Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 16
1.1. Основные звенья интегративного ответа организма человека и животных на воздействие острой нормобарической гипоксии .16
1.2. Механизмы чувствительности к недостатку кислорода .17
1.3. Мобилизация резервов энергопродуцирующих (митохондриальных) механизмов .18
1.4. Снижение энерготрат при острой гипоксии. Стратегия down-regulation 24
1.5. Усиление активности кислород-транспортных механизмов при острой гипоксии 27
1.6. Поведенческий ответ на острую гипоксию 33
1.7. Стресс-реакция при острой гипоксии .35
1.8. Индивидуальная устойчивость к острой гипоксии .37
1.9. Дискуссионные вопросы при изучении острой гипоксии 42
Глава 2. Организация, объем и методы исследования 60
2.1. Контингент испытуемых и общая организация исследований 60
2.2. Организация серий исследований .62
2.3. Методы регистрации и оценки физиологических и биохимических показателей, оценка устойчивости к гипоксии 65
2.4. Методы первичной обработки данных 68
2.5. Алгоритмы вторичной обработки данных .70
Глава 3. Результаты исследований и обсуждение 73
3.1. Общие закономерности и индивидуальные особенности динамики потребления кислорода организмом человека при острой нормобарической гипоксии .73
3.1.1. Динамика потребления кислорода организмом при разных уровнях гипоксического воздействия 73
3.1.2. Динамика потребления кислорода при возобновлении гипоксического воздействия после нормоксической паузы .77
3.1.3. Роль анаэробных механизмов в компенсации дефицита потребления кислорода организмом при острой гипоксии .80
3.1.4. Обсуждение результатов раздела 3.1 .84
3.2. Роль внешнего дыхания в компенсации острой гипоксии .87
3.2.1. Динамика показателей внешнего дыхания при острой гипоксии .87
3.2.2. Индивидуальные особенности реакции дыхания на острую гипоксию 96
3.2.3. Обсуждение результатов раздела 3.2 .101
3.3. Роль системы кровообращения в компенсации острой гипоксии .106
3.3.1. Динамика минутного объема кровообращения при разных уровнях гипоксического воздействия .106
3.3.2. Динамика минутного объема кровообращения у лиц с разным уровнем устойчивости к гипоксии 110
3.3.3. Обсуждение результатов раздела 3.3 112
3.4. Динамика мозгового кровотока при острой гипоксии 119
3.4.1. Рост мозгового кровотока при различных уровнях гипоксического воздействия .119
3.4.2. Реакция мозгового кровотока на острую гипоксию у испытуемых с вазовагальной синкопальной реакцией 122
3.4.3. Динамика мозгового кровотока у лиц с различной устойчивостью к гипоксии 127
3.4.4. Обсуждение результатов раздела 3.4 .129
3.5. Функциональная активность головного мозга при острой гипоксии и ее отражение в ЭЭГ 135
3.5.1. Динамика ЭЭГ при разных уровнях гипоксического воздействия 135
3.5.2. Особенности динамики ЭЭГ при гипоксии у лиц с разной гипоксической устойчивостью .143
3.5.3. Обсуждение результатов раздела 3.5 145
3.6. Динамика показателей стресс-реакции при гипоксическом воздействии Г-9 .154
3.6.1. Результаты раздела 3.6 154
3.6.2. Обсуждение результатов раздела 3.6 .158
3.7. Изменения электромиографической активности при разных уровнях гипоксического воздействия 163
3.7.1. Результаты раздела 3.7 163
3.7.2. Обсуждение результатов раздела 3.7 .166
3.8. Изменения в динамике физиологических реакций на острую гипоксию в процессе гипоксической тренировки 170
3.8.1. Результаты раздела 3.8 170
3.8.2. Обсуждение результатов раздела 3.8 .178
3.9. Прогностическая ценность различных физиологических показателей в предгипоксическом периоде в плане оценки индивидуальной устойчивости к острой гипоксии .183
3.9.1. Результаты раздела 3.9 183
3.9.2. Обсуждение результатов раздела 3.9 .189
3.10. Общее обсуждение результатов 193
Заключение .201
Выводы 203
Список литературы .205
- Мобилизация резервов энергопродуцирующих (митохондриальных) механизмов
- Роль анаэробных механизмов в компенсации дефицита потребления кислорода организмом при острой гипоксии
- Обсуждение результатов раздела 3.5
- Общее обсуждение результатов
Мобилизация резервов энергопродуцирующих (митохондриальных) механизмов
Гипоксия является фактором, который может привести к уменьшению скорости реакций окислительного фосфориллирования и снижению скорости клеточной энергопродукции. В этом проявляется общая закономерность ферментативных реакций в организме – при уменьшении концентрации субстратов реакции снижается ее скорость (Хочачка, Сомеро, 1977). Для того, чтобы сохранить скорость реакции в условиях сниженной концентрации субстратов (субстрата) требуется увеличение активности ферментов данной реакции.
Основным механизмом, позволяющим сохранить скорость реакций окислительного фосфориллирования в условиях сниженной концентрации кислорода (гипоксии), является увеличение активности ферментов митохондриальной дыхательной цепи (Chance, 1965; Arnold, Kadenbach, 1999). Существуют прямые и косвенные доказательства повышения митохондриальной активности при острой гипоксии. К прямым доказательствам относятся данные о повышении активности конкретных ферментов дыхательной цепи (Панченко и соавт., 1975; Barnett et al., 2008) и повышении дыхания митохондрий при острой гипоксии (Fuller et al.,1985 ;Smith et al., 1996).
Косвенные доказательства повышения дыхательной активности митохондрий при острой гипоксии получены при изучении хронической гипоксии (Nomura et al., 2003; Piel et al,. 2005). Разумеется, механизмы повышения митохондриальной активности при острой и хронической гипоксии могут различаться, однако логика их действия, направленная на сохранение скорости клеточного дыхания при низком внутриклеточном содержании кислорода вряд ли существенно различается при острой и хронической гипоксии. Данные об увеличении синтеза митохондрий в результате воздействия острой или хронической гипоксии можно найти в ряде публикаций (Gutsaeva et al., 2008; Zhu et al., 2010; Wenz, 2013). В то же время, следует упомянуть, что при хронических воздействиях повышение активности ферментов дыхательной цепи тесно коррелирует с увеличением содержания ферментов (Hevner, Wong-Riley, 1991).
Возникает закономерный вопрос – а может ли увеличение активности дыхательных ферментов при кратковременной острой гипоксии происходить за счет увеличения количества этих ферментов? Ведь для синтеза новых молекул белка требуется, как минимум, несколько десятков минут (Лукьянова, 2004).
По всей видимости, при кратковременной острой гипоксии речь идет о других механизмах повышения ферментативной активности – повышении молекулярной активности фермента (turnover rate) за счет аллостерической регуляции (Cooper et al., 1998; Bennet et al. 2007), либо за счет активации фермента - вовлечения молекул фермента, находившихся в неактивном состоянии (Helling et al., 2008).
Примером аллостерической регуляции ферментативной активности является увеличение скорости дыхания митохондрий при добавлении АДФ (Березовский, 1978). Вполне вероятно, что именно такой способ регуляции может иметь место при выраженном энергодефиците, когда в клетке увеличивается количество АДФ и снижается содержание АТФ. Однако, в данном случае аллостерическая регуляция включается на том этапе, когда другие механизмы повышения активности фермента были использованы и уже не могут обеспечить сохранения скорости синтеза АТФ. Об этом могут свидетельствовать результаты работы (Davyd, Poyton, 2005), в которой было показано, что повышение молярной активности (turnover rate) цитохромоксидазы в клетках дрожжей при гипоксии возникает на том этапе, когда скорость потребления клетками кислорода снижается ниже нормоксического уровня и когда можно предполагать снижение скорости продукции АТФ и увеличения внутриклеточного содержания АДФ. В этой же работе показано, что период, в течение которого клетки дрожжей могут сохранять при гипоксии скорость потребления кислорода на нормоксическом уровне, может достигать 4 часов. По всей вероятности, в этот период повышение ферментативной активности митохондрий достигается за счет увеличения количества молекул ферментов, участвующих в окислительном фосфориллировании. Откуда берется этот резерв?
В работах (Ogbi, Johnson, 2006; Barnett et al,. 2008) показано, что при гипоксии взаимодействие протеинкиназы С с цитохромоксидазой приводит к повышению активности последней. Регуляция активности АМФ – зависимой протеинкиназы осуществляется на транскрипционном уровне и уровне сборки субъединиц молекул фермента (Sun et al., 2018).
Вполне вероятно, что это не единственный механизм активации фермента. Значение этих работ заключается в том, что они дают ключ к пониманию результатов других исследований, свидетельствующих о существовании резерва ферментативной активности митохондрий. Этот резерв при необходимости может быть быстро задействован путем перевода неактивной молекулы фермента, находившейся в резерве, в активное состояние.
В исследовании (Leavesley et al., 2008) было показано, что ингибирование цитохромоксидазы мезенцефалического ядра N27 у крысы цианистым калием потребление кислорода нейронами сохраняется на нормоксическом уровне, пока ингибирование не достигнет уровня 60%. Эти данные говорят о наличии определенного резерва фермента, который может быть использован при деактивации его активного пула. В работе (Dranka et al., 2010) показано, что в базальных условиях клетки эндотелия аорты коровы используют только 35% от максмально возможной скорости митохондриального дыхания. Авторы предполагают, что митохондриальный резерв используется клетками эндотелия в условиях окислительного стресса. Гипоксия, приводя к активации ферментов дыхательной цепи, также через определенное время приводит к их деактивации. Об этом убедительно свидетельствуют данные работы (Лукьянова и соавт., 1994), в которой оценивалась скорость продукции АТФ в изолированных гепатоцитах при гипоксии разной выраженности и длительности. Было обнаружено, что по мере увеличения длительности гипоксического воздействия, начиная с определенной концентрации кислорода (50 мкмоль/ г / вл. массы) скорость продукции АТФ постепенно падает. Сначала это падение становится отчетливо различимым после 60-120 минут воздействия гипоксии. По мере увеличения силы гипоксического воздействия (2 мкмоль О2 / г / вл. массы) скорость продукции АТФ падает более, чем в 2 раза уже после 10 минут гипоксии. Важно подчеркнуть, что при всех гипоксических концентрациях от 50 до 2 мкмоль О2 / г / вл. массы падение скорости продукции АТФ увеличивается по мере роста времени гипоксического воздействия.
Резервные возможности системы окислительного фосфориллирования, на наш взгляд, демонстрируют результаты исследования (Nelson, Silverstein, 1994). Авторами было показано, что даже после перевязки сонной артерии активность цитохромоксидазы в мозге крыс не снижается. Требуется дополнительное гипоксическое воздействие (8% кислорода в течение часа) для того, чтобы активность цитохромоксидазы снизилась.
При более выраженной гипоксии резервы системы окислительного фосфориллирования истощаются более быстрыми темпами. После подъема крыс на «высоту» 11000 м. над у.м. в барокамере скорость дыхания гомогената ткани мозга крыс снижается (Березовский, 1978).
Данные о повышении скорости митохондриального дыхания после гипоксии, полученные в одних работах (Smith et al., 1996; Fuller et al., 1985) и о его снижении, после гипоксии или аноксии (Березовский, 1978) не противоречат друг другу. Речь идет о разных стадиях состояния ферментативной системы, обеспечивающей потребление кислорода. В первом случае резервные возможности мобилизуются, во втором случае даже после полной мобилизации резерва происходит истощение активного митохондриального пула. Такая ситуация характерна не только для выраженной гипоксии. Значительное повышение функциональной активности нейронов также приводит практически к полному истощению митохондриального резерва окислительного фосфориллирования (Kann et al., 2011).
При гипоксии по динамике активности митохондриальных ферментов можно проследить процессы, как мобилизации митохондриального резерва, так и его истощения. Так в работе, Л.Ф.Панченко и соавт. (1975) было показано, что в первые минуты гипоксического воздействия происходит повышение активности дыхательных ферментов митохондрий, а через определенное время – снижение. У животных с более низкой устойчивостью к гипоксии снижение активности ферментов наступает раньше.
Уменьшение митохондриального резерва в динамике гипоксического воздействия также было показано и в других исследованиях (Anderson et al., 1997). В уже упоминавшемся исследовании (Nelson, Silverstein, 1994) показано, что сочетание перевязки сонной артерии и гипоксической гипоксии (8% кислорода) в течение 1 часа приводит к снижению активности цитохромоксидазы в различных структурах мозга у крыс. В работе (Anderson et al., 1997) при помощи гистохимического метода после 30 минутной ишемии мозга у крыс было обнаружено значительное увеличение количества нейронов, в которых отсутствовала цитохромоксидаза, по сравнению с контрольными животными, не подвергавшимися ишемии. Эти данные свидетельствуют о том, что снижение активности митохондриальных дыхательных ферментов может быть обусловлено снижением их количества.
Роль анаэробных механизмов в компенсации дефицита потребления кислорода организмом при острой гипоксии
Предположение об инерции аэробных механизмов, как причине дефицита потребления кислорода в начальном периоде гипоксии, было проверено еще одним способом. Логично предположить, что в случае дефицита энергии, вызванного подобной инерцией, будет происходить активация анаэробных механизмов энергопродукции. Такой компенсаторный механизм хорошо известен при спортивных нагрузках максимальной мощности (Волков, 2007), а также при длительной выраженной гипоксии, приводящей к истощению возможностей аэробных механизмов (Гаевская, 1972).
Глюкоза является важнейшим субстратом биологического окисления. До 50% глюкозы крови в состоянии физиологического покоя потребляется головным мозгом (Heiss et al., 1986; Cooper et al., 1989). Анаэробный гликолиз энергетически значительно менее выгоден, однако его роль существенно возрастает в условиях дефицита кислорода.
Усредненные по испытуемым данные по динамике содержания глюкозы и лактата в плазме крови при выраженном гипоксическом воздействии представлены в таблице 3. 12 человек последовательно участвовали в двух сериях гипоксического воздействия уровня Г-8. В серии Г8_бх_кгн гипоксическое воздействие осуществлялось на фоне выполнения испытуемыми автоматизированных когнитивных тестов, в серии Г_8бх – на фоне относительного покоя в состоянии с закрытыми глазами.
Следует отметить достоверное (p 0.05) снижение уровня глюкозы на 5-й минуте гипоксического воздействия в серии Г8_бх, которое отсутствовало в серии Г_8 бх кгн. В обеих сериях также наблюдалось достоверное увеличение уровня глюкозы на 15-й мин восстановления.
Содержание лактата в плазме в обеих сериях обнаруживало при гипоксии тенденцию к росту по мере увеличения длительности воздействия и достигало достоверного увеличения по отношению к фону на 5-й мин восстановления.
Исходя из предположения о компенсаторном увеличении активности анаэробных механизмов в периоде дефицита потребления кислорода в начале гипоксического воздействия, следовало ожидать достоверного прироста уровня лактата (как наиболее характерного индикатора активности анаэробных механизмов) в плазме крови на 2-й и 5-й мин гипоксии. Однако таковой прирост отсутствует. Кроме того, на 5-й минуте при воздействии гипоксии без когнитивной нагрузки в серии Г_8 бх наблюдается достоверное снижение содержания глюкозы в плазме крови, причины которого можно искать как во временном усилении ее утилизации тканями, так и в снижении мобилизации глюкозы из депо, то есть в снижении запроса глюкозы. Отсутствие достоверного снижения уровня глюкозы на 5-й минуте гипоксии на фоне когнитивной нагрузки является аргументом в пользу второго предположения – когнитивная нагрузка противодействует снижению запроса глюкозы – основного субстрата энергообеспечения головного мозга.
Данные, представленные в разделе 3.1., позволяют уточнить наши представления о причинах снижения потребления кислорода организмом при гипоксии у всех испытуемых в течение первых минут гипоксии.
Является ли это «дефектом» потребления кислорода при гипоксии (Малкин, Гиппенрейтер, 1977)? На наш взгляд, термин «дефект» более точно подошел бы к механизму, который стоит за определенным недостаточным (по отношению к норме) результатом, а не к самому результату. Но даже если применить более точную формулировку – «дефект механизмов, обеспечивающих потребление кислорода», это также не отражало бы сути явлений, происходящих в первые минуты гипоксии, поскольку скорость потребления кислорода в ходе гипоксии восстанавливается и иногда превышает нормоксический уровень. Скорее, на наш взгляд, следовало бы говорить не о «дефекте», а об инерции механизмов, обеспечивающих нормальное потребление кислорода организмом при гипоксии. И этот вопрос является предметом обсуждения. Действительно ли первоначальное снижение скорости потребления кислорода организмом при гипоксии возникает вследствие инерции мобилизации механизмов, которые, однако, впоследствии – по преодолении инерции - компенсируют это снижение?
Разберем подробно результаты исследования с возобновлением гипоксического воздействия после кратковременного перерыва (60 сек). Это возобновление производилось на фоне уже произошедшей нормализации потребления кислорода организмом после первоначального снижения этого показателя. То есть, в указанный момент уже преодолена инерция механизмов компенсации гипоксии.
Следует также заметить, что инерция в отношении потребления кислорода действует не только при гипоксии, но и в постгипоксическом периоде, когда в течение нескольких минут потребление кислорода сохраняется на более высоком уровне, чем до начала гипоксии. Это явление хорошо известно при изучении гипоксии на тканевом уровне и связано с активацией митохондриальных механизмов (Маилян, Коваленко, 1975).
Исходя из этих предпосылок, мы вправе были ожидать, что после столь незначительного «нормоксического» отрезка времени (60 сек) потребление кислорода мгновенно вернется на тот уровень, который был непосредственно перед этим перерывом. Однако этого не происходит, и динамика потребления кислорода с момента возобновления гипоксии в значительной степени сходна с таковой с самого начала гипоксического воздействия. Складывается впечатление, что при возобновлении гипоксии начинает действовать активный механизм, преодолевающий постгипоксическую инерцию и снижающий уровень потребления кислорода организмом.
И такой механизм хорошо известен из работ по изучению гипоксии у животных. Это механизм снижения функциональной активности клеток – down-regulation (Nilsson, Lutz 2004).
Но прежде, чем перейти к рассмотрению его роли у человека, следует проверить еще одну гипотезу, согласно которой потребление кислорода в начале гипоксии может быть снижено. Это предположение о том, что в начале гипоксического воздействия активизируются анаэробные механизмы, покрывающие (компенсирующие) тот дефицит энергии, который возникает вследствие сниженного потребления кислорода. Эта гипотеза вполне имеет право на существование, поскольку известно, что мобилизация анаэробных механизмов может происходить практически мгновенно и обеспечивать высокий уровень продукции АТФ, хотя и в течение относительно короткого времени (Волков, 2007).
Однако анализ данных по динамике содержания в венозной крови при гипоксии биохимических маркеров анаэробного обмена не позволяет говорить о каком-либо увеличении анаэробного гликолиза в первые минуты гипоксии в периоде сниженного потребления кислорода организмом. Более того, в этот период происходит снижение мобилизации глюкозы, свидетельствующее о снижении энергетического запроса организма.
Таким образом, организм не стремится мгновенно покрыть за счет анаэробных механизмов тот дефицит энергии, который возникает из-за сниженного потребления кислорода в первые минуты гипоксического воздействия, а у некоторых испытуемых и в течение более продолжительного времени. Очевидно, что снижение потребления энергии происходит не вследствие поломки или «дефекта» механизмов, удовлетворения энергетического запроса, а вследствие стратегии снижения энергетического запроса – стратегии down-regulation.
Такая стратегия хорошо выражена у некоторых животных (Bickler, Buck, 2007) при кислородном голодании. Так, черепахи способны выживать в условиях аноксии в течение очень длительного времени. Некоторые виды земноводных способны выживать в условиях длительного пребывания в среде с очень низким содержанием кислорода (Савина и соавт., 2009).
Обсуждение результатов раздела 3.5
Данные, полученные при оценке динамики ЭЭГ при гипоксии в настоящей работе, с одной стороны подтверждают результаты других исследователей (Gastaut, Meyer 1961; Guthrie et al., 1982; Малкин, Гиппенрейтер, 1977; Schellart, Reits, 2001; Budzinska, Ilasz, 2007; Babiloni et al., 2013), с другой стороны, являются новыми (или ранее не описанными) и требуют определенного переосмысления взглядов на механизмы изменений ЭЭГ при гипоксии. Так, подтвержденным в настоящем исследовании фактом, является увеличение выраженности волн тета- и дельта-диапазонов при усилении гипоксического воздействия. Впервые полученными и статистически исследованными фактами являются – наличие у многих испытуемых в ЭЭГ при гипоксии «веретен сна», их четкая взаимосвязь с выраженностью волн тета- и дельта-диапазонов. Впервые описан также и феномен двухфазной динамики амплитудных и частотных параметров ЭЭГ (увеличение индекса альфа-ритма после его первоначального снижения) по мере увеличения длительности гипоксии.
В настоящее время нет единства взглядов на механизм «замедления» электрической активности мозга при гипоксии. Этот механизм проявляется как при регистрации ЭЭГ, так и при регистрации вызванной электрической активности головного мозга (Fowler, Nathoo, 1997; Nakata et al., 2017). Одни исследователи (Малкин, Гиппенрейтер, 1977) считают, что появление и усиление выраженности в ЭЭГ волн тета- и дельта- диапазонов является следствием либо прямого действия гипоксии на нейроны, либо нарушения межцентральных взаимоотношений в головном мозге (Сороко и др., 2007). Эти представления, казалось бы, имеют крепкий фундамент – по мере нарастания силы гипоксического воздействия и «замедления» ЭЭГ усиливаются и неврологические расстройства вплоть до возникновения потери сознания.
Однако, данное предположение не дает ответа на вопрос, почему эти изменения ЭЭГ и соответствующие неврологические расстройства могут возникать при гипоксии на фоне нормального потребления кислорода головным мозгом (Cohen et al., 1967; Kety, Schmidt, 1948). Нарушение работы К-Na АТФ-азы при выраженной гипоксии безусловно может приводить и приводит к нарушению механизмов генерации потенциалов действия нейронами (Ходжкин, 1965). Однако нормальное потребление кислорода головным мозгом предполагает и нормальную скорость продукции АТФ. Поэтому предположение о том, что при гипоксии изменения ЭЭГ всегда связаны с нарушением естественных механизмов электрогенеза, не имеет твердого основания.
И.С. Бериташвили (1949), по всей видимости, впервые была высказана гипотеза о том, что волны тета- и дельта-диапазонов ЭЭГ при гипоксии могут отражать действие механизмов охранительного торможения. Позднее сходную точку зрения высказывал Г. Уолтер (1966). А.М. Гурвич (1966) детализировал гипотезу об охранительном характере тормозных механизмов при гипоксии. Автор предположил, что некоторые виды дельта-активности при гипоксии могут быть связаны с воздействиями на нейроны коры субкортикальных структур, приводящими к ограничению энерготрат нейронами коры в связи с потенциальной угрозой энергодефицита.
Несмотря на давнее существование гипотезы о связи медленных волн ЭЭГ при гипоксии с механизмами охранительного торможения, не было серьезных попыток связать их с активностью сомногенных структур мозга. И это тем более удивительно, что сонливость испытуемых при гипоксии была обнаружена во многих работах (Ван Лир, 1967; Малкин, Гиппенрейтер, 1977).
В настоящем исследовании, возможно, впервые было описано существование у многих испытуемых в ЭЭГ «веретен сна» - четких признаков сомногенной активности. Статистический анализ взаимосвязи индекса сигма-волн и мощности дельта-активности показал, что механизмы возникновения «сонных веретен» и медленных волн указанного диапазона могут быть весьма близки. Вполне вероятно, что причиной этой близости, так же как и во сне, является сменяющая друг друга активность разных сомногенных структур, связанных друг с другом, но проявляющих себя в разных частотных диапазонах – дельта-, тета- и сигма- (Contreras, Steriade, 1995).
Амплитуда и частота ЭЭГ являются важными показателями функционального состояния мозга. Уменьшение амплитуды и увеличение доминирующей частоты ЭЭГ – реакция десинхронизации происходит при повышении уровня бодрствования (Moruzzi, Magoun, 1949), а увеличение амплитуды и уменьшение доминирующей частоты происходит при углублении сна (Loomis et al., 1937). Е.Н.Соколовым и Н.Н.Даниловой (1975) было показано, что степень десинхронизации ЭЭГ обнаруживает градуальные изменения, отражающие степень общей активности, связанной предположительно с активирующей системой, локализованной в ретикулярной формации мозга. Ряд нейронов таламуса, исследованных авторами, обнаруживал тесную связь между уровнем бодрствования и средней частотой импульсной активности, что позволило авторам предложить среднюю частоту импульсной активности нейронов в качестве одного из индикаторов уровня функционального состояния мозга.
Ограничение функциональной активности нейронов в условиях гипоксии было показано в работах (Шаов, 1981; Creutzfeldt et al, 1957). При одновременной регистрации импульсной активности нейронов и электрокортикограммы было обнаружено, что в момент появления медленных волн тета- и дельта-диапазонов в ЭЭГ при гипоксии снижается количество нейронов, отвечающих спайковыми разрядами. В работе Н.С. Акопяна (1987) на кроликах также было показано снижение количества нейронов, генерирующих потенциалы действия – в коре более чем на 30%, в гипоталамусе и продолговатом мозге примерно на 20%. Кроме того, наблюдалось снижение частоты импульсации зарегистрированных нейронов. При выраженном угнетении активности отдельных нейронов в ЭЭГ наступала перестройка ритма с одного спектра частоты на другой. Вышеописанные явления наступали при падении напряжения кислорода в мозговой ткани до определенного уровня – ниже 14 мм.рт.ст.
Импульсная активность нейронов, требует энергетических затрат, поскольку восстановление ионного баланса по обе стороны мембраны осуществляется с участием АТФ-зависимых транспортных белков. (Ходжкин, 1965; Иванов, 1993). Если ионный баланс будет не восстановлен, то не будет условий для формирования следующего импульса. Поэтому снижение импульсной активности нейронов при гипоксии можно объяснить дефицитом АТФ, вызванным низкой скоростью реакций окислительного фосфориллирования при сниженном количестве кислорода. В работе М.О. Самойлова (1985) показано, что реакция нейронов на гипоксию начинается задолго до снижения в тканях коры АТФ и проявляется она в виде высокочастотных импульсных разрядов. Вторая же фаза реакции нейронов на гипоксию связана со значительным снижением скорости окислительного фосфориллирования, уменьшением количества АТФ на 50-60% и проявляется в значительном снижении импульсной активности. Существуют ли механизмы, направленные на экономизацию расхода АТФ мозгом в условиях ее низкой продукции?
Нам близки представления А.М. Гурвича (1966) о том, что некоторые виды дельта-волн, регистрируемых в коре при гипоксии, могут отражать дистанционные влияния срединных структур мозга на кору, направленные на создание в ней охранительного режима работы, способствующего снижению функциональной активности корковых нейронов. Это перекликается с предположением авторов работы (Соколов, Данилова, 1975) о том, что переход с высокого уровня функциональной активности мозга на низкий может иметь адаптивное значение, снижая энергетические затраты нейронов.
Вероятно, в основе такого режима электрической активности мозга может лежать «отключение» (понижение порога возбудимости) тех нейронов, которые напрямую не связаны с сохранением и поддержанием жизнедеятельности в условиях угрозы жизни организма при гипоксии. В работе (Lopes da Silva, 1991) при исследовании таламических нейронов было показано, что ацетилхолинэргические влияния на эти нейроны приводят к гиперполяризации мембраны и замедлению импульсной активности нейронов. Важное значение придается роли регуляторных структур мозга, осуществляющих модулирующие влияния на функциональную активность различных центров мозга и межцентральные взаимоотношения при патологии (Болдырева и др., 2000).
Общее обсуждение результатов
Как показали проведенные исследования, ответ организма на острое гипоксическое воздействие характеризуется закономерной сменой уровней окислительного метаболизма - сниженным, равным и повышенным, по сравнению с предгипоксическим уровнем, потреблением кислорода.
Пожалуй, наиболее важной для понимания интегративного характера ответа организма является гиперметаболическая фаза потребления кислорода. Насколько, нам известно, она не описана в литературе, посвященной гипоксии. На наш взгляд, это связано с тем, что она не укладывается в рамки традиционных представлений о полезных приспособительных реакциях в ответ на гипоксию, направленных либо на снижение скорости потребления кислорода по сравнению с нормой (Lutz, Prentice, 2002; Bickler, Buck, 2007), либо на компенсацию гипоксии – сохранение скорости потребления кислорода на уровне нормы (Колчинская, 1981; Меерсон, 1981; Кривощеков и соавт., 2006).
Действительно, повышенное по сравнению с нормоксическими условиями потребление кислорода – это дополнительная нагрузка на систему окислительного фосфориллирования клеток при гипоксии, которая даже для сохранения нормальной скорости потребления кислорода функционирует с повышенным напряжением, предполагающим более быстрое истощение резерва этой системы (Панченко и др., 1975; Лукьянова и соавт., 1994; Nelson, Silverstein, 1994; Anderson et al., 1997). Поэтому повышение двигательной активности животных в условиях неизбегаемой гипоксии, требующее более высоких энергозатрат и повышенной скорости потребления кислорода, приводит к снижению гипоксической устойчивости животных (Шапот, 1952; van Raaij et al., 1996).
Однако здесь следует сказать, что модель «неизбегаемого стресса» (Жуков, 1997) и, в частности, неизбегаемой гипоксии, используемой в экспериментальных условиях, является искусственной. В условиях естественной среды обитания существует (в той или иной степени выраженная) возможность избегания гипоксии, если она угрожает существованию организма. Поэтому наряду с т.н. «физиологическим ответом» (Lamb et al., 1969; Wood et al., 2019) организма на гипоксию существует еще и поведенческий ответ (Smotherman, Robinson, 1987; Casanova et al., 2013), предполагающий различные механизмы: перемещение организма в среду с более высоким содержанием кислорода (Cook et al., 2011), перемещение в среду, способствующую переживанию гипоксии (Wood et al., 1991), повышение двигательной активности, направленной на устранение препятствий к поступлению кислорода (Smotherman, Robinson, 1987) .
В данном случае исторически сложившийся термин «физиологический ответ» является условным, поскольку и поведенческий ответ связан с изменением физиологических реакций. Равным образом это относится и к не менее употребительному термину «метаболический ответ» (Greene et al., 1957; Pamenter et al., 2019). Вероятно, термин «физиологический ответ» подразумевает специфические для внешнего воздействия, более длительные реакции организма, направленные на сосуществование организма и данного воздействия. Напротив, поведенческий ответ предполагает неспецифичность по отношению внешнему воздействию и меньшую длительность реакций, направленных на удаление организма от данного воздействия.
Важно подчеркнуть, что «физиологический» ответ и поведенческий ответ на действие экстремального фактора не являются взаимоисключающими. Поведенческий ответ может формироваться на фоне исчерпания возможностей «физиологического» ответа (Cook et al., 2011).
Напротив, при отсутствии эффекта от поведенческого ответа – при невозможности избегания внешнего воздействия - организм может вернуться к реализации «физиологического» ответа (Жуков, 1997; Smotherman, Robinson 1987). Более того, переход между программами «физиологического» ответа и поведенческого ответа осуществляется координированно - на основе прогнозирования организмом резервных возможностей и рисков организма при продолжении реализации того или иного пути адаптации организма в условиях воздействия экстремального фактора (Timmerman, Chapman, 2004).
Существование поведенческого ответа организма на гипоксию позволяет объяснить наличие гиперметаболической фазы окислительного метаболизма в интегративном ответе организма на гипоксию. А сосуществование и координация программ «физиологического» и поведенческого ответа на гипоксию позволяет объяснить, почему гиперметаболическая фаза наступает не сразу, а лишь на определенном этапе в динамике гипоксического воздействия.
Очевидно, что поведенческий ответ организма на гипоксию подразумевает повышение двигательной активности и энергетических затрат на ее осуществление (Bell et al., 2009; Poulsen et al., 2011), что, в свою очередь, предполагает и повышение скорости потребления кислорода организмом. В настоящем исследовании (раздел 3.8) удалось проследить взаимосвязь между увеличением скорости потребления кислорода в гиперметаболической фазе окислительного метаболизма и увеличением спектральной мощности электромиограммы (m. adductor policis). Безусловно, это не является поведенческим актом избегания гипоксии, однако может являться одной из стадий подготовки к реализации этого акта. Аргументом в пользу этого предположения является тот факт, что механизмы непроизвольного повышения тонической активности мышц при гипоксии тесно связаны с симпатоадреналовой активностью (Орбели, 1962; Rowell et al., 1989).
С другой стороны, симпатоадреналовые механизмы вовлечены в процессы мобилизации энергии для осуществления срочных («emergency», по выражению У. Кэннона (Cannon, 1929)) поведенческих актов, направленных на избегание или борьбу с угрожающим внешним фактором. В настоящем исследовании (раздел 3.6.1) показано, что на определенной стадии гипоксического воздействия увеличивается сопряженность изменения содержания в крови одного из гормонов симпатоадреналовой реакции – 196 адреналина с одной стороны и мозгового кровотока, содержания в крови глюкозы и лактата – с другой. Это соотносится с известными данными о механизмах действия адреналина, вызывающего увеличение скорости аэробного и анаэробного метаболизма мозга и увеличение скорости мозгового кровотока (Iwamoto et al., 1991; Piilgaard, Lauritzen, 2009). Такой энергомобилизующий компонент симпатоадреналовой реакции хорошо укладывается в логику срочного поведенческого ответа, возникающего на определенной стадии гипоксического воздействия.
Возникновение вышеназванных явлений – гиперметаболической фазы окислительного метаболизма, повышения тонической активности мышц, а также увеличения энергомобилизующей составляющей симпатоадреналовой реакции не с первых минут, а лишь по прошествии определенного времени, по всей видимости, связано с логикой взаимодействия «физиологического» и поведенческого ответа при гипоксии. Поведенческий ответ включается лишь на определенной стадии истощения возможностей «физиологического» ответа.
В исследованиях на животных показано, что расширение резервных возможностей «физиологической» адаптации путем акклиматизации к гипоксии приводит к увеличению порога избегания гипоксии (Timmerman, Chapman, 2004; Cook et al., 2013).
Очевидно, что при правильном построении режима гипоксической тренировки у человека расширяются резервные возможности «физиологического» ответа на гипоксию (Горанчук и соавт., 2003). По этой причине увеличивается время от начала воздействия до той стадии, когда осуществляется переход к избеганию гипоксии, проявляющийся в мобилизации энергетических ресурсов и подготовке двигательного ответа (раздел 3.8).
Существование «физиологического» и поведенческого ответа на гипоксию объясняет противоречивые данные относительно роли стресс реакции и ее симпатоадреналового компонента при гипоксии. Если существует возможность поведенческого ответа избегания гипоксии, то симпатоадреналовый компонент является ключевым фактором, способствующим его реализации. Если гипоксия, как это имеет место в большинстве исследований на животных, является неизбегаемой, то симпатоадреналовый ответ ускоряет исчерпание резерва «физиологического» ответа на гипоксию и приводит к снижению устойчивости (Шапот, 1952; van Raaij et al., 1996).
Характер нейроэндокринного ответа на стресс во многом связан с индивидуальными поведенческими стратегиями, выработанными в процессе эволюции и закрепленными в результате естественного отбора (Жуков, 1997). Речь идет об активной и пассивной стратегиях поведения. Во многих работах показано, что у животных или индивидуумов, склонных к «активной» стратегии поведения, наблюдается высокая реактивность симпатического компонента стресс-ответа и более высокая устойчивость к эмоциогенным ситуациям, возникающим при социальных конфликтах (Судаков, 1981). С другой стороны, особи, склонные к «пассивной» стратегии поведения более устойчивы к охлаждению (Корякина, 1985), физической нагрузке (Колпаков и др., 1978). У этих животных лучше выражена активность адренокортикального звена стресс-реакции (Жуков, 1997).