Научно-техническое обоснование космического эксперимента «Роль барорецепторов в изменении активности центрального дыхательного механизма в невесомости» 1 Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и состояние вопроса При проведении исследований центральной респираторной активности у человека в невесомости независимо друг от друга американскими и российскими специалистами было обнаружено изменение состояния дыхательного центра. Американские учёные, проводя пробу с возвратным дыханием, показали, что в невесомости снижается чувствительность дыхательного центра к гипоксии, но остаётся неизменной по сравнению с наземными тестами к гиперкапнии. Такую реакцию респираторной системы на гиперкапнию исследователи объясняют повышением содержанием двуокиси углерода в атмосфере МКС [G.Kim Prick at al., 2011]. В экспериментах «Пневмокард» и «Дыхание», проведенных на борту МКС (научный руководитель В.М.Баранов), было установлено достоверное увеличение времени задержки дыхания на вдохе и тенденция к увеличению времени задержки дыхания на выдохе, что также свидетельствует о снижении чувствительности дыхательного центра к сочетанному действию гипоксии и гиперкапнии. Однако конкретные механизмы изменения чувствительности дыхательного центра в невесомости остаются пока не раскрытыми. Вместе с тем, центральный дыхательный механизм является одним из основных в организме, обеспечивающим снабжение тканей кислородом, необходимым для осуществления окислительно-восстановительных процессов, в результате которых образуется необходимая для жизнедеятельности энергия. Иными словами, от состояния ЦДМ зависит не только умственная и физическая работоспособность человека, но и в ряде случаев его жизнь. Это особенно проявляется при патологических состояниях, когда пониженный уровень функционирования дыхательного центра может быть ещё больше угнетён (вплоть до остановки) в результате применения, с целью лечения, лекарственных препаратов, оказывающих тормозное действие на ЦДМ. Таким образом, исследование чувствительности ЦДМ в невесомости является актуальной задачей, во-первых, с позиции сохранения и поддержания высокого уровня работоспособности космонавтов в длительных космических полётах, а, во-вторых, с позиции оценки уровня медицинского риска в случае возникновения какого-либо заболевания, требующего применения лекарственных препаратов, оказывающих угнетающий эффект на дыхательный центр. 2 Необходимость проведения КЭ в условиях космического пространства в составе РС МКС Наши исследования в наземных условиях при моделировании эффектов невесомости и анализ литературных источников позволили предположить, что основную роль в изменении центральной респираторной активности могут играть барорецепторы, активность которых меняется в соответствии с колебаниями давления в сонной артерии [Баранов В.М., 2011]. Однако, уточнить это предположение возможно при осуществлении целенаправленных исследований в условиях реальной микрогравитации, что и определяет необходимость проведения эксперимента «ДАН» на борту РС МКС. 3 Описание КЭ Цель предполагаемого эксперимента заключается в установлении взаимосвязи между изменениями давления в сонной артерии, вызванными перераспределением крови в верхнюю половину тела в невесомости, и изменением центральной респираторной активности. Рабочая гипотеза Повышение давления в сонной артерии вызывает торможение инспираторной активности дыхательных нейронов и снижение их чувствительности к хеморецепторным стимулам, что проявляется в увеличении времени задержки дыхания. Если это так, то уменьшение объёма крови в сосудах головы должно вызвать сокращение времени задержки дыхания. В условиях невесомости перераспределение крови из верхней половины тела в нижнюю осуществляют при помощи устройства «Чибис», позволяющего создавать меньшее давление на нижнюю часть тела по сравнению с верхней (проба ОДНТ). Эксперимент «ДАН» предлагается проводить с использованием устройства «Чибис». Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: - определить время задержки дыхания на вдохе и выдохе в покое в невесомости; - измерить активность ЦДМ при проведении пробы с ОДНТ в невесомости; - осуществить мониторинг динамики состояния ЦДМ в процессе длительного (до одного года) космического полёта. 2 4 Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями Гипотеза о роли барорецепторов в изменении чувствительности дыхательного центра является новой. Постановка эксперимента «ДАН» - качественно новый шаг в исследованиях кардио-респираторной системы в невесомости. 5 Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование Результаты эксперимента представляют интерес для фундаментальной науки (физиология, физиология дыхания), расширяя представления о механизмах межсистемных взаимодействий сердечно-сосудистой и респираторной систем. С практической точки зрения результаты эксперимента будут полезными для уточнения схемы введения лекарственных препаратов, влияющих на состояние дыхательного центра, при оказании медицинской помощи в длительных космических полётах во время пребывания на планетах с изменённой силой тяжести. 6 Обоснование технической возможности создания НА с заданными характеристиками Разработки специальной аппаратуры не требуется. 7 Характеристика рисков и дискомфортов В период воздействия ОДНТ следует принимать во внимание на возможность появления у отдельных обследуемых лиц головокружения, гипотонии и изменений амплитудно-частотных характеристик ЭКГ. Мероприятия, направленные на минимизацию медицинских рисков во время воздействия ОДНТ, должны включать постоянный контроль за: 1) самочувствием обследуемых лиц; 2) уровнем артериального давления; 3) частотой сердечных сокращений; 4) параметрами ЭКГ. Показаниями к прекращению воздействия ОДНТ являются: - первое требование обследуемого; - предъявление обследуемым жалоб на головокружение; - быстрое снижение артериального давления (систолического > 25 мм рт.ст., диастолического > 15 мм рт.ст. в 1 минуту; снижение систолического уровня < 70 мм рт.ст.); 3 - быстрое урежение частоты сердечных сокращений (> 15 в 1 минуту); - появление нарушений ритма сердечной деятельности (более 3 суправентикулярных или вентрикулярных экстрасистол); - появление на ЭКГ признаков ишемии миокарда (инверсия интервала S-T, изменение конфигурации и амплитуды зубца T и т.д.). Уровень риска – допустимый. Список используемой литературы 1. Баранов В.М., Александрова Н.П., Донина Ж.А. и др. – Роль афферентных систем в механизмах постуральных реакций дыхания в антиортостатическом положении. – Российский физиологический журнал им. И.М.Сеченова. 2007. Т. 93, № 6. С. 670-677. 2. Баранов В.М. – Физиологический анализ возможных причин гипоксемии в невесомости. – Журнала «Физиология человека». 2011. Т 37. № 4. С.1-7. 3. Баранов В.М., Попова Ю.А., Ковалев А.С., Баранов М.В. – Изменения чувствительности центрального дыхательного механизма в условиях 21-часовой антиортостатической гипокинезии. – Журнал «Авиакосмическая и экологическая медицина». 2011. № 4. С. 35-38. 4. Баранов В.М., Миняева А.В., Колесников В.И., Попова Ю.А. – Динамика параметров произвольных дыхательных движений космонавтов в условиях длительного пребывания в невесомости. – Журнал «Вестник Тверского Государственного Университета. Серия: биология и экология». 2011. № 32. С. 16-29. 5. Bishop B. Carotid baroreceptor modulation of diaphragm and abdominal muscle activity in the cat. J. Appl. Physiol. 36 (1974) 12-19. 6. Prick G.K., Elliott A.R., West J.B. Sustained microgravity reduces the human ventulatory response to hypoxia but not to hypercapnia . J. Appl. Physiol. 88 (2000) 1421-1430. Научный руководитель эксперимента В.М. Баранов 4