Значение структурно-функциональных особенностей различных "мест" ретикулярного гигантоклеточного ядра в центральных механизмах регуляции

УДК 612.282

ЗНАЧЕНИЕ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ

ОСОБЕННОСТЕЙ РАЗЛИЧНЫХ "МЕСТ" РЕТИКУЛЯРНОГО ГИГАНТОКЛЕТОЧНОГО ЯДРА В ЦЕНТРАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМАХ РЕГУЛЯЦИИ

ДЫХАНИЯ

© 2011 Е.В. Яценко1

Представлены новые данные о роли и значении респираторных участков ретикулярного гигантоклеточного ядра в формировании паттерна дыхания. Основываясь на результатах электростимуляций инспираторных и экспираторных "мест" данного ядра, автор высказывают мнение о весомой роли ретикулярного гигантоклеточного ядра в центральных механизмах регуляции дыхания.

Ключевые слова: ретикулярное гигантоклеточное ядро, дыхательный центр, инспираторное "место", экспираторное "место".

Введение

Проблема структурно-функциональной организации дыхательного центра, его нейронного состава имеет сложную историю, всесторонне рассматривалась в многочисленных статьях и монографиях. Это позволяет нам остановиться только на некоторых сторонах вопроса структурно-функциональной организации дыхательного центра (ДЦ), которые до настоящего времени остаются дискуссионными. Одним из таких вопросов является вопрос о роли и значении инспираторных "мест" (ИМ) и экспираторных "мест" (ЭМ) и нейронов ретикулярного гигантоклеточного ядра (RGC) в механизмах регуляции дыхания.

В настоящее время подавляющее большинство авторов рассматривает ДЦ как совокупность дыхательных нейронов продолговатого мозга, расположенных в пяти структурно-функциональных областях: дорзальная дыхательная группа, локализованная в ядре солитарного тракта; вентральная дыхательная группа, ее ка-удальный отдел расположен в области n. retroambigualis, ростральный отдел в области n. ambiguous и n. retroambigualis; комплекс Бетцингера расположен в области n. retrofacialis; комплекс пре-Бетцингера располагается в ростральной части n. ambiguous, каудальнее n. retrofacialis и ростральнее n. lateralis reticularis [8; 9; 25; 28; 30; 32].

Но ряд исследователей, преимущественно в опытах на кошках, выявили наличие ИМ и ЭМ в RGC [1; 3; 6; 26; 27]. Были выявлены также инспираторные

1Яценко Екатерина Владимировна (serdolik1986@rambler.ru), кафедра физиологии человека и животных Самарского государственного университета, 443011, Российская Федерация, г. Самара, ул. Акад. Павлова, 1.

и экспираторные нейроны, преимущественно в медиовентральной части ИСС [5; 11-22]. В многочисленных исследованиях было показано, что раздражение ИМ и ЭМ ИСС кошек вызывает смену фаз дыхательного цикла, усиление электроактивности функционально однозначных с ними дыхательных нейронов и торможение дыхательных нейронов, функционально различающихся, в обеих половинах ДЦ, раздражение же инспираторных и экспираторных мест последних преимущественно затормаживает электроактивность дыхательных и ретикулярных нейронов ИСС [14-16].

На основании данных о наличии в ИСС кошек респираторных "мест", инспи-раторных и экспираторных нейронов, обильных связей данного ядра со структурами, традиционно относящимися к ДЦ, связями данного ядра с моторными ядрами дыхательных мышц и других данных, ряд исследователей высказали мнение, что ИСС является частью бульбарного ДЦ [4; 7; 12; 19]. Однако, как было отмечено выше, большинство современных исследователей данную точку зрения не поддерживают [24; 29].

Дыхательные нейроны в ИСС были обнаружены и в экспериментах на крысах [2; 10; 23]. Однако авторы, объектом исследования которых были крысы, практически не рассматривали значение нейронов ИСС крыс в формировании паттерна дыхания и ритмогенерирующей функции ДЦ, не анализировали связи респираторных мест и нейронов ИСС с функционально различными областями ДЦ, в особенности с комплексом пре-Бетцингера, как области ДЦ, в составе которой находятся пейсмекерные нейроны.

Исходя из этого, сочли интересным и важным провести исследование значимости респираторных "мест" ИСС в центральных механизмах регуляции дыхания крыс. Решение поставленных вопросов, возможно, в какой-то степени внесет ясность в вопрос — есть ли основание рассматривать ИСС как шестой структурно-функциональный участок бульбарного ДЦ или респираторные "места" ИСС крыс только оказывают влияние на многообразные функции бульбарного ДЦ.

Методика исследования

Эксперименты проводились на 6 взрослых нелинейных крысах обоего пола массой 230-250 г. Животных наркотизировали уретаном (1,5 г/кг внутрибрюшинно). Во всех экспериментах крысы дышали атмосферным воздухом. Паттерн дыхания регистрировали методом спирографии. Для этого использовали электронный спирограф с монометрическим датчиком давления. На полученных спирограммах оценивали дыхательный объем (У^ мл), длительность инспираторной (Т1, с) и экспираторной (Те, с) фаз дыхательного цикла, длительность всего дыхательного цикла (Т^ с). Дополнительно рассчитывали частоту дыхания (ЧД) по формуле £=60/Т^ мин-1 и минутный объем дыхания (МОД) по формуле У=£ -У^ мл/мин. Параллельно с паттерном дыхания регистрировали биоэлектрическую активность диафрагмы и наружных межреберных мышц (НММ) (У1-У111 межре-берье) с правой стороны тела животных с помощью стальных игольчатых электродов биполярным способом. На полученных электромиограммах рассчитывали максимальную амплитуду осцилляций в залпах активности инспираторных мышц (отн. ед.). Для электростимуляции ИСС применяли биполярный концентрический электрод диаметром 0,02 мм. Введение микроэлектрода в исследуемую структуру осуществляли согласно стереотаксическим координатам атласа мозга крысы (1 участок — Р 11,8; Ь 0,5; У 9; 2 участок — Р 11; Ь 0,9; У 9,2; 3 участок —

P 12; L 1; V 9,8). Для раздражения использовали электрический ток с частотой 50 и 100 Гц и напряжением 1, 3, 5 и 7 В. Полученные экспериментальные данные обрабатывали статистически с использованием теста ANOVA для повторных измерений, а в случае обнаружения статистически значимых изменений для последующего попарного сравнения значений исследуемых параметров с исходными применяли Dunnett's тест или (при несоответствии данных в выборках нормальному распределению) тест Tukey. Статистически значимыми считались изменения со значениями p ^ 0,05. Все эксперименты на животных проводили в строгом соответствии с требованиями Женевской конвенции "International Guiding Principles for Biomedical Research Involving Animals " (Geneva, 1990).

Результаты исследования и их обсуждение

В ходе экспериментов установлено, что электростимуляции исследуемых структур приводили к выраженным изменениям респираторных показателей и активности инспираторных мышц. Характер респираторных ответов зависел от места воздействия и параметров электрического тока.

Так, при раздражении током первого участка (анатомически расположенного в медиовентральной области RGC) параметры дыхания статистически значимо изменяются относительно исходных значений.

Длительность инспирации увеличивается как при частоте 50, так и при частоте 100 Гц. При этом наибольший эффект отмечается при значении тока 100 Гц и 7 В, когда отклонение от исходных значений достигает порядка 47 % (p <0,001). Время экспирации, напротив, уменьшает свои значения при стимуляции электрическим током с максимальным значением в -29 % (p<0,001) при силе воздействующего стимула 50 Гц и 7 В. Дыхательный объем имеет тенденцию к увеличению своих значений при росте силы воздействующего тока, достигая максимальных отклонений от исходного уровня в +12 % (р <0,001). ЧД и МОД также имеют тенденцию к увеличению своих значений, достигая максимальных отклонений от исходных значений +6 % (р<0,05) и +19 % (р<0,001) соответственно. Доля вдоха увеличивается и достигает отклонения в +30 % (р<0,001) от исходного уровня. Обращают на себя внимание также изменения активности НММ и диафрагмы, амплитуда залпов в которых увеличивается на 26 % (р<0,001) и 19 % (р<0,001) для диафрагмы и НММ соответственно (рис. 1).

718,97 719.97 72047 1 2 3 4

Рис. 1. Электромиограммы диафрагмы (1) и НММ (2) до воздействия (слева) и во время воздействия (справа) тока 50 Гц и 5 В.

При раздражении током второго участка ИСС (анатомически расположенного в дорзоростральной части) параметры дыхания также меняются относительно исходных значений. Однако в данном случае время инспирации имеет тенденцию к уменьшению своих значений с максимальным отклонением от исходных значений в -32 % (р<0,001). Время экспирации увеличивает свои значения под воздействием стимуляции электрическим током с максимальным значением в +222 %

(р<0,001) при силе воздействующего стимула 100 Гц и 7 В. Дыхательный объем, напротив, имеет тенденцию к уменьшению своих значений при увеличении силы воздействующего тока. ЧД, МОД и доля вдоха также уменьшаются с максимальными отклонениями в -44 % (р<0,001), -77 % (р<0,001) и -52 % (р<0,001) при стимуляции электрическим током 100 Гц и 7 В. Амплитуда же осцилляций в залпах активности НММ и диафрагмы уменьшается на -23 (р<0,001) и -29 % (р<0,001) соответственно. Описанные выше эффекты можно наблюдать на рис. 2.

Рис. 2. Спирограмма (1) и электромиограммы диафрагмы (2) и НММ (3) до и во время стимуляции током (момент нанесения раздражения показан вертикальной

линией) 100 Гц и 5 В И,ОС

Основными эффектами воздействия на третий участок ИСС (расположенный в вентральной части ядра), как и при воздействии на первый, были увеличение длительности инспирации на +12 % (р<0,01) при уменьшении длительности экспирации на -40 % (р<0,001), однако в данном случае отмечается уменьшение дыхательного объема -43 % (р<0,001). Несмотря на увеличение ЧД (+19 % (р<0,001)), МОД уменьшается на -38 % (р<0,001), доля вдоха увеличивается на +34 % (р<0,001), длительность дыхательного цикла уменьшается на -16 % (р<0,01). Кроме этого, стимуляция электрическим током третьего участка гигантоклеточного ядра в ряде случаев сопровождалась остановкой дыхания, а амплитуда осцилля-ций в залпах диафрагмы и НММ уменьшалась на -23 (р<0,001) и -16 % (р<0,01) соответственно (рис. 3; 4).

Рис. 3. Спирограмма до воздействия (слева) и во время воздействия (справа) тока 50 Гц и 5 В на И,ОС (участок № 3).

Рис. 4. Электромиограммы диафрагмы (1) и НММ (2) до воздействия (слева) и во время воздействия (справа) тока 50 Гц и 5 В на И,ОС

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что респираторные "места" ИСС, способны модулировать все исследуемые параметры дыхания.

В ряде наблюдений эффекты раздражения респираторных "мест" ИСС носили антагонистический характер. Так, электростимуляция первого участка, описанного как инспираторное "место" ИСС крыс [2; 10], вызывала увеличение продолжительности инспираторной фазы, увеличение объемных показателей, усиление электроактивности инспираторных мышц, но при этом оказывала ингибиру-ющее влияние на длительность экспирации. Электростимуляция второго участка, описанного как экспираторное "место" ИСС крыс [2; 10], оказывала полностью противоположный эффект на перечисленные параметры, происходило уменьшение продолжительности инспираторной фазы, объемных показателей, ослабление электроактивности инспираторных мышц, и наблюдался стимулирующий эффект на длительность экспирации. Электростимуляция третьего участка ИСС имела несколько смешанный характер, оказывая стимулирующий эффект на время инспирации и долю вдоха, ингибировала объемные показатели, активность инспира-торных мышц и длительность экспирации.

Таким образом, основываясь на полученных данных, можно сделать заключение, что расположение инспираторно-активных и экспираторно-активных "мест" ИСС крыс в целом имеет сходство с расположением таковых мест у кошек, что также совпадает с мнением Сергеева [10].

Полученные результаты можно объяснить с точки зрения существования четких антагонистических отношений между инспираторными и экспираторными "местами" ИСС и противоположным классом дыхательных нейронов, то есть усилением активности большинства дыхательных нейронов соответствующего класса, угнетением активности нейронов противоположного класса и, возможно, рекрутированием молчащих дыхательных нейронов [10; 14; 15]. Выраженность и разнообразие модулирующих воздействий респираторных мест ИСС на паттерн дыхания также в определенной степени можно объяснить сложными связями ИСС с ядрами, относящимися к ДЦ, с которыми проприобульбарные нейроны респираторных областей ИСС имеют моно-, олиго- и полисинаптические связи [12; 20; 31; 33]. Есть основания предполагать, что сложные взаимодействия респираторных мест ИСС с различными ядрами ствола мозга также оказывают влияние на результаты электростимуляции ИМ и ЭМ ИСС.

Следует отметить более выраженную реакцию на раздражение диафрагмы по сравнению с НММ, что можно объяснить с точки зрения наличия обильных прямых связей бульбоспинальных нейронов респираторных областей ИСС с мотонейронами диафрагмы, об этом идет речь в в работе [23].

Проведенный анализ значимости респираторных "мест" ИСС в регуляции дыхания позволяет высказать мнение, что респираторные "места" ИСС — одни из важнейших структур, участвующих в формировании ритма и паттерна дыхания, наряду с другими, традиционно признанными структурно-функциональными участками дыхательного центра.

Литература

[1] Бродал А. Ретикулярная формация мозгового ствола. М.: Медгиз, 1960. 99 с.

[2] Буданцев В.С. Роль инспираторных и экспираторных зон медиальной области дыхательного центра: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М., 1983. 18 с.

[3] Вальдман А.В., Грантынь А.А., Денисова Г.А. Нейрофармакология и физиология центральной регуляции дыхания // Нейрофармакология процессов центрального регулирования. Л., 1969. С. 405-476.

[4] Гордиевский А.Ю. Ядро солитарного тракта как компартментно-кластерная структура дыхательного центра: дис. ... канд. биол. наук. Самара, 2004. 151 с.

[5] Гордиевская Н.А., Сергиевский М.В., Якунин В.Е. Влияние раздражений медиальной и латеральной зон дыхательного центра на электрическую активность диафрагмы, межреберных мышц и диафрагмальных нейронов // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1978. № 4. С. 392-395.

[6] Росси Д., Цанкетти А. Ретикулярная формация ствола мозга. М., 1960. 264 с.

[7] Ройтбак А.И. Локализация дыхательного центра и его взаимодействие с другими центральными механизмами //IX съезд Всесоюзного общества физиологов биохимиков и фармакологов. Минск, 1959. С. 118-123.

[8] Инюшкин А.Н., Меркулова Н.А. Дыхательный ритмогенез у млекопитающих: в поисках пейсмекерных нейронов // Регуляция автономных функций. Самара, 1998. С. 23-33.

[9] Дыхательный центр и регуляция его деятельности супрабульбарными структурами / Н.А. Меркулова [и др.]. Самара: Издательство СамГУ, 2007. 170 с.

[10] Сергеев О.С. Нейронная организация дыхательного центра продолговатого мозга и регуляция его деятельности: автореф. дис. ... д-ра. биол. наук. Куйбышев, 1982. 29 с.

[11] Дыхательный центр / М.В. Сергиевский [и др.]. М.: Медицина, 1975. 183 с.

[12] Структура и функциональная организация дыхательного центра / М.В. Сергиевский [и др.]. Новосибирск: Изд-во НГУ, 1993. 191 с.

[13] Сафонов В.А., Ефимов В.Н., Чумаченко А.А. Нейрофизиология дыхания. М.: Медицина, 1980. 224 с.

[14] Чубаркин А.В. Реакции дыхательных нейронов при переключении фаз и навязывании дыхательного ритма стимуляцией структур ствола мозга // Вестник СамГУ. 2006. № 7. С. 249-254.

[15] Чубаркин А.В. Нейронные механизмы переключения дыхательных фаз: авто-реф. дис. ... канд. мед. наук. Самара, 2007. 25 с.

[16] Якунин В.Е. Морфологическая и функциональная характеристика инспира-торных и экспираторных образований медиальной и латеральной зон дыхательного центра // Биологические науки. 1984. № 4. С. 49-53.

[17] Якунин В.Е. Функциональные связи нейронов "респираторных" ядер: гиган-токлеточного, солитарного тракта, обоюдного и ретроамбигвального // Современные проблемы физиологии дыхания. Куйбышев, 1980. С. 35-40.

[18] Якунин В.Е., Киреева Н.Я. Реакции нейронов латеральной зоны ДЦ на локальные раздражения его медиальной зоны //Физиологический журнал СССР. 1978. № 64. С. 205-212.

[19] Якунин В.Е. Функциональная организация медиальных и латеральных ядер дыхательного центра и нейронные механизмы их взаимодействия. Казань, 1987. С. 1-33.

[20] Якунин В.Е. Нисходящие пути медиальных ядер дыхательного центра к дыхательным мышцам // Физиологический журнал им. И.М. Сеченова. 1990. № 5. Т. 76. С. 613-619.

[21] Якунин В.Е., Амунц В.В., Киреева Н.Я. Морфологическая и функциональная характеристика инспираторных и экспираторных образований медиальной и латеральной зон дыхательного центра // Биологические науки. 1984. № 4. С. 49-53.

[22] Якунин В.Е., Сергиевский М.В. Коррекция дыхательных расстройств электростимуляцией некоторых структур дыхательного центра // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 1981. № 3. С. 286-288.

[23] Dobbins E.G., Feldman J.L. Brainstem Network Controlling Descending Drive to Phrenic Motoneurons in Rat // The journal of comparative neurology. 1994. V. 347. P. 64-86.

[24] Duffin J. Functional organization of respiratory neurones: a brief review of current questions and speculations // Exp. Physiol. 2004. P. 517-529.

[25] Funk G.D., Feldman J.L. Generation of respiratory rhythm and pattern in mammals: Insights from developmental studies // Curr. Opin. Neurobiol. 1995. V. 5. P. 778-785.

[26] Pitts R.F. Organisation of the respiratory center // Physiol. Rev. 1946. № 4. P. 609-630.

[27] Pitts R.F., Magoun H.W., Ranson S.W. Localization of the medullary respiratory centers in the cat // Am. J. Physiol. 1939. V. 126. P. 673-688.

[28] Three phase theory about the basic respiratory pattern / D.A. Ballantyne [et al.] // Central Neurone Environment. Berlin, 1983. P. 164-174.

[29] Onimaru H., Homma I. Two Modes of Respiratory Rhythm Generation in the Newborn Rat Brainstem-Spinal Cord Preparation //Advances in Experimental Medicine and Biology. 2008. V. 605. № 3. P. 104-108.

[30] Schwarzacher S.W., Smith J.C., Richter D.W. Pre-Botzinger complex in the cat // J. Neurophysiol. 1995. V. 73. № 4. P. 1452-1461.

[31] Anatomic connections between nucleus reticularis rostroventrolateralis and some medullary cardiovascular sites in the rat / H.H. Samuel [et al.] // Neuroscience Letters. 1986. V. 71. Issue 3. P. 277-282.

[32] Pre-Botzinger complex: A brainstem region that may generate respiratory rhythm in mammals / J.C. Smith [et al.] // Science. 1991. V. 254. P. 726-729.

[33] Excitatory innervation of caudal hypoglossal nucleus from nucleus reticularis gigantocellularis in the rat / C.C.H. Yanga [et al.] // Neuroscience. 1995. V. 65. Issue 2. P. 365-374.

Поступила в редакцию 22/V/2011;

в окончательном варианте — 22/V/2011.

A ROLE OF STRUCTURAL-FUNCTIONAL PARTICULARITIES OF RETICULAR GIGANTOCELLULAR NUCLEUS DIFFERENT POINTS IN CENTRAL RESPIRATION CONTROL MECHANISMS

© 2011 E.V. Yatsenko2

New data concerning role of reticular gigantocellular nucleus respiratory areas in respiratory pattern forming is discussed. Based on electrical stimulation of nucleus inspiratory and expiratory points results, authors suggest that reticular gigantocellular nucleus plays a considerable role in central respiration control mechanisms.

Key words: gigantocellular reticular nucleus, expiratory points, inspiratory points, respiratory center.

Paper received 22/V/2011. Paper accepted 22/V/2011.

2Yatsenko Ekaterina Vladimirovna (serdolik1986arambler.ru), the Dept. of Human and Animal Physiology, Samara State University, 443011, Russian Federation.