CC BY
15УДК 612.751
© 2011 В.И. Беляков
УЧАСТИЕ ФАСТИГИАЛЬНОГО ЯДРА МОЗЖЕЧКА В РЕСПИРАТОРНЫХ РЕАКЦИЯХ НА ДЕЙСТВИЕ АНТИОРТОСТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ У КРЫС
В острых экспериментах на наркотизированных крысах изучены респираторные эффекты на действие ан-тиортостатической нагрузки. Показано ее тормозное влияние на частотно-временные и объемные показатели дыхания. Возбуждение фастигиального ядра мозжечка (L-глутаматом) модулирует изменения дыхания на действие антиортостатической нагрузки.
Ключевые слова: антиортостатическая нагрузка, дыхание, фастигиальное ядро, L-глутамат.
К настоящему моменту в дыхательной физиологии сложилось представление о мозжечке как структуре, способной вступать в сложные функциональные взаимодействия с бульбарным дыхательным центром. Значительные афферентные и эфферентные связи, высокие интегративные возможности мозжечка, нейрохимическая специфика при переработке поступающей разномодальной имульсации делают данную структуру значимой в центральных механизмах обеспечения различного рода адаптационно-компенсаторных перестроек дыхания [3; 4; 6; 12; 13].
Известно, что существенное влияние на дыхание оказывает изменение положения тела в пространстве. В частности, отсутствие гравитации в условиях невесомости приводит к уменьшению диффузионной способности легких, сдвигу вентиляционно-перфузионных отношений. В этих условиях отмечается снижение дыхательного объема, жизненной и функциональной остаточной емкости легких; наблюдаются гиперкапнические и гипоксимические изменения газового состава крови [1; 2; 5; 8; 10; 11].
Целью настоящей работы явилось изучение значения фастигиального ядра мозжечка в модуляции респираторных реакций у крыс на антиортостатическое воздействие, которое используется в физиологических исследованиях для моделирования эффектов микрогравитации.
Методика исследования. Эксперименты выполнены на 12 наркотизированных уретаном (1,5 г/кг; Sigma) нелинейных крысах-самцах массой 230-260 г. После достижения наркозом необходимой глубины производилась трахеостомия. Затем животное фиксировалось в сте-реотаксическом приборе и согласно координатам атласа мозга крыс [9] при помощи бора проделывалось трепанационное отверстие над областью залегания правостороннего фасти-гиального 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 при действии антиортостатической нагрузки на протяжение 30 минут. 20
Последняя создавалась переводом переднего края станка с животным вниз на 40°. В результате голова крысы оказывалась под углом 40° по отношению к горизонтальной плоскости.
Для изучения вопроса об участии фастигиального ядра мозжечка в модуляции респираторных ответов, вызванных антиортостатическим воздействием, в части экспериментов постуральное воздействие предъявляли на фоне химической активации данного ядра. С этой целью производили микроинъекции раствора L-глутамата (10-3 М; 0,2 мкл; «Sigma») в правостороннее фастигиальное ядро мозжечка. Микроинъекции осуществляли при помощи микрошприца МТТТ-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 показывают, что действие антиортостатической нагрузки у крыс приводит к быстрым и характерным изменениям различных показателей дыхания (рис. 1). При этом среди временных показателей более выраженные изменения претерпевала продолжительность вдоха, которая закономерно возрастала на протяжении всего периода действия антиортостатической нагрузки. Тенденция к перестройке времени инспирации проявлялась уже на первых минутах наблюдения, но сами изменения при этом не являлись статистически значимыми. Изменение данного показателя отмечено на 15-й минуте действия антиортостатической нагрузки (увеличение на 15 %; р<0,05). Максимальный прирост времени вдоха отмечен в конце наблюдения на 25-й и 30-й минутах, когда увеличение данного показателя составило соответственно 20 % (р<0,05) и 23 % (р<0,05). Сходным образом изменялось время экспирации. Некоторое увеличение продолжительности этого показателя зарегистрировано на 5-й минуте наблюдения. К 30-й минуте увеличение времени выдоха составило 18 % (р<0,05). Итогом отмеченных выше изменений явилось увеличение продолжительности всего дыхательного цикла, которое регистрировалось спустя 15 минут от начала действия антиортостатической нагрузки. О выраженном влиянии предъявляемого постурального воздействия на деятельность дыхательного центра свидетельствует изменение дыхательного ритма (рис. 2). Снижение частоты дыхания на 17 % (р<0,05) отмечалось к 15-й минуте и достигало своего максимума к 30-й минуте (уменьшалось на 29%; р<0,05).
Антиортостатическая нагрузка вызывала не только уменьшение частоты возникновения вдохов, но и эффективно угнетала объемные показатели дыхания (рис. 2). Следует отметить коротколатентный характер наступления такого эффекта. Так, уже на 5-й минуте снижение дыхательного объема в среднем составило 13 % (р<0,05), а к концу наблюдения - 28 % (р<0,01). Соответственно торможению дыхательного ритма и угнетению объема дыхания перестраивалась минутная вентиляция легких (рис. 3). Снижение данного интегрального показателя дыхания на 18 % (р<0,05) начиналось на 15-й минуте. Далее уменьшение минутного объема дыхания становилось более выраженным, а к концу наблюдения его замедление составило в среднем 34 % (р<0,01).
Таким образом, действие антиортостатической нагрузки приводило к выраженному и нарастающему со временем угнетению дыхания у крыс. Отмеченный характер дыхательных перестроек определялся уменьшением как частотно-временных, так и объемных показателей дыхания.
По всей видимости, тормозное влияние антиортостатической нагрузки на дыхание связано с определенными перестройками в гемодинамике и сопутствующими изменениями сопротивления дыханию. Как известно, в антиортостатическом положении, так же как и в условиях невесомости, происходит перераспределение крови к ростральным участкам тела, что неминуемо приводит к отечности тканей головы и дыхательных путей. Сопутствующим явлением при этом является увеличение сопротивления дыханию. Рост сопротивления дыханию может быть также связан с интенсивным кровенаполнением легочных сосудов и, как следствие, снижением растяжимости стенок дыхательных путей и сужением их просвета. Полученные в настоящем исследовании данные согласуются с наблюдениями других авторов [1], показавших увеличение резистивного и эластического компонентов сопротивления дыханию в условиях антиортостаза. На основании своих экспериментов авторы приходят к выводу о том, что в антиортостатическм положении происходит снижение интенсивности тормозной афферентации от рецепторов растяжения к дыхательному центру. Последнее способствует увеличению времени разрядов инспираторных нейронов дыхательного центра и силы сокращений инспираторной мускулатуры, что в свою очередь ограничивает падение легочной вентиляции.
Во второй части исследования изучались респираторные реакции на действие антиортостатической нагрузки в условиях химического возбуждения фастигиального ядра мозжечка. Установлено, что возбуждение L-глутаматом фастигиальных нейронов мозжечка модулировало характер изменений показателей дыхания на действие антиортостаза (рис. 1). Так, если в условиях действия только одной постуральной нагрузки отмечалось угнетение дыхательного ритма, то возбуждение фастигиального ядра мозжечка его несколько активировало и поддерживало на достаточно стабильном уровне (рис. 1). Статистически значимый прирост на 9 % (р<0,05) частоты дыхательных движений был зарегистрирован только на 15-й минуте наблюдения. На этой же минуте были выявлены качественные отличия в характере изменений данного показателя при действии антиортостатической нагрузки и ее сочетании с возбуждением фастигиального ядра.
Наиболее выраженные различия в характере двух вариантов действия антиортостатиче-ской нагрузки касались такого показателя, как дыхательный объем (рис. 2). Если действие одной ортостатической нагрузки приводило к существенному снижению объема дыхания, то возбуждение фастигиального ядра мозжечка вызывало его фазное изменение. Первые 10 минут наблюдения регистрировалось увеличение дыхательного объема. На 10-й минуте оно составило 17 % (р<0,05). После этого отмечалось некоторое падение дыхательного объема и возврат к исходному уровню на 30-й минуте.
Сходным образом происходила перестройка минутной вентиляции легких (рис. 3). Локальные воздействия глутамата на фастигиальное ядро мозжечка приводили в условиях ан-тиортостатического положения тела к первоначальной активации легочной вентиляции (первые 15 минут), вслед за которой наступала стадия ее угнетения. Наиболее выраженное на 14 % (р<0,05) увеличение минутного объема дыхания отмечено на 10-й минуте наблюдения. На 15-й и 20-й минутах отмечены статистически значимые отличия в респираторных реакциях на действие антиортостатической нагрузки до и в условиях действия глутамата на фасти-гиальное ядро мозжечка.
Рис. І. Изменения (в % от исходного уровня) частоты дыхания при действии антиортостатической нагрузки до (белые столбики) и в условиях химического возбуждения фастигиального ядра.
Обозначения: 1, 5, 10, 15, 20, 25 и 30 - время наблюдения (мин);
* - р<0,05 (действие антиортостаза); # - р<0,05 (при сравнении действия антиортостаза до и при возбуждении
фастигиального ядра)
Рис. 2. Изменения (в % от исходного уровня) объема дыхания при действии антиортостатической нагрузки до (белые столбики) и в условиях химического возбуждения фастигиального ядра.
Обозначения: ** - р<0,05; остальные обозначения те же, что на рис. 1
Рис. 3. Изменения (в % от исходного уровня) минутного объема дыхания при действии антиортостатической нагрузки до (белые столбики) и в условиях химического возбуждения фастигиального ядра.
Обозначения: те же, что на рис. І и 2
На основании проведенного исследования можно заключить, что фастигиальное ядро мозжечка способно модулировать респираторные реакции, вызываемые переводом тела в ан-тиортостатическое положение. При этом в большей степени подконтрольными фастигиаль-ным влияниям оказываются объемные показатели дыхания. Сама по себе антиортостатиче-ская нагрузка вызывает выраженное ослабление дыхания. В то время как фастигиальное ядро мозжечка не только минимизирует последствия данной нагрузки, но и в некоторых случаях повышает эффективность дыхания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Александрова Н.П., Донина Ж. А., Данилова Г. А. и др. Роль афферентной системы легких в механизмах компенсаторных реакций дыхательной системы в антиортостатическом положении // Росс. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2007. № 6 (93). С. 670-677.
2. Баранов В.М. Газообмен человека в космическом полете и модельных исследованиях / Проблемы космической биологии. М., 1993.
3. Беляков В.И. Респираторные влияния сенсомоторной коры мозга и мозжечка и механизмы их реализации / Автореф. ... канд. биол. наук. Самара, 2002.
4. Меркулова Н.А., Инюшкин А.Н., Беляков В.И. и др. Дыхательный центр и регуляция его деятельности суп-рабульбарными структурами. Самара: Самарский университет, 2007.
5. Bettinelli D., Kays C., Bailliart J. et al. Effect of gravity and posture on lung mechanics // J. Appl. Physiol. 2002. 93 (6). P. 2044-2052.
6. Bradley D.J., Pascoe J.P., Paton J.F., Spyer K.M. Cardiovascular and respiratory responses evoked from the posteroir cerebellar cortex and fastigial nucleus in the cat // J. Physiol. 1987. V. 393. P. 107-121.
7. Jing-Ning Zhu, Wing-Ho Yung, Billy Kwok-Chong Chow, Ying-Shing Chan and Jian-Jun Wang. The cerebellar-hypothalamic circuits: Potential pathways underlying cerebellar involvement in somatic-visceral integration // Brain Research Reviews. 2006. V. 52. № 1. P. 93-106.
8. Paiva M., Estenne M., Engel L.A. Lung volumes, chest wall configuration and pattern of breathing in microgravity // J. Appl. Physiol. 1989. 67 (4). P. 1542-1550.
9. Paxinos G., Watson C. The rat brain in stereotaxic coordinates // Acad. Sidney. Press. 1985.
10. Prisk G.K. Microgravity and the lung // J. Appl. Physiol. 2000. 89 (1). P. 385-396.
11. Verbanck S., Larsson H., Linarsson D. et al. Pulmonary tissue volume, cardiac output, and diffusing capacity in sustained microgravity // J. Appl. Physiol. 1997. 83. Р. 810-816.
12. 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.
13. Zhu J. N. The cerebellar-hypothalamic circuits: Potential pathways underlying cerebellar involvement in somaticvisceral integration // Brain Res. 2006. V. 52. P. 93-106.
