Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Механизм взаимодействия естественного и искусственного ритмов дыхания

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Механизм взаимодействия естественного и искусственного ритмов дыхания"

, 5 ОН

^ ц |р «98

На правах рукописи

ОГОРОДОВ Александр Михайлович

МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО И ИСКУССТВЕННОГО РИТМОВ ДЫХАНИЯ (экспериментальное исследование)

03.00.13 - физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Московской медицинской академии им. И.М. Сеченова, Научно-исследовательском институте общей патологии и патофизиологии Российской АМН, Алтайском Государственном университете.

Научный руководитель:

доктор биологических наук профессор В.А. САФОНОВ

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Ю.В. АРХИПЕНКО

доктор медицинских наук, профессор, академик Международной Академии Информатизации и Акадегмии Космонавтики ил1. /"СЭ. Циолковского Е.А. КОВАЛЕНКО.

Ведугц ее учрежден ие:

Российский Университет Дружбы народов

Защита диссертации состоится Х/Ы'Л/ъЛ' 1! _

в^часов на заседании диссертационного совета Д 001.03 01 при Научно-исследовательском институте общей паталогии и патофизиологии Российской АМН по адресу.

125315, Москва, ул. Балтийская, 98 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Автореферат разослан ",//" ¿Мл1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат медицинских наук Л.Н. СКУРАТОВСКАЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение структурной и функциональной организации дыхательного центра (ДЦ) в конечном счете предполагает возможность целенаправленного использования установленных закономерностей деятельности для коррекции нарушений дыхания и устранения дыхатель-пой недостаточности (В.Ф. Пятин, O.J1. Никитин, 1998). В клинике при терапии многих форм дыхательной недостаточности, а также в хирургической практике для обеспечения адекватного газообмена широко применяют искуственную вентиляцию легких (ИВЛ). Оптимальность использования ИВЛ жестко связана с учетом особенностей навязывания искуственного ритма дыхания (при наличии у пациента остаточной дыхательной активности) и возможности восстановления полноценной естественной вентиляции легких (при возобновлении автоматической активности ДЦ).

При осуществлении любого варианта ИВЛ одной из важных проблем является обеспечение синхронизации ритма аппарата искуственной вентиляции с ритмом спонтанного дыхания. Частным практическим вопросом в этой проблеме является изучение возможности усвоения дыхательным центром любого искуственного ритма дыхания. Для характеристики авторитмических свойств дыхательных нейронов (ДН) определенный интерес представляет способность ДЦ к изменению естественного ритма при различных возмущениях, вызванных разными вариантами ИВЛ. В литературе имеются немногочисленные сведения о конкретных условиях, благоприятствующих или противодействующих навязыванию искуственного ритма при проведении ИВЛ (A.M. Кулик, Л.Н. Кондратьева, 1969; B.C. Раевский, 1948, 1964; A.A. Чумаченко, В.Н. Ефимов, 1970; В.А. Сафонов и др., 1980; М.В. Сергиевский и др., 1993).

В клинической практике с целью устранения десинхронизации ритма работы устройства для управления дыханием с ритмом спонтанной ды-

хательной активности используют, как правило, режим гипервентиляции; при невозможности достижения синхронизации осуществляют управляемое дыхание в условиях миорелаксации (В.А. Неговский, 1960). Для обеспечения адекватного управляемого дыхания и максимального уменьшения побочных эффектов, связанных с десинхронизацией или применением ми-орелаксантов, особое значение приобретает выяснение условий и диапазона усвоения частоты управляемого дыхания. Согласно литертурным данным, ритм исуственной вентиляции усваивается в диапазоне частоты дыхания от 16 до 32 (B.C. Раевский, 1948, 1964) или от 16 до 45 циклов в 1 минуту (А.М. Кулик, J1.H. Кондратьева, 1969); и усвоение ритма дыхания зависит от функционального состояния ДЦ, объемов вдуваемого воздуха, а также вида использованных в эксперименте животных.

Экспериментальными и клиническими исследованиями доказана

«

возможность проведения электрической стимуляции диафрагмального дыхания при юз действ ии на различные уровни эфферентного звена дыхательной системы (ДС) (Bilgutay et al., 1970; Daggett et ai., 1970; Gienn et ai., 1973). При этом значительный интерес представляют возможности усвоения дыхательным центром ритма искусственных раздражений и характер происходящей при электростимуляции перестройки активности ДН.

Возможность осуществления управляемого искусственного дыхания путем непосредственной стимуляции структур ДЦ привлекает все большее внимание. Известно, что электрическое раздражение определенных зон ДЦ вызывает разнообразные изменения активности различных групп ДН (B.C. Буданцев, 1983; В.А. Воинов, . 1987; В.Е. Якунин, 1993; О.Л. Никитин, 1997).

Настоящая эпериментальная работа была направлена на решение упомянутых вопросов.

Целью настоящего исследования явилось изучение условий, механизмов и возможностей управления функцией внешнего дыхания при определённых соотношениях объём — частота вдувания воздуха и усвоения дыхательным центром искусственного ритма при адекватном раздражении блуждающего нерва или при непосредственной стимуляции структур ды-

хателыгого центра.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Определить влияние объёма нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на усвоение дыхательным центром искусственного ритма.

2. Изучить возможности навязывания искусственного ритма нейронам дыхательного центра и дыхательным движениям посредством стимуляции блуждающего нерва.

3. Установить характер усвоения искусственного ритма дыхания при стимуляции диафрагмального нерва.

4. Изучить возможности восстановления ритмической функции внешнего дыхания путём электро стимуляции структур дыхательного центра продолговатого мозга.

Новизна исследовния. Новизна результатов настоящего исследования определяется сравнительными особенностями навязываемого искусственного дыхательною ритма с помощью различных методов, начиная со стимуляции блуждающего и диафрагмального нервов и заканчивая непосредственным раздражением структур дыхательного центра, в сопоставлении эфективности показателей внешнего дыхания и напряжения газов крови.

Впервые систематизированно определено влияние объёма нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на перестройку естественного ритма дыхательного центра.

Показано, что при искусственной вентиляции лёгких усваиваются только те частоты искусственного растяжения лёгких, которые меньше естественной частоты дыхания.

Чем больше различаются собственная частота дыхания и искусственно навязывемая, тем больший объём воздуха необходим для усвоения дыхательным центром ритма искусственной вентиляции легких.

Доказано, что при высокой естественной частоте дыхания или глубоком наркозе навязываемый ритм не усваивается.

Впервые количественно установлено соотношение естественного и

искусственного ритмов дыхания при стимуляции диафрагмалыюго нерва и отмечено повышение показателей внешнего дыхания и напряжения кислорода и углекислого газа в артериальной крови при разных режимах усвоения искусственного ритма.

Навязывание искусственного ритма с прекращением спонтанной частоты разрядов дыхательных нейронов происходит при расположении раздражающих электродов в районе до 1мм латеральнее средней линии, 2 мм ростральнее задвижки на глубине 3—5 мм с дорсальной стороны.

Уточнены зоны стимуляции, реакции дыхательных нейронов и возможности восстановления ритмического дыхания при стимуляции дыхательного центра.

Теоретическая и практическая значимость результатов. Исходя из того, что дыхательный центр образует общий для хемо- и механорецеп-торного контуров регулирующий узел, в котором замыкаются цепи обратных связей по обоим контурам и тем самым обеспечивается управление дыханием, нами показано, что вмешательство как в афферентное (блуждающий нерв), так и в эфферентное (диафрагмальный нерв) звенья может вызвать усвоение нового искусственного ритма генерации дыхательного центра.

Были опредены условия управления дыхательными движениями, с одной стороны , благоприятствующие усвоению искусственного ритма — увеличение объёма нагнетаемого воздуха и использование частот, меньших спонтанной частоты дыхания и, с другой стороны, препятсивующие переключению ритмической активности дыхательных нейронов на новый ритм — очень большие различия между спонтанной и навязываемой частотами дыхательного ритма или высокая естественная частота ритмогенеза.

Предложенный экспериментальный метод восстановления и нормализации ритмическойй активности дыхательных нейронов и дыхательных движений посредством стимуляции структур дыхательного центра имеет большие перспективы использования в медицинской практике. В связи с этим представляются весьма важными дальнейшие изыскания на пути практического применения этого способа искусственной вентиляции лёгких.

Основные положения, выносимые на заащиту.

1. Возможно усвоение дыхательным центром наркотизированных спонтанно дышащих кошек искусственного ритма при адекватном раздражении рецепторов растяжения вентиляторного аппарата (искусственном раздувании легких) или электрической стимуляции блуждающего нерва. При искусственной вентиляции лёгких усваиваются только те частоты искусственного растяжения лёгких, которые меньше естественной частоты дыхания.

2. Чем больше отличается собственная частота дыхания от искусственно навязываемой, тем больший объём воздуха необходим для усвоения дыхательным центром ритма искусственной вентиляции лёгких. Величина дыхательного объёма определяет также быстроту и полноту усвоения ритма.

3. Процесс усвоения ритма искусственной вентиляции лёгких зависит от функционального состояния организма в целом и нейронов дыхательного центра в частности: при высокой естественной частоте дыхания или глубоком наркозе навязываемый ритм не усваивается.

4. Электростимуляция диафрагмального нерва вызывает полное или частичное усвоение ритма стимулиции в исследуемом диапазоне соотношения естественного и искусственного ритмов дыхания с перестройкой функционирования всех звеньев дыхательной системы, включая дыхательные нейроны и мышцы. Показатели дыхательного объёма и минутного объёма дыхания при разных режимах усвоения искусственного ритма на 60-— 70% выше, чем при естественном дыхании (при этом чётко увеличивается р02 и несколько уменьшается рС02 в артериальной крови ).

5. Навязывание искусственного ритма с полным прекращением естественной частоты разрядов дыхательных нейронов происходит только при расположении раздражающего электрода в районе до 1 мм латераль-нее средней линии, 2 мм ростральнее уровня задвижки на глубине 3—5 мм с дорсальной стороны. Стимуляция нейронов продолговатого мозга вне указанного района не приводит к усвоению искусственной частоты дыхания. При искусственной вентиляции, вызванной электростимуляцией дыхательного центра, дыхательный объем увеличивается по сравнению с периодом,

предшествующим стимуляции.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Всесоюзной конференции "Физиологам вегетативной нервной системы" (Куйбышев, 1979), на Куйбышевской областной конференции "Физиология вегетативной нервной системы" (Куйбышев, 1988), на Республиканской научной конференции физиологов, посвященной 95-летию со дня рождения М.В. Сергиевского (Самара, 1993), на VI Всероссийской Школе — семинаре "Экспериментальная и клиническая физиология дыхания" (Бологое, 1994).

Публикации. По теме диссертации опублиовано 5 работ, включая главу в коллективной монографии.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики экспериментов, результатов исследования и выводов. Основной материал изложен на 69 страницах, включает 15 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 123 наименований. ■

МЕТОДЫ

Острые опыты выполнены на 115 наркотизированных нембуталом (40 мг/кг, внутрибрюшинно) спонтанно дышащих кошках в четырех сериях. В 1-ой серии (20 животных) с 10-минутными перерывами производили искусственную вентиляцию легких (ИВЛ) атмосферным воздухом с частотой от 15 до 45 в минуту и дыхательным объемом от 20 до 70 мл (в большинстве случаев осуществляли ИВЛ с частотой 15 и 21 в минуту (при этом избегали применения режима выраженной гипервентиляции для сохранения спонтанной дыхательной активности). Для проведения ИВЛ производили трахеотомию и в трахею вводили канюлю, к которой подключали аппарат искусственного дыхания (АИД) и датчик режима искусственной вентиляции. ЭМГ диафрагмы и показания датчика ритма искусственного дыхания регистрировали на чернильнопишущем электроэнцефалографе до

включения АИД, сразу после его включения, через 1,2,3 мин искусственной вентиляции и после отключения АИД. .

Во 2-ой серии (28 животных) производили ритмичные кратковременные (1—2 с) раздражения центрального конца перерезанного блуждающего нерва импульсами тока (30 мкА) разной частоты.

В 3-ей серии (43 животных) для электростимуляции диафрагмаль-ного нерва трансвенозным путем использовали элекгростимулятор диаф-рагмального нерва ЭДН-15-3, разработанный во ВНИИ медицинского приборостроения. Электрод, применяемый при кардиостимуляции, вводили через одну из яремных вен, продвигая в верхнюю полую вену и определяя путем подачи одиночных стимулов такое его расположение, при котором наблюдалось наиболее эффективное сокращение диафрагмы. Длительность посылки стимулирующих импульсов (длительность вдоха) составляла 1.0—1.5 с; частота импульсов (при длительности каждого 1 мс) равнялась 10 Гц. В ходе опыта регистрировали по общепринятой методике импульсную активность дыхательных и ретикулярных нейронов и ЭМГ диафрагмы. Записывали пневмотахограмму и в ряде случаев проводили анализ газового состава крови.

В опытах 4-ой серии (24 животных) использовали для раздражения структур дыхательного центра ЭДМ-15-3 и ЭСНД-1, разработанный в Куйбышевском авиационном институте им. С.П.Королева совместно с сотрудниками ВНИИМП и МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на перестройку естественного ритма дыхательного центра.

Нами проведено изучение возможности усвоения ДЦ искусственного ритма при адекватном раздражении рецепторов растяжения легких (искусственном раздувании) с целью установления оптимальных режимов

ИВЛ у наркотизированных нембуталом спонтанно дышащих кошек, у которых с 10-минутными перерывами производили 3-минутную ИВЛ атмосферным воздухом с частотой от 15 до 45 в 1 мин и дыхательным объемом от 20 до 70 мл.

Установлено, что при ИВЛ усваиваются только те частоты искусственного растяжения легких, которые ниже (в 2 раза и менее) естественной частоты дыхания. Так, при естественной частоте дыхания (18—35 в 1 мин) происходит навязывание искусственного ритма с частотой 15 и21 в 1 мин. Записи изменения активности диафрагмальной мышцы при разных частотах ИВЛ показывают, что залп активности диафрагмы приходится на искусственный "выдох", а каждый последующий искусственный "вдох" тормозит его. При частоте спонтанного дыхания 18 в 1 мин искусственная частота 15 циклов в 1 мин усваивается ДЦ, а искусственная частота, превышающая естественную (в данном случае 21 в 1 мин) не усваивается: происходит трансформация ритма естественного дыхания, который постепенно становится реже исходной частоты. Таким образом, при более высокой, чем естественная, искусственной частоте дыхания происходит лишь трансформация естественного ритма. Аналогичная картина наблюдается и при дальнейшем повышении частоты ИВЛ до 30 и 45 циклов в 1 мин: происходит трансформация ритма электрической активности диафрагмы, который постепенно становится реже исходного естественного ритма. Усвоение ритма ограничивается продолжительностью применения навязываемого ритма, а вскоре после включения АИД ритм сокращения диафрагмы восстанавливается до исходного. Полученные результаты согласуются с данными других авторов (В.С. Раевский, 1948, 1964; А.М. Кулик, Л.Н. Кондратьева, 1969), которые отмечали усвоение ритма ИВЛ дыхательным центром в большом диапазоне частот (от 16 до 44 в 1 мин). Однако ни в одном из экспериментов мы не смогли получить усвоение искусственного ритма с частотой, превышающей частоту спонтанного дыхания.

Анализ процесса усвоения ритма ИВЛ а зависимости от дыхательного объема показал, что по мере ступешттого увеличения объема вдуваемого воздуха при неизменной частоте ИВЛ наблюдаются следующие эта-

пы: первоначальное отсутствие усвоения ритма, последующая трансформация ритма спонтанного дыхания и, наконец, усвоение искусственного ритма. Чем меньше искусственная частота дыхания по отношению к естественной, тем больший объем воздуха необходим для усвоения ритма. При искусственной частоте растяжения легких (21 цикл в 1 мин) усвоение происходит в основном при объеме вдуваемого воздуха 25—35 мл, а усвоение ритма искусственной вентиляции легких с частотой 15 циклов в 1 мин достигается при дыхательном объеме 35—50 мл (табл. 1.). Таким образом, чем больше расхождение собственной и искусственной частот дыхания, тем больший объем воздуха необходим для усвоения дыхательным центром ИВЛ.

Величина дыхательного объема определяет также быстроту и полноту усвоения ритма. Обычно навязывание искусственного ритма при дос-

Таблица 1

Влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты искусственного дыхания на эффективность.усвоения ее дыхательным центром

Частота дыхания. Время усвоения ритма (с) при объема нагнетаемого

мин. воздуха, мл

Искус- Естес- 20 25-30 30-35 40 50 60 70

ственная ственная

20-25 15 Неопр. 120 30 30 Неопр. Не опр. Не опр.

2i Сразу СраЭу ríe ОПр. *

20-25 15 * 30 " 60

21 » 60 30 " " "

20-26 15 * - 120 Сразу 30

21 30 30 Не опр. Неопр. *

25 15 - - - 60 30 Сразу

21 - - 30 30 Не опр. Неопр. и

26-27 15 ■ - - - - 30 30 м

21 60 60 30 30 30 Неопр. "

30-32 15 - - - 60 Сразу u

21 - Сразу 30 Не Оф. Неопр. ■

33 15 - . 60 и

21 Неопр. 30 Сразу Неопр. м

34 15 - - - - - 60

21 - - 60 30 30 Сразу На опр.

Примечание. Знаком плюс отмечены случаи усвоения искусственно? частоты дыхания, знаком минус — отсутствие усвоения.

таточном дыхательном объеме происходит сразу или в течение первых 30 с после начала ИВЛ. При одном и том же времени усвоения для частоты искусственной вентиляции 15 циклов в 1 мин требуются объемы в 1.5—2 раза больше, чем для частоты 21 цикл в 1 мин. При прочих равных условиях частота искусственной вентиляции усваивается быстрее, если объем вдуваемого воздуха больше (табл. 2.). Искусственное растяжение легких с частотой 21 цикл в 1 мин при объеме вдуваемого воздуха 30—35 мл вызывает усвоение ритма только к концу первой минуты, тогда как увеличение объема до 40 мл обуславливает аналогичный эффект сразу после включения АИД. Зависимость усвоения искусственного ритма от объемов вдуваемого воздуха ранее была отмечена в работах других авторов (B.C. Раевский, 1948,1964; A.M. Кулик, JI.H. Кондратьева, 1969).

Процесс усвоения ритма ИВЛ зависит от функционального состояния животного в целом и нейронов ДЦ в частности: при высокой естественной частоте дыхания (более 40 в 1 мин) или глубоком наркозе навязывае-

Таблица 2

Зависимость продолжительности усвоения искусственной частоты дыхания от объема нагнетаемого воздуха

Частотота дыхания. Время усвоения ритма (с) при объеме нагнетаемого воздуха.

мин мл

Искус- Естествен- 20 25-30 30-35 40 50 60 .70 .

ственная ная

20-25 15 Не опр. 120 30 30 Не опр. Не опр. Не опр.

21 Сразу Сразу Не опр.

20-25 15 . 30 60 "

21 60 30 " " *•

20-26 15 - 120 Сразу 30 "

21 30 30 " Не опр. Не опр.

25 15 - - - 60 30 Сразу

21 - - 30 30 Не опр. Не опр.

26-27 15 - . - - 30 30

21 60 60 30 30 30 Не опр.

30-32. 15 - - - 60 Сразу

21 - Сразу ■ 30 Не опр. Не опр. и ,

33 15 - - 60 " м

21 Не опр. 30 Сразу Не сг.р. "

34 15 - - - - - - 60

21 - - 60 30 30 Сразу Не опр.

Примечание. Знаком минус отмечены случаи, в которых усвоение ритма отсутствует.

мый ритм не усваивается. У животного с частотой спонтанного дыхания 26 в 1 мин искусственный ритм с частотой 15 в 1 мин при объеме 50 мл усваивается дыхательным центром, тогда как увеличение частоты спонтанного дыхания до 39 в 1 мин приводит к тому, что та же самая частота (15 в 1 мин), но уже с большим объемом вдуваемого воздуха! (65 мл) не усваивается в течение всего времени ИВЛ. При этом наблюдается лишь частичная трансформация ритма электрической активности диафрагмы, который становится реже исходного естественного, но остается чаще навязываемого искусственного.

При глубоком наркозе ритм ИВЛ нейронами ДЦ не усваивается, на что указывали и другие авторы (В.А. Буков, 1952, 1965; B.C. Ра-евский, 1948,1964; A.M. Кулик, Л.Н. Кондратьева, 1969). Для иллюстрации приводим данные эксперимента, в котором при спонтанном дыхании с частотой 33 в 1 мин ДЦ усваивал искусственный ритм растяжения легких с частотой 21 в 1 мин при объеме 30—35 мл сразу после включения АИД. Углубление наркоза вызывало урежение естественного дыхания до 14 в мин, причем искусственная частота 21 цикл в 1 мин не усваивалась дыхательным центром, хотя естественный ритм становился реже исходной частоты.

Таким образом, чувствительность ДЦ к искусственному растяжению легких неодинакова при разных его функциональных состояниях: при глубоком наркозе или высокой естественной частоте дыхания искусственный ритм нейронами не усваивается.

2. Навязывание искусственного ритма нейронам и дыхательным движениям посредством стимуляции блуждающего нерва и нейронных группировок дыхательного центра.

Настоящие опыты выполнены на 28 наркотизированных нембута-лом или хлоралозой кошках с удаленным или сохраненным мозжечком. Ритмичными кратковременными раздражениями (1—2 с) центрального конца блуждающего нерва (6 опытов) удавалось добиться изменения естественного ритма дыхательных движений. При этом дыхательная система устойчиво воспроизводила один из двух навязываемых ритмических режимов: электростимуляции с меньшей или большей частотой, чем частота спон-

тайного дыхания. Оказалось, что наиболее просто можно получить учащение дыхательных движений, которое происходило преимущественно за счет переключения вдоха на выдох: по мере развития вдоха уменьшался порог переключения дыхательных фаз и соответственно изменялась продолжительность последующего выдоха.

Высокочастотная кратковременная стимуляция блуждающего нерва, сопровождавшаяся переключением вдоха на выдох, вызывала импульсную активность у 14 из 15 экспираторных нейрнов (ЭН) двойного ядра. Эффект низкочастотной стимуляции (до 20 Гц) блуждающего нерва состоял в навязывании нового ритма дыхательным движениям с большей частотой, чем спонтанное дыхание (за счет вызванного переключения выдоха на вдох). Такие ритмичные раздражения вызывали импульсную активность у 10 из 13 ИН двойного ядра.

В 3 опытах наблюдали характер изменений частоты дыхательных движений и залпов импульсной активности ДН при раздражении блуждающего нерва в различных экспериментальных состояниях животного (гипо-, гипер-, нормокапния). В условиях гипокапнии удается навязать более частый ритм залповой активности позднему инспираторному нейрону и дыхательным движениям по сравнению с другими условиями. В условиях гиперкапнии искусственный дыхательный ритм при электрической стимуляции блуждающего нерва навязывается с трудом и частота навязываемого ритма в 1.3—1.5 раза меньше, чем при норм о- и гипокапнии или же его вообще не удается навязать.

Урежение дыхательных движений по сравнению с исходным ритмом достигалось путем продолжительных (5 с и более) раздражений блуждающего нерва за счет развития экспираторных задержек.

Высокочастотные раздражения "точек" медиального парабрахиаль-ного ядра, переключавшие выдох на вдох, когда приходились на вторую половину выдоха, вызывали импульсную активность у 8 из 14 ИН двойного ядра. Раздражения других "точек" этого ядра, переключавшие вдох на выдох, когда приходились на вторую половину вдоха, вызывали импульсную активность у 13 из 16 ЭН двойного ядра.

Показательны изменения импульсной активности ИЗ ДН при ритмичном раздражении инспираторных и экспираторных нейронных груп- . пировок медиальных и латеральных ядер продолговатого мозга. Около 80% инспираторных и экспираторных нейронов ДЯ иЯОП усваивали навязываемый ритм в ответ на раздражение инспираторных и экспираторных мест ГЯ.

Одним из основных критериев импульсной активности ДН является средняя частота импульсов в залпе, которая наряду с количеством активных ДН определяет в конечном итоге усилие ДМ при вдохе и выдохе. Поэтому при навязанном ритме дыхания важно было определить изменения этого показателя при отклонении ритма в сторону учащения или урежения.

Исходя из сказанного ранее, при периодическом повторении раздражений следовало ожидать того, что чем чаще или реже будет навязываемый ритм по отношению к естественному, тем меньше будет средняя частота импульсации. Это подтвердилось экспериментально.

Следует напомнить, что в предыдущем разделе были описаны возможности усвоения дыхательным центром искусственного ритма при адекватном раздражении рецепторов растяжения легких (раздувании легких) у наркотизированных спонтанно дышащих кошек и определены оптимальные условия навязывания искусственного ритма, а также показана зависимость между естественной частотой дыхания и навязываемым ритмом.

Результаты опытов с многократными ритмичными раздражениями блуждающего нерва и инспираторных нейронных группировок подтвердили данные других авторов (A.M. Кулик, JI.H. Кондратьева, 1969; В.Д. Барон, И.А. Кедер-Степанова, 1971) о возможности навязывания ДЦ ритма искусственных электрических посылок. Особенность навязывания искусственного дыхательного ритма раздра-жением инспираторных нейронных группировок ГЯ и некоторых инспираторных мест ЯОП по сравнению с другими воздействиями, направленными на структуры ДЦ, состояла в "активном" переключении фазы выдоха на вдох, которое заключалось в ко-ротколатентной вызванной импульсации ИН дорсального и вентролатераль-ного дыхательных ядер, вовлечения в активность ранее "молчавших" ИН.

Ритм, навязанный искусственным раздражением блуждающего не-

рва, характеризовался легким переключением вдоха на выдох и появлением вызванной импульсной активности в ЭН. Более сложным было в этом случае переключение выдоха на вдох, сопровождавшееся большим скрытым периодом и вызванной активностью значительно меньшего (по сравнению со стимуляцией инспираторных группировок ГЯ) числа ИН вентрального и дорсального дыхательных ядер. Однако усиливающий эффект при раздражении экспираторной нейронной группировки ГЯ у экспираторных нейронов был более значительным, чем при раздражении блуждающего нерва. Зависимость изменений продолжительности дыхательных фаз от момента нанесения раздра-жения (фазовозависимые реакции) на афферентные нервы известна и неоднократно описывалась рядом исследователей (Г.А. Вакслейгер, 1949; М.В. Сергиевский, 1950; В.Е. Якунин, 1973). Полученные данные о действии низкочастотных раздражений на чувствительные волокна блуждающего нерва при различных состояниях животного (нормо- и гиперкапния) указывают па то, что уровень потока специфических сигналов к ДЦ, видимо, контролируется состоянием активности самого центра, которое изменялось в наших опытах путем накопления или вымывания С02 из организма. Известно, что С02 во вдыхаемом воздухе резко подавляет эффект воздействия на ДН афферентных сигналов с рецепторов растяжения легких. Исходя из данных Rudomin (1965), К.В. Бае-ва и др. (1980), можно предположить, что механизм такого контроля сво-

птрглп те ^очплгтлт'ат'оютттси n t rmaлгтаm-rnjaлтrr\I t тлт lAwar jtnr» пЛЛап qjpt .ilrriiwi л ivnutvlivvmj itpvVIMIUIIшivvi\v;ivij i JJIYA V/mwniuu ut^i^wpvnt"

ных терминалей, источником которого являются нейроны ДЦ.

3. Соотношение естественного и искусственного ритмов дыхания при стимуляции днафрагмального нерва.

В наших опытах трансвенозную стимуляцию диафрагмы (по 15 мин с перерывами при длительности "вдоха" 1.0—1.5 с; с частотой импульсов 100 Гц при длительности каждого 1 мс) у наркотизированных нембуталом кошек осуществляли с помощью электростимулятора днафрагмального нерва ЭДН-15-3.

Попытки навязывания искусственного ритма дыхания (43 опыта) по трем режимам электростимуляции, определяемым соотношением задавае-

мого ритма дыхания и частоты спонтанной дыхательной активности, дали следующие результаты: первый режим — электростимуляция с меньшей частотой (в среднем на 7 циклов в 1 мин), чем частота спонтанного дыхания— 11 случаев; второй режим — частоты искусственной стимуляции и естественного дыхания практически совпадают (отклонение частоты стимуляции от частоты спонтанного дыхания не превышает 1—2 цикла в 1 мин) — 20 случаев; третий режим ■—■ частота электростимуляции превышает (в среднем на 6 циклов в 1 мин) частоту естественного ритма дыхания — 12 случаев. Наиболее часто (22 из 43 случаев) наблюдали полное совпадение разрядов электромиограммы (ЭМГ) диафрагмы и искусственной посылки электрических стимулов (I степень усвоения). Реже (15 случаев) происходило частичное совпадение (II степень усвоения), причем искусственному раздражению предшествовала фаза начала естественного вдоха. В 2 случаях ритм естественного дыхания и электростимуляции совпадал по частоте, но наблюдалось расхождение по фазе (III степень усвоения искусственного ритма). В 4 случаях отмечено независимое следование ритмов естественного дыхания и электростимуляции, что расценено как отсутствие усвоения искусственного ритма. Таким образом, степень усвоения навязываемого ритма раздражений была различной. Дополнительный анализ характера усвоения в зависимости от режима электростимуляции показал, что во втором и в третьем режимах преобладала I степень усвоения по сравнению со И, в то время как при первом режиме, напротив, чаще отмечалась частичная форма усвоения.

В большинстве случаев длительность искусственного залпа незначительно отклонялась от продолжительности спонтанного вдоха, которая колебалась в среднем по различным группам в диапазоне 1.2—1.5 с. В 3 случаях, когда отсутствовало усвоение ритма, продолжительность спонтанного разряда более чем в три раза превышала продолжительность электрического залпа стимуляции. При этом абсолютная разница навязываемой и спонтанной частот дыхания равнялась 7—10 циклам, однако относительное превышение искусственной частоты к естественному ритму составляло 70—100%, что объясняется относительно низкой исходной

частотой дыхания (9—12 циклов в 1 мин).

Следовательно, при искусственном дыхании путем проведения электрической стимуляции диафрагмального нерва наличие и степень усвоения этого ритма зависят от разных причин, в том числе от соотношения частоты естественного и искусственного ритмов дыхания или соотношения продолжительности естественной фазы вдоха и электрической посылки импульсов. Мы использовали ограниченную степень отклонения искусственной частоты от спонтанного ритма. Хотя в подавляющем большинстве случаев отмечены первая и вторая степени усвоения навязываемого ритма дыхания, требовал дополнительного выяснения вопрос о диапазоне усвоения частот искусственного ритмоводителя дыхания в зависимости от частоты спонтанного ритма (Л.С. Иваненко, В.А. Сафонов, 1979).

Показатели дыхательного объема и минутного объема дыхания при разных режимах стимуляции и степенях усвоения искусственного ритма были на 60—70% выше, чем при естественном дыхании. При первом режиме стимуляции дыхательный объем возрастал в несколько меньшей степени, чем при остальных режимах, а величина минутного объема дыхания незначительно отличалась от естественного уровня.

Исследование газов крови, проводившееся при осуществлении первого режима электростимуляции, выявило четкое увеличение показателей рН и рО, и некоторое уменьшение рС02 в артериальной крови. Эти изменения, как отмечено выше, наблюдали при небольшом повышении дыхательного объема и практически неизменном минутном объеме дыхания. Ожидалось, что при первом и втором режимах, когда повышение показателей дыхательного объема и минутного объема дыхания по сравнению с периодом спонтанного дыхания более выражено, степень изменений рН, р02 и рС02 должна быть больше. Подтверждение тому, что при проведении электростимуляции, с частотой, близкой или превышающей исходную спонтанную частоту дыхательных движений, создавался режим гипервентиляции, может служить появление апноэ, т.е. прекращение естественного ритма ДЦ. В большинстве случаев оно возникало после прекращения электростимуляции. Д лительность апноэ в отдельных случаях колебалась от 10

до 50 с (в среднем 27 с) и несколько возрастала в соответствии с увеличением периода стимуляции от 5 до 15 мин. При этом чаще всего апноэ наблюдалось при втором режиме электростимуляции, несколько реже — при третьем и совсем редко — при первом режиме.

Ритмическая активность нейронов ДЦ сохраняется при проведении трансвенозной электростимуляции диафрагмального нерва, но изменяется частота и длительность залпов импульсов. Активность ДН различных групп претерпевает значительную перестройку даже при совпадении естественного ритма нейронной активности и искусственного ритма электростимуляции. При первых же стимулах происходит последовательная синхронизация импульсации ДН с ритмом электрической стимуляции таким образом, что искусственный ритм приходится на начало залпа импульсов ДН. При этом РН обнаруживают разнотипные реакции во время стимуляции: импульсация одних не изменяется, других — учащается, третьих — учащается или урежается в момент нанесения стимула с последующим восстановлением до исходного вида после прекращения раздражения.

Сопоставление описанных результатов с данными, приведенными нами ранее, показывает, что усвоение искусственного ритма дыхания при различных способах управляемого дыхания (ИВЛ и злектростимуляция диафрагмы) носит неоднозначный характер. При ИВЛ усваиваются частоты (15 и 32 цикл в 1 мин), которые ниже исходной частоты спонтанного дыхания, и не усваиваются частоты, превышающие частоту естественного дыхания. Чувствительность ДЦ к искусственному растяжению легких зависит от его функционального состояния: при глубоком наркозе или относительно высокой естественной частоте дыхания искусственный ритм не усваивается. В то же время в условиях электростимуляции диафрагмы отмечается усвоение навязываемого ритма при всех режимах, хотя почти все имевшие место случаи неусвоения ритма наблюдались при превышении искусственного ритма спонтанной частоты дыхания. В условиях ИВЛ быстрота и характер усвоения зависят от величины дыхательного объема,причем могут протекать три последовательные фазы усвоения ритма. При электростимуляции диафрагмы отмечены три условные степени усвоения рит-

ма. При этом значение дыхательного объема требует специального уточнения, поскольку в настоящей работе при проведении электростимуляции диафрагмы величина о&ьема вдуваемого воздуха во всех режимах не калибровалась и превышала таковую при спонтанном дыхании на 50—70%.

Проведение электростимуляции диафрагмы в большинстве случаев сопровождалось полной или частичной формой усвоения ритма стимуляции в изучаемом ограниченном диапазоне соотношения естественного и искусственного ритмов дыхания с перестройкой функционирования всех звеньев ДС, включая ДЦ и ДМ.

4. Восстановление ритмического дыхания при стимуляции дыхательного центра.

Нами проведено изучение возможности управления функцией внешнего дыхания при электростимуляции определенных структур ДЦ. Раздражение структур дыхательного центра осуществляли с помощью биполярных концентрических электродов, вводимых субарахноидально на разную глубину мозга. В опытах последовательно раздражали электрическим током (длительность импульса 1 мс, частота 100 Гц, продолжительность стимуляции 1.5 с) область расположения нейронов дыхательного центра, начиная от obex, с интервалом 0.5 мм в трех плоскостях. Таким путем была проведена стимуляция более 500 различных точек и установлена примерная область, раздражение которой вызывает дыхательный эффект.

Планомерное зондирование области ДЦ стимулирующим электродом позволило установить, что навязывание искусственного ритма с полным прекращением естественной частоты разрядов происходит только при нахождении раздражающего электрода в районе, расположенном на 1 мм латеральнее средней линии, до 2 мм ростральнее уровня obex и на глубине от 3 до 5 мм с дорсальной стороны. Стимуляция нейронов продолговатого мозга вне указанного района не приводила к усвоению искусственной частоты дыхания: при этом либо вовсе отсутствовал дыхательный ответ, либо возникали разнообразные дыхательные реакции.

Стимуляция различных участков отмеченного нами района при многократном повторении вызывала однозначные дыхательные реакции, вы-

ражающиеся в том, что естественное сокращение диафрагмы по ритму перестраивалось на частоту искусственных раздражений и следовало с навязанной частотой до тех пор, пока продолжалась стимуляция. После прекращения стимуляции сокращение диафрагмы у животных возвращалось к предшествующему естественному ритму. В случаях расположения стимулирующего электрода на границах очерченного нами района наблюдались различные виды переходных форм дыхания, когда наряду с естественными сокращениями диафрагмы четко проявлялся искусственно навязываемый ритм. Происходило сочетание спонтанного дыхания и искусственной вентиляции, т.е. вместе с генерацией естественного ритма возникали искусственно вызванные дыхательные движения.

Во всех случаях искусственной вентиляции при элеюростимуляции ДЦ наблюдалось увеличение дыхательного объема по сравнению с периодом, предшествующим стимуляции. При этом отмечалась определенная зависимость между изменением амплитуды стимулирующего тока в ту или кнута сторону и величиной дыхательного объема. Одновременно с увеличением дыхательного объема наблюдалась тенденция к умеренному повышению р02 и снижению рС02 в артериальной крови.

Таким образом, была показана принципиальная возможность электростимуляции определенных структур ДЦ для управления функцией внешнего дыхания. В дальнейшем исследовали восстановление ритмической активности дыхательных нейронов и дыхательных движений посредством стимуляции инспираторных нейронных группировок гигантоклеточного ядра и ядра одиночного пути. Было показано, что электрическое раздражение инспираторных нейронных группировок медиальных и латеральных ядер ДЦ вызывает импульсащпо у большинства ИН и увеличивает число возбужденных ИН. Исходя из этого, мы предприняли попытку восстановления ритмической работы дыхательного генератора путем раздражения инспираторных месту 23 животных, прекративших дыхание в ходе эксперимента по различным причинам (передозировка наркотического веществе, кровотечение и др.) и у 19 животных при остановках дыхательных движений, вызванных дополнительным внутривенным введением нембутала (20—

50 мг/кг). Восстановление дыхательных движений осуществляли при различных состояниях животного: 1) начинающемся угнетении дыхательных движений, 2) через 1—3 мин после их прекращения, но при сохранившейся сердечной деятельности и 3) через 10—30 с после прекращения сердцебиений.

Наблюдались три варианта остановок дыхательных движений: постепенное уменьшение частоты дыхания за счет увеличения продолжительности выдоха или вдоха и развитие судорожного дыхания типа гаспинг. Эффективность восстановления естественного ритма дыхательных движений зависела от функционального состояния дыхательной и сердечно-сосудистой систем, раздражаемого инспираторного места, частоты подаваемых сигналов и продолжительности раздражения. Наиболее неблагоприятный прогноз восстановления дыхательных движений наблюдали при развитии судорожного дыхания типа гаспинг и при прекращении сердечной активности. При очень плохом состоянии животного (через 10—30 с после прекращения сердечной деятельности) лишь у 2 из 6 кошек при раздражении инспираторного места ГЯ с координатами 4—0.5—3.5 мм удалось добиться автоматического ритма дыхательных движений и сердечных сокращений. Наиболее эффективной была стимуляция инспираторных нейронных группировок при первых двух экспериментальных состояниях животного.

При регистрации залповой активности в диафрагмальном и наружном межреберном нервах во время электростимуляции инспираторных нейронных группировок ГЯ отмечена зависимость эффекта восстановления от продолжительности действия высокочастотных (100—150 Гц) раздражений. Очень короткие пачки стимулов вызывали инспираторное апноэ, а при дальнейшем увеличении длительности раздражения до 1 с возобновлялась ритмическая залповая активность в диафрагмальном и наружном межреберном нервах. Последний эффект, видимо, объясняется лучшей синхронизацией импульсной активности большинства ИН при определенной продолжительности наносимых стимулов. Низкочастотные (до 50 Гц) раздражения были менее эффективными, чем высокочастотные. Таким обра-

зом, разработанный нами способ восстановления спонтанного дыхательного ритма посредством локальной электростимуляции инспираторных нейронных группировок продолговатого мозга обладает высокой эффективностью и может быть с успехом применен при различных нарушениях ритмо-генеза. Эффекты восстановления ритмической активности ДН и дыхания при электростимуляции различных структур ствола мозга отмечены и другими авторами (B.C. Буданцев, 1983; В.А. Войнов, 1987).

Так, после выключения активности ДН и остановки дыхания, вызванной локальным воздействием хлорида калия на медиальную область дорсальной поверхности продолговатого мозга, ее возобновление осуществляли с помощью электростимуляции медиальных структур (инспира-торной зоны) ДЦ и показали, что включение ДН в ритмическую активность протекает в 2 этапа (B.C. Буданцев, 1983). Первый этап—проявление нерегулярной залповой активности только ИН синхронно с тонической электрической активностью диафрагмы. В дальнейшем восстанавливается регулярная залповая активность ИН с координированными возбуждениями диафрагмы и наружных межреберных мышц. Второй этап характеризуется восстановлением залповой ритмической активности всех групп ДН синхронно с координированной ритмической активностью диафрагмы и других ДМ в ритме дыхания.

Далее установлено, что в условиях остановки дыха!гая, вызванной барбитуратами и наркотическими анальгетиками, оказалось возможным восстановление и поддержание дыхательного ритмогенеза путем ритмического нанесения коротких серий электрических импульсов на мозг в области нахождения пневмотаксического центра (В.А. Войнов, 1987). Каждая такая серия стимулов вызывала формирование одного дыхательного залпа и соответственно акта вдоха. Восстановление вентиляции легких сопровождалось возобновлением активности всех разновидностей ИН, независимо от их фазных характеристик и паттерна разрядов. Залпы им-пульсации, возникающие после нанесения стимула, занимали свое обычное местоположение в дыхательном цикле (как и при исходном дыхании), что подтверждает представление о необходимости участия всего спектра, а

не каких-либо избирательных групп ИН в дыхательном ритмогенезе (В.Ф. Пятин, О.Л. Никитин, 1998)

' Все приведенные данные, различающиеся только местом стимуляции области ДЦ, были положены в основу разработки способов восстановления дыхания у экспериментальных животных. '

Рассмотрим вкратце возможный механизм восстановления ритмической активности ДН после временной ее остановки. Согласно литературным (А.В. Вальдман и др., 1969; В.А. Сафонов и др.., 1980; В.А. Вой-нов, 1987) и полученным нами данным,остановка дыхательных движений при введении нембутала происходит в результате снижения общей активности ретикулярных и дыхательных нейронов ДЦ, что, по-видимому, обусловлено прежде всего нарушением синаптического проведения и снижением потока облегчающих влияний от различных возбуждающих источников. Электрическая стимуляция инспираторных мест ГЯ и ЯОП, как было описано ранее, оказывает усиливающее, синхронизирующее и координирующее действие на импульсную активность ИН вентрального и дорсального ядер и помимо этого вызывает им пульсацию "молчавших" до раздражения ИН. Число активных ДН, уровень им пульсации и фазная их активность определяются, видимо, количеством действующих межнейронных связей, т.е. алгебраической суммой возбуждающих и тормозных сигналов, обеспечивающих взаимодействие между нейронами ДЦ и смену дыхательных фаз. Электрическое раздражение инспираторных мест, вероятно, изменяет соотношение возбуждающих и тормозных сигналов, поступающих к ИН, в пользу первых и увеличивает число действующих внутрицентраль-ных связей, в результате чего зозрастает общая активность ДЦ. Подтверждением этого предположения являются коротколатентные ответы (в том числе и моносинаптические) ИН при раздражении инспираторных мест ГЯ И ЯОП. Возможно, при' этом улучшается синаптическая передача за счет увеличения количества выделяемого медиатора.

Таким образом, разработанный метод восстановления ритмической активности ДН и дыхательных движений обладает высокой эффективностью и может быть с успехом применен при различных нарушениях дея-

телыгости ДЦ во время хирургических операций на головном мозге. Можно надеяться, что предложенный метод восстановления и нормализации дыхания имеет большие перспективы использования его в медицинской практике.

ВЫВОДЫ

1. Наркотизированные спонтанно дышащие кошки усваивают искусственный ритм дыхательных движений при адекватном раздражении рецепторов дыхательного аппарата (раздувании легких) или при электрическом раздражении блуждающею нерва.

2. Усвоение искусственного ритма зависит от соотношения естественной и искусственной частоты дыхания (лучше усваиваются частоты меньше естественной) и от объема искусственно вдуваемого воздуха (чем больше расхождение искусственного и естественного ритмов, тем больший объем воздуха необходим для усвоения ритма).

3. Для управления дыхательными движениями важное значение имеет функциональное состояние нейронов дыхательного центра: при высокой естественной частоте дыхания искусственный ритм не усваивается.

4. Трансвенозная электрическая стимуляция диафрагмалыюго нерва у спонтанно дышащего животного приводит к усвоению искусственно навязываемого ритма: в процессе электростимуляции происходит последовательная перестройка функционирования и синхронизация с ритмом искусственного ритмоводителя всех звеньев дыхательной системы, включая нейроны дыхательного центра и дыхательные мышцы.

5. При непосредственной электростимуляции структур дыхательного центра кошки на фоне естествешюго дыхания можно навязать искусственный ритм дыхательных движений с сохранением эффективного газообмена.

6. Разработан экспериментальный способ восстановления спонтанного дыхательного ритма посредством локальной электрической стимуляции нейронных группировок продолговатого мозга.

7. Способ искусственного дыхания, осуществляемый путем стимуляции структур дыхательного центра, обладает высокой эффективностью и может быть с успехом применен при различных экспеременгальных нарушениях или полном отсутствии спонтанного ритмогенеза.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. О методике регистрации биопотенциалов // Физиология вегетативной нервной системы. Тез. Всесоюз. конф.—Куйбышев, 1979. — С. 64.

2. Соотношение естественного и искусственного ритмов дыхания при электростимуляции диафрагмалыюго нерва//Биол. науки, 1981.— № 10. — С. 49—53. (В соавт. с В.А. Сафоновым, Г.С. Лескиным, Ю.В. Шин-каренко, Л.С. Иваненко, Т.Э. Радзевич, Ю.Н. Огурцовым).

3. Влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на перестройки естественного ритма дыхательного центра // Биол. науки— 1982,№ 8. — С. 41—46. (В соавт. с В.А. Сафоновым, Г.С. Лескиным, Л.С. Иваненко, Ю.В. Шинкаренко).

4. Управление дыхательными движениями и способы восстановления спонтанного дыхательного ритма // Республиканская научная конференция физиологов, посвящ. 95-летию со дня рожд. М.В. Сергиевского. — Самара, 1993. — С. 86—87.

5. Структура и функциональная организация дыхательного центра. — Новосибирск, 1993. — 192 с. (В соавт. с М.В. Сергиевским, Р.Ш. Габд-рахмановым, В.А. Сафоновым, В.Е. Якуниным).

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АИД — аппарат искусственного дыхания

ГЯ — гигантоклеточное ядро

ДМ — дыхательная мышца

ДН — дыхательный нейрон

ДС — дыхательная система

ДО — дыхательный объем

ДЦ — дыхательный центр

ДЯ — двойное ядро

ИВЛ — икусственная вентиляция легких

ИН — инспираторный нейрон

И-ЗН — инспираторно-эксгхиратор;1ь:й нейрон

МОД — минутный объем дыхания

РН — ретикулярный нейрон

РФ — ретикулярная формация

ЭМГ — электромиограмма

Э-ИН — экспираторно-инспираторный нейрон

ЭН — экспираторный нейрон

ЯОП —ядро одиночного пути

Подписано в печать 22.07.1998. Формат 60x84/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 373

Типография АТУ: г.Барнаул, ул.Димитрова, 66

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Огородов, Александр Михайлович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ МЕДИЦИНСКИХ НАУК

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ПАТОЛОГИИ

И ПАТОФИЗИОЛОГИИ

На правах рукописи

ОГОРОДОВ Александр Михайлович

Механизм взаимодействия естественного и искусственного

ритмов дыхания (экспериментальное исследование)

Специальность: 03.00.13 - физиология человека и животных

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н. профессор Сафонов В.А.

Москва -1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.................................................................................................3

1. Обзор литературы

1.1 .Дыхательный центр-регулятор дыхательной системы...........8

1.2. Ритмогенез в дыхательном центре..........................................11

1.3. Способы искусственного управления дыханием....................17

2. Методика исследований..,..................................................................23

3. Результаты исследования

3.1. Влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на перестройку естественного ритма дыхательного центра.......................................................................25

3.2. Навязывание искусственного ритма нейронам и дыхательным движениям посредством стимуляции блуждающего нерва и нейронных группировок дыхательного центра.......................................................................34

3.3. Соотношение естественного и искусственного ритмов дыхания

при стимуляции диафрагмального нерва.......................................40

3. 4. Восстановление ритмического дыхания при стимуляции

дыхательного центра.......................................................................47

3.5. Заключение..............................................................................55

Выводы....................................................................................................60

Литература..............................................................................................61

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Изучение структурной и функциональной организации дыхательного центра в конечном счете предполагает возможность целенаправленного использования установленных закономерностей деятельности для коррекции нарушений дыхания и устранения дыхательной недостаточности. В клинике при терапии многих форм дыхательной недостаточности, а также в хирургической практике для обеспечения адекватного газообмена широко применяют искусственную вентиляцию легких. Оптимальность использования искусственной вентиляции легких жестко связана с учетом особенностей навязывания искусственного ритма дыхания (при наличии у пациента остаточной дыхательной активности) и возможности восстановления полноценной естественной вентиляции легких (при возобновлении автоматической активности дыхательного центра).

При осуществлении любого варианта искусственной вентиляции легких одной из важных проблем является обеспечение синхронизации ритма аппарата искусственной вентиляции с ритмом спонтанного дыхания. Частным практическим вопросом в этой проблеме является изучение возможности усвоения дыхательным центром любого искусственного ритма дыхания. Для характеристики авторитмических свойств дыхательных нейронов определенный интерес представляет способность дыхательного центра к изменению естественного ритма при различных возмущениях, вызванных разными вариантами искусственной вентиляции легких. В литературе имеются немногочисленные сведения о конкретных условиях, благоприятствующих или противодействующих навязыванию искусственного ритма при проведении искусственной вентиляции легких (A.M. Кулик, Л.Н. Кондратьева, 1969; B.C. Раевский, 1948,1964; A.A. Чу-маченко, В.Н. Ефимов, 1970; В.А. Сафонов и др., 1980).

В клинической практике с целью устранения десинхронизации ритма работы устройства для управления дыханием с ритмом спонтанной дыхательной активности используют, как правило, режим гипервентиляции; при невозможности достижения синхронизации осуществляют управляемое дыхание в условиях миорелаксации.Для обеспечения адекватного управляемого дыхания и максимального уменьшения побочных эффектов, связанных с десинхронизацией или применением миорелаксантов, особое значение приобретает выяснение условий и диапазона усвоения частоты управляемого дыхания. Согласно литератур-

ным данным, ритм искусственной вентиляции усваивается в диапазоне частоты дыхания от 16 до 32 (B.C. Раевский, 1948,1964) или от 16 до 45 циклов в 1 мин (A.M. Кулик, JI.H. Кондратьева, 1969); и усвоение ритма дыхания зависит от функционального состояния дыхательного центра, объемов вдуваемого воздуха, а также вида использованных в эксперименте животных.

Экспериментальными и клиническими исследованиями доказана возможность проведения электрической стимуляции диафрагмального дыхания при воздействии "на различные уровни эфферентного звена дыхательной системы (Bilgutay et al., 1970, Daggett et al., 1970, Glenn et al., 1973). При этом значительный интерес представляют возможности усвоения дыхательным центром ритма искусственных раздражений и характер происходящей при электростимуляции перестройки активности дыхательных нейронов.

Возможность осуществления управляемого искусственного дыхания путем непосредственной стимуляции структур дыхательного центра привлекает все большее внимание. Известно, что электрическое раздражение определенных зон дыхательного центра вызывает разнообразные изменения активности различных групп дыхательных нейронов (B.C. Буданцев, 1983; В.А. Бойцов, 1987.В.Е.Якунин, 1993).

Настоящая экспериментальная работа была направлена на решение упомянутых вопросов.

Целью настоящего исследования явилось изучение условий, механизмов и возможностей управления функцией внешнего дыхания при определенных соотношениях объем - частота вдувания воздуха и усвоения дыхательным центром искусственного ритма при адекватном раздражении блуждающего нерва, электрической стимуляции диафрагмального нерва или при непосредственной стимуляции структур дыхательного центра.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Определить влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на усвоение дыхательным центром искусственного ритма.

2. Изучить возможности навязывания искусственного ритма нейронам дыхательного центра и дыхательным движениям посредством стимуляции блуждающего нерва.

3. Установить характер усвоения искусственного ритма дыхания при стимуляции диафрагмального нерва.

4. Изучить возможности восстановления ритмической функции внешнего дыхания путем электростимуляции структур дыхательного центра продолговатого мозга.

Иовизиа исследования. Новизна результатов настоящего исследования определяется сравнительными особенностями навязываемого искусственного дыхательного ритма с помощью различных методов, начиная со стимуляции блуждающего и диафрагмального нервов и заканчивая непосредственным раздражением структур дыхательного центра, в сопоставлении эффективности показателей внешнего дыхания и напряжения газов крови.

Впервые систематизированно определено влияние объема нагнетаемого воздуха и частоты управляемого дыхания на перестройку естественного ритма дыхательного центра.

Показано, что при искусственной вентиляции легких усваиваются только те частоты искусственного растяжения легких, которые меньше естественной частоты дыхания. Чем больше различаются собственная частота дыхания и искусственно навязываемая, тем больший объем воздуха необходим для усвоения дыхательным центром ритма искусственной вентиляции легких.

Доказано, что при высокой естественной частоте дыхания или глубоком наркозе навязываемый ритм не усваивается.

Впервые количественно установлено соотношение естественного и искусственного ритмов дыхания при стимуляции диафрагмального нерва и отмечено повышение показателей внешнего дыхания и напряжения 02 и С02 в артериальной крови при разных режимах усвоения искусственного ритма.

Навязывание искусственного ритма с прекращением спонтанной частоты разрядов дыхательных нейронов происходит при расположении раздражающих электродов в районе до 1 мм латеральнее средней линии, 2 мм ростральнее задвижки на глубине 3—5 мм с дорсальной стороны продолговатого мозга.

Уточнены зоны стимуляции, реакции дыхательных нейронов и возможности восстановления ритмического дыхания при стимуляции дыхательного центра.

Теоретическая и практическая значимость результатов. Исходя из того, что дыхательный центр образует общий дляхемо- и механорецеп-торного контуров регулирующий узел, в котором замыкаются цепи обратных связей по обоим контурам и тем самым обеспечивается управление дыханием, нами показано, что вмешательство как в афферентное (блуждающий нерв), так и в эфферентное (диафрагмальный нерв) звенья может вызвать усвоение нового искусственного ритма генерации дыхательного центра.

Были определены условия управления дыхательными движениями, с одной стороны, благоприятствующие усвоению искусственного ритма

— увеличение объема нагнетаемого воздуха и использование частот, меньших спонтанной частоты дыхания и, с другой стороны, препятствующие переключению ритмической активности дыхательных нейронов на новый ритм — очень большие различия между спонтанной и навязываемой частотами дыхательного ритма или высокая естественная частота ритмогенеза.

Предложенный экспериментальный метод восстановления и нормализации ритмической активности дыхательных нейронов и дыхательных движений посредством стимуляции структур дыхательного центра имеет большие перспективы использования в медицинской практике. В связи с этим представляются весьма важными дальнейшие изыскания на пути практического применения этого способа искусственной вентиляции легких.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Возможно усвоение дыхательным центром наркотизированных спонтанно дышащих кошек искусственного ритма при адекватном раздражении рецепторов растяжения вентиляторного аппарата (искусственном раздувании легких) или электрической стимуляции блуждающего нерва. При искусственной вентиляции легких усваиваются только те частоты искусственного растяжения легких, которые меньше естественной частоты дыхания.

2. Чем больше отличается собственная частота дыхания от искусственно навязываемой, тем больший объем воздуха необходим для усвоения дыхательным центром ритма искусственной вентиляции легких. Величина дыхательного объема определяет также быстроту и полноту усвоения ритма.

3. Процесс усвоения ритма искусственной вентиляции легких зависит от функционального состояния организма в целом и нейронов дыхательного центра в частности: при высокой естественной частоте дыхания или глубоком наркозе навязываемый ритм не усваивается.

4. Электростимуляция диафрагмального нерва вызывает полное или частичное усвоение ритма стимуляции в исследуемом диапазоне соотношения естественного и искусственного ритмов дыхания с перестройкой функционирования всех звеньев дыхательной системы, включая дыхательные нейроны и мышцы. Показатели дыхательного объема и минутного объема дыхания при разных режимах усвоения искусственного ритма на 60—70 % выше, чем при естественном дыхании (при этом четко увеличивается р02 и несколько уменьшается рС02 в артериальной крови).

5. Навязывание искусственного ритма с полным прекращением естественной частоты разрядов дыхательных нейронов происходит только при расположении раздражающего электрода в районе до 1 мм

латеральнее средней линии, 2 мм ростральнее уровня задвижки на глубине 3—5 мм с дорсальной стороны продолговатого мозга. Стимуляция нейронов продолговатого мозга вне указанного района не приводит к усвоению искусственной частоты дыхания. При искусственной вентиляции, вызванной электростимуляцией дыхательного центра, дыхательный объем увеличивается по сравнению с периодом, предшествующим стимуляции.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Дыхательный центр — регулятор дыхательной системы

Как известно, экспериментальное изучение деятельности дыхательного центра началось исследованиями Legallois (1812,1830), Flourens (1842) (см. H.A. Миславский, 1885; К. Гейманс, Д. Кордье, 1940; М.В. Сергиевский, 1950). За прошедшие годы произошло много перемен в методах исследований и уточнений в представлениях о дыхательном центре. Не следует, однако, забывать, что Legallois (1812) впервые указал на то, что дыхательный центр находится в продолговатом мозгу, а Flourens (1842) отметил, где именно в продолговатом мозгу следует искать дыхательный центр. H.A. Миславский (1885) первым достаточно точно и аргументированно описал местонахождение дыхательного центра. Нормальное протекание процессов внутреннего (тканевого) и внешнего дыхания в различных условиях среды, их взаимодействие и координация осуществляются благодаря наличию нервных регуляторных механизмов, являющихся составной (и неотъемлемой) частью дыхательного центра. Они обеспечивают прием и переработку информации, а также посылку к эффекторам управляющих сигналов (команд). Именно нервный аппарат объединяет отдельные части (звенья) дыхательной системы в единую функциональную систему, поэтому плодотворный анализ ее деятельности и правильное понимание соответствующих нейрофизиологических механизмов возможны только при целостном рассмотрении всех звеньев в их взаимодействии.

Основным назначением дыхательной системы является поддержание оптимального газового состава в крови и тканях в соответствии с интенсивностью окислительного метаболизма и, в этой связи, ее участие в обеспечении постоянства внутренней среды организма. Структурно-функциональная схема дыхательной системы включает два контура регулирования: хеморецепторный и механорецепторный.

Сигналы из дыхательного центра управляют работой вентиляторного аппарата, который является в то же время исполнительным звеном в ведущем хеморецепторном контуре регулирования дыхательной системы. Объем вентиляции легких влияет на газообмен в альвеолах и систему транспорта газов кровью. Регулируемые параметры (газовые показатели крови) контролируются посредством датчиков (центральных и периферических хеморецепторов), импульсы от которых поступают к регулятору

(дыхательному центру).

Задачей механорецепторного контура является управление степенью сокращения дыхательных мышц в каждый момент времени и тем самым поддержание параметров внешнего дыхания в соответствии с поступающими из дыхательного центра командами, определяемыми требуемым объемом вентиляции. Эти команды поступают к мотонейронам спинного мозга, импульсация от которых по диафрагмальному и межреберным нервам подается к дыхательным мышцам и вызывает их сокращение. В результате приводится в действие вентиляторный аппарат мышцы-легкие. Степень сокращения мышц и растяжения легких контролируется посредством механорецепторов. Импульсация от них проходит в дыхательный центр, с одной стороны, по межреберным нервам и восходящим путям спинного мозга от рецепторов дыхательных мышц, с другой — по блуждающим нервам от рецепторов легких, замыкая, таким образом, контур механорецепторного управления (В.Б. Феник, 1992; Л. Л. Шик, 1994).

Следовательно, дыхательную систему можно рассматривать как открытую, адаптивную, многоэкстремальную систему автоматического регулирования по отклонению, в которой управление дыханием и стабилизация газовых показателей крови осуществляются по принципу обратной связи: отклонения регулируемых переменных (РаС02 и Ра02) от требуемых значений воздействуют на дыхательный центр таким образом, что происходят изменения минутного объема дыхания, приводящие к компенсаторному уменьшению возникших отклонений.

Дыхательный центр в целом — это нервный центр или совокупность нервных структур, образующих общее для двух контуров регулирующее звено, через которое замыкаются цепи обратных связей по обоим контурам (ОойзсИаШ: е1 а1. Д 994).

Главной задачей дыхательного центра как дыхательного регулятора является участие в работе замкнутой цепи хеморецепторного управления и в этом смысле выполнение основного назначения дыхательной системы в целом. Проанализируем механизм работы этого контура (регулирующей подсистемы), условно отделив его от остальной части системы. Главная задача дыхательного центра — регулировать газообмен. В структуре дыхательного центра выделен в качестве отдельного блока регулятор по хеморецепторному контуру. На входы этого регулятора, с одной стороны, поступают сигналы так называемой уставки, которые определяют требуемые в текущий отрезок времени значения основных регулируемых переменных (напряжения газов в крови). С другой стороны, в регулятор поступает информация от хеморецепторов, участвующих в контроле реального напряжения газов в артериальной крови и спинномозговой

жидкости. Разница значений этих входных сигналов приводит в действие регулятор, который оказывает соответствующее влияние на