Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Электрофизиологические реакции механорецепторов кожи крысы при механической, термической, низкочастотной, акустической, ультразвуковой и электромагнитной стимуляции

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Потехина, Ирина Леонидовна, Санкт-Петербург

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ имени акад. И.П. ПАВЛОВА

На правах рукописи

ПОТЕЖНА ИРИНА ЛЕОНИДОВНА

ЭЛЕКТРОФИВИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ МЕХАНОРЕЦЕПТОРОВ КОШ КРЫСЫ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ, ТЕРМИЧЕСКОЙ, НИЗКОЧАСТОТНОЙ АКУСТИЧЕСКОЙ, УЛЬТРАЗВУКОВОЙ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СТИМУЛЯЦИИ

Специальность 03.0013 - физиология человека и животных

тг Т.? Г! П С О Т Л ТТ Т/Г гт

Д У1 и и Ь г ± н Д л Л

на соискание ученой степени кандидата биологическик наук

Научный консультант академик, д.о.н.,профессор А. Д.Ноздрачев

Санкт - Петербург

1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

СТР.

В В Е Д Е Н й Е........................................................4

ГЛАВА 1 ОШОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Иннервация кожи ...............................................9

1.2 Структурная организация рецепторного аппарата

кожи................................................................14

1.3 Функциональная организация кожных механо-рецепторов......................................... 2-3

1.4 Температурная чувствительность рецепторо!

■т

кожи .............................................. 26

1.5 Фокусированный ультразвук в исследовании кожной

Р^8 Т.Ф ^1 * * * « * • л * » « в*»»*»*« *.»*'.«'*.*" * * в * ж л « * л * * ж

1.6 Об участии кожной сенсорной системы в рецепции электромагнитного излучения ....................... 36

1.7 Роль рецепторного аппарата в восприятии звука...... 47

ГЛАВА 2 ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ ЙРЙЕШ ........ 54

ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И Ш ОБСУЖДЕНИЕ

3.1 Функциональные характеристики импульсной активности механорецепторов кожи стопы при воздействии адекватным механическим стимулом и фокусированным ультразвуком........................................74

3.2 Влияние температуры окружающей среды на импульсную активность механорецепторов кожи стопы крысы....... 89

3.3 Характеристика импульсной активности механо-редепторов кожи стопы крысы при локальном температурном воздействии.......................... 9?

3.4 Изменение сердечного ритма при периферическом воздействии на кожу низкоинтенсивного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона...... 105

3.5 Влияние низкоинтенсивного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на функциональное состояние механорецепторов кожи........____111

3.6 Исследование влияния низкочастотных акустических колебаний на функциональное состояние механорецепторов кожи ............................. 123

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................130

ВЫВОДЫ.................................................. 136

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................. 138

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Известно, что сенсорный аппарат кожи является важным каналом поступления информации о внешней среде в центральную нервную систему человека и животных. Рецепторы кожи воспринимают три основных вида воздействий: механические (прикосновениеj растяжение,вибрация, давление), температурные (тепло, холод) и болевые.

Несмотря на большой накопленный экспериментальный материал, посвященный исследованию функции рецепторов кожи (Еоаков,Дмитриева, 1971; Burgess, Perl, 1973; Ильинский, 1975; Тамар, 1976; Неп-sel,1981; Акаев,Алексеев,1885; Вартанян и др.,1985; Iggo,1985; Sprey, 1985; Иванов, 1990; Лупанд'ин, Клейнбок, 1990; Зевеке, 1991; Романов,1991; Братин,1991; Марьянович и др., 1997), остается еще недостаточно выясненным какие именно рецепторы связаны с восприятием тех или иных видов воздействий,

Исключительно важную роль в жизнедеятельности организмов играют различные типы механорецепторов, которые представляют собой специальные чувствительные аппараты, преобразующие механическую энергию в нервные импульсы. Отроение механорецепторных приборов удивительно разнообразно. У позвоночных к ним относятся чувствительные элементы органов слуха, гравитации, вестибулярного аппарата, органов боковой линии, мышечные, сухожильные и кожные рецепторы, а также механорецепторы внутренних органов (Ильинский, 1975; Ноздрачев,1983; Акоев, Алексеев,1985; Iggo,1985; Нозд-рачев,Чернышева,1989; Ноздрачев,1991; Альтман, 8айтулевнч,1992). Механорецепторы весьма широко представлены и в коже.

Наряду с механической чувствительностью механорецепторы кожи

обладают способностью воспринимать действие и других физических факторов. Так было показано, что существуют рецепторные структуры, которые отвечают на механические и на термические стимулы (IgSO,Muir,1969; Chambers et al.,1972; Pierau et al.,1975; Ильинский, 1975). Это обстоятельство послужило причиной интенсивного изучения действия температурного фактора на различные механоре-цепторные приборы (Hensel, 1981; Necker,1981; Минут-Сорохтина, 1984; Spray,1986; Иванов,1990; Лупандин, Кдейнбок,1990; Зеве-ке,1991; Козырева,1992; Цирульников,1993; Зевеке,Полевая,1996). Однако, полученные результаты не позволили сформулировать общую теорию терморецепции, т.к. пока отсутствуют сведения о морфологии и местоположении специфических и неспецифических температурных рецепторов, а также данные о первичных процессах активации терморецепторов .

Кроме того, данные литературы указывают на возможность осуществлять восприятие механорецепторами кожи низкочастотных акустических и ультразвуковых колебаний, а также электромагнитного излучения миллиметрового диапазона низкой интенсивности (Гаври-лов,Цирульников,1980; Девятков и др.,1991; Самойлов; и др.,1994).

Следует отметить, что широкое применение низкочастотных акустических колебаний и электромагнитного излучения миллиметрового диапазона низкой интенсивности в народном хозяйстве, науке и медицине сопровождается дальнейшим увеличением количества людей, подвергающихся воздействию гигиенически значимых уровней этих факторов. В литературе имеется значительное число теоретических, экспериментальных и клинических работ, посвященных изучению биологического эффекта электромагнитного излучения (Frey, Sie-fert,1968; Olson et al.,1975; Хургин Ю.Н., 1991; Девятков и др.,

- б -

1991; Холодов, Лебедева,1992; Костроминов и др., 1993; Девятков и др.,1994; Бецкий,1995; Смирнов,1997) и низкочастотных акустических колебаний (Андреева-Галанина,Алексеев и др.,1972; Карпова, Малышев, 1981; Романов,1991; Самойлов и др.,1994; Алексеева,Мить-ко,1997). Однако, проблема восприятия данных воздействий биологическими объектами и, в частности, вопрос о роли кожной рецепции в этом процессе еще весьма далеки от своего разрешения.

Поэтому исследование влияния различных физических факторов на функциональное состояние механорецепторов кожи имеет определенное значение. Оно позволяет изучить свойства и особенности реагирования рецепторных структур и понять процессы, лежащие в основе их деятельности.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследовать особенности функционирования механорецепторов кожи подошвы стопы крысы при воздействии естественных (механического, термического) и искусственных (фокусированного ультразвука, электромагнитного излучения миллиметрового диапазона малой мощности, низкочастотных акустических колебаний) физических факторов внешней среды.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Изучить функциональные свойства механорецепторов кожи подошвы стопы крысы при действии на их рецептивные поля механическими и ультразвуковыми стимулами.

2. Исследовать реакции механорецепторов кожи при воздействии температурного раздражения и их роль в механизме восприятия температурного фактора.

3. Выяснить особенности функционирования механорецепторов кожи подошвы стопы при облучении электромагнитным излучением низкой интенсивности миллиметрового диапазона.

4. Исследовать влияние низкочастотных акустических колебании на механорецепторы кожи.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТУ.

1. Показано, что фокусированный ультразвук может быть использован как адекватный механический и термический раздражитель механорецепторов кожи крысы.

2. Обнаружено, что механочувствительные образования кожи стопы крысы являются температурно-зависимыми.

3. Низкоинтенсивное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона малой мощности при действии на кожу стопы крысы вызывает угнетающее действие на функционирование механорецепторов.

4. Механорецепторы кожи участвуют в формировании реакций организма на звуковые колебания низкой частоты.

восприятии низкочастотных акустических колебаний.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТУ. Полученные в работе данные позволяют существенно дополнить существующие теоретические представления о функционировании механорецепторов кожи при воздействии различных физических факторов и могут быть использованы в курсах лекций по физиологии сенсорных систем в высших учебных заведениях.

Результаты настоящей работы имеют значение не только для фундаментальных исследований сенсорной функции кожи, но и для практической медицины, т.к. в настоящее■время с помощью электромагнитного излучения миллиметрового диапазона малой мощности корректируется целый ряд патологических нарушений в организме чело-

Изучение физиологических механизмов воздействия низкочастотных акустических колебаний на функциональное состояние механоре-

цепторов покровов и глубоких тканей позволит прогнозировать патологическое воздействие этого фактора на любые нерецепторные структуры органов.

АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИИ. Результаты работы были представлены на Международном симпозиуме "Механизмы акустических биоэффектов" (Пущино,1990); Всесоюзной Акустической конференции (Москва,

1991); на Всесоюзном симпозиуме по сенсорным системам (Москва,

1992); на 10-ом Российском симпозиуме "Миллиметровые волны в медицине и биологии" (Москва, 1995); на П-ой Международной научно-технической конференции "Физика и радиоэлектроника в медицине и биотехнологии" (Владимир,1996); на I Международном конгрессе "Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине" (Санкт-Петербург, 1997); на Международном симпозиуме "Проблемы интероцепции" (Санкт-Петербург, 1997).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания использованных в работе методических приемов, изложения результатов исследования вместе с обсуждением, общего заключения, выводов и списка литературы, содержащего 220 источников. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, включает 29 рисунков и 7 таблиц.

Г Л А В А 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Один из наиболее существенных факторов, обеспечивающих выживание организма, - это его способность реагировать на раздражители, поступающие из внешней среды, и регулировать свою собственную внутреннюю среду, Для выполнения этих функций и предназначены специализированные органы чувств, важным элементом которых являются рецепторные клетки, возбуждаемые разнообразными внешними и внутренними воздействиями, и способные дать подробные сведения о характере поступающих раздражений, а также передать информацию о них в центральную нервную систему,

1.1. ИННЕРВАЦИИ КОЖИ

Кожа - это трехкомпонентная тканевая система, образованная эпидермисом, дермой и подкожной клетчаткой, которые находятся в морфофункциональном единстве (Рис.1). В коже располагается большое количество сальных, потовых желез, волос и рецепторов. Ее толщина у млекопитающих и человека варьирует в разных участках покровов в широких пределах от 0.5 до 3-4 мм (Калантаевская,1972; Михайлов,Виноградова,1982). В среднем толщина эпидермиса в разных областях кожи составляет 35-980 мкм. В частности у крыс, толщина эпидермиса кожи подошвы задней лапы составляет 660 мкм (Соколов, 1973).

Нервы кожи осуществляют связь центральной нервной системы с кожным покровом организма в центробежном и в центростремительном направлениях. В их составе в зависимости от выполняемой функции есть чувствительные, секреторные, сосудодвигательные волокна и двигательные волокна к гладким мышцам, поднимающим волосы.

В подкожной жировой клетчатке нервы вместе о лимфатическими

к кровеносными сосудами образуют обширное сплетение, от которого они идут в самый нижний отдел дермы, где разветвляются и формируют глубокое сплетение. Далее нервные волокна направляются в верхнюю часть дермы, образуя в сосочковом слое поверхностное сплетение, от которого в свою очередь отходят волокна ко воем сосочкам кожи, сосудам и т.д. Непосредственно под эпидермисом располагается подсосочковое сплетение в виде сети с крупными нерегулярными ячеями (Калантаевская,1972; Чернух,1932).

В 1926 году Здриашм и Цоттерманом (Аёг1ап,2о11еппап, 1926) были впервые проведены ' электрофизиологические эксперименты на кожных нервах кошки и лягушки. Ими был разработан метод исследования импульсной активности в одиночных афферентных волокнах, который широко используется и в настоящее Еремя. С помощью этой методики оказалось возможным изучать работу рецепторов кожи по той нервной импульсации, которая возникает в этих волокнах при воздействии на кожу определенных, раздражителей.

Афферентные нервные волокна кожи делятся на миелинизирован-ные и немиелинизированные в зависимости от наличия или отсутствия в составе оболочки миелина. Миелинизированные волокна проводят нервные импульсы быстрее, чем немиелинизированные. Скорость проведения зависит от диаметра волока. По этому признаку среди афферентных нервных волокон кожи были выделены три группы: А-бета, А-дельта и С (Ильинский, 1975; Шеперд, 1987).

Волокна группы А-бета с диаметром 5-12 мкм и скоростью проведения 25-70 м/с входят в состав кожных афферентных проводников, связанных с рецепторами, которые реагируют на тактильное раздражение и давление т.е. принадлежат к числу механорецепторов.

Волокна группы А-дельта с диаметром 1-5 мкм и скоростью про-

ведения 4-30 м/с связаны о механо-термическими и Холодовыми рецепторами, а тепловые рецепторы - с немиелинизированными волокнами группы 0. Следует отметить, что волокна группы А-дельта наряду о волокнами группы С признаны проводниками и болевой чувствительности (Leem et al., 1993).

В группу С входят тонкие безмиелиновые волокна диаметром менее 1 мкм и скоростью проведения - не более 2 м/с. Это высокопороговые волокна, для возбуждения которых требуются раздражители, превышающие по интенсивности в 20-50 раз порог раздражения для волокон группы А. В эту группу входят не только пре- и постганг-лионарные волокна симпатической системы, но и значительная часть афферентных волокон кожных нервов.

Важно отметить, что кожа различных областей тела иннервиро-вана неодинаково. У всех млекопитающих животных в количественном отношении, а у большинства из них и в качественном, наиболее значительна иннервация околоротовой, ротовой и половой областей кожи и слизистых оболочек, связанных с непосредственным сохранением индивида и вида. Кожа спины и живота у всех изученных животных в количественном и качественном отношениях иннервирована бедно. Особенно существенна иннервация кожи лап, т.к. конечности у позвоночных появились в связи с выходом животных на сушу. По сложности иннервации конечностей наиболее близки между собой представители беличьих из отряда грызунов и обезьяны. Семейство мышиных и пищух значительно примитивнее в отношении иннервации кожи, чем остальные семейства отряда грызунов (Сергеев,1963).

В экспериментальных исследованиях сенсорной функции кожи часто используются ветви седалищного нерва, являющегося самым крупным и длинным из перферических нервов, т. к. 71% от всего ко-

личества его волокон являются афферентными. Известно, что у крыс около 20% нейронов ганглиев дорсальных корешков, которые относятся к седалищному нерву, связаны о мышечными афферентами, а большинство остальных нейронов вовлечены в иннервацию кожи (Swett et al. ,1991). Морфологический ан'ализ седалищного нерва (Schmalb-ruch,1985) показал, что нерв состоит из 27000 аксонов, из которых 6% - миелинизированные моторные, 23% и 48% - миелинизированные и немиелинизированные сенсорные и 23% - немиелинизировакные симпатические волокна.

Седалищный нерв образует 4 основные ветви: болыпеберцовый нерв, малоберцовый нерЕ, икроножный и кожный нервы. В состав большеберцового нерва входят 1000 моторных волокон, 3500 миелини-зированных афферентных волокон, 3700 симпатических и 5400 немие-линизированных волокон. Соотношение миелинизированных и немиели-низированных волокон в большеберцовом нерве составляет 1:2. Миелинизированные волокна имеют диаметр от 2 до 12 мкм с преобладанием волокон толщиной 8 мкм. Диаметр немиелинизированных волокон в среднем составляет 0.7-0.8 мкм.

Исследование состава латерального подошвенного нерва у крысы (Povlsen et al.,1994) привело к выводу, что он состоит из 872 (33%) миелинизированных волокон с диаметром 1-7 мкм и из 1969 (57%) немиелинизированных волокон. К мышечным афферентам принадлежат 200 из миелинизированных волокон.

Электрофизиологическое исследование подошвенного и икроножного нервоЕ (Leem et al.,1993) показали, что миелинизированные волокна относятся к типу А-бета и А-дельта, а немиелинизированные - к типу "С".. А-бета волокла подошвенного нерва связаны с рецепторами волос (3%), с быстреадаптирующимися рецепторами (35%), с

медленноадаптирующимися рецепторами типа I (30%) и типа II (24%), о тельцами Пачини (8%). Вое А-дельта волокна подошвенного нерва относятся к ноцицепторам, из которых большинство представляют А-дельта механо