» » Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра

Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра


Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра

Рис. 1. Глубокий вздох и крысы, и человека, хотя и отличается в деталях, регулируется одинаковыми группами нейронов и нейропептидов. Фото с сайта dailymail.co.uk


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, см.: Pre-Botzinger complex; 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.


Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра

Рис. 2. Схема расположения центров активации дыхательных ритмов в стволе мозга человека. Отмечены популяции нейронов, ответственных за активацию вдоха (оранжевые, подписаны буквой I) и выдоха (зеленые, подписаны буквой E). Комплекс пре-Бётцингера (pre-BotC) указан красными кружочками, парафациальные респираторные группы — розовыми кружочками. IX, X — места выхода языкоглоточного и блуждающего нервов, С1 — первая пара спинномозговых нервов. Рисунок составлен на основе изображений с сайта rpp.nashaucheba.ru и из статьи Stephan W. Schwarzacher et al., 2010. Neuroanatomical characteristics of the human pre-Botzinger complex and its involvement in neurodegenerative brainstem diseases


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).


Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра

Рис. 3. Схема нервного пути, в котором задействованы бомбезиноподобные нейропептиды, от парафациальной респираторной группы (RTN/pFRG — retrotrapezoid nucleus/parafacial respiratory group) к КПБ. Зелеными кружочками обозначены нейроны с экспрессией нейромедина B (NMB), красными — нейроны с экспрессией GRP; видно, что нейроны двух типов хорошо обособляются друг от друга. Цветными квадратиками обозначены соответствующие рецепторы; видно, что они перемешаны (желтым показаны рецепторы обоих нейропептидов). Схема из обсуждаемой статьи в Nature


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.

Источник: Peng Li, Wiktor A. Janczewski, Kevin Yackle, Kaiwen Kam, Silvia Pagliardini, Mark A. Krasnow & Jack L. Feldman. The peptidergic control circuit for sighing // Nature. Published online 08 February 2016. DOI: 10.1038/nature16964.

Елена Наймарк


13 сентябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

В мозге птиц обнаружен механизм, не позволяющий переучивать выученное

Американские нейробиологи обнаружили механизм, не позволяющий зебровым амадинам переучивать те элементы песни, которые они уже выучили. Ключевую роль в обучении пению играют премоторные нейроны

С возрастом у рыб теряется способность к формированию некоторых типов нервных клеток

Исследователи из Германии и Австралии показали, что с возрастом у рыбок данио в мозжечке снижается количество нейрональных стволовых клеток, а также сужается спектр их возможных дифференцировок.

«Сигналы голода» от гипоталамуса замедляют формирование новых нейронов у мышей

Выяснилось, что активировать стволовые клетки определенного подтипа и запустить образование ими новых нейронов могут сигналы, посылаемые по длинным отросткам клеток, лежащих в гипоталамусе.

Электрические синапсы рыб оказались несимметричными

Американские нейробиологи установили, что у рыб данио-рерио электрические синапсы — один из видов контактов между нервными клетками — вопреки общепринятому мнению не симметричны. Каждая из двух

Стволовые клетки могут дифференцироваться в конечное состояние разными путями

Дифференцировка стволовых клеток, то есть их превращение в тот или иной клеточный тип, — это сложный многоступенчатый процесс. Существует два подхода к дифференцировке клеток in vitro. Можно
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереНа МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой