1.3. Возмущение физиологических ритмов

Физиологические ритмы не являются изолированными процессами. Происходят многочисленные взаимодействия ритмов как друг с другом, так и с внутренней и внешней средой. С функциональной точки зрения представляется важным анализ механизмов, связанных с инициированием и подавлением физиологических ритмов, и эффектов одиночных и периодических возмущений этих ритмов.

Различные физиологические ритмы появляются и исчезают на различных этапах в течение всей жизни индивидуума. Сердечные и дыхательные ритмы возникают во время внутриутробного развития, и даже кратковременное прерывание этих ритмов после рождения приводит к смерти. Менструальный ритм включается в период полового созревания женщин и продолжается на протяжении почти 35 лет, прерываясь только во время беременности и лактации. Сильные ритмические сокращения матки во время родов инициируются естественным путем через 38—42 недели после оплодотворения, либо могут быть индуцированы механически или химически. Постоянно происходят ритмические перистальтические сокращения и суточные флуктуации многочисленных физиологических параметров (например, температуры, скорости образования мочи, содержания сахара в крови), и мы не замечаем это. Другие ритмы, такие как двигательная активность, жевание, сон и оргазм, обычно требуют активных усилий для их инициации со стороны индивидуума.

В гл. 5 мы обсуждаем несколько различных способов инициирования и подавления физиологических ритмов. Одним из способов прекращения ритмов является использование стимула критической величины, прилагаемого в критической фазе текущего ритма. Этот способ иллюстрируется на рис. 1.9, который показывает действие деполяризующего стимула, приложенного к спонтанно осциллирующему препарату, состоящему из синусно-предсердных (СП) клеток (пейсмекерная ткань) сердца кролика. В большинстве случаев стимул сдвигает фазу ритма, и лишь в небольшом диапазоне фаз ритм уничтожается. Признание того факта, что некоторые

колебания могут быть устранены одиночным стимулом, является важным выводом, основанным на математическом анализе свойств спонтанно колеблющихся систем. Экспериментальное наблюдение остановки генератора сердечного ритма одиночным возмущающим стимулом подтвердило предсказания, вытекающие из теоретического анализа, что такое поведение возможно.

Рис. 1.9. Фазовый сдвиг (кривые 1 и 2) и подавление спонтанной активности (кривая 3) пейсмекеров синоатриального узла у котят короткими подпороговыми деполяризующими импульсами. Спонтанная активность подавляется только в узком диапазоне амплитуд и фаз стимула. По данным J alife and Ant

Общая проблема анализа влияния одиночных, а также периодических стимулов представляет исключительный интерес по ряду различных причин.

1. В норме амплитуда, частота и фаза биологического генератора обычно находятся под контролем внешних стимулов. Таким образом, характеристика воздействий одиночных и периодических стимулов имеет важное значение для понимания функционального значения ритмов.

2. Биологические ритмы, возникающие в патологическом состоянии, могут генерироваться или диагностироваться возмущением текущего ритма.

3. Возмущение ритмической активности физиологического генератора может быть использовано для получения информации о свойствах колебаний, лежащих в ее основе. Наоборот, если

известны свойства модельного генератора, можно сделать предсказания, касающиеся ожидаемых ответов генератора на одиночные и периодические возмущения при изменении параметров стимула в эксперименте.

В гл. 6 мы рассматриваем эффект одиночных стимулов на спонтанные колебания.

Рис. 1.10. Запись трансмембранного потенциала спонтанно сокращающихся агрегатов клеток из сердца куриного эмбриона. На записях (b) — (е) быстрое отклонение вверх представляет собой артефакт, возникающий при периодической стимуляции внутриклеточным микроэлектродом, (а) контроль; (b) захват фазы захват фазы захват фазы (е) захват фазы стимул попадает в две различные фазы цикла; (f) захват фазы По данным Glass et al. (1984).

Одиночный стимул обычно сдвигает фазу текущего ритма, но величина сдвига зависит как от амплитуды, так и от фазы приложенного стимула.

В гл. 7 рассматривается влияние периодических стимулов на физиологические ритмы. В ответ на периодическое внешнее воздействие

может происходить захватывание частоты и фазы физиологического ритма периодическими стимулами. В этом случае существует такой периодический режим, что каждым N циклам одного ритма соответствуют М циклов другого ритма. Чтобы проиллюстрировать это, мы показываем захватывание фазы потенциалов действия спонтанно сокращающихся агрегатов клеток желудочка из сердца эмбриона цыпленка периодической электрической стимуляцией (рис. 1.10).

Рис. 1.11. (а) Хаотическая динамика, возникающая в том же самом препарате, что и на рис. 1.10. (b) График зависимости фаз последовательных стимулов от величины предшествующего стимула, построенный по той же самой записи, которая показана в (а). Фазы определялись путем нахождения отношения между интервалом времени от начала нарастания потенциала действия до момента приложения каждого стимула и свободным периодом при отсутствии стимуляции. Впервые хаос в таком препарате наблюдали Guevara, Glass and Shrier (1981). Этот рисунок заимствован из работы Glass, Shrier and Belair (1986).

Видно также, что при других частотах и амплитудах стимуляции устойчивого захватывания фазы не наблюдается. Вместо этого наблюдается нерегулярная апериодическая динамика (рис. 1.11 а). Относительная фаза каждого стимула определяется как интервал времени между передним фронтом и стимулом, деленный на средний период свободных колебаний. Если построить график зависимости фазы каждого

стимула от предшествующего стимула, то между ними прослеживается явная связь (рис. 1.11 b). В этом примере форма функции на рис. 1.11 b указывает на то, что нерегулярность связана с хаосом.