Гуморальная регуляция дыхания

Регуляция дыхания.

Ключевую роль в регуляции деятельности газотранспортной системы играет дыхательная  система, включающая систему периферических афферентных датчиков (хеморецепторов, медулярных рецепторов), центральное звено (дыхательные нейроны в продолговатом мозгу) и эфферентные звенья в системе легких и сосудов.

Регуляция дыхания осуществляется посредством дыхательного центра (ДЦ), расположенного в продолговатом мозге. Он работает под непрерывным влиянием сигнализации о состоянии химизма внутренней среды, которая поступает от хеморецепторов артериальных сосудов и самого мозгового ствола, а также от механорецепторов легких и воздухоносных путей. Эта система обратных связей определяет соответствие между легочной вентиляцией и потребностями организма в обмене газов, а также оптимальный, наиболее экономичный режим дыхания. Влияния из вышележащих надстволовых и корковых центров меняют дыхательные движения в зависимости от тех или иных обстоятельств: мышечной активности, внешней температуры, соответствующих сигналов из внешней среды, эмоционального состояния.

Дыхательный центр теплокровных - это скопление экспираторных и инспираторных дыхательных нейронов, аксоны которых идут: инспираторных - в шейный отдел спинного мозга, где переключаются на дыхательные мотонейроны и на диафрагму. Другие - в вентральном ядре (экспираторные и инспираторные) переключаются на межреберные мышцы. Дыхательные нейроны могут регулировать свою ритмическую деятельность путем реципрокных отношений между инспи-раторными и экспираторными нейронами. Их деятельность активируется тонусом ретикулярной формации (создавая уровень бодрствования ДЦ).

Для их ритмической деятельности необходим  приток специфической информации, т. е. датчиков. Датчики - хеморецепторы, воспринимающие газовый состав крови и спинномозговой жидкости, а также - механорецепторы  которые реагируют на растяжение легких, ток воздуха в дыхательных путях. Артериальные хеморецепторы расположены в сонной артерии и дуге аорты и изменяют свою импульсную активность при снижении насыщения крови кислородом. Артериальные хеморецепторы действуют в основном в аварийной ситуации (острая гипоксия). Медуллярные хеморецепторы расположены в продолговатом мозгу. Реагируют на Н-ионы (а поскольку их концентрация повышается при растворении в жидкости двуокиси углерода - то следовательно на СО2), формируют базовую активность ДЦ. Афферентные импульсы, поступающие из артериальных хеморецепторов и медуллярных хемочувствительных структур, поддерживают ритмическую активность ДЦ. Кроме того, существуют рецепторы в легких и стенках воздухоносных путей (от носа до бронхов и легочной ткани).

Итак, основной регулятор дыхания - хеморецепторная стимуляция дыхательного центра. Американец Гродинз в 1966 г. разработал теорию дыхательного хемостата. Основу ее составляет регулирование по отклонению концентрации СО2 в крови: изменение СО2 -> увеличение вентиляции -> восстановление СО2. Однако, при мышечной нагрузке усиление вентиляции происходит еще до изменения химизма крови и во много раз. Исследования последних лет показали, что секрет «рабочего гиперпное» заключается в каких-то датчиках (механорецепторы мышц), которые возбуждаются при мышечном сокращении.

Важный момент исследования этой проблемы состоит в том, что гуморальная  теория регуляции раскрывает только одну сторону явления. С гуморальной  теорией не согласуются важнейшие  закономерности управления дыханием при  работе: быстрый рост вентиляции, ее точная настройка, т.е. адекватное приспособление дыхания. Развитие исследований в этом направлении показало (работы школы М. В. Сергиевского и В. А. Сафонова), что важная роль принадлежит верхним отделам головного мозга в регуляции дыхания. Показано, что наряду с вышеуказанными, на дыхание влияют самые разнообразные специфические и неспецифические факторы: терморецепторы кожи, слизистых оболочек, терморегуляторные воздействия, болевые, световые, обонятельные, осязатель-ные, вкусовые, вестибулярные воздействия, а также психические процессы. Через ДЦ они воздействуют на дыхательные мышцы. По схеме авторов артериальные и медуллярные хеморецепторы направляют в центральную нервную систему информацию о газовом составе крови и кислотно-щелочном балансе внутренней среды организма, в первую очередь спинномозговой жидкости и крови, снабжающей головной мозг. При этом структурно-функциональная схема ДЦ включает два контура регулирования: хеморецепторный и механорецепторный. Сигналы из ДЦ управляют работой вентиляторного аппарата, который является одновременно исполнительным звеном в ведущем хеморецеп-торном контуре регулирования ДС. Задачей механорецепторного контура является управление степенью сокращения дыхательных мышц в каждый момент времени и тем самым поддержание параметров внешнего дыхания в соответствии с поступающими из ДЦ командами, определяемыми требуемым объемом вентиляции.

На основании существующих в  настоящее время материалов можно  утверждать, что на уровне ДЦ функционируют 3 механизма, ответственных за генерацию и регуляцию дыхательных движений:

1. Собственно генераторный механизм, задающий автоматический ритм  дыханию.

2. Интегративно-координирующий механизм, обеспечивающий обработку сигналов  с периферии и от центральных  структур, усиление и координацию нейронов генератора.

3. Механизм, согласующий активность  дыхательного и сердечно сосудистого  центров.

В поддержании гомеостаза на оптимальном  для метаболизма уровне участвуют  различные системы организма, определяющими  из которых являются - внешнее дыхание и кровообращение, которые обладают определенной самостоятельностью и специфическими закономерностями. Возникает вопрос, насколько существенным может быть влияние внешнесредовых факторов на механизм регуляции дыхания. Это особенно важно, поскольку затрагивается: а) весь механизм газообмена организма, как в покое, так и при мышечной работе; б) изменение дыхания и механизмов регуляции лежат в основе многих патологических и препатологических состояний.

Установлено, что все звенья механизма регуляции могут претерпевать адаптивно-приспособительные изменения, каждое их которых может в той или иной степени изменить весь обменно-метаболический и кислотно-щелочной баланс организма. Центральная часть (дыхательный центр) находится под модулирующим влиянием со стороны высших отделов мозга и может изменять уровень своей активности в ответ на изменение эмоционального состояния и психотерапевтических воздействий. Примером использования психотерапевтического подхода для изменения регуляции газотранспортной системы и лечения неспецифических заболеваний кардиореспиратор-ной системы могут служить методы волевой ликвидации дыхания [Бутейко К. П., 1980], метод направленной регуляции газообмена [Давиденко с соавт., 1980], "парадоксальная гимнастика по А. Н. Стрельниковой", методы гипоксической тренировки (тренажер Стрелкова, ИГТ - интервальная гипоксическая тренировка), дыхание с использованием дыхательного тренажера ТДИ, а также дыхательных упражнений при древних восточных системах: индийская йога и китайский ци-гун.

В основе каждого из вышеперечисленных  лечебных методов в той или  иной степени лежат изменения, направленные на регуляцию дыхания. Это достигается  различ-ными способами: развитием антигипоксических  механизмов (физиологических, биохими-ческих и др.), увеличением порогов гиперкапнических реакций за счет адаптивных изменений в дыхательном центре, перестройкой клеточных структур, участвующих в масспереносе О2. При этом ключевую роль играет кислород и ответ организма на его недостаток.

Наиболее существенные физиологические изменения регуляция газотранспортной системы претерпевает при взаимодействии организма с гипоксией. Это вполне понятно, поскольку в условиях целостного организма гипоксия возникает не только в результате уменьшения содержания кислорода во вдыхаемом воздухе, но сопутствует всяким прояв-лениям патологии. Работами многих исследователей показано, что изменения в живом организме проявляются по-разному, в зависимости от характера, силы и длительности гипоксического воздействия. Долгое время для лечебных и профилактических целей использовались исключительно горные местности (высокогорные курорты, 3-3,5 тыс. м). Некоторое время назад была сделана попытка применения для лечебных целей больших барокамер (на базе конверсионных авиакосмических предприятий), в которых гипоксия создавалась за счет искусственного снижения атмосферного давления. Однако, по ряду причин (дороговизна, сложность контакта с пациентами), метод не получил широкого распространения. В последние годы значительные успехи были сделаны в области нормобарической гипоксии для лечебных и профилактических целей [Коваленко и др., 1993; Колчинская и др., 1993; Волков, 1993; Стрелков, 1990; Чижов, 1997]. Метод получил название «Интервальной гипоксической тренировки». Суть метода состоит во вдыхании пациентом нормобарической гипоксической смеси (8-9 об. % О2) в течение 3-5 минут при непрерывном контроле за содержанием оксигемоглобина в крови. За один сеанс делается от 5 до 8 проб (с промежутками отдыха, достаточными для восстановления оксигемоглобина до исходной нормы). Курс лечения составляет 20 сеансов.

Другим методом, который приобрел широкую популярность, стало дыхание  с использованим дыхательных  тренажеров, основными факторами  воздействия которых являются - умеренные  состояния гипоксии, гиперкапнии и повышенного сопротивления при дыхании.

Получены обнадеживающие результаты, которые показывают широкий терапевтический  эффект этих воздействий и удобство применения. В результате использования  и апробации вышеуказанных методов  были отработаны следующие показания для их применения.

1. Воздействие на физическую  и умственную работоспособность  и состояние иммунной системы  у практически здоровых людей,  профессиональная деятельность  которых связана со стрессорными  нагрузками.

2. Использование методов для терапии бронхиальной астмы и других аллергических и аутоиммунных заболеваний.

3. Применение для терапии больных  с неврозами (гипо- и гиперстенические  состояния), а в перспективе, возможно, для терапии некоторых эндогенных  психических заболеваний.

4. Применение методов для уменьшения  выраженности факторов риска  ишемической болезни сердца, лечения  нейроциркуляторной дистонии и  гипертензии.

Подобный перечень показаний свидетельствует, что тренировка системы регуляции  дыхания с помощью направленных воздействий вызывает целый спектр изменений, возникающих в организме человека. В частности, при гипоксической тренировке наблюдается изменение в системе захвата и транспорта кислорода, которое происходит в первые же дни после начала действия гипоксии. Происходит формирование системного структурно-го следа, включающего активацию синтеза РНК и белка в легких, сердце, костном мозге, сосудах коронарного русла, а также в симпатических нейронах, иннервирующих сердце. Итогом такой активации синтеза является прямой рост органов, ответственных за захват и транспорт кислорода, а именно: увеличение дыхательной поверхности и количества альвеол в легких, умеренная гипертрофия и увеличение функциональных возможностей сердца, увеличение в 1,5-2 раза емкости коронарного русла, полицитемия и увеличение кислородной емкости крови, гипертрофия нейронов дыхательного центра и дыхательных мышц [Пшенникова, 1973; Меерсон и др., 1972; Колчинская и др., 1993].

Одновременно происходит возрастание  мощности системы энергообеспечения  на уровне клеток сердца и других органов, что проявляется увеличением количества митохондрий и активностью ферментов гликолиза. Эти изменения, увеличивая мощность и экономизируя функцию аппарата дыхания и кровообращения, усиливают адренергическую мобилизацию и повышают резистентность к гипоксии. Показано, что адаптация к гипоксии сопровождается кардиопротекторным действием в постинфарктном периоде, способствуя развитию коллатералей и снижению зоны ишемии, а также уменьшает площадь некротической зоны за счет прямого цитопротекторного действия [Эренбург, Горбатенков, 1993]. Установлено, что адаптация к периодическому действию гипоксии предупреждает критическое падение содержания в миокарде гликогена и АТФ, а также нарушение сократительной функции и развитие недостаточности сердца при стенозе аорты [Meerson et al., 1971].

Второй комплекс изменений, развивающихся  в процессе адаптации к периодической  гипоксии, характеризуется появлением целой системй сдвигов на высшем уровне нейроэндокринной регуляции, что  выражается активацией синтеза белка и рибонуклеино-вых кислот в головном мозге. В больших полушариях этот процесс достигает наибольшей выраженности в коре головного мозга, где концентрация РНК увеличена на 50%, а синтез белка, оцениваемый по включению меченных аминокислот,- в 2 раза. В нижележащих отделах мозга, менее чувствительных к дефициту кислорода, активация выражена существенно меньше, а в области вегетативных центров продолговатого мозга вновь оказывается значительной.

Одновременно в мозгу происходит накопление серотонина и дофамина при снижении содержания норадреналина, а в надпочечниках - многократное увеличение содержания опиоидных пептидов и прежде всего бетаэндорфина. В крови при этом закономерно отмечается снижение содержания серотонина и гистамина. Как и следовало ожидать, этот широкий комплекс устойчивых изменений нейроэндокринной регуляции приводит к последствиям, которые далеко выходят за пределы повышения устойчивости к гипоксии. Соответственно с помощью адаптации к гипоксии и гиперкапнии удается предупредить не только стрессорную депрессию сократительно функции и порога фибрилляции сердца, но и также ишемические аритмии, нейрогенный характер которых доказан многочисленными современными исследованиями.

Одновременно наблюдаются достаточно стабильные сдвиги регуляции водносолевого обмена и миогенного тонуса резистивных сосудов. При этом в процессе адаптации происходит частичная атрофия супраоптического ядра гипоталамуса и клубочковой зоны надпочечников, т.е. структур, которые посредством альдостерона и антидиуретического гормона обеспечивают удержание в организме определенного резерва воды и хлористого натрия. Это сопровождается адаптивным снижением определяемого резистографически миогенного компонента сосудистого тонуса и также уменьшением жесткости артерий и артериол, что в соответствии с существующими представлениями должно уменьшить выраженность прессорных рефлексов. Понятно, что такого рода сдвиги должны привести к потере организмом избытка натрия и воды и при прочих равных условиях уменьшить вероятность развития гипертонии.

Наконец, наблюдаются изменения  в системе иммунитета. Развивается  изменение соотношения Т- и В-лимфоцитов в сторону преобладания В-лимфоцитов в таких лимфоидных органах, как  селезенка. Важным следствием этого  сдвига является частичная депрессия иммунных реакций, опосредуемых Т-клеточными механизмами при одновременном усилении гуморального иммунного ответа, оцениваемого по количеству антителообразующих клеток и содержанию антител в крови.