I.                   ГИПОКСИЯ: МЕХАНИЗМЫ КОМПЕНСАЦИИ И АДАПТАЦИИ

 

УДК 612.014.4; 612.017.2

 

УВЕЛИЧЕНИЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМИОГРАММЫ У КРЫС ПРИ ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ НОРМОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ КАК ПРЕДИКТОР ДЕКОМПЕНСАЦИИ

 

Бурых Э.А.

 

Институт эволюционной физиологии и биохимии Российской академии наук

 им. И. М. Сеченова, Санкт-Петербург

edwb66@mail.ru

 

Аннотация: Исследовано 12 крыс-самцов Wistar в возрасте 14-15 недель. Нормобарическая гипоксия создавалась в аквариуме 15 л. путем смешивания азота из баллона и воздуха. Концентрация кислорода поддерживалась на уровне 3,5% до окончания гипоксического воздействия в момент возникновения у животного агонального дыхания типа «гэспинг». Регистрация электромиограммы производилась игольчатыми электродами с расстоянием между ними около 2 мм. внутри мышц задней поверхности бедра прибором «Энцефалан 131-03» (Россия). Спектральную мощность электромиограммы оценивали по Фурье в диапазоне 30-60 Гц. За 280±73сек до возникновения агонального дыхания у всех животных на фоне отсутствия двигательной активности отмечалось начало увеличения спектральной мощности электрмиограммы в диаазоне 30-60 Гц. Пик спектральной мощности отмечался за 127±34 сек до прекращения гипоксии и составлял 53±37 мкВ2. Отмечалась положительная корреляция между длительностью воздействия и временем начала роста спектральной мощности ЭМГ на уровне r=0,85 (p<0.01). В период, начиная с 35±20 сек после прекращения гипоксии, спектральная мощность электромиограммы возвращалась к фоновому уровню. Результаты исследования позволяют рассматривать рост спектральной мощности электромиограммы как один из прогностических маркеров наступающей декомпенсации.

Ключевые слова: гипоксия, экстремальная, нормобарическая, электромиограмма, спектральная мощность, декомпенсация.

 

ДЕКОМПЕНСАЦИЯНЫН БОЖОМОЛУ КАТАРЫ ЭКСТРЕМАЛДЫК НОРМОБАРИКАЛЫК ГИПОКСИЯДА КЕЛЕМИШТЕРДЕ ЭЛЕКТРОМИОГРАММАНЫН СПЕКТРДИК КҮЧҮН ЖОГОРУЛАТУУ

 

Бурых Э.А.

 

И. M. Сеченова атындагы Россия илимдер академиясынын эволюциялык физиология жана биохимия институту, Санкт-Петербург

edwb66@mail.ru

 

Аннотация: 14-15 жумалык 12 эркек келемиштери Wistar да изилденген. Нормобарикалык гипоксия 15 литрлик аквариумда түзүлгөн. цилиндрдеги азот менен абаны аралаштыруу менен. Кычкылтектин концентрациясы 3,5% денгээлде гипоксиялык экспозиция аяктаганга чейин, жаныбарда «дем алуу» түрүндөгү агоналдык дем пайда болгон учурда сакталып турган. Электромиограмма алардын ортосундагы 2 ммдей аралыкта ийне электроддорунун жардамы менен жазылган. Encephalan 131-03 (Россия) аппаратынын жардамы менен сандын арткы булчуңдарынын ичинде. Электромиограмманын спектрдик кубаттуулугун Фурье 30-60 Гц диапазондо баалады. Агоналдык дем алуу башталганга чейин 280±73 секунд калганда, бардык жаныбарларда кыймыл активдүүлүгүнүн жоктугунун фонунда электромиограмманын спектралдык күчү 30-60 Гц диапазондо жогорулай баштаганы белгиленген. Спектрдик кубаттуулуктун чокусу гипоксия токтогондон 127±34 секунд мурда байкалып, 53±37 мкВ2 түздү. Экспозициянын узактыгы менен EMG спектралдык кубаттуулугунун өсүү убактысынын ортосунда r=0,85 деңгээлинде оң корреляция бар (p<0,01). Гипоксия токтогондон кийин 35±20 секунддан башталган мезгилде электромиограмманын спектралдык күчү фондук деңгээлге кайтып келди. Изилдөөнүн натыйжалары электромиограмманын спектрдик күчүн жогорулатууну алдыдагы декомпенсациянын прогностикалык маркерлеринин бири катары кароого мүмкүндүк берет.

Негизги сөздөр: гипоксия, экстремалдык, нормобарикалык, электромиограмма, спектрдик күч, декомпенсация.

 

AN INCREASE IN SPECTRAL POWER OF THE ELECTROMYOGRAM IN RATS UNDER EXTREME NORMOBARIC HYPOXIA AS A PREDICTOR OF DECOMPENSATION

 

Burykh E.A.

 

Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of the Russian Academy of Sciences

 them. I. M. Sechenova, St. Petersburg

edwb66@mail.ru

 

Annotation: 12 male Wistar rats aged 14-15 weeks were studied. Normobaric hypoxia was created in a 15 liter aquarium by mixing nitrogen from a balloon and air. The oxygen concentration was maintained at 3.5% until the end of the hypoxic exposure at the moment when agonal breathing of the “gasping” type appeared in the animal. The electromyogram was recorded using needle electrodes with a distance of about 2 mm between them inside the muscles of the back of the thigh using the Encephalan 131-03 device (Russia). The spectral power of the electromyogram was assessed by Fourier in the range of 30-60 Hz. 280±73 seconds before the onset of agonal breathing, in all animals, against the background of the absence of motor activity, the beginning of an increase in the spectral power of the electromyogram was noted. The peak of spectral power was observed 127±34 seconds before the cessation of hypoxia and amounted to 53±37 μV2. There was a positive correlation between the duration of exposure and the time of onset of growth in EMG spectral power at the level of r=0.85 (p<0.01). In the period starting from 35±20 seconds after the cessation of hypoxia, the spectral power of the electromyogram returned to the background level. The results of the study allow us to consider an increase in the spectral power of the electromyogram as one of the prognostic markers of upcoming decompensation.

Key words: hypoxia, extreme, normobaric, electromyogram, spectral power, decompensation.

 

            Введение

Экстремальное гипоксическое воздействие не позволяет организму эффективно задействовать механизмы мобилизации защитных ресурсов организма в рамках долговременной адаптации. Истощение имеющихся на момент начала воздействия защитных ресурсов организма, затраченных на компенсацию гипоксии, приводит к состоянию декомпенсации и неизбежной при продолжении воздействия гибели организма. При экстремальной нормобарической гипоксии у экспериментальных животных одним из поздних маркеров состояния декомпенсации является возникновение агонального дыхания типа «гэспинг» [1]. Одной из актуальных проблем в рамках исследования экстремальной гипоксии является поиск более ранних маркеров начинающейся декомпенсации. Одним из таких индикаторов может являться электромиографическая активность мышц. Сведения литературы по этому вопросу недостаточны. Они касаются преимущественно электрической активности мышц, выполняющих при гипоксии физическую нагрузку, или дыхательных мышц [2,3]. В то же время, в доступной литературе отсутствует информация об указанном аспекте проблемы в отношении покоящихся мышц. Имеются косвенные признаки того, что электромиограмма покоя может быть информативна в качестве индикатора ответа организма. Речь идет, во-первых, об активности при гипоксии мышечных симпатических нервов [4,5], во-вторых – об известном феномене повышения при экстремальной гипоксии судорожной готовности, который неизбежно должен включать в себя и изменения электрической активности мышц [6]. Однако в преломлении к процессам декомпенсации при гипоксии электрическая активность поперечно-полосатых мышц, находящихся в покое, не исследована или сведения об этом в литературе отсутствуют.

Цель исследования: изучение электромиограммы одной из поперечно-полосатых мышц в динамике экстремального гипоксического воздействия у крыс и оценка возможной связи электромиограммы с развитием состояния декомпенсации. 

Материалы и методы исследования

Исследование проведено на 12 крысах-самцах Wistar (возраст, 14-15 недель). Гипоксия создавалась путем смешивания азота, поступающего из баллона под небольшим давлением и воздуха, диффундирующего в прозрачный контейнер емкостью 15 л., в котором находилось животное. Концентрация кислорода снижалась за 10 мин до 3,5% и поддерживалась на этом уровне вплоть до прекращения воздействия в момент возникновения у животного агонального дыхания типа «гэспинг». Концентрация кислорода оценивалась датчиком КЕ-25 F3 (Figaro, Япония). Регистрация электромиограммы (ЭМГ) производилась внутри мышц задней поверхности бедра биполярным игольчатым электродом с расстоянием между полюсами около 2 мм. на приборе «Энцефалан 131-03» (Медиком, Россия). Вся зарегистрированная ЭМГ разбивалась на 10 сек отрезки, которые подвергались спектральному анализу по Фурье. Оценивали суммарную спектральную мощность (СМ) ЭМГ сигнала в диапазоне 30-60 Гц. При анализе групповых данных использовали методы непараметрической статистики.

Результаты исследования и их обсуждение

При гипоксическом воздействии в данном исследовании ЭМГ, зарегистрированная внутри мышц задней поверхности бедра, у всех крыс претерпевала однотипные изменения. На рис. 1. приведены фрагменты ЭМГ длительностью от 7 до 13 сек у одной из крыс К1. В фоне (рис.1, А) высокочастотная активность на ЭМГ практически отсутствует. На определенном этапе гипоксического воздействия – через 1120 сек после начала гипоксии амплитуда ЭМГ начинает увеличиваться (рис.1, В). Через 1360 сек после его начала амплитуда ЭМГ достигает

 

Рисунок 1. Фрагменты ЭМГ у крысы К1 в разные периоды эксперимента: А – фон, В – начало возрастания спектральной мощности ЭМГ при гипоксии, С – в период максимальной спектральной мощности ЭМГ при гипоксии, D – сразу после окончания гипоксии. Расстояние между вертикальными пунктирными линиями сетки соответствует 1 сек записи, между горизонтальными – 20 мкВ.

           

максимальных значений (рис.1, С). В момент возникновения агонального дыхания – через 1420 сек после начала воздействия амплитуда ЭМГ несколько снижается по сравнению с максимальными значениями. В течение 13 сек после окончания воздействия амплитуда ЭМГ относительно быстро снижается (рис.1, D).

На рис.2, А представлена динамика СМ ЭМГ в диапазоне 30-60 Гц у крысы К1, фрагменты ЭМГ которой приведены на рис.1. СМ ЭМГ в фоне (точка Т1) близка к 0. С момента Т2 отмечается  рост СМ ЭМГ, на фоне которого имеются периоды снижений, в которые, однако, СМ ЭМГ не снижается до 0. В момент Т3 СМ ЭМГ достигает максимума. В момент окончания гипоксии в точке Т4 СМ  ЭМГ снижается примерно до половины от максимальных значений в точке Т3. Уже через 13 сек после окончания гипоксии в момент Т5 СМ ЭМГ снижается.

По горизонтали каждый отсчет соответствует 10 сек, по вертикали спектральная мощность в мкВ2. Вертикальные линии Т1-Т5: Т1 – начало гипоксии, Т2 – момент поступательного роста спектральной мощности ЭМГ, Т3 – момент максимума спектральной мощности ЭМГ, Т4 – момент окончания гипоксии, Т5 – момент снижения спектральной мощности ЭМГ в постгипоксическом периоде до фоновых значений практически до 0. Сходная динамика СМ ЭМГ с несколько иным расположением точек Т2-Т5 на временной оси наблюдается у крысы К2 (рис.2, В).

Рисунок 2. Динамика спектральной мощности ЭМГ в диапазоне 30-60 Гц у крыс К1 – А  и К2 – В, в ходе эксперимента.

 

            В таблице 1 приведены статистические данные СМ ЭМГ в рассмотренных на рис.2 временных точках Т1-Т5  по группе обследованных крыс. Следует обратить внимание на два факта. Во-первых, момент начала роста СМ ЭМГ  на временной оси (точка  Т2) находится ближе к окончанию гипоксии (точка Т4), чем к ее началу. Во-вторых, наблюдается относительно быстрое (в сравнении с предшествующим ростом) снижение СМ ЭМГ по окончании воздействия (Т5).

Таблица 1

Временные и амплитудные характеристики кривой динамики спектральной мощности ЭМГ в моменты времени

Точка времени

Время

СМ ЭМГ, мкВ2

Т1

60 сек от начала фона

0,5±0,3

Т2

1009±138 сек от начала гипоксии

5,4±10,2

Т3

1153±201 сек от начала гипоксии

53,4±36,8

Т4

1281±149 сек от начала гипоксии

48,7±28,3

Т5

36±20 сек после окончания гипоксии

0,7±0,2

           

На рис.3 представлено распределение индивидуальных величин по группе крыс в плоскости значений Т2 и Т4, демонстрирующее как коррелируют длительность переносимого гипоксического воздействия и момент начала роста СМ ЭМГ. Отмечается высокая корреляция между этими показателями на уровне r=0,85 (p<0,01).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что за определенное время до начала агонального дыхания, т.е. отчетливого проявления декомпенсации, у животных возникает рост электрической активности мышц. Высокая корреляция момента этого роста с моментом начала агонального дыхания свидетельствуют об их связи с запасом компенсаторной.

Рисунок 3. Высокая положительная корреляция между временем начала роста ЭМГ (временная точка Т2) и временем возникновения агонального дыхания (Т4). Кружки  на графике – индивидуальные данные крыс. Линия на графике – линия линейной регрессии. r = 0,85 - коэффициент корреляции между индивидуальными значениями T2 и Т4. устойчивости к гипоксии и о более ранней реакции электромиограммы на снижение этого запаса – или, иначе говоря, на определенный уровень декомпенсации.

           

Возникает закономерный вопрос – рост ЭМГ является отражением нарушений, связанных с декомпенсацией или отражением некоего механизма последнего резерва?

            Причины роста ЭМГ следует искать в повышении возбудимости поперечно-полосатых мышц, которая может происходить в силу нескольких причин: как часть увеличения произвольной активности (двигательной)[7], вследствие непроизвольной (вегетативной) регуляции[5] и метаболических изменений в мышце при гипоксии [8].

            Гипотеза о метаболических изменениях выглядит наиболее правдоподобно, учитывая силу воздействия. Однако, она сталкивается с тем фактом, что снижение ЭМГ по окончании гипоксии происходит уже в течение 30 сек (таблица), хотя известно, что метаболические изменения после выраженной гипоксии длятся существенно  дольше [9].

            Гипотеза о двигательной активности требует дальнейшего анализа. В рамках данной статьи автор может лишь упомянуть тот факт, что видимая двигательная активность животных за несколько минут  перед наступлением агонального дыхания значительно снижалась, в то время как ЭМГ была близка к максимальным значениям.

            Гипотеза о вегетативной регуляции представляется наиболее вероятной. Усиление активности мышечных симпатических нервов имеет место при гипоксии [5] и может приводить к росту ЭМГ [10]. По нашему предположению, увеличение ЭМГ при гипоксии является «побочным» продуктом активности мышечных симпатических нервов, направленных на увеличение сопротивления мышечных сосудов, повышение артериального давления и увеличение кровоснабжения мозга.

Заключение:

При экстремальной нормобарической гипоксии у крыс Wistar за несколько минут до начала агонального дыхания типа «гэспинг» имеет место рост электрической активности некоторых поперечно-полосатых мышц (задней поверхности бедра). Момент этого роста коррелирует с временем возникновения агонального дыхания – отчетливым проявлением декомпенсации. Таким образом, рост электрической активности поперечно-полосатых мышц при экстремальной гипоксии можно считать прогностическим признаком (предиктором) декомпенсации.

Работа выполнена в рамках ГЗ№ 075-00264-24-00 на базе Центра коллективного пользования ИЭФБ РАН (ЦКП ИЭФБ РАН)

 

           

Литература:

  1. Guntheroth W.G., Kawabori I. Hypoxic apnea and gasping // J Clin Invest. - 1975. – V. 56. - №6. – P. 1371 -1377.
  2. Smith C.M., Salmon O.F., Jenkins J.R. Neuromuscular and muscle tissue hemodynamic responses when exposed to normobaric hypoxia during lower-body fatiguing muscle actions // J.Musculoskelet Neuronal Interact. – 2023. – V.23. - №1. – P. 26-35.
  3. Easton P.A., Abe T., Smith J. et al. Activity of costal and crural diaphragm during progressive hypoxia and hypercapnia // J Appl.Physiol (1985).- 1995. – V.78. - №5. – P. 1985-1992.
  4. Hardy J.C., Gray K., Whisler S. et al. Sympathetic and blood pressure responses to voluntary apnea are augmented by hypoxemia // J Appl Physiol (1985).- 1994. – V.77. - №5. – P. 2360-2365.
  5. Rowell L.B., Johnson D.G., Chase P.B. et al. Hypoxemia raise muscle sympathetic activity but not norepinephrine in resting humans // J Appl.Physiol (1985).- 1989. – V.66. - №4. – P. 1736-1743.
  6. Fukushi I., Ikeda K., Takeda K. Et al. Minocycline prevents hypoxia-induced seizures // Front Neural Circuits. – 2023. – V. 17. – P. 1006424.
  7. van RaaiJ M., Pit D., Balm P. et al. Behavioral strategy and physiological response in rainbow exposed to severe hypoxia // Horm Behav. – 1996. – V. 30. - №1. – P.85-92.
  8. Zange J., Grehl T., Disselhorst-Klug C. et al. Breakdown of adenine nucleotide pool in fatiguing skeletal muscle in McArdle’s disease: a noninvasive 31P-MRS and EMG study // Muscle nerve. – 2003. – V.27. - №6. – P.728-736.
  9. Benzi G., Villa R.F. Adenyl cyclase system and cerebral energy state // J Neurol Neurosurg Psychiatry.-1976.-V.39. - №1. – P. 77-83.
  10.  Seals D.R., Enoka R.M. Sympathetic activation is associated with increases in EMG during fatiguing exercise // J Appl Physiol (1985).- 1989. – V.66. - №1. – P. 88-95.