Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Роль ростральных вентро-медуллярных отделов в регуляции дыхательного ритмогенеза

ВАК РФ 03.00.13, Физиология

Автореферат диссертации по теме "Роль ростральных вентро-медуллярных отделов в регуляции дыхательного ритмогенеза"

V

На правах рукописи СЕРГЕЕВА Мария Станиславовна

РОЛЬ РОСТРАЛЬНЫХ ВЕНТРО-МЕДУЛЛЯРНЫХ ОТДЕЛОВ В РЕГУЛЯЦИИ ДЫХАТЕЛЬНОГО РИТМОГЕНЕЗА

03.00.13 — физиология человека и животных

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Казань 1997

Работа выполнена на кафедре анатомии, физиологии и гигиены человека Самарского государственного педагогического университета

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор медицинских наук, профессор В. Ф. ПЯТИН.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор биологических наук, профессор Л. Л. КАТАЛЫМОВ. доктор медицинских наук, профессор В. Е. ЯКУНИН.

ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ:

Институт физиологии им. И. П. Павлова, РАН, г\. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится « . .. » октября 1997 г. в . часов на заседании диссертационного совета К 113.19.02 при Казанском государственном педагогическом университете (420021, г. Казань, ул. Межлаука, д. 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного педагогического университета.

/А

Автореферат разослан « !гг. » сентября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических паук, профессор

Макалеев И. Щ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В исследовании проблемы регуляции дыхания млекопитающих животных основополагающими являются раскрытие природы генерации дыхательного ритма, а также изучение механизмов формирования амплитудно-временных параметров фаз дыхания, в частности переключение одной фазы на другую.

Современная гипотеза возникновения ритмических дыхательных движении объясняет их природу особенностями си-иаптпческои организации нейронной сети дыхательного центра (Ефимов ,Сафонов, 1988; Бреслав, 1990; Глебовский, 1994; Richter, 1982а, Richter et al„ 1986, 1992 и др.). В опытах in vitro на бульбоспипальных препаратах мозга новорожденных крыс убедительно доказана данная точка зрения (Suzue, 1984; Onimaru et al., 1987, 1988, 1990; Smith et al., 1990, 1991, 1992 и др.). Вместе с тем, хорошо известно, что у децеребри-роваиных и ваготомнровапных кошек с поврежденным пли выключенным ппевмотаксическим центром дыхательная периодика сохраняется после обширных разрушении нейронных популяций дорсальной и вентральной респираторных групп (Huang, St. John, 1987; Speck, Beck, 1989). Поэтому вполне закономерно привлекли к себе внимание данные о том, что нейронные структуры ряда ростральных медуллярных зон, например, позадптрапецпевидного ядра и пре-Бедзипгера комплекса, оказывают существенное влияние на генерацию дыхательного ритма (Nattie et al., 1993, 1995; Smith et al., 1990, 1991; Sclnvarzacher et al., 1995). Нужно подчеркнуть, что ростральные веитро-медуллярные отделы длительное время были объектом поиска местоположения центральных хе-морецепторов (Schlacfke et al., 1970; Loeschcke, 1982; Песков, Пятин 1985, 1988). В ходе многочисленных исследовании центральной хемочувствительности был установлен один неоспоримый факт — локальное холодовое выключение ограниченных участков ростральных вентро-медуллярных отделов блокирует дыхательный ритмогенез (Schlaefke et al., 1967; Budzinska et al., 1985 и др.), а также электрическую активность инспираторных нейронов дыхательного центра (Песков, Пятин, 1976).

В плане обсуждаемого вопроса ростральные нентро-ме-дуллярные отделы обладают уникальными свойствами: блокируют дыхательный ритмогенез при их локальном холодо-ьом выключении (Budzinska et al1985) и активируют генерацию и развитие центральной инспираторной активности, влияя на амплитудно-временные характеристики фаз дыхания при их электрическом раздражении (Пятин, Никитин, 1991; Никитин, 1992 н др.)- Структуры с подобными функциональными свойствами были обозначены как субретрофациальная область (Пятин и др., 1993). В последнее время все чаще высказывается предположение, что именно в ростральных вен-тро-медуллярных отделах расположены нейронные структуры, регулирующие дыхательный ритмогенез (Onimaru et al., 1987; Huang, St. John, 1988; Bongianni et al., 1993; Пятин, Никитин, 1991 и др.).

Однако, в литературе отсутствуют данные о влиянии нейронных образований ростральных вентро-медул-лярных отделов на регуляцию ритмической активности различных типов нейронов дыхательного центра, что дало бы возможность судить о функции указанных образований в происхождении и регуляции дыхательного ритма.

Согласно нашей гипотезе, в ростральных отделах продолговатого мозга вблизи его вентральной поверхности находятся интегративные структуры механизма генерации и регуляции центральной инспираторной активности. Для экспериментальной проверки данной гипотезы было выполнено настоящее исследование.

Целью настоящей работы явилось изучение особенностей ритмической активности нейронов дыхательного центра, генерирующих ритм и паттерн дыхания, в условиях регулирующих влиянии со стороны нейронных образований ростральных вентролатеральных отделов продолговатого мозга.

Основные задачи исследования:

1. Изучить по данным суммарной электрической активности дпафрагмального нерва изменения в генерации дыхательной периодики при электрической стимуляции структур суб-ретрофациальной области в различные фазы дыхания.

2. Выявить основные закономерности изменения импульсной активности пнелираторных и экспираторных нейронов дыхательного центра при электрической стимуляции структур субретрофацпальной области в различные фазы дыхательного цикла.

о

3. Исследовать закономерности генерации дыхательного ритма и электрической активности дыхательных нейронов в условиях одновременного локального холодового воздействия н электрической стимуляции структур субретрофациальнои области.

Научная новизна. В результате проведенных экспериментов было установлено, что в ростральных вентро-медул-лярных отделах расположены нейронные структуры, электрическое и холодовое воздействие на которые дпаметральпо противоположным образом изменяет генерацию дыхательного ритма. Так, при электрическом раздражении исследованных образований выявлены реакции выключения пнепнраторной активности дыхательного центра (в период фазы инспирации), а также включения ипепнраторнон активности дыхательного центра (в период фазы экспирации). Показано, что выключению инспирагорнои активности дыхательного центра всегда предшествует резкое повышение электрической активности пнепираторных нейронов дыхательного центра. Процесс включения инспирагорнои активности дыхательного центра при раздражении структур ростральных вентро-медуллярных отделов также связан с усилением генераторной активности пнепираторных нейронов. Активация пнепираторных нейронов дыхательного центра, вызванная со стороны ростральных вентро-медуллярных структур, происходит па фоне значительного уменьшения временных параметров фазной активности ди-афрагмального нерва н внешнего дыхания. Поэтому для непрерывной стимуляции структур субретрофацпальнон области характерно повышение частоты генерации дыхательного ритма.

Нейрофизиологический анализ активности отдельных типов дыхательных нейронов во время стимуляции структур субретрофациальной области показал, что исследованные структуры влияют как на моменты включения и выключения активности рптмгенерпрующих нейронов дыхательного центра (ранние инспираторные и постпнспнраторные), так и на нейроны, участвующие в формировании паттерна дыхания.

На основании полученных данных можно высказать предположение о том, что нейронные структуры субретрофациальной области регулируют все три нейронные механизмы дыхательного центра — инспираторный, постинспираторный и экспираторный: выключают и включают инспираторный механизм с активацией пнепираторных нейронов, выключают постинспираторный и экспираторный механизмы.

В работе впервые показано, что в условиях частичного хо-Лодового выключения нейронных структур субретрофацналь-ной области, вызывающего резкое угнетение электрической активности всех типов нейронов дыхательного центра, электрическая стимуляция этих же образований по-прежнему регулирует как фазные процессы генерация дыхательного ритма, так н особенности ритмогенеза отдельных типов респираторных нейронов. Впервые показано, что электрическая стимуляция структур субретрофациальной области вызывает импульсную активность дыхательных нейронов, прекративших свои ритмогенез под влиянием холодового воздействия на субрет-рофацпальные образования. Полученные в работе данные свидетельствуют также о том, что электрическому раздражению и локальному холодовому выключению подвергались один и те же структуры.

Теоретическое и практическое значение работы. На основании проведенных исследований и анализа полученных данных можно сформулировать гипотезу о том, что нормальная генерация дыхательного ритма возможна при участии структур субретрофациальной области. Нейронные структуры суб-ретрофациальной области функционально обеспечивают регуляцию возбудимости различных типов нейронов дыхательного центра, участвующих в трех нейронных механизмах дыхательного центра.

Данные, полученные в работе, расширяют представления о происхождении дыхательного ритма, а также о возможных механизмах его нарушения. В норме — это дает возможность поиска новых путей управления функцией дыхания, в патологии — поддержания и коррекции функции дыхания через нейрогуморальные механизмы нейронных структур субретрофациальной области.

Положения, выносимые на защиту.

1. Нейронные структуры субретрофациальной области являются основным структурно-функциональным компонентом центрального механизма генерации ритма, а также регуляции амплитудно-временных характеристик инспираторнон активности, причем локальное холодовое выключение названных структур может частично или полностью расстраивать ритмическую деятельность дыхательного центра.

2. Ритмгенерирующая функция нейронных структур субретрофациальной области проявляется в регуляции момента 4

появления импульсной активности ранних ппспнраторпых и постинспираторных нейронов (нейроны ритма) дыхательного центра, а паттернрегулирующая — в стимуляции всех типов пнспнраторных нейронов и в торможении активности экспираторных нейронов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены па симпозиуме «Интеграция механизмов регуляции висцеральных функций» (Краснодар, 1996), на I Российском конгрессе по патофизиологии «Патофизиология органов и систем. Типовые патологические процессы (экспериментальные и клинические аспекты)» (Москва, 1996), на международном семинаре «Нелинейное моделирование и управление» (Самара, 1997), на кафедре анатомии, физиологии и гигиены человека и животных Самарского государственного педагогического университета и на расширенном заседании кафедры анатомии, физиологии и охраны здоровья человека Казанского государственного педагогического университета.

Реализация результатов исследования. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ. Данные исследования включены в лекционный курс по нормальной физиологии и физиологии человека и животных для студентов Самарского государственного медицинского и Самарского государственного педагогического университетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, изложения методов исследования, результатов исследования и их обсуждения, выводов, указателя литературы, приложения. Работа изложена на 152 страницах. Диссертация иллюстрирована 36 рисунками н 20 таблицами. Указатель литературы включает 157 работ, из них 132 — иностранных авторов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Эксперименты выполнены на 44 половозрелых кошках, наркотизированных нембуталом внутрпбрюшинно (35—40 мг/кг). Животное фиксировали в стереотаксическом аппарате дорсальной стороной вниз. Для изучения нейронных образований ростральных вентро-медуллярных отделов обнажали вентральную поверхность от С2 до уровня выхода корешков VI—VII пар черепно-мозговых нервов и на 5,0—5,5 мм лате-ральнее средней лншш мозга.

Электрическую активность диафрагмального нерва регистрировали с помощью биполярных серебряных электродов, соединенных с комплексом усиливающей и интегрирующей электрофизиологической аппаратуры (Калакутскнй и соавт., 1991). Анализировали 8 амплитудно-временных параметров активности диафрагмального нерва.

Нейронные структуры рострального отдела вентролате-ральиой поверхности продолговатого мозга раздражали биполярными вольфрамовыми электродами с межэлектродным расстоянием 100 мкм при помощи электростимулятора ЭСЛ-2 электрическими импульсами прямоугольной формы длительностью 1 мс при силе раздражающего тока 0,5—50 мкА, напряжении 1,4—3,5 В, частотой 60 Гц.

Билатеральное локальное холодовое выключение нейронных образований рострального вентро-медуллярного отдела осуществляли термодем при температуре 4-15—20°С.

Внеклеточную электрическую активность нейронов дыхательного центра отводили стеклянными микроэлсктродами с диаметром кончика менее 1 мкм и сопротивлением порядка 3—5 Мом, заполненными 2,5М раствором KCl. Оценку изменения импульсной активности нейронов при электрической стимуляции структур субретрофациальной области производили по 4 параметрам, строили гистограммы распределения средней частоты импульсов нейронов дыхательного центра. Нами зарегистрированы изменения электрической активности 187 дыхательных нейронов в промежуточном и каудальном отделах вентральной респираторной группы дыхательного центра.

Активность диафрагмального нерва, интегрированную кривую и паттерны дыхательных нейронов регистрировали с экрана осциллографа С1-18 фоторегистратором ФОР-2.

Параметры физиологических реакции статистически обрабатывали по методу Стьюдента на ЭВМ 386 PC IT. На ocho ванин величины и числа наблюдений определяли процент возможной ошибки, выраженной в виде значений вероятности различия (р). Различие расценивали как достоверное, начиная со значений 0,05.

Для выявления количественных зависимостей между факторами, влияющих на активность нейронов (момент нанесения, длительность стимуляции и напряжение электрического тока), нами строилась математическая модель в виде полинома второй степени. Для математической модели второго порядка мы пользовались методом композиционного ротатабель-пого планирования. Используя уравнения регрессии при «за-6

моражнваипи» отдельных факторов, получали рассчетно-гра-фпчеекие изображения влияния конкретных факторов на изменение активности нейронов при раздражепнн структур субретрофациальной области.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Функциональная роль нейронных структур субретрофациальной области в регуляции дыхательного ритма

Наши исследования показали, что максимальные респираторные реакции возникают при электрическом раздражении зоны, расположенной между вентральной поверхностью продолговатого мозга и ретрофациальным ядром. Координаты выделенной зоны следующие: 4,0—4,5 мм ростральнее середины корешков подъязычного нерва и 4,5—5,0 мм латераль-нее средней линии мозга.

Нами установлено, что электрическое раздражение структур субретрофациальной области (СРФО) вызывает фазовые сдвиги генератора дыхательного ритма и при этом изменяются амплитудно-скоростные характеристики активности диафрагмального нерва. Так, электрическая стимуляция структур СРФО в инспираторную фазу обрывала ее развитие. Параметры дыхательного цикла изменялись при этом следующим образом: его продолжительность уменьшалась на 26,5±3,7%, продолжительность ннспираторной и экспираторной фаз сокращалась соответственно на 35,4 ±3,8 % н 21,7±3,7% (р<0,05), время нарастания центральной ннспираторной активности (ЦИА) и время плато активности диафрагмального нерва (АДН) уменьшалось соответственно на 31,7±3,7% (р<0,05) и 45,8±2,2% (р<0,05), амплитуда плато АДН при этом увеличивалась на 69,2±9,5% (р<0,05).

Электрическое раздражение структур СРФО в экспираторную фазу в 100% случаев вызывало переключение фаз. Временные параметры вызванного дыхательного цикла были меньше по сравнению с фоновыми значениями: продолжительность дыхательного цикла, ннспираторной и экспираторной фаз сокращалась соответственно на 30,7±9,2% (р<0,05), 41,4±7,9% (р<0,05) и 26,7±6,7% (р<0,05). Время нарастания ЦИА н время плато АДН уменьшалось на 39,5±8,0% (р<0,05) и 42,2±11,3% (р<0,05). Максимальная амплитуда АДН при этом возрастала на 178,8±38,7% (р<0,05).

При длительном электрическом раздражении нейронных структур СРФО увеличивалась частота дыхания: продолжительность дыхательного цикла и инсппраторной фазы уменьшалась соответственно на 38,8±2,6% (р<0,01) и 41,7±4,2% (р<0,01), сокращалось время нарастания ЦИА до ее максимального значения и время плато АДН на 16,7 ±1,2 % (р<0,05) и 70,4±4,2°/о (р<0,05); продолжительность экспираторной фазы сокращалась на 31,3±3,8% (р<0,01). Максимальная амплитуда АДН изменялась в зависимости от силы тока: при пороговых значениях тока она увеличивалась на 179,0± 11,1 % (р<0,01), при сверхпороговых — на 62,5±7,2% /р<0,01).

Таким образом, нейронные структуры СРФО играют важную роль в регуляции амплитудно-временных параметров центральной инсппраторной активности.

Нами установлено, что электрическое раздражение СРФО вызывает изменение импульсной активности нейронов дыхательного центра. Так, стимуляция, этой области в пнеппратор-пую фазу вызывала уменьшение продолжительности залпа и увеличение средней частоты импульсов в залпе у инегшратор-ных нейронов. В вызванном дыхательном цикле у пнепира-торпых нейронов наблюдались аналогичные изменения.

Рис. 1. Гистограммы распределения средней частоты импульсов (нмп/с) ранних ннегшраторных нейронов при раздражении СРФО в фазу инспирации (Б) и экспирации (В). А — фон. По оси абсцисс — дыхательный цикл, разделенный на 20 частей.

Ранние инспираторные нейроны (N=11). Электрическая стимуляция структур СРФО 15 инспирагорную фазу уменьшала продолжительность залпа ранних инспираторных нейронов па 62,6±6,6% (р<0,05), средняя частота импульсов в залпе при этом возрастала на 157,3±14,4% (р<0,05), а значение межимпульсного интервала уменьшалось на 65,5±7,2%.

В вызванном дыхательном цикле, при раздражении структур СРФО в экспираторную фазу, продолжительность залпа и величина межимпульсного интервала ранних пнсппратор-пых нейронов уменьшались соответственно на 17,0±2,5% (р<0,05) и 29,7±3,2%, средняя частота импульсов в залпе при этом возрастала на 46,4±6,1% (р<0,05) (рис. 1).

Полные инспираторные нейроны с нарастающей активностью (N = 38). Электрическая стимуляция структур СРФО в инспираторную фазу уменьшала продолжительность залпа полных инспираторных нейронов с нарастающей активностью на 20,7±2,1% (р<0,05), увеличивала среднюю частоту импульсов в залпе на 27,3±3,2% (р<0,05) и сокращала межимпульсный интервал на 19,8±2,8%.

В вызванном дыхательном цикле продолжительность залпа и межнмпульснын интервал уменьшались соответственно на 44,0±3,8% (р<0,05) и 22,3+2,8% (р<0,05), средняя Частота импульсов в залпе увеличивалась на 48,4±8,8% (р<0,05) (рнс. 2).

Рис. 2. Гистограммы распределения средней частоты импульсов (пмп/с) полных инспираторных нейронов при раздражении СРФО в сразу инспирации (Б) и экспирации (В). Л — фон. По оси абсцисс — дыхательный цикл, разделенный на 20 частей.

Полные инспираторные нейроны с постоянном активностью (N = 26). Электрическое рсздражение структур СРФО в пн-сппраторную фазу уменьшало продолжительность залпа полных инспираторных нейронов с постоянной активностью па 24,7±2,9% (р<0,05), увеличивало среднюю частоту импульсов в залпе на 20,0±2,4с/о и уменьшало значение межимпульсного интервала на 17,8±2,1 % (р<0,05).

Стимуляция структур СРФО о экспираторную фазу сокращала продолжительность залпа и значение межимпульсного интервала соответственно на 19,6±2,9% (р <0,05) и 23,1±2,7% (р<0,05) и увеличивала среднюю частоту импульсов в залпе на 27,1,±2,1 % (р<0,05).

Поздние инспираторные нейроны (N=19). Электрическое раздражение структур СРФО в ннсппрагорную фазу уменьшало продолжительность залпа поздних инспираторных нейронов на 31,8±5,9% (р<0,05). увеличивало среднюю частоту импульсов в залпе на 37,9±7,5% (р<0,05) п сокращало межимпульсный интервал на 28,7±3,3% (р<0,05).

В вызванном дыхательном цикле, при раздражении исследуемой области в экспираторную фазу, продолжительность залпа поздних инспираторных нейронов и величина межим-пульспого интервала уменьшались соответственно на ¡8,1 ±2,6% и 29,5±3,1 % "(р<0,05). средняя частота импульсов в залпе возрастала на 33,8+4,5% (р<0,05) (рис. 3).

_________

Рис. 3. Гистограммы распределения средне." частоты импульсов Снмп/с) поздних ннспнраторных нейронов при раздражении СРФО в фазу инспирации (Б) и экспирации (В). А — фон. По оси абсцисс — дыхательный цикл, разделенный на 20 частей.

Иная реакция был а у постинспираторных и экспираторных нейронов: электрическое раздражение структур СРФО затормаживало их активность.

Постинспираториые нейроны (N=12). Электрическое раздражение СРФО в инеппраторную фазу уменьшало продолжительность залпа постинспнраторны.х нейронов и среднюю частоту импульсов в залпе соответственно на 33,3±9,4% и 44,1 ± 8,2% , значение мсжимпульсного интервала при этом увеличилось на 65,7± 11,9%.

Стимуляция структур СРФО в постинсппраторную фазу обрывала разряд постинспираторных нейронов: продолжительность залпа и межимпульсный интервал сокращались соответственно на 40,9±5,0% и 21,0±2,4% (р<0,05). Средняя частота импульсов в залпе при этом увеличивалась па 26,8±3,8% (р<0,05), при еверхпорогоиом значении силы электрического тока данный параметр уменьшался на 12,7±2,б% (рис. 4).

5 4 3 2 1 О

/ -¿у

/ / 1

/ н

и ■Г1

/ УЛ I .......7 • /

ИМфС/; ,1/-

/

/77777777Л

/7777/

4

(II)

Рис. 4. Гистограммы распределения средней частоты импульсов (ими/с) постинспираторных (I) и экспираторных нейронов (II) при раздражении СРФО в фазу экхпирации (Б). А — фон. По оси абсцисс — дыхательный цикл, разделенный на 20 частей.

В вызванном дыхательном цикле (при стимуляции в экспираторную фазу предыдущего дыхательного цикла) продолжительность залпа постинспираторных неГфонов увеличивалась на 21,9±6,2% (р<0,05), средняя частота импульсов в нем возрастала на 128,7± 10,5% (р<0,05), величина межпм-пульсного интервала уменьшалась на 56,9±5,5% (р<0,05).

Экспираторные нейроны (N = 28). Электрическая стимуляция структур СРФО в инсппраторную фазу вызывала торможение экспираторных нейронов: продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем уменьшались соответственно на 22,5±4,5% (р<0,05) и 22,4±2,3% (р<0,05), величина межимпульсного интервала увеличивалась на 29,4±3,6% (р< 0,05).

Электрическое раздражение в экспираторную фазу обрывало разряд одноименных нейронов: продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем сокращались соответственно на 45,1 ±4,5% (р<0,05) и 33,3±3,5% (р<0,05), межимпульсный интервал увеличивался на 48,2±5,9% (р<0,05) (рис. 4).

В условиях длительного раздражения нейронных структур СРФО сохранялась периодичность разряда ннспираторных и постинспираторных нейронов. Продолжительность залпа указанных типов дыхательных нейронов при этом уменьшалась, а средняя частота импульсов в залпе увеличивалась по сравнению с фоновыми значениями.

Влияние нейронных структур субретрофациальной области в условиях их частичного выключения на генерацию центральной инспираторной активности

Нами установлено, что билатеральное локальное охлаждение структур СРФО приводит к угнетению дыхания. В данных условиях экспериментов увеличивалась продолжительность дыхательного цикла за счет пролонгирования экспираторной фазы на 30,9±6,9%, продолжительность инспираторной фазы н амплитуда плато АДН при этом сокращались соответственно на 22,1 ±2,8% (р<0,05) и на 34,2±7,1% (р<0,05). В 48% случаев через 8—12 с после начала охлаждения наблюдалась остановка дыхания.

В условиях частичного холодового выключения структур СРФО наблюдалось угнетение импульсной активности полных ннспираторных нейронов: уменьшались продолжительность их залпа и средняя частота импульсов в залпе. Иная реакция была у поздних ннспираторных нейронов: продолл<ительность их залпа возрастала, а средняя частота импульсов в залпе 12

уменьшалась. Охлаждение нейронных структур СРФО приводило к активации постписппраторпых нейронов: отмечалось увеличение продолжительности их залпа п средней частоты импульсов в залпе. В условиях частичного локального холо-дового выключения структур СРФО разряд экспираторных нейронов становился непрерывным.

Электрическая стимуляция нейронных структур СРФО на фоне их частичного выключения восстанавливала дыхание. При этом временные параметры дыхательного цикла п его фаз сокращались по сравнению со значениями, отмеченными во время охлаждения; при этом амплитуда плато активности дпафрагмального нерва возрастала в 6,3± 1,2 раза при раздражении структур СРФО в фазу инспирации и в 9,5±1,4 раза— в экспираторную фазу. Длительное электрическое раздражение структур СРФО на фоне их частичного охлаждения в 94% случаев приводило к ннспираторпому апноэ.

Раздражение структур СРФО на фоне их локального охлаждения вызывало изменение импульсной активности нейронов дыхательного центра. При дальнейшем анализе импульсной активности дыхательных нейроно'в в условиях электрического раздражения структур СРФО на фоне пх холодо-вого выключения в качестве фона использовалось изменение активности нейронов при охлаждении структур исследуемой области.

Ранние инспираторные нейроны (N = 8). Электрическая стимуляция структур СРФО в инспираторную фазу на фоне пх холодового выключения вызывала уменьшение продолжительности залпа и значения межимпульсного интервала ранних инспираторных нейронов соответственно на 38,6±4,3% и 41,4±3,5% (р<0,05) н увеличение средней частоты импульсов в залпе на 55,3±9,4% (р<0,05).

В вызванном дыхательном цикле продолжительность залпа и значение межимпульсного интервала уменьшались соответственно на 11,9±2,4°/о и 13,3±2,2%, средняя частота импульсов в залпе возрастала на 15,3±3,4%.

Полные инспираторные нейроны с нарастающей активно-(N=17). Раздражение структур СРФО в фазу инспирации на фоне их частичного охлаждения вызывало уменьшение продолжительности залпа и величины межимпульсного интервала указанного типа нейронов соответственно на 25,2±5,1% и 33,0±4,8% (р<0,05) и увеличение средней частоты импульсов в залпе на 54,8±5,6% (р<0,05).

При раздражении структур СРФО в экспираторную фазу на фоне пх локального холодового выключения продолжительность залпа данного типа нейронов уменьшалась на

33,9+3,6% (р<0,05), средняя частота импульсов в залпе увеличивалась на 42,5±7,8% (р<0,05), межимпульсныи интервал сокращался на 29,8± 4,0% (р<0,05).

Полные инспираторные нейроны с постоянной активностью (N=14). Электрическое раздражение структур СРФО в инспираторную фазу на фоне их частичного холодового блокирования приводило к уменьшению продолжительности залпа и межимпульсного интервала полных инспираторных нейронов соответственно на 13,5±2,7% и 26,2±3,3% (р<0,05) и увеличению средней частоты импульсов в залпе на 35,8±6,1% (р<0,05).

В вызванном дыхательном цикле изменения импульсной активности данных нейронов были аналогичными: продолжительность залпа уменьшалась на 34,1+4,5% (р<0,05), средняя частота импульсов в залпе возрастала на 57,9 + 6,8% (р<0,05), межимпульсный интервал сокращался на 30,5+3,7% (р<0,05).

Поздние инспираторные нейроны (N=10). Электрическая стимуляция нейронных образований исследуемой зоны в инспираторную фазу на фоне их частичного охлаждения уменьшала продолжительность разряда поздних инспираторных нейронов на 27,2 + 3,8%, увеличивала среднюю частоту импульсов в залпе на 46,6+9,4% (р<0,05) п сокращала межимпульсный интервал на 22,9±4,5% (р<0,05). При нанесении раздражения в экспираторную фазу продолжительность залла и величина межимпульсного интервала уменьшались соответственно на 35,3±6,6% (р<0,05) и 38,5±7,6% (р<0,05), соедпяя частота импульсов в залпе возрастала на 66,6± 10,9% (Р<0,05).

Постинспираторные нейроны (N = 9). Раздражение структур СРФО в инспираторную фазу на фоне их холодового выключения пролонгировало разряд постинсппраторных нейронов на 19,7±4,8% (р<0,05), уменьшало среднюю частоту импульсов в залпе на 18,7±9,2% и увеличивало межимпульспый интервал на 22,5±7,5%.

Электрическая стимуляция структур СРФО в экспираторную фазу обрывала разряд постинсппраторных нейронов: продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем сокращались соответственно на 48,8±4,4% и 42,2 + 7,1% (р<0,05), величина межимпульсного интервала увеличивалась на 68,6±14,7% (р<0,05).

В вызванном дыхательном цикле наблюдались аналогичные изменения импульсной активности постинсппраторных

нейронов: продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем уменьшались соответственно на 40,8±3,5% и 47,9±3,5% (р<0,05), межимпульсный интервал увеличивался на 64,6± 12,1% (р<0,05).

Экспираторные нейроны (N = 12). Электрическая стимуляция нейронных образований исследуемой зоны на фоне локального охлаждения ростральных вептро-медуллярных структур обрывала разряд экспираторных нейронов: продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем уменьшались соответственно на 44,2±4,7% (р<0,05) и33,3±5,1% (р<0,05), значение межимпульсного интервала увеличивалось на 65,4±9,4% (р<0,05).

При нанесении раздражения в ипсппраторную фазу изменения импульсной активности экспираторных нейронов были аналогичны реакциям пнспнраторных нейронов: продолжительность залпа уменьшалась на 15,6±2,5% (р<0,05), средняя частота импульсов в залпе возрастала на 24,4±-1,9%, межпм-пульсный интервал сокращался на 20,4±2,1% (р<0,05).

Л\атематическое планирование эксперимента при изучении реакций дыхательных нейронов на электрическое раздражение субретрофациальной области

Использование метода математического планирования эксперимента позволило нам представить динамику изменения импульсной активности нейронов дыхательного центра прч электрическом раздражении нейронных структур СРФО. Кроме того, мы получили наглядный материал, демонстрирующий влияние отдельных факторов эксперимента (момент раздражения, длительность стимуляции и сила тока) на изменение активности нейронов и позволяющий спрогнозировать изменение импульсной активности дыхательных нейронов при электрическом раздражении структур СРФО. Так, стимуляция исследуемой области в инсппраторную фазу уменьшает продолжительность залпа пнспнраторных нейронов при смещении момента раздражения к началу инспирации. Средняя частота импульсов в залпе у поздних пнспираторны.х нейронов в данных условиях выше фоновых значений, а у полных инсппра-торных нейронов она возрастает при раздражении в первую половину инспирации и уменьшается — при стимуляции во вторую половину фазы вдоха.

В вызванном дыхательном цикле продолжительность залпа у инсппраторных нейронов уменьшается следующим образом: у полных нейронов — при смещении момента раздражения к

началу экспирации, у поздних нейронов — при смещении момента стимуляции к концу экспирации. Средняя частота импульсов в залпе у пнспираторных нейронов при этом увеличивается, и наибольшее ее изменение наблюдается при стимуляции СРФО во вторую половину экспирации.

При электрическом раздражении структур субретрофацнальпой области в фазу выдоха у экспираторных нейронов сокращается продолжительность залпа и средняя частота импульсов в нем. Данные изменения более выражены при смещении момента стимуляции к началу экспирации.

Нами был также рассмотрен вопрос о динамике изменения импульсной активности нейронов дыхательного центра при электрическом раздражении структур субретрофациаль-нон области при различных значениях тока.

Полученные нами данные с помощью метода математического планирования эксперимента подтверждают достоверность результатов, описанных в третьей главе настоящей работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных нами исследований показали, что локальное холодовое воздействие па ростральные структуры, выключающее электрическую активность дпафрагмального нерва, совпадают по топографии с зоной, аппликация на которую раствора глутамнновой кислоты блокирует дыхательный ритм (Татарников, 1993). Эта область находится между "".нтральной поверхностью продолговатого мозга и так называемым ретрофацпальным ядром. Она была названа субретро-фациальной областью (Пятин, Никитин, 1991; Никитин, 1992).

В нашей работе получены данные, свидетельствующие о том, что электрическая стимуляция структур еубретрофацп-альной области выключает пли включает инспираторную активность в зависимости от фазы дыхательного цикла. Кроме того, стимуляция субретрофацнальпой области в фазу инспирации не только выключает вдох, но п перед выключением активирует разряд дпафрагмального нерва. Эти наблюдения были подтверждены в ходе изучения электрической активности нейронов дыхательного центра.

Нами были установлены следующие закономерности: электрическое раздражение структур субретрофацнальпой области в фазу вдоха необратимо прерывает залповый разряд всех типов пнспираторных нейронов; моменту прекращения 16

залпового разряда ннспираторных нейронов предшествует кратковременный период значительного увеличения средней частоты импульсацнп респираторных единиц. Следовательно, нейронные структуры субретрофациальной области выключают центральную инспираторную активность только в момент определенного, т. е. порогового уровня электрической активности ннспираторных нейронов.

Длительное электрическое раздражение структур субретрофациальной области сопровождалось возрастанием частоты генерации дыхательного ритма. Исследованные образования регулируют дыхательный ритм через изменение импульсной активности ранних, поздних и постиисппраторных нейронов. Согласно современным представлениям, образование ритма респираторной активности связано с функцией двух типов дыхательных нейронов — ранних ннспираторных и постпнсппра-ториых, которые моноснпаптически затормаживают друг друга в период своей активности (Richter et а 1., 1990; 1992). Для данных нейронов характерна быстрая мембранная деполяризация и последующая гнперполярнзация с постепенным уменьшением частоты разряда (Richter, 1982; Richter et al., 1992). Стимуляция структур субретрофациальной ?бластп укорачивала разряд ранних ннспираторных нейронов и как следствие инициировала активность постинсппраторнкх нейронов. С другой стороны, разряд постиисппраторных не "фонов всегда прерывался во время раздражения субретрофациальной области в фазу выдоха. Вслед за прекращением активности постинспираторпых нейронов возникал разряд ранних ннспираторных нейронов и развивался вызванный вдох пли вызванная центральная инспнраторная активность. Возможно, что раздражение структур субретрофациальной области ускоряет процессы мембранной деполяризации и гиперполяризацин ранних и постинспираторпых нейронов.

Важным моментом начала выключения инспирации является активность поздних ннспираторных нейронов. Эти нейроны регулируют фазу обратимого выключения инспирации (Richter ,1982; Richter et al., 1992). Часть поздних ннспираторных нейронов синаптпчески связана с рецепторами растяжения легких. При пороговом уровне активности поздних ннспираторных нейронов выключается и активность полных ннспираторных нейронов. Раздражение структур субретрофациальной области в фазу вдоха также выключало разряд поздних пнепнраторпых нейронов с их предварительной активированием. Таким образом, нейронные образования после-

дуемой области участвуют в регуляции фаз обратимого и необратимого выключения инспирации (Richter et аI., 1992, Глебовский, 1994).

По мнению большинства исследователей экспираторные нейроны не играют никакой роли в генерации дыхательного ритма. Это мнение подтверждается и данными наших наблюдений. Так, электрическое раздражение нейронных образова-иип субретрофацнальной области в фазу активной экспирации (вторая половина фазы выдоха) включало вызванную инспн-раторную активность дыхательного центра, прерывая текущий залповый разряд экспираторных нейронов. Причем, прерывание активности экспираторных нейронов не было связано с каким-либо ростом их пмпульсащш.

В серии экспериментов нами было показано, что билатеральное локальное холодовое воздействие на зону электрической стимуляции тормозит дыхательный ритмогенез. В период холодового выключения субретрофацнальной области кратковременное электрическое раздражение этих же образований инициировало разряд в днафрагмальном нерве. В данных условиях экспериментов электрическое раздражение структур исследуемой области, по-прежнему, оказывало влияние па регуляцию дыхательного ритма, выключало пли включало инсппраторную активность. Причем, вызванная активность дыхательного центра сохранялась только в момент стимуляции структур субретрофацнальной области. Можно предположить, что известный литературный феномен блокады дыхательного ритма при охлаждении промежуточного хемочув-ствительного поля (Schiafke et al., 1967; Budzinska et al., 1985) связан с выключением исследуемой нами субретрофацнальной зоны.

Таким образом, нейронные структуры субретрофацнальной области обладают уникальными свойствами: блокируют дыхательный ритмогенез при их локальном холодовом выключении, активируют развитие и возникновение центральной ин-сипраторной активности, влияя на амплитудно-временные характеристики фаз дыхания.

ВЫВОДЫ

1. Нейронные структуры субретрофацнальной области при ьх электрическом раздражении участвуют в возникновении и в регуляции центральной пнепираторной активности, изменяя ее интенсивность, а также переключая вдох на выдох и инициируя вдох в фазу экслирации. 18

2. Выключению центральной ииспираторноп активности и ответ на стимуляцию структур субретрофациальной области предшествует период резкого увеличения средней частоты импульсов в залпе у всех типов нисппраторных неГфонов дыхательного центра.

3. При включении центральной ипсппраторной активности, вызванной стимуляцией структур субретрофациальной области в фазу экспирации, блокируется электрическая активность постннспираторных и экспираторных нейронов, а вызванные электрические параметры разрядов инеппраторных нейронов всегда превышают их фоновые значения.

4. При непрерывном электрическом раздражении нейронных структур субретрофациальной области возрастает частота генерации дыхательного ритма, при этом возрастает средняя частота разрядов всех типов ннспираторных, а также постннспираторных нейронов дыхательного центра.

5. В условиях локального билатерального охлаждения структур субретрофациальной области, когда частично пли полностью угнетается генерация центральной инспираторной активности, электрическое раздражение этих же образований по-прежнему регулирует как фазные процессы генерации дыхательного рнтма, так и особенности ритмогенеза отдельных типов респираторных нейронов.

6. В ростральных вентролатеральных отделах продолговатого мозга расположены нейронные структуры, имеющие отношение к механизму регуляции частоты генерации дыхательного ритма, а именно к формированию временных и амплитудных характеристик центральной инспираторной активности.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации.

1. Сергеева М. С. Роль структур медиальной зоны дыхательного центра во взаимодействии дыхания и кровообращения//Поволжская научная конференция молодых биологов-физиологов.—Самара,—1992,—с. 17—18.

2. Габдрахманов Р. Ш., Гордиевская Н. Л., Мо.ччатская В. Ф., Сергеева М,. С. Взаимодействие дыхательного центра с висцеросомэтическими системами на уровне продолговатого мозга//,3 Съезд физиологического общества при РЛН. Успехи физиологических наук. — 1994. —N1.—с. 94.

3. Пятин В. Ф., Сергеева М, О, Никитин О. Л., Татарников В. С. Буль-барные механизмы регуляции дыхательного ритмогенеза//Материалы симпозиума «Интеграция механизмов регуляции висцеральных функции». — Краснодар.—1996.—с. 69—71.

4. Пятин В. Ф„ Татарников В. С., Никитин О. Л„ Сергеева №. С. Нарушение генерации ритма и паттерна дыхания при выключении субретрофациальной области//! Российский конгресс по патофизиологии «Патофн-

знологня органов н систем. Типовые патологические процессы (экспериментальные н ошшческне аспекты)». Тезисы докладов. — Москва.—1996.— с. 112.

5. Сергеева М. С., Пятин В. <3>i., Якунина С. В., Сергеев С. А., Федотов Ю. В. Математическое планирование эксперимента при изучении реакции дыхательных иеГфонов на электрическое раздражение ростральных вентро-медудлярных отдедов//Международнып семинар «Нелинейное моделирование и управление». Тезисы докладов.—Самара;.—1997.—с. 132-133.

6. Pyatin У. F., Sergeeva М. S., Nikitin О. Ц, Tatarnikov V. S. The rostral region of ventral medulla: — A location of respiratory rhythm-generation neurons//XXXIII Internation Congress of Physiological Sciences. — Si Pelerbyrg. — 1997. — П. 030:29.

Тип. СамГПУ. Зак. 453. Тир 100.