PARTICIPATION PONS STRUCTURES IN THE REGULATION OF BREATHING

Full Text

Дыхательный центр (ДЦ) у млекопи- тающих находится в ретикулярной форма- ции продолговатого мозга, где представлен симметричными скоплениями нейронов, ритмическая активность которых соответст- вует фазам внешнего дыхания [1-4]. К настоящему времени установлено, что ДЦ состоит из сетей респираторных нейронов, образующих в стволе головного мозга пять билатеральных структур. В составе ДЦ вы- деляют дорсальную респираторную группу (ДРГ), вентральную респираторную группу, подразделяемую на ростральный и каудаль- ный отделы (рВРГ и кВРГ соответственно), комплекс Бетцингера (КБ) и комплекс пре- Бетцингера (КПБ). Каждый отдел ДЦ имеет специфический нейронный состав и различ- ным образом участвует в регуляции ритма и паттерна дыхания. ДРГ представлена в основном инспираторными бульбоспинальными нейронами, локализованными в области вентролатель- ной части ядра солитарного тракта [5]. ДРГ не играет значимой роли в респираторном ритмогенезе, ее участие в регуляции дыха- ния сводится к интеграции афферентных имimage © Ковалева Т. Е., 2016. Ковалева Татьяна Евгеньевна, (kovalova.t.e@gmail.com), аспирант кафедры физиологии человека и животных Самарского университета, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34. пульсов с импульсацией, формируемой цен- тральным генератором паттерна дыхания [6-8], и управлению мотонейронами инспи- раторных мышц [9]. В рВРГ, расположенной в параамбигу- альной области продолговатого мозга, со- держится значительное количество инспира- торных бульбоспинальных нейронов, иннер- вирующих мотонейроны диафрагмы и на- ружных межреберных мышц [10]. В состав кВРГ включены дыхательные нейроны пре- имущественно с экспираторным паттерном разряда, локализованные в области ретроам- бигуального ядра. Экспираторные бульбос- пинальные нейроны этого отдела контроли- руют активность абдоминальной мускулату- ры и внутренних межреберных мышц [11]. Нейроны рВРГ и кВРГ, как и ДРГ, имеют сложную нейрохимическую организацию [3; 7; 8; 12-15] и являются важным звеном механизма формирования паттерна дыхания [16; 17]. КБ представляет собой популяцию экс- пираторных нейронов, сосредоточенных кау- дальнее ядра лицевого нерва, и принимает уча- стие в механизмах генерации дыхательного ритма [17; 18]. В регуляции электроимпульс- ной активности дыхательных нейронов КБ важную роль играют тормозные нейромедиа- торы, в том числе глицин и ГАМК [11; 15]. КПБ рассматривается как отдел ДЦ, играющий первостепенную роль в респираторном ритмогенезе [19; 20]. В КПБ домини- руют проприобульбарные пре-инспиратор- ные нейроны, разряд которых по времени совпадает с окончанием выдоха и началом вдоха. Пре-инспираторные нейроны КПБ за- служивают особого внимания, поскольку об- ладают пейсмейкерными свойствами [21; 22] и входят в ядро центрального генератора дыхательного ритма [17]. Участие нейронов КПБ в формировании ритма и частоты дыха- ния контролируется широким спектром воз- буждающих и тормозных нейромедиаторов, а также нейропептидами [10; 23-25]. Таким образом, бульбарный ДЦ со- держит большое разнообразие дыхательных нейронов, обеспечивающих ритмическую смену вдоха и выдоха. Однако полноценное дыхание в изменяющихся условиях жизне- деятельности возможно только при взаимо- действии нейронных групп ДЦ с вышерас- положенными отделами головного мозга. В регуляции деятельности ДЦ, активности дыхательных мышц и внешнего дыхания принимает участие большое количество супрабульбарных структур - кора больших полушарий [14; 26], подкорковые ядра, на- пример, миндалина [27-29], гипоталамус [30], мозжечок [31]. Важное место среди супрабульбарных отделов, участвующих в регуляции ритма и паттерна дыхания, зани- мают нейронные структуры варолиева мос- та [32-34], которые в последние годы вновь привлекают к себе интерес исследователей [35; 36]. Первые сведения об участии варолиева моста в регуляции дыхания относятся к на- чалу XX века. Английский физиолог Т. Люмсден в 1923 году показал, что в варо- лиевом мосту имеются скопления нейронов, разрушение которых меняет ритм дыхания. Он ввел понятия о пневмотаксическом цен- тре, расположенном в ростральном отделе моста. При разрушении нейронов этой об- ласти дыхательные циклы становятся редки- ми и нерегулярными. Если одновременно перерезаются афферентные волокна блуж- дающего нерва, то возникает апнейстическое дыхание, т.е. продолжительный вдох, корот- кий выдох и вновь длительный вдох [37]. Понтинные нейроны, активность кото- рых синхронна с фазами дыхательного цик- ла, обнаружены в основном в медиальных парабрахиальных ядрах и ядрах Келликера- Фьюза [5; 38]. Эта область варолиева моста соответствует пневмотаксическому центру Люмсдена и в настоящее время называется пневмотаксическим комплексом (ПТК). В медиальных парабрахиальных ядрах находятся преимущественно инспираторные, экспираторные, а также фазово-переходные нейроны, а в ядрах Келликера-Фьюза - ин- спираторные нейроны [38]. У наркотизиро- ванных животных разрушение этих ядер вы- зывает уменьшение частоты и увеличение амплитуды дыхательных движений. Предпо- лагают, что дыхательные нейроны ПТК мос- та участвуют в механизме смены фаз дыха- ния и регулируют величину дыхательного объема [39]. В сочетании с двусторонней пе- ререзкой блуждающих нервов разрушение указанных ядер вызывает остановку дыхания на вдохе, или инспираторный апнейзис. Ин- спираторный апнейзис прерывается редки- ми, кратковременными и быстрыми выдоха- ми. После выхода животных из наркоза ап- нейзис исчезает и восстанавливается рит- мичное дыхание [37; 40]. Таким образом, пневмотаксический центр ограничивает дли- тельность вдоха. Когда сигнал из пневмотак- сического центра сильный, длительность вдоха может ограничиваться до 0,5 секунд. Если сигнал слабый, вдох может продол- жаться до 5 секунд, приводя к увеличению дыхательного объёма и глубины дыхания. Так как при активации пневмотаксического центра происходит укорочение вдоха, то, со- ответственно, весь дыхательный цикл будет занимать меньшее время, что приведёт к учащению дыхания [41]. Респираторная активность нейронов ПТК обеспечивается сложными нейрохими- ческими механизмами. В экспериментах на крысах было показано высокое содержа- ние ГАМКергических, серотонинергических [12; 36] и глутаматергических [32] рецепто- ров в области медиального парабрахиально- го ядра и ядра Келликера-Фьюза. У кошек в медиальном парабрахиальном ядре имеется большое число норадренергических нейро- нов, у крыс отмечаются только отдельные их скопления [42]. Афферентные входы, модулирующие респираторную активность нейронов ПТК, поступают к нему из коры головного мозга, подкорковых ядер и гипоталамуса [27; 43; 44]. Что касается эфферентных связей ПТК, то среди них наиболее значимыми в плане регуляции дыхания являются аксональные проекции к ВРГ, респираторно-зависимым областям ядра солитарного тракта (особенно к ДРГ), а также к ядрам подъязычного и ли- цевого нервов [12; 45]. Кроме того от этих областей моста идут нисходящие пути, включающие в себя глутаматергические проекции к ядру диафрагмального нерва, бульбарным премоторным и спинальным моторным дыхательным нейронам [46]. В работах последних лет в области варо- лиевого моста выявлено ещё одно скопление нейронов, получившее название понтинной дыхательной группы, в составе которой выде- ляют паратригеминальную область (ПТГО) [35] и парафациальную респиратор-ную груп- пу (ПФРГ) [2; 47]. Изначально указанные рес- пираторно-активные области были обнаруже- ны у новорожденных крыс. У взрослых жи- вотных точную локализацию этих областей долгое время выяснить не удавалось [2; 17; 20]. Согласно современным данным, ПФРГ имеет нейронный состав, аналогичный КПБ, и что особенно важно, в обеих структурах при- сутствуют пре-инспираторные нейроны, обла- дающие пейсмейкерной активностью [18]. Однако до сих пор ведутся горячие споры по поводу того, как именно взаимодействуют между собой КПБ и ПФРГ и какая из этих структур является главной, задающей ритм дыхания [17; 48]. Новая модель взаимодействия КПБ и ПФРГ, обсуждаемая в настоящее время учё- ными, - так называемая «модель рукопожа- тия» - призвана примирить несколько точек зрения. При этом предполагается, что обе зоны работают совместно для обеспечения дыхания в детстве, однако во взрослом воз- расте ведущую роль начинают играть нейро- ны КПБ. То есть в раннем возрасте для нор- мального функционирования системы дыха- ния необходимы оба водителя респираторно- го ритма. Сразу после рождения и на протя- жении младенческого периода жизни нейро- ны ПФРГ обеспечивают стимуляцию актив- ности нейронов КПБ, что проявляется в сильных и ритмичных дыхательных движе- ниях. Без влияния ПФРГ дыхание было бы слабым и нерегулярным. По выходе из детского возраста доминантным водителем ритма становится КПБ. Только в условиях сильного респираторного дистресса ПФРГ включается в регуляцию дыхания [49]. Вопрос об участии ПТГО в регуляции дыхания все ещё до конца не решён. В част- ности, существует точка зрения, согласно которой ПТГО наряду с ядром солитарного тракта получает афферентные входы от ре- цепторов верхних дыхательных путей, бла- годаря чему включается в формирование не- которых защитных дыхательных рефлексов [34]. В последние годы достаточно активно обсуждает вопрос о наличии в ПТГО ней- ронных механизмов, участвующих в респи- раторном ритмогенезе. Данные ритмогене- рирующие структуры были описаны рост- ральнее моторного ядра тройничного нерва в опытах in vitro на миногах и получили на- звание паратригеминальной респираторной группы [52]. Респираторные нейроны варолиева моста первыми получают сведения о необ- ходимости приспособления дыхания к изме- няющимся условиям жизнедеятельности и соответствующим образом меняют актив- ность нейронов бульбарного ДЦ, а фазово- переходные нейроны обеспечивают плавную смену вдоха на выдох. Таким образом, бла- годаря констелляциям с понтинной дыха- тельной группой ДЦ продолговатого мозга может осуществлять ритмическую смену фаз дыхательного цикла с оптимальным соотно- шением их длительности [49; 51; 52]. Однако для нормальной жизнедеятельности и под- держания адекватного потребностям орга- низма дыхания необходимо участие не толь- ко варолиева моста, но и вышележащих от- делов головного мозга [13; 14]. Заключение В научных публикациях, посвящённых центральным механизмам регуляции дыхания, имеются многочисленные данные о структуре, нейронном составе, афферентных и эфферентных связях ПТГО и ПФРГ, но до сих пор мало изученными остаются нейрохимические механизмы их интеграции со структурами бульбарного ДЦ, специфически участвующими в процессе формирования ритма и паттерна дыхания. Это позволяет считать вопрос об участии варолиева моста в регуляции дыхания актуальным и требую- щим дальнейшего экспериментального изу- чения. Благодарности Автор выражает благодарность д.б.н., профессору Ведясовой О. А. за помощь в на- писании данной работы.

About the authors

Tatyana Evgenievna Kovaleva

Samara University

Email: kovalova.t.e@gmail.com
443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

References

Supplementary files