CC BY
53
УДК 612.28
РЕАКЦИИ ДЫХАНИЯ НА МИКРОИНЪЕКЦИИ ГИСТАМИНА В ФАСТИГИАЛЬНОЕ ЯДРО МОЗЖЕЧКА У КРЫС
© 2009 В.И. Беляков
Самарский государственный университет, г. Самара
Поступила в редакцию 17.02.2009 г.
В острых опытах на наркотизированных крысах установлено, что микроинъекции гистамина в фастигиальное ядро мозжечка приводят к усилению легочной вентиляции за счет увеличения как частоты, так и объема дыхания. Обсуждаются значение и возможные механизмы участия гистаминцептивных структур фастигиально-го ядра мозжечка в модуляции дыхания.
Ключевые слова: реакция дыхания, гистамин, фастигиальное ядро.
В настоящее время при разработке проблемы участия мозжечка в регуляции дыхания самое пристальное внимание следует уделить изучению роли отдельных нейротрансмиттеров и рецепторных структур в механизме передачи респираторных влияний данной супрабульбарной структуры. Полученные нами результаты [2, 3, 5] в совокупности с данными литературы [10, 26-28] указывают на особую роль фастигиального ядра мозжечка в контроле дыхания. Имея прямые связи со структурами дыхательного центра [26, 28], данное ядро отличается химической гетерогенностью и представленностью рецепторов к различным нейротрансмитте-рам [5, 8, 9, 12, 18, 24]. В частности, фастигиальное ядро является «мишенью» для моносинаптических проекций от гистаминергических нейронов тубе-ромамиллярного ядра гипоталамуса [13, 16, 22, 29]. Гистамин, впервые открытый как эндогенный компонент ткани печени, легких и др. и обладающий разнообразными периферическими эффектами [6, 7], в современной нейрофизиологии рассматривается как один из важнейших регуляторов уровня активности нейронов, клеток глии, тонуса мелких сосудов и капилляров мозга. Имеются указания на то, что гистамин входит в число нейротрансмитте-ров, которые поддерживают должный тонус ЦНС и активно включены в реализацию стресс-реакций организма. Для гистамина показана определенная роль в контроле эмоционально-мотивационных состояний и вегетативных функций [1, 6, 14, 15, 18, 22-25].
В аспекте регуляции дыхания активация связей «гистаминергические нейроны гипоталамуса - фастигиальное ядро мозжечка - дыхательный центр» может являться одним из возможных механизмов формирования наиболее оптимального паттерна дыхания в связи со сменой условий существования организма. Учитывая ключевую роль гистамина в обеспечении гипоталамо-церебеллярного взаимодействия, в настоящем исследовании проведен ана-
Беляков Владимир Иванович, кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии человека и животных. E-mail:
лиз респираторных реакций на микроинъекции гистамина в фастигиальное ядро мозжечка у крыс.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Эксперименты выполнены на 10 наркотизированных уретаном (1,5 г/кг; внутрибрюшинно; фирма «Sigma») нелинейных крысах-самцах массой 230-260 г. После достижения наркозом необходимой глубины производилась трахеостомия. Затем животное фиксировалось в стереотаксическом приборе и согласно координатам атласа мозга крыс [20] при помощи бора проделывалось трепанаци-онное отверстие над областью залегания правостороннего фастигиального ядра мозжечка (С 11,8; L 0,9; V 4,5).
Запись внешнего дыхания производилась с использованием электронного спирографа, сигнал от которого поступал на USB-порт персонального компьютера и отображался на его дисплее программой «Rat». Отцифрованные данные обрабатывались в программе «Microsoft Excel». На получаемых спирограммах рассчитывали продолжительность вдоха (с), выдоха (с) и всего дыхательного цикла (с), а также объем дыхания (мл). По формулам находили частоту дыхания (мин-1) и минутный объем дыхания (мл/мин). Спирограмму регистрировали в исходном состоянии и на 1, 3, 6, 9, 12, 15, 20, 25 и 30-ой минутах после введения в фастигиальное ядро гистамина (10-3 М; 0,2 мкл; фирма «Sigma»). Микроинъекции гистамина осуществляли при помощи микрошприца МШ-1, оснащенного микроканюлей с диаметром кончика порядка 20 мкм. В контрольных наблюдениях по аналогичной методике инъецировали искусственную цереброспинальную жидкость.
Полученные результаты статистически обрабатывались при помощи программного пакета «Sigma Stat».
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные результаты показали, что микроинъекции гистамина в фастигиальное ядро мозжечка приводили к перестройкам сложившегося в ус-
ловиях наркотизации паттерна дыхания у крыс (рис. 1 и 2). При этом респираторные реакции наступали с коротким латентным периодом и заключались в изменениях как частотно-временных, так и объемных показателей дыхания.
Тенденция к активации дыхания намечалась на 1-ой минуте действия гистамина и к 3-ей минуте приводила к возрастанию дыхательного ритма на 14,7% (р<0,05), а объема дыхания - на 46,6% (р<0,01). Изменения первого показателя достигались за счет разнонаправленных перестроек продолжительности фаз дыхательного цикла. Если время инспирации возрастало среднем на 12,3% (р<0,05), то время экспирации, напротив, уменьшалось на 21% (р<0,05). Расчет изменения минутного объема дыхания показал его увеличение в среднем на 66% (р<0,01). На 6-ой минуте также регистрировалось облегчение легочной вентиляции на 54% (р<0,05), в основе которого лежало учащение и углубление дыхания соответственно на 26,3% (р<0,05) и 22,2% (р<0,05). Повышение дыхательного ритма достигалось уменьшением продолжительности как времени инспирации на 24,1% (р<0,05), так и времени экспирации на 24% (р<0,05). Следующая (9-ая) минута наблюдения характеризовалась тем, что активация минутной вентиляции легких на 45,9% (р<0,01) определялась прежде всего усилением дыхательного ритма. В этом случае увеличение частоты дыхания составляло в среднем 31, 6% (р<0,01), а объема дыхания -11,1% (р<0,01). Особенностью дыхания на данной минуте явилось то, что среди временных показателей в большей степени изменялось время инспирации. Так, продолжительность инспираторной фазы уменьшалась на 24,1% (р<0,05), а продолжительность экспираторной - на 14% (р<0,05).
Последующие минуты наблюдения за респираторными эффектами в ответ на инъекции гистами-на в фастигиальное ядро отличались менее выраженными изменениями частотных характеристик дыхания и сохранением тенденции повышения дыхательного объема. Последнее обеспечивало усиление легочной вентиляции, но значительно менее выраженное, чем на первых минутах действия гис-тамина. Так, на 12-ой минуте продолжительность инспирации уменьшилась на 15,4% (р<0,05), а изменения продолжительности экспирации не достигали статистически значимых значений. Увеличение минутного объема дыхания составило 19% (р<0,05). Таким образом, интенсивность дыхания в сравнении с 3-ей минутой, которая отличалась максимальным увеличением легочной вентиляции, снизилась в 3,5 раза.
Во второй половине наблюдения регистрировалось незначительное повышение объема дыхания в сочетании со стабилизацией дыхательного ритма. На 15-ой и 20-ой минутах увеличение объема дыхания не превышало 15% и обеспечивало повышение минутной легочной вентиляции не более чем
на 17%. К 25-ой и 30-ой минутам регистрируемые и расчетные показатели дыхания возвращались к первоначальным значениям.
1 мл |_ ЛЛЛЛЛЛЛЛЛА^ Исх.
1 с
ЛЛЛЛЛАДАЛЛДЛ змин.
ллллллллллллл 6мнн-
ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛМ ^ мин.
ЛЛЛЛЛЛЛМЛЛЛ 12 мин. 'ЛЛЛАЛАЛАЛАЛА 15 мин.
ЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛЛ. 20 мин.
ЛЛЛЛЛЛЛЛЛАМ 25 мин. К-КЬЛЛ JUU\JUVA 30 мин
Рис. 1. Записи дыхания крысы в исходном состоянии и при микроинъекции гистамина в фастигиальное ядро мозжечка
На основании вышеотмеченных результатов можно заключить, что микроинъекции гистамина в фастигиальное ядро мозжечка вызывали быстрые и выраженные респираторные реакции. Характер этих реакций указывает на то, что действие гиста-мина на фастигиальные нейроны приводит к активации дыхания, которая на протяжении первых 9 минут поддерживалась за счет увеличения как частоты, так и объема дыхания. Впоследствии легочная вентиляция усиливалась, в основном, за счет возрастания объема дыхания. Обращает на себя внимание высокая скорость наступления респираторных перестроек, которые максимально проявлялись на 3-ей и 6-ой минутах наблюдения.
Полученные в настоящем исследовании данные, по всей видимости, связаны с активацией гиста-минцептивных структур фастигиального ядра мозжечка. Известно о компактной локализации гиста-минергических нейронов в пределах туберомамил-лярного ядра гипоталамуса. Гистаминергические проекции от данного гипоталамического ядра расходятся к многочисленным структурам ЦНС. При этом отмечается их диффузное распределение, когда одно волокно гистаминергического нейрона может давать коллатерали в различные структуры ЦНС [6, 13, 22] . Непосредственное нейротропное действие гистамина связано с активацией различных типов гистаминовых рецепторов. К настоящему моменту накоплены данные о существовании четырех типов гистаминовых рецепторов: Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4 [11, 14, 15, 17, 18, 21, 23]. Все они относятся к классу метаботропных рецепторов и могут
включать сложные механизмы внутриклеточном передачи сигналов с участием различных вторичных мессенджеров (цАМФ, цГМФ и др.). Преси-наптическая локализация гистаминовых рецепторов обеспечивает возможность гистамину модулировать экскрецию других нейротрансмиттеров
(ГАМК, ацетилхолина и др.) [12, 19, 22]. Наличие гистаминовых рецепторов в мембране глиальных клеток и стенках сосудов мозга говорит о нейро-трофической функции гистамина, его участии в контроле пластического и энергетического метаболизма нейронов [6, 17].
70 60 50 40 30 20 10 0
4
I ill HI ¡111
*
*
*
*
3 мин 6 мин 9 мин 12 мин 15 мин 20 мин 25 мин 30 мин
Рис. 2. Изменение (в %%) основных показателей дыхания при микроинъекциях гистамина в фастиги-альное ядро мозжечка.
Обозначения: светлые столбики - частота дыхания, темные столбики - дыхательный объем, заштрихованные столбики - минутный объем дыхания; * - р<0,05, ** - р<0,01.
По данным литературы [14, 18, 22, 23, 24] в фас-тигиальном ядре мозжечка представлены все типы гистаминовых рецепторов, что является основой для установления его взаимодействия с гистами-нергическими нейронами гипоталамуса. При этом данное взаимодействие носит двусторонний моно-синаптический характер [13, 16, 29]. Вероятно, усиление гипоталамо-церебеллярного взаимодействия происходит при реализациях сложных двигательных программ, которые протекают с обязательным напряжением механизмов регуляции дыхания.
Таким образом, гистамин и соответствующие рецепторы на уровне фастигиального ядра мозжечка могут являться важными звеньями в сложном нейрохимическом механизме формирования наиболее оптимального паттерна дыхания. Для уточнения гистаминергической природы такого механизма необходимы дальнейшие тонкие нейрофизиологические и иммуногистохимические исследования. В частности, важным представляется изучение роли определенных типов гистаминовых рецепторов в изменении функциональной активности фастигиального ядра мозжечка и возникающих при этом изменениях дыхания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аничков С.В. Нейрофармакология. Л.: Медицина, 1982.
2. Беляков В.И. Респираторные влияния сенсомоторной коры
мозга и мозжечка и механизмы их реализации / Автореф. ... канд. биол. наук. Самара, 2002.
3. Беляков В.И. Участие фастигиального ядра мозжечка в меха-
низме контроля дыхания и деятельности сердца // Сборник научных статей Самарского медицинского института «РЕА-ВИЗ». Самара, 2008. С. 21-28.
4. Вайсфельд И.Л. Гистамин в биохимии и физиологии. М.:
Наука, 1981.
5. Меркулова Н.А., Инюшкин А.Н., Беляков В.И. и др. Дыха-
тельный центр и регуляция его деятельности супрабуль-барными структурами. Самара: Самарский университет, 2007.С. 103-122.
6. Николс Дж. Г., Мартин А.Р., Валлас Б. Дж. От нейрона к
мозгу. М.: Едиториал УРСС, 2003. С. 305-306.
7. Успенский В.И. Гистамин. М.: Наука, 1963.
8. Фанарджян В.В. Тормозные механизмы мозжечка. Функцио-
нальные основы // Успехи физиол. наук. 1992. Т. 23. № 4. С. 3-29.
9. Batini C., Busseret-Delmas C., Compoint C. The GABAergic
neurons of the cerebellar nuclei in the rat: projections to the cerebellar cortex. // Neurosci. Lett. 99 (3). 1989. Р. 251-256.
10. Bradley D.J. et al. Cardiovascular and respiratory responses evoked from the posterior cerebellar cortex and fastigial nucleus in the cat // J. Physiol. 1987. V. 393. P. 107-121.
11. Chwdhury B.A., Kaliner M.A. Molecular identification of the gistamin H-1 receptor in humans. New-York: Marcel Dekker, 1996. P. 33-60.
12. Dere E. et al. Episodic-like and procedural memory impairments in histamine H1 Receptor knockout mice coincide with changes in acetylcholine esterase activity in the hippocampus and dopamine turnover in the cerebellum // Neuroscience. 2008. P. 1611-1624.
13. Haas H. The role of histamine and the tuberomammilary nucleus in the nervous system // Neurosci. 2003. V. 4. P. 121-130.
14. Hill M.W. Destribution, properties and functional characteristic of three classes of histamine receptor // Farmacol. Rev. 1990. V. 42. P. 45-83.
15. Li W.C. Histamine excites rat cerebellar granule cell in vitro though H1 and H2 receptors // J. Physiol (Paris). 1999. V. 93. P. 239-244.
16. Masao I. Cerebellar circuitry as a neuronal machine // Progress in Neurobiology. 2006. V. 78. P. 272-303.
17. Maslinska D., Laure-Kamionowska M., Maslinski K.T. et al. Morphology and immuno-distribution of the histamine H(4) receptor and histamine - releasing factor in choroid plexus of patients with paraneoplastic cerebellar degeneration //Inflamm Res. 2009. P. 1502-1518.
18. Meltzer E.O., Welch M.J. Adverse effects of H1-receptor antagonists in the central nervous system. New-York: Marcel Dekker, 1996. P. 33-60.
19. Nowak P., Jochem J. Zwirska-Korczala K. Ontogenetic noradrenergic lesion alters histaminergic activity in adult rats // Neurotox Res. 2008. P. 987-1014.
20. Paxinos G., Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates // Acad. Sidney. Press. 1985.
21. Song Y.N., Li H.Z., Zhu J. et al. Histamine improves rat rota-rod and balance beam performances through H(2) receptors in the cerebellar interpositus nucleus // J. Neuroscience. 2006. P. 12121220.
22. Steinbusch H.W. Distribution of gistaminergic neurons and fibers in the rat brain // Acta Otolaryngol. 1991. V. 479. P. 1223.
23. Strakhova M.I., Nikkel A.L., Manelli A.M. Localization of histamine H4 receptors in the central nervous system of human and rat // Brain Res. 2009. P. 1627-1635.
24. Tang B. et al. Excitation of histamine on neuronal activity of cerebellar fastigial nucleus in rat // Inflamm Res. 2008. P. 14271438.
25. Thian I. Histamine exsites rat cerebellar Purkinje cells via H2 receptors in vitro // Neurosci. Res. 2000. V. 36. P. 61-66.
26. Williams J.L., Everse S.J., Lutherer L.O. Stimulating fastigial nucleus alters central mechanisms regulating phrenic activity // Respir. Physiol. 1989. V. 76 (2). P. 215-227.
27. Xu F. Hypoxic respiratory responses attenuated by ablation of the cerebellum or fastigial nuclei // J. Physiol. 1995. V. 79 (4). P. 1181-1189.
28. Zhang Z. Role of the Botzinger complex in fastigial nucleus-mediated respiratory responses // Anat. Rec. 1999. V. 254 (4). P. 542-548.
29. Zhu J. N. The cerebellar-hypothalamic circuits: Potential pathways underlying cerebellar involvement in somatic-visceral integration // Brain Res. 2006. V. 52. P. 93-106.
VARIATIONS OF RESPIRATORY BY MICROINECTIONS GISTAMINE OF THE
NUCLEUS FASTIGIALIS IN THE RATS
© 2009 V.I. Belyakov
Samara State University
Responses respiratory pattern to microinections gistamine of the nucleus fastigialis are studied in acute experiments in rats. According to the obtained data gistamine-receptors of the nucleus fastigialis participate in cerebellar mechanism of the respiratory control.
Key words: reaction of respiratory, histamine, nucleus fastigialis.
Belyakov Vladimir Ivanovich, Candidate of Biology, senior lecturer of department humans and animals physiology. E-mail: [email protected].
