Сравнительное исследование кардиореспираторной функции ушастых и настоящих тюленей в цикле сон-бодрствование

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Специальность 03.03.01 - физиология

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КАРДИОРЕСПИРАТОРНОЙ ФУНКЦИИ УШАСТЫХ И НАСТОЯЩИХ ТЮЛЕНЕЙ В ЦИКЛЕ СОН-БОДРСТВОВАНИЕ

Кибальников Антон Сергеевич

Астрахань -2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Представления о физиологии кардиореспираторной функции тюленей чрезвычайно важны для понимания процессов, за счет которых морские млекопитающие, дышащие воздухом, сумели приспособиться к жизнедеятельности в водной среде обширных пространств морей и океанов. Благодаря усилиям специалистов разных стран в настоящее время многое известно про глубины, которых достигают тюлени при нырянии (de Kleer, 1975; Галанцев, 1978; Connor et al., 2006; Матишов и др., 2010) и про механизмы, благодаря которым эти формы жизнедеятельности достигаются (Ridgway et al., 1975; Castellini et al, 1998), о рационе и процессе их питания (Крушинская, Лисицина, 1983), про физиологию их онтогенеза (Castellini, 1994; Lapierre et al., 2004 и др.), а также об особенностях реализации процессов высшей нервной деятельности (Лямин, 1986; Лямин, Мухаметов, 1998; Mukhametov et al., 1985; Масс, Супин, 2003 и др.).

Гораздо меньше известно об организации цикла сон-бодрствование тюленей, а также о том, как в динамике этого цикла реализуются сердечнососудистая и дыхательная функции (Shadwick, Gosline, 1994; Zenteno-Savin, Castellini, 1998). Основная причина указанного недостатка информации кроется в том, что далеко не все понятно, какие имеются, в чем заключаются и с чем связаны различия в организации взаимовлияний и переходов между сном и бодрствованием в разных таксономических группах тюленей. В то же время не вызывает сомнений, что реализация физиологических функций их организма отличается широчайшим разнообразием, поскольку условия обитания морских млекопитающих чрезвычайно разнообразны и охватывает большую часть морей мирового океана (Encyclopedia of Marine Mammals, 2008).

Здесь уместно подчеркнуть хорошо известные факты о том, что млекопитающим, ведущим наземный образ жизни, свойственно постепенное снижение тонуса скелетной мускулатуры в медленном сне и, особенно, во время его парадоксальной фазы вплоть до атонии, но с сохранением автоматизма регуляции кардиореспираторной функции (Коган и др. 1971; Фельдман, 1974; Вейн и др., 1985; Jouvet, 1992; Ковальзон, 1993, 2011; Вербицкий, 2003; Siegel, 2005). Именно поэтому оценке тонуса мускулатуры уделяется важная роль при дифференциации фаз сна наземных млекопитающих, включая человека (Rechtshaffen, Kales, 2002).

В отличие от наземных, морские млекопитающие, в частности, тюлени во время пребывания в воде не могут позволить себе полной обездвиженности без риска асфиксии (Мухаметов, Супин, 1982; Houck, Jefferson, 1999). В современной литературе имеются сведения о различных механизмах, которые реализуют эти животные в зависимости от того, где они находятся: на твердом субстрате (суша, лед), в водной среде, или на ее поверхности (Castellini et al, 1994; Лямин, 1994, 1998 и др.). Разнообразие условий, в которых проживают различные группы морских млекопитающих, определяет значительный интерес к исследованию физиологии кардиореспираторной функции представителей разных таксономических групп тюленей во время чередования фаз сна, а также в периоды поддержания бодрствования. Традиционно исследования морских млекопитающих проводятся в условиях неволи при моделировании естественных условий обитания животных (Галанцев, 1978; Лямин, 1986; Лямин, Мухаметов, 1998; Войнов, 2010 и др.).

Целью настоящей работы являлось сравнительное изучение кардиореспираторной функции в динамике цикла сон-бодрствование двух семейств тюленей - ушастых (Otariidae) и настоящих (Phocidae) на примере северных морских котиков (Callorhinus ursinus) и гренландских тюленей (Pagophilus groenlandicus), при вольерном содержании животных в условиях неволи.

Задачи, которые решались для достижения поставленной цели:

1. Провести анализ поведения и контроля электрофизиологических показателей активности центральной нервной системы ушастых и настоящих тюленей с дифференциацией бодрствования и оценкой смены фаз сна для выявления особенностей организации цикла сон-бодрствование.

2. Изучить организацию дыхательных движений и частоты сердечных сокращений по электрокардиограмме ушастых и настоящих тюленей при переходе от спокойного бодрствования ко сну.

3. Выполнить сравнительный анализ реализации кардиореспираторной функции в цикле сон-бодрствование у ушастых и настоящих тюленей с выявлением ее индивидуально-групповых особенностей.

Научная новизна

Детализированы и уточнены представления об изменениях кардиореспираторной функции во время апноэ, возникающих в бодрствовании и при развитии сна у северных морских котиков. Впервые оценены апноэ бодрствования и сна у гренландских тюленей.

Впервые путем сравнительного анализа выявлены групповые и индивидуальные черты различий и общности в изменениях дыхания, а также частоты сердечных сокращений у северных морских котиков и гренландских тюленей, как во время бодрствования, так и при развитии сна.

Обоснованы представления о нейрофизиологических характеристиках церебрального ритмогенеза на апноэ во время сна, отражающих видоспецифические черты ушастых и настоящих тюленей, необходимые для обеспечения жизнедеятельности организма в различных условиях обитания.

Теоретическая значимость. Результаты данной работы позволяют конкретизировать существующие представления о характере регуляции кардиореспираторной функции в разных таксономических группах тюленей в динамике цикла сон-бодрствование.

Проведённые исследования позволяют расширить, углубить и систематизировать представления об особенностях реализации сна у ушастых и настоящих тюленей. Выполненные наблюдения раскрыли существо связи возникновения апноэ ластоногих с фазами сна и позволили детализировать нейрофизиологические корреляты этой взаимозависимости.

Практическая значимость. Полученные данные могут быть в дальнейшем использованы при разработке новых методов выявления и купирования ночных расстройств дыхания по типу апноэ и гипопноэ сна.

Результаты проведённого исследования использованы при подготовке практических рекомендаций по отбору тюленей при их отлове, а также по уточнению физиологии для оптимизации обучения животных при взаимодействии с человеком. Разделы работы использованы при чтении лекций по физиологии высшей нервной деятельности в ЮФУ, а также при подготовке бакалавров и магистров биологического факультета вуза.

Учитывая перспективность морских млекопитающих в составе биотехнических систем, - полученные в работе новые знания об их поведении и физиологии позволяют повысить эффективность использования животных в интересах человека.

Внедрение результатов исследования. Основные практические результаты исследования нашли применение в работе океанариумов: ООО «Ростовский океанариум», г. Ростов-на-Дону и ООО «Ростовит», п. Небуг, Краснодарского края.

Апробация результатов исследования. Материалы диссертации были представлены на: 5-й Российской школе-конференции «Сон - окно в мир бодрствования» (Ростов-на-Дону, 2009 г.), 6-й ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (Ростов-на-Дону, 2010 г.), 7-й ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр ЮНЦ РАН (Ростов-на-Дону, 2011 г.), на совместном заседании кафедры физиологии человека и животных и НИИ Валеологии ЮФУ, на заседании ученого совета Института аридных зон Южного научного центра РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из которых 2 статьи, в журналах, рекомендованных ВАК, 1 статья в других изданиях и 14 тезисов.

Структура диссертации. Диссертация, изложенная на 176 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав (обзор литературы, методика, результаты и обсуждение), выводов и списка литературы, содержащего 266 источник, из которых 140 - зарубежных и 126 русскоязычных. Работа иллюстрирована 16 таблицами и 29 рисунками.

Положения, выносимые на защиту:

Регуляция кардиореспираторной функции северных морских котиков и гренландских тюленей имеет характерные черты, которые связываются с обнаруженными различиями в поведении, а также в формировании бодрствования, медленноволновой и парадоксальной фаз сна.

Апноэ у северных морских котиков приурочены к спокойному бодрствованию и еще чаще к парадоксальному сну, тогда как у гренландских тюленей они встречаются во всех состояниях цикла сон-бодрствование. Судя по спектральным характеристикам биоэлектрической активности мозга, реорганизация нервных процессов на апноэ имеет свои, характерные отличия у котиков и тюленей.

Обнаруженные отличия сна и бодрствования, апноэ в дыхании и дыхательной аритмии сокращений сердца с учетом поведенческой реактивности (тревожности) раскрывают видоспецифичность регуляции кардиореспираторной функции в цикле сон-бодрствование северных морских котиков и гренландских тюленей, обеспечивающую жизнедеятельность в различных условиях обитания, позволяя первым лучше адаптироваться к более теплым, а вторым - к более холодным водам морей мирового океана.

Автор выражает благодарность за предоставленную возможность выполнения работы и помощь при проведении исследований О.И. Лямину, заведующему лабораторией Утришской морской станции Института проблем экологии и эволюции РАН, а так же А.Л. Михайлюку, заведующему Биотехническим аквакомплексом Мурманского морского биологического института КНЦ РАН.

Особая благодарность - председателю ЮНЦ РАН академику Г.Г. Матишову и директору ИАЗ ЮНЦ РАН член-корр. РАН Д.Г. Матишову за предоставленную возможность работы над диссертацией. Большую благодарность выражаю первому проректору ЮФУ по научной работе и инновациям, профессору Е.К. Айдаркину за возможность обучения в аспирантуре ЮФУ на кафедре физиологии человека и животных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

кардиореспираторный ушастый тюлень бодрствование

Работа выполнена на 10 животных: 5 северных морских котиках (Callorhinus ursinus; «котики») в возрасте 1, 5-2 года весом 20-25 кг и 5 гренландских тюленях (Pagophilus groenlandicus; «тюлени») в возрасте 2-3-х лет, весом 50-60 кг, которые были отловлены более года назад и адаптированы к неволе. Северные морские котики исследовались на Утришской морской станции Института проблем экологии и эволюции РАН в летне-осеннее время (зав. лабораторией, к.б.н. О.И. Лямин). Изучение гренландского тюленя выполнялось на экспериментальном полигоне Мурманского морского биологического института КНЦ РАН (зав. аквакомплексом А.Л. Михайлюк). Исследования проводились в вольере с деревянным помостом, окруженном водой глубиной 5-10 см.

Оперативные вмешательства для имплантации электродов выполнялись под общей анестезией (смесь 1-3 % изофлурана с кислородом или ветранквил 1 % с ксилозилом), премедикация - атропин внутримышечно (1 мл). Состояние животных оценивалось по ректальной температуре, частотам дыхания и сердечных сокращений, по оксигенации артериальной крови. Электрокортикограмма (ЭКоГ), электромиограмма (ЭМГ), электрокардиограмма (ЭКГ) и электроокулограмма (ЭОГ) отводились через имплантированные электроды с референтным электродом в назальной кости. Постоперационный период составлял 7 суток. Биоэлектрическая активность регистрировалась через кабель усилителем «Medicor» (Венгрия) или полисомнографом «Leonardo» (Германия) с выделением ЭКоГ, ЭОГ в диапазонах 0, 3-30 Гц, ЭМГ в диапазоне 0, 3-70 Гц и их оцифровкой (частота квантования 200 Гц) с параллельным видеомониторированием. Спектральная мощность ЭКоГ вычислялась у северных морских котиков в левом и правом фронто-окципитальных отведении, а у гренландских тюленей в отведениях активности от центральной (Сs, Сd), париетальной (Рs, Рd) и окципитальной (Оs, Оd) областей мозга с помощью быстрого преобразования Фурье на пятисекундных эпохах анализа в диапазонах колебаний биопотенциалов: 1, 4-4, 0 Гц, 4, 1-8, 0 Гц, 8, 1-12, 0 Гц, 12, 1-16, 0 Гц и 16, 1-30, 0 Гц. Анализ цифровых рядов проводился в программной среде Энцефалан - 131-03 11м (МТД Медиком, г. Таганрог) и программного обеспечения «Spike 2» (лаборатория О.И. Лямина) после цифровой фильтрации в полосе 1, 4-30, 0 Гц. Для оценки степени межполушарной асимметрии ЭЭГ во время сна и бодрствования использовали коэффициент асимметрии (КА) по формуле: КА=(Л-П)/(Л+П), где Л и П - нормированные мощности спектров в левом и правом полушариях, соответственно. Число эпох медленного сна с абсолютным значением КА<0.3 и КА>0.3 использовалось как оценка продолжительности билатерально симметричного и асимметричного МС, соответственно. Соотношение числа эпох с КА > +0.3 и < -0.3 в диапазоне дельта-активности рассматривалось как показатель степени латерализации спектральной мощности ЭЭГ ластоногих в данном диапазоне (Косенко, 2010).

Начало вдоха и выдоха определялось на кадрах видеоконтроля по раскрытию ноздрей животных с учетом регистрируемого ороназального потока. Оконтуривание и измерение площади раскрытия ноздрей выполнялось программой Scandium (Universal SEM Imaging Platform). Увеличение (на 40 % и более) ноздрей при отрицательном ороназальном потоке вслед за выдохом считалось началом вдоха, а увеличение ноздрей при положительном ороназальном потоке, следующем за дыхательной паузой или вдохом - началом выдоха. Длительность дыхательного цикла определялась по интервалу между очередными вдохами, а задержка дыхания в 25 секунд и более оценивались как апноэ. Электрокардиограмма анализировалась в спокойном бодрствовании, асимметричном и билатеральном медленном сне и парадоксальном сне (ПС) посредством расчета «мгновенной частоты сердечных сокращений» (мЧСС), как обратной величины от средней длительности трех последовательных RR-интервалов. (Вариабельность сердечного ритма…, 1999). О дыхательной аритмии судили по экстремумам в распределении мЧСС, вариабельность которых оценивалась вариационным размахом (R) (Баевский, 1979). Статистический анализ выполнялся методами двухфакторного дисперсионного анализа ANOVA (критерий Фишера - F) и парного теста Колмогорова - Смирнова (p<0, 01). Значимость статистических отличий проверялась t-критерием Стьюдента с поправкой Бонферрони.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Различия в реализации цикла сон-бодрствование северных морских котиков и гренландских тюленей. Анализ поведения животных позволил отметить большую поведенческую активность Котиков 2, 4 и 5, которая проявляется в их большей агрессивности в отношении людей и своих сородичей; в активном, жадном взятии пищи; в интенсивном проявлении ориентировочного поведения. При анализе поведения гренландских тюленей так же выделялись особи, с выраженными особенностями. К таким животным относились Тюлени 2 и 3, отличающиеся от Тюленей 1, 4 и 5 более активной формой поведения и агрессивностью.

Использование параметров ЭКоГ и методов стадирования состояний цикла сон-бодрствование, разработанных в лаборатории О.И. Лямина, позволило оценить поведение ластоногих с точки зрения особенностей бодрствования и качества сна. На рисунке 1 представлены примеры ЭКоГ северного морского котика (Котик 3), соответствующие состояниям активного бодрствования (1), асимметричного медленного сна в левом (2) и правом (3) полушариях (значения коэффициента асимметрии в которых были больше +0, 3 в левом и меньше -0, 3 в правом полушариях [Лямин, Мухаметов, 1998]), а так же фазе билатерального (4) медленного (значения коэффициента асимметрии при этом были меньше +0, 3 и больше -0, 3) и парадоксального сна (5).

Примечание. Вверху: фрагменты ЭКоГ; внизу: графики значений коэффициента асимметрии ЭКоГ для 2-х видов асимметричного и билатерального медленного сна; 1-5 - спокойное бодрствование, асимметричный медленный сон в левом и правом полушариях мозга, билатеральный медленный сон, парадоксальный сон.

Рисунок 1. Примеры параметров ЭКоГ северного морского котика в спокойном бодрствовании и во сне.

Среднее количество медленного сна составило днем 11, 4 %, а ночью 28, 6 % от времени записи. На парадоксальный сон приходилось в среднем 4, 0 % за дневное время регистрации и 8, 8 % за ночное. На долю эпизодов асимметричного медленного сна приходилось в среднем 1, 5 % за 12 часов дневной регистрации и 6, 4 % за столько же времени регистрации ночью. Как показал более детальный анализ медленного сна, доля асимметрии ЭКоГ в процентах составляла 46, 2 % днем и 47, 0 % ночью. У котиков большая часть времени суток приходилась на бодрствование 47, 5 %, в котором активное бодрствование занимало 25, 5 %, а спокойное бодрствование - 22, 0 %.

В отличие от северных морских котиков структура сна гренландских тюленей сходна со структурой наземных млекопитающих, для которых во время медленной фазы сна характерна активность дельта-диапазона в обоих полушариях одновременно, т.е. для них асимметричный медленноволновый сон не характерен. У всех гренландских тюленей в цикле сон-бодрствование большую часть времени суток занимало активное бодрствование (46, 8 %). Второе место занимает спокойное бодрствование (27, 2 %), третье - медленный (24, 5 %) и четвертое - парадоксальный сон (2, 5 %). Расчеты выполнены в процентах от времени суток. Количество медленного сна днем уменьшается и составляет в среднем 5, 5 % от 12 часов регистрации. Ночью среднее количество этого сна возрастает и достигает значения 18, 0 %. В то время как парадоксальный сон в светлое время суток практически отсутствует (Тюлень 3). Самое большое количество парадоксального сна днем наблюдается у тюленя 2 (1, 1 %), а среднее составляет 0, 5 %. Ночью же эти значения составляют в среднем 2, 0 %.

Полученные нами результаты об организации сна северных морских котиков аналогичны данным более ранних исследований (Мухаметов и др., 1986). Хотя результаты о цикле сон-бодрствование гренландских тюленей несколько отличаются от результатов более ранних работ, в которых исследовались более молодые особи (Лямин с сотр., 1989; Lyamin, 1993; Lyamin et al., 1993).

Особенности дыхания северных морских котиков в цикле сон-бодрствование. С помощью метода двухфакторного дисперсионного анализа (ANOVA) было выявлено, что продолжительность дыхательного цикла имеет зависимость от действия факторов: «индивидуальность» и «состояние», и их сочетаний: фактор «индивидуальность» - F=82, 35; Р<0, 001; фактор «состояние» - F=102, 93; Р<0, 001; «индивидуальность» Ч «состояние» - F=23, 16; Р<0, 001.

Анализ распределения длительности дыхательных циклов у котиков, находящихся в спокойном бодрствовании или медленном сне, позволил дифференцировать ритмичное, стереотипное дыхание (дыхательный цикл до 25 секунд) и эпизоды аритмичного дыхания, когда отдельные дыхательные циклы превышали 25 секунд за счет апноэ. Снижение частоты дыхания на ритмичных фрагментах определяется удлинением дыхательных циклов, а повышение частоты - их укорочением.

На рисунке 2 показаны распределения длительности дыхательных циклов у котиков, включая циклы с апноэ в спокойном бодрствовании, асимметричном и билатеральном медленном и в парадоксальном сне. Распределения бодрствования и медленного сна отличались мономодальной формой, отражающей ритмичный характер дыхания с дыхательным циклом 10-20 секунд. При переходе от спокойного бодрствования (у²_ср=20, 1±3, 2) к билатеральному медленному сну (у²_ср=13, 4±3, 0) дыхание становилось более редким.

На это указывают уплощение графиков и смещение моды распределения вправо у большинства животных (тенденция удлинения дыхательного цикла - замедления дыхания). Однако эти изменения дыхания имели индивидуальные особенности. У Котиков 1 и 3 в спокойном бодрствовании и медленном сне выявлены отличия по сравнению с Котиками 2, 4 и 5, заключающиеся в разной частоте дыхания. Аритмия дыхания в парадоксальном сне отражалась в полимодальном виде распределения дыхательных циклов, в возникновении аритмичного дыхания с апноэ (более 60 секунд), составляющих 1-4 % от всей совокупности данных (у²_ср=105, 2±30, 0).

Примечание: СБ - спокойное бодрствование, АМС - асимметричный медленный сон, БМС - билатеральный медленный сон, ПС - парадоксальный сон. По оси ординат - процент от общего числа циклов, по оси абсцисс - длительность дыхательных циклов от 0 до 60 секунд; шаг (классы) - 2 секунд.

Рисунок 2. Гистограмма распределения длительности дыхательных циклов у северных морских котиков во сне и бодрствовании

В таблице 1 представлен показатель вероятности появления длительных дыхательных циклов во время сна и бодрствования. У большинства котиков максимальная вероятность дыхания с апноэ отмечалась в парадоксальном сне. У четырех Котиков (1, 2, 3 и 5) вероятность аритмии дыхания была выше в спокойном бодрствовании, чем в билатеральном медленном сне.

Результаты анализа различий на ритмичных участках дыхания (без апноэ) в спокойном бодрствовании, билатеральном и асимметричном медленном сне, а также в парадоксальном сне для каждого животного показаны в таблице 2.

Для четырех животных было характерно достоверное замедление дыхания (брадипноэ) в билатеральном медленном сне по сравнению со спокойным бодрствованием (Таблица 2).

Таблица 1. Вероятность возникновения аритмичного дыхания, с появлением за счет апноэ длинных (>25 с) дыхательных циклов у северных морских котиков во время сна и бодрствования

Таблица 2. Особенности параметров среднего дыхательного цикла (до 25 секунд) у северных морских котиков во время сна и бодрствования

Примечание: величины длительности дыхательных циклов - в секундах; * - уровень значимости критерия Стьюдента Р<0, 01

У Котиков 2 и 3 самое частое дыхание характерно для парадоксального сна с появлением достоверной разницы между спокойным бодрствованием и парадоксальным сном. У Котиков 2, 4 и 5 средняя длительность дыхательного цикла при переходе от билатерального к асимметричному сну увеличивается (p<0, 01), т.е. дыхание замедляется, в отличие от двух других котиков (1 и 3), у которых при этом наблюдается уменьшение дыхательного цикла (p<0, 01), что означает увеличение частоты дыхания (тахипноэ).

При анализе поведения котиков было выявлено, что дыхательный цикл увеличивается за счет апноэ на вдохе и на выдохе. Выяснилось, что на разных фазах цикла сон-бодрствование апноэ реализуется по-разному. Если в спокойном бодрствовании и в парадоксальном сне апноэ возникает на выдохе, то в билательном медленном сне - на вдохе. Для всех котиков было характерно увеличение длительности вдоха на фоне билатерального медленного сна по сравнению со спокойным бодрствованием. Особенно ярко различия между состояниями проявлялись в длительности выдоха, который был в 2-3 раза длиннее вдоха.

Особенности дыхания гренландских тюленей в цикле сон-бодрствование Дыхание, включающее как ритмичные, так и аритмичные участки (апноэ более 25 секунд) у группы гренландских тюленей резко отличается в спокойном бодрствовании, медленном и парадоксальном сне. Наиболее высокая вариабельность дыхания была в парадоксальном сне (Вариационный размах (R_ср)=142, 1±4, 7 с), а самая низкая в спокойном бодрствовании (R_ср=33, 2±2, 1 с). Дисперсионный анализ (ANOVA) показал, что дыхательный цикл зависит от факторов «индивидуальность» (F=7, 25; Р<0, 001) и «состояние» (F=7, 31; Р<0, 001), а так же от их сочетания (F=8, 16; Р<0, 001).

На рисунке 3 показаны гистограммы распределения дыхательных циклов в спокойном бодрствовании, медленном и парадоксальном сне у Тюленей 1 и 2. В медленном сне происходит замедление дыхания, при модальном значении длительности дыхательного цикла около 20 секунд. Большинство дыхательных циклов спокойного бодрствования не превышало 10 секунд, хотя в парадоксальном сне - их длительность сокращалась до 4 до 6 секунд. Дыхательные циклы во всех состояниях, формирующие основной экстремум на распределениях, являлись основными при дыхании этих животных. У всех тюленей в спокойном бодрствовании, медленном и парадоксальном сне наблюдались фрагменты аритмичного дыхания с апноэ продолжительностью более 25 секунд, которые отличались как между отдельными животными, так и между стадиями цикла сон-бодрствование. Количество таких аритмичных участков (дыхательных циклов) характеризовалось минимальным процентом (1-5 %) от их общего числа. Вероятность возникновения аритмичного дыхания в медленном сне превышает данный показатель в спокойном бодрствовании (Таблица 3). При переходе от медленного сна к парадоксальному вероятность появления аритмичного дыхания увеличивается еще больше. Такая тенденция наблюдается у четырех гренландских тюленей (2, 3, 4, 5). У Тюленя 1 эти значения почти совпадают. При анализе вероятности возникновения аритмичного дыхания у тюленей выявляются индивидуальные отличия.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спокойное бодрствование у Тюленя 1характеризуется наличием дыхательных циклов, длительностью 33, 5±0, 5 секунд, а самые длительные дыхательные циклы у Тюленя 2 составляют 29, 3±0, 6 секунд (Таблица 4). При развитии медленного сна длительность продолжительных дыхательных циклов увеличивается до 71, 4±4, 1 секунд (Тюлень 3). При переходе от медленного сна к парадоксальному данный показатель увеличивается еще больше (Тюлень 2). Сравнивались значения в медленном и парадоксальном сне. Различия в длительности дыхательных циклов более 25 секунд в медленном и парадоксальном сне являются достоверными (Р<0, 05) у четырех Тюленей (2 - 5). Проявляются так же и индивидуальные различия.

Таблица 3. Вероятность возникновения длительных дыхательных циклов (>25 секунд) у гренландских тюленей во сне и бодрствовании

Таблица 4. Средняя продолжительность и количество апноэ (>25 секунд) в цикле сон-бодрствование

Примечание: величины длительности циклов - в секундах; * - уровень значимости критерия Стьюдента Р<0, 05

Дыхание всех исследованных тюленей в бодрствовании (Таблица 5) характеризуется достоверным увеличением частоты дыхания по сравнению с медленным сном (Р<0, 01), что характерно и для большинства исследованных морских котиков (Таблица 2). Самое частое дыхание у тюленей наблюдается в парадоксальном сне. Данные различия являются достоверными у трех исследованных тюленей (1, 4 и 5), а у двух других (2 и 3) - на уровне тенденции. Так же на таблице 5 видно, что у Тюленей 2 и 3 наблюдается некая тенденция к увеличению частоты дыхания (уменьшению средней длительности дыхательных циклов на ритмичных рисунках дыхания) в спокойном бодрствовании, и к замедлению дыхания в медленном и парадоксальном сне.

У тюленей существенные нарушения ритма дыхания встречаются как в спокойном бодрствовании, так и во время развития сна. Дыхательные циклы, которые имели продолжительность более 25 секунд, включают задержку дыхания после фазы выдоха как во время спокойного бодрствования, так и во сне. Причем большая часть указанных изменений дыхания соответствует парадоксальному сну.

Было обнаружено, что на суше у всех исследованных ластоногих на фоне ритмичного дыхания встречаются аритмичные участки с апноэ, длительностью более 25 секунд. В цикле сон-бодрствование выявлено нерегулярное появление аритмичного дыхания различной продолжительности, вероятно, характерное для всех морских млекопитающих, и отражающее проявление так называемого «произвольного рефлекса погружения» (de Kleer, 1975; Войнов, 2010 и другие). В обеих группах ластоногих происходит достоверное замедление дыхания при переходе от спокойного бодрствования к медленному сну.

Таблица 5. Особенности параметров средней продолжительности дыхательного цикла (до 25 секунд) во сне и бодрствовании гренландских тюленей (с)

Примечание: величины длительности циклов - в секундах; * - уровень значимости критерия Стьюдента Р<0, 01

У ушастых тюленей вариабельность и максимальная продолжительность апноэ достоверно увеличивается при переходе от спокойного бодрствования к парадоксальному сну, но снижается в медленном сне по отношению к бодрствованию. Тогда как у настоящих тюленей вариабельность и максимальная продолжительность апноэ достоверно увеличивается при переходе от бодрствования к медленному сну, а затем к парадоксальному сну.

Особенности электрокардиограммы северных морских котиков. Распределение мЧСС (Рисунок 4) во время спокойного бодрствования, асимметричного и билатерального медленного сна, а так же парадоксального сна показало наличие индивидуальных изменений у всех котиков. У двух Котиков (1 и 3) брадикардия во всех фазах цикла сон-бодрствование проявлялась в наименьшей степени, кроме фазы билатерального медленного сна у Котика 3, во время которой регистрируются и низкие значения ЧСС. Другие котики (2, 4 и 5) характеризуются наличием четко выраженной дыхательной брадикардии в бодрствовании, медленном и парадоксальном сне, при которой на гистограмме выделяются два экстремума: один из них свойственен фазе выдоха и апноэ, а другой образуется на фазе вдоха. В парадоксальном сне экстремумы гистограммы более сглаженные, чем в других состояниях. У Котиков 1 и 3, так же как и в других состояниях, экстремумы характерные для фазы выдоха и апноэ минимальны (2-3 %), в отличие от Котиков 2 и 4.

Примечание: по оси ординат - процент от общего количества значений мЧСС, по оси абсцисс - значения мЧСС (классы с шагом 5 уд./мин). СБ - спокойное бодрствование, АМС и БМС - асимметричный и билатеральный медленный сон, ПС - парадоксальный сон.

Рисунок 4. Гистограмма распределения мгновенной частоты сердечных сокращений (мЧСС) у северных морских котиков во сне и бодрствовании

Как видно из данных таблицы 6, у всех котиков в билатеральном медленном сне частота сердечных сокращений снижается (а у двух котиков достоверно), по сравнению со спокойным бодрствованием. Билатеральный и асимметричный медленный сон так же имеют различия у всех котиков, которые проявляются в увеличении ЧСС во время асимметричного медленного сна. При сравнении спокойного бодрствования и асимметричного медленного сна отличия в ЧСС выявлялись у всех исследованных котиков. Как в билатеральном, так и в асимметричном медленном сне у Котиков 1 и 3 средняя ЧСС больше, чем у Котиков 2, 4 и 5. Кроме того, Котикам 1 и 3 были свойственны различия по этим показателям между спокойным бодрствованием и парадоксальным сном, а также между билатеральным медленным и парадоксальным сном.

Таблица 6. Особенности параметров средней ЧСС северных морских котиков цикле бодрствование - сон (уд./мин)

Примечание: * - уровень значимости критерия Стьюдента р< 0, 01.

Рисунок 5. Связь между средней продолжительностью дыхательных циклов и средней частотой сердечных сокращений. (А - ЧСС<90 уд./мин; Б - ЧСС=90-120 уд./мин; В - ЧСС>120 уд./мин). R² - коэффициент детерминации.

Так как ЧСС зависит от фазы дыхательного цикла, мы рассортировали значения мЧСС в 3 группы: <90 уд./мин, 90-120 уд./мин и >120 уд./мин. С помощью коэффициента корреляции была проанализирована зависимость усредненной ЧСС от средней продолжительности дыхательного цикла всех исследованных котиков. Как показано на рисунке 5, положительная зависимость между средней ЧСС и средней продолжительностью дыхательного цикла в группе кардиоинтервалов с частотой до 90 уд./мин наблюдается в спокойном бодрствовании (R²=0, 4602) и парадоксальном сне (R²=0, 6758) (А), а так же в группе с ЧСС более 120 уд./мин (В) только в парадоксальном сне (R²=0, 8379). В билатеральном медленном сне зависимость между средней продолжительностью дыхательного цикла и ЧСС выявить не удалось.

Особенности электрокардиограммы гренландских тюленей. Как и у морских котиков, кардиореспираторная функция в цикле сон-бодрствование гренландских тюленей реализуется с учетом взаимовлияния дыхательной и сердечно-сосудистой систем, с появлением при этом ритмичных и аритмичных явлений указанных систем организма

Все распределения значений мЧСС (Рисунок 6) были полимодальными во всех состояниях, вероятно, за счет того, что дыхательная аритмия у гренландских тюленей более выражена, чем у морских котиков. Кроме того, вариабельность значений мЧСС у гренландских тюленей по сравнению с морскими котиками была выше. Во всех состояниях у гренландских тюленей преобладает процент низких значений мЧСС, характерных для фазы выдоха или апноэ (брадикардия). У всех тюленей при переходе от спокойного бодрствования к медленному сну графики распределения мЧСС смещались влево, в сторону низких значений мЧСС. Так же в медленном сне, по сравнению со спокойным бодрствованием, снижается вариабельность высоких значений мЧСС, что может говорить об уменьшении представленности значений мЧСС, характерных для вдоха в связи с появлением в медленном сне апноэ. В парадоксальном сне полимодальность распределений более выражена, чем в спокойном бодрствовании и медленном сне. В этой фазе сна на гистограммах распределения появляются еще более низкие значения мЧСС, чем в медленном сне. Так же в парадоксальном сне увеличивается процент и вариабельность высоких значений мЧСС.

Примечание: по оси ординат - процент от общего числа значений мЧСС, по оси абсцисс - количество ударов в минуту, класс - 5 уд./мин. СБ - спокойное бодрствование, МС - медленный сон, ПС - парадоксальный сон.

Рисунок 6. Гистограммы распределения мЧСС у гренландских тюленей в цикле сон-бодрствование

Анализа ANOVA показал, что ЧСС имеет зависимость от фактора «состояние» (F=321; P<0, 001) и сочетания факторов «индивидуальность»Ч«состояние» (F=152; Р<0, 001). У трех из пяти тюленей достоверно увеличивается средняя ЧСС при переходе от бодрствования к медленному сну (Таблица 7). У двух других тюленей такое увеличение ЧСС не достоверно, но наблюдается в виде тенденции. У всех тюленей достоверно снижается ЧСС в парадоксальном сне, по сравнению с медленным сном и спокойным бодрствованием.

Таблица 7. Особенности параметров средней ЧСС гренландских тюленей в цикле сон-бодрствование (уд./мин) в периодах регистрации без апноэ

Примечание: * - уровень значимости критерия Стьюдента р<0, 015.

Нами был проведен анализ изменения ЧСС у гренландских тюленей в темное и светлое время суток в спокойном бодрствовании, медленном и парадоксальном сне. Анализировались периоды с ритмичным дыханием без продолжительных апноэ и группировались для каждого животного по времени суток и усреднялись (Таблице 8).

Как видно в таблице 8, средние значения ЧСС в светлое время суток немного превышают значения в темное время. Данная тенденция отмечается как в состоянии спокойного бодрствования, так и во сне. У всех тюленей наблюдается общая закономерность изменения ЧСС в зависимости от дня или ночи (светлый период или темный) в цикле сон-бодрствование.

У Тюленей 2, 3 и 5 различия являются достоверными (p<0, 05), в отличие от других тюленей, у которых значения ЧСС изменяются днем и ночью не значительно. В медленном сне так же выявлялись достоверные различия по времени суток, у Тюленей 1, 2 и 3. Что касается парадоксального сна, то достоверных различий не было ни в одном сравнении.

Таблица 8. Изменение параметров ЧСС в зависимости от времени суток (периоды регистрации без апноэ)

Примечание: * - уровень значимости критерия Стьюдента p<0, 05.

Обобщая изложенное в данном разделе, следует отметить, что у гренландских тюленей дыхательная аритмия частоты сердечных сокращений более выражена, чем у северных морских котиков, что проявляется в бимодальной форме распределения частоты сокращений сердца и в более высоком вариационном размахе гистограмм. У всех исследованных животных в динамике перехода от спокойного бодрствования к медленному сну частота сердечных сокращений достоверно снижается, что дополняет известные в литературе сведения (Berry, Gleeson, 1997). Выявлено, что для всех ластоногих во всех состояниях цикла сон-бодрствование выражена дыхательная аритмия с глубокой брадикардией на фоне апноэ.

Изменение параметров ЭКоГ северного морского котика и гренландского тюленя во время апноэ. У северных морских котиков и гренландских тюленей анализировали параметры ЭКоГ, регистрируемой перед апноэ (фон) и при развитии апноэ. У северного морского котика расчет спектральной мощности ЭКоГ проводился в парадоксальном сне, когда апноэ возникает с наибольшей вероятностью и продолжительностью (Рисунок 7), а у гренландского тюленя наиболее представительные фрагменты регистрации анализировались в состоянии неглубокого медленного сна.

Рисунок 7. Два типа перестроек ЭКоГ при сопоставлении «апноэ/фон» у морского котика: рост мощности частот 8, 1-12, 0 Гц (А); рост мощности частот 16, 1-30, 0 Гц (Б). Процент изменения отдельных ритмических диапазонов, усредненных по группам сходных перестроек.

На рисунке 7 показана разница в отношении «фон/апноэ» в процентах от числа проанализированных эпох. Как видно, у морских котиков на фоне апноэ парадоксального сна наблюдаются два типа активационных процессов. Первый тип изменения характеризуется относительной десинхронизацией биоэлектрической активности - снижением выраженности колебаний в диапазоне 1, 4-4, 1 Гц с экзальтацией колебаний частот, соответствующих тета-альфа ритмическому диапазону классической ЭЭГ, что проявлялось в достоверном (Т=4, 21; Р=0, 011) росте мощности частот диапазона 8, 1-12, 0 Гц. Второй тип десинхронизации биоэлектрической активности проявляется в более широкой десинхронизации суммарной биоэлектрической активности и достоверным (Т=3, 19; Р=0, 024) ростом мощности низкоамплитудных высокочастотных колебаний в диапазоне 16, 1-30, 0 Гц, соответствующем бета-2-ритму классической ЭЭГ человека.

У гренландских тюленей, в состоянии апноэ во время неглубокого медленного сна суммарная биоэлектрическая активность характеризуется сходными изменениями во всех регистрируемых отведениях, которые, как и у котиков, проявляются в увеличении процессов десинхронизации биоэлектрической активности. Выявлено достоверное снижение выраженности низкочастотных колебаний в диапазонах 1, 4-4, 0 Гц (Т=2, 89; Р=0, 032) и 4, 1-8, 0 Гц (Т=4, 17; Р=0, 028) в обоих полушариях мозга. Выраженность колебаний диапазона 8, 1-12, 0 Гц, соответствующего альфа-диапазону ЭЭГ, достоверно увеличивается (Т=2, 54; Р=0, 030). Так же во всех отведениях на апноэ увеличивается спектральная плотность в обоих полушариях мозга в диапазонах 12, 1-16, 0 Гц и 16, 1-30, 0 Гц. Как и у северных морских котиков, разница в спектральной плотности между полушариями была не достоверной.

Наблюдаемые феномены соответствуют классическим представлениям об отражении в десинхронизации суммарной биоэлектрической активности, усиления активационных процессов, в организации которых принимают участия стволовые и неокортикальные структуры (Хомская, 1972; Кратин, 1977). Следует предположить, что наблюдаемые у морских котиков и гренландских тюленей примеры перестроек ЭКоГ отражают феномены роста активации неокортекса на фоне развития длительных задержек дыхания. Эти данные дополняют и уточняют результаты об организации цикла сон-бодрствование и характеристик ЭКоГ северных морских котиков и гренландских тюленей (Lyamin, Mukhametov, 1998; Lyamin et al., 2002), в которых кардиореспираторная функция подробно не анализировалась. Не были также выявлены достоверные различия в характеристиках дыхания по мере развития цикла сон-бодрствование, лишь упоминалось о частом и регулярном дыхании на суше с продолжительностью апноэ до 20 секунд, а в парадоксальном сне - около 60 секунд.

Согласно результатам, полученным в настоящей работе у большинства исследованных животных при переходе от спокойного бодрствования к медленному сну не только достоверно снижается частота дыхания, но и урежается частота сердечных сокращений. В спокойном бодрствовании и медленном сне ЭКГ котиков характеризуется синусовым ритмом с выраженной дыхательной аритмией. Эти особенности согласуются с полученными ранее данными (Lyamin, Chetyrbok 1992; Lyamin, Mukhametov, 1998; Lyamin et al., 2002) в отношении южного, северного морских львов, южноафриканского морского котика. Речь идет о том, что наиболее продолжительные апноэ с выраженным замедлением частоты сердечных сокращений отмечаются на фоне сна животных. Как выяснилось наиболее вероятные и продолжительные апноэ выявлены в парадоксальном сне котиков (около 60 секунд), а аритмия дыхания и повышение вариабельности дыхательных циклов возможно не только в парадоксальном сне, как указывалось ранее (Lyamin, Mukhametov, 1998). Было так же обнаружено, что аритмия дыхания прослеживается и в бодрствовании и в медленном сне, причем ее вероятность у всех котиков выше в спокойном бодрствовании и парадоксальном сне, чем в билатеральном медленном сне. Следует отметить, что сложность данных состояний в отношении необходимости поддержания должного уровня бдительности на фоне асимметричного медленного сна или вероятность «эмоциональных переживаний» на фоне парадоксального сна, определяет большее разнообразие переходных процессов с выраженными индивидуальными особенностями (Вербицкий, 2003; Войнов, Кавцевич и др., 2008; Матишов и др., 2010). Было показано, что у морских котиков парадоксальный сон характеризуется существенной нерегулярностью дыхания с неритмичными продолжительными апноэ. С определенной степенью уверенности можно утверждать, что данный феномен связан с характерным для парадоксального сна минимальным тонусом поперечнополосатой мускулатуры, что, очевидно, затрудняет реализацию дыхательных движений, направленных на реализацию акта «вдоха-выдоха», а в этой ситуации, вероятно, более целесообразными являются продолжительные задержки дыхания.

Обнаруженные отличия кардиореспираторной функции ушастых и настоящих тюленей связываются с особенностями внешней среды, в которой протекает их жизнедеятельность. Условиями обитания ушастых тюленей (котиков) обычно являются умеренные климатические зоны, где воды морей замерзают только в зимнее время, т.е. когда ушастые тюлени совершают сезонные миграции (Мараков, 1974; Соколов, 1979). Лежбищный период обычно совпадает с потеплением климата. В этот период котики выходят на сушу для реализации репродуктивной функции и выкармливания детенышей. Регионы, в которых обитают настоящие тюлени, характеризуются арктическими климатическими факторами, в частности, значительный период года океан замерзает, часты внезапные понижения температуры, сильные шторма и т.д. Значительное время настоящие тюлени вынуждены находиться под водой - в более безопасных и комфортных температурных условиях.

В литературе достаточно известны представления о возможностях ныряющих млекопитающих поддерживать постоянный сенсорный контакт с окружающим миром. Асимметричное поведение спящих дельфинов было отмечено еще в работах McBride and Hebb (1948), а так же Lilly, (1964). Более полно с привлечением электрофизиологических методов «активность спящего мозга» была раскрыта в работах Л.Н.Мухаметова с соавторами на дельфинах (Mukhametov et al., 1988), а, позже на различных группах морских млекопитающих в лаборатории О.И.Лямина (Lyamin et al., 1992, 2004, 2008а, 2008б, 2008в и др.).

Особый интерес, с нашей точки зрения, привлекает сравнительный анализ тюленей, обитающих в умеренной климатической зоне (северный морской котик), и арктических тюленей (гренландский тюлень). Первые имеют возможность контролировать окружающую среду на предмет наличия хищников или сородичей (Wade et al., 2007; Gentry, 2008) «используя» модель однополушарного медленного сна, тогда как вторые, обитающие значительную часть времени года в условиях крайне низких температур воздуха и воды, толстого ледяного покрова, вынуждены спать в толще воды. Последнее определяет отсутствие целесообразности в однополушарном сне животных. Так как снижение мышечного тонуса приводит к замерзанию организма (Шмидт-Ниельсен, 1982), реализация сна, особенно парадоксального, при котором происходит значительное снижение тонуса мускулатуры, должна происходить в более комфортных теплых условиях.

Нами подтверждается предположение (Lyamin, Mukhametov, 1998, Boyd et al., 1999, Ziegel, 2005) о том, что ластоногим сложно сформировать в условиях арктических морей состояние релаксации скелетной мускулатуры, характерное для парадоксального сна. В связи с этим, доля парадоксального сна у этих животных, спящих в водной среде, чрезвычайно мала.

ВЫВОДЫ

В суточном балансе сон и бодрствование у северных морских котиков встречались примерно поровну - 52, 5 % и 47, 5 % соответственно, сходной также была представленность активного (25, 5 %) и спокойного (22, 0 %) бодрствования, а медленный сон (40, 0 %) преобладал над парадоксальным сном (12, 5 %). Тогда как у гренландских тюленей активного бодрствования (46, 8 %) регистрировалось больше за счет сокращения спокойного бодрствования (27, 2 %) и сна, во время которого медленный сон достигал 24, 5 %, а парадоксальный - 2, 5 %.

В течение суток у всех ластоногих отмечалась значительная вариабельность дыхательного цикла при чередовании ритмичного и аритмичного (с длинными апноэ) дыхания. Так у котиков в отличие от спокойного бодрствования в парадоксальной фазе сна вероятность и длина апноэ были наибольшими, с резким их снижением в медленном сне. А у тюленей частота и длина апноэ закономерно нарастали при переходе от спокойного бодрствования к медленноволновой и затем к парадоксальной фазе сна, в которой за счет апноэ вариабельность дыхательного цикла тюленей была больше (у²_ср=1203, 4±37, 2), чем у котиков (у²_ср=105, 2±30, 0).

Всем ластоногим в цикле сон-бодрствование была свойственна дыхательная аритмия сердечных сокращений с глубокой брадикардией на фоне апноэ, наиболее выраженная у тюленей (с падением пульса до 20 уд./мин) по сравнению с котиками. Эта черта регуляции кардиореспираторной функции отражалась в бимодальном характере распределения значений частоты сердечных сокращений, а также в диапазоне вариационного размаха, который у котиков был меньше (R_ср=70, 8±4, 3 уд./мин), чем у тюленей (R_ср=103, 4±9, 2 уд./мин).

Высокая реактивность поведения подвижных, агрессивных котиков (особи 2, 4, 5) и тюленей (особи 2, 3) проявлялась слабым брадипноэ с небольшой сердечной аритмией на переходе от бодрствования к медленноволновой фазе сна и менее длинными апноэ в парадоксальной фазе сна. Тогда как низкая реактивность поведения малоподвижных и неагрессивных котиков (особи 1, 3) и тюленей (особи 1, 4, 5) в медленноволной фазе сна сопровождалась глубоким брадипноэ и значительной аритмией сердечных сокращений, а в парадоксальной фазе - продолжительными и частыми апноэ.