CC BY
59
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Физиологические исследования
УДК 612.28+612.282
А.М. Ковалёв, О.А. Ведясова, В.А Сафонов, И.А. Тараканов
РОЛЬ ГАМ^-РЕЦЕПТОРОВ В РЕГУЛЯЦИИ ПАТТЕРНА ДЫХАНИЯ СТРУКТУРАМИ ВЕНТРАЛЬНОЙ РЕСПИРАТОРНОЙ ГРУППЫ
Микроинъекции агониста ГАМКв-рецепторов баклофена (10-6 М) в ростральный и каудальный отделы вентральной респираторной группы (рВРГ и кВРГ) у крыс вызывали неоднозначные изменения паттерна дыхания. Инъекции в кВРГ удлиняли вдох и укорачивали выдох, а в рВРГ - меняли только выдох. Изменения дыхательного объёма доминировали при действии баклофена на кВРГ, а частоты дыхания - на рВРГ. Выявленные различия рассмотрены в аспекте неравного распределения Г АМКв-рецепторов в функционально различных отделах вентральной респираторной группы.
Ключевые слова: ГАМКв-рецепторы, вентральная респираторная группа, баклофен, паттерн внешнего дыхания.
Важную роль в регуляции деятельности дыхательного центра играют тормозные нейромедиаторы, в первую очередь, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК). Респираторные эффекты, вызываемые активацией и блокадой ГАМК-ергических механизмов, исследованы достаточно подробно. Установлено, что ГАМК участвует в деятельности ритмогенных [1; 2] и паттернформирующих структур дыхательного центра [3; 4], модулирует активность нейронных сетей, ответственных за генерацию нормального дыхания [5], а также таких его патологических форм, как гаспинг и апнейзис [6]. Наиболее вероятными акцепторами ГАМК в ядрах дыхательного центра являются ионотропные ГАМКа- и метабо-тропные ГАМКв-рецепторы. Однако при выявлении значения ГАМК в регуляции дыхания, как правило, рассматривается роль ГАМКА-рецепторов [7-10], которые более изучены в структурнофункциональном плане [11; 12] и широко представлены в головном мозге. Что касается ГАМКв-рецепторов, то их роль исследована гораздо в меньшей степени. В отдельных работах установлено, что активация данного вида рецепторов, например, в области ядра одиночного пучка, вентролатеральная часть которого входит в состав дорсальной респираторной группы, может нарушать деятельность генератора дыхательного ритма с последующим формированием патологических паттернов дыхания [13; 14]. При этом вопрос о включении ГАМКв-рецепторов в центральные механизмы управления дыханием на уровне такого важного отдела бульбарного дыхательного центра, как вентральная респираторная группа, практически не раскрыт. Вместе с тем, данная структура мозга привлекает к себе внимание наличием в её пределах разных классов нейронов с залповым типом активности, в том числе инспиратор-ных, экспираторных и постинспираторных [15; 16]. Среди этих нейронов имеются как проприобуль-барные клетки [17], участвующие в функциональном объединении вентральной респираторной группы с другими структурами дыхательного центра, так и бульбоспинальные клетки, непосредственно определяющие на выходе из дыхательного центра параметры ритма и паттерна дыхания [18]. Понимание механизмов включения многочисленных нейронных систем вентральной респираторной группы в процессы регуляции дыхания невозможно без выявления роли различных тормозных медиаторов и их рецепторов, в том числе мембранных рецепторов типа ГАМКв.
Цель настоящей работы заключалась в изучении особенностей включения ГАМКв-рецепторов на уровне функционально различных отделов вентральной респираторной группы в регуляцию частотно-временных и объёмных параметров паттерна внешнего дыхания у крыс.
Материалы и методика исследования
Поставлены острые опыты на 12 беспородных крысах массой 250-350 г, наркотизированных уретаном (1,6 мг/кг, внутрибрюшинно), у которых регистрировали изменения паттерна внешнего дыхания при микроинъекциях раствора специфического агониста ГАМКв-рецепторов баклофена в каудальную (кВРГ) и ростральную (рВРГ) части вентральной респираторной группы. В ходе операционной подготовки проводили трахеотомию, после чего животное фиксировали в стереотаксическом приборе, закрепляя голову в положении вентрального сгибания, и осуществляли доступ к дорсальной поверхности продолговатого мозга через атланто-окципитальное отверстие. Для инъекций готовили
Роль ГАМКв-рецепторов в регуляции паттерна дыхания.
111
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2011. Вып. 2
раствор баклофена в концентрации 10-6 М разведением в искусственной спинно-мозговой жидкости ex tempore. Вещество вводили в объёме 0,2 мкл через стеклянную микропипетку (наружный диаметр кончика 15-20 мкм), укреплённую на игле микрошприца МШ-1 (объем шприца 1 мкл, цена деления
0,02 мкл), в рВРГ и кВРГ по стереотаксическим координатам [19]. Координаты для микроинъекций: в рВРГ - 0,9 мм ростральнее obex, 2,0 мм латеральнее срединного шва и 2,5 мм вглубь от поверхности мозга; в кВРГ - 0,0 мм, 1,6 мм и 2,3 мм соответственно. После эксперимента извлекали продолговатый мозг и фиксировали его в 10%-м растворе формалина для последующего гистологического контроля. Локализацию кончика микропипетки определяли по треку на неокрашенных коронарных срезах, сопоставляя их со стереотаксическими схемами мозга. Паттерн дыхания оценивали по спирограмме. Для регистрации спирограммы соединяли пластиковую канюлю, введённую в трахею животного, с миниатюрным спирографом, сигнал от которого подавался на аналогово-цифровой преобразователь и отображался на экране монитора компьютера. Запись осуществляли в программе PowerGraph 3.2 Professional (ООО «Интероптика-С») в исходном состоянии и в течение 60 мин. после микроинъекции. На спирограммах определяли длительность фаз дыхательного цикла (с), частоту дыхания (мин-1), дыхательный объём (мл) и вентиляцию лёгких (минутный объём дыхания, мл/мин). Статистическую обработку результатов проводили в программах SigmaStat 3.5 и Microsoft Office Excel 2003. Достоверность изменений проверяли при помощи однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA), статистически значимыми считали различия при p<0,05.
Результаты и их обсуждение
Из результатов исследования следует, что введение баклофена в кВРГ и рВРГ вызывало изменение частотных и объёмных параметров паттерна дыхания, которые, при активации ГАМКв-рецепторов обоих отделов дыхательного центра, как правило, имели одинаковую направленность, но при этом отличались по своей выраженности. Так, стимуляция баклофеном ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ приводила к заметному укорочению длительности экспираторной фазы (рис. 1 А). На уровне рВРГ данный эффект развивался постепенно и приобретал достоверный характер только к 20-й мин. наблюдений (уменьшение на 15,2%; р<0,01). В последующие сроки действия агониста происходило дальнейшее нарастание наблюдаемого эффекта, максимум которого приходился на 50-60-ю мин. экспозиции и составлял 29,5% (р<0,001) от исходного уровня. Что касается изменений фазы выдоха при стимуляции ГАМКв-рецепторов кВРГ, то они имели более закономерный характер уменьшения и формировались с коротким латентным периодом. В частности, достоверное укорочение продолжительности выдоха (на 17,8%; р<0,05) отмечалось сразу же после инъекций, а к 20-й мин. достигало 25,0% и стабильно поддерживалось на этом уровне до конца наблюдений. Установленные различия в скорости формирования и выраженности указанных реакций могут быть связаны с большей чувствительностью нейронов кВРГ к действию активаторов ГАМКв-рецепторов, по сравнению с рВРГ.
Рис. 1. Изменение (в процентах от исходного уровня) длительности фаз выдоха (А) и вдоха (Б) после введения баклофена (10-6 М) в ростральный и каудальный отделы вентральной респираторной группы. Обозначения: -о----рВРГ; -▲— кВРГ; * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001
В отличие от экспираторной фазы, длительность фазы инспирации при инъекции баклофена в оба отдела вентральной респираторной группы увеличивалась, причём этот эффект также оказался более выраженным при воздействии на кВРГ (рис. 1 Б). В этом случае отклонения параметра от первоначальных значений достигали 20,0-30,0% (р<0,001) в интервале от 40-й по 60-ю мин. наблюдений. Изменения времени инспирации в условиях воздействия баклофена на рВРГ отличались нечёткой динамикой, небольшой выраженностью и разнонаправленностью отклонений. Как видно из рис. 1 Б, в первые 15 мин. после инъекции длительность вдоха имела тенденцию к незначительному (на 7,5%) уменьшению, а затем формировалась противоположная картина (увеличение на 10-15%), однако наблюдаемые отклонения не достигали границ статистической значимости.
Совокупный эффект изменений длительности отдельных фаз дыхательного цикла при микроинъекциях баклофена в вентральную респираторную группу проявился учащением дыхания, которое доминировало при активации ГАМКв-рецепторов области рВРГ (рис. 2 А). На этом фоне увеличение частоты дыхания заметно зависело от времени действия фармакологического агента и резко нарастало по ходу экспозиции от 13,4% (р<0,05) на 10-й мин. до 31,9% (р<0,001) на 60-й. Прирост частоты дыхания, вызываемый инъекцией баклофена в кВРГ, отличался меньшей выраженностью и не превышал 20,0% (р<0,05).
Одновременно с изменениями частотно-временных параметров спирограмм инстилляция бак-лофена в кВРГ и рВРГ вызывала сдвиги объёмных показателей паттерна дыхания в виде увеличения дыхательного объёма (рис. 2 Б) и лёгочной вентиляции. Обращает внимание большая выраженность влияний на эти параметры со стороны ГАМКв-рецепторов кВРГ. При инъекции баклофена в этот отдел дыхательного центра латентный период изменений объёма дыхания не превышал 3 мин., увеличение параметра на 10-й мин. наблюдений достигало 30,4% (р<0,05), а начиная с 50-й мин. составляло 74,3% (р<0,05). Активация же ГАМКв-рецепторов рВРГ приводила к первым достоверным отклонениям дыхательного объёма только через 15 мин. от начала воздействия агониста, а максимум реакции, приуроченный, как и в случае кВРГ к концу экспозиции, составлял всего 58,9% (р<0,05).
Минутный объём дыхания после инъекций баклофена в разные отделы вентральной респираторной группы увеличивался, при этом динамика наблюдаемых реакций в обоих случаях практически была одинаковой. Так, при возбуждении ГАМКв-рецепторов рВРГ и кВРГ прирост минутного объёма дыхания на 3-й, 20-й, 40-й и 60-й мин. экспозиции составлял 15% и 30% (р<0,05), 58% и 62% (р<0,05), 75% и 78% (р<0,05), 108% и 105% (р<0,05) соответственно. Количественное сходство этих эффектов, проявившееся несмотря на существенную разницу в изменениях дыхательного объёма (рис. 2 Б), скорее всего, связано с противоположным характером отклонений частоты дыхания (рис. 2 А).
Рис. 2. Изменение (в процентах от исходного уровня) частоты дыхания (А) и дыхательного объёма (Б) после введения баклофена (10-6 М) в ростральный и каудальный отделы вентральной респираторной группы. Обозначения: -о-----рВРГ; -▲— кВРГ; * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001
Таким образом, респираторные реакции, наблюдаемые при инъекции баклофена в рВРГ и кВРГ, свидетельствуют об участии ГАМКв-цептивных элементов исследуемых областей дыхательного центра в центральных механизмах регуляции фазовой структуры дыхательного цикла, частоты и объёмных параметров внешнего дыхания. Респираторные реакции, вызываемые стимуляцией ГАМКв-рецепторов в районах рВРГ и кВРГ, характеризуются определёнными различиями. А именно, инъекции изучаемого агониста ГАМК в кВРГ способствуют значительному увеличению продолжительности вдоха, но при этом укорачивают фазу выдоха. Данный эффект может быть обусловлен тем, что при возбуждении ГАМКв-рецепторов кВРГ происходит подавление активности широко представленных здесь экспираторных нейронов [16]. На этом фоне становится возможным компенсаторное усиление активности инспираторных нейронов как рВРГ, так и других отделов дыхательного центра, что подтверждается пролонгацией вдоха и увеличением его глубины. При аналогичном нейрохимическом воздействии на рВРГ достоверных изменений длительности вдоха не выявлено, а что касается фазы выдоха, то она также, как и в случае воздействия баклофена на кВРГ, укорачивалась, но в заметно меньшей степени. Одним из объяснений наблюдаемого изменения фаз дыхания может быть иное, чем в кВРГ, представительство разных классов дыхательных нейронов (а именно, доминирование инспираторных клеток), специфика межнейронных взаимодействий в рВРГ [18; 20], а также особенности вовлечения ГАМК-рецепторов в их осуществление [7]. При этом, учитывая меньшую выраженность изменений объёмных и частотно-временных параметров паттерна дыхания при инъекции баклофена в рВРГ, по сравнению с кВРГ, допустимо предполагать, что плотность распределения ГАМКв-рецепторов в рВРГ меньше, чем в кВРГ.
Оценивая полученные данные, следует отметить, что одним из характерных эффектов действия агониста ГАМКв-рецепторов на уровне обоих отделов вентральной респираторной группы оказалось ярко выраженное увеличение частоты и глубины дыхания и, как следствие, минутной вентиляции лёгких. Стимулирующее влияние баклофена на эти параметры дыхания, возможно, связано с преимущественной активацией ГАМКВ-рецепторов, имеющих пресинаптическую локализацию, которые при своем возбуждении подавляют высвобождение ГАМК в тормозных синапсах. При включении в реакцию пресинаптических ГАМКВ-рецепторов происходит ингибирование аденилатциклазы, уменьшается вход ионов кальция в пресинаптическое окончание, благодаря чему снижается высвобождение эндогенного нейромедиатора [12]. Также обращает внимание тот факт, что изменения объемных показателей были в среднем в два раза сильнее, чем отклонения частоты дыхания, из чего можно заключить, что в реальных условиях жизнедеятельности активация ГАМКв-рецепторов в области вентральной респираторной группы обеспечивает модуляцию активности, главным образом, бульбоспинальных инспираторных и экспираторных нейронов, ответственных за силу сокращений дыхательной мускулатуры и, таким образом, контролирующих уровень объёмных параметров паттерна дыхания.
Выводы
Итак, активация ГАМКв-рецепторов вентральной респираторной группы баклофеном приводит к изменениям как частотно-временных параметров дыхания, так и его объёмных показателей. При этом после микроинъекции баклофена в кВРГ происходят достоверные изменения обеих фаз дыхательного цикла, а после микроинъекции в рВРГ заметно изменяется только длительность фазы экспирации. Кроме того, воздействие ГАМКВ-агониста на обе исследуемые области дыхательного центра вызывает увеличение глубины вдоха и учащение ритма дыхания, причем первый параметр отличается большей выраженностью своих отклонений после инъекции баклофена в кВРГ, тогда как второй - в рВРГ. Наблюдаемые реакции внешнего дыхания могут быть связаны с особенностями в структурно-функциональной, в том числе нейронной организации изучаемых отделов дыхательного центра, а также с разным представительством в них элементов ГАМК-ергической системы в целом и ГАМКв-рецепторов в частности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сафонов В.А. Регуляция внешнего дыхания // Вестн. СурГУ. Медицина. 2009. № 2. С. 13-21.
2. Shao X.M., Feldman J.L. Respiratory rhythm generation and synaptic inhibition of expiratory neurons in pre-
Botzinger complex: differential roles of glycinergic and GABAergic neural transmission // J. Neurophysiol. 1997.
Vol. 77. P. 1853-1860.
3. Дыхательный центр и регуляция его деятельности супрабульбарными структурами / Н.А. Меркулова [и др.]. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 2007. 170 с.
4. Feldman J.L., Mitchell G.S., Nattie E.E. Breathing: rhythmicity, plasticity, chemosensitivity // Annu. Rev. Neurosci. 2003. Vol. 26. P. 239-266.
5. Rybak I.A., John W.M. St., Paton J.F. Models of neuronal bursting behavior: implications for in-vivo versus in-vitro respiratory rhythmogenesis // Adv. Exp. Med. Biol. 2001. Vol. 499. P. 159-164.
6. Тараканов И.А., Сафонов В.А. ГАМКергическая система и её значение для регуляции дыхания // Физиология человека. 1998. Т. 24. № 5. С. 116-128.
7. Ведясова О.А., Романова И.Д., Ковалёв А.М. Механизмы регуляции дыхания структурами лимбической системы. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 2010. 170 c.
8. Fregosi R.F., Luo Z., Iizuka M. GABAa receptors mediate postnatal depression of respiratory frequency by barbiturates / // Respir. Physiol. Neurobiol. 2004. Vol. 140. P.219-230.
9. Nattie E., Shi J., Li A. Bicuculline dialysis in the retrotrapezoid nucleus (RTN) region stimulates breathing in the awake rat // Respir. Physiol. Vol. 124. P. 179-193.
10. Schmidt K., Foutz A.S., Denavit-Saubie M. Inhibitions mediated by glycine and GABAa receptors shape the discharge pattern of bulbar respiratory neurons // Brain Res. 1996. Vol. 710. P. 180-160.
11. Калуев А.В. Как организован хлорный ионофор ГАМКА-рецептора? // Нейронауки. 2006. № 3. С. 31-42.
12. Семьянов А.В. ГАМКергическое торможение в ЦНС: типы ГАМК-рецепторов и механизмы тонического ГАМК-опосредованного тормозного действия // Нейрофизиология. 2002. T. 34. № 1. С. 82-92.
13. Тараканов И.А., Сафонов В.А., Тихомирова Л.Н. Действие ГАМК-положительных веществ на хеморефлек-торную регуляцию дыхания // Бюл. эксперим. биол. и мед. 1999. Т. 128. № 9. С. 274-278.
14. Тараканов И.А., Сафонов В.А. Нейрогуморальные механизмы некоторых патологических форм дыхания центрального генеза // Современные аспекты клинической физиологии в медицине: сб. ст. Всерос. науч.-практ. конф., посв. 110-летию со дня рождения М.В. Сергиевского. Самара: Волга-Бизнес, 2008. С. 72-77.
15. Alheid G.F., McCrimmon D.R. The chemical neuroanatomy of breathing // Respir. Physiol. Neurobiol. 2008. Vol. 164. P. 3-11.
16. Bianchi A.L., Denavit-Saubie M., Champagnat J. Central control of breathing in mammals: neuronal circuitry, membrane properties, and neurotransmitters // Physiol. Rev. 1995. Vol. 75, № 1. P. 1-45.
17. Zoungrana O.R. et al. Intracellular activity of motoneurons of the rostral nucleus ambiguus during swallowing in sheep // J. Neurophysiol. 1997. Vol. 77. P. 909-922.
18. Ellenberger H.H. Nucleus ambiguus and bulbospinal ventral respiratory group neurons in the neonatal rat // Brain Res. 1999. Vol. 50, № 1. P. 1-13.
19. Chitravanshi V.C., Sapru H.N. Phrenic nerve responses to chemical stimulation of the subregions of ventral medullary neuronal group in the cat // Brain Res. 1999. Vol. 821, № 2. P. 443-460.
20. Hilaire G., Duron B. Maturation of the mammalian respiratory system // Physiol. Rev. 1999. Vol. 79, № 2. P. 325-360.
Поступила в редакцию 03.03.11
A.M. Kovalyov, O.A. Vedyasova, V.A. Safonov, I.A. Tarakanov
The role of GABAB-receptors in the control of breathing pattern by the structures of ventral respiratory group
Microinjections of the GABAB-receptors agonist baclofen (10-6 M) into the rostral and caudal parts of the ventral respiratory group (rVRG and cVRG) in rats caused mixed changes in a pattern of breathing. Injection into cVRG prolonged inspiration and shortened expiration, while injection into rVRG changed expiration only. Changes in tidal volume had larger severity when baclofen affected cVRG, whereas changes in respiratory frequency observed when baclofen affected rVRG. Registered differences are discussed in the aspect of unequal distribution of GABAB-receptors in different parts of the VRG.
Keywords: GABAB-receptors, ventral respiratory group, baclofen, pattern of breathing.
Ковалёв Александр Михайлович, аспирант
ГОУ ВПО «Самарский государственный университет»
443011, Россия, г. Самара, ул. Ак. Павлова, 1 E-mail: [email protected]
Ведясова Ольга Александровна, доктор биологических наук, профессор ГОУ ВПО «Самарский государственный университет»
443011, Россия, г. Самара, ул. Ак. Павлова, 1 E-mail: [email protected]
Сафонов Виктор Аврамович, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией ГУ РАМН «Институт общей патологии и патофизиологии РАМН»
125315, г. Москва, ул Балтийская, 8 E-mail: [email protected]
Тараканов Игорь Анатольевич, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ГУ РАМН «Институт общей патологии и патофизиологии РАМН»
125315, г. Москва, ул Балтийская, 8 E-mail: [email protected]
Kovalyov A.M., aspirant Samara State University 443011, Russia, Samara, Ak. Pavlov st., 1 E-mail: [email protected]
Vedyasova O.A., doctor of biological science, professor Samara State University 443011, Russia, Samara, Ak. Pavlov st., 1 E-mail: [email protected]
Safonov V.A., doctor of biological science, professor, head of laboratory Institute of General Pathology and Pathophysiology of RAMS 125315, Russia, Moscow, Baltiyskaya st., 8 E-mail: [email protected]
Tarakanov I.A., doctor of biological science, leading researcher Institute of General Pathology and Pathophysiology of RAMS 125315, Russia, Moscow, Baltiyskaya st., 8 E-mail: [email protected]
