К списку статей

Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра

Американские ученые выделили группу нейронов дыхательного центра, которая инициирует глубокий вздох. Они с помощью различных методик проследили начало и окончание нервных отростков, возбуждение которых оформляет вздох, а также определили вещества, ответственные за стимуляцию этих нейронов. Функция найденного нервного пути строго специфична — только глубокий вздох и ничего кроме. Ученые полагают, что в данном исследовании имеется хороший потенциал для разработки препаратов, улучшающих дыхательную динамику. Кроме того, это инструмент для изучения нейрофизиологии сложных эмоциональных реакций, выражающихся вздохом, — печали, радости и т. д.

Человек вздохнул — вероятно, он опечален, или, наоборот, обрадовался, или в помещении спертый воздух, или он просто устал. Обычно люди вздыхают несколько раз в час. Подобные вздохи — то есть глубокие одиночные дыхательные движения — свойственны не только людям, но и другим млекопитающим. Например, крысы в норме вздыхают около 40 раз в час. При глубоких вздохах воздух наполняет легкие, расправляя мельчайшие альвеолы. Глубокие вздохи, как принято считать, необходимы для улучшения газообмена, они учащаются при гипоксии и при избытке углекислоты в атмосфере.

В регуляции дыхательных движений задействованы несколько участков продолговатого мозга и варолиева моста. Один из регуляторных участков называется комплексом пре-Бётцингера (КПБ, рис. 2). Он характеризуется большим разнообразием типов нейронов и регулирует, в частности, смену вдоха на выдох, то есть генерирует дыхательный ритм. На основании данных многочисленных предшествующих экспериментов с животными предполагалось, что КПБ каким-то образом влияет и на глубину дыхания. Такие допущения были сделаны по результатам точечных микроинъекций в эту часть мозга различных стимулирующих и ингибирующих веществ: глубина дыхания соответствующим образом увеличивалась или уменьшалась.

Ученые из медицинской школы Стэнфордского университета и медицинской школы Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе развернули многостороннее исследование связи активности КПБ и глубины дыхания, то есть частоты вздохов. Обычно при вдохе в области КПБ регистрируется импульс, который передается на двигательные нейроны, идущие к мышцам грудной клетки и диафрагмы. При глубоком вдохе этот импульс двойной: сразу после первого импульса возникает второй, но вдох получается не двойной, а просто глубокий. Нужно было понять, какие нейроны участвуют в организации такого двойного импульса, какие вещества — нейропептиды — активируют эти нейроны, какие рецепторы воспринимают сигнал и какова физиологическая функция или функции этого нейронного пути. Иными словами, предстояло выполнить очень большой объем совершенно разных исследований, от генетических и гистохимических тестов до электрофизиологических и поведенческих опытов.

Ученые работали с крысами, которым различными способами вводили микроинъекции бомбезиноподобных веществ в область КПБ. Бомбезиноподобные пептиды специфически активируют ритм возбуждений дыхательных нейронов, в том числе и в КПБ. В данном случае микроинъекции нейромедина B (neuromedin B) и его двойника GRP привели к увеличению частоты вздохов в 6–24 раза по сравнению с контрольными животными, которым делали инъекции нейтральным соленым раствором. Значит, для начала нужно было найти те участки респираторных центров, где синтезируются эти пептиды.

Это удалось сделать, исследуя картину экспрессии генов в мозге у крыс. Оказалась, что наибольшее сгущение нейронов, в которых экспрессируются нейромедин B и GRP, находятся в парафациальной респираторной группе нейронов. Причем области экспрессии этих двух нейропептидов пространственно разнесены. В целом нейроны парафациальных ядер возбуждаются при нехватке кислорода от специфической химической стимуляции. Так что местонахождение стартовой точки нейронного пути, формирующего вздох, вполне осмысленное — оно там, где находится сенсорный центр регуляции дыхательного ритмоводителя.

На следующем этапе выясняли, куда ведет этот путь. Для этого понадобились животные, у которых вместе с нейромедином B экспрессировался зеленый флуоресцентный белок. Таким образом удалось проследить отростки нейронов с экспрессией нейромедина B и GRP. Они, как выяснилось, идут непосредственно в КПБ и там заканчиваются. Действительно, это подтвердилось, когда стали проверять экспрессию рецепторов нейромедина B и GRP. Рецепторы экспрессировались именно там, в КПБ, и были расположены вместе (рис. 3). Часть рецепторов возбуждалась стимуляцией нейромедином B (примерно 110 нейронов), часть — от GRP (примерно 40 нейронов), а часть — от обоих нейропептидов (примерно 50 нейронов).

На следующем этапе работы необходимо было подтвердить функцию бомбезиноподобных рецепторов. Для этого крысам вводили ингибитор рецепторов нейромедина B и GRP. Как и ожидалось, частота глубоких вздохов уменьшилась в два раза. Точно такой же результат — двукратное уменьшение частоты вздохов — ученые получили у крыс с отключенными генами рецепторов нейромедина B и GRP. А если отключить сразу оба типа рецепторов (или ввести сразу два антагониста, или взять крыс с мутантными генами обоих рецепторов), то животное вовсе не будет вздыхать. Во всех случаях с дефектными бомбезиноподобными рецепторами никакие другие параметры — частота дыхания, объем вдоха и т. д. — не изменились по сравнению с контролем. И более того, функция этой группы рецепторов в КПБ оказалась строго специфичной. Это проверили в опытах, где крыс без обоих рецепторов поместили в условия гипоксии (8% О2). Частота глубоких вздохов никак не изменилась, их вовсе не было, а вот частота дыхания увеличилась в полтора раза — типичная реакция на гипоксию.

Специфичность этого нейронного пути и нейропептидов, которые его обслуживают, может послужить основой для выработки терапевтических препаратов, улучшающих дефектные дыхательные функции. Интересно также изучать физиологическое значение глубоких вздохов — зачем они вообще нужны, нельзя ли обойтись простым учащением дыхания? Теперь для изучения этого вопроса есть хороший инструмент — специфично работающие нейропептиды. Кстати, найдены и другие специфичные рецепторы в КПБ, которые срабатывают при зевании, плаче, смехе, нюхании. Зачем нам все эти реакции? Их физиологическую нагрузку можно изучить тем же способом: инактивировать соответствующие рецепторы и посмотреть, как изменятся параметры поведения и физиология.

http://elementy.ru/novosti_nauki/432690/Glubokie_vzdokhi_aktiviruyutsya_strogo_spetsifichnymi_neyronami_dykhatelnogo_tsentra