Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Оксигенация и кровоснабжение головного мозга животных при дыхании газовыми смесями высокой плотности

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Оксигенация и кровоснабжение головного мозга животных при дыхании газовыми смесями высокой плотности"

ИНСТИТУТ ЭВОЛЮЦИОННОЙ ФИЗИОЛОГИИ И БИОХИЛШИ им. И. М. СЕЧЕНОВА РАН

На правах рукописи

АТОЧИН Дмитрий Николаевич

УДК 612.824+612.127+612.014.41

ОКСИГЕНАЦИЯ И КРОВОСНАБЖЕНИЕ ГОЛОВНОГО МОЗГА ЖИВОТНЫХ ПРИ ДЫХАНИИ ГАЗОВЫМИ СМЕСЯМИ ВЫСОКОЙ плотности

Специальность: 03.00.13 — Физиология человека и животных

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1992

Работа выполнена в Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М., Сеченова РАН.

Научный руководитель: доктор биологических наук А. И. Кривченко.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Ю. Е. Москаленко; доктор медицинских наук В. В. Полонский.

Ведущее учреждение: Научно-исследовательский институт медико-биологических проблем МЗ Российской Федерации.

заседании Специализированного совета К 002.89.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук при Институте эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН (194223, Санкт-Петербург, пр. Тореза, 44).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова РАН.

Защита состоится

1992 г. в

ча<

часов на

Автореферат разослан

1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат биологических наук

Л. В. Зуева

- .. 'J'j ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ.

Оптимизация по содержанию кислорода гипербарической газовой среды, используемой для дыхания водолазами при подводных погружениях, является одной из основных теоретических и практических задач, решение которой во многом определяет безопасность и эффективность физической работы под водой.

Данная прсблема возникает в связи с тем, что повышенная плотность дыхательной смеси затрудняет работу системы внешнего дыхания (Жиронкин и др., 1971; Трошихин и др., 1976; Бреслав, Калаче-ва, 1980; Antoniesen et al., 1971, 1976),изменяет конвективный ' транспорт кислорода в легких, его диффузию на уровне аэро-гемати-ческого барьера и других мембран, что может привести к недостаточной оксигенации артериальной крови и развитии тканевой гипоксии (Chouteau, 1969, 1976)'.

Во избежание подобных явлений необходимо увеличивать содержание кислорода в дыхательной смеси, однако допустимые пределы величины такого повышения при разном качественном составе газовой среды и различных давлениях (плотностях) остаются до сих пор неизвестными. Для решения этой проблемы необходимы, прежде всего, научные знания о закономерностях оксигенации различных органов и тканей, а также о механизмах физиологических реакций, развивающихся в организме при гипербарии.

В условиях повышенной плотности дыхательной среды формируются адаптационные реакции, которые проявляются в изменениях легочной вентиляции, ударного объема сердца, регионального кровообращения и т.д. (Van Liew, 1983; Lanphier, Camporesi, 1983; Гуляр, 1988), Однако, .некоторые важные аспекты адаптации кардио-респираторной системы к повышенному давлению пока изучены недостаточно. Важное;-'' значение имеют исследования органных сосудистых механизмов и,в частности,, церебро-васкулярных реакций, поддерживающих необходимый уровень оксигенации головного мозга в условиях высокой плотности среды; ___

Цель работы. Целью настоящего исследования явилось изучение: 'закономерностей и регуляторных механизмов оксигенации головного

мозга животных при дыхании газовыми смесями высокой плотности. Достижение поставленной цели требовало решения следующих задач:

1. Исследование динамики рОг в различных структурах головного мозга при дыханий нормоксическими газовыми смесями высокой плотности.

2. Изучение влияния гипероксии (0а - 50 КПа) на эффективность оксигенации головного мозга при дыхании газовыми смесями высокой плотности.'

3. Исследование роли мозгового кровотока в обеспечении головного мозга кислородом при повышенной плотности искусственной дыха' тельной смеси.

4. Экспериментальный анализ эффективности компенсаторных реакций кардио-респираторной системы, обеспечивающих оксигенацию мозга в условиях гипербарии.

Научная новизна работы. Впервые количественно проанализированы изменения р0а и кровотока в различных структурах головного мозга морских свинок и обезьян.в условиях высокой гипербарической плотности дыхательной среды. Показано увеличение оксигенации нервной тканй при дыхании нормоксическими гелио-кислородными, гелио-азотно-кислородными и неоно-кислородными смесями под давлением до 7,5-9,1 МПа. Экспериментально определены пороговые значения плотностей для различных дыхательных смесей, выше которых развивается гипоксия головного мозга и показана эффективность повышения содержания кислорода в плотных смесях для улучшения оксигенации нервной ткани. Впервые установлено, что при дыхании искусственными, газовыми смесями высокой плотности в организме развиваются различные компенсаторные реакции, среди которых'ведущая роль принадлежит церебро-васкулярным механизмам, обеспечивающим высокий уровень мозгового кровотока и повышенную оксигенацию головного мозга. „

Практическая значимость результатов исследования. Выявленные закономерности оксигенации головного мозга в условиях гипербарии расширяют современные представления о механизмах физиологического действия повышенной плотности дыхательной среды и позволяют определять пути оптимизации искусственных многокомпонентных дыхательных смесей. Для практики водолазных спусков и подводных работ име-

ют значение результаты, свидетельствующие о необходимости увеличения содержания кислорода в дыхательных смесях до 50 кПа в целях обеспечения должного уровня оксигенации головного мозга. Для экспериментальных исследований важное значение имеет установление критических порогов плотностей различных дыхательных смесей, ограничивающих достаточную оксигенацию головного мозга при кратковременном и длительном пребывания под давлением.

Результаты исследования использованы в научно-практических рекомендациях, выполненных по итогам НИР в рамках Общегосударственной программы по изучению и использованию Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства (программа ГКНТ СССР "Мировой океан").

Положения, выносимые на защиту: ■

- при дыхании нормоксическими гелио-кислородными, гелио-азотно-кислородными и неоно-кислородными смесями под давлением'оксигенация корковых и подкорковых структур головного мозга повышается пропорционально плотности среды;

- ведущая роль в поддержании достаточной оксигенации головного мозга в условиях высокоплотной нормоксической газовой среды принадлежит церебро-васкулярным реакциям, обеспечивающим усиление мозгового кровотока;

- при дыхании гипероксическими (0Е до 50 КПа) смесями высокой плотности повышаются оксигенация различных структур головного мозга и величины компенсаторных реакций церебро-васкулярной и кардио-респираторной системы по сравнению с нормоксическими смесями аналогичной плотности.

"■ Апробация диссертации, Основные результаты работы обсуждены и одобрены на заседании секции гипербарической физиологии Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова АН СССР (17 ноября 1988 г.), на конференции молодых ученых ИЭФБ им. И.М. Сеченова АН СССР (15 апреля 1988 г.), на Всесоюзной конференции по физиологии, патофизиологии и фармакологии мозгового кровообращения (10-12 ноября 1988 г., г.Тбилиси), на научной конференции по гипербарической физиологии (19 апреля 1989 г., г.Ленинград), на П Все-'союзном симпозиуме по кровообращению в условиях высокогорной и экспериментальной гипоксии (г. Душанбе, 2-4 октября 1990 г.), на Все-

союзной конференции по микроциркуляции (г. Фрунзе, 2-5 ноября 1990 г.), а также прошли апробацию на заседании Ученого Совета сектора Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова. Публикации. По материалам работы опубликовано 8 печатных работ. Структура и объем. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов и организации исследования, изложения собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и списка литературы.

Работа изложена на страницах машинописного текста, включая' рис, и таблиц. Список литературы содержит . источников, из них отечественных и иностранных авторов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных на 131 бодрствующем самце морских свинок весом 320-350 г. и 31 половозрелой обезьяне вида Macaca irus.

Физиологические методы. За 30 суток до начала экспериментов каждому животному под нембуталовым наркозом (35 мг/кг веса, внутрибрю-шинно) в соответствии со стереотаксическим атласом вживлялись платиновые 'электроды диаметром 100-150 мм в затылочную зону коры, хвостатое ядро и черную субстанцию у морских свинок, а также в лобную, • теменную зоны коры больших полушарий, бледный шар, гиппокамп, ретикулярную формацию у приматов. В лобную зону черепа вживляли хлорсе-ребряные электроды. Платиновые электроды использовались для полярографической регистрации напряжения кислорода (рОе) в ткани мозга и измерений мозгового кровотока (МК) методом водородного клиренса с электрохимической генерацией водорода (Демченко, 1981; Загваздин и др., 1986). ' '

За 1-3 суток обезьянам и за несколько часов до эксперимента морским свинкам подкожно вживляли электроды для регистрации ЭКГ и пнев-мограммы, а также термисторы'для измерений подкожной температуры.

Во время экспериментов обезьяны находились в специально сконструированных станках с мягкой фиксацией, обеспечивающих надежную регистрацию изучаемых показателей и достаточную подвижность животных. '

Гипербарическая техника. Эксперименты на морских свинках прово-

дились в барокамере МБК-150 (объем 7 л, рабочее давление - 15,1 МПа) и СБК-150 (объем 15 л, рабочее давление - 15,1 МПа), Камеры . оборудованы системой термостабилизации, автоматически поддерживающей заданную температуру в ходе эксперимента.

Парциальное давление кислорода в камере измерялось датчиком производства СКВ АН СССР, работающим под давлением до 15,1 МПа. Для поглощения углекислого газа использовался адсорбент СаС03.

Опыты на обезьянах осуществлялись в камере ЭДП барокомплекса КИЖ-100, созданного в ИЭ$иБ им, И.И. Сеченова АН СССР в 1986 г. для проведения исследований в условиях длительного пребывания животных (до 45 суток) под давлением до 10,1 МПа. Для многосуточных экспериментов барокамера оснащена комплексной системой жизнеобеспечения (КСЮ), в которую входит система автоматической подачи газов, система очистки дыхательных смесей, санитарно-фановая система и система автоматического управления. Измерение парциальных давлений. Оа, СОя и осуществлялось непрерывно с помощью газоанализатора ЛАОРГ фирмы БГАЕ(Франция) и газового хроматографа ЛХМ-8МД..

Последовательность проведения экспериментов. Эксперименты на морских свинках продолжались до 6 чйсов. Компрессия проводилась индифферентным газом со скоростью 0,1 МПа/мин с добавлением необходимого количества кислорода. В опытах на обезьянах компрессия проводилась по специально разработанному графику. Во время многосуточных опытов в камере поддерживался естественный световой ре- . жим, для кормления использовался пищевой рацион аналогичный ви-варному.

' Перед началом каждого эксперимента проводились контрольные измерения -всех показателей при температуре 20°С, затем животные помещались в. камеру и после 2-3 суток адаптации физиологические по-' казатели измерялись повторно. После замены воздуха в камере на искусственную дыхательную смесь еще раз осуществлялось измерение всех показателей и начиналась компрессия. На.протяжении всего опыта регистрировались р02, мозговой кровоток в исследуемых структурах мозга, ЭКГ, дыхание и подкожная температура, а также температура дыхательной газовой смеси, влажность, содержание кислорода, С02 и других газов, скорость компрессии.и декомпрессии. Температура в камере

поддерживалась таким образом, чтобы подкожная температура животных оставалась такой же, как при дыхании атмосферным воздухом.

Во всех опытах на обезьянах и в большинстве экспериментов на морских свинках проводился визуальный контроль за поведением животных через иллюминаторы барокамеры. Регистрация физиологических показателей осуществлялась с помощью установки, собранной из серийно вы-' пускаемой аппаратуры.

Все полученные данные обрабатывались по стандартным программам статистической обработки на компьютере 1ВМ/РС/ХТ-286.

РЕЗУЛЬТАТУ ИССЛЕДОВАНИЙ И Ш ОБСУЖДЕНИЕ Проведенные исследования позволили установить определенные закономерности динамики рОя в корковых и подкорковых структурах мозга морских' свинок и оо'изьян при дыхании искусственными газовыми смесями различной плотности и выявить компенсаторные реакции в кар~ дио-респираторной и церебро-васкулярноИ системах, направленные на улучшение оксигенации мозга животных в гипербарической среде.

1. Динамика рОа и кровотока в мозге морских свинок при дыхании гелио-кислородной газовой смесью под повышенным давлением.

В первой серии опытов (35 морских свинок) компрессия осуществлялась нормоксической гелко-кислородной смесью ( ГКС ) ..При .' 3,5; 6,5; 8,5 МПа компрессию останавливали для регистрации изучаемых показателей. •

При компрессии гелио-кислородной смеси до 3,5 МПа (плотность 6,7 г/л) рОа увеличивалось в хвостатом ядре на 39,0+13,9$, в затылочной коре - на 40,1±5,6/о, а в черной.субстанции достоверно не отличалось от исходных значений. При 8,5 МПа рОа увеличивалось выше исходного уровня в хвостатом ядре - на'62,1+8,3$, в черной'субстанции - на 39,0+12,5$, в коре - на 80,6+12,Компрессия до 8,0 МПа (плотность 14,8 г/л) приводила к увеличению рО^ в черной субртанции на 89,3± 14,8$, а в хвостатом ядре на 34,4+19,1°/ (Р<0,05) выше исходного уровня. Уровень рОг при 9,1 МПа'(плотность 16,8 г/л) был повышен в коре на 43,4+12,7$ и в черной субстанции на 18,2±7,6$ (Р<0,05), а в хвостатом ядре приближался к исходному.

При дыхании гипероксической (содержание кислорода 50 КПа) геЛио-;кислородной смесью (18 животных) уже при нормальном давлении р0а .

увеличивалось на 51,0+15,3$ в черной субстанции, на 56,4±16,3% в шостатом ядре и на 39,5+11,8$ в коре. Дыхание такой смесью под повышенным давлением приводило к более интенсивному росту рОс, чем 1ри нормоксическом гелиоксе. Гак, при давления 3,5 МПа рО;, повышалось на 144,4±15,2$ в черной субстанции, на 133,0+12,5/'» в хвоста- . гом ядре и на 182,2±14,в затылочной области коры (Р<0,05). Увеличение давления до 6,5 МПа вызывало дальноИшШ прирост р0с в черной субстанции на 217,0±19,2%, в хвостатом ядре - на 212,2+2,2$, в коре - на 155,0±18,6$ (Р<0,01). При 9,1 МПа р0я мозга оставалось повышенным, а затем резко снижалось, приближаясь к исходному уровню.

Динамика мозгового кровотока по направленности, в основном, соответствовала изменениям рОя мозга.'В исходном состоянии при дыхании воздухом средние величины кровотока в хвостатом ядре, черной субстанции и затылочной коре составили 0,80+0,11; 0,76+0,14; 0,39+ 0,16 мл/г/мин, соответственно. Частота сердцебиений составляла 273.,4±18,1 уд./мин, а дыхания - 109,1±18,3 циклов/мин. При давлении 3,5 МПа нормоксической ГКС кровоток увеличивался в коре на 40,3+5,5/'., в хвостатом ядре - на 47,1+10,3$, в черной субстанции - на 33,3+7,8$. Дыхание нормоксической гелио-киглородной смесью при 6,5 МПа вызывало увеличение МК в черной субстанции на'22,4+4,9% от исходного уровня и на 39,6+12,1$ в хвостатом ядре (Р<0,05). При 9,1 МПа кровоток увеличивался на 58,3+8,4$ в черной субстанции и на 34,5±2,3$ в коре по отношению к исходным значениям, а в хвостатом ядре снижался близко к исходному уровню.

Частота сердечных сокращений снижалась на 9,3+2,9$ при 3,5 МПа, на 23,1+6,3$ при 6,5 МПа и на-32,3+9,0$ при 8,0 МПа. Частота дыхания снижалась на 10,3±3,8$ при 3,5 МПа, на 14,9+3,1$ при 6,5 МПа и на 18,3±6,2$ при 8,5 МПа. В гипероксической ГКС динамика-МК, ЧСС и ЧД по направленности была аналогична таковой в условиях нормоксии;

Во время компрессии у морских свинок последовательно развивались двигательные нарушения, являющиеся симптомами нервного синдрома высоких давлений (НСВД). При 2,6-3,6 МПа у животных отмечалась повышенная активность, тремор перэдних конечностей и мышц мордочки; при 3,1-5,5 МПа появлялись кратковременные судороги клонического типа; при 8,4-9,1 МПа - генерализованные миоклонии

- О -

и продолжительный тонико-клонические судороги, гибель.

2. Динамика рО^ и кровотока в мозге морских свинок при дыхании нормо- и гипер'окоическими гелио-азотно-кислородными смесями под давлением.

Серия экспериментов (20 морских свинок) начиналась компрессией нормоксической гелио-кислородной смесью до 3,5 МПа. При этом напряжение кислорода увеличивалось во всех исследованных мозговых структурах, в среднем на 33,0+9,1$. Наиболее выраженным увеличение рОи было в хвостатом ядре - на 41,1+13,0 (Р<0,05).

Добавление 10/« азота при давлении ГКС 3,5 МПа резко увеличивало плотность дыхательной смеси (до 12,4 г/л), что вызывало непродолжительное снижение р0й в хвостатом ядре на 44,0+6,6°/, в черной субстанции - на 19,313,1$ и в коре - на 32,0+10,3$ от предыдущего уровня, достигнутого при 3,5 МПа ГКС. Дальнейшая компрессия гелием до 6,5 МПа вызывала повторное увеличение рОа в среднем по всем структурам мозга на 16,0+3,5% Повышение содержания азота до 10$ при 6,5 МПа приводило к дальнейшему достоверному увеличению р02 в черной субстанции на 00,5+ 9,4$, в хвостатом ядре'- на 25,1+9,9$, в затылочной коре - на 13,2+4,8$ (Р<0,05). Добавка азота до 20$ при общем давлении 7,8 МПа (плотность 34,0 г/л) приводила к снижению рОя во всех структурах до уровня, близкого к исходному. При 3,5 МПа ГКС у животных наблюдался тремор передних конечностей к кратковременные судороги клонического типа; при 6,5-7,0 МПа симптомы НСВД отсутствовали; при 7,3 МПа (20% азота в ГКС) у животных наблюдались признаки азотного наркоза. ' .

Мозговой кровоток при компрессии гелио-кислородной смеси до 3,5 МПа увеличивался в хвостатом ядре на 105,4+25,2$, в затылочной коре - на 20,9+г/,7$, а в черной субстанции не .изменялся. Добавление 10$ азота, вызывало снижение МК от достигнутого уровня на 61,5112,9$ в хвостатом ядре и 15',9±3,6$ в затылочной области коры.- При добавлении 20$ азота при 7,8 МПа МК не отличался от исходного уровня.

Частота сердечных сокращений снижалась по мере повышения давления, но при быстром .повышении плотности за счет добавок азота ЧСС резко возрастала. Однако,<%ри 20$ азота имело место урежение сердечных сокращений на 44,9+8,3$ ниже исходного уровня. При высокой

плотности дыхательной среды (39,2 г/л) большинство животных погибало при давлении 8,5-9,0 МПа на фоне резкого снижения р0е и кро-. вотока в мозге и остановки сердечной деятельности.

В гипероксической ГКС добавление 10$ азота при 6,5 МПа приводило к еще большему увеличению рОа в мозге, которое составило для черной субстанции 247,3+45,0$, для хвостатого ядра - 241,9+23,2%, для коры - 253,3+44,1% (Р<0,01). Добавление азота до 20% (плотность 34,0 г/л) еще больше повышало уровень р02: на 327,0+48,1% в черной субстанции и на 265,5+4,6% в коре (Р<0,05). Вместе с тем, отмечено незначительное снижение р02 в хвостатом ядре от предыдущего уровня, хотя рОе оставалось все же выше исходного уровня на 228,5±32,0%.

При давлении -8,5 МПа мозговой кр'овоток был выше исходного уровня на 81,5+11,2% (Р<0,05) в коре головного мозга. Добавка 10% азота к гипероксической ГКС приводила к увеличению мозгового кровотока в черной субстанции на 72,0+14,1% (Р<0,05). Дальнейший рост содержания азота до 20% при общем давлении 7,8 МПа приводил к повышению кровотока в черной субстанции на 86,2+14,1% (Р<0,01) и в хвостатом ядре - на 37,2+7,5% (Р<0,01).

Изменение ЧСС у животных при дыхании тримиксом было таким же, как при гелиоксе, но в гипероксической среде брадикардия отмечалась уже при нормобарических условиях. В дальнейшем брадикардия не усиливалась, а добавление азота в дыхательную смесь не вызывало существенного изменения ЧСС в гипероксической среде. Частота дыхания на одинаковых глубинах при гипероксии была реже, чем при нормоксических условиях. Гибель животных происходила при давлениях свыше 8,5 МПа. При этом наблюдалось снижение рОа и МК на фоне остановки-сердечной деятельности. Поведенческие реакции у животных аналогичны таковым в опытах с нормоксическим тримиксом.

Сравнение результатов опытов при дыхании гипероксическими и нормоксическими гелио-кислородными и гелио-азотно-кислородными смесями указывает на схожий паттерн динамики р02 в мозге. Различия заключаются лишь в больших скоростях прироста р02 в мозге в условиях гипероксической среды по сравнению с условиями нормокси-ческой смеси, а также в условиях гелиокса по сравнению с тримиксом.

3. Оксигенация мозга морских свинок при дыхании гипербарической неоно-кислородной смесью и элегазом.

Б серии опытов (24 морские свинки) компрессия осуществлялась-нормоксической неоно-кислородной смесью до давления 8,5 МПа со скоростью 0,1 МПа/мин. В таких условиях происходило увеличение рОе и кровотока во.всех исследуемых структурах головного мозга. Так, при давлении 3,0 МПа имело место увеличение рОе в черной субстанции на 43,0+11,1% (Р<0,05), а при 3,5 МПа (25-кратная плотность) отмечалось достоверное увеличение оксигенации черной суб» станции уже на 63,3+8,1$, хвостатого ядра - на 77,4+16,0$, коры,-на 28,5+7,1$ (Р<0,05), Мозговой кровоток в указанных структурах увеличивался, соответственно, на 124,0+9,3$; 41,3±5,0$ и 22,5+8,0$.

В диапазоне давления от 4,0 до 8,5 МПа (плотность 37,0-77,5 г/л) наблюдался дальнейший рост рОе в мозге: на 132,2+9,0$ в черной субстанции, на 95,0+27,1$ - в хвостатом ядре. В затылочной коре уровень р02 недостоверно отличался от исходного. Кровоток, соответственно, врэрос на 56,4+7,3$ в хвостатом ядре, на 74,1+6,0$ -в черной субстанции и не отличался от исходного в затылочной области коры.

Дальнейшее повышение плотности нормоксической неоно-кислородной смеси свыше 8,5 МПа вызывало быстрое уменьшение рОе и кровотока во всех структурах мозга животных и их гибель на фоне расстройства сердечной и дыхательной функций.■

Частота сердечных сокращений в данной серии экспериментов бни- . зилась на 5,0+2,1$ при 3,0 МПа, на 11,1+5,5$ при 4,0 МПа и на 33,5+ 9,0$ при 8,5 МПа. При давлении 6,5. МПа и более у животных на ЭКГ регистрировались экстрасистолы и аритмия. Частота дыхания во время повышения давления до максимального значения постепенно уменьшалась и при давлении от 2,0 до 3,0 МПа была ниже исходного- уровня на 25,0±9,0$, при 3,0-4,0 МПа - на 31,3+5,4$, а при давлении свыше 4,0 МПа на40,0±4,1$ ниже исходного уровня. Визуально и на записи отмечалось резкое возрастание глубины дыхания.

В гипероксической неоно-кислородной среде (12 животных) уровень рОг» достоверно увеличивался в хвостатом ядре на 128,4+12,2$ уже при атмосферном давлении. Компрессия до 3,0 МПа-приводила к

достоверному увеличению рОе в черной субстанции на 69,9+22,5$, в хвостатом ядре - на 221,9+34,5$ и в.коре - на 42,8±13,Г$ выше исходного уровня. Увеличение давления до 4,0 МПа сопровождалось ростом рОя в черной субстанции на 101,4±18,2$, в хвостатом ядре -на 193,4+37,3$, в коре - на 47,8+14,8$. При 6,0 МПа рост рОг сос- . тавлял 129,9+26,4$ в черной субстанции, 253,7+27,8$ - в хвостатом ядре, 136,8±34,7$ - в затылочной области коры больших полушарий. Максимальных значений оксигенация мозговых структур достигала при 8,5 МПа (плотность 77,5 г/л), когда рОг было выше исходного уровня на 186,8+36,8$ в черной субстанции, на 270,Й±33,3$ в хвостатом ядре, на 59,0+12,8$ в коре. Дальнейшая компрессия до 10,1 МПа (плотность 91 г/л) приводила к резкому снижению всех показателей и гибели животных.

Достоверное повышение кровотока в этой серии опытов наблюдалось в хвостатом ядре на 76,4+12,8$ при давлении 2,0 МПа. Компрессия до 4,0 МПа приводила к повышению кровотока в черной субстанции на 140,0+6,6$ (Р<0,01), в хвостатом ядре - на 18,0+6,2$ (Р<0,01). Увеличение давления до 6,0 МПа вызывало дальнейший рост кровотока в исследуемых структурах Мозга: в черной субстанции на 142,0+12,6$, в хвостатом ядре на 116,0+12,7$, в затылочной области'коры - на 69,0+10,9$ выше исходного уровня. Наибольшее увеличение кровотока наблюдалось при 8,5 МПа в черной субстанции -.на 177,0±6,5$, в хвостатом ядре - на 162,0+8,8$; в коре - на 184,0±13,6$ выше ис- , ходного уровня (Р<0,05).

Частота сердцебиений достоверно снижалась на 26,6±7,6$ начиная с давления 6,0 МПа (аритмия наблюдалась уже при 4,0 МПа), а при 8,5-МПа ЧСС. была ниже исходного уровня на 30,2+8,6$. Частота дыхательных циклов была достоверно ниже исходного уровня уже прк'" 4,0 МПа, при 6,0 МПа дыхание урежалось на 36,8±4,4$, а при 8,5 МПа - на 39,5±8,6$. ■

У.всех животных в гипербарической неоно-кислородной среде не наблюдалось тремора, миоклоний или судорог даже при максимальных давлениях - 8,5-10,1 МПа. У морских свинок сохранялись устойчивая поза и эпистотонус шейных мышц, и только при резких расстройствах кардио-респираторной деятельности животные принимали боковое по-

ложение.

В серии опытов на 8 животных проводилась замена воздуха в барокамере на элегаз-кислородну» смесь (шестифтористая сера, плотность 5,4 г/л) с парциальным давлением кислорода 20 КПа. Дыхание элега-зом под атмосферным давлением сопровождалось увеличением р02 в хвостатом ядре на 19,4+6,4% (Р<0,05), в затылочной коре - на 17,1+ 3,1% (Р<0,01), при недостоверных изменениях в черной субстанции. Кровоток в условиях элегаз-кислородной дыхательной среды по сравнению с дыханием воздухом увеличивался на 17,5+8,2% в черной субстанции и на 27,4+3,4% в хвостатом ядре. Отмеченные изменения наблюдались гюсле полной замены воздуха в камере элегаз-кислородной смесью и удерживались в течение нескольких десятков минут. Частота дыхания у животных снижалась, а амплитуда дыхательных движений , увеличивалась. Обратный, перевод животных на дыхание атмосферным воздухом сопровождался возвращением р0а, кровотока, ЧСС и ЧД к исходному уровню.

4. Кислородное обеспечение и кровоснабжение головного мозга обезьян при дыхании нормоксической гелио-кислородной смесью.

В серии опытов на 9 обезьянах осуществлялась компрессия со скоростью 0,1-0,4 Ша/нин нормоксической гелио-кислородной смеси до 7,8 МПа (общая продолжительность 288 часов). Достоверные изменения уровня рОа имели место во всех структурах коры мозга ,• начиная с 6,0 МПа. Так, при 6,0 МПа (плотность' 11,2 г/л) рОЕ было выше исходного уровня в лобной коре на 41,5±17,1% (Р<0,05), в теменной коре - на 140%; б затылочной коре - на 93-187%. В хвоотатом ядре и черной субстанции рОе достоверно увеличивалось, соответственно, на 97,4±18,4% (Р<0,05) и на 100,3+8,9% (Р<0,01).

Кровоток в лобной зоне коры увеличивался по мере увеличения плотности, достигая максимальных значений при 6,0 и 7,5 МПа: 197,0+ 18,3% и 206,4±70,3% {Р<0,05), соответственно, а затем возвращался к исходным значениям на конечном этапе декомпрессии.

При компрессии отмечено увеличение частоты сердцебиений и дыхания, которьге достигали максимальных значений при 5,5 МПа и были выше исходного уровня на 31,0+8,3% и на 31,2+14,3% (Р<0,05), ' ■ соответственно.

*

' л Пребывание в гипербарической гелио-кислородной среде сопровождалось двигательными расстройствами, выраженность которых зависела от величины давления и скорости компрессии. Так, тремор конечностей у обезьян имел место уже при 3,0 МПа, отдельные миоклонии - при 5,0 МПа, тонико-клонические судороги - при давлении свыше 5,5 МПа.

5. Динамика р0а и мозгового кровотока у обезьян при быстрой компрессии гелио-азогно-кислородной смесью до 8,1 МПа.

В данной серии экспериментов (6 опытов на 18 обезьянах) при компрессии со скоростью 0,4-0,8 ата/мин гелио-кислородной смесью с добавлением азота во всех исследуемых зонах коры головного мозга имело место статистически значимое увеличение рОа, начиная, с 3,5 МПа. Для лобной зоны оно составляло 83,2123,4$, для теменной зоны - 30,4+11,2$, для затылочной - 107,4+23,6$ выше исходного уровня. При дальнейшей компрессии это увеличение оксигена^и корковых структур продолжало оставаться статистически достоверным до конца эксперимента. Максимальных значений оксигенация корковых структур достигла при 5,0-8,0 МПа (плотность до 37 г/л). Так, в лобной коре р0й увеличилось на 102,8+15,8$, в теменной -на 83,3+ 14,0$ при 8,0 МПа, а в затылочной коре р0е достигало максимальных значений - 198,3±16,1$ при 5,0 МПа.

В черной субстанции достоверные изменения рОи на 80,0120,4$ отмечены при 8,0 МПа. В хвостатом ядре при 3,5 МПа рОа было на 52,Зь 12,3$ выше исходного, при 4,0 МПа.- на 29,018,4$; при 6,0 МПа - на •73,7±14,6$; при 7,0 МПа - на 76,3+17,1$; при 8,0 МПа - на 72,4+ 18,0$ (во всех случаях Р<0,05).

Изменения кровотока в лобной коре были достоверно выше на 188,01 . 44,1^при 7,0 МПа,'В хвостатом ядре МК увеличивался по ходу компрессии и был достоверно выше исходного уровня на 31,0110,4$ при 8,0 МПа. При компрессии до максимальных значений плотности ЧСС.и ЧД увеличивались, соответственно, на 15,3+4,3$ и 50,0+12,3$ (Р<0,05).

Добавление азота в гелио-кислородную смесь ослабляло или устраняло двигательные проявления НСВД у обезьян в зависимости от количества азота., общего давления в камере и от способа введения азота в гелио-кислородную среду.

6. Динамика напряжения кислорода и локального мозгового кровотока в процессе компрессии азотно-кислородной смесью до 5,0 МПа.

Компрессия нормоксической азотно-кислородйой смеси (5 обезьян) до давлений 0,7-1,6 МПа (плотность 10,0-22,6 г/л) приводила к увеличению напряжения кислорода в лобной коре на 71,7+13,7$. Дальнейшее повышение давления до 2,0 МПа (плотность 26,3 г/л) вызывало Достоверное увеличение р0а в лобной коре на 120,5±23,4$, в теменной - на 70,0±7,8$,' в затылочной - на 45,8±12,0$. При этом давлении р02 в хвостатом ядре выросло на 84,3+4,4$, а в черной субстанции - на 45,0±15,7$. •

На всех этапах компрессии имело' место увеличение кровотока и при давлении 2,0 МПа оно составило:в лобной коре-на 33,1±2,0$ и в хвостатом ядре - на 74,0+19,2$ выше исходного уровня,-

Результаты, полученные нами в опытах на морских свинках и обезьянах, со-всей очевидностью указывают на повышение оксигенации мозга по мере увеличения плотности дыхательной среды. Важно отметить, что указанная закономерность имела место при использовании различных газовых смесей, в состав которых входили гелий, азот, неон или элегаз. Причем, величины повышения р0г в мозге зависели как от плотности смеси, так и от ее общего давления. Со- . лоставление эффектов оксигенации мозга при дыхании различными газами одинаковой плотности с влиянием тех же газов с равным давлением указывает на более выраженное действие плотности. Вместе с тем, на различных этапах компрессии имела место выраженная гетерогенность в оксигенации различных мозговых структур, что свидетельствует о неоднородности функциональных сдвигов под действием общего давления среды.

Изменения функционально^ активности структур головного мозга, ■' проявляющиеся в виде гиперактивности, мышечного тремора, миокло-ний, судорог и других проявлений НСВД, существенно маскировали эффекты оксигенации мозга, связанные с повышением плотности гипербарической среды. Особенно это относится к гелио-кислородной среде, в которой, как известно, проявления НСВД.наиболее выражены (Зальцман, 1966; Brauer, 1974; Bennett, 1988). Исходя из этого нам представляется более надежным анализировать зависимость рОе

• 01 плотности дыхательной среды при использовании тримикса и других газовых смесей.

, Л С добавлением в гелио-кислородную среду азота не только увеличивается плотность смеси, но и купируется НСВД, что в значительной степени облегчает анализ закономерностей между динамикой рОа в мозге и плотностью гипербарической среды. Наличие НСВД в ГНС обусловливало увеличение р02 в мозге не только за счет возросшей плотности,' но и повышения функциональной активности и повышенного уровня метаболизма, что может быть причиной увеличенной оксиге-нации. Добавление азота позволило добиться купирования НСВД, и оксигенация в этой группе опытов,была не столь высока, как в ге-лиоксе.

Важный вопрос, который возникает при анализе полученных результатов, касается определения пороговых величин плотности, при которых наблюдается срыв компенсаторных механизмов и снижение Б'ксиге-нации мозга. Еще Ламбертсеном (ЬагаЬеКзеп е1 а!., 1977) было рассчитано, что система внешнего дыхания может эффективно справляться с возросшей нагрузкой до тех пор, пока плотность гелио-кислородной среды не увеличится до 50 г/л. В опытах на наркотизированных животных было показано снижение рО., в крови, когда плотность азотно-кис-лородной смеси повышалась до 27 г/л (Трошихин и др., 1979). В наших исследованиях пороговые величины плотностей были несколько выше, чем у других авторов. Так, в опытах с гелио-азотно-кислородной смесью снижение оксигенации мозга наблюдалось при плотностях около 30 г/л, а в серии экспериментов с нормоксической неоно-кислородной смесью выявлен рост рОе во всех исследованных структурах головного мозга морских свинок при повыщениии плотности среды до .76,6 г/л. И .только при давлении свыше 8,5 МПа (плотность 77,5 г/л) отмечено Уменьшение оксигенации всех структур'мозга и гибель большинства (91%) животных.

Как уже отмечалось, в гелио-кислородной среде при давлении более 8,0 МПа развиваются серьезные нарушения функций ЦНС и кардио-,'респираторной деятельности. Поэтому снижение рОс з мозге не может однозначно рассматриваться как влияние высокой плотности. В неоно-кислородной среде признаки НСВД не проявляются при указанных давле-

ниях, поэтому, результаты этих опытов могут служить основой для установления пороговых значений плотности дыхательной среды, выше которых развивается гипоксия головного мозга.

Наши исследования позволяют считать, что плотность нормоксичес-кой дыхательной среды в пределах 70-77 г/л является критической для морских свинок. Превышение указанного предела ведет к глубоким нарушениям оксигенации головного мозга животных, несовместимым с жизнью. ' ..

Сравнение действия нормоксических и гипероксических смесей обнаруживает, что в условиях гипероксии имеет место большая оксиге-нация мозговых структур при одинаковом увеличении давления, а также наблюдается сниженная дисперсия изменений р02 в разных мозговых структурах.

Условия гипероксии оказались более благоприятными для выживаемости животных. Наблюдалось внутривидовое уменьшение типологических .различий в изменениях рОй у животных, повышалась устойчивость к высокой плотности, сдвигались пороги наступления дефицита оксигенации мозга.

Таким образом, при использовании дыхательных газовых смесей основным компонентом которых является гелий| азот, неон или злегаз, наблюдается общий эффект в виде повышения рОа в головном мозге морских свинок. Повышение плотности (давления) каждой из указанных смесей приводит к пропорциональному увеличению оксигенации. При рассмотрении повышения р02 в мозге при дыхании плотными газовыми смесями как закономерной реакции, естественно, возникает вопрос о том, каковы причины и механизмы такого возрастания оксигенации. Уже простейший анализ полученных данных позволяет последовательно рассмотреть, по крайней мере, три ' возможных причины повышения мозгового рОе в условиях гипербарии. К ним относятся изменения в сердечной деятельности, проявляющиеся в усилении притока крови к мозгу, изменения в респираторной системе, улучшающие оксигенацию артериальной крови и изменения мозгового кровотока.

Изменения ЧСС и ЧД при дыхании смесями высокой плотности имели общую направленность - брадикардию и урежение частоты ды-

' хания. Следует отметить незначительные различия по ЧСС при дыхании различными смесями (гелио-кислородной и неоно-кислородной) .и'при дыхании одним видом смесей, но с различным содержанием кислорода. Данная направленность в изменениях кардио-респираторной деятельности обычно свидетельствует об увеличении минутного объема кровообращения и более эффективной вентиляции (Бреслав, 1985; Гуляр, 1988).

Однако,' наличие гипербарической брадикардии еще не свидетельствует о ее прямой связи с плотностью среды, так как ЧСС снижалась одинаково при равных давлениях $ различных по'плотности и содержанию кислорода дыхательных.смесях. Нельзя исключать, что основное влияние на деятельность сердца в наших исследованиях оказывало общее давление, что не противоречит данным литературы (Огп-Ьа£еп, Но£ап, 1977; ОгпЬаяеп, 1979; Рпо1о, Ба1а, 1984; и др.). По-видимому, эффект общего давления опосредуется через нарушение проводимости и возбудимости (Ьигк^геп, ОгпИа^еп, 1976).

Вместе с тем, на конечных этапах компрессии (8,5 МПа) при дыхании неоно-кислородной и гелио-кислородной смесями ЧСС у животных изменялась неодинаково. В гелио-кислородной среде наблюдалось учащение сердцебиений с достижением исходного уровня, а в более плотной смеси этого не наблюдалось, что могло указывать на влияние фактора плотности, по которому только и различались названные смеси.

Изменения ЧД в целом характеризовались ее снижением в экспериментах с быстрой компрессией морских свинок различными газами. •Урежение дыхательных циклов наблюдалось при дополнительном сопротивлении дыханию (Клюев, 1979; Бреслав и др., 1980; Тимошенко и др., 1982) и в экспериментах с использованием дыхательных смесей .4-6 кратной плотности (Селивра и др., 1975; Трошихин, 1981; Донина, 1882; 1984; Бреслав и др., 1983; и мн, др.). Механизмами, лежащими в основе урежения дыхания в условиях повышенной плотности среды, могут быть затруднения вентиляторной механики дыхания, приводящие к переходу на более выгодный в' энергетическом отношении "медленный" дыхательный паттерн (Бреслав, Глебовский, 1985).

Применение для компрессии гипероксических смесей выявило большее, чем При'нормоксии, снижение ЧД. Эти результата согласуются с ■

данными Трошихина (1983), который описал снижение ЧД в условиях гипероксии при сопутствующем ослаблении вентиляторной реакции на гипоксический и гиперкапнический стимулы. Отсутствие различий в динамике ЧД при дыхании гипероксическими смесями различной плотности' может быть объяснено сочетанным действием увеличенной плотности среды и повышенного парциального давления кислорода; последнее,, как известно, ослабляет реакции системы дыхания на С0Й (Do-

• ell et al., 1976; Яхонтов, Шулагин,'1981). Возможно, что в наших исследованиях гипероксия оказывала сравнительно большее влияние на ЧД, чем плотность, .что и привело к нивелировке различий динамики ЧД при нахождении животных в гелио-кислородной и гелио-азот-но-кислородной смесях с повышенным содержанием кислорода.

Таким образом, в целом признавая изменения ЧСС и частоты дыхания в качестве компенсаторных реакций, направленных на повышение оксигенации артериальной крови, реально оценить эффектив-' ность этих механизмов достаточно сложно. Во всяком случае, они не являются ведущими в повышении рОа в мозге при дыхании нормоксичес-

• кими смесями высокой плотности; Наиболее вероятным механизмом, обеспечивающим достаточный или даже повышенный уровень-окси'гена-

- ции мозга, является увеличение мозгового кровотока.

При повышении плотности нормоксической дыхательной среды ■наблюдавшийся рост рОЕ в различных мозговых структурах связан, в основном, с увеличением интенсивности мозгового кровотока. Отмеченные изменения церебральной' гемодинамики являются основной причиной усиления оксигенации мозга в условиях высокой плотности дыхательной среды.

. В подавляющем большинстве наших опытов увеличение мозгового кровотока всегда сопровождалось увеличением оксигенации соответ- . ■ ствующих мозговых структур. Это обусловлено тем, что при посто- . . янстве газового состава артериальной-крови р02 в различных микро-^ участках коры мозга определяется, в основном, уровнем их кровоснабжения, а динамика рОЕ тесно коррелирует с динамикой мозгового кровотока (Моргалев, 1980). Расчеты на математической модели показывают, что при увеличении скорости кровотока в ткань поступает значительно большее количество кислорода, чем потребляется тканью,

а ¿поэтому р02 в ткани резко увеличивается (Лучаков, Иванов, 1991).

ч По поводу причин увеличения кровотока можно высказать следующие соображения. В литературе имеются данные о том, что с возрастанием плотности дыхательной среды и, соответственно, усилением сопротивления дыханию, происходит нарушение легочной вентиляции, приводящее к задержке вымывания С02 из организма (Широнкин, Трошихин, 1971; Gelfand, Peterson, 1976; Linnarsson, Hesser, 1978; Бреслав, 1985).

Известно также, что с повышением плотности дыхательной среды снижается эффективность альвеолярной вентиляции, увеличивается диффузионное мертвое пространство, уменьшается коэффициент диффузии газов с высокой молекулярной массой, к которым относится и СОЕ (Van Liew, 1973; Шифрина, Селивра, 1977; Zhang, Whang, 1982). Все это также приводит к задержке углекислоты в организме. Как известно, СОа обладает сильным сосудорасширяющим действием, ¿"чем и можно связать усиление мозгового кровотока при нахождении организма в газовой среде повышенной плотности. Нельзя также оставить без внимания и то обстоятельство, что повышение мозгового кровотока может быть результатом активации мозга или отдельных его структур, которая проявляется в виде симптомов. НСВД при действии общего барометрического. давления.

В общем можно заключить, что при повышении плотности дыхательной смеси, независимо от ее качественного состава, наблюдается увеличение оксигенации как корковых, так и подкорковых структур головного мозга пропорциональное давлению (плотности) окружающей гипербарической среды. Увеличение оксигенации мозга сопровождает-' ся брадикардией и урежением частоты дыхания, которые являются 'компенсаторными реакциями, направленными■на обеспечение функционирования организма в экстремальных условиях повышенной плотности дыхательной среды и, в частности, на улучшение оксигенации крови и увеличение сердечного выброса, обеспечивающего усиленный кровоток в жизненно важных органах. Вместе с тем, наиболее эффективным ■ механизмом повышения оксигенации мозговых структур в условиях высокой плотности дыхательной смеси является активная дилатация церебральных, сосудов и увеличение мозгового кровотока.

вывода

1. При дыхании нормоксическими газовыми смесями под давлением (ге-лиокс, тримикс, неоно-кислородная смесь, элегаз) уровень р02 в различных структурах головного мозга морских свинок и обезьян (Macaca irus) повйшается на 19-132$ в зависимости от плотности дыхательной среды.

2. Критическими (пороговыми) величинами плотностей нормоксических ■ дыхательных смесей, превышение которых приводит к развитию гипоксии головного мозга, являются: для гелио-кислородной смеси 17 г/л (9,1 МПа); для гелисказотно-кислородной смеси' с 20$ азота - 34 г/л (8,0 МПа); для неоно-кислородной смеси - 77 г/л (8,5 МПа).

... Í

3. Увеличение содержания кислорода в гипербарических дыхательных

, смесях' до 50 КПа существенно улучшает оксигенацию головного мозга и повышает на 15-20$ пороговые -значения плотностей, выше которых .развивается гипоксия нервной ткани.

4. Дыхание искусственными .газовыми смесями высокой плотности сопровождается компенсаторными реакциями в кардио-респираторной системе, проявляющимися в изменениях частоты сердечных сокращений и дыхания, направленными на улучшение оксигенации головного мозга

за счет повышения р0а в артериальной крови и усиления минутного объема кровообращения.

5. Ведущая роль в поддержании эффективной оксигенации головного мозга при дыхании газовыми смесями высокой плотности принадлежит мозговому кровотоку, который увеличивается на 16-177$ в зависимости от плотности дыхательной среды,

6. Эффективность механизмов поддержания повышенной-оксигенации головного мозга при дыхании газовыми смесями высокой плотности зависит от состава среды, ее общего барометрического давления, скорости компрессии и длительности экспозиции под давлением.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Аточин Д.П., Киляев С.Ю. О напряжении кислорода в различных

■ структурах головного мозга морских свинок при дыхании гелиево-кислородной смесью высокой плотности. //Сборник научных трудов

-"Медико-технические проблемы индивидуальной защиты человека. Итоги и перспективы исследований по оптимизации деятельности работающих на море "//Под ред. Кощеева B.C., М., 1990, с.123.

2. Аточин Д.Н., Ниляев С.Ю., Кривченко А.И., Демченко И.Т. Динамика напряжения кислорода в головном мозге морских свинок

. при гипербарической гипоксии // Кровообращение в условиях высокогорной и экспериментальной гипоксии //Тезисы докладов 1У Всесоюзного симпозиума, Душанбе, 1990, с.16.

3. Аточин Д.Н., Шиляев С.Ю., Демченко И.Т. Состояние оксигенации головного мозга морских свинок при дыхании газовыми смесями высокой плотности //Физиологии, журнал СССР, т.62, N3, 1992.

4. Жиляев С.О., Аточин Д.Н., Демченко И. Т., Кривченко А.И. ■ Закономерности кровоснабжения отдельных структур'головного

. мозга морских свинок при гипербарической гипоксии // Система микроцмркуляции и гемокоагуляции в экстремальных условиях. Тезисы докладов 2 Всесоюзной конференции, Фрунзе, 1990, с.114.

5. Жиляев-С.й., Аточин Д.Н. О динамикё мозгового кровотока у морских свинок при быстрой компрессии гелио-кислородной смеси //

■ Сборник научных трудов "Медико-,технические проблемы' индивидуальной защиты человека. Итоги и перспективы исследований по оптимизации деятельности работающих на море"// Под ред. Коще- • ева B.C., М., 1990, с. 130. • •

'.6. Жиляев С.Ю., Аточин Д.Н., Демченко И.Т. Динамика мозгового кровотока у морских свинок при быстрой компрессии гелио- . кислородной смесью // Физиологич. журн. СССР, Т.82, N3, ,1992.

7. Загваздин B.C., Ииляев С.Ю., Моргалев D.H., Аточин Д.Н.

- Способ количественной оценки локального мозгового кровотока .' с помощью электрохимической генерации водорода //Физиологич. журн.. СССР, т.72, N12, 1986,. с.130-135.

8. Селивра А.И., Тимошенко Т.Е., Шиляев С.Ю., Атония Д.Н. Напряжение кислорода и локальный мозговой кровоток в мозгу животных при изменении состава дыхательной смеси //Физиология, патофизиология, фармакология мозгового кровообращения. • // Тезисы 2 Всесоюзной конференции, Тбилиси, 1988, с.165.'