Механизмы ритмообразования.
Гипотезы о механизмах формирования ритмического дыхания. Рассмотрены гипотезы о необходимости участия структур варолиева моста в формировании дыхательного ритма, а также реципрокности отношений между ИН и ЭН в процессе ритмообразования. Альтернативным является мнение, согласно которому генерация дыхательного ритма осуществляется в структурах продолговатого мозга без непременного участия образований варолиева моста. Для возникновения и поддержания ритмической активности ДЦ не обязательны реципрокные взаимосвязи между нейронами инспи-раторной и экспираторной совокупностей. Дыхательный ритм формируется в результате взаимодействия между функционально различными группами ДН. Проверка правильности и адекватности каждой из приведенных гипотез требует, кроме экспериментального подтверждения, проведения теоретического анализа и моделирования изучаемых механизмов.
Изучение любого физиологического механизма подразумевает не только экспериментальный подход, при котором исследователь имеет дело непосредственно с изучаемым объектом, но и теоретический, необходимость в большей или меньшей степени упрощать, идеализировать свойства описываемой реальной системы. Теоретическая часть исследования включает ряд этапов. Среди них можно отметить первый этап качественного анализа — формирование гипотез об общих принципах организации изучаемого механизма. Во всех известных схемах ДС в качестве главного регулирующего звена был выделен ДЦ, хотя при этом не выдвигалось никаких предположений о структуре и механизмах деятельности самого регулятора. Слабой стороной прежних схем, отражающих в известной мере уровень экспериментальных знаний того времени, было весьма неопределенное описание значения и взаимовлияний различных подсистем. На современном этапе исследований вместе с углублением и детализацией функционирования афферентного и эфферентного звеньев добавляется стремление вскрыть закономерности работы ДЦ на клеточном уровне и точнее определить его значение в управлении дыханием.
Обычно под ДЦ подразумевают минимальный нейронный аппарат, необходимый для реализации координированного ритмического дыхания и расположенный в продолговатом мозге, хотя некоторые авторы для объяснения ритмогенеза привлекают структуры варолиева моста. Следует четко разграничить два аспекта проблемы: генерация дыхательного ритма и формирование нормального дыхания. Дыхательный ритм может генерироваться даже при удалении варолиева моста и верхней части продолговатого мозга. Однако для нормальной жизнедеятельности и поддержания адекватного потребностям организма дыхания необходимо участие не только варолиева моста, но и вышележащих отделов мозга, равно как и всех рефлекторных механизмов. В настоящем разделе сосредоточено внимание на механизмах генерации дыхательного ритма с допущением того, что в основных чертах они так же функционируют в условиях нормальной деятельности ДС. Поскольку природа клеточной организации ДЦ, задающего ритмичность, все еще остается одной из тайн нейро- и дыхательной физиологии, то вполне понятно обилие гипотез относительно ритмообразования, вторично влекущее за собой необходимость классификации и обобщения исходных посылок. Нынешние представления о клеточной организации системы ритмогенеза, развившиеся от теорий эндогенной генерации ритма, рефлекторной самоорганизации и периодического торможения непрерывного генератора до умозаключений, основанных на результатах внутриклеточной регистрации активности ДН продолговатого мозга, конечно же исходят из немногих общих предпосылок. Эти основные направления в истолковании природы дыхательного ритма, определившиеся более 150 лет назад, развиваются в той или иной форме до настоящего времени. Современные гипотезы, объясняющие генез дыхательного ритма, по природе формирования периодики разделяются на два основных класса: а) пейсмекерные, в основу деятельности которых положен эндогенный водитель ритма, и б) синаптические, в которых ритмообразование обосновывается взаимодействием в сети двух или более разных типов нейронов.
Ритмичность в той или иной форме является общим свойством большинства систем мироздания, в том числе всех живых систем. Поэтому объяснение ритмообразования в нервной системе приобретает более широкий общебиологический смысл. Рассмотрим концепции, предполагающие сугубо нейронный механизм формирования дыхательной периодики, так как иные точки зрения были проанализированы в предыдущем разделе.
Одной из первых гипотез ритмогенеза допускалось, что дыхательная периодика возникает в результате деятельности своего рода водителя ритма, расположенного в продолговатом мозге в районе писчего пера. Основанием для такого заключения послужили опыты с хирургической изоляцией этого участка мозга. Считалось, что природа дыхательного ритма эндогенна и ритмическая деятельность ДЦ независима от нервных влияний. И по сей день эта гипотеза находит новых сторонников.
Среди беспозвоночных имеется большое число примеров того, как небольшая группа нейронов или даже одиночный нейрон генерируют повторные залпы без взаимодействия с другими нейронами. Большинство отдельных клеток таких ганглиев спонтанно активно: без дополнительной активации через синаптические входы они постоянно разряжаются отдельными спайками с регулярной частотой или залпами спайков, перемежающимися периодами молчания. Нейроны, обнаруживающие спонтанную ритмическую деполяризацию (пейсмекерные и залповые клетки), находят в сердечных ганглиях раков, крабов, в желудочных ганглиях раков, у аплизии и других моллюсков и насекомых.
В некоторых случаях спонтанно ритмогенные клетки генерируют медленные волны, а не спайки . Возможно, они возбуждают спайковые нейроны посредством продолжительно действующего моделирующего передатчика, как это происходит в неспайковых клетках сетчатки позвоночных. К таким нейронам отнесены клетки, управляющие ходьбой у петухов и контролирующие жаберное дыхание у раков и крабов.
Небезынтересно, что R. Baumgarten склонен относить ДН продолговатого мозга млекопитающих к клеткам пейсмекерного типа, которые подчинены также и синаптическому управлению. Поскольку в настоящее время изоляция ДН продолговатого мозга у млекопитающих технически невозможна, то с помощью внутриклеточной регистрации пытаются определить наличие (или отсутствие) возбуждающего и тормозящего постсинаптических потенциалов (ВПСП и ТПСП), коррелирующих с ритмическим выходом нейрона. Пока что клетки с пейсмекерными свойствами в продолговатом мозге млекопитающих не обнаружены, но отрицательный результат вовсе не означает, что не могут быть найдены клетки-пейсмекеры, ответственные за происхождение дыхательной ритмики у млекопитающих. Хотя неизвестно, похож ли центральный генератор ритмического дыхания кошки на какой-либо из вариантов ритмогенеза у беспозвоночных . животных, но в целом тип авторитмических свойств, выявленный у беспозвоночных, не приложим к системам позвоночных животных. Необходимо учитывать, что в ДЦ млекопитающих должно быть по крайней мере два взаимодействующих типа клеток-пейсмекеров — инспираторных и экспираторных,— обеспечивающих появление периодических разрядов как при вдохе, так и при выдохе.
Сторонники системной точки зрения постулируют, что, благодаря богатым синаптическим связям, ДН в продолговатом мозге образуют две нейронные подсистемы: инспираторную и экспираторную. Дыхательный ритм возникает в результате периодического торможения тонической активности нейронов продолговатого мозга афферентной импульсацией, приходящей по блуждающим нервам и действующей черед ЭН, а после перерезки блуждающих нервов — вследствие ритмического торможения, поступающего из пневмо-таксического центра, расположенного в передней части варолиева моста. Пневмотаксический центр связан с инспираторной и экспираторной частями ДЦ восходящими и нисходящими проводящими путями. От них импульсы передаются к пневмотаксическому центру, а от него — к ЭН. Возбуждение ЭН приводит к торможению ИН, поток импульсов от последних к пневмотаксическому центру прекращается и исчезает активность ЭН, вследствие чего ИН освобождаются от торможения. Эта гипотеза предполагает, что ИН всегда возбуждают ЭН, а ЭН всегда тормозят ИН. Однако имеющиеся экспериментальные данные не подтверждают существование такого рода отношений, так как при внутриклеточной регистрации потенциалов у ИН не были выявлены ТПСП.
Таким образом, в рассматриваемых структурах, вероятно, тормозное фазирование не имеет места, но оно может действовать в других структурах. Считают, что такой структурой является дорсальная группа ДН, для описания генерации ритмического дыхательного ритма которой тормозное фазирование может оказаться адекватным. В этом месте, очевидно, р-клетки соответствуют гипотетическим тормозным интернейронам, а а-клетки действуют как первичные генераторы.
Поскольку после полного отделения продолговатого мозга от варолиева моста у ваготомированных животных ритмическое дыхание сохраняется, некоторые авторы предполагают, что при особых обстоятельствах ДЦ продолговатого мозга может генерировать собственный ритм. Но в нормальных условиях этот ритм подавляется тонической активностью апнейстического центра, на который действуют оба тормозных механизма: вагусный и пневмотаксический. Допускают, что именно апнейстический центр, расположенный в нижней части моста, является местом возникновения тонических инспираторных разрядов, а ДЦ продолговатого мозга функционирует как подчиненный компонент. Однако показано, что структуры, ответственные за формирование ритмического дыхания, расположены в продолговатом мозге и остаются неповрежденными при удалении варолиева моста. После перерезки ствола мозга между варолиевым мостом и продолговатым мозгом у всех ДН моста залповая активность прекращается, а у ДН продолговатого мозга сохраняется. В результате такой перерезки в варолиевом мосту обнаруживаются только нейроны с непрерывной импульсацией, а ДН продолговатого мозга продолжают генерировать залпы импульсов даже после дополнительных изолирующих процедур (перерезки вагосимпатического ствола синокаротидного нерва, XI и XII пар черепно-мозговых нервов и спинного мозга на уровне С6—С7). Поэтому залповая активность ДН продолговатого мозга, выявляемая после изолирующих процедур, не может быть приписана ни действию афферентных вдохов, ни влиянию нейронного механизма, расположенного ростральнее понтоме-дуллярного соединения. Следовательно, пневмотаксический центр как орган, управляющий дыханием посредством собственной спонтанной активности не существует.