CC BY
45
Е. Е. Титаренко, Д. Д. Пятси, Т. А. Сафонова, Ю. П. Яшин, В. Л. Журавлев
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ СЕРДЕЧНОГО РИТМА У ГИГАНТСКОЙ АФРИКАНСКОЙ УЛИТКИ АСНАТША РиПСА
Вариабельность сердечного ритма (ВСР) - одно из фундаментальных физиологических свойств организма животных-и человека. Вариабельность с большой точностью отражает состояние регуляторных процессов в организме, и ее изучение, по мнению кардиологов, дает действительно важную информацию для качественной диагностики, прогнозирования, лечения и предупреждения болезней.
ВСР - совокупность всех его свойств, от переменности периодов сердечных сокращений до их причин, обусловленных нелинейностью нейрональной и гуморальной регуляции, их разветвленными связями между собой. Именно так понимается ВСР в настоящей работе.
ВСР - это давно известное явление и в то же время основа одной из новейших диагностических технологий клинической медицины [1, 2, 9]. Данный метод находит все более широкое применение в последние годы в физиологии и практической медицине. Более того в клинику внедряются методы анализа вариабельности и других периодических процессов, как-то: систолического и диастолического артериального давления, ударного объема крови, частоты дыхания, волновых явлений в головном мозге [8]. '
Интенсификация исследований ВСР приходится на середину 70-х годов, когда повсеместное внедрение персональных компьютеров позволило автоматизировать этот процесс, и метод стал доступным для широких приложений. В дополнение к классическим алгоритмам анализа (интервалограмма (ритмограмма), скатерограмма и др.) в 70-х годах для более полного изучения ВСР стали использовать спектральный анализ последовательности значений межсистолических интервалов (МСИ) [5].
Для общей физиологии представляет интерес исследования ВСР у разных групп животных. Работа сердца всех животных регулируется нервной системой, зависит от уровня гуморальных факторов и возможного воздействия стрессовых факторов на организм.
Среди беспозвоночных животных больше всего аналогий в строении, функционировании и регуляции сердца млекопитающих обнаружено у моллюсков. Моллюски, как и позвоночные животные, имеют камерные сердца с миогенным ритмом. Работа миокарда моллюсков регулируется нервными клетками с различной медиаторной специфичностью. Хотя число отдельных клеток, управляющих работой сердца моллюсков невелико, набор нейротрансмиттеров в сердце больше, чем у позвоночных животных. Например, у аплизии и наземных легочных моллюсков в сердце идентифицированы до пяти разных медиаторов [3, 4]. Большинство кардиорегулирующих нейронов у этих животных обладает фоновой импульсной активностью и модулирует частоту сердечных сокращений (ЧСС).
Сердце моллюсков давно является классическим объектом в фармакологических и других физиологических исследованиях. Были определены ЧСС у разных животных,
© Е. Е. Титаренко, Д. Д. Пятси, Т. А. Сафонова, Ю. П. Яшин, В. Л. Журавлев, 2006
изменение работы сердца при стимуляции нервов и действии физических факторов и др. Однако особенности фонового сердечного ритма (СР) с помощью современных методов практически не анализировались [11].
Перед нами была поставлена задача исследовать особенности СР у гигантских африканских улиток Achatina fulica с применением современных методов регистрации и анализа информации, применяемых в кардиологии, у животных разных возрастов, начиная от зародышей и заканчивая взрослыми улитками. В качестве рабочей гипотезы мы предположили, что ВСР может иметь специфические особенности, например, у эмбрионов, молодых улиток и взрослых половозрелых животных.
Методика исследования. Объектом исследования в настоящей работе послужили представители наземных моллюсков рода Achatina fulica Ferussac (Класс: Pulmonata, Отряд: Stylommatophora). Гигантские африканские улитки разводились на кафедре общей физиологии СПбГУ в террариумах из популяции, поддерживаемой Ю. Яшиным (см. сайт «Achatina.ru»), Длина раковин улиток на постэмбриональной стадии развития (т. е. после вылупления из яйца) варьировала от 4 до 40 мм, а вес тела с раковиной - от 20 мг до 40 г. Животные содержались при комнатной температуре (22-26 °С) и относительной влажности не менее 70-80 % [ 10]. Световой цикл не регулировался. Эксперименты были выполнены в январе-апреле 2005 г.
Регистрация сокращений сердца. Фотооптическая регистрация сокращений сердца крупных улиток проводилась по классическому методу Г. А. Брехера [6]. Раковина улитки фиксировалась на держателе манипулятора, подошва улитки подводилась к легкому шарику, плавающему в воде. С правой стороны улитки размещался осветитель, а слева, в области проекций сердца -фотоприемник. Фотоприемники (фотодатчики) изготавливались из двух кристаллов фотодиодов, спаянных вместе навстречу друг другу анодами или катодами. Для улиток разных размеров были подготовлены фотодатчики с кристаллами соответствующих размеров [11].
Регистрация сокращений сердца зародышей проводилась с помощью пары миниатюрных фотоприемников, размещенных в фокусе окуляра микроскопа МБИ-1. Зародыши помещались в чашку Петри или на часовое стекло в 50%-ный физиологический раствор для африканских улиток.
Сигнал от фотодатчиков поступал на вход усилителя постоянного тока (полоса пропускания 0-100 Гц). Сигнал оцифровывался с помощью АЦП МД-93 и записывался на компьютере. Частота квантования составляла 100 Гц.
Всего были проанализированы параметры ритма 20 улиток разных размеров и возрастов. Отбирались файлы достаточной длительности (не менее 10 мин) без значительных артефактов, связанных с движениями улитки.
Обработка сигналов проводилась с использованием ряда пакетов программ. Измерение межсистолических интервалов проводилось полуавтоматически на экране монитора с помощью двух курсоров. Интервалограммы, скатерограммы, гистограммы и функции автокорреляции строились с помощью программы Santis. Иллюстрации оформлялись с помощью программы Origin 7.0.
Кроме графиков мы рассчитывали также основные параметры СР, применяемые при анализе ЭКГ человека. Эти статистические величины рассчитывались с помощью специальной программы, разработанной и любезно предоставленной нам Д. Н. Берловым.
В таблицах 1, 2 представлены следующие параметры сердечного ритма: ЧСС; средний межсистолический интервал, (Средний RR); дисперсия; стандартное отклонение; коэффициент вариации (КВ); минимальный и максимальный межсистолические интервалы (RR min и RR max); размах межсистолических интервалов; мода (Мо); амплитуда моды (Амо); количество интервалов.
Результаты исследования. Размах сигнала при оптической регистрации движений сердца значительно варьировал, и зависел, по-видимому, от ряда неконтролируемых параметров: толщины раковины, взаимного расположения фотодатчика, осветителя и животного, поэтому мы не приводим на осциллограммах калибровку по амплитуде.
Параметр Эмбрионы Молодые улитки Взрослые улитки
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Вес 5,7 8 10 19 19 20 24 27 33 35 40 60 540 988 1,2 1,3 53 6,9 20,9 32,4
ЧСС, уд/мин 14,2 15,4 18,1 46 51 37,7 30,8 21,8 61,4 31,7 37,1 37,3 57,5 46,6 56,1 60,1 60,1 62,7 33,4 29,7
Средний ЯИ, с 4,24 3,91 3,31 1,3 1,18 1,59 1,95 2,76 0,98 1,89 1,62 1,61 1,04 13 1,07 1 1 0,96 1,79 2,02
Дисперсия 1,015 0,140 0,051 0,003 0,071 0,023 0,016 0,156 0,810 0,010 0,027 0,026 0,019 0,009 0,025 0,007 0,006 0,006 0,034 0,018
Ст. отклонение 1,007 0,374 0,226 0,054 0,266 0,151 0,125 0,394 0,9 0,1 0,165 0,160 0,139 0,093 0,157 0,084 0,007 0,078 0,185 0,134
КВ 23,78 9,57 6,82 4,13 22,63 9,51 6,41 14,31 92,11 5,30 10,21 9,96 13,30 7,21 14,69 8,40 7,70 8,18 10,33 6,62
ИИ пип, с 2,288 3,04 2,56 1,154 2,79 1,215 1,628 1,792 0,8 1,64 1,152 1,04 0,76 1,08 0,76 0,74 0,84 0,64 1,24 1,52
Ю1 шах, с 8,536 4,72 3,92 1,43 1,92 2,048 2,244 4,16 2,84 2,08 2,176 2,36 1,72 1,56 1,72 1,218 1,16 1,08 2,4 2,96
Размах 6,248 1,68 1,36 0,276 1,92 0,833 0,616 2,368 2,84 0,44 1,024 1,32 0,96 0,48 0,96 0,478 0,32 0,44 1,16 1,44
Мо 0,35 0,35 0,35 1,3 1,30 1,30 0,35 0,35 1,30 0,35 1,30 1,30 1 1,30 1 1 1 0,95 1,3 0,35
АМо 0 0 0 50,52 27,84 23 0 0 4 0 19,79 4,50 31,67 47,50 29,5 35,41 25,63 31,96 4,86 0
Асимметрия 2,44 -0,21 -0,23 0,26 -0,89 0,19 0,03 0,73 -0,08 -0,40 0,69 -1,14 1,83 0,18 1,52 -0,79 -0,1 -0,47 -0,16 0,82
Эксцесс 7,19 -0,55 0,59 -0,12 3,58 0,19 -0,04 1Д -1,80 -0,54 1,61 6,12 4,77 -0,07 2,76 1,44 -0,96 1,40 1,32 6,32
Кол-во интерв. 95 231 365 97 97 200 200 200 200 200 192 200 300 200 200 418 199 97 185 371
Примечание. В графах 1-14 вес улиток (мг), 15-20 (г).
Параметр Человек Улитка № 16 Улитка № 13 (от 90 интервала)
Вес 75кг 1,3 г 540 мг
ЧСС, уд/мин 68,15 60,13 60,15
Средний 1111, с 0,88 1 1
Дисперсия 0,007 0,007 0,005
Ст. отклонение 0,082 0,084 0,069
КВ 9,30 8,40 6,89
™ с 0,72 0,74 0,76
„С 1,12 1,218 1,32
Размах 0,4 0,478 0,56
Мо 0,8 1 1
АМо 35,35 35,41 38,78
Асимметрия 0,34 -0,79 -0,31
Эксцесс -0,11 1,44 1,56
Кол-во интервалов 99 418 410
Форма и полярность колебаний потенциала при данном методе также варьировала (рис. 1). Обычно регистрировались двуфазные колебания (систола предсердия и желудочка), но были и однофазные волны, и трехфазные (сокращение прилежащей вены, систола предсердия и желудочка). У ползающих улиток наблюдались медленные, иног-
Рис. 1. Запись сокращений сердца молодой улитки весом 60 мг с помощью фотооптического метода.
По оси абсцисс: время (с). Нижний фрагмент вырезан из верхней записи. Сплошные линии на верхней записи отмечают медленные волны второго порядка с периодом около 10-15 с, штриховые линии -волны длительностью 50 с. Стрелки на нижнем фрагменте отмечают систолы предсердия.
да достаточно периодические смещения базовой линии, обусловленные, по-видимому, движениями внутренних органов и дна легочной полости. Сходные медленные колебания отмечались и другими исследователями при регистрации давления гемолимфы [7]. У зародышей медленные смещения могут быть обусловлены движениями подоциста, которые отчетливо наблюдаются в микроскоп.
Всего был зарегистрирован СР у 32 улиток различной массы (рис. 2). Масса эмбрионов варьировала от 5,7 до 19 мг. В группу молодых улиток отнесены животные от 20 (сразу после выхода из яйца) до 1300 мг. Максимальный вес взрослой улитки составлял 40 г. Сердечный ритм анализировался у 20 улиток (на рис. 2 отмечены стрелками).
ЧСС, уд/мин 60 50403020 100-
V
ч
\
\
°\\ч
ТТ1-----
10
т-гг,----
100
1000
т-гттт----
10000
Масса тела, мг
Рис 2. Соотношение между средней частотой сокращений сердца и логарифмом массы тела у эмбрионов и улиток.
Масса исследованных эмбрионов не превышала 19 мг. Стрелками отмечены особи, для которых определялись параметры вариабельности сердечного ритма (см. табл. 1).
Предварительный анализ данных после статистической обработки (построения интервалограмм, скатерограмм) и графиков функции автокорреляции всех 20 исследованных улиток не позволил оперативно разделить полученный массив на отчетливо различные группы по параметрам ВСР. Поэтому для представления результатов мы разбили данные по весу животных и стадиям развития (эмбрионы, молодые улитки и взрослые улитки). В качестве иллюстраций приводятся соответствующие графики для эмбриона весом 5,7 мг, молодой улитки (540 мг), и взрослой улитки весом 32,4 г.
У самого маленького зародыша весом 5,7 мг была зарегистрирована минимальная из всей выборки средняя ЧСС (14,2 уд/мин). Но в интервалограмме можно отметить периоды относительной стабильности ритма и периоды торможения (примерно от 20-й до 30-й систолы) и активации (80-й - 90-й межсистолический интервалы). На скатерог-рамме эти отклонения соответствуют двум петлям вверх и вниз по диагонали. Эти выбросы заметны на гистограмме в правой части (рис. 3).
На более поздней стадии развития у эмбрионов весом 8 и 10 мг вариабельность МСИ отчетливо выявляется на интервалограмме в виде двухфазных смещений МСИ. У улитки весом 8 мг средняя ЧСС после 80-й систолы уменьшается по сравнению с интер-
7,8
6
4,2
50 70
7,8
4,2
•Л'
-•V
2,4 3,6 4,8
7,2
РисЗ. Ритмограмма (А), кривая автокорреляционной функции (Б) и скатерограмма (В) сокращений сердца эмбриона массой 5,7 мг.
А: по оси абсцисс указан номер МСИ (то же для Б), по оси ординат - величина МСИ (с); Б: по оси ординат показан коэффициент корреляций; В: по оси абсцисс указано значение Л^-го МСИ, по оси ординат - величина следующего (М-Н)-го МСИ (с) (то же для рис. 4, 5).
валом до 65-й систолы после периода активации. Такое «ступенчатое» торможение отражается на скатерограмме в виде двух более плотных скоплений точек, разделенных промежутком. Двувершинность выделяется и на гистограмме. Автокорреляция показывает наличие периодичности во флуктуациях МСИ. Склонность к появлению двух скоп-
лений на скатерограмме и двувершинности на гистограмме можно было отметить и в поведении МСИ у других эмбрионов.
У молодых, недавно вылупившихся улиток, средняя ЧСС еще больше возрастает. У улитки массой 540 мг (рис. 4) она оказалась близкой к максимальной среди всех исследованных животных (57,5 уд/мин). Интервалограммы имеют довольно сходный вид, однако у меньшей улитки (540 мг) в начале регистрации можно отметить отчетливый участок быстрого повышения ЧСС (примерно до 90-го интервала). Не исключено, что это было связано с нарушением работы теплофильтра. На скатерограмме группа первых относительно длительных МСИ проявляется в виде редких петель вверх по диагонали.
А
5 15 25 35
В
0,8 1 1,2 1,4
Рис 4. Ритмограмма (Л), кривая автокорреляционной функции (Б) и скатерограмма (В) сокращений сердца эмбриона массой 540 мг.
На примере этой регистрации можно наглядно продемонстрировать значение выбора интервала записи на статистические параметры ВСР. Стандартный анализ первых МСИ (до 90-го включительно) выявил явное наличие периодичности в колебаниях МСИ. Это видно и в интервалограмме, и в автокорреляционной функции, которая остается больше нулевого значения в течение длительного времени. Однако если обработать интервалограммы после 90-го МСИ, статистические параметры ритма уже не показывают наличие скрытой медленной периодичности. Набор графиков для этого фрагмента сходен с таковыми для улитки весом 1,3 г.
У взрослых улиток (для примера приводятся результаты животного с массой 32,4 г, рис. 5) средняя ЧСС достоверно меньше примерно в 2 раза по сравнению с улиткой ве-
В
2,8
2.5 2,2 1,9
1.6
1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6
Рис 5. Ритмограмма (Л), кривая автокорреляционной функции (Б) и скатерограмма (В) сокращений сердца эмбриона массой 32,4 г.
сом весом 540 мг. Однако вид интервалограмм, скатерограмм, автокорреляционных функций сходный. Различия в скатерограммах обусловлены, по-видимому, единичными неповторяющимися выбросами на интервалограммах (кратковременным торможением работы сердца).
Автокорреляционные функции у всех исследованных улиток имеют сходный вид. Они быстро пересекаются с нулевой линией, что является признаком хаотичного изменения МСИ без выраженной периодичности. К этому пулу можно отнести и фрагмент записи после 90-й систолы улитки весом 540 мг (см. рис. 4).
Кроме перечисленных выше статистических методов все данные, полученные в наших экспериментах, были обработаны с помощью программы для анализа сердечного ритма человека. Сводные результаты приведены в табл. 1. Названия и значения полученных параметров приведены в разделе «Методика исследования». По этим результатам сердечного ритма также не удалось однозначно разделить исследованную выборку на функционально различные группы.
Для сравнения мы приводим аналогичные значения ритма сердца для человека (см. табл. 2). Сравнительный анализ данных этой таблицы показывает, что среди улиток можно найти особи, которые имеют примерно такие же статистические параметры сердечного ритма, как и у людей (улитка 16 весом 1,3 г, см. табл. 1, и МСИ после 90-й систолы у улитки 540 мг). Однако для многих улиток все же характерны значительные колебания характеристик СР без внешних воздействий, которые, по-видимому, редко встречаются у людей (это относится к дисперсии, ЧСС, коэффициенту вариации). Значительные по сравнению с человеком флуктуации параметров сердечного ритма у улиток обусловлены, вероятно, участием сердца в поддержании гидроскелета и реакциями на сокращения мышц и движения внутренних органов [4, 11].
Таким образом, анализ ВСР африканских улиток выявил наличие флуктуаций частоты сокращений сердца у всех исследованных животных, находящихся на различных стадиях развития, от эмбрионов до взрослых животных. Статистические особенности основных параметров вариабельности ритма оказались индивидуальными у всех улиток, начиная от эмбрионов и заканчивая взрослыми половозрелыми особями. Кроме того, автокорреляционный анализ показал возможность появления периодичности во флуктуациях СР у африканских улиток.
Основные параметры СР африканских улиток, вычисленные по алгоритмам клинической кардиологии, разработанным для человека, пересекаются с аналогичными значениями для ритмограмм человека.
Статья рекомендована акад. РАН А. Д. Ноздрачевым.
Summary
Titarenko Е. Е., Pyatsy D. D., Safonova Т. A., Yashin Yu P., Zhuravlev V. L. The basic parameters and variability of the heart rhythm of the Giant African snail, Achatina fulica.
The basic parameters and variability of the heart rhythm of the Giant African snail, Achatina fulica are analysed. No significant differences are found between the heart rhythm in an embryonic heart of newborn animals and adult snails. In some snails the parameters of variability of the heart rhythm are close to those in the human heart.
1. Баевский Р. М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М., 1979. 2. Баевский Р. М., Кириллов О. И., Клецкин С. 3. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М., 1984. 3. Журавлев В. Л. Механизмы нейрогуморального контроля сердца гастропод // Журн. эволюц. биох. физиол. 1999. Т. 35, № 2. С. 65-77. 4, Кэндел Э. Клеточные основы поведения. М., 1980. 5. Akselrod S., Gordon D., LJbel F. A. Power spectrum analysis of heart rate fluctuation: a quantitative probe of beat to beat cardiovascular control // Science. 1981. Vol. 213. P. 220222. 6. Brecher G. A. Die Entstehung und biologische Bedeutung der subjektiven Zeiteinheit des Moments // Ztschr. Vergleich. Physiol. 1932. Bd 75. S. 45-50.7. Duval A. Heartbeat and blood pressure in terrestrial slugs // Can. J. Zool. 1983. Vol. 61. P. 987-992. 8. Heart rate variability. Standarts of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // European Heart. 1996. Vol. 17. P. 84-122. 9. Hirsh J. A., Bishop B. Respiratory sinus arrhythmia in humans; how breathing pattern modulates heart rate // Physiology. 1981. Vol. 34. P. 241-253.10. Takeda N., Ozaki T. Induction of locomotor behavior in the Giant African snail, Achatina fulica // Comp. Biochem. Physiol. 1986. Vol. 83A. P. 77-82. 11. Zhuravlev V.L., Safonova T.A., Ozerov G.L. Heartbeats in intact Giant African snail, Achatina fulica // Zoologica Poloniae. 1997. Vol. 42. P. 55-66.
