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

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.

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 V_T и снижением f (Рис. 4,А). Уменьшение f происходило, главным образом за счёт увеличения T_E (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 T_I 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 T_TOT, снижались V_T и Pes. Кроме того, происходило снижение V_Imax и V_Emax, то есть развивался типичный "тормозный" ответ. Однако расчёты показали, что под действием ГАМК ослабевает такой эффект электрического раздражения этой области коры, как уменьшение T_Е (Рис. 6,А). При этом достоверных отличий в динамике процесса снижения T_I 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 T_Е и общее инспираторное усилие (Рис. 6,В), однако динамика изменений T_I 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 T_I 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.

Выводы:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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