Биоэлектрическая активность соматосенсорной коры при острой гипоксии с гиперкапнией у кошек

УДК 615.015+616-001.8

БИОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ СОМАТОСЕНСОРНОЙ КОРЫ ПРИ ОСТРОЙ ГИПОКСИИ С ГИПЕРКАПНИЕИ У КОШЕК

© Сосин Д.В., Евсеев А.В., Правдивцев В.А., Евсеева М.А.

Смоленская государственная медицинская академия, Россия, 214019, Смоленск, ул. Крупской, 28

Резюме: Новый способ моделирования острой гипоксии с гиперкапнией был использован у кошек для изучения динамики импульсной активности нейронов соматосенсорной коры. Глубину острой гипоксии с гиперкапнией оценивали по параметрам корковых вызванных потенциалов на раздражение лучевого нерва. Установлено, что по мере нарастания гипоксического статуса подопытных животных, наблюдаются отчетливые изменения как спонтанной, так и вызванной активности регистрируемых нейронов. В фазных изменениях нейронной активности оказалось возможным вскрыть роль фактора гиперкапнии в процессе постепенного формирования у животных острой гипоксии с гиперкапнией.

Ключевые слова: гипоксия, гиперкапния, вызванные потенциалы, импульсная активность нейронов

BIOELECTRICAL ACTIVITY OF SOMATOSENSORY CORTEX DURING ACUTE HYPOXIA-HYPERCAPNIA IN CATS

Sosin D.V., Evseyev A.V., Pravdivtsev V.A., Evseyeva M.A.

Smolensk State Medical Academy, Russia, 214019, Smolensk, Krupskaya St., 28

Summary: New model of acute hypoxia-hypercapnia was used in experiments on cats for study of impulse activities of somatosensory cortex neurons. The acute hypoxia-hypercapnia level was determined by cortex evoked potentials in response to irritations of a radial nerve. The specific changes of spontaneous and evoked neuron activity were detected during an increase of hypoxic status in animal. The role of hypercapnia was found out in phase reactions of neurons in gradual hypoxia-hypercapnia forming.

Key words: hypoxia, hypercapnia, evoked potentials, impulse activity of neurons

Введение

В условиях эксплуатации современных летательных аппаратов, подводных лодок всегда присутствует некоторая вероятность отказа систем регенерации дыхательного воздуха. Ухудшение качественных характеристик воздуха постепенно инициирует у членов экипажа развитие острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией, обычно проявляющейся в ухудшении общего состояния и работоспособности [2, 3], в первую очередь, из-за грубых нарушений функций ЦНС [14].

Большое количество исследований, посвященных особенностям функционирования головного мозга в условиях гипоксии, были выполнены с использованием традиционных методик формирования гипоксии [1, 14]. При этом в эксперименте подопытное животное обычно размещали в герметически изолированном боксе. Недостаток данного приема заключается в том, что изоляция животного всегда привносит определенные неудобства. В частности, создаются сложности в выполнении необходимых манипуляций воздействия на животное, исключается возможность проведения комплексного инструментального мониторинга функциональной активности животного, например, по показателям тонких нейрофизиологических измерений.

Нами разработан новый способ моделирования острой гипоксии с гиперкапнией [7], предоставляющий исследователю неограниченные возможности как в выборе специфических влияний на исследуемое животное, так и в проведении самых сложных физиологических регистраций.

Целью настоящего исследования явилось изучение активности одиночных нейронов соматосенсорной коры кошек в условиях апробации оригинальной модели острой гипоксии с гиперкапнией.

Методика

Опыты (24) проводили на кошках массой 3,5-4,0 кг. В условиях этаминал-натриевого наркоза (3035 мг/кг, внутрибрюшинно) животным рассекали мягкие ткани головы, в черепе делали трепанационные отверстия. Края ран дополнительно инфильтрировали раствором новокаина (0,5%). В последующем животных интубировали, обездвиживали миорелаксантами и переводили на управляемое дыхание. В ходе опытов в зоне соматосенсорной коры регистрировали вызванные потенциалы и реакции корковых нейронов в ответ на электрическую стимуляцию контралатерального лучевого нерва. Параметры стимуляции - одиночные прямоугольные импульсы тока генератора ЭСУ-1 амплитудой 5-7 В и длительностью в 0,2 мс [4, 9].

Оценку результатов регистрации биоэлектрической активности проводили в режиме on line с помощью ПЭВМ по показателям усредненных (n=10) вызванных потенциалов и перистимульных гистограмм нейронов. Общее состояние животных контролировали по ЭЭГ.

Статус острой гипоксии с гиперкапнией моделировали, размещая подопытную кошку в замкнутый контур циркуляции воздуха, содержащий дыхательную ёмкость (6 л), аппарат искусственной вентиляции лёгких, соединительные трубки (рис. 1). Воздух, поступающий в легкие через соединительную и интубационную трубки с помощью аппарата искусственной вентиляции, извлекался из дыхательной емкости. Во время выдоха воздух из легких пассивно по отводящей трубке возвращался в ту же дыхательную ёмкость. В итоге каждый дыхательный цикл приводил к ухудшению характеристик вдыхаемого воздуха, при этом концентрация О2 в нем уменьшалась, а концентрация СО2 - увеличивалась. Все вместе взятое приводило к формированию у кошки статуса острой гипоксии с гиперкапнией [7].

Рис. 1. Схема модели, обеспечивающей развитие у кошки состояния нарастающей острой гипоксии с гиперкапнией. 1 - кошка, 2 - аппарат искусственной вентиляции легких, 3 -дыхательная емкость, 4 - интубационная трубка, 5 - соединительная трубка, 6 - отводящая трубка, 7 - трубка для забора воздуха

Качественный анализ вдыхаемого воздуха проводили с помощью электронных газоанализаторов АНКАТ-7631М (02) и ГИАМ-301 (С02) производства ООО «Аналитприбор» (Смоленск).

Результаты исследования

На рис. 2А представлен исходный вызванный потенциал соматосенсорной коры на одиночное раздражение лучевого нерва. Видно (рис. 2Б-1, 2, 3, 4), что по мере нарастания у животного состояния острой гипоксии с гиперкапнией амплитуда всех компонентов вызванного потенциала уменьшается, в то время как их длительность увеличивается. Наиболее значимые амплитудные изменения вызванных потенциалов наблюдали в динамике ранней негативной волны. Принимая во внимание направленность изменений ранней негативной волны, ее амплитудные параметры использовали в качестве маркера функционального состояния головного мозга по мере развития острой гипоксии с гиперкапнией. В частности, было принято, что уменьшение первичной негативной волны в пределах 90-55% от исходного значения представляет 1-ю (легкую) стадию гипоксии (рис. 2Б-1). Уменьшение первичной негативной волны в пределах 50-30% от исходного уровня представляет 2-ю (среднюю) стадию (рис. 2Б-2), уменьшение негативной волны в

15

пределах 25-10% от исходного уровня представляет 3-ю (глубокую) стадию (рис. 2Б-3), наконец, полное исчезновение негативной волны в составе вызванного потенциала представляет 4-ю (терминальную) стадию гипоксии (рис. 2Б-4).

В наших экспериментах 1-я (лёгкая) стадия гипоксии у животных развивалась через 7,1±1,2 мин. после инициации требуемых модельных условий опыта, 2-я (средняя) стадия - через 34,6±3,3 мин., 3-я (глубокая) - через 50,3±3,5 мин. 4-я (терминальная) стадия развивалась обычно через 55,9±3,8 мин.

Параллельно с регистрацией вызванных потенциалов у всех животных в соматосенсорной коре с помощью стеклянных микроэлектродов регистрировали активность отдельных нейронов. Всего в процессе изучения влияния острой гипоксии с гиперкапнией на импульсную активность нейронов кошек было зарегистрировано 77 нейронов. Все они имели исходную спонтанную активность и реагировали на электрическую стимуляцию лучевого нерва коротколатентными реакциями возбуждения. Из общего числа изученных нейронов 26 наблюдали во время развития 1-й стадии острой гипоксии с гиперкапнией, 28 - во время 2-й стадии, 15 - во время 3-й стадии и 8 во время развития 4-й стадии.

20 мс 1

2

3

4

Рис. 2. Усредненные вызванные потенциалы соматосенсорной коры при развитии острой гипоксии с гиперкапнией. А - исходное состояние. Б - на фоне острой гипоксии с гиперкапнией: 1 - легкая стадия (через 15 мин. наблюдения); 2 - средняя стадия (через 35 мин. наблюдения); 3 - глубокая стадия (через 50 мин. наблюдения); 4 - терминальная стадия (через 55 мин. наблюдения). Стрелка: момент нанесения раздражения

Оценивая данные по итогам анализа нейронной активности, не можем не обратить внимание на специфические изменения параметров спонтанной активности изученных нейронов. Так, если исходная частота спонтанной активности нейронов в наших экспериментах составила 5,1±0,4 имп/с, то на протяжении 1-й (легкой) стадии развития острой гипоксии с гиперкапнией было отмечено её значительное увеличение до 23,7±3,2 имп/с. В последующем, на 2-й (средней) и 3-й (глубокой) стадиях развития острой гипоксии с гиперкапнией, повышенный уровень спонтанной активности обычно сохранялся, хотя её частота постепенно уменьшалась до величины порядка 10,4±2,2 имп/с. На момент завершения 3-й (тяжелой), а иногда - к началу 4-й (терминальной) стадии развития гипоксии, спонтанная активность нейронов обычно исчезала.

Столь же специфическими были изменения вызванной активности нейронов. Типичный пример представлен на рис. 3, растровые диаграммы и перистимульные гистограммы которого представляют нейронные реакции на протяжении развития всех стадий гипоксии.

Рис. 3. Динамика вызванных реакций нейрона соматосенсорной коры при развитии острой гипоксии с гиперкапнией. А - исходное состояние. Б - на фоне острой гипоксии с гиперкапнией: 1 - легкая стадия (через 15 мин. наблюдения); 2 - средняя стадия (через 35 мин. наблюдения); 3 - глубокая стадия (через 50 мин. наблюдения); 4 - терминальная стадия (через 55 мин. наблюдения). По вертикали - число импульсов в бине перистимульной гистограммы. По горизонтали - время, мс. Стрелка: момент нанесения раздражения

Итак, на рис. ЗА - исходный ответ нейрона на стимуляцию лучевого нерва. На рис. 3Б-1 - тот же нейрон у животного в состоянии 1-й (легкой) стадии острой гипоксии с гиперкапнией. Видно, что под влиянием легкой гипоксии (15 мин.) спонтанная частота импульсной активности нейрона от исходного уровня в 6 имп/с увеличилась до 21 имп/с. Нельзя не отметить трансформацию паттерна вызванного ответа нейрона, а также сокращение продолжительности его следовой реакции. В ходе углубления состояния гипоксии (2-я, 3-я стадии) можно отметить дальнейшие изменения количественных показателей и спонтанной, и вызванной активности нейрона. К моменту перехода животного в 4-ю (терминальную) стадию - нейрон (50-я мин. наблюдения) прекращал генерацию потенциалов действия, практически становился ареактивным.

Во всех экспериментах на протяжении всего периода изменений функциональной активности головного мозга проводили забор проб вдыхаемого воздуха с целью получения информации о содержании в нем 02 и С02.

Было отмечено, что во время становления первых 3-х стадий острой гипоксии с гиперкапнией концентрация 02 и С02 во вдыхаемом воздухе изменялась почти линейно (см. таблицу). При измерении процентного содержания газов переход к очередной стадии гипоксии наблюдали при уменьшении концентрации 02 (и соответствующем увеличении концентрации С02) в среднем на каждые 2%. Однако к моменту развития 4-ой (терминальной) стадии потребление животными 02 и, соответственно, выделение С02 закономерно снижалось.

Обсуждение результатов исследования

Как следует из представленных нами результатов, по мере углубления состояния острой гипоксии с гиперкапнией отчетливо изменяются параметры вызванных потенциалов. Установлено, что в комплексе волн вызванных потенциалов корковых ответов наиболее чувствительным компонентом по отношению к степени кислородного голодания мозга выступает ранняя негативная волна. Согласно данным литературы [2, 8], негативная волна в составе первичного ответа коркового вызванного потенциала отражает активность синаптических структур самых верхних слоев коры головного мозга. Таким образом, опираясь на конкретные факты, можно

высказать предположение о первичном уровне воздействия состояния острой гипоксии с гиперкапнией на структуры головного мозга.

Таблица. Концентрации кислорода и углекислого газа во вдыхаемом воздухе в динамике нарастания острой гипоксии с гиперкапнией у кошек

МОМЕНТ ВЗЯТИЯ ПРОБЫ КОНЦЕНТРАЦИЯ О2, КОНЦЕНТРАЦИЯ СО2, (%), №т

Исходные параметры 20,81+0,14 0,03+0,01

Начало 1-й стадии гипоксии 18,54+0,16 2,14+0,08

Начало 2-й стадии гипоксии 16,43+0,14 4,05+0,11

Начало 3-й стадии гипоксии 14,18+0,12 6,47+0,13

Начало 4-й стадии гипоксии 12,52+0,11 8,64+0,09

Гибель животного 11,27+0,12 9,54+0,11

Полученный нами фактический материал с использованием оригинальной модели острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией не противоречит данным, описанным в литературе в отношении других видов гипоксий, в частности острой гипоксической гипоксии [6, 10]. В отношении последней было отмечено, что по мере ее углубления на фоне медленноволновой электроэнцефалографической активности, вызванные потенциалы демонстрируют увеличение латентных периодов, уменьшение амплитуды всех компонентов, увеличение их длительности. Указанные изменения вызванных потенциалов, как выяснилось, коррелируют с изменениями кровотока и кислородного обеспечения ткани мозга [12, 13]. В исследованиях ряда авторов [5, 11] отмечается, что при острой гипобарической гипоксии кислородное голодание мозга проявляется в достоверных изменениях спонтанной и вызванной электроэнцефалографической активности.

В наших опытах впервые была прослежена динамика изменений спонтанной и вызванной активности одиночных нейронов при развитии у кошек состояния острой гипоксии с гиперкапнией. Как выяснилось, нейроны соматосенсорной коры у кошек в состоянии 1-й (легкой) и 2-й (средней) стадий острой гипоксии с гиперкапнией демонстрируют усиление спонтанной активности более чем в 3 раза на фоне перестроек паттернов реакций и ослабления их выраженности. Отметим, что пик увеличения спонтанной активности регистрируемых нейронов наблюдали в интервале от 11 до 17 мин. с момента перевода животных в состояние гипоксии. Большинство исследователей такого рода изменения активности нейронов связывают с прямым и опосредованным воздействием возрастающего напряжения СО2 в крови и межклеточной жидкости прежде всего на хемочувствительные зоны сосудов и ЦНС [1, 14]. Как следует из данных, приведенных в таблице, в отмеченном выше промежутке времени концентрация СО2 во вдыхаемом воздухе повышалась до 4-7%, что соответствует увеличению напряжения СО2 в крови до уровня 50-60 мм рт. ст. Последнее объективно свидетельствует о пребывании животного в состоянии умеренной гиперкапнии [3].

Дальнейшее повышение концентрации СО2 при параллельном снижении концентрации О2 во вдыхаемой воздушной смеси на протяжении последующих 10-15 мин. приводило к подавлению всех видов биоэлектрической активности мозга. Известно, что при увеличении содержания СО2 во вдыхаемом воздухе до 10% и более, напряжение СО2 в крови достигает величины 80-100 мм рт. ст., при этом стимулирующее действие СО2 на рецепторные структуры ЦНС прекращается. Абсолютная потеря реактивности животных и следующая за этим гибель обычно возникают при напряжениях СО2 порядка 120-150 мм рт. ст. [2, 15]. Приведенные литературные данные вполне проецируются на данные, полученные в нашем исследовании. Оказалось, что к моменту прекращения активности регистрируемых нейронов концентрация СО2 во вдыхаемом воздухе приближалась к 10%, хотя концентрация О2 всё ещё оставалась на достаточно высоком уровне, составляя 11%.

Заключение

Таким образом, в ходе проведенного исследования, на основе предложенной нами модели гипоксии, получены результаты, конкретизирующие первостепенное значение фактора

гиперкапнии в генезе последовательных изменений функционального состояния коры мозга в

условиях нарастания острой экзогенной гипоксии с гиперкапнией.

Литература

1. Агаджанян Н.А., Чижов А.Я. Гипоксические, гипокапнические, гиперкапнические состояния. - М.: Медицина, 2003. - 94 с.

2. Анохин П. К. Электроэнцефалографический анализ корково-подкорковых соотношений при положительных и отрицательных условных реакциях // Высшая нервная деятельность. Тр. конф., посвящ. И.П. Павлову в США. - М. Медгиз, 1963. - С. 45-58.

3. Баевский Р.М., Береснев Е.Ю., Орлов О.И. и др. Проблема оценки адаптационных возможностей человека в авиакосмической физиологии // Рос. Физиол. журнал им. И.М. Сеченова. - 2012. - Т.98, №1. -С. 95-107.

4. Гнездицкий В.В. Вызванные потенциалы мозга в клинической практике. М.: МЕДпресс-информ, 2003. -246 с.

5. Григорьев А.И., Баевский Р.М. Концепция здоровья и космическая медицина. - М.: Слово, 2007. - 108 с.

6. Долова Ф.В., Шаов М.Т. Пшикова О.В. Изменения биоэлектрической активности миокарда и коры мозга у животных при импульсной гипоксии // Hyp. Med. J. - 2000. - V.8, N1-2. - P. 8-11.

7. Евсеев А.В., Евсеева М.А. Способ моделирования гипоксии с гиперкапнией у животного // Патент №2251158. - 2005.

8. Пурпура Д. Морфологическая основа элементарных вызванных реакций, изученных на коре больших полушарий новорожденного котенка // Высшая нервная деятельность. Тр. конф., посвящ. И.П. Павлову в США. - М.: Медгиз, 1963. - С. 124-136.

9. Таран Г.А., Крученко Ж.А. Реакции нейронов вторичной соматосенсорной коры бодрствующей кошки на электрокожное и звуковое раздражения // Нейрофизиология. - 1977. - Т.9, №5. - С. 453-459.

10. Goldie W., Chiappa K., Young R. Brain stem auditory evoked responses and somatosensory evoked responses in brain death // Neurology. - 1981. - V.31, N4. - P. 248-256.

11. Iuan A., Garsia P.R. Electroencephalographia in neurosurgery // Manual of neurosurgery. - London: Churchill Livingstone, 1996. - P. 125-198.

12. McPherson R.W., Zeger S., Traystman R.J. Relationship of somatosensory evoked potentials and cerebral oxygen consumption during hypoxic hypoxia in dogs // Stroke. - 1986. - V.17. - P. 30-36.

13. Siraishi K., Takeda Y., Masui K. et al. Effect of fentanyl on ischemic depolarization and ischemic neuronal damage of hippocampal CA1 in the gerbil // Act. Neuropathol. - 2011. - V.25, N4. - P. 540-548.

14. Sutton J.R., Coates G., Remmers J. Hypoxia. - Philadelphia: B.C. Decker, 1990. - 184 p.

15. Zakynthinos S., Roussos C. Hypercapnic respiratory failure // Resp. Med. - 1993. - V.87. - P. 409-411.

Информация об авторах

Сосин Денис Владимирович - кандидат медицинских наук, доцент кафедры нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Смоленская государственная медицинская академия» Минздрава России. E-mail: sosina-67@yandex.ru

Евсеев Андрей Викторович - доктор медицинских наук, профессор кафедры нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Смоленская государственная медицинская академия» Минздрава России. E-mail: hypoxia@yandex.ru

Правдивцев Виталий Андреевич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Смоленская государственная медицинская академия» Минздрава России. E-mail: pqrstvap@mail.ru

Евсеева Марина Анатольевна - кандидат медицинских наук, доцент кафедры патологической физиологии ГБОУ ВПО «Смоленская государственная медицинская академия» Минздрава России. E-mail: hypoxia@yandex.ru