Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение напряжения кислорода и биоэлектрической активности нервных клеток при импульсной гипоксии

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Изменение напряжения кислорода и биоэлектрической активности нервных клеток при импульсной гипоксии"

На правах рукописи

Г В 0 ^

''' ШерховЗаурХамидбиевич

2 2 ШОП 1г-"<

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КИСЛОРОДА И БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НЕРВНЫХ КЛЕТОК ПРИ ИМПУЛЬСНОЙ ГИПОКСИИ

03.00.13. - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук

Нальчик 1998

Работа выполнена на кафедре физиологии человека и животных Кабардино-Балкарского государственного университета

Научный руководитель: академик Международной Академии Информатизации, доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: академик Международной Академии Информати-

Ведущая организация: Кабардино-Балкарский научный центр Российской

академии наук

Защита состоится " 23 " _ июня 1998 г. в 10, часов на заседании диссертационного Совета Д 08.52.08 по биологическим наукам в Ростовском государственном университете (344006, г.Росгов-на-Дону, ул.Б.Садовая,105, РГУ, ауд.203).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ (344006, г.Ростов-на-

Дону, ул.Пушкинская, 148)

Автореферат разослан " 22 " мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

М.Т.Шаов

зации и Академии Космонавтики им.КЭ.Циолковского, доктор медицинских наук, профессор Е.А.Коваленко (г.Москва)

доктор биологических наук, профессор А.М.Менджерицкий (г.Ростов-на-Дону)

доктор биологических наук , профессор

Т.И.Бондаренко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Гипоксия, сопровождающая жизнедеятельность организма в условиях физических и психоэмоциональных напряжений, различных заболеваний и хирургических операций, полетов на большие высоты и жизни в условиях высокогорья, в настоящее время выдвинулась в число ведущих проблем физиологии и медицины, имеющих фундаментальное общебиологическое значение.

Первые сведения по выяснению влияния высотной гипоксии на организм человека и животных содержатся в работах великого русского физиолога И.М.Сеченова (1880).

Наиболее чувствительным органом к недостатку кислорода является головной мозг (И.Н.Сиротинин, 1949; И.Р.Петров, 1952, 1963; О.С.Адрианов, 1976), в связи с чем изучение функционального состояния мозга при гипоксии было и остается важнейшим вопросом этой проблемы.

В то же время, если механизмы адаптации к условиям недостатка кислорода на уровне больших физиологических систем изучены достаточно подробно (H.H. Сиротинин, 1970; Е.А. Коваленко, И.Н.Черняков, 1972; Ф.З. Меерсон, 1973; В.Б.Малкин, Е.Б.Гиппенрейтер, 1977; НА.Агаджанян и др., 1986,1987; A.Hurtato, 1964; A.Rotta, S.Horales, 1965; K.Okamoto, 1969;), то изучение клеточных физиологических механизмов адаптации к гипоксии начато только в настоящее время. Речь идет о живых клетках, например, нейронах, функционирующих по возможности в естественных условиях (М.Т.Шаов,1981, 1990; Е.А.Коваленко, М.Т.Шаов, 1993; Т.Ш.Хапажев и др., 1995; О.В.Пшикова и др., 1995).

Одним из важнейших параметров, характеризующих первичный механизм нарушения функции любого органа, в том числе и мозга, при изменении содержания кислорода в среде обитания, является напряжение кислорода (Рог) в тканях (Е.А.Коваленко, 1986,1995,1998).

Важнейшим и до настоящего времени наиболее трудным аспектом изучения кислородного режима тканей при гипоксии, способствующим раскрытию глубинных механизмов адаптации к гипоксии, является изучение динамики кислорода непосредственно в клетках головного мозга при одновременном учете биоэлектрической активности (ИЭА) отдельных нейронов мозга и сопоставлении этих показателей с параметрами основных жизненных функций.

Это обстоятельство очень важно для понимания целого ряда интимных механизмов биоэнергетики, биоэлектрогенеза и компартментализации в клетках и тканях при гипоксических состояниях и иных воздействиях, т.к. именно в отдельном нейроне при глубоких стадиях гипоксии наступает энергетическое голодание, которое четко отражается в изменении и исчезновении его импульсных электрических разрядов. В это время возникают нарушения регуляторных функций нейрона, а затем появляются первые признаки изменений его структуры.

Таким образом, изучение напряжения кислорода в отдельном нейроне позволяет подойти к основному и главному звену в цепи всех последующих нарушений функционирования головного мозга - органа наиболее чувствительного к недостатку кислорода.

Исследование динамики Р02 отдельной клетки с синхронным электрофизиологическим контролем ее функционального состояния, начатое впервые в нашей стране М.Т.Шаовым (1968, 1972, 1979), показало возможность существования экстренной связи между кислородом и биоэлектрическими потенциалами.

В последующих исследованиях (М.Т.Шаов, 1989,1990,1994; М.Т.Шаов, Е.А.Коваленко, 1993) при изучении динамики напряжения кислорода и импульсной электрической активности отдельных нейронов при гипоксии разного генеза были получены важнейшие данные, свидетельствующие об актуальности этого нового научного направления - исследование экстренной (небиоэнергетической) связи между уровнем Р02 в клетках и их биоэлектрическими процессами, роли динамики напряжения кислорода и ИЭА при физиологических адаптациях.

С учетом вышеизложенного, актуальность настоящей работы определяется тем, что она посвящена изучению экстренной связи между биоэлектрическими потенциалами и Р02 нервных клеток и ее роли при формировании состояния адаптации к кислородному голоданию.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы было изучение связи и динамики биоэлектрических потенциалов и Р02 нервных клеток и отдельных нервных волокон в зависимости от их состояния, заданного гипоксией разного генеза.

Нами решались следующие задачи:

1. Изучить оксигенотопографию нейронов в различных структурах сен-сомоторной зоны коры головного мозга интактных и тренированных импульсной гипоксией животных.

2. Изучить динамику импульсной электрической активности нейронов, расположенных в различных структурах сенсомоторной зоны коры головного мозга интактных и тренированных импульсной гипоксией животных.

3. Изучить динамику напряжения кислорода и ИЭА отдельных нейронов сенсомоторной зоны коры головного мозга интактных и адаптированных к импульсной гипоксии животных в зависимости от их функционального состояния, заданного гипобарической гипоксией.

4. Выявить степень связи между биоэлектрическими потенциалами и напряжением кислорода путем изучения:

а) динамики Рог интактного нервного волокна в различных фазах его возбуждения;

б) динамики амплитуды суммарного потенциала действия седалищного нерва лягушки в условиях нормы и экстренной глубокой гипоксии;

в) изменения электрофизиологических параметров отдельных групп нервных волокон при гипоксии.

5. Проанализировать возрастание напряжения кислорода и снижение ИЭА нейронов при адаптации мозга к гипоксии.

Научная новизна:

- получены приоритетные данные по микрооксигенотопографии коры головного мозга экспериментальных животных;

- показан уровень Рог нейронов в различных слоях сенсомоторной зоны коры головного мозга в норме и при изменении ее функционального состояния при гипоксии;

- выявлены закономерности в динамике ИЭА нейронов сенсомоторной зоны коры головного мозга в зависимости от глубины погружения микроэлектрода и функционального состояния мозга в условиях гипоксии;

- обнаружена тесная взаимосвязь между напряжением кислорода в различных слоях исследованной зоны коры головного мозга и ИЭА нейронов соответствующих ее слоев;

- установлена экстренная взаимосвязь между напряжением кислорода на поверхности нервного волокна и параметрами потенциала действия, генерируемого им;

- получены новые данные, свидетельствующие о прямом участии молекул кислорода в генераторно-электрических процессах плазматических мембран нервных клеток;

- разработан и применен новый подход к регистрации потенциала действия отдельных групп нервных волокон в составе целостного нерва;

- апробирован новый способ тренировки гипоксией в импульсном режиме её генеза.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Получены новые данные, касающиеся природы и значения экстренной связи между Рог и биопотенциалами нервных клеток при формировании состояния адаптации к дефициту кислорода, которые углубляют и расширяют современные представления о механизмах клеточно-тканевой адаптации к гипоксии, в том числе и импульсной гипоксии.

Они показывают направленность оксигенотопографических изменений в экстранейрональном пространстве коры головного мозга при различных видах гипоксии - импульсной, гипобарической барокамерной и т.д.

По данным настоящего исследования можно судить о степени адаптационного влияния импульсно-барокамерной гипоксии на структуры коры головного мозга, что может быть использовано в прикладных областях физиологии и медицины, связанных с изучением состояния гипоксии и лечением различных заболеваний с помощью сеансов гипоксии.

Ряд фрагментов диссертационной работы включен в цикл лекций и ла-бораторно-практических занятий, проводимых в Кабардино-Балкарском государственном университете для студентов, специализирующихся в области физиологии человека и животных.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Установлена разнонаправленность в микрооксигенотопографии и ИЭА нейронов сенсомоторной зоны коры головного мозга интактных животных -уровень Рог снижается от поверхностных структур к подкорковым образованиям, а ИЭА, наоборот, возрастает.

2. У тренированных импульсной гипоксией животных происходит возрастание уровня Р02 в исследуемых структурах коры мозга, а ИЭА в целом снижается.

3. В околомембранной зоне отдельных нейронов сенсомоторнои зоны коры головного мозга интактных животных под влиянием барокамерной гипоксии уровень Р02 снижается, а ИЭА возрастает.

4. В условиях нормы у тренированных импульсной гипоксией животных уровень Рог возрастает на фоне снижения ИЭА нервных клеток исследуемой зоны коры мозга.

5. Тренировки животных в условиях импульсной гипоксии способствуют значительному повышению адаптационного потенциала нервных клеток сенсомоторнои зоны коры головного мозга - на "высоте" 12 км Ро: в среднем равняется 10.5 ±2.10 мм рт. ст. (в контроле 4.80±1.07), частота ИЭА в среднем составляет 0.35+0.21 имп/сек (в контроле 0.00).

6. Биоэлектрические проявления нервных волокон и его отдельных групп непосредственно зависят от напряжения кислорода в окружающей их физико-химической среде.

7.Установлена экстренная небиоэнергетическая связь между Рог и биопотенциалами нейронов и их образований, что дает основание отнести Ог к по-тенциалообразущим элементам.

Апробация работы. Основные положения диссертации апробировались на кафедральных и факультетских семинарах КБГУ (Нальчик, 1994-1997), конференции молодых ученых Северного Кавказа по физиологии (г. Ростов-на-Дону, 1995), 2-ой Международной конференции "Гипоксия в медицине" (г.Москва, 1996), научном форуме студентов и аспирантов "Ломоносов-96" (г.Москва, 1996),"Приэльбрусских беседах" к 100-летию со дня рождения патофизиолога Н.Н.Сиротинина (Терскол, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объекта и методов исследования результатов работы и их обсуждения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Текст диссертации изложен на 113 страницах машинописного текста, включает в себя 10 таблиц и 14 рисунков. Список литературы состоит из 212 источников, в том числе 147 отечественных и 65 иностранных авторов.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В качестве объекта исследоЬаний использовались нейроны сенсомоторной зоны коры больших полушарий головного мозга половозрелых крыс (самцов) линии Вистар. Исследовались также электрофизиологические параметры целостного седалищного нерва озерной лягушки (Капа псНЬипёа) и отдельных его волокон (группа А, подгруппа у, (1=6.5-4.5 мкм, Упров.=20-25 м/с).

Условия интервальной ритмической гипоксии (ИРГ) создавались с помощью барокамеры в следующем режиме: животные поднимались на "высоту" 6000 м со скоростью 20 м/с, перерывы между "подъемами" составляли 20 мин, время экспонирования на "высоте" - 5 мин, частота сеансов гипоксии - 5 раз в день, длительность тренировок 10 дней.

Количественные значения напряжения кислорода в физиологических растворах и тканях определялись путем калибровки рабочего ультрамикроэлек-трода в растворе сульфита натрия по общепринятой методике (В.А. Березовский, 1975; Е.А.Коваленко, В.А.Березовский, И.М.Эпштейн, 1975).

В модельных опытах напряжение кислорода определялось полярографом РА-3 в режиме ОС (полярография постоянным током). Напряжение кислорода регистрировалось платиновыми электродами с диаметром кончика 3-4 мкм и длиной рабочей поверхности 2 мм.

В околомембранной области нейронов сенсомоторной зоны коры головного мозга напряжение кислорода регистрировали микроэлектродом с диаметром кончика 1-2 мкм при помощи осциллографического полярографа ПО-5122 в дифференциальном режиме его работы (М.Т.Шаов, 1981, 1988). Место локализации кончика микроэлектрода на нейроне определялось по характеру регистрируемой импульсной электрической активности нейронов.

Исследования на нервных волокнах проводились в экранированной камере. Потенциалы действия отводились двумя парами платиновых макроэлектродов.

Электростимуляция нервных волокон проводилась путем нанесения прямоугольных импульсов тока с помощью электростимулятора ЭСЛ-2.

Отдельные группы нервных волокон из целостного нервного волокна выделялись электрофизиологическим способом, путем подбора параметров раздражающей и регистрирующей аппаратуры.

Кислород из физиологического раствора удалялся путем добавления к нему сульфита натрия. Количество оставшегося кислорода контролировалось полярографом РА-3.

Результаты исследований обрабатывались методом вариационной статистики.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

1. Напряжение кислорода и ИЭА нейронов в различных слоях есиеомотор-ной зоны коры головного мозга интактных животных.

У контрольных крыс среднее значение Рог в околомембранном пространстве нейронов (п=35), расположенных в поверхностных слоях коры головного мозга животных, оказалось равным в среднем 33.4+1.17 мм рт.ст. (таб. 1).

Измерение Рог (п=37) при погружении платинового микроэлектрода в ткань коры мозга до 600-750 мкм показало, что среднее значение напряжения кислорода в этом случае несколько уменьшилось и составило в среднем 30.7+1.20 мм рт. ст.

Таблица 1

Изменение Р02 нейронов в различных слоях сенсомоторной зоны коры го-

ловного мозга при импульсной гипоксии

Глубина погружения микроэлектрода, мкм Контрольные животные Ш=35; 112=37; пз=40,1И=40 Ро 2 мм рт.ст. М+ш Адаптированные животные ni=37; П2=40; пз=42, ш=40 Рог мм рт.ст. М+т Вероятност.-статистическ. Показатели!! Суммарные изменения Mai и M а 2

контрольные Е„=152 адаптиров. 2п=159

1 350-500 33.4+1.17 38.2±! .20 tD=2.86 р<0.05 25.7±1.11 30.0±1.02

2 600-750 30.7+1.20 30.2+1.30 tD=0.28 р>0.05 tD=4,64 р<0.001

3 850-950 25.3+1.30 34.3+2.31 tD=2.33 р<0.05

4 1000-1200 13.2+0.77 17.1 ±0.26 tD=5.91 р<0.05

В структурах исследуемой зоны коры головного мозга, соответствующих глубине погружения микроэлектрода 850-950 мкм, среднее значение Рог в при-мембранной области нейронов (п=40) равнялось в среднем 25.3±1.30 мм рт.ст.

В глубоких слоях исследуемой области коры головного мозга, соответствующих 1000-1200 мкм, среднее значение напряжения кислорода в околомембранном пространстве нейронов (п=40) оказалось равным 13.2+0.77 мм рт.сг.

Таким образом, как спедуег из наших данных (таб.1), в ткани сенсомотор-ной зоны коры головного мозга крыс имеет место своеобразная оксигенотопо-графия нейронов с максимумом, достигающим в поверхностных слоях в среднем 33.4+1.17 мм рт.сг., а в глубинных слоях -13.2±0.77 мм рт.сг.

Эта тенденция обнаружена и В.А.Березовским (1975) при постепенном погружении платинового макроэлектрода в теменную область мозга, что может косвенно свидетельствовать о надежности применяемой нами методики определения Р02 в экстранейрональном пространстве и результатов самих измерений.

Параллельно с изучением Рог нами проводились исследования динамики ИЭА нейронов по мере погружения ультрамикроэлектрода в ткань сенсомотор-ной зоны коры головного мозга. Средняя частота импульсных электрических разрядов нервных клеток (п=42) исследуемой зоны коры мозга составляла 5.30+0.30 имп/сек (таб.2). В этом случае регистрация ИЭА нейронов осуществлялась при глубине погружения ультамикроэлектрода до 500-600 мкм.

В других условиях, то есть при погружении микроэлектрода в ткань коры мозга до 800-950 мкм, среднее значение частоты импульсной электрической активности нейронов равнялось 10.6+0.40 имп/сек (таб.2).

Таблица 2

Динамика частоты ИЭА нейронов, расположенных в различных слоях головного мозга контрольных (п=12б) и адаптированных (п=126) к гипоксии крыс

п Глубина погружешш электрода, мкм Контроль М+ш, имп/сек Адаптированные М±т имп/сек

42 500-600 5.30±0.30 10.9±0.21

42 800-950 10.6Ю.40 8.10+0.30

42 1000-1200 15.5±0.60 5.20+0.21

В глубоких слоях сенсомоторной зоны коры мозга, соответствующих 10001200 мкм, частота импульсных разрядов нервных клеток достигала в среднем 15.5±0.6 имп/сек (табл.2).

Сопоставление значений ИЭА и Рог показывает, что в условиях нормы у контрольных интактных животных по мере погружения микроэлектрода в ткань исследуемой зоны коры мозга, наблюдается понижение уровня напряжения кислорода в околомембранном пространстве нейронов, и наоборот, повышение их биоэлектрической активности.

и

В опытах с тренированными животными получены другие данные (таб. 1,

Средняя частота ИЭА всех нейронов у адаптированных крыс составляет 8.06±0.23 имп/с, а у контрольных -10.4±0.40 имп/с.

2. Динамика Рог и ИЭА нейронов в различных слоях коры головного мозга адаптированных к гипоксии животных.

У тренированных в условиях барокамерной импульсной гипоксии животных, находящихся на "земле", были обнаружены следующие изменения в распределении Р02 по слоям сенсомотороной зоны коры головного мозга.

Напряжение кислорода в околомембранном пространстве нейронов (п=37) поверхностного слоя коры головного мозга крыс в среднем равнялось 38.2+1.20 мм рт.ст. (таб.1).

Измерения Рог (л=40) при погружении платинового ультрамикроэлектро-да в ткань мозга до 600-750 мкм показали, что в этом случае среднее значение напряжения кислорода составляет 30.2+1.30 мм рт.ст.

Дальнейшее погружение ультрамикроэлектрода в исследуемую область коры головного мозга до глубины 850-950 мкм показало среднее значение Р02 в околомембранном пространстве нейронов (п=42), равное 34.3+2.31 мм рт.ст.

В глубинных слоях коры мозга (1000-1200 мкм) среднее значение напряжения кислорода в примембранной области нейронов (п=42) в среднем равнялось 17.1±0.26 мм рт.ст.

Итак, наши данные свидетельствуют о том, что у тренированных в условиях импульсной гипоксии животных наблюдается достоверное (1о=4.64; р<0.001) увеличение среднего суммарного значения Р02 в различных слоях коры головного мозга с 25.7+1.11 мм рт.ст. (у контрольных животных) до 30.0+1.02 мм рт.ст. (таб.1).

Динамика ИЭА нейронов различных слоев сенсомоторной зоны коры головного мозга адаптированных животных также претерпела заметные изменения.

Так, частота импульсных электрических разрядов нервных клеток (п=42) при погружении микроэлектрода в ткань коры головного мозга до глубины 500600 мкм составила в среднем 10.9±0.21 имп/с (таб.2).

При дальнейшем погружении микроэлектрода в исследуемую зону коры головного мозга до 800-900 мкм среднее значение частоты импульсной электрической активности нейронов составило 8.10+0.30 имп/с.

В глубинных слоях сенсомоторной зоны коры мозга (1000-1200 мкм) частота зарегистрированных нами электрических импульсов нейронов в -среднем достигала 5.20±0.21 имп/с.

Сопоставляя средние значения импульсации всех исследованных нейронов контрольных (Ю.4±0.41 имп/с) и адаптированных (8.06+0.23 имп/с) животных, мы наблюдали достоверное Об =5.14) уменьшение ИЭА у адаптированных животных (таб.3) на фоне стабильного повышения Рог в примембранных областях нервных клеток.

Из полученных данных видно, что у адаптированных к гипоксии животных наблюдается возрастание Рог при снижении ИЭА, тогда как у интактных животных возрастание ИЭА соответствует уменьшению Рог в околомембранном пространстве нейронов по'мере углубления микроэлектрода в ткань сенсомоторной зоны коры головного мозга крыс.

Таблица 3.

Динамика суммарной частоты импульсной активности нейронов различных структур сенсомоторной зоны коры головного мозга интактных и тренированных

импульсной гипоксией животных

Статистические Контрольные Адаптивные

данные

п 126 126

Ма 10.4 8.06

±ш 0.40 0.23

5.14

Р <0.05

3. Изменения Рог отдельных нейронов коры мозга интактных и адаптированных к гипоксии животных при гипобарической гипоксии,

С помощью ультрамикроэлектродной (с!=2мкм) дифференциально-осциллографической полярографии нами исследовано изменение Рог на соме нейронов 40 контрольных и 40 тренированных в условиях гипобарической баро-камерной интервально-ритмической гипоксии белых лабораторных крыс линии Вистар. Регистрация Рог осуществлялась при глубине погружения микроэлектрода в ткань мозга на 850-950 мкм.

Анализ результатов определения величин напряжения кислорода над поверхностью клеток мозга и в этой серии опытов показал, что у адаптированных к импульсной гипоксии животных в условиях нормы до "подъема" напряжение кислорода в примембранном пространстве нервных клеток головного мозга достоверно выше, чем у контрольных животных (таб.4). Следовательно, можно счи-

тать, что величина диффузионного напора молекул О2 к ми тохондриям у адаптированных к импульсной гипоксии крыс возрастает (Е.А.Коваленко, 1995).

Из полученной динамики напряжения кислорода над поверхност ью нейрона видно, что с возрастанием гипоксии при "подъеме" на высоту происходит закономерное снижение напряжения кислорода как у контрольных, так и у адаптированных животных. Однако у адаптированных животных напряжение кислорода на поверхности клеток мозга снижается все же в меньшей степени, чем у контрольных. Особенно отчетливо это прослеживается при подъемах до высот 8 и 10 км.

Таблица 4.

Динамика Р02 и ИЭА сенсомоторной зоны коры мозга контрольных и адап-

тированных к импульсной гипоксии животных

Высота подъема в барокамере, км кошроль Р02 мм. рт.ст. Ма + т контроль ИЭА имп/с Ма±ш опыт Р02 мм.рт.ст. Ма + т ОПЫТ ИЭА имп/с Ма±т Вероятное!!» различии 1о

Р<>2 ИЭА

0 23.0 ±1.20 6.70 + 0.66 32.5 ±2.15 4.61 ±0.28 4.27 3.45

4 20.0+1.10 6.60 ±0.70 30.8 ±1.70 3.20 ±0.12 5.87 4.84

6 16.2 ±1.25 7.70 ±0.79 30.0 ±2.25 4.30 ± 1.55 5.38 1.99

8 13.5+1.30 12.9+1.22 25.8 ±2.03 9.10+1.60 5.01 1.85

10 6.90 ±1.04 18.6 ±1.52 14.0 ±1.83 7.00 ±0.91 3.42 2.24

12 4.80 ±1.07 0.00 10.5 ±2.10 0.35 ±0.21 2.40 0.00

Так, у адаптированных животных "на земле" напряжение кислорода в среднем равнялось 32.5+2.15 мм рт.ст., а на высоте 8 км - 25.8±2.03 мм рт.ст., т.е. снизилось на 20.62 %, в то время как у контрольных животных величина напряжения кислорода в этих условиях уменьшилась на 41.30 %.

На высоте 10 км величина напряжения кислорода у адаптированных животных снижается до 14.0±1.83 мм рт.ст., т.е. на 56.92 %, в то время как у контрольных животных до 6.90±1.04 мм рт. ст., т.е. на 70%. На высоте 12 км напряжение кислорода у контрольных животных в среднем составило 4.80+1.07 мм рт.ст., а у адаптированных животных этот показатель хотя и резко снижается, однако все еще составляет 32.31 % от исходного уровня, достигая в среднем 10.5±2.10 мм рт.ст. Это свидетельствует о больших резервных возможностях снабжения мозга кислородом в условиях гипоксии.

Таким образом, при адаптации к импульсной гипоксии на поверхности нервной клетки может сохраняться большой уровень напряжения кислорода даже в условиях глубокой гипоксии. У неадаптированных животных клетки мозга такой способностью не обладают.

Механизм возрастания напряжения кислорода на нервных клетках мозга адаптированных животных связан, по-видимому, прежде всего со всей системой транспорта кислорода, и от функционального состояния самих клеток, находящихся в режиме снижения потребления ими кислорода.

В пользу этого положения говорят данные по динамике импульсной электрической активности нейронов. Так, например, у тренированных в импульсном режиме гипоксии животных частота биоэлектрических разрядов нейронов в среднем оказалась равной 4.61+0.28 имп/с, а у контрольных животных она равнялась в среднем 6.70±0.66 имп/с.

Следовательно, логично предполагать, что снижение интенсивности функционирования нейронов, о чем свидетельствует резкое падение ИЭА, может сопровождаться возрастанием уровня Рог в околомембранном пространстве нервных клеток тренированных импульсной гипоксией животных.

Важным моментом в этой части работы является то обстоятельство, что уже на отдельном нейроне подтверждается факт снижения биоэлектрической активности клетки при возрастании уровня Р02, что также указывает на экстренную функциональную связь между этими показателями. Кроме того, в этом проявляется общая тенденция сохранения и удержания важнейшего звена кислородного гомеостаза, которая заключается в поддержании равновесия между доставкой О2 и потребностью клеток в нем.

В настоящее время известно, что процесс синтеза свободной энергии АТФ является "весьма неэкономичным" (К.П.Иванов, 1972) - до 50 % ожидаемой в результате окисления глюкозы энергии расходуется в виде "энтропии" в процессе окисления. Следовательно, можно предположить, что при гипоксии в адаптивные процессы включаются какие то факторы, которые, помимо усиления эффективности процессов окисления и переключения одного вида "сгорания топлива" на другой, присутствуют в клетках и тканях. На это в определенной степени указывают результаты наших исследований, а точнее их биофизический аспект.

М.Т.Шаовым (1988) был проведен анализ динамики Р02 в околомембранной области нейронов коры головного мозга крыс в условиях ступенчатой адаптации к барокамерной гипоксии. Результаты, полученные в ходе этого исследования свидетельствовали о том, что надежность и работоспособность клеток мозга адаптированных животных увеличивается, по-видимиму, за счет переориентации расположения молекул кислорода на протоплазматической мембране нервных клеток в результате изменения их биоэлектрогенной функции.

На вопрос о том, какие именно изменения происходят на мембране призваны пролить свет наши исследования, проведенные на нервных волокнах.

4. Изменение Р02 ннтактного нервного волокна в различных фазах его возбуждения.

Вероятностно-статистический анализ полярографических волн кислорода, снятых во время покоя и при возбуждении нервных волокон, т.е. в условиях точного физиологического контроля функционального состояния объекта исследования, показал значительное (в 1.6 раза) и достоверное уменьшение Р02 во время прохождения потенциала действия по нерву (таб. 5).

Таблица 5.

Изменение Р02 при прохождении волны возбуждения но перну (по п=21)

Вероягностно-сгатистнческие параметры Рог нервного волокна, мм.рт.ст.

В состоянии покоя При потенциале действия

ПД ПД подавлен

Ма 56.9 36.4 57.0

±т 3.60 2.30 3.60

- 5.10 0.43

Р - <0.05 >0.05

В другой серии опытов, где потенциал действия (ПД) нервного волокна подавлялся в самом начале деполяризационной волны, снижение Рог не наблюдалось, наоборот, имело место некоторое недостоверное его возрастание (таб.5). Все это вместе с данными по динамике Р02 и ИЭА нейронов в мозге при гипоксии говорит об очень тесной связи между электрическими потенциалами клеточной мембраны и напряжением кислорода. Аналогичную точку зрения высказал еще в 1960 г. Е.И.Конвей в своей гипотезе, связывающей работу натрий-калиевого насоса с окислительно-восстановительным механизмом.

Данные, полученные в этой серии наших экспериментов, способствуют лучшему пониманию природы изменений напряжения кислорода и биоэлектрической активности, наблюдаемых на нейронах адаптированных к гипоксии животных. Действительно, по мере возрастания напряжения кислорода доля захваченных в "кислородной ловушке" потенциалообразующих ионов натрия на наружной поверхности мембраны может возрастать (Шаов М.Т., 1988). Следствием этого может быть снижение частоты импульсных разрядов, что мы наблюдали в наших опытах при изучении динамики ИЭА и Р02 нейронов коры мозга.

Для более точного выяснения причинно-следственных связей процессов, происходящих с Р02 и ИЭА нервной клетки во время адаптации к гипоксии, памп был поставлен ряд опытов на волокнах седалищного нерва озерной лягушки.

5. Динамика величины суммарного потенциала действия седалищного нерва озерной лягушки в условиях глубокой гипоксии.

В условиях нормоксии, как показали электрофизиологические исследования седалищного нерва (п=100), регистрируются одинаковые по амплитуде и длительности потенциалы действия.

В другой серии опытов (п=100) регистрация электрофизиологических показателей возбуждения седалищного нерва производилась в условиях глубокой гипоксии в физиологическом растворе. В этом случае кислород из физраствора удалялся с помощью сульфита натрия до 20 % от начальной величины.

Электрические потенциалы, зарегистрированные в условиях полной гипоксии с нерва, показали значительные их изменения по амплитуде и длительности (рис.).

Рис. Динамика амплитуды потенциала действия седалищного нерва в условиях острой гипоксии

Так, например, среднее значение амплитуды ПД от 44.0±2.37 мВ снизилось до 11 мВ, т.е. на 75 %. Кроме того, заметно увеличилась длительность биопотенциалов (в 2.5 раза). Все эти изменения произошли в перерыве сорок секунд сразу после удаления кислорода из физиологического раствора.

В последующем регистрация биоэлектрических потенциалов нерва и контроль уровня Р02 в физиологическом растворе проводились с интервалом в I минуту в течение 30 минут. В этой серии экспериментов (п= 100) наблюдалась картина некоторой "нормализации" потенциала действия, достигшая апогея через 5-6 минут. После этого вновь началось снижение ПД, которое на 15-й минуте со-

ставляло в среднем 3.5 мВ, т.е. речь идет о потере способности нерва генерировать полноценный ПД (рис.).

Таким образом, проведенная серия опытов показала, что изменение амплитуды потенциала действия седалищного нерва имеет сложный трехфазный характер: 1 - после удаления кислорода происходит резкое и значительное снижение; 2 - на пятой минуте имеет место своеобразное возрастание примерно на 78 мВ; 3 - на 15-й минуте происходит "электрофизиологическая смерть" нервного волокна.

Природа такой взаимосвязи между Рог и биоэлектрическими потенциалами не может быть объяснена в связи с известными биоэнергетическими функциями кислорода. Известно, что митохондрии сохраняют свою способность синтезировать свободную энергию даже при уровне Рог в 0,3-1 мм рт.ст. (Р.Шмидт, Г.Тевс, 1986). Объяснить это можно, если предположить, что молекулы кислорода принимают прямое участие в процессах генерации электрических потенциалов плазматических мембран живых клеток (М.Т.Шаов, 1994,1995), т.к. молекулы кислорода обладают явными магнитными свойствами и при генерации мембранного потенциала в клетках, их участие в этом процессе может быть и в качестве непосредственного накопителя заряда потенциалообразующих элементов на участках структуры липидных диэлектриков.

Как ввдно из полученных данных, недостаток кислорода угнетает в первую очередь нервные волокна с большой скоростью проведения и максимальной амплитудой ПД. Нельзя забывать, что мы имеем дело с суммарным ответом целостного нерва, включающим волокна с самыми разными параметрами. Итак, гипоксия в первую очередь и наиболее сильно действует на миелинизированные нервные волокна группы А и В, четко различающиеся по их диаметрам.

6. Изменение электрофизиологических параметров отдельных нервных волокон при гипоксии.

Как видно из вышеприведенных данных, в условиях гипоксии наиболее сильно страдают быстро проводящие ПД миелинизированные нервные волокна. Динамика изменений основных параметров нервного волокна группы А подгруппы у в условиях нормоксии (Рог -149 мм рт.ст.) и гипоксии (Рог физраствора - 29 мм рт.ст.) приведена на таблицах (табл. 6-9).

Так, амплитуда ПД, составлявшая в контроле 20.31+0.15 мВ , в течение первых 40 с пребывания нервного волокна в условиях гипоксии упала до 11.45+0.19 мВ (таб.6). Это составило лишь 55 % от исходного значения. Затем, на 2-3 минуте, после некоторой стабилизации процесса возбуждения, амплитуда потенциала действия стала однозначно и равномерно уменьшаться до 4.28±0.51 мВ.

Таблица 6.

Амплитуда потенциала действия (мВ) нервных волокон группы А (подгруппа у)

Статистические контроль опыт опыт опыт

параметры 40 сек. 180 сек. 1200 сек.

п 100 100 100 100

Ма 20.31 11.45 14.07 4.28

±т 0.15 0.19 0.34 0.51

- 140.24 157.00 180.00

В то же время увеличились, по сравнению с контролем, такие показатели ПД, как длительность и латентный период (таб. 7,8).

Таблица 7.

Длительность (мс) потенциала действия нервных волокон группы А (подгруппа у)

Статистические контроль опыт опыт опьгг

параметры 40 сек. 180 сек. 1200 сек.

п 100 100 100 100

Ма 1.30 2.00 3.20 4.40

±ш 0.10 0.07 0.17 0.11

- 15.0 17.5 30.0

В условиях острой гипоксии, по мере ее нарастания в волокне, длительность ПД в итоге увеличилась и составила 4.40±0.11 мс (табл.7). Такое увеличение длительности ПД свидетельствует о весьма серьезных изменениях ионного и пластического генеза, что подтверждается и увеличившимся латентным периодом с 1,11 до 3,57 мс (табл. 8). Эти изменения сопровождались также уменьшением скорости проведения ПД по волокну (таб. 9).

Таблица 8.

Латентный период потенциала действия нервных волокон группы А (подгруппа у)

(мс)

Статистические контроль опыт опыт опыт

параметры 40 сек. 180 сек. 1200 сек.

п 65 65 65 65

Ма 1.11 1.87 2.45 3.57

±ш 0.08 0.04 0.18 0.22

1о 30 52 150

Следует обратить особое внимание на тот факт, что в физиологическом растворе было- оставлено 20% (29 мм рт. ст.) от исходного уровня напряжения кислорода. Следовательно, окислительные процессы в митохондриях не испытывали недостатка кислорода, т.к. убедительно доказано, что митохондрии нормально работают и при Рог, равном 0.3-1 мм рт.ст. (Р.Шмидт, Г.Тевс, 1986). Е.Жуков (1969) отмечал, что только 20 % от всего потребляемого кислорода идет на синтез АТФ и на другие окислительные процессы. В этой связи возникает вопрос - на что тратятся остальные 80% ?

Таблица 9.

Скорость проведения (м/с) потенциала действия нервных волокон группы А

(подгруппа у)

Статистические гонггроль опыт опыт опыт

параметры 40 сек. 180 сек. 1200сск.

п 65 65 65 65

Ма 25.00 13.35 10.20 6.25

±гп 1.32 0.85 1.57 1.96

45 80 170

Исходя из этого, а также из данных, полученных в этой серии опытов, можно предположить, что кислород, кроме синтеза АТФ и микросомального окисления, экстренно и весьма значительно тратится на биоэлектрические проявления нейронов и нервных образований. В этой связи наше предположение о непосредственном влиянии Р02 на амплитуду ПД представляется весьма вероятным.

Видимо, исходя из наших данных, наряду с окислительным фосфорилиро-ванием и работой зависящих от этого механизмов биоэлектрогенеза, кислород все же принимает непосредственное участие в электрогенных процессах клеточных мембран, в частности нейронов и их образований.

Особенности торможения мозга при подъеме на значительные высоты объясняются из данных Дж.Вуда (ХОЛУоос!, 1967) о возрастании при этом концентрации ГАМК в мозге. Последний вместе с циклическими нуклсотидами активирует систему протеинкиназ, которые фосфорилируют как цитоплазматические так и мембранные белки. В клетке синтезируются новые белки, а на мембране за счет активации Ыа+ и К+ - АТФазы открываются соответствующие каналы: мембрана клетки или деполяризуется, способствуя генерации спайкоп, или гиперполяризуется, приводя к угнетению спайковой активности. В результате всех мембранных и внутриклеточных превращений формируется физиологический адаптивный ответ клетки на действия экстремального фактора. Предполагается, что при адаптации нервной клетки прежде всего активируется гликолиз, кроме того в адаптированных клетках замедляется утечка ионов калия, а также вход ионов

кальция и натрия в клетку (K.H.Reid, А.Schurr, 1984). Такая задержка в движении ионов может способствовать поддержанию жизнедеятельности клеток в ги-поксических условиях, но она также неизбежно должна повлиять на ее биоэлектрическую активность, это мы и наблюдаем в результате наших опытов.

Однако между потоками химических соединений (ГАМК, белки и др.) и быстротечным электрическим импульсом мембраны сопряжение невозможно, так как при этом нарушается принцип Кюри (А.Б.Рубин, 1984). Этот принцип означает и невозможност ь непосредственного сопряжения биохимических реакций (тензор нулевого порядка) с транспортом через клеточную мембрану (тензор первого порядка). Поэтому, видимо, на проникновение потенциалообразующих ионов в клетку оказывают влияние другие обстоятельства.

Так, на основании своих данных Б.Хилле (1975) заключил, что ионы натрия проникают в канал не путем простой диффузии, а в результате последовательных стадий деградации и связывания с компонентами канала, образующими селективный фильтр. Это означает преодоление энергетических барьеров, из которых наиболее существенен фильтр селективности, образованный, как считает Б.Хилле, атомами кислорода. Но и в этом случае не снимаются ограничения, накладываемые принципом Кюри из-за энергетических барьеров, присущих селективному фильтру Хилле.

В то же время, как мы представляем, на поверхности мембраны кислород образует так называемые "ловушки", структурно напоминающие теннисный мяч (М.Т.Шаов ,1991, 1993; М.Т. Шаов , З.Х. Шерхов, 1995). Эти "ловушки" удерживают значительное количество ионов натрия, освобождая его во время прохождения ПД и в некоторых других случаях. Это в значительой степени объясняет причины эффекта замедления транспорта ионов калия и натрия в адаптированных клетках, экстренного снижения амплитуды ПД при острой гипоксии, а также уменьшения ИЭА нейронов адаптированных к гипоксии крыс. Очень важно еще и то, что изменения Р02 и ИЭА нервных клеток, послужившие основой для наших предположений, не нарушают известных правил термодинамики и принципа Кюри.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, из вышеизложенного видно, что участие кислорода в биоэлектрических процессах плазматических мембран не ограничивается широко известной его ролью в синтезе АТФ, необходимой для работы "натрий-калиевого насоса". Кислород принимает гораздо более непосредственное участие в биоэлектрогсне-зе живой клетки, о чем говорят полученные нами данные и некоторые данные цитируемых авторов. На современном этапе развития данного вопроса, нам представляется весьма вероятной гипотеза о непосредственном участи кислорода в генераторно-электрических процессах живых клеток. Хотя по мере накопления фактического материала эта гипотеза, надо полагать, будет в чем-то видоизменяться, главный ее пункт - прямое участие кислорода в биоэлектрогенезе уже сегодня не вызывает сомнений.

В итоге адаптация к гипоксии прежде всего сохраняет и увеличивает поток кислорода к ферментам в митохондриях, а это определяет ресинтез макроэргов (АТФ и КрФ). Наступает повышение энергетического и структурного адаптационного потенциала организма. Гипоксия при этом компенсируется. Происходит общее повышение функциональных возможностей и повышение устойчивости к различным экстремальным и патологическим факторам. Адаптационный потенциал организма резко возрастает, а гомеосгаз организма расширяется. При этом, важнейшим и наиболее точным показателем адаптационных сдвигов в тканях является возрастание напряжения кислорода в тканях и клетках. Возросший уровень Рог, являясь основным итогом многочисленных и разнообразных адаптационных процессов, выражает степень их интеграции и уровень конечной адаптации тканей и клеток к гипоксии.

Но вместе с тем, одни и те же показатели Р02 могут определяться при различных состояниях, что наглядно демонстрируют работы Д. Ыипп(1969).

Поэтому о функциональных сдвигах в нейронах мозга, ожидаемых в условиях гипоксии, мы судим также по динамике их импульсной электрической активности (таб.4). Полученные нами данные показывают, что в состоянии покоя импульсная активность нервных клеток мозга адаптированных к гипоксии животных как до подъема, так и после развития гипоксии существенно ниже по сравнению с контролем. Поскольку восстановление электрохимического потенциала на клеточной мембране, как известно, сопровождается значительными энерготратами, то уменьшение электрической активности клеток в данном случае может свидетельствовать о более экономном расходе энергии в нейронах, адаптированных к условиям гипоксии, что выражается в меньшем расходе кислорода в норме (таб.4) и, следовательно, в повышении его уровня на поверхности нейрона.

В свою очередь возрастание напряжения кислорода на поверхности нейрона может препятствовать, в соответствии с нашими данными, проникновению Иа+ внутрь. При этом кислород может удерживать электростатически некоторое количество ионов натрия, что в свою очередь на фоне уменьшения количества натрия в крови (Р.Шмидг, Г.Тевс, 1986) при гипоксии благоприятствует стабилизации уровня натрия на поверхности нейроплазматических мембран.

Итак, из вышеизложенного видно, насколько тесно взаимозависимы био-элекрические потенциалы клеток и напряжение кислорода на их поверхности. Каждый из этих двух параметров отражает большое количество адаптивных процессов, обеспечивающих их определенную динамику, причем следует обратить внимание на то, что по отдельности они (Р02 и ИЭА) в некоторых случаях не отражают в полном объеме происходящих в органах, тканях и клетках изменений. Но картина, взаимодополняемая двумя этими сторонами одного процесса, процесса адаптации организма к гипоксии, позволяет более достоверно анализировать и прогнозировать состояние организма в экстремальных ситуациях.

ВЫВОДЫ

1. Импульсная гипоксия вызывает за 10 дней повыше!ше напряжения кислорода в околомембранном пространстве нейронов коры головного мозга, расположенных в его структурах на глубинах от 350 до 1200 мкм с 25.7+1.11 до 30.0 +1.02ммрт.ст.

2. За 10 дней тренировок в импульсном режиме гипоксии, ИЭА нейронов, залегающих на глубинах от 500 до 1200 мкм в структурах соматосенсорной зоны коры головного мозга уменьшается в среднем с 10.4±0.40 до 8.06+0.23 имп/с.

3. Тренировки в импульсном режиме гипоксии значительно повышают кислородный статус нейронов коры головного мозга - во время "подъемов" тренированных животных на "высоту" до 12 км, Рог в примембранной области составляет в среднем 10.5+2.10 мм рт. ст., что в 2.19 раза выше, чем в контроле (Рог = 4.80±1.07 мм рт. ст.).

4. Во время прохождения потенциала действия по волокнам целостного седалищного нерва уровень Рог достоверно уменьшается в 1.6 раза.

5. Падение напряжения кислорода вокруг нервного волокна до 20 % от исходного уровня ведет к резкому изменению его электрофизиологических параметров: амплитуда потенциала действия уменьшается с 44.0±2.37 мВ до 3.5 мВ, а его длительность увеличивается в 2.5 раза.

6. Изменение амплитуды потенциала действия при гипоксии носит фазовый характер: в первые секунды происходит ее резкое уменьшение, на 4-5 минуте отмечается выравнивание, а потом наблюдается окончательное снижение до минимума.

7. Молекулы кислорода обладают потенциалообразующими свойствами, что выражается в прямом участии их в процессах генерации биоэлектрических потенциалов, о чем свидетельствуют данные по динамике напряжения кислорода, импульсной электрической активности и потенциала действия нейронов и нервных волокон в условиях нормы и гипоксии.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Результаты и методы настоящей работы могут быть использованы в научно-исследовательских, санаторно-курортных, клинических и промышленных лабораториях биоаналитического профиля для эффективного исследования механизмов влияния (физических, химических) различных экологических и экстремальных факторов на живые объекты, особенно на клеточном уровне их биологической интеграции.

Испытанный в работе режим импульсной гипоксии может быть рекомендован лечебным, лечебно-профилактическим, спортивно-тренировочным организациям в качестве эффективного способа повышения адаптационного потенциала человека и животных.

Результаты данной работы, касающиеся потенциалообразующей функции кислорода, могут иметь значение при изучении биоэлектрогенных процессов плазматических мембран и для более глубокого понимания тонких механизмов адаптации в условиях гипоксии.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Shaov М.Т., Sherhov Z.H. On the bioelectrogenic rol of oxygen and its significance for provision of adantivt reactions in brain ceels// J. Hipoxia Medical.-№2.-1994,-P.41.

2. Шаов M.T., Шерхов З.Х. Влияние напряжения кислорода на электрические проявления возбужденного нервного волокна// В сб. Актуальные проблемы гипоксии,- Москва-Нальчик:"Эль-фа", 1995.- С.74-87.

3. Шерхов З.Х., Молов A.A., Шаов М.Т. Изменение напряжения кислорода при возникновении биоэлектрических потенциалов// В мат. конф. молодых ученых Сев.Кавказа по физиологии,- Ростов-на-Дону, 1995.- С.2-5.

4. Тлехугова Ф.Х., Шерхов З.Х., Шерхова Х.И., Шерхов Х.К. Влияние гипоксии и молибдена на организм экспериментальных животных// В мат. конф. молодых ученых Сев.Кавказа по физиологии,- Ростов-на-Дону, 1995.- С.21 -24.

5. Шаов М.Т., Шерхов З.Х. Изменение оксигенотопографии коры мозга при адаптации к импульсной гипоксии// В мат. 2-й Межд. конф. "Гипоксия в медицине",-М., 1996,-С.71.

6. Шаов М.Т., Шерхов З.Х. Кислородозависимые биоэлектрические процессы и их роль в формировании эффекта физиологической адаптации// Вестник КБ ГУ.- Нальчик, 1996.- вып. 1.- С. 149-154.