Введение к работе
Актуальность проблемы. Гипоксия, сопровождающая жизнедеятельность организма в условиях физических и психоэмоциональных напряжений, различных заболеваний и хирургических операций, полетов на большие высоты и жизни в условиях высокогорья, в настоящее время выдвинулась в число ведущих проблем физиологии и медицины, имеющих фундаментальное общебиологическое значение.
Первые сведения по выяснению влияния высотной гипоксии на организм человека и животных содержатся в работах великого русского физиолога И.М.Сеченова (1880).
Наиболее чувствительным органом к недостатку кислорода является головной мозг (И.Н.Сиротинин, 1949; И.Р.Петров, 1952, 1963; О.С.Адрианов, 1976), в связи с чем изучение функционального состояния мозга при гипоксии было и остается важнейшим вопросом этой проблемы.
В то же время, если механизмы адаптации к условиям недостатка кислорода на уровне больших физиологических систем изучены достаточно подробно (Н.Н. Сиротинин, 1970; Е.А. Коваленко, И.Н.Черняков, 1972; Ф.З. Меерсон, 1973; В.Б.Малкин, Е.Б.Гиппенрейтер, 1977; НА.Агаджанян и др., 1986,1987; A.Hurtato, 1964; A.Rotta, S.Horales, 1965; K.Okamoto, 1969;), то изучение клеточных физиологических механизмов адаптации к гипоксии начато только в настоящее время. Речь идет о живых клетках, например, нейронах, функционирующих по возможности в естественных условиях (М.Т.Шаов,1981, 1990; Е.А.Коваленко, М.Т.Шаов, 1993; Т.Ш.Хапажев и др., 1995; О.В.Пшикова и др., 1995).
Одним из важнейших параметров, характеризующих первичный механизм нарушения функции любого органа, в том числе и мозга, при изменении содержания кислорода в среде обитания, является напряжение кислорода (Рог) в тканях (Е А.Коваленко, 1986,1995,1998).
Важнейшим и до настоящего времени наиболее трудным аспектом изучения кислородного режима тканей при гипоксии, способствующим раскрытию глубинных механизмов адаптации к гипоксии, является изучение динамики кислорода непосредственно в клетках головного мозга при одновременном учете биоэлектрической активности (ИЭА) отдельных нейронов мозга и сопоставлении этих показателей с параметрами основных жизненных функций.
Это обстоятельство очень важно для понимания целого ряда интимных механизмов биоэнергетики, биоэлектрогенеза и компартментализации в клетках и тканях при гипоксических состояниях и иных воздействиях, т.к. именно в отдельном нейроне при глубоких стадиях гипоксии наступает энергетическое голодание, которое четко отражается в изменении и исчезновении его импульсных электрических разрядов. В это время возникают нарушения регуляторных функций нейрона, а затем появляются первые признаки изменений его структуры.
Таким образом, изучение напряжения кислорода в отдельном нейроне позволяет подойти к основному и главному звену в цепи всех последующих нарушений функционирования головного мозга - органа наиболее чувствительного к недостатку кислорода.
Исследование динамики Р02 отдельной клетки с синхронным электрофизиологическим контролем ее функционального состояния, начатое впервые в нашей стране М.Т.Шаовым (1968, 1972, 1979), показало возможность существования экстренной связи между кислородом и биоэлектрическими потенциалами.
В последующих исследованиях (М.Т.Шаов, 1989,1990,1994; М.Т.Шаов, ЕА.Коваленко, 1993) при изучении динамики напряжения кислорода и импульсной электрической активности отдельных нейронов при гипоксии разного генеза были получены важнейшие данные, свидетельствующие об актуальности этого нового научного направления - исследование экстренной (небиоэнергетической) связи между уровнем Рог в клетках и их биоэлектрическими процессами, роли динамики напряжения кислорода и ИЭА при физиологических адаптациях.
С учетом вышеизложенного, актуальность настоящей работы определяется тем, что она посвящена изучению экстренной связи между биоэлектрическими потенциалами и Рог нервных клеток и ее роли при формировании состояния адаптации к кислородному голоданию.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы было изучение связи и динамики биоэлектрических потенциалов и Рог нервных клеток и отдельных нервных волокон в зависимости от их состояния, заданного гипоксией разного генеза.
Нами решались следующие задачи:
-
Изучить оксигенотопографию нейронов в различных структурах сенсомоторнои зоны коры головного мозга интактных и тренированных импульсной гипоксией животных.
-
Изучить динамику импульсной электрической активности нейронов, расположенных в различных структурах сенсомоторнои зоны коры головного мозга интактных и тренированных импульсной гипоксией животных.
-
Изучить динамику напряжения кислорода и ИЭА отдельных нейронов сенсомоторнои зоны коры головного мозга интактных и адаптированных к импульсной гипоксии животных в зависимости от их функционального состояния, заданного гипобарической гипоксией.
-
Выявить степень связи между биоэлектрическими потенциалами и напряжением кислорода путем изучения:
а) динамики Рог интактного нервного волокна в различных фазах его
возбуждения;
б) динамики амплитуды суммарного потенциала действия седалищного
нерва лягушки в условиях нормы и экстренной глубокой гипоксии;
в) изменения электрофизиологических параметров отдельных групп
нервных волокон при гипоксии.
5. Проанализировать возрастание напряжения кислорода и снижение
ИЭА нейронов при адаптации мозга к гипоксии.
Научная новизна:
получены приоритетные данные по микрооксигенотопографии коры головного мозга экспериментальных животных;
показан уровень Рог нейронов в различных слоях сенсомоторнои зоны коры головного мозга в норме и при изменении ее функционального состояния при гипоксии;
выявлены закономерности в динамике ИЭА нейронов сенсомоторнои зоны коры головного мозга в зависимости от глубины погружения микроэлектрода и функционального состояния мозга в условиях гипоксии;
обнаружена тесная взаимосвязь между напряжением кислорода в различных слоях исследованной зоны коры головного мозга и ИЭА нейронов соответствующих ее слоев;
установлена экстренная взаимосвязь между напряжением кислорода на поверхности нервного волокна и параметрами потенциала действия, генерируемого им;
получены новые данные, свидетельствующие о прямом участии молекул кислорода в генераторно-электрических процессах плазматических мембран нервных клеток;
разработан и применен новый подход к регистрации потенциала действия отдельных групп нервных волокон в составе целостного нерва;
апробирован новый способ тренировки гипоксией в импульсном режиме её генеза.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Получены новые данные, касающиеся природы и значения экстренной связи между Рог и биопотенциалами нервных клеток при формировании состояния адаптации к дефициту кислорода, которые углубляют и расширяют современные представления о механизмах клеточно-тканевой адаптации к гипоксии, в том числе и импульсной гипоксии.
Они показывают направленность оксигенотопографических изменений в экстранеирональном пространстве коры головного мозга при различных видах гипоксии - импульсной, гипобарической барокамерной и т.д.
По данным настоящего исследования можно судить о степени адаптационного влияния импульсно-барокамерной гипоксии на структуры коры головного мозга, что может быть использовано в прикладных областях физиологии и медицины, связанных с изучением состояния гипоксии и лечением различных заболеваний с помощью сеансов гипоксии.
Ряд фрагментов диссертационной работы включен в цикл лекций и ла-бораторно-практических занятий, проводимых в Кабардино-Балкарском государственном университете для студентов, специализирующихся в области физиологии человека и животных.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Установлена разнонаправленность в микрооксигенотопографии и ИЭА
нейронов сенсомоторной зоны коры головного мозга интактных животных -
уровень Рог снижается от поверхностных структур к подкорковым образова
ниям, а ИЭА, наоборот, возрастает.
2. У тренированных импульсной гипоксией животных происходит
возрастание уровня Р02 в исследуемых структурах коры мозга, а ИЭА в целом
снижается.
-
В околомембранной зоне отдельных нейронов сенсомоторнои зоны коры головного мозга интактных животных под влиянием барокамерной гипоксии уровень Рог снижается, а ИЭА возрастает.
-
В условиях нормы у тренированных импульсной гипоксией животных уровень Рог возрастает на фоне снижения ИЭА нервных клеток исследуемой зоны коры мозга.
-
Тренировки животных в условиях импульсной гипоксии способствуют значительному повышению адаптационного потенциала нервных клеток сенсомоторнои зоны коры головного мозга - на "высоте" 12 км Ро: в среднем равняется 10.5 ±2.10 мм рт. ст. (в контроле 4.80±1.07), частота ИЭА в среднем составляет 0.35±0.21 имп/сек (в контроле 0.00).
-
Биоэлектрические проявления нервных волокон и его отдельных групп непосредственно зависят от напряжения кислорода в окружающей их физико-химической среде.
7.Установлена экстренная небиоэнергетическая связь между Рог и биопотенциалами нейронов и их образований, что дает основание отнести Ог к по-тенциалообразущим элементам.
Апробация работы. Основные положения диссертации апробировались на кафедральных и факультетских семинарах КБГУ (Нальчик, 1994-1997), конференции молодых ученых Северного Кавказа по физиологии (г. Ростов-на-Дону, 1995), 2-ой Международной конференции "Гипоксия в медицине" (г.Москва, 1996), научном форуме студентов и аспирантов "Ломоносов-96" (г.Москва, 199б),"Приэльбрусских беседах" к 100-летию со дня рождения патофизиолога Н.Н.Сиротинина (Терскол, 1996).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, объекта и методов исследования результатов работы и их обсуждения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Текст диссертации изложен на 113 страницах машинописного текста, включает в себя 10 таблиц и 14 рисунков. Список литературы состоит из 212 источников, в том числе 147 отечественных и 65 иностранных авторов.