличения силы тока. Рабочая сила тока составляла 1,5-2,5 порога, но не свыше 200 мкА. После завершения эксперимента в фокусе максимальных реакций наносилась электролитическая метка путём пропускания постоянного тока положительной полярности силой 1-3 мА. Мозг извлекался для гистологического контроля.

Микроинъекции раствора ГАМК в боковые желудочки головного мозга производились при помощи шприца Гамильтона, соединённого с микроинъектором (стальная трубка с наружным диаметром 150 мкм). Раствор ГАМК вводился со скоростью 1 мкл/мин. , что примерно соответствует скорости тока ликвора по системе желудочков мозга крысы.

Стереотаксическая методика была использована для введения стимулирующего электрода в нужные точки коры и микроинъектора в боковые желудочки. Электрод вводился в переднюю часть висцерального поля инсулярной коры (ICa), заднюю часть висцерального поля инсулярной коры (ICp) и в инфралимбическую кору (IL). При определении стереотаксических координат был использован атлас мозга крысы (Paxinos, Watson, 1982) с учётом результатов предшествующих исследований (Bagaev, Aleksandrov, 2003).

Экспериментальная установка состояла из стереотаксического аппарата для мелких лабораторных животных, оснащённого двумя микроманипуляторами, при помощи которых в мозг вводились микроэлектрод и микроинъектор; устройства сбора физиологических данных (Biograf-8, разработка СПбГУАП, Россия), работавшего под управлением персонального компьютера с установленным специализированным программным обеспечением; а также электростимулятора (Kulon-2, разработка СПбГУАП, Россия). Программный пакет Codas (разработка СПбГУАП, Россия), написанный в среде программирования операционной системы Windows XP, давал возможность в ходе эксперимента наблюдать поступающие сигналы; а после эксперимента - просматривать записанный файл и осуществлять экспорт его частей в текстовый файл с разделителем для дальнейшего анализа.

Статистическая обработка данных производилась средствами программных пакетов MS Excel и Statistica 6.0. Были использован t-критерий Стьюдента и дисперсионный анализ по методу ANOVA. Различия считались статистически достоверными при Р<0,05.

Результаты и их обсуждение

1. Паттерн дыхания и объёмно-зависимая обратная связь в системе дыхания анестезированной крысы.

Параметры внешнего дыхания анестезированной крысы.

В первой серии экспериментов были установлены числовые значения объёмно-временных параметров дыхания анестезированных крыс, включая временные характеристики дыхательного цикла и показатели вентиляции. Эти результаты приведены в Табл. 1.

Таблица 1

VImax (мл.с-1)	VEmax (мл.с-1)	TI (с)	TE (с)	TTOT (с)	f (ц/мин)	VT (мл)	VE (мл/мин)
12,61,84	14,12,8	0,310,03	0,280,1	0,590,07	1010,6	2,00,18	2021,2

Статистическая обработка показала, что величина каждого из параметров указанных в таблице остаётся стабильной по крайней мере в течение 90 минут регистрации.

Характеристика состояния объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания.

Окклюзия верхних дыхательных путей в конце выдоха приводила к достоверному увеличению амплитуды и длительности инспираторных колебаний ВГД в первом и последующих окклюзионных вдохах. Расчёты показали, что прирост ВГД в первом окклюзионном вдохе составлял в среднем 93±16,7%; длительность первого инспираторного колебания возрастала в среднем на 67±10,4%. Во втором нагруженном вдохе прирост силы сокращений составлял 128±23,5%, а длительность возрастала на 66±14,2%.

Окклюзия верхних дыхательных путей в конце вдоха приводила к тому, что длительность очередного выдоха достигала в среднем 1,3±0,17с, что на 260±12,8% больше длительности обычных вдохов регистрируемых при спокойном дыхании. Многократное тестирование инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов и статистическая обработка полученных результатов показали, что сила этих рефлексов в течение 90 минут регистрации остаётся постоянной.

Таким образом, в результате первого этапа экспериментального исследования были определены числовые значения параметров, характеризующих паттерн дыхания и состояние объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания. Было установлено, что эти значения остаются неизменными в течение всего времени эксперимента (90 минут).

2. Респираторные эффекты раздражения висцеральной коры.

Перестройки паттерна дыхания.

Исследование ответов респираторной системы на раздражение разных областей висцеральной коры показало, что общей особенностью всех ответов было уменьшение VT , однако динамика изменений этого параметра была различной. При раздражении ICa уменьшение этого параметра было максимально в первом дыхательном цикле. В последующих циклах VT начинал возрастать, приближаясь к фоновым значениям. Напротив, при раздражении ICp, а также IL, эффект усиливался по мере действия раздражителя, и стабилизировался на относительно постоянном уровне (Рис. 1,А).

В ответ на раздражение ICa общее инспираторное усилие резко уменьшалось уже в первом цикле, а затем Pes постепенно возрастало, приближаясь к исходной величине. При раздражении IL наблюдался противоположный эффект: сила сокращений инспираторных мышц увеличивалась в первом и в последующих дыхательных циклах. При стимуляции ICp общее инспираторное усилие уменьшалось и оставалось на более низком уровне в течение всего времени раздражения (Рис. 1,Б).

Рисунок 1 Динамика изменений дыхательного объёма (А) и общего инспираторного усилия (Б) при раздражении висцеральной коры

Белые столбики - раздражается ICa, заштрихованные столбики - ICp, чёрные столбики - IL. 1,2,3,4 -номера дыхательных циклов после раздражения.

Кроме того, было установлено, что в ответ на раздражение всегда происходит изменение временной структуры дыхательного цикла. Наблюдалось, в частности, уменьшение TI в первом же дыхательном цикле после начала раздражения (Рис. 2,А). Однако при раздражении ICa в последующих дыхательных циклах TI оставалась относительно стабильной, и поэтому рост дыхательного объёма определялся исключительно постепенным увеличением Pes. Раздражение ICp снижает TI, что вместе с уменьшением Pes способствует прогрессивному уменьшению VT. Наконец, при раздражении IL уменьшение TI. и VT происходит несмотря на рост Pes.

Рисунок 2 Динамика изменений длительности вдоха (А) и выдоха (Б) в ответ на раздражение разных частей висцеральной коры

Обозначения как на предыдущем рисунке.

При раздражении разных частей висцеральной коры наблюдалась характерная динамика TE (Рис. 2,Б). При раздражении ICa в первом дыхательном цикле происходило достоверное уменьшение этого показателя, затем TE постепенно увеличивалась, и в 3-4 дыхательных циклах стабилизировалась на уровне, близком к исходному. Раздражение ICp приводило к стабильному снижению TE Наконец, при раздражении IL динамика TE была такой же, как динамика TI, то есть продолжительность выдоха снижалась по мере раздражения.

В ответ на раздражение висцеральной коры наблюдались также изменения такого важного скоростного параметра как VImax. При раздражении ICa в первом дыхательном цикле происходило резкое падение VImax, в последующих циклах она постепенно возвращалась на исходный уровень. Раздражение ICp приводило к увеличению VImax. в первом же дыхательном цикле, и в последующих циклах эта величина оставалась стабильной. На раздражение IL дыхательная система также реагировала резким увеличением VImax., затем происходил рост и стабилизация этого параметра.

Таким образом, было установлено, что для каждой из трёх исследованных областей коры процессы перестройки паттерна дыхания имеют свои характерные особенности, которые выражались, в разной динамике дыхательного объёма и временной структуры дыхательного цикла.

Влияние раздражения висцеральной коры на рефлексы Геринга-Брейера.

В очередной серии экспериментов было изучено возможное влияние импульсов, исходящих из разных областей висцеральной коры, на рефлексы Геринга-Брейера. Для этого конечно-экспираторные и конечно-инспираторные окклюзии производились до электрического раздражения и на фоне электрического раздражения. Раздражение IL приводило к усилению инспираторно-тормозящего рефлекса, что проявлялось в достоверном удлинении первого нормированного окклюзионного вдоха по сравнению с контрольными величинами (Рис. 3,А). Под действием ICa этот рефлекс ослабевает.

Рисунок 3 Изменение рефлексов Геринга-Брейера под влиянием раздражения висцеральной коры.

А - инспираторно-торомозящий рефлекс; Б - экспираторно-облегчающий рефлекс.

TI, % - нормированная длительность первого нагруженного вдоха после конечно-экспираторной окклюзии, TE, % - нормированная длительность первого окклюзионного выдоха после конечно-инспираторной окклюзии

Белые столбики - контрольные значения, заштрихованные - значения, полученные на фоне электрического раздражения.

* - различия достоверны при P<0,05

Раздражение как IL, так и ICa достоверно ослабляло экспираторно-облегчающий рефлекс (Рис 3, Б). Эти результаты дают основания полагать, что IL усиливает механизм прерывания вдоха (способствуя, тем самым, укорочению вдоха) и ослабляет механизм удлинения выдоха (тем самым укорачивая выдох). Раздражение ICa приводит к ослаблению механизма удлинения выдоха (что способствует укорочению выдоха).

Итак, электрическое раздражение IL оказывает разнонаправленное действие на силу инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов Геринга-Брейера. Эти эффекты соответствуют тем изменениям в временной структуре дыхательного цикла (уменьшение TI и TE), которые наблюдаются при раздражении IL. Раздражение ICa также оказывает влияние на дыхательные рефлексы, ослабляя экспираторно-облегчающий рефлекс. Этим доказывается, что импульсы, исходящие из висцеральной коры способны модулировать рефлекторные механизмы, обеспечивающие объёмно-зависимую обратную связь в системе дыхания. Это может приводить к изменениям во временной структуре дыхательного цикла и, как следствие, к перестройке паттерна дыхания.

3. Влияние церебрального уровня ГАМК на респираторные функции.

Изменения параметров внешнего дыхания под влиянием ГАМК.

В настоящее время предполагается, что в реализации рефлексов Геринга-Брейера участвуют ГАМК-эргические механизмы, и поэтому можно было ожидать, что повышение церебрального уровня ГАМК окажет влияние на реализацию объёмно-зависимой обратной связи и, тем самым, на паттерн дыхания. Это предположение было проверено в прямых экспериментах.

Введение 20 мкМ ГАМК в мозговые желудочки анестезированной крысы оказывало угнетающее влияние на функцию внешнего дыхания. Отмечалось, в частности снижение VE, вызванное уменьшением VT и снижением f (Рис. 4,А). Уменьшение f происходило, главным образом за счёт увеличения TE (Рис. 4,Б). Эти изменения постепенно развивались во времени и достигали максимума на 5-й минуте после начала введения. Через 20-30 минут после введения ГАМК регистрируемые параметры возвращались к своим фоновым значениям. Введение искусственной цереброспинальной жидкости не вызывало изменений в параметрах дыхания.

Эти данные указывают на то, что активация ГАМК-эргической нейромедиаторной системы, вызванная повышением уровня ГАМК в цереброспинальной жидкости, приводит к перестройкам паттерна дыхания и вызывают снижение вентиляции легких вследствие уменьшения частоты и глубины дыхания.

Изменение состояния объёмно-зависимой обратной связи.

Конечно-экспираторная окклюзия вызывала достоверное увеличение TI и Pes , как в контроле, так и после введения ГАМК. Вместе с тем, наблюдались вполне определённые количественные различия в реакциях на конечно-экспираторную окклюзию до и после введения ГАМК (Рис. 5). Было установлено, что нормированная величина амплитуды инспираторного колебания ВГД в первом окклюзионном вдохе до интравентрикулярного введения ГАМК была равна 193 ± 10,7 % и составляла 165 ± 10,2 % через 5 минут после введения. Во втором окклюзионном вдохе различия оказались ещё более выраженными, поскольку те же параметры были равны, соответственно 228 ± 23,5 % и 181 ± 11,5 % (Рис. 5,А). Нормированная длительность первого окклюзионного вдоха составляла 167 ± 10,4 % до ведения ГАМК и 149 ± 15,1 % после введения. Во втором нагруженном вдохе величина этих параметров составляла 166 ± 14,2 % и 150 ± 14,0 % соответственно (Рис. 5,Б).

Конечно-инспираторная окклюзия до и после инфузии ГАМК вызывала значительное увеличение длительности очередного окклюзионного выдоха, причём расчёты показали, что нормированная длительность этого параметра была значительно меньше на фоне действия ГАМК (Рис. 5,В).

Таким образом, церебровентрикулярные микроинъекции ГАМК уменьшают силу как инспираторно-тормозящего, так и экспираторно-облегчающего рефлексов. Этот результат свидетельствует о том, что изменение временной структуры дыхательного цикла, которое наблюдалось при повышении церебрального уровня ГАМК, следует по-видимому объяснять влиянием ГАМК на центральный генератор паттерна дыхания, а не изменениями в состоянии объёмно-зависимой обратной связи.

4. Респираторные эффекты раздражения висцеральной коры в условиях повышенного церебрального уровня ГАМК.

Перестройки паттерна дыхания.

В очередной серии экспериментов были исследованы перестройки паттерна дыхания, которые происходили при раздражении висцеральной коры в условиях повышенного церебрального уровня ГАМК. Было установлено, что и в этих экспериментальных условиях раздражение каждой из исследованных областей коры приводит к характерным перестройкам паттерна дыхания. Вместе с тем, эти ответы имели свои особенности по сравнению с теми, которые наблюдались до введения раствора ГАМК.

При микростимуляции ICa в условиях повышенного церебрального уровня ГАМК уменьшалась TTOT, снижались VT и Pes. Кроме того, происходило снижение VImax и VEmax, то есть развивался типичный "тормозный" ответ. Однако расчёты показали, что под действием ГАМК ослабевает такой эффект электрического раздражения этой области коры, как уменьшение TЕ (Рис. 6,А). При этом достоверных отличий в динамике процесса снижения TI обнаружено не было. В предыдущих экспериментах было установлено, что раздражение ICa не вызывает достоверных изменений силы инспираторно-тормозящего рефлекса, но уменьшает силу экспираторно-облегчающего рефлекса (Рис. 3). Поэтому можно было предположить, что повышение церебрального уровня ГАМК оказывает влияние на процесс модуляции экспираторно-облегчающего рефлекса кортикофугальными импульсами, исходящими из ICa. Вместе с тем, повышенный церебральный уровень ГАМК мог оказывать влияние и на кортикальный механизм, контролирующий работу центрального генератора паттерна дыхания. В дальнейшем вопрос о механизмах действия ГАМК на эффекты стимуляции ICa был подвергнут прямому экспериментальному исследованию, результаты которого приведены в следующем разделе.

В тех же условиях в ответ на раздражение ICp происходило увеличение частоты дыхания, уменьшение дыхательного объёма и другие изменения паттерна дыхания, которые характерны для так называемых "возбуждающих" ответов. Расчёты показали, что под влиянием ГАМК некоторые из параметров этих ответов меняются: в частности сильнее укорачивается вдох и выдох, в большей степени уменьшается общее инспираторное усилие (Рис. 6,Б).

При повышении церебрального уровня ГАМК характерные изменения претерпевали ответы на раздражениеIL. Более значительно уменьшалась TЕ и общее инспираторное усилие (Рис. 6,В), однако динамика изменений TI практически не менялась.

Таким образом экспериментальные данные свидетельствуют о том, что повышение церебрального уровня ГАМК является фактором, влияющим на механизмы кортикального контроля респираторной функции. Они позволяют считать, что действие этого фактора на механизмы контроля паттерна дыхания, реализуемые разными областями коры, может быть различным.

Влияние ГАМК на механизм кортикального контроля объёмно-зависимой обратной связи.

На заключительном этапе экспериментального исследования было изучено влияние электрического раздражения ICa на состояние объёмно-зависимой обратной связи в условиях повышенного церебрального уровня ГАМК. Для этого в одном и том же эксперименте производилось тестирование силы инспираторно-тормозящего или экспираторно-облегчающего рефлекса в норме и на фоне раздражения ICa. Затем производилось тестирование рефлексов на фоне раздражения той же области коры в условиях повышенного церебрального уровня ГАМК.

Сила инспираторно-тормозящего рефлекса оценивалась по величине нормированной амплитуды первого инспираторного колебания ВГД после конечно-экспираторной окклюзии. О силе экспираторно-облегчающего рефлекса судили по нормированной длительности первого выдоха после конечно-инспираторной окклюзии.

Было подтверждено, что электрическое раздражение ICa вызывает достоверное ослабление инспираторно-тормозящего рефлекса (Рис. 7,А). Подобный эффект наблюдался и в экспериментах, специально посвящённых изучению модулирующего действия висцеральной коры на рефлексы Геринга-Брейера (Рис. 3,А). Однако в этих экспериментах сила рефлекса оценивалась по величине нормированной длительности первого окклюзионного вдоха и разница между контрольными и экспериментальными значениями этого параметра была менее выражена. Взятые в совокупности, результаты оценки влияния ICa на инспираторно-тормозящий рефлекс доказывают, что импульсы исходящие из ICa способны модулировать инспираторно-тормозящий рефлекс, уменьшая его силу. Этот эффект исчезает при повышении церебрального уровня ГАМК (Рис.7,А).

Экспираторно-облегчающий рефлекс также ослабевал при раздражении ICa, однако церебровентрикулярное введение ГАМК не ослабляло, а усиливало этот эффект (Рис. 7,Б).

Таким образом, повышение церебрального уровня ГАМК оказывало существенное влияние на процесс кортикальной модуляции рефлексов Геринга-Брейера. При этом было обнаружено, что ГАМК оказывает противоположное действие на процессы модуляции инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов.

Заключение

Установлено, что паттерн дыхания и состояние объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания анестезированной уретаном крысы отличаются высокой стабильностью, оставаясь неизменными в течение длительного времени, что дает возможность получить достоверные данные об их изменениях при экспериментальных воздействиях.

Электрическая микростимуляция областей висцеральной коры приводит к перестройке паттерна дыхания, причём для каждой из трёх исследованных областей динамика этого процесса имеет свои особенности. Основой обнаруженных различий является, по всей вероятности, структурно-функциональная неоднородность представительства респираторной системы в висцеральной коре. Полученные нами результаты прямо указывают на то, что импульсы, исходящие из разных областей коры по-разному действуют на механизмы регуляции дыхания. Так, раздражение IL усиливает инспираторно-тормозящий и ослабляет экспираторно-облегчающий рефлекс, тогда как стимуляция ICa ослабляет оба исследованных рефлекса. Кроме того, если изменения во временной структуре дыхательного цикла (укорочение вдоха и выдоха), которые наблюдаются при раздражении IL могут быть всецело объяснены кортикальным влиянием на механизмы объёмно-зависимой обратной связи, то укорочение вдоха при раздражении ICa не может иметь такого объяснения. Уменьшение TI при стимуляции ICa по-видимому является следствием влияния на центральный генератор паттерна дыхания.

Повышение церебрального уровня ГАМК оказывало выраженное тормозное влияние на функцию дыхания и объёмно-зависимую обратную связь в системе дыхания. Происходило также изменение многих наблюдавшихся эффектов раздражения висцеральной коры. Установлено, в частности, что повышение церебрального уровня ГАМК ослабляет влияние ICa на инспираторно-тормозящий рефлекс и усиливает влияние той же области коры на экспираторно-облегчающий рефлекс. Следовательно ГАМК-эргическая медиаторная система оказывает существенное влияние на механизмы кортикального контроля функции дыхания.

В целом, результаты исследования позволяют считать, что исследованные висцеральные поля префронтальной коры участвуют в контроле центральных механизмов регуляции дыхания. Эфферентная импульсация исходящая из этих полей модулирует объёмно-зависимую обратную связь, лежащую в основе рефлекторной регуляции дыхания и влияет на процесс формирования паттернов дыхания. Важную роль в процессах кортикального контроля функции дыхания играет ГАМК-эргическая медиаторная система.

Различия в динамике параметров дыхания, которые наблюдаются при развитии респираторного ответа на электрическое раздражение инсулярной и инфралимбической коры подтверждают представления о функциональной неоднородности представительства респираторной системы в висцеральной коре.

Изменение силы инспираторно-тормозящего и экспираторно-облегчающего рефлексов Геринга-Брейера в результате раздражения инсулярной и инфралимбической коры доказывает, что импульсы исходящие из висцеральной коры способны модулировать рефлекторные механизмы обеспечивающие объёмно-зависимую обратную связь в системе дыхания.

Сопоставление эффектов электрического раздражения висцеральной коры на паттерн дыхания и силу рефлексов Геринга-Брейера показывает, что модуляция объёмно-зависимой обратной связи является одним из механизмов реализующих кортикальный контроль над процессом перестройки паттерна дыхания.

Результаты экспериментов с микроинъекциями ГАМК в желудочки мозга свидетельствуют о том, что повышение церебрального уровня ГАМК является фактором, который ослабляет объёмно-зависимую обратную связь в респираторной системе и вызывает характерные изменения паттерна дыхания.

Церебральный уровень ГАМК является фактором, определяющим состояние механизмов кортикального контроля объёмно-зависимой обратной связи в системе дыхания.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи

1. Alexandrov V.G., Ivanova T.G., Alexandrova N.P. Prefrontal control of respiration // J Physiol and Pharmacol. - 2007.- V. 58. Suppl. 5. - P. 17-23.

2. Александрова Н.П., Александров В.Г., Иванова Т.Г. Влияние гаммааминомасляной кислоты на инспираторно-тормозящий рефлекс Геринга-Брейера // Рос. физиол. журн. им. И.М.Сеченова. - 2008. - Т. 94. №12. - С. 1356-1364.

3. Aleksandrov V.G., Mercuriev V.A., Ivanova T.G., Tarasievich A.A., Aleksandrova N.P. Cortical control of Hering-Breuer reflexes in anesthetized rats // Eur J Med Res. - 2009. - V. 14. Suppl. 4. - P. 1-5.

Тезисы

1. Иванова Т.Г. Исследование возможной роли медиальной префронтальной коры в регуляции дыхания. // Материалы межвузовской конференции молодых ученых «Герценовские чтения»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2006. - С. 96 - 97.

2. Иванова Т.Г. Влияние электрического раздражения инфралимбической коры крысы на паттерн внешнего дыхания. // Материалы девятой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2006. - С. 125-126.

3. Иванова Т.Г. Участие инфралимбической и инсулярной областей коры головного мозга в кардиореспираторном контроле. // Материалы межвузовской конференции молодых ученых «Герценовские чтения»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2007. - С. 87 - 88.

4. Иванова Т.Г. Изменение паттерна внешнего дыхания при раздражении различных областей префронтальной коры. // Материалы десятой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2007. - С. 170-171.

5. Иванова Т.Г., Меркурьев В.А., Александров В.Г. Кортикальная модуляция инспираторно-тормозящего рефлекса Геринга-Брейера. // V Всероссийская конференция с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2007. - С. 136-137.

6. Александров В.Г., Иванова Т.Г., Александрова Н.П. Нейромедиаторные механизмы объемно-зависимой обратной связи в системе дыхания. // XX съезд физиологического общества им. И.П.Павлова: тезисы доклада. - Москва, 2007. - С. 119.

7. Иванова Т.Г. Александров В.Г. Изменение паттерна дыхания крысы при раздражении медиальной префронтальной коры. // XX съезд физиологического общества
им. И.П.Павлова: тезисы доклада. - Москва, 2007. - С. 224.

8. Иванова Т.Г. Меркурьев В.А Кортикальная модуляция объемно-зависимой обратной связи в системе дыхании. одиннадцатой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 129-130.

9. Иванова Т.Г., Меркурьев В.А.Проведение физиологических экспериментов с использованием устройств сбора данных BIOGRAF. // Материалы 61 международной студенческой научно-технической конференции ГУАП: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 223-224.

10. Иванова Т.Г., Александров В.Г., Александрова Н.П. ГАМК-ергическая модуляция рефлекса Геринга-Брейера. // VI Всероссийская конференция с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2008. - С. 77.

11. Иванова Т.Г., Александров В.Г. Кортикальный контроль рефлексов Геринга-Брейера VII Всероссийская конференция с международным участием «Механизмы функционирования висцеральных систем»: тезисы доклада. - Санкт-Петербург, 2009. - C. 176-177.

Размещено на Allbest.ru

...