Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?


Р. Эспарза, Р. Фишман
Марс: научный гид







Главная / Новости науки версия для печати

Глубокие вздохи активируются строго специфичными нейронами дыхательного центра


Рис. 1. Глубокий вздох крысы

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-Bötzinger 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.

Рис. 2. Схема расположения центров активации дыхательных ритмов в стволе мозга человека

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-BötC) 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-Bötzinger 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).

Рис. 3. Схема нервного пути бомбезиноподобных нейронов

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


Комментарии (5)



Последние новости: НейробиологияЕлена Наймарк

22.06
Рыбки-брызгуны хорошо различают человеческие лица
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
8.06
Новые древние остатки людей с острова Флорес говорят о родстве «хоббитов» с эректусами
1.06
Половой отбор сделал сперматозоиды дрозофил самыми длинными в мире
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
12.05
Атмосферное давление на древней Земле было в два раза ниже современного
3.05
Создан семантический атлас человеческого мозга
28.04
Малыши гигантских динозавров росли очень быстро
19.04
Птицы учатся строить гнезда у своих знакомых

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия