CC BY
30
УДК 615.47
Т. В. Андросова, ст. науч. сотр., Н. М. Богатов, д-р физ.-мат. наук, Л. Р. Григорьян, доцент, Э. И. Злищева, канд. биол. наук, Я. Е. Клепиков, аспирант, А. Я. Шурыгин, д-р биол. наук, Кубанский государственный университет
Исследование реакций терморегуляторной системы белых лабораторных мышей в процессе продолжительного стресса
Ключевые слова: медицинское тепловидение, терморегуляция организма, стресс Key words: medical thermal imaging, analysis of images, stress
В статье представлены результаты исследований влияния продолжительного стресса на температуру поверхности тела, кровь и внутренние органы (тимус, селезенку, надпочечники) экспериментальных животных. Показана возможность определения степени стрессирован-ности тепловизионным методом.
Введение
Биологический организм является открытой энергетической системой, которая стремится к динамическому равновесию с окружающей средой. Жизнеспособность организма обеспечивают физико-химические процессы саморегуляции, действующие как на уровне всего организма, так и на уровне клеток. Интегральная система саморегуляции объединяет ряд подсистем
[1], в число которых входит система терморегуляции
[2]. Исследование этой системы является актуальной задачей биофизики и физиологии, ставящей целью построение теплового портрета организма и изучение его изменения в различных условиях. Изучение закономерностей реакции организма в процессе приспособления к внешним условиям необходимы для создания методик выживания в чрезвычайных ситуациях, правил охраны труда, новых медицинских технологий.
Система терморегуляции включает в себя многократно продублированные элементы, выполняющие функции теплообменников, теплоносителей, источников тепла, датчиков температуры и центров регуляции [2]. Эти элементы объединены цепями управления и обратной связи, взаимодействующими в процессе достижения максимального приспособительного эффекта [1]. Взаимодействие реализуется в различ-
ных масштабах посредством макро-, микро- и нано-объектов. Действие системы терморегуляции проявляется в управлении механизмами теплопередачи на макроуровне органов и частей тела, микроуровне кровеносных сосудов и клеток окружающей их ткани, наноуровне мембран нервных окончаний терморецепторов и молекул белков [3-6].
Внутренняя терморегуляция организма реализуется посредством метаболического термогенеза, тока крови, мышечного тонуса кожи, ритма дыхания, частоты сердечных сокращений, выделения пота и контролируется центральной нервной системой, в частности гипоталамусом, и эндокринной системами. Тепловые и холодовые рецепторы расположены в трех областях тела: в гипоталамусе, грудном отделе спинного мозга и коже [3]. Процессы внутренней терморегуляции и теплообмен с окружающей средой формируют тепловое поле организма. Распределение температуры на поверхности тела определяют тепловизионным методом.
Для изучения влияния стресса на организм млекопитающих используются экспериментальные животные. Исследуются реакции центральной нервной, иммунной, метаболической и сердечно-сосудистой систем организма, а также влияние препаратов, компенсирующих эти реакции. Результаты этих исследований отражены в обзорах зарубежных авторов [7, 8]. Для количественной оценки результатов целесообразно использовать критерии, позволяющие оценить степень стрессированности животных. В данной работе развивается методика определения степени стрессированности на основе исследования динамики температуры поверхности тела.
Цель работы — исследование реакций терморегуляторной системы организма экспериментальных животных в процессе продолжительного стресса.
биотехносфера
| № 3(15)/2011
Тепловизионные исследования
биологических объектов
во время продолжительного стресса
Реакции терморегуляторной системы в процессе продолжительного стресса исследовались на белых лабораторных мышах одного возраста. Мыши подвешивались за шейную складку и находились в таком состоянии в течение 5 ч. Изменения теплового поля фиксировались тепловизионным методом. Для исключения аппаратно зависимых эффектов применялись два тепловизора: NEC ТН5104 (спектральный диапазон — 3,0-5,3 мкм, температурная чувствительность — 0,1 °С) и IRISYS 4010 (спектральный диапазон — 8-14 мкм, температурная чувствительность — 0,15 °С). Оба тепловизора дают одинаковые тенденции изменения температуры. Измерения проводились в закрытом помещении при температуре 20 °С, влияние посторонних источников тепла исключалось. Исследовано 18 мышей. На основе термограмм для каждой мыши построены графики зависимости температуры от времени T(t) в трех областях тела: голова, область брюшка и паховая область. В этих областях радиационная температура выше, чем в других частях тела (рис. 1). Выбранные три области имеют меньший волосяной покров, поэтому измеренные там значения радиационной температуры ближе к температуре кожи, чем
т, °с
-28
0 2000 4000 6000 8000 10 000 12 000 t, сек
Рис. 1
Термограмма мыши, иллюстрирующая распределение температуры тела мыши в начале эксперимента
Рис. 2 Типичная зависимость температуры от времени в области головы: точки — экспериментальные данные; линия тренда — линейная аппроксимация:
1 — мышь из группы 2; 2 — мышь из группы 1
в других частях тела. Зависимость температуры от времени содержит флуктуации. Для каждой зависимости построена линия тренда, тангенс угла наклона которой равен средней скорости изменения температуры УТ.
По характеру изменения температуры в указанных выше областях мыши разделены на три группы. В группу 1 входят 10 мышей, у которых температура понижалась со временем во всех трех областях, средняя скорость изменения температуры составляет примерно — 10~4 °С/с. В группу 2 включены 2 мыши, у которых во всех трех областях температура повышалась, Ут ~ 10~4 °С/с. Скорость изменения температуры в группе 3, куда входили 6 мышей, на порядок меньше (\Уу\ ~ 10~5 °С/с) и может отличаться знаком как у разных мышей, так и в разных областях тела одной мыши.
На рис. 2 показана зависимость температуры от времени в области головы для мышей из групп 1 и 2. Изменение температуры, рассчитанное по линии тренда: АТ = -5,7 °С (рис. 2, график 2), Т2 = = 1,1 °С (рис. 2, график 1).
Изменение состояния биологических объектов в результате продолжительного стресса
Исследование внутренних органов проводилось согласно правилам приказа Минздрава СССР № 755 от 12.02.77 «О мерах по дальнейшему совершенствованию форм работы с использованием экспериментальных животных». Морфологический анализ крови и органов (тимуса, селезенки, надпочечников) показал, что вследствие продолжительного стресси-рования животных практически у всех мышей значительно уменьшилась масса тимуса в сравнении с аналогичным показателем в контрольной группе мышей, не подвергавшихся стрессорному воздействию. Исключением была одна мышь из группы 1, масса
тимуса которой после стрессирования оказалась близкой к норме. У всех мышей масса надпочечников увеличилась или осталась близкой к норме.
В группе 1 селезенка мышей уменьшилась относительно нормы, за исключением одной мыши, у которой она незначительно увеличилась. В группе 2 масса селезенки у всех мышей стала значительно больше, а у одной из мышей зафиксировано и значительное увеличение надпочечников. В группе 3 наблюдались смешанные тенденции изменения селезенки и надпочечников по отношению к соответствующим показателям в группах 1 и 2.
В табл. 1 представлены основные тенденции изменения тимуса, селезенки, надпочечников стресси-рованных мышей по сравнению с контрольной группой нестрессированных мышей (группа 4) на примере средних по группам значений масс этих органов. Изменение среднего значения массы превышает стандартное отклонение соответствующей величины во всех случаях, за исключением селезенки в группе 3 и надпочечников в группе 2. Исключительные случаи требуют дополнительных исследований. Следует отметить значительное увеличение стандартных отклонений масс органов в каждой из трех групп по сравнению с контрольными данными.
У стрессированных животных наблюдаются и значительные изменения в лейкограмме крови. Практически у всех животных значительно увеличилось содержание нейтрофилов и, соответственно, уменьшилось число лимфоцитов. Только в одном случае зафиксировано небольшое уменьшение содержания нейтрофилов — это мышь из группы 1, у нее же слабо увеличилась селезенка. Изменение содержания нейтрофилов и лимфоцитов во всех группах имеет большой разброс. При этом среднее значение увеличения содержания нейтрофилов в крови мышей группы 2 больше, чем в группах 1 и 3 (табл. 2).
Оценка изменений лейкограммы периферической крови и массы внутренних органов (тимуса, селезенки и надпочечников) позволяет предположить, что наиболее стрессированы мыши из группы 2. Это состояние может сопровождаться значительным увеличением селезенки и увеличением надпочечников, т. е. повышенным напряжением функциональных подсистем терморегуляции организма, и, как подтверждают наши данные, ростом температуры.
Обсуждение результатов
Наблюдаемые в эксперименте у большинства мышей уменьшение массы тимуса, селезенки, увеличение надпочечников, изменение состава крови — характерные признаки адаптационного синдрома, возникающего вследствие стресса [7]. Надпочечники расширяются и выпускают большое количество стероидов в кровь. Поступающие с кровью раздражители возбуждают систему «гипоталамус — гипофиз — надпочечники». Гипоталамус активизирует выделение гипофизом в кровь адренокортикотропного гормона, стимулирующего, в свою очередь, деятельность коры надпочечников.
Центр температурной регуляции располагается в гипоталамусе. В случае стресса, как и в случае инфекции, продукты взаимодействия клеток тканей с лейкоцитами, вызывают образование в крови химических веществ, стимулирующих центр температурной регуляции. В результате наблюдается подъем температуры тела. Селезенка, как часть ретикуло-эндотелиальной системы, разрушает отжившие кровяные клетки. Возможно, эти процессы определяют показатели мышей группы 2 — значительное увеличение массы селезенки, содержания нейтрофилов в крови и температуры.
Физиологические реакции на стресс у человека и у животных имеют много общего, однако система происхождения и «распространения» стресса в организме человека значительно сложнее. У человека стресс — это сигнал, раздражающий центральную нервную систему, ответ которой выражается в виде физиологических и поведенческих реакций организма. Физиологические реакции — это сигналы, обработанные головным и спинным мозгом. К ним отно-
Таблица 1 Изменение массы тимуса, селезенки,надпочечников у стрессированных мышей, масс. %
Орган Группа
1 2 3 4
Тимус: среднее значение станд. отклонение 0,100 0,050 0,114 0,065 0,115 0,028 0,193 0,007
Селезенка: среднее значение станд. отклонение 0,310 0,061 0,516 0,119 0,351 0,137 0,382 0,005
Надпочечники: среднее значение станд. отклонение 0,027 0,004 0,029 0,011 0,036 0,012 0,021 0,002
Таблица 2 Средние значения изменения содержания нейтрофилов в крови и скорости изменения температуры стрессированных мышей
Показатель Группа
1 2 3
Изменение нейтрофилов, % 17,0 32,6 20,1
Скорость изменения температуры, °С/с: голова брюшко пах -1,МО-4 -1,1-10-4 -1,2-10-4 8,5-10-5 9,0-10-5 9,0-10-5 -5,5-10-6 2,5-10-6 9,3-10-6
биотехносфера
| № 3(15)/2Ш
сятся: изменение теплового поля человека, повышенное потоотделение, учащенное дыхание, непроизвольное сокращение мимических мышц лица, учащение сердцебиения (тахикардия), что сопровождается изменением артериального давления и цвета кожных покровов (гиперемией или бледностью). Поведенческие реакции являются результатом обработки сигнала в головном мозге. К ним относятся: повышенная рассеянность или собранность, не характерные для человека в обычном (не стрессовом) состоянии возбуждение, или апатия.
Стресс возникает, если на человека воздействует какой-либо внешний раздражающий фактор. Информация о раздражителе поступает от рецептора в спинной мозг, который передает ее в головной мозг, последний, в свою очередь, дает ответ всему организму. Органы, находящиеся в стабильно работающем состоянии, выполняют определенные действия, заданные мозгом. Например, надпочечники во время стрессирования организма выделяют адреналин, а селезенка выбрасывает кровь, из-за этого увеличивается скорость потока крови, что влечет за собой изменение теплового режима организма. Таким образом, головной мозг приводит весь организм человека в состояние «борьбы» или «бегства»: во время стресса организм либо пытается бороться со стрессом, расходуя на это все свои ресурсы, либо пытается уйти от раздражителя, приостанавливая работу всех органов для сохранения жизнеобеспечения максимально долгое время. Именно поэтому у людей возникают различные реакции на стрессовые ситуации. Некоторые люди во время стресса могут потерять сознание, что сопровождается бледным цветом кожи, понижением артериального давления — организм переходит в состояние сохранения жизненных функций. Другие люди, наоборот, становятся вспыльчивыми, плохо контролируют свои эмоции и действия, есть случаи, когда люди во время стресса могли прыгнуть на очень большую высоту или бежать с высокой скоростью.
В современных условиях стресс становится постоянным спутником человека. Это может привести к привыканию (адаптации) организма к изменившимся условиям окружающей среды, что проявляется в снижении реакции центральной нервной системы на стрессовый фактор.
Заключение
Температурное разрешение современных медицинских тепловизоров АТт составляет 0,01-0,03 °С,
пространственная разрешающая способность около
0.2.мм. Термографический анализ эффективен при выявлении подкожных источников нагрева или охлаждения на поверхности тела человека [9].
Полученные результаты показывают, что тепло-визионный метод применим для исследования теплового поля стрессированных биологических объектов, так как наблюдаемое в результате длительного стресса изменение температуры (например, |ДТ^, |ДТ21), больше ДТт. Напряжение функциональных подсистем системы терморегуляции организма проявляется в различных тенденциях зависимости температуры от времени: уменьшении, возрастании, незначительном изменении. Для количественной оценки степени стрессированности предлагается использовать скорость изменения температуры.
Продолжение этих исследований, возможно, позволит выявить устойчивость к стрессовой ситуации человека и предугадать поведенческую реакцию организма. Исследование стрессоустойчивости актуально для тех людей, чьи профессии связаны со стрессом, например для военных, пожарных, спасателей, спортсменов, учителей и др.
I Л и т е р а т у р а |
1. Анохин П. К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975. 448 с.
2. Ермакова И. И. Математическое моделирование процессов терморегуляции у человека // Итоги науки и техники. Физиология человека и животных / ВИНИТИ. 1987. Т. 33. 136 с.
3. Иванов К. П. Основы энергетики организма: Теоретические и практические аспекты. Т. 1: Общая энергетика, теплообмен и терморегуляция. Л.: Наука, 1990. 307 с.
4. Физиология кровообращения: Физиология сосудистой системы. Руководство по физиологии / Под ред. Б. И. Тка-ченко. Л.: Наука, 1984. 652 с.
5. Парашин В. Б., Иткин Г. П. Биомеханика кровообращения. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2005. 224 с.
6. Бегун П. И., Шукейло Ю. А. Биомеханика. СПб.: Политехника, 2000. 463 с.
7. Orlando G. F., Wolf G., Engelmann M. Role of neuronal nitric oxide synthase in the regulation of the neuroendocrine stress response in rodents: insights from mutant mice// Amino Acids. 2008, Vol. 35, N 1. P. 17-27.
8. Strekalova Т., Steinbusch H. Factors of reproducibility of anhedonia induction in a chronic stress depression model in mice // Neuromethods. 2009.Vol. 42, N 1. P. 153-176.
9. Иваницкий Г. P., Деев А. А., Пашовкин Т. Н. и др. Особенности теплового проявления подкожных источников нагрева на поверхности тела человека. // Доклады Академии наук. Биохимия, биофизика, молекулярная биология. 2008. Т. 420, № 4. С. 551-555.
