A LÉGZÉS SZABÁLYOZÁSÁNAK TANULMÁNYOZÁSA A emlısök szervezetének friss levegıvel, oxigénnel való ellátását a tüdı biztosítja. A légzésnek ezen kívül fontos szerepe van a hıszabályozásban is, a víz párologtatásával. A kicserélıdött levegı- és gázmennyiség, valamint a hıleadás mértéke függ a légzés mélységétıl és gyakoriságától, amit az agy különbözı területein, fıleg a nyúltvelıben található légzıközpontok aktivitása határoz meg. Ezek mőködését különbözı, a központi idegrendszeren belül, illetve perifériásan elhelyezkedı receptorok befolyásolják. A gyakorlaton e hatások közül vizsgálunk néhányat. Bevezetés A légzés három alapvetı részfolyamatból áll, ezek a légcsere, a gázcsere, valamint a sejtlégzés. A légcsere a légköri levegı, és a tüdı alveolusaiban lévı levegı kicserélıdése, alapvetı folyamatai a belégzés és a kilégzés. Jellemzı változói az egyszerre beszívott levegı térfogata, amelyet általában légzésmélységként szoktunk emlegetni, valamint a légzés gyakorisága, másnéven a légzésfrekvencia. A kettı szorzata adja ki a légzési perctérfogatot. A levegı a légköri nyomáskülönbség által megszabott irányban mozog. A gázcsere a vér, illetve a környezet közötti gázkicserélıdés, lényegében az oxigén, illetve a széndioxid mozgása a parciális nyomásgrádiens által megszabott irányba. A tüdıben a vér oxigénnel telítıdik, és megszabadul a széndioxid egy részétıl, a szövetekben a felvett oxigén egy részét leadja, és felveszi a széndioxid-felesleget. A sejtlégzés folyamata már a sejten belül, fıleg a mitokondriumokban zajlik, ahol az intermedier anyagcserében keletkezı hidrogén-ionokat a levegıbıl származó oxigén megköti (és víz képzıdik), az ugyanitt keletkezı széndioxid pedig kidiffundál a sejtekbıl. Az említett fázisok közül a gyakorlatokon a légcserével foglalkozunk, elsısorban szabályozási szempontból vizsgálva azt. Mivel a légzımozgások harántcsíkolt izmokhoz kapcsolódnak, a légzés alapvetıen szomatikus kontroll alatt áll, a vegetatív efferenseknek nincs szerepe. Fontos viszont a vegetatív afferentáció, mivel a légzıközpontok mind a tüdı feszülésérıl, mind a vérgázok mennyiségérıl bejutó információt felhasználják a szabályozás során. A légzés mélységét, és valamelyest a frekvenciáját is, jelentısen befolyásolja a beszívott levegı mennyisége. Ezt a tüdı falában lévı feszülési receptorok érzékelik, melyek aktivitása a tüdıfal feszülésével arányosan nı. Az ingerületet a n. vagus-ban futó rostok viszik a nyúltvelıi légzıközpontok felé; a hatás pedig a belégzés gátlása. Ennek megfelelıen a n. vagus elektromos ingerlésével is légzés-szünetet (kilégzési görcsöt) lehet kiváltani. Megjegyzendı, hogy teljes légzés-gátlás élettani körülmények között nem történik, csak finomabb szabályozás. Vannak a tüdıben az extrém feszülésre érzékeny, úgynevezett Jreceptorok is, ezek lényegében fájdalomreceptorok (pontosabban nociceptorok). Erıs, görcsös légzés, vagy pl. nagyon hideg levegı hatására ezek is ingerületbe kerülhetnek, ez viszont okozhat átmeneti légzési blokkot. A nervus vagus elektromos ingerlése mindkét típusú receptor afferensét ingerli. Ha viszont a feszülési receptorok ingerülete a légzıközpontokat 1
nem éri el, a belégzési idı megnyúlik; a kilégzést ilyenkor részben a légzıközpontok saját (intrinsic) ritmusa, részben a széndioxid felszaporodása indítja el. Mivel mindkettı lassabb, mint a feszülés kialakulása, ilyenkor a légzési ciklus meghosszabbodása várható.
nyúltvelıi központok
tüdı
gerincvelıi terület a légzıizmokat ellátó idegekkel (C3-C5, ill. T1-T11)
1. ábra: A légzımőködés szabályozásában szerepet játszó legfontosabb légzıközpontok és pályák.
A vérgázok mennyiségét, egészen pontosan parciális nyomásukat a nagyerek falában lévı kemoreceptorok monitorozzák. A glomus aorticum és –caroticum receptorainak fiziológiás funkciója elsısorban az oxigén parciális nyomásának érzékelése, bár izoláltan erısebb választ adnak a széndioxid parciális nyomásának változására. Az utóbbi szintjét azonban a légzıközpontok közelében lévı centrális sejtek is detektálják; valószínőleg nem közvetlenül, hanem a belıle képzıdı szénsavból disszociáló hidrogénionok (lényegében a pH-változás) segítségével. A légzési perctérfogatot fıleg a széndioxid-szint változásai állítják be, az oxigén-szint inkább csak akkor szerepel, ha egy meghatározott küszöb alá esik az értéke. A carotis-receptorok valamivel érzékenyebbek, mint az aorta-receptorok, ennek oka az, hogy az agy megfelelı oxigénellátása kiemelt fontosságú.
2
A patkány légzımőkıdésének vizsgálata A gyakorlat célja: a patkány légzımőködésének jellemzése és néhány, a szabályozásban szereplı tényezı, illetve hatás vizsgálata. A gyakorlat során folyamatosan regisztráljuk a légzési ciklusok idıtartamát, illetve a légzés mélységét, mely értékek változásait különbözı beavatkozásokkal idézzük elı. A vizsgálathoz szükséges: altatott patkány, patkánypad, spárga, 1 db mőanyag tracheakanül, 1 db légzési szenzor, 1 db ingerlıelektród, erısítı, ingerlı, kézimőszerek, fonal, papírvatta, fiziológiás sóoldat, CO2 (szódapatron és szódáspalack). A preparálás menete: Az elaltatott patkányt a padra fektetjük, kikötjük. A beavatkozáshoz szükséges narkózis kialakulását a cornea reflex megszőnése jelzi - a mőtétet csak ebben a stádiumban szabad elkezdeni. A nyaki tájékot megtisztítjuk a szırtıl (ügyeljünk arra, hogy a szır ne szálljon szét!). Szikével hosszanti bırmetszést ejtünk a pajzsporctól a sternum felsı végéig. Az izomzatot tompa bontással szétnyitjuk, felkeressük és megtisztítjuk a tracheát, majd két vastagabb fonalat vezetünk alá. Ugyancsak kipreparáljuk mindkét oldalon a n. vagus-t, és két-két vékony fonalat vezetünk alá. A n. vagusok patkányban a trachea mellett két oldalt, az a. carotissal közös tokban futnak. A verıér a lüktetésrıl jól felismerhetı. A közös tokot fogászati csipesszel, tompa bontással megnyitva, a vagusokat óvatosan le lehet választani az érrıl. Vigyázzunk arra, hogy sohase fogjuk meg a csipesszel az ideget, vagy az eret!. A szétválasztás után a tracheán T-alakú bemetszést ejtünk. Ha vér vagy folyadék mutatkozik a metszés helyén, felitatjuk papírvattával, majd behelyezzük, és bekötjük a kanült. Ügyeljünk arra, hogy a kanül vége szabadon maradjon, benne ne legyen folyadék; ez utóbbit szükség esetén vékony polietilén csıvel kiszívjuk (3. ábra).
3. ábra. A tracheakanül behelyezésének vázlatos rajza (McLeod, 1970) A tracheakanülbe becsúsztatjuk a légzési szenzort és csatlakoztatjuk az erısítı megfelelı bemenetéhez (LH). A kanülnek pontosan kell illeszkednie a szenzorhoz, és elég mélyre kell kerülnie, hogy ki ne csússzon. A szenzor mindkét nyílása szabadon legyen, mert csak így mér jól a rendszer. A szenzor és a trachea megtörését megakadályozhatjuk, ha azt egy öltéssel a fej bıréhez erısítjük. 3
Megjegyzés: a légzési szenzor a be-, illetve kiáramló levegı hımérsékletére érzékeny, ezért a légzési ciklusidıt pontosan jelzi, a légzésmélységgel azonban nem szükségszerően lineárisan arányos. Ettıl azonban a jelen gyakorlaton eltekintünk, kalibrálása ugyanis nagyon körülményes volna. A vizsgálat menete: Az erısítı, az ingerlı és a számítógép bekapcsolása elıtt ellenırizzük, hogy minden összeköttetés rendben van-e. A mérést az Analyze program segítségével végezzük. Válasszuk ki és állítsuk be a megfelelı csatornát. A lefutási sebességet állítsuk kezdetben 5 s-ra, a mintavételi frekvenciát 100 Hz-re. Az alapvonal a képernyı középvonalában legyen. Megfelelı beállítás esetén a képernyın megjelenik a légzés ritmikus regisztrátuma. Vegyünk fel egy 60 s hosszúságú alapszakaszt. Figyeljük meg, és jegyezzük is fel, hogy a belégzés, illetve a kilégzés a képernyın milyen irányú kitérést okoz. Ezután a lefutási sebességet állítsuk 30 s-ra, hogy jobban követni tudjuk a változásokat. Mérési feladatok: 1. Magas CO2 koncentráció hatásának vizsgálata. 2. A bal, ill. a jobb oldali váguszideg-ingerlés hatásának összehasonlítása. 3. Az egyik oldali, ill. mindkét vágusz átmetszésének hatása a légzésre. 4. Idegátmetszés után a centrális, ill. a periferiális csonk ingerlésének hatása. 5. CO2 belélegeztetés hatásának vizsgálata váguszátmetszés után. A gyakorlat menete: 1. Elsıként készítsünk egy alapfelvételt (kontroll), állapítsuk meg a be- és kilégzés irányát a regisztrátumon! Ezután, külön-külön file-ba mérve, végezzük el az alábbi beavatkozásokat (elıször mindig regisztráljunk legalább 30 mp-es alapszakaszt, utána végezzük el a beavatkozást; végül célszerő egy kb. 30-40 mp utószakaszt is hagyni). A beavatkozások idıtartamát a számítıgép képrenyıjének bal oldalán lévı triggergomb hosszabb lenyomásával indított indikátor jelzi, ez a jel a file-ba is beíródik. 2. Helyezzünk CO2-ot tartalmazó zacskót a szenzor nyílásához, szükség esetén pumpáljunk kis mennyiségő gázt a kanülbe (hypercapnia). Nagy mennyiség veszélyes lehet – a hatás igen gyorsan kialakul. A zacskó elvétele után hagyjuk a légzést megnyugodni! 3. Helyezzünk bipoláris ingerlıt a bal oldali n. vagusra, és közepes impulzusszélességő (PW= 1 ms), kb. 100 Hz-es (PP=10 ms), néhány volt amplitúdójú ingerekkel ingereljük az ideget. Az ingerlés csak 2-3 mp-ig tartson, (TN=200-300) nehogy az állat szíve megálljon. Vizsgáljuk meg a gyengébb és erısebb ingerlés hatását is, jegyezzük fel a pontos ingerlési erısségeket. Az ingerlın az üzemmód-váltó billenıkapcsolót állítsuk "SINGLE" állásba, a programozás-mérés váltókapcsolót pedig a kívánt paraméterek beállítása után állítsuk a "RUN" irányba. Az ingerlést az Analyze program "STIM" nyomógombjára kattintva indítjuk, idejét kis függıleges vonal jelöli a felvételen. 4
4.
Végezzük el az elızıvel azonos ingrerısségek alkalmazásával a jobb oldali n. vagus ingerlését is. váguszingerlés
l é 5 g z 4.5 é s 4 3.5 85
90
95
idô[s]
100
4. ábra. Erıs vágusz-idegingerlés hatása. 5. 6.
7. 8. 9. 10.
Rövid idıre zárjuk el a kanül nyílásait (asphyxia), majd engedjük újra szabadon áramlani a levegıt. Két fonalat vezessünk a bal oldali vagus-ideg alá, kössünk mindkettıre erıs csomót, és köztük vágjuk át a n. vagust. Célszerő mindezt regisztrálás közben végezni, így a következmény dinamikája is megfigyelhetı. A felvételt érdemes a lekötés megkezdése elıtt indítani. Ismételjük meg az eljárást a jobb oldalon is. Ügyeljünk arra, hogy a csomók ne csúszhassanak le az idegrıl. Ingereljük a bal oldali n. vagus centrális csonkját a korábban beállított paraméterő ingerekkel, majd - újabb file-ba - a perifériás csonkját is. Ismételjük meg a széndioxid adagolását a tracheakanülbe. Rövid idıre ismét zárjuk el a kanül nyílásait (asphyxia), majd engedjük újra szabadon áramlani a levegıt.
Kiértékelés: Szempontok – a kiértékelés során a légzési ciklusok hosszát és a légzés mélységét mérjük. Összehasonlítjuk az alap-, a hatás alatti- és az utószakaszokat. Ehhez igénybe vesszük a hagyományos leíró statisztikák adatait (átlag és szórás) is. A kiértékelést is az Analyze programmal végezhetjük. A behívott file-ban kijelölünk egy legalább 10-15 ciklust tartalmazó alapszakaszt, és a szokásos módon váltakozva kijelöljük a belégzési, illetve kilégzési csúcsokat, és az adatokat a táblázatba visszük. Azután új adatokat viszünk be, ezúttal a hatásra jellemzı szakaszból választva, majd végül az utóhatás szakaszából is hasonló képpen. Az írásbeli beszámolóba minden esetben érdemes a teljes regisztrátumot, valamint a jellemzı szakaszokat bemásolni, továbbá az összefoglaló táblázatokat is átvinni. Alaposabb kiértékelési lehetıséget jelent, és élettani szempontból is érdekes, ha ezeken felül a hatás kialakulását, illetve lecsengését tartalmazó átmeneti szakaszokat is megvizsgáljuk. Ebben az esetben a jegyzıkönyvbe az eredeti ciklushossz és amplitúdó adatokat kell átvinni, majd valamelyik feldolgozó program (pl. MSExcel, Origin, vagy Statistica) segítségével az adatokat a légzési ciklusok száma (vagy ezek összeadásával 5
kinyerhetı idıskála) függvényéban ábrázolni. Ezekrıl a függvényekrıl leolvasható az átmenet dinamikája. Írásbeli beszámoló: A kísérlet során jegyezzük fel az egyes regisztrátumok sorszámát, a végzett beavatkozást, továbbá minden megfigyelést, amit tettünk. A mérés elején célszerő a beállításokat is feljegyezni, beleértve az erısítı és az ingerlı funkció gombjait, valamint a képernyın látható skálaértékeket is. Ezeket késıbb csak akkor szükséges újból lejegyezni, ha változtattunk rajta. A mért adatok alapján vizsgáljuk meg, hogy milyen hatással van a CO2 belégzés, illetve az asphyxia a mért változókra ép és átvágott n. vagusok mellett (mutatkozik-e különbség a légzési periódushosszakban, illetve légzésmélységben a n. vagus elvágása elıtti, illetve utáni állapot között)! Elemezzük a gyenge és erıs idegingerlés hatását, és hasonlítsuk össze az adatokat a centrális és a perifériás csonk ingerlésekor kapott eredményekkel! Hasonlítsuk össze a bal és a jobb oldali ideg ingerlésének hatásait! Elemezzük a változások dinamikáját az idıfüggvények alapján!
6
