Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности дыхания крыс при ограничении дыхательного объема посредством инструментальной обратной связи

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Особенности дыхания крыс при ограничении дыхательного объема посредством инструментальной обратной связи"

'ргз ' Ой

Тверской государственный университет

На правах рукописи

ГРАБЕЛЬШСОВ Сергей Александрович

ОСОБЕННОСТИ ДЫХАНИЯ КРЫС ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ ДЫХАТЕЛЬНОГО ОБЪЕМА ПОСРЕДСТВОМ ИНаРУИЕНГАЯЬНОЙ ОБРАТНОЙ связи

03.00.13 - Физиология человека и животных-

Автореферат диссертации на соискание ученоа степени кандидата биологических наук

Тверь 1995

1

Работа выполнена на кафедре анатомии и физиологии человека и животных Тверского государственного университета.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор

В. И. Ииияев

Официальные оппоненты - доктор биологических наук, профессор

В. А. Сафонов - кандидат медицинских наук, доцент А. А. Крошн

Ведущая организация - Институт физиологии им. И.П.Павлова РАН.

Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «ЛЬ »/У 995 г в часов на заседании Диссертационного совета К. 063.97.09.

Тверского государственного университета (170002, ул. Чайковского.. д. 70 А)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного университета (г.Тверь, ул. Володарского/ 44 А)

Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного Совета! кандидат биологических наук, доцент

А.Н.Панкрушина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность исследования. В физиологии дыхания одной из важнейших проблем является изучение механизмов произвольного управления дыхательными движениями у человека. Актуальность таких исследований обусловлена, с одной стороны, стремлением познать механизмы регуляции дыхания и, с другой стороны, практической значимостью этой проблемы -возможности и способности человека управлять дыханием все чаще используются специалистами в областях лечебной, . спортивной, авиакосмической и подводной медицины (см.обзор: Миняёв, 1994).

В отличие от нейрогуморальных механизмов регуляции дыхания, кото рые достаточно подробно изучаются в опытах на животных, экспериментальный подход к изучению механизмов произвольного управления дыханием связан с определенней! требованиями, предъявляемыми к объекту исследования, поскольку понятие "произвольное" включает не только физиологическое, но и социальное содержание (Новиков. 1972; Наумова, 1988). В связи с этим., все исследования, направленные на изучение механизмов произвольного управления дыхательными движениями проводились и проводятся только с участием человека. Однако, ограничение (по известным причинам) спектра применяемых методических подхотов в физиологических исследованиях с участием человека не позволяет детально раскрыть тонкие механизмы произвольного управления дыхательными движениями.

Вместе с тем, система дыхания в силу своих морфофункциональнн>; особенностей служит моделью для изучения закономерностей взаимоотношений между произвольными (кортикальными) и автономными (нейрогумораль-ными) механизмами регуляции физиологических функций (Бреслав.1975; Ми-няев, 1973,1994; ШШач е1 а1. .1981; Кучкин, 1984; Солопов, 1985,1993 и др.). Метод инструментальной обратной связи (ЫоГезйЬаск) при моделировании процессов произвольного управления вегетативными функциям» с использованием животных существенно расширяет выбор приемов исследова ния, что в равной степени относится и к исследованию такой "кортикопи-зованной" функции, как дыхание.

Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования явлч лось изучение особенностей управления дыхательными движениями у животных (белых лабораторных крыс) посредством метода искусственной инструментальной обратной связи, обусловленных'диапазоном заданной глубинн лмхания. степенью и характером хеморецепторной стимуляции лнхлнн.я.

В задачи исследования входило: •

- разработка метода, основанного на принципах инструментально!"!

обратной связи, позволяющего ограничивать глубину дыхания у животных в разных диапазонах;

- изучение характера приспособительных вентиляторных реакций у крыс в зависимости от задаваемой величины дыхательного объема (1.0 Ут; 0,8 Ух; 0.6 V,; 0,4 V,) и базального паттерна дыхания животных;

- определение диапазонов дыхательного объема крыс, в которых сохраняются компенсаторные реакции дыхательной системы, направленные на-поддержание облигатного уровня легочной вентиляции при заданном уменьшении глубины дыхания;

. - изучение особенностей вентиляторных реакций крыс на заданный режим дыхания в условиях увеличения интенсивности стимулов с хеморе-цепторов при ингаляции гипоксической либо гиперкапнической смесей.

научная новизна. Впервые проведено исследование, в котором выявлена способность бодрствующих крые управлять через искусственную обратную связь своими дыхательными движениями. Показано, что в условиях дыхания воздухом подопытные животные способны уменьшать свой дыхательный объем до 15-10% от усредненного спонтанного. Более • существенное уменьшение дыхательного объема ограничено действием императивного стимула. Анализ особенностей вентиляторных реакций крыс на инструментальное ограничение дыхательного объема в условиях раздельного действия гипоксии и гиперкапши показал решающее значение последней в формировании императивного стимула,- прерывающего заданный режим дыхания у подопытных животных,

При дыхании в заданном режиме отмечены три типа приспособительных ' вентиляторных реакций животных на инструментальное ограничение дыхательного объема: уменьшение глубины дыхания и одновременного его уча-, щения; уменьшение и глубины и частоты дыхания; кратковременное апноэ.

Так же показано, что характер приспособительных вентиляторных реакций подопытных животных на заданный режим дыхания зависит от базаль-ного паттерна.дыхания крыс. У крыс с брадипноическим типом дыхания наблюдается большая способность к уменьшению дыхательного объема, а у крыс с тахшшоическим дыханием более выражен изовентиляторный характер реакции при уменьшении дыхательного объема. ' ' • ■

Теоретическая и практическая значимость. Применение искусственной инструментальной обратной связи позволило смоделировать управление дыхательными движениями у интактных крыс и изучать вызванные сдвиги в деятельности их вентиляторного аппарата. Использование животных в качестве объекта исследования позволяет существенно расширить рамки ме~

тодичееких подходов к изучению, а следовательно, и более глубокой» познанию механизмов произвольного управления дыхательными движениями. Полученные в ходе исследования экспериментальное данные, позволили от ветить на ряд важных вопросов, касающихся направленного изменения дыхательного стереотипа животных, , а так же об их способности поддерживать вызванные сдвиги такого параметра как, дыхательный- обьем.

Результаты исследования могут служить базовыми в изучении пове денческой функции дыхания животных, которая в отличие от гомеостати ческой.практически не изучена. Это прёдбтавляется важным в том плане, что все произвольные изменения дыхания в конечном счете обусловлены мотивационными факторами.

Разработанная нами методика и полученные результаты используются в учебном процессе На кафедре анатомии и физиологии человека и животных ТГУ в лекционном курсе "Физиологи:, дыхания", при проведении большого практикума и спецпрактикума, при подготовке курсовых и дипломных работ, в НИР студентов.

Основные положения, выносимые на защиту. . - бодрствующие белые . крысы способны при посредстве внешней инструментальной обратной связи уменьшать своя топтанный дыхательный объем;

- вентиляторные реакции крыс на инструментальное уменьшение дыхательного объема определенным образом зависят от величины заданного ограничения и от базального паттерна дыхания;

- основьлм фактором, препятствующим уменьшению глубины дыхания, является формирование императивного стимула, ведущая роль в котором принадлежит гиперкапнии.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Регуляция дыхания и масс'оперенос газов в организме" -Ленинград, 1985 г.; на Всесоюзной конференции "Проблемы нейрогумораль-ной регуляции деятельности висцеральных систем" - Ленинград, 1987 г.: на XV съезде Всесоюзного общества.физиологов им. И.П.Павлова - Кишинев, 1987 г.; на заседании Калининского отделения Всесоюзного общества Физиологов им. И.П.Павлова - 1988 г.; на заседании кафедры анатомии и физиологии человека и животных Тверского государственного университета - 1995 г.

Объем и структура диссертации. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 26 рисунков. Диссертация включает главы: введение, обзор литературы, методы и объекта исследи-

ианвя. в четырех главах изложены результаты исследования и их обсуждение. завершают диссертацию заключение и выводы. Указатель литературы содержит 107 отечественных и 100 зарубежных источников.

МЕТОД И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Сущность метода, позволяющего обучать животных (белых крыс) уменьшению глубины дыхания поясняется рис.1.

Крысу фиксировали в специальном станке с дыхательной маской (1). Колебания давления в бутыли .(3) при вдохе и выдохе преобразовались сфигмографической приставкой (5) в электрический сигнал, который, с усилителя постоянного тока (6) поступал на регистрирующий прибор (7 -"ЭЛКАР-6"). На регистрирующем приборе укрепляли подвижные контакты-ограничители (8): ограничитель вдоха и ограничитель выдоха. Меняя расс-тояни между ними, можно устанавливать заданную глубину дыхательного объема, который животные не должны были превышать. Контакты-ограничители устроены так, что не препятствуют движению пера самописца и.имеют писчики для обозначения заданного диапазона дыхательного объема на диаграммной ленте (13). При превышении заданного дыхательного объема на вдохе или на выдохе, то есть при касании пером.самописца (9) одного из контактов-ограничителей, • животное автоматически наказывалось ударом постоянного электрического тока через электроды, наложенные на основание хвоста (10). Одновременно на диаграммную ленту наносилась отметка о касании пером самописца одного из контактов-ограничителей. Для нанесения раздражения (ток прямоугольной формы, амплитуда - 4-7В, частота 50 Гц) применяли стимулятор ЭСЛ-2 (11).'- Для каждой крысы сила раздражителя подбиралась индивидуально в процессе приучения подопытных животных к условиям эксперимента, таким образом чтобы он не вызывал общей двигательной реакции животного. Подача раздражения при 'замыкании контактов-ограничителей пером самописца, раздельные отметки о нанесении раздражения при касании пером самописца контактов-ограничителей на вдохе или выдохе осуществлялось через специальное электронное синхронизирующее устройство (12). Согласно представленной на рис.1 блок-схеме, болевой раздражитель используется не для организации стимуляции, а для формирования контура отрицательной обратной связи, .. позволяющего обучать животное уменьшать дыхательной объем до -задаваемого уровня.

Для регистрации дыхательных параметров у подопытных крыс применяли усовершенствованную методику, разработанную Э.А.Конза и В.П.Фроловой (1970). В частности направленное движение потока дыхательной смеси осуществлялось при помощи ветрячка. Ветрянок был' изготовлен на ; базе

1

п

12

Рис., 1. Блок-схема экспериментальной установки.

электрического микродвигателя и при помощи переменного проволочного резистора можно было регулировать скорость вращения лопастей ветрянка, а следовательно и скорость потока дыхательной смеси в системе. Применение ветрячка позволило избежать накопления С0г п подмасочном пространстве. В целях. Контроля выдыхаемого животным газа в подмасочное пространство был подведен .капилляр масс-спектрометра МХ 6202.

Исследование проведено на бодрствующих белых беспородных крысах: самцы двух-трехмесячного возраста с начальным весом 230-300 г. приученных к условиям эксперимента. Проведено 198 опытов на 16 животных.

В процессе эксперимента регистрировали: Ут - дыхательный объем; f - частоту дыхания; V - минутный объем вентиляции легких; Тг - длительность дыхательного цикла; Т, - длительность вдоха; ТЕ - длительность выдоха; концентрацию С02 в конечной порции выдыхаемого газа.

Кроме дыхательных параметров регистрировали время поиска животным заданного режима- дыхания - время с момента подачи раздражителя до начала стабильного дыхания подопытных крыс при заданном режиме. Подсчитывали количество ошибок на вдохе - 0, (количество касаний пером само-

■ ■■)

писца контакта-ограничителя вдоха) и количество ошибок на выдохе - 0Е. (количество касаний пером самописца контакта-ограничителя выдоха). Количество ошибок на вдохе и выдохе рассчитывали в процентах к общему числу дыхательных циклов за минуту. Также подсчитывали длительность периодов "управления" дыхательными движениями у крыс - время стабильного дыхания с уменьшенной глубиной дыхания при соответствующем заданном уровне дыхательного объема и длительность гиперлноэ при срывах заданного режима дыхания.

При расчетах объемные величины дыхательцых показателей приводились к сопоставимым условиям ВТРЭ. Полученные экспериментальные данные обработаны стандартными методами статистического анализа.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

1. Вентиляторные реакции крыс при инструментальном ограничении дыхательного объема. ' -' !

Одной из задач настоящего исследования являлось изучение особенностей вентиляторных реакций крыс на инструментальной ограничение глубины дыхания при разных задаваемых диапазонах дыхательного объема. Исследование включало 4 серии опытов, в которых уровейь задаваемого ограничения глубины дыхания составлял:. 1,0 Ут: .0,8 V,; 0.6 V,' и 0.4 Уг В данной экспериментальной серии проведено 117 опытов на 16 крысах в условиях дыхания воздухом.

В каждом из опытов все животные смогли в той или иной степени уменьшить свой дыхательный объем по сравнению .с исходным уровнем; регистрируемые показатели и Параметры изменялись' следующим .образом (табл.1).

Время поиска заданного.режима дыхания у крыс составило в среднем 96,8+12,1 с. 142,9+32.8 с, 109,9+36.7 с и -50,7+2.6 с. последовательно, соответственно задаваемым диапазонам: 1,0-0,8-0.6-0.4 Длительность периодов "управления" своим дыханием в среднем за минуту у крыс составляла: 56,9+1,2 с. 56,3+1,0 с, 46,4+6,8 с и 12,9+1, 9 с. Средняя продолжительность гиперпноэ при срывах заданного режима дыхания составила у них 16,1+1.2 с, 21,1+1,9 с, 34,7+4,3 с, 40,9+3,7 с - также соответственно задаваемым диапазонам.

Все подопытные крысы смогли дышать, не превышая заданной глубины дыхания, соответствующей 1,0-0.8 Ут. тогда как уменьшение дыхательного объема до 0.6-0,4 Ут удавалось с трудом и не всем животным, а периоды "управления" были кратковременными и прерывались гиперлноэ. В диапазонах 1.0-0,8 Ут в среднем уменьшение дыхательного объема соответственно

Таблица 1

Динамика параметров вентиляции легких у крыс при инструментальном ограничении глубины дыхания и диапазонах 1,0-0,8-0,6 (М+т).

1 |Усло- с Параметры ... Ут (мл) Г - V 0, (%) 1 0Е(%) |

1 вия цикл/мин мл/мин

Исх. величины 0.83+0,03 114.5+6.4 92.2+3.2 90.1+2,1 88.8+1,7 |

|1.0УТ "Управление" 0,72+0,01 121,5+4,3 66,8+2.4 53.5+1,9 56,4+1,7 |

Р. <0,01 >0,05 >0,05 <0,01 <0,01 |

Отмена огр. 0, 80+0, 03 122,2+7,5 95.7+5,1

Исх.величины 0,82+0,04 1И.6+8.7 87,4+3,6 95.9+1,4 97,1+1.2 I

10,8УТ "Управление" 0,66+0,01 114,8+4.1 73.4+2,5 77.2+1.3 70.6+1.6 |

Р <0,01 >0. 05 >0.05 <0.01 <0,01 |

Отмена огр. 0,76+0, 04 116.7+8,5 84.3+3.8

Исх.величины 0. 84±0. 03 106,5+7.3 88.1+4,4 97.7+2.2 98,4+1.5 |

Ю.6УТ "Управление" 0,64+0, 02 . 97.4+4,3 62.2+2.6 75. 6+1.8 73,2+1.9 |

: Р <0.01 >0,05 <0,05 <0.01 <0.01 • 1

| Отмена огр. • 0. 80+0, 03 99,3+7.4 77.6+4,9 I

составило Ш и 19-20% (а у отдельных особей и больше) о'г усредненного' спонтанного. При инструментальном ограничении, глубины дыхания до о, 6 Ч-! уменьшение дыхательного объема составило всего'23% и не достигло заданной величины. В диапазоне, соответствующем 0,4 V,, у двух крыс уменьшение дыхательного объема составило 29%. а у одной - 47%. что также не соответствовало задаваемому уровню. В целом же крысы способны при инструментальном обучении уменьшать дыхательный объем на 25-30%, более существенное уменьшение глубины дыхания удается лишь отдельный особям. .•

Реакции крыс в каждом из задаваемых диапазонов ограничения дыхательного объема имели свои особенности. Отмечено три типа вентиляторных реакций животных на инструментальное ограничение глубины дыхания: 1) уменьшение глубины дыхания с одновременным его учащением (диапазонн 1,0-0,8 Ут); 2) уменьшение глубины дыхания с одновременным его уреже-нием (диапазоны 0, 8-0,6 V,.); 3) кратковременные задержки дыхания - апноэ (диапазоны 0,6-0.4 Ут)(рис.2 А. Б, В).

Первый тип реакций характерен для задаваемых диапазонов, близких ' 1. величинам спонтанного дыхательного объема, когда их изовентилятор-ность обусловлена деятельностью бульбопонтинных механизмов, обеспечивающих сохранение облигатного уровня вентиляции.

Второй и третий тип реакций характерен для условий, когда поддержание облигатного уровня вентиляции ;тановится просто невозможным. В этих случаях легочная вентиляция не соответствуют метаболическим потребностям (особенно апноэ) а сами реакции можно квалифицировать как приспособительные поведенческие.

В процессе исследований были выявлены характерные особенности вентиляторных реакций на инструментальное ограничение глубины дыхания у животных с различными базальными паттернами. Об этом свидетельствует изменение параметров вентиляции [{. Ут. V), рассчитанные в процентах от исходных величин (рис.3). В диапазоне ограничения глубины дыхания, доставляющем 1,0 V, , дыхательный объем в период "управления" в среднем составил от исходного: у крыс-брадипноиков 84.8+2.155 (Р<0,05) и 91,8+0,7% (Р<0.01) у крыс с тахипноическим типом дыхания. У крыс той и другой групп, уменьшение дыхательного объема сопровождалось учащением дыхания: до 101,3+1.8% идо 107,1+0,6% (Р<0,01) исходной величины (рис.3). Соответственно изменялся и объем вентиляции: у крыс-брадипно-иков объем вентиляции уменьшился до 85,7+2.85? (Р<0,05), а у крыс с тахипноическим типом объем вентиляции практически не изменился и составил 98.1+0,7% по сравнению с исходными величинами.

В диапазоне ограничения глубины дыхания, соответствующего 0,8 Ут, у крыс-брадипноиков дыхательный объем уменьшился до 78,3+1,3% (Р<0,01), а у крыс-тахипноиков - до 85,7+0,735 (Р<0,01) от исходной вег личины. При этом у крыс с брадипноическим паттерном - дыхание урежа-лось (Г уменьшилась до 96,6+2.05?;, а у крыс-тахипноиков дыхание учащалось (Г увеличилась до 104,0+0,7%).. Более существенное уменьшение животными глубины дыхания при "управлении" привело к снижению минутного объема вентиляции у крыс обеих групп, но менее выраженное у тахипнои-ков: до 77,6+1,9% (Р<0,01) в брадипноическай группе и до 88,6+0, 9% (Р<0,01) от исходного - в тахипноической (рис.3).

В диапазоне ограничения глубины дыхания до 0,6 Ут крысы с брадипноическим паттерном о.огли уменьшить свой дыхательный объем в среднем до 73,4+1,3% (Р<0,05), а крыса-тахипноик до 75,1+0,535 от исходной величины. Частота дыхания у крыс-брадипноиков снизилась, до 94,8+2, ззг (Р<0.01) а у крысы-тахипноика увеличилась до 106,0+0,5% (Р<0,01). При

л

2 <.

Я

1 1...1, ,1111111 (•И 1 1 1-11..1 1.» 1-1.1 .1.11 1 1 1 1 .

I Б

[I

-4

г*-■-тип >

-♦мне——им»

I ■ ■ I I ■ ■ ■ ^ ■ 1 | • ■ ■ ■ ' ' ' ■ ■».1-1 I ■ II I I I ■ ' ч 1

I

• I

I шш^

1 I I I 'I ■ ■ I I I. 1 ■ ■ ■ ........

г

Рис. 2. Спирограммн животных при инструментальном ограничении

глубины дыхания в диапазонах 1,0 - о;4 А - исходная сопрограмма; •Б.- спирограмма'при дыхании в заданном режиме; 1 - калибровочная,-метка (0,5 мл); 2 - отметки о превышении заданного дыхательного объема на вдохе н выдохе;

3 - отметка времени (1с); 4 - линии, обозначавшие задаваемый диапазон дыхательного объема.

НО

100 90

80

НО

но 100 90 80

Диапазон 1.0 Ут

Йрадипноики

Диапазон О. в Кт /4 йрадипноики

Диапазон 0,6 Кт */о йрадшшоики

- 1

аа -К

тахипноикн

1 5Т

Тадаг

тахшшоикн

тахипноикя

Рис. з. Изменения показателей вентиляции легких у Крыс с разными паттернами дыхания при инструментальном ограничении глубины дыхания в диапазонах 1,0-0,8-0,6 \т.

- т

- V

Ь

т

этом чГУьем вентиляции в группе крыс-брадипноиков уменьшился до 74,2+1,1% (Р<0,05), а у крысы с тахипноическим дыханием до 77,2+0,6% (Р<0,05) от исходного уровня (рис.3).

Анализ зависимостей между объемно-временными компонентами дыхательного цикла, соотношения которых обусловлены деятельностью центрального дыхательного механизма, генерирующего дыхательный ритм показывает, что у крыс-брадипноиков более выражен объемный, а у крыс-та-хипноиков - частотный компоненты вентиляторных реакций на уменьшение дыхательного объема. Вместе с тем оказалось, что при более жестких условиях ограничения дыхательного объема (до 0,6-0,4 VT) индивидуальные различия в биомеханике вентиляторного аппарата, характерные для бради-и тахипноиков (Бреслав, 1984), теряют свое значение при формировании энергетически оптимального соотношения между объемно-временными параметрами дыхательного цикла. В общем влде изменения взаимосвязей между параметрами дыхательного цикла в данной серии опытов и характерные для каждой группы.крыс представлены на рис.4.

Следует иметь в виду, что указанные механизмы, призваны обеспечивать- требуемый уровень альвеолярной вентиляции при энергетически оптимальном соотношении глубины и частоты дыхания (Fßpep. Гноевая, 1971; Grodlns, Yamashlro, 1979; Исаев, 1983; Бреслав. 1984; и др.). В зависимости от биомеханических условий (эластического и резистивного сопротивлений) в соответствии с импульсацией от механорецепторов дыхательного аппарата осуществляется коррекция паттерна дыхания (Grodlns, Yamashlro, 19/9; Kelsen et al.. 1982), так чтобы сумма работы по преодолению сопротивлений дыханию, требуемой для поддержания необходимой вентиляции, была наименьшей (West, 1988; Кузнецова, Любимов, 1994). С этой точки зрения становятся понятными различия в сентиляторных реакциях на задаваемые режимы, обнаруженные нами у крыс с разными базаль-ными паттернами дыхания.

Указанные факты не противоречат данным, полученным в исследованиях с участием человека, в которых•отмечены различия в реакциях дыхания на функциональные нагрузки у испытуемых с разными базальными паттернами (Сидиков, 1982; Исаев, 1983; Бреслав, Кучкин, 1984; Солопов, 1985).

2. Особенности вентиляторных реакций крыс при инструментальном ограничении дыхательного объема в условиях ингаляции гипоксической и гиперкапнической смесей.

Выше было показано, что гиповентиляция при "управлении" дыхательными движениями приводит к срывам задаваемых режимов дыхянчя, а их

тахишюики

брадишюики

Рис. 4. Графы корреляций между параметрами дыхательного цикла у крыс с разными Оазальными паттернами в контрольных опытах (А). при ограничении глубины дыхания до 1.0 V, (Б), до 0,8 V, (В), до о 6 V, (Г) -> - Р<0, 01 ===> - Р<0, 05 . 1

причиной и фактором, ограничивающим возможности животных дышать с уменьшенным дыхательным объемом, является императивный стимул, в формировании которого основная роль принадлежит гиперкапнической и гипок-сической стимуляции.

С учетом фактов, изложенных выше, перед данной частью исследования была поставлена задача: определить как влияет усиление хеморецеп-торной стимуляции на способность животных уменьшать дыхательный объем в условиях гипоксии и гиперкапнии. Для решения зтой задачи были проведены опыты, в которых подопытные крысы дышали при ингаляции гипокси-ческой смеси (16% 02 в азоте) или гиперкапнической смеси (2,3% С02 в воздухе).

Исследование включало три серии опытов: 1-я серия - контрольная, в которой крысы дышали без ограничения глубины дыхания на протяжении 8-ми минут; во 2-ой серии - задаваемый дыхательный объем составлял 1.0 VT и в 3-ей серии - 0,8 VT.

В каждом опыте во 2-ой и 3-ей сериях дыхательные показатели крыс регистрировали: в исходном состоянии - на 3-ой минуте дыхания воздухом и на 3-ей минуте после перевода животных на дыхание смесью (гипокси-ческой или гиперкапнической); на протяжении пяти минут при дыхании в задаваемом режиме (на гипоксическом или гиперкапническом фоне) и в течении шести минут после отмены ограничения дыхательного объема (на ••■1-ой минуте дыхания смесью, а затем после перевода крыс на дыхание атмосферным воздухом). .Исходными для установления задаваемой глубины (1,0 VT или 0.8 VT) в гипоксических или гиперкапнических условиях служили усредненные величины дыхательного объема, регистрируемые при вдыхании животными соответствующих газовых смесей.

Как видно из табл.2, и рис.5 раздельное действие гипоксии и гиперкапнии обусловливает проявление ряда особенностей вентиляторных реакций крыс на направленное уменьшение дыхательного объема. В данных условиях увеличивается интервал времени после, которого начинается относительно стабильное дыхание с уменьшенным дыхательным объемом; уменьшается продолжительность периодов "управления" и увеличивается продолжительность гиперпноз при срывах.

Подопытные животные хотя и смогли уменьшать свой дыхательный объем, но его уменьшение относительно.исходного в гиперкапнических уело-' виях было незначительным, а относительно условий дыхания воздухом и гипоксической смесью - менее выраженным. Hypo также отметить, что в зависимости от гуморального фона различия в величинах снижения дыха-

Таблица 2

Показатели, характеризующие задаваемые режимы 1,0-0,8 Ут в условиях дыхания воздухом, гипоксичеокой и гиперкапнической смесями (М+т).

¡Условия 1 — 1 1 поиска I режима" 1 дыхания, 1 с I Длительность !' ' ' ! 1 Количество ошибок | 1

1 1 "управле-| гиперпноэ| на вдохе|на выдохе| ние", с | с | (0,)% | (0Е)% | 1 I I 1

I 1 1 1 Воздух 11, 0УТ1 ГО-смесь 1 |ГК~смесь I 96,8+12.1 1127, 5+14,3 1217,3+12.5 56.9+1,2 16,1+1,2 52.7+1,6 27,2+2.1 36,9+1.9 30,6+4,5 53.3+1,4 56,9+1,11 64,0+2,9 74,2±1,8| 68,9+27 69,8+4,81

1 IВоздух 10,8УТ |Г0-смесь I |ГК-смесь 1 1, 1142.9+32,8 1160,9+12,9 1231,1+21,1 1 56,3+1,9 21.1+1,9 46,5Ц,4 33,4+2,5 41,5+4,4. 31.2+3.9 76,9+0,5 70,5+1,31 88,2+0,8 86,7+0,81 92,5+1,7 91,8+1*,2| _ .. ...,, ,. ;.., ,, 1

ив т % ■ ¿6 ; . . ив . .т- % %

Гис. 5. Изменение дыхательного объема крыс при задаваемых режимах и их отмене в условиях дыхания воздухом, гийоксической и гиперкапнической смесями. А - заданный диапазон 1,0 Ут; б - 0/8 Уг;' 1 - дыхание воздухом, 2 - гипоксичеокой смесью, 3 - гиперкапнической смесью; ЙВ - исходные величины, "У" - показатели прй управлении. В, Вг В6 - показатели после отмены ограничения на 1,2 и бгой мин. . ' .

тельного объема между задаваемыми диапазонами 1,0 \!т и 0,8 Ут нивелируются: • 90,5±0,9% и 80,3+0.4% (Р<0,01) - при дыхании воздухом; 89,4+1, Л и 83.9+0,6% (Р<0,01) - в гипоксичеоких; 90,5+1.0% и 88,1+0,5% (Р>0,05) - в гиперкапнических условиях. Менее выраженное уменьшение дыхательного объема в условиях повышенной хеморецепторпой стимуляции обусловливают увеличение количества дыхательных циклов, превышающих задаваемую глубину на вдохе (0,) и на,выдохе (0Е).

Уменьшение дыхательного объема посредством биоуправления на фоне усиления хеморецепторной стимуляции, а также гиповентиляцией в диапазонах 0,8-0, 6 1/т при дыхании воздухом, создают предпосылки для проявления конкурентных отношений между кортикальными и гуморально-рефлек-торными влияниями на бульбопонтинные структуры, генерирующие дыхательный ритм. В частности, у некоторых крыс в период "управления" отмечается появление в экспираторной фазе зачаточтных вдохов (рис.6). Подобные зачаточные вдохи ранее наблюдались лишь, у человека при произвольно урежаемом дыхании На фоне интенсивной мышечной работы (Данько. 1974, Солопов, 1985). По видимому, при "несвоевременном" переключении фазы дыхательного цикла, обусловленное супрабульбарным влиянием .(избежание наказания), продолжающееся нарастание ЦИА вследствие усиления хеморецепторной стимуляции экзогенного (дыхание гипоксической-, ' гипер-капнической смесью) или эндогенного (гиповентиляция) характера и приводит к формированию-у животных коротких неполноценных вдохов в экспираторную фазу.

Дополнительные сведения о факторах, органичивающих возможности животных уменьшать дыхательный объем, дает анализ вентиляторных реакций животных при срывах заданных режимов дыхания и при отмене ограничения. Результаты исследования показывают, что увеличение объект вентиляции при гиперлноэ во время срывов и после отмены заданных режимов дыхания прежде всего связано с увеличением РС0г ^ выдыхаемом газе и отражает сдвиги газового состава альвеолярного газа и артериальной крови. Соответствующее компенсаторное увеличение легочной вентиляции, как известно, зависит от гиперкапнического сдвига и характеризуется линейной зависимостью, что также отмечено и в наших опытах (рис.7).

■ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ.

В процессе исследований были зыявлены диапазоны заданной глубины дыхания, в пределах которых у крыс сохраняются компенсагорные реакции, обесиечивакчцие поддержание объема вентиляции на облигатном уровне при уменьшении животными дыхательного объема. В диапазоне 1,0 и, па не-

А чЛМЛ/Ш г з .

1

Рис. 6. Пример зачаточных вдохов в экпираторнув фазу у крыс в период "управления". Обозначения как на рис. 2.

200 180 160 140 120 1Й0 Н

Рс 02

150 135 120 105 90 75

20 20 32 38 44- 50

'оз РсО£

I .-1-'

15 22 29 36 43 50

Рис. 7. Зависимость объема вентиляции от напряжения Рсог в выдыхаемом газе при срывах заданного режима (А) и после отмены ограничения на 1-ой мин (Б) в условиях дыхания воздухом (белые кружки), гипокси-чеокой (черные кружки), гиперкапнической (треугольники) смесями.

1 - диапазон 1,0 V,, 2 - 0.8 \'т. 3 - 0,6 Ут.

которым исключением, в диапазоне 0,8 Ух, уменьшение глубины дыхани.ч компенсируется его учащением. Противоположнонаправленное изменение частотного и объемного компонентов дыхания отражает тенденции к изо вентиляторному характеру реакций регуляторных механизмов (Бреслав. 1984).

В заданных диапазонах дыхательного объема, соответствующих 0,6-0,4 закономерного компенсаторного учащения дыхания у животных не отмечается. Напротив, при таких заданных режимах уменьшение глубины дыхания сопряжено с его урежением, и объем легочной вентиляции в кратковременные периоды "управления" оказывается явно недостаточным. Нарушение газового гомеостазиса, связанного с существенным уменьшением объема вентиляции, приводит к формированию императивного стимула, вследствие, чего короткие периоды "управления" прерываются гиперпноз.

Анализ особенностей вентиляторных реакций у крыс на заданный ре жим в условиях раздельного действия гипоксии и гиперкапнии подтвердил решающую роль последней в формировании императивного стимула. Результаты данных серий опытов, по сравнению с результатами опытов в условиях дыхания воздухом, показали, что умеренная гипоксическая стимуляция практически не сказывается на способности подопытных крыс уменьшать свой дыхательный объем: В то же время, усиление гиперкапнической ста • муляции существенно ограничивает возможности животных направленно уменьшать глубину.дыхания.

Эти факты согласуются с результатами исследований с участием человека (Бреслав, 1975; Шиняев, 1994; Кучкин, 1984; Солопов, 1985 и мн. др.), в которых показано, что произвольные гиповентнляцнонные режимы дыхания выдерживается в том случае, если не затрагивается важнейшая функция дыхательной системы - поддержание томеостаЗа. Вероятно, тот же самый механизм срабатывает и у животных при дыхании в заданном режиме. Другое дело - у. человека произвольный компонент регуляции дыхания вы ражен более существенно, чем у животных, у которых вентиляторные реакции, по-видимому, более жестко детерминированы автономными механизмами нейрогуморальной регуляции. С этой точки зрения, способность длительно удерживать гйповентиляционное дыхание у человека и животных неодинакова и обусловлена эффективностью коркового • стимула тормозить аффекты хеморецепторной стимуляции на" дыхательный центр.

Не в малой степени характер вентиляторных приспособительных реак ■цнй у подопытных широтных на задаваемые режимы зависит от индивидупль

ных особенностей базального паттерна дыхания. Так при уменьшение дыхательного объема до задаваемого уровня успешнее .удавалось крысам-бра-дипноикам. Кроме того, именно у этих крыс отмечены случаи апноэ при "управлении" в задаваемых режимах. У крыс с тахипнокческим паттерном более гыражека реакция учащения дыхания на уменьшение его.глубины. Анализ объемных и времет,ных параметров дыхательного цикла подтвердил, что изо^ентиляторные реакции на задаваемые уменьшения дыхательного объема у крыс-тахипноиков выражены сильнее, чем у крыс-брадипноиков. [Сак полагают,' в основе таких различий лежат биомеханические характеристики дыхательного аппарата, вернее - различия в соотношениях резис-тивного и эластического сопротивления дыханию, присущие тахипнойкам и . брадипноикам (см. обзор: Бреслав, 1984, 1994). \ ■

Следует подчеркнуть, что это справедливо не для всех случаев. Так при задаваемой глубине дыхания, соответствующей 1,0-0,8 Ут (то есть близких к величинам дыхательного объема покоя) изовентиляторнад направленность дыхательных реакций животных позволяет сохранять у большинства крыс облигатный уровень вентиляции при уменьшении дыхательного, объема. При более жестких условиях (диапазоны 0,6-0,4 Ут; гипокси.т и гиперкапния) индивидуальные различия теряют свое значение при генезе оптимального соотношения объемно-временных компонентов дыхательного ритма. .Действительно, можно ли считать энергетически оптимальными такие дыхательные реакции, характерные при "правлении" в диапазонах 0,6-0,4 Ут. как "периодическое дыхание" или апноэ, которые-не обеспечивают полоненного легочного газообмена у подопытных животных? Вероятнее всего, указанные формы паттерна дыхания при "управлении" в заданных режимах отражают поведенческий характер вентиляторных реакций и обусловлены мотивационными факторами, то есть прямыми супрапонтинными влияниями на эффекты регуляторных механизмов стволового уровня. •

Конечно же, в строгом смысле слова инструментальное обучение изменению дыхательного стереотипа крыс "произвольным" управлением дыхательными движениями называть нельзя. Однако нельзя и Отрицать роль кортикальных механизмов в формировании вентиляторных реакций на задаваемые режимы. Во всяком случае не отрицается, что кортикальные механизмы существенно изменяют'функционирование механизмов,' -регулирующих ритмогенез, в процессе образования соответствующих временных связей (Маршак, 1961; Колчинская. 1971; Ригуез. 1979; Бреслав. 1984; Глебовский. 1994) и подтверждаются исследованиями на животных, в которых показана связь моторной и йремоторной областей коры с-дыхательными ней--'

ронами, а также проявление возбуждающих и тормозных влияний с этих зон на электрическую активность диафрагмального нерва (Bassal etal.. 1981; Bassal, Blanchl, 1981 a.6; Shennon et al.. 1982; Davenport et al.,1985; Якунин.. Еськов. 1987).

Таким образом, полученные в ходе настоящего исследования экспериментальные данные, позволяют ответить на ряд важных вопросов, касающихся способности животных изменять свой дыхательный стереотип. Заслуживает внимания не только то, что животные оказались способными поддерживать сдвиги такого параметра, как дыхательный объем, но и то, что у животных.при инструментальном обучении уменьшению глубины дыхания проявляются основные закономерности, выявленные в исследованиях с участием человека при выполнении им произвольных дыхательных режимов. В связи с этим мы полагаем, что применение методики инструментальной обратной связи позволило нам смоделировать управление дыхательными движениями у подопытных животных. Дальнейшее применение данного методического подхода в совокупности с другими физиологическими методами исследований представляется нам весьма перспективным в плане прямого изучения механизмов произвольного управления дыханием.

ВЫВОДЫ

1. Бодрствующие белые лабораторные крысы при ограничении глубины дыхания посредством инструментальной обратной связи способны направленно изменять свой дыхательный стереотип - дышать, не превышая усредненной величины спонтанного дыхательного объема и уменьшать дыхательный объем на 25-30%. Уменьшение дыхательного объема на 40-60% подопытным крысам, за редким исключением, не удается.

2. Характер приспособительных вентиляторных реакций животных на задаваемые режимы дыхания в определенной степени зависит от баз.льного паттерна. Крысы-брадипноики успешнее уменьшают глубину дыхания, а крн-сы-тахипноики. при уменьшении дыхательного объема успешнее поддерживают легочную вентиляцию на облигатном уровне.

3. Отмечены три типа приспособительных вентиляторных реакций животных на инструментальное ограничение дыхательного объема : а) уменьшение глубины дыхания с одновременным его учащением (диапазоны 1,0-0,8 Vr); б) уменьшение глубины дыхания с одновременным его урежением, прерываемое гиперппоэ (диапазоны 0.8'-"0,6 VT); в) задержка дыхания, прерываемая гиперпноэ (диапазоны 0.6-0,4 Vr )■.

4. При инструментальном ограничении глубины дыхания в диапазонах близких к спонтанному (1,0 0,8 V,) уменьшение дыхательного объема у

тавотных компенсируется учащением дыхания. Соотношения объемных и временных параметров дыхательного цикла указывает на изовентиляторный характер реакции, что позволяет сохранить объем вентиляции в пределах облигатного уровня.

5. При. инструментальном ограничении глубины дыхания до уровня 0.6-0.4 VT дыхательные реакции животных оказываются неадекватными метаболизму - периоды "управления" становятся кратковременны, нерегулярны и закономерно прерываются гиперпноэ. Основной причиной отмеченных явлений является формирование императивного стимула» на что указывает увеличение РАСог при срывах задаваемых режимов дыхания.

6. Умеренная гипоксическая стимуляция фактически не сказывается на способности животных уменьшать дыхательный объем, а гиперкапничес-кая - существенно ограничивает возможности крыс уменьшать глубину дыхания до задаваемой величины, что подтверждает решающее значение ги-перкапнии в формировании императивного стимула.

7. Выявленные неметаболические особенности вентиляторных реакций крыс при инструментальном ограничении глубины дыхания: уменьшение дыхательного объема, обьема вентиляции, апноэ, наличие зачаточных Вдохов в экспираторную фазу при "управлении", факты сохранения "периодического дыхания" после отмены ограничения, - свидетельствуют об участии в управлении дыхательными движениями у животных супрабульбарных механизмов и об их конкурентных отношениях с автономными механизмами регуляции дыхания. ' '

8. Применение искусственной инструментальной обратной связи позволило смоделировать управленче дыхательными движениями у интактннх крыс, что существенно расширяет рамки методических подходов к изучению. а следовательно, и более глубокому познанию физиологических механизмов произвольного, управления дыхательными движениями.

РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

"1. Грабельников С. А. Особенности дыхания животных при заданном дыхательном объеме в условиях нормоксии и гипероксии //Взаш;. двиг. и сегетат.ф-ций при различных состояниях человека. Калинин. . КГУ, 1986. С.31-37. ■ . - .

2. Грабельников С. А.- Вентиляторные реакции крыс на заданные режимы дыхания в условиях умеренной гипоксии // Пути оптимизации Функции дыхания при нагрузках, в патологии и в экстремальных состояниях, Калинин, КГУ, 1989, С.116-121.

3. Грабельников.С. А., Ковязина Е.Ф.. .'Мцняев В. И. • Особенности

приспособления животных с различным базальным паттерном к заданному режиму дыхания // Взаимодейс.моторн. и вегетат. ф-ций при различных ви дах мь'леч. акуивн. человека. Калинин. КГУ. 1988. С. 16.

4. Грабельников С.А.. Миняев В.И., Пахарькова Н.В, Влияние гипер-капнии на дыхание в заданном режиме // Моторно-висцер.взаимоотнош. при различи, состояниях организма человека, Калинин. КГУ, 1987, С.55-62.

5. Миняев В.И., Грабельников С.А. особенности дыхание в условиях искусственного заданного режима // Взаимод. двиг. и вегетат. ф-ций при различных видах мышечной деятельности человека, Калинин, КГУ,. 1984, С. 105-110.

6. Миняев В.И., Грабельников С.А. особенности дыхания крыс в условиях заданного дыхательного объема // Физиол. журнал СССР, 1987, Г. 73, N 3. С. 418-422.

7. Миняев В.И.. Грабельников С. А. Исследование способности живот ных целенаправленно изменять дыхательный стереотип //Физиол. журн. УССР, 1987, Т. 33, N 3, С. 42-47.

8. Миняев В.И.. Грабельников С.А. Апноэ как поведенческая реакция животных на заданный режим дыхания // Пути оптимизации функции .дыхания при нагрузках, в патологии и в экстремальных состояниях, Калинин. КГУ, 1989, С. 122-125.

9. Миняев В.И.. Грабельников С.А. Управление дыхательным объемом посредством инструментальной обратной связи в условиях гипоксии и ги-пекапнии у крыс // Физиол.журн. СССР. 1990, Т.76, N 5, С.621-626.

10. Миняев В.И., Грабельников С.А. Особенности дыхания крыс в искусственно заданном режиме // Регуляция дыхания и массоперенос газов в организме. Материалы Всесоюзной.конференции. Л.. 1985. М.,1986, С.15.

11. Миняев В.И., Грабельников С.А. Дыхание крыс в условиях задан ного дыхательного объема // Тезисы Всесоюзн.конф."Проблемы нейрогумо-ральной регуляции деятельности висцеральных систем, посвященной 80-ле -тшо со дня рождения акад. В. Н. Черниговского, Л., 1987, С. 90.

12. Миняев В. И., Грабельников С. А., Чапоров В. Н.. Исследование способности крыс целенаправленно изменять свой дыхательный стереотип // Тезисы XV съезда Всесоюзн. физиологического об-ва им. И.П.Павлова, Кишинев, 1987, Л., Наука, 1987, Т.2.