Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Нейронные механизмы переключения дыхательных фаз

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Нейронные механизмы переключения дыхательных фаз"

На правах рукописи

«111111Ё111

ООЗОВЭЭ2Э

Чубаркин Артур Владимирович

НЕЙРОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ ФАЗ

03 00 13 - физиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Самара 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»

Научный руководитель- докюр медицинских наук,

профессор Якунин Валерий Ефимович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук

профессор Сергеев Олег Степанович (Самара),

кандидат медицинских наук

Андрианов Борис Александрович (Тольятти)

Ведущая организация: Оренбургская государственная медицинский академия

Защита состоится «_»_2007 г в_часов на

заседании диссертационного совета Д 208 085 03 по защите диссертации на соискании ученой степени кандидата медицинских наук по специальности 03 00 13 - физиология при ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет Росздрава» (443079, г Самара, пр Карла Маркса, 165 «Б»)

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет Росздрава» (443001, г Самара, ул Арцыбушевская, 171) Автореферат разослан «_»_2007 г

Ученый секретарь

Диссертационного совета,

Доктор медицинских наук, профессор

В А Кельцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования После исследований Геринга и Брейера (1868), объяснявших переключение дыхательных фаз с позиции замкнутого рефлекторного кольца и участии в эгом процессе блуждающих нервов, были получены многочисленные результаты, значительно расширившие и углубившие наши представления о механизмах переключения дыхательных фаз (Lumsden, 1923, Вакслейгер, 1949, Cepi невский, 1950, Euler, 1986, Feldman, 1986, Сергиевский и соавт, 1993, Глебовский, 1994, Пятин, Никитин, 1998 и др ) К настоящему времени наиболее изучен механизм переключения вдоха на выдох, менее понятен и недостаточно исследован механизм переключения выдоха на вдох (или «включения» в активный процесс механизма, запускающего вдох и поддерживающего плавное нарастание центральной инспираторной активности - ЦИЛ) Согласно представлениям Feldman (1976), Cohen (1979), Euler (1986), Пятина, Никитина (1998), этот механизм осуществляется генератором ЦИА В переключении дыхательных фаз участие различных групп дыхательных нейронов недостаточно полно исследовано

Наиболее ценные результаты, объясняющие переключение дыхательных фаз и ритмогелез, были получены при использовании техники внутриклеточной (Richter, 1985, 1992 и др) и внеклеточной регистрации активности дыхательных нейронов (ДН) (Сергиевский и соавт, 1975, 1993, Bradley et al, 1975, Cohen, 1981, Сергеев, 1984, Пятин, Никитин, 1998, Меркулова, Инюшкин, 2001, Сафонов, Лебедева, 2003, Андрианов, 2005, Пятин и соавт, 2006) Предполагают, что генерация ЦИА обусловлена неимпульсными формами взаимодействия нейронов - электротоническими влияниями медленных изменений мембранных потенциалов, возникающих в дендритных разветвлениях (Euler, 1986, Feldman, 1986), увеличением внеклеточной концентрации ионов К+ во время вдоха, которое способствует деполяризации инспираторных нейронов (ИН) (Richter et al, 1978), модуляцией поступления сигналов от хеморецепторов к ИН по ходу дыхательного цикла (механизм ворот - «gattmg») (Глебовский, 1994)

Известно, что переключение дыхательных фаз можно вызвать не только электрическим раздражением структур ствола мозга, но и раздражением различных афферентных нервов Раздражение гигантоклеточного ядра продолговатого мозга наряду с переключением дыхательных фаз способно задавать «произвольный» дыхательный ритм (Кедер-Степанова, 1981, Сергеев, 1984, Якунин, 1987, Сергиевский и соавт, 1993 и др)

Проблема произвольной регуляции дыхательного ритма и навязывание «произвольного» дыхательного ритма актуальна в связи с недостаточным знанием о нейронных механизмах переключения дыхательных фаз и недостаточной изученностью поведения ДН при навязывании дыхательным движениям различной по частоте периодики

С теоретической точки зрения навязывание дыхательного ритма электрической стимуляцией гигантоклеточного ядра продолговатого мозга позволяет понять механизмы переключения дыхательных фаз, а с практической — выявить наиболее оптимальный произвольно навязанный ритм при оценке поведения ритмгенерирующих и паттернгенерирующих дыхательных нейронов Не менее значимым с теоретической и практической точек зрения является решение вопроса о функциональном взаимодействии генератора ритма и центрального генератора паттерна (ЦГП) (Якунин, 1987,1991), включающего генератор ЦИА, механизм выключения вдоха, механизм центрального торможения вдоха и механизм генерации активных выдохов (Глебовский, 1994), а также участие в этих процессах ретикулярных нейронов ствола мозга

Исходя из того, что дыхательные нейроны находятся вблизи от ретикулярных нейронов, следует очевидное предположение, что между ними должны существовать тесные функциональные взаимодействия Однако, функциональная интеграция нейронных систем в организации дыхательного акта очень сложна и еще полностью не изучена

Таким образом, проблема переключения дыхательных фаз и участие в этом процессе ДН при навязывании дыхательного ритма продолжает оставаться во многом нерешенной

Перечисленные факты и их анализ привели нас к заключению о необходимости исследования нейронных механизмов влияния [ЮС на ритм- и паттернгенерирующие ДН и участие последних в переключении дыхательных фаз и согласовании естественного и навязанного дыхательных ритмов

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы явилось изучение нейронных механизмов переключения дыхательных фаз при навязывании произвольной частоты дыхательным движениям электрической стимуляцией инспираторных и экспираторных «точек» гигантоклеточного ядра продолговатого мозга

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи 1 оценить изменения импульсной активности ретикулярных и дыхательных нейронов при переключении дыхательных фаз вдоха на выдох и выдоха на вдох,

2 изучить изменения импульсной активности дыхательных и ретикулярных нейронов при навязывании дыхательного ритма различной частоты,

3 выявить особенности реакций паттерн- и ритмгенерирующих нейронов при переключении дыхательных фаз и навязывании дыхательного ритма не согласующегося по частоте с естественным ритмом

Научная нов изна работы Впервые, используя современные нейрофизиологические методы, на клеточном уровне исследовано действие произвольно навязанного ритма на автоматическое (ритмическое) дыхание животных В работе по пучены данные, позволяющие подойти к пониманию механизмов произвольной коррекции автономнот о процесса дыхания

Определены механизмы влияния произвольно навязанною ритма на импульсную активность нейронов дыхательного центра При этом наиболее

существенные изменения отмечаются у ритмгенерирующих дыхательных нейронов (нреинспираторных, постинспираторных и ранних инспираторных нейронов)

Импульсная активность ритм- и паттернгенерирующих ДН зависит от неспецифических структур РФ продолговатого мозга, что отчетливо проявилось при стимуляции инспираторных и экспираторного мест, в которых у нейронов отсутствует периодическая дыхательная активность

Научно-практическая значимость исследования Полученные в работе результаты изменений импульсной активности дыхательных нейронов при электрической стимуляции структур гигантоклеточного ядра продолговатого мозга, вызывающих переключение дыхательных фаз, важны для анализа нейронных механизмов генерации ритмической дыхательной активности и адаптивной перестройки этой активности при навязывании дыхательного ритма С теоретической точки зрения полученные результаты позволили оценить роль различных типов дыхательных нейронов в переключении дыхательных фаз, а с практической — выявить наиболее оптимальный произвольно навязанный ритм, согласующийся с автоматическим дыхательным ритмом

Изучение регуляции дыхательного ритма существенно не только для понимания систем управления дыханием, но и для медицинской практики — для более обоснованного подхода к ведению больных с расстройствами дыхания центрального происхождения Полученные результаты, в которых наблюдались изменения в дыхательной системе при навязанных ритмических режимах, представляют интерес для клинических ситуаций, требующих использования управляемого дыхания, а также в психотерапевтической практике Основные положения, выносимые на защиту

1 Нейроны дыхательного центра и вся дыхательная система в целом способны в довольно широких пределах воспроизводить задаваемый стимуляцией инспираторных и экспираторного мест гигантоклеточного ядра продолговатого мозга вынужденный ритмический режим, отличающийся от

спонтаиного дыхательного ритма Устойчивый режим дыхания при таких ритмических раздражениях может поддерживаться в течение длительного времени

2 В обеспечении функции генерации ритма и паттерна инспирагорный и экспираторным классы нейронов организованы не симметрично По синаптическим входам два класса нейронов организованы асимметрично у экспираторных нейронов выявлены олигосинаптические (в том числе моносинаптические) возбуждающие входы, а у инспираторных нейронов - полисинаптические (реже олигосинаптические) возбуждающие входы

3 Чрезмерно частый (более чем на 30%) или редкий (на 25% и более) навязанный ритм по сравнению с исходным спонтанным ритмом угнетал активность дыхательного центра за счет уменьшения в 2-5 раз импульсной активности ритмгенерирующих (ранних инспираторных, преинспираторных и постинспираторных) и в меньшей степени у паттернгенерирующих (инспираторных и экспираторных) нейронов Изменения импульсной активности ритм- и паттернгенерирующих нейронов определялись тем, насколько был согласован по частоте произвольный с автоматическим дыхательным ритмом

Апробация работы Основные результаты исследования были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и методика профессионального образования в научно-педагогических исследованиях» (Москва, 2001), межвузовской конференции (Самара, 2005), на заседании Самарского отделения Всероссийского физиологического общества им ИП Павлова (2006)

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 9 научных работ

Структура и обьем диссертации Диссертация объемом 114 страниц, в том числе 15 рисунков, состоит из введения, обзора литературы, главы «Материал и методы исследования», 2-х глав экспериментального

исследования, заключения и выводов Список цитируемой литературы содержит 212 источников, 136 из которых иностранных авторов

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ С целью моделирования навязанного дыхательного ритма и изучения при этом изменений импульсной активности дыхательных паттерн- и ритмгенерирующих нейронов раздражали инспираторные и экспираторное места гигантоклеточного ядра продолговатого мозга кошек, описанные Якуниным В Е (1987) Острые опыты выполнены на 66 кошках весом 2,5 - 3,5 кг, наркотизированных этаминалом натрия (40-50 мг на кг) Раствор наркотического вещества вводили в брюшную полость животного или поверхностную вену предплечья Операционная подготовка животных состояла из ряда обязательных хирургических приемов, которые необходимы при нейрофизиологических исследованиях Доступ к продолговатому мозгу осуществлялся с дорсальной стороны Количество препарируемых нервов зависело от конкретных задач исследования и в различных опытах варьировало от 3 до 5 Электрическую активность в диафрагмальном, наружных и внутренних межреберных нервах 8-11 сегментов спинного мозга отводили при помощи серебряных биполярных погружных электродов

Отведение и регистрация электрической активности нейронов продолговатого мозга проводились с помощью стандартного комплекса аппаратуры для микроэлектродных исследований Импульсную активность нейронов регистрировали в вентролатеральном субъядре одиночного пучка, обоюдном ядре и пре-Бетцингеровом комплексе

Раздражение гигантоклеточного ядра осуществляли при помощи стимулятора ЭСУ-2 электрическими импульсами прямоугольной формы длительностью 0,1-1 мс, которые подавали через би- или монополярные металлические электроды, а также стеклянные электроды, заполненные сплавом Вуда Кончики последних были электролитически покрыты платиной Использовали короткую серию стимулов с частотой до 200 Гц при силе тока от

5 до 50 мкА Положение раздражающих электродов устанавливали после опыта гистологически

Результаты исследования обработаны методом вариационной статистики Определение достоверности различий результатов исследований осуществляли по ^критерию Стыодента

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 1. Особенности изменений импульсной активности дыхательных и ретикулярных нейронов при переключении дыхательных фаз, вызванном электрической стимуляцией гигантоклеточного ядра продолговатого мозга 1.1. Изменения импульсной активности дыхательных нейронов Для моделирования переключения дыхательных фаз - выдоха на вдох и вдоха на выдох - производили электрические раздражения инспираторных и экспираторного мест гигантоклеточного ядра продолговатого мозга, описанных Якуниным и Киреевой (1978), Якуниным (1991), и локализованных в центре Миславского-Питтса Участие этого центра в переключении дыхательных фаз исследовалась ранее Кедер-Степановой (1966), Габдрахмановым (1972), Сергиевским и соавт (1993) Высказано мнение (Глебовский 1994), что, возможно, эти места - скорее не скопление тел нейронов, а — скопление проводящих путей Поэтому изначально с целью определения плотности и состава нейронов в инспираторных и экспираторном месте ЯСС изучена их импульсная активность у б наркотизированных нембуталом кошек

В инспираторной области ЛОС, простирающейся от 2,8 мм до 4,2 мм ростральнее задвижки, 0,5 — 2 мм латеральнее средней линии и на глубине 3-4 мм от дорсальной поверхности, стимуляция которой сопровождается отчетливым переключением выдоха на вдох, выявлена высокая плотность нейронов с различными типами импульсной активности (редкий, непрерывный, нерегулярный), но не связанной с фазами дыхательного цикла Из 376 зарегистрированных нейронов в этой области 12 нейронов были дыхательными 10 инспираторных нейронов (ИН) и 2 экспираторных нейрона (ЭН)

В экспираторной области с координатами 2,4 — 2,7 мм ростральнее задвижки, 1,4 - 1,7 мм латеральнее средней линии и на глубине 2,8 - 3,2 мм от дорсальной поверхности продолговатого мозга, стимуляция которой сопровождалась отчетливым переключением вдоха на выдох, зарегистрирована также высокая плотность ретикулярных нейронов Из 137 исследованных нейронов в этой области 2 нейрона были дыхательными (1 ИН и 1 ЭН)

При стимуляции описанных выше областей КОС в течение 0,5 — 1,5 с (100-200 Гц) наблюдали отчетливо выраженное переключение дыхательных фаз, сопровождавшееся появлением и увеличением суммарной электрической активности в наружных межреберных нервах и диафрагмальном нерве, и торможением активности во внутренних межреберных нервах, если раздражалась инспираторная область в фазу выдоха, и появление электрической активности во внутренних межреберных нервах и торможение инспираторной активности, если раздражалась экспираторная область Изменения электрической активности в исследованных нервах и мышцах происходили не только за счет увеличения числа разрядов, но и появления вызванной активности ранее «молчавших» нейромоторных единиц

При кратковременном высокочастотном раздражении инспираторных и экспираторного мест 1ШС реакции большинства ДН соответствовали изменениям суммарной электрической активности диафрагмального и наружных межреберных нервов Характер изменений импульсной активное ж у различных классов ДН вентрального и дорсального дыхательных ядер при этом указывает на существование четких антагонистических отношений между нейронами инспираторных и экспираторного мест 1ШС и противоположным классом ДН Так, при раздражении инспираторных мест появлялась и усиливалась импульсация большинства ИН и прекращалась - у ЭН-нов При раздражении экспираторного места отмечались противоположные эффекты

Следует подчеркнуть, что эффект ог раздражения этих мест состоял не только в переключении дыхательных фаз, но и в активации (или подавлении)

импульсной активности определенных групп ДН и вовлечении в активность молчавшх нейронов, за счет чего возрастал конечный дыхательный результат

При кратковременной стимуляции инспираторной области 1ЮС в любой момент развития выдоха подавлялась импульсная активность ЭН и развивался преждевременный вдох, продолжительность которого и характер импульсной активности полных и поздних ИН зависели от того, в раннюю или позднюю часть выдоха наносилось раздражение При этом в любой момент развития вдоха тормозилась импульсная активность ЭН-ов и наступал преждевременный вдох В импульсную активность вовлекалось 94% исследованных полных и поздних ИН-ов В ряде случаев при стимуляции инспираторных мест средняя частота разрядов полных и поздних ИН возрастала в 2 - 5 раз Особенности изменений вызванной импульсной активности ДН ядра одиночного пучка (дорсальное дыхательное ядро) и обоюдного, позадиобоюдного ядер (вентральное дыхательное ядро) по сравнению с исходной импульсациеи представлены в таблицах 1 и 2

Изменения вызванной импульсной активности инспираторных нейронов при переключении выдоха на вдох, представленные в таблицах 1 и 2, были получены от одних и тех же нейронов Для этого один раздражающий электрод фиксировался, а другой был подвижным Поэтому можно сравнить реакции одних и тех же нейронов на стимуляцию различных мест инспираторнои области И О С Как видно из таблиц, существенных различий в ответных реакциях ИН-ов не было Обращает на себя внимание более значительное увеличение средней частоты разрядов у исследуемых типов нейронов при раздражении во вторую половину выдоха Это касалось и количества нейронов, усиливавших импульсную активность при этом

Таблица №1

Изменения средней частоты разрядов ИН дорсального дыхательного ядра (полные, поздние) в % при переключении выдоха на вдох, вызванные

стимуляцией инспираторной области RGC

Раздражаемые Тип и Момент раздражения

инспираторные количество I половина выдоха II половина выдоха

места, их нейронов Изменение средней частоты разрядов

координаты в усиление ослабле усиление ослабле

мм ние ние

Эпицентр полные ИН N = 8 N= 18 N = 16 N = 10

места 1иЗС с N = 26 29,3 ± 7,4 19,4 ±9,3 57,5 ± 11,8 11,6 ±6,6

координатами поздние ИН N = 5 N=11 N = 10 N = 6

4 - 0,5 - 3,4 мм N=16 21,4 ±9,7 18,8 ±7,9 31,8 ± 14,7 10,9 ±4,1

Эпицентр полные ИН N = 9 N=18 N=19 N = 8

места КХЗС с N = 27 30,7 ± 6,8 20,1 ± 0,4 59,9 ± 10,6 14,2 ±8,8

координатами поздние ИН N = 6 N = 10 N=11 N = 5

3 — 2 - 4,3 мм N=16 17,7 ± 8,1 16,8 ±9,1 40,0 ±7,8 14,7 ±7,9

Примечание Координаты 4-0,5 - 3,4 мм означают 4 мм ростральнее задвижки, 0,5 мм латеральнее от средней линии, 3,4 мм вглубь от дорсальной поверхности продолговатого мозга

По сравнению с полными ИН у поздних ИН эти изменения были меньшими Видимо, это объясняется тем, что поздние ИН, судя но внутриклеточным отведениям (Richter, 1982), тормозят активность полных ИН

Импульсная активность ЭН-пов при раздражении и в первую, и во вторую половину выдоха тормозилась

Таблица № 2

Изменения средней частоты разрядов инспираторных (полных и поздних) нейронов вентрального дыхательного ядра в % при переключении выдоха на

вдох, вызванном стимуляцией инспираторной области ЯСС и ¡ЧТЭ

Раздражае мые инспиратор ные места, их координаты в мм Тип и количество нейронов Момент раздражения

I половина выдоха II половина выдоха

Изменение средней частоты разрядов

усиление ослабление усиление ослабле ние

Эпицентр полные 19,8 ± 11,6 27,8 ± 12,5 42,3 ±9,8 24,7 ±8,6

места ЯСС с ИН N=17 N = 56 N = 58 N=15

координа N = 73

тами поздние 18,8 ± 10,7 21,3 ± 11,6 29,3 ±11,1 20,6 ± 7,9

4 - 0,5 - 3,4 ИН N = 9 N=19 N=16 N=12

мм N = 28

Эпицентр полные 21,5 ± 9,6 29,4 ± 13,2 44,4 ± 12,3 20,7 ± 9,5

места ИХЗС с ИН N=14 N = 55 2 II N = 20

координа N = 69

тами поздние 19,1 ± 10,8 31,3 ± 14,1 31,0± 13,8 27,3 ± 16,1

3-2-4,3 ИН N = 5 N = 18 N=10 N= 17

мм N = 27

Эпицентр полные 17,7 ± 10,9 24,5 ± 13,3 27,8 ± 10,8 23,4 ± 11,2

места ЬЮС с ИН N=12 N = 59 N = 38 N = 34

координа N = 71

тами поздние 25,1 ± 16,7 28,3 ± 10,5 20,1 ± 8,5 17,9 ±9,3

1 - 2,5 - 2,5 ИН N = 4 N = 22 N=11 N = 15

мм N = 26

Кратковременное раздражение экспираторного места с координатами 2,5 - 1,5-3 мм ( 2,5 мм ростральнее задвижки, 1,5 мм латеральнее средней линии и на глубине 3 мм от дорсальной поверхности продолговатого мозга) в любой момент развития вдоха его прекращало и развивался выдох Раздражение, наносимое со второй половины вдоха (табл 3), усиливало среднюю частоту вызванных разрядов в залпе у 29 поздних экспираторных

нейронов и у 13 полных экспираторных нейронов, а у 14 поздних ЭН и 6 полных ЭН - ослабляло 5 поздних и 2 полных ЭН при переключении вдоха на выдох не вовлекались в активность в момент стимуляции экспираторного места Результаты этой серии опытов представлены в таблице 3

Таблица № 3

Изменения средней частоты разрядов поздних и полных экспираторных нейронов вентрального дыхательного ядра в % при переключении вдоха на выдох, вызванном стимуляцией экспираторного места ЯСС

Тип и количество нейронов Момент раздражения

I половина выдоха II половина выдоха

Изменение средней частоты разрядов

усиление ослабление усиление ослабление

поздние ЭН 19,8 ± 8,7 27,2 ± 11,7 45,2 ± 13,3 27,5 ± 11,3

N = 48 N = 7 N = 36 N = 29 N = 14

полные ЭН 18,8 ±7,6 22,4 ±11,4 29,8 ± 10,7 39,2 ± 13,7

N = 21 N = 7 N=12 N=13 N = 6

Примечание 5 поздних и 2 полных ЭН не вовлекались в активность

Таким образом, анализ изменений средней частоты разрядов ДН-ов при раздражении инспираторной области и экспираторного места КОС показал их зависимость от типа нейрона и времени, прошедшего от начала развития фаз дыхательного цикла, через которое наносилось раздражение Особенно отчетливо это проявляется от того, когда наносится раздражение в первую или вторую половину вдоха или выдоха (см таблицы 1-3) Это согласуется с представлениями об обратимой и необратимой фазах переключения вдоха (Уоипев et а1, 1978, Глебовский, 1994) и делением фазы выдоха на две (Е[ и Е2) (Еи1ег, 1982 и др)

Исследование изменений импульсной активности различных типов ДН дорсального и вентрального дыхательных ядер при кратковременных раздражениях позволило выявить следующие особенности их ответов Как у полных, так и поздних ЭН и ИН наибольшее усиление их вовлекаемой

раздражением активности, увеличение числа таких нейронов наблюдались при раздражении соответственно инспираторного или экспираторного мест RGC во вторую половину фаз дыхания Можно предположить, что в инициации вдоха большее значение имеют полные, чем поздние нейроны Последние нейроны, согласно данным Richter (1992), ответственны за окончание дыхательных фаз, притормаживая активность полных нейронов

Зарегистрированные тонически разряжающиеся нейроны с учащением импульсации на вдохе (6 нейронов) и выдохе (4 нейрона) реагировали подобно полным ИН или ЭН первые вовлекались в активность, а вторые - тормозились при переключении выдоха на вдох, и противоположная картина отмечалась при переключении вдоха на выдох

Существенные изменения активности наблюдались при стимуляции инспираторных и экспираторного мест у ДН с редкими разрядами в залпе и «молчащих» нейронов, которые значительно увеличивали свою импульсную активность или начинали разряжаться в одну из фаз дыхательного цикла

Особенные реакции на раздражение инспираторной области и экспираторного места RGC наблюдали у преинспиратрных, ранних инспираторных и постинпираторных нейронов У этих нейронов импульсная активность либо прекращалась, либо в значительной степени ослаблялась независимо от того, раздражались инспираторные или экспираторное места RGC Конфигурация нейронов этого типа (учащение импульсации на границе дыхательных фаз) косвенно свидетельствует об их участии в естественном переключении дыхательных фаз

Установлено, что по мерс развития фазы вдоха порог ее переключения на выдох уменьшался В ходе развития выдоха порог его переключения (или включения вдоха) также снижался Чем ближе к началу вдоха или выдоха приходилось раздражение соответственно экспираторного или инспираторного места, тем большая требовалась сила тока для переключения дыхательных фаз и вовлечения в импульсацию полных и поздних ИН и ЭН

-161.2 Изменения импульсной активности ретикулярных нейронов обоюдного ядра и ядра одиночного пучка на электрические раздражения инспираторных и экспираторного мест гигантоклеточного ядра продолговатого мозга

Изменения импульсной активности ретикулярных нейронов (РН) NTS и NA анализировали только в тех случаях, когда электрическая стимуляция инспираторного и экспираторного мест сопровождалась специфическими дыхательными эффектами, состоявших в появлении рефлекторных разрядов в нервах дыхательных мышц и отсутствием вызванных ответов в нервах конечности

Электрическое раздражение пороговым током RGC с координатами 3 -2-4 мм изменяли среднюю частоту разрядов 74 из 312 исследованных РН NA Импульсная активность РН изменялась в большей степени, чем у ДН этой же области У 32 РН импульсная активность возрастала на 181,7 ± 32,1 % по сравнению с исходным уровнем, а у 42 РН - уменьшилась на 72,3 ± 17,4 % На электрическое раздражение пороговым током этой же области отвечали изменением импульсации 49 РН из 232 исследованных РН NTS у 22 РН увеличивалась средняя частота разрядов (на 82,4 ± 19,7 %) и у 27 PII -уменьшалась (на 76,3 ± 13,4 %)

При раздражении экспираторного места с координатами 2,5 — 1,5-3 мм изменения импульсации РН NA наблюдались у 18 % РН от всех исследованных У 21 РН средняя частота разрядов ослаблялась на 87,7 ± 9,4 %, а у 11 РН - усиливалась на 142,8 ± 37,8 % по сравнению с исходной импульсной активностью

Полученные результаты показывают, что центральная программа, реализуемая при активности дыхательного центра (ДЦ), достаточно сложна и включает тонические и фазные компоненты На основании анализа нейронной организации, функциональных связей дыхательно активных мест RGC продолговатого мозга можнозаключить , что сложившиеся представления об их физиологической роли не отражают всей сложности выполняемых ими

функций Нервные клетки ИМ и ЭМ RGC наряду с такими функциями как управление интер- и мотонейронами дыхательных мышц (Andersen, Sears, 1971, Якунин, 1991, Сергиевский и соавт, 1993 и др ), обеспечение притока постоянной фоновой активности, необходимой для рабочего состояния генератора (Кедер-Степанова, 1981), обладая высокой спецификой действия, оказывают фазные и тонические активирующие влияния на нейроны соответствующего класса и тормозят нейроны противоположного класса, синхронизируя как возбуждающие, так и тормозные влияния и таким образом влияя на переключение дыхательных фаз В пользу такого заключения говорят факты последовательного включения в активность различных типов паттернгенерирующих ДН, вовлечения в активность или ее угнетение у ритм-генерирующих ДН при раздражении ИМ и ЭМ RGC при работающем генераторе Между нейронами ИМ и ЭМ RGC существуют антагонистические, реципрокные отношения Мощные инспираторные и экспираторные эффекты, вызванные раздражением дыхательных нейронных группировок RGC, обусловлены усилением активности большинства ДН соответствующего класса, рекрутированием молчащих ДН и вовлечением в активность нейронов дыхательных мышц

2. Реакции дыхательных нейронов на навязывание дыхательного ритма различной частоты, вызванного электрической стимуляцией инспираторного и экспираторного мест гигантоклеточного ядра продолговатого мозга

Навязывание дыхательного ритма осуществляли последовательной электрической стимуляцией или одного из «дыхательных» мест, изменяя продолжительность раздражения в различных сериях, или последовательной стимуляцией инспираторного и вслед за этим - экспираторного месга

Частота навязанного ритма и дыхательный паттерн определялись продолжительностью раздражений и моментом нанесения раздражения на первую или вторую половину дыхательной фазы приходилось раздражение Раздражение экспираторного места в первую половину вдоха (обратимая фаза

выключения вдоха) переключало фазу вдоха на выдох Однако продолжительность вызванного выдоха и последующего вдоха были тем меньше, чем ближе к началу естественного вдоха наносилось раздражение Следует отметить, что стимуляцией инспираторного или экспираторного места можно было увеличить частоту дыхательных движении на 73,6 ± 9,8 % и при этом не наблюдалось ускользания дыхательного ритма Подобная картина отмечалась и при раздражении инспираторного места Гигантоклеточного ядра продолговатого мозга в первую половину выдоха При этом можно было увеличить частоту дыхательных движений на 81,4 ± 9,5 %

Продолжительные раздражения инспираторного или экспираторного мест удерживали развитие соответствующей фазы до тех пор, пока продолжалось раздражение Поэтому частоту дыхательных движений можно было уменьшить до 2-4 дыханий в минуту. При этом электрическая активность диафрагмы и наружных межреберных мышц в ряде случаев ускользала из-под навязанного редкого дыхательного ритма

Таким образом, ритмичными раздражениями инспираторного или экспираторного места гигантоклеточного ядра продолговатого мозга удавалось добиться изменения естественного ритма дыхательных движений Дыхательная система устойчиво воспроизводила один из двух навязанных ритмических режимов с меньшей или большей частотой, чем частота спонтанного дыхания По мере развития фаз дыхания уменьшался порог переключения дыхатечьпых фаз, и соответственно изменялась продолжительность выдоха или вдоха

Характер изменений импульсной активности у дыхательных нейронов при навязывании редкого или частого дыхательного ритма был близким, если не тождественным, наблюдавшимся изменениям при переключении дыхательных фаз, описанных выше

Абсолютное большинство полных и поздних инспираторных нейронов (83 из 86) вентрального и дорсального дыхательных ядер и 48 из 59 полных и поздних экспираторных нейронов вентрального дыхательного ядра усваивали

навязанный ритм в ответ иа раздражение инспираторного и экспираторного мест гигантоклеточного ядра

Наиболее существенные различия в «поведении» у дыхательных нейронов при навязывании редкого и частого дыхательного ритма были у ранних ИП, преинспираторных и постинспираторных нейронов, с одной стороны, и других типов ДН, с другой стороны Изменения импульсной активности у полных и поздних ИН и ЭН зависели от момента нанесения раздражения чем ближе приходилось раздражение к началу следующей залповой активности нейрона, тем эффективнее была стимуляция Последнее выражалось в увеличении средней частоты разрядов в залпе, но - в неизменности местоположения и конфигурации залпа

Реакции ранних ИН, пост-ИН и пре-ИН состояли в значительном угнетении или полном подавлении их импульсной активности при вызванном учащении дыхательных движений и увеличении или уменьшении их активности при урежении дыхания

У остальных групп ДН, относимых нами к патгернгенерирующим нейронам, учащение или урежение дыхательных движений менее чем на треть естественного ритма сопровождалось увеличением вызванной средней частоты импульсации нейронов Большее учащение или урежение дыхательных движений, вызванное стимуляцией инспираторного или экспираторного места, ослабляли импульсную активность по сравнению с исходной

Особенность навязывания искусственного дыхательного ритма раздражением инспираторных мест ИОС по сравнению с другими воздействиями, переключавшими выдох на вдох по данным других авторов, состояла в «активном» переключении фазы выдоха на вдох, которое сопровождалось коротколатентной вызванной импульсацией ИН и вовлечением в активность ранее «молчавших» ИН

Установлено, что по мере развития вдоха или выдоха вовлекалось в импульсную активность все большее число ДН-ов соответствующего класса

Количественные изменения импульсной активности ДН-ов зависели от многих факторов класса и типа нейрона, момента действия раздражения от начала естественной импульсации нейрона, характера связей с исследуемым нейроном, силы и частоты раздражения

Качественные ответы на раздражение у большинства ДН одного класса (полные, поздние) были одинаковыми и сохранялась последовательность вовлечения в активность нейронов (полные, поздние) при переключении дыхательных фаз В отличие от данных Кедер-С гепановой (1981), полученных при раздражении центра Миславского, большинство ДН одного класса, исключая ранние ИН, пре-ИН и пост-ИН, в наших наблюдениях реагировали качественно одинаково, что, видимо, связано с более высокой спецификой действия инспираторных и экспираторного мест RGC Однако полученные результаты (ответы инспираторного и экспираторного классов нейронов) указывает на то, что в обеспечении функции генерации ритма два класса ДН организованы несимметрично

Внутригенераторные взаимодействия нейронов в ходе развития вдоха и выдоха способствуют понижению порога переключения дыхательных фаз Этим объясняется легкость переключения вдоха на выдох с вовлечением большего числа ЭН-ов и большей их импульсацией в конце вдоха при раздражении экспираторного места RGC, и затруднения в переключении выдоха на вдох, вызванного раздражением инспираторного места в начале выдоха (малое число вовлекаемых ИН-ов с низкой частотой их импульсации) Раздражение этих мест по мере развития вдоха и выдоха вовлекало в активность все большее и большее число ДН-ов соответствующего класса, по-видимому, в связи с ослаблением их торможения

Учитывая особенности ответов ДН-ов, можно допустить, что ретикулярные нейроны инспираторных и экспираторного мест RGC выполняют синхронизирующую функцию по отношению к инспираторному и экспираторному классу нейронов

Непрерывно раздражающиеся нейроны с учащением на вдохе или выдохе отвечали подобно полным и поздним инспираторным и экспираторным нейронам, чго свидетельствует, видимо, о функциональной однородности этих групп нейронов

Независимо от раздражаемого места пре-ИН, ранние ИН и пост-ИН ослабляли или прекращали импульсацию Аналогичный эффект у таких нейронов наблюдали и другие исследователи при поддувании воздуха в легкие (Cohen, Feldman, 1984), при раздражении структур ствола мозга (Якунин, 1987). Полученные данные позволяют предположить об участии этих нейронов в естественном переключении дыхательных фаз Это предположение подкрепляется результатами внутриклеточных исследований ДН (Richter, 1992)

выводы

1 Механизмы выключения вдоха и включения выдоха осуществляются при участии различных групп дыхательных нейронов также как и механизм развития фазы вдоха и фазы выдоха

2 При электрической стимуляции инспираторных и экспираторного мест ретикулярного гигантоклеточного ядра продолговатого мозга у кошек дыхательная система устойчиво воспроизводит навязываемый ритмический режим (с большей или меньшей частотой по сравнению с гомеостатическим, спонтанным дыханием) В механизмах произвольного переключения дыхательных фаз принимают участие ретикулярные нейроны RGC продолговатого мозга

3 Отчетливые различия в изменениях импульсной активности у преинспираторных, ранних инспираторных, постинспираторных, с одной стороны, и у других типов дыхательных нейронов (инспираторных нейронов с нарастающей активностью, поздних инспираторных нейронов и экспираторных нейронов), с другой стороны, при стимуляции инспираторных и экспираторного мест RGC продолговатого мозга, вызывающих переключение дыхательных фаз, указывают на преимущественное участие в переключении фаз пре-ИН, пост-ИН и ранних ИН

4 Чрезмерно частый (чаще более, чем на 30%) или редкий (реже, чем на 25% и менее), навязанный ритм по сравнению с исходным спонтанным, гомеостатическим ритмом угнетал активность дыхательного центра за счет подавления или значительного уменьшения импульсации ранних инспираторных, преинспираторных и постинспираторных нейронов и в значительно меньшей степени — других типов дыхательных нейронов

Импульсная активность паттернгеиерирукнцих дыхательных нейронов определялась тем, насколько согласован на частоте произвольный ритм с естественным дыхательным ритмом

Спнсок работ, опубликованных по теме диссертации

1 Чемпалова J1 С , Еманов С И , Михайлов Э В , Чубаркин А В , Бекетова IIB Электрофизиологический анализ топографического картирования мозга посредством «Нейрокартографа» // сборник научных работ аспирантов, докторантов, соискателей ученых степеней «Теория и методика профессионального образования в научно-педагогических исследованиях» -Москва, 2001 -С 331-343

2 Астафьев Д В , Чемпалова JI.C , Еманов С И, Чубаркин А В Активизация функции внешнего дыхания общеразвивающими упражнениями // Межвузовский сборник научно-исследовательских работ преподавателей и студентов — Самара СГТТУ, 2005 - С 115-118

3 Еманов С И, Чубаркин А В, Михайлов Э В, Чемпалова Л С Моделирование гипокапнических состояний посредством произвольной гипервентиляции // Межвузовский сборник научно-исследовательских работ преподавателей и студентов - Самара, СГПУ, 2005 — С 147-150

4 Чубаркин А В Реакции дыхательных нейронов при переключении фаз и навязывании дыхательного ритма стимуляцией структур ствола мозга // Вестник Самарского государственного университета, 2006, № 7 - С 249-255

5 Еманов С И , Чубаркин А В, Михайлов Э В , Чемпалова Л С Изменение физиологических и психофизиологических показателей при кратковременном и долговременном действии дыхательных техник на организм // Сборник «Научно-методические проблемы модернизации профессионального образования» -М РАО ИСМО, 2007 - С 362-364

6 Чубаркин А В , Еманов С И , Бекетова Н В , Михайлов Э В Навязывание искусственного ритма дыхательным нейронам и дыхательным движениям посредством стимуляции нейронных группировок дыхательного центра // Сборник «Научно-методические проблемы модернизации профессионального образования» - М РАО ИСМО, 2007 - С 364-366

7 Чубаркин Л В, Михайлов Э В, Еманов С И, Бекетова Н В Электрофизиологический анализ взаимодействия и связей нейронов латеральных ядер дыхательного центра // Сборник «Научно-методические проблемы модернизации профессионального образования» — М РАО ИСМО, 2007 - С. 367-368

8 Чубаркин А В , Еманов С И Участие нейронов гигантоклеточного ядра продолговатого мозга в переключении дыхательных фаз // Сборник «Научно-методические проблемы профессионального образования» - М РАО ИСМО, 2007 - С 96-100

9 Еманов С И , Чубаркин А В Дыхательная модуляция экспираторного рефлекса и рефлекса вздрагивания // Сборник «Научно-методические проблемы модернизации профессионального образования» - М РАО ИСМО, 2007 - С 96-100

Подписано в печать 12 04 2007 г Формат 80x64/16 Печать оперативная Уел п л -1,5 Заказ № 566 Тираж-100 экз ООО типография «Форум» 445009, г Тольятти, ул Радищева, 12