Антиортостатическая нагрузка. 
Особенности энергообмена мышц у мышей с различными типологическими особенностями в условиях антиортостатического стресса

У отобранных мышей с помощью хирургического зажима фиксировали участок кожи у основания хвоста. Инструмент закрепляли таким образом, чтобы угол между дорсальной осью тела и дном аквариума составлял 45 градусов. Мыши во время эксперимента имели доступ к воде и корму.

Результаты исследований и их обсуждение

Спонтанные «атипические» поведенческие реакции (АПР) представлены гетерогенностью поведенческих паттернов, которые редко встречаются во всех моделях стресса. Таким образом, особенностями АПР являются: 1) низкая спонтанная неконтекстность, то есть явное несоответствие поведения ситуации; 2) повышение АПР при стрессе или при различных нарушениях ЦНС. Низкая частота АПР в подавляющем большинстве случаев не учитываются в качестве поведенческих паттернов. Гетерогенность данной группы поведенческих паттернов, контролируемых нейромедиаторными системами, приводит к трудностям их корректного анализа и интерпретации. Однако в ряде случаев могут служить важными маркерами стресса и свидетельствовать о серьезных поведенческих неврологических нарушениях.

К наиболее часто встречаемым АПР можно отнести: зевание с потягиванием, груминг, чесание вне аутогрумингового контекста, манипуляцию с дефекационными болюсами, игру с хвостом. Другим примером АПР является жевание предметов как смещенная реакция, активируемая при стрессе поведенческих моделях, наблюдается такая форма АПР как грызение или облизывание, например, вертикальных поверхностей крестообразного лабиринта, а также поедание дефекационных болюсов. В целом, приведенные примеры указывают на то, что АПР являются примером патологической формы смещенной активности, активируемой стрессом. При моделировании тревожно-депрессивного поведения было предложено ряд подходов.

• 1) Генетический. Для анализа стрессорного зевания выведены линии крыс, различающихся по базовым уровням спонтанной активности — многозевающие (HY) и малозевающие (LY) крысы.
• 2) Фармакологический. Еще одним методическим подходом является фармакологическая стимуляция АПР различными специфическими препаратами в дозах, не влияющие на общие поведенческие параметры (локомоция, исследовательская активность, оценка риска и т. д.). В частности, глутамат, доноры оксида азота, пролактин, АКТГ, окситоцин, а также гистамин, и дофамин — и холинергические агонисты использованы для повышения фонового уровня данных АПР.
• 3) Нейрофизиологический. Аналогичным подходом является локальная система мозговых центров, управляющих АПР, однако в данном случае велика степень неспецифических и трудно интерпретируемых побочных эффектов, а также исследование поведения так такового.
• 4) Физический. В некоторых других случаях удачная модификация физических «внешних» параметров модели позволяет усилить те или иные АПР. Так известно, что очень малое количество животных спрыгивает из крестообразного лабиринта в качестве стратегии активного избегания. Однако, резкое повышение спрыгивания из КПЛ при использовании модифицированного (нестабильного) лабиринта, что позволяет использовать форму АПР как поведенческий маркер стресса.

Перед началом тестирования у всех особей был определен вес (таблица 1).

Таблица 1.

Вес мышей.

Группы интактных животных с различными типологическими особенностями нервной деятельности не различались по показателям теста Порсольта. После нагрузки время неподвижности увеличивалось в обеих экспериментальных группах, а в группе «агрессивных» уменьшилось время дрейфа.

Для нас значение имеет оценка результатов теста «Порсольта», т.к. она показывает уровень двигательной активности после антиортостатической нагрузки (таблица 2, рис. 1,2,3,4,5,6,7,8,9).

Таблица 2.

Оценка двигательной активности мышей.

Примечание: Ме — медиана, П25 и П75 — соответственно 25-й и 75−1 процентили; п — количество мышей, Ап — время активного плавания, Д — время дрейфа, Н — время неподвижности.

Рисунок 1 Медиана для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 2 25-ый квартиль для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 3 75-ый квартиль для времени активного плавания (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 4 Медиана для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 5 25-ый квартиль для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 6 75-ый квартиль для дрейфа (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 7 Медиана для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 8 25-ый квартиль для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 9 75-ый квартиль для времени неподвижности (секунды). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

В исходном уровне не наблюдалось различий между группами по проявлениям горизонтальной активности и по количеству болюсов дефекации в тесте «открытое поле», а также по показателям коммуникативности в тесте «перегородка». В группе пассивных мышей время Т1 было больше такового в группе «нормальных», время неподвижности было больше, а количество грумингов — меньше, чем в двух остальных группах экспериментальных животных.

После антиортостатической нагрузки у всех трех групп снижались показатели коммуникативности, причем в группах «нормальные» и «активные» снижалось общее время, а у пассивных — среднее время, проведенное у перегородки. В группе «нормальных» мышей уменьшалось число пересеченных квадратов, уменьшалось количество грумингов, наблюдалось резкое увеличение неподвижности в тесте Порсолта, оставаясь, однако, недостоверным вследствие большой индивидуальной вариабельности. У активных мышей уменьшались число вставаний, число пересеченных квадратов, общее время, проведенное у перегородки, увеличивалась неподвижность в тесте Порсольта. У пассивных животных уменьшались число пересеченных квадратов, число вставаний, число подходов к перегородке и среднее время у перегородки, а также время удерживания на струне и количество болюсов дефекации; число грумингов увеличивалось.

Важное значение имеет оценка результатов показателей энергообмена в печени и скелетных мышцах (Таблица 3, рис. 10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21). К основным источникам энергии для ресинтеза АТФ в мышцах относят свободные эфирные кислоты, кетоновые тела, глюкозу, молочную кислоту, гликоген.

Мышцы в покое потребляют лишь небольшое количество глюкозы; основным субстратом энергетического обмена служат жирные кислоты и кетоновые тела, поступающие из печени. В результате распада этих субстратов образуется ацетил-КоА, который вступает в цикл лимонной кислоты и окисляется до СО2. При этом энергией обеспечивается процесс окислительного фосфорилирования и превращения АДФ в АТФ в митохондриях волокон. При умеренной нагрузке, в дополнение к жирным кислотам и кетоновым телам, в мышцах увеличивается расход глюкозы, доставляемой кровью из печени. Глюкоза фосфорилируется и распадается в процессе гликолиза до пирувата, который затем через ацетил-КоА окисляется в цикле лимонной кислоты.

При интенсивной мышечной нагрузке большой расход АТФ не покрывается доставкой обычных субстратов и кислорода кровью. В этих условиях энергетическим субстратом становится резервный полисахарид мышц — гликоген.

Мышечный гликоген используется для получения энергии только гликолитическим путем с образованием молочной кислоты. Чем больше сила сокращения мышц (мощность работы), тем выше скорость расходования мышечного гликогена и тем больше образуется в мышцах молочной кислоты.

В аэробных условиях часть молочной кислоты окисляется в цикле Кребса до СО2 и Н2О при одновременном образовании АТФ. Большая же часть молочной кислоты в процессе гликогенеза снова превращается в гликоген. При высоких нагрузках резко возрастает скорость анаэробного гликогенолиза, конечным продуктом, которого является молочная кислота. Энергетически этот процесс примерно в 15 раз менее эффективен, чем аэробный окислительный распад гликогена до Н2О и СО2. Такой путь энергообеспечения мышц играет основную роль при кратковременной работе большей мощности, например при финишных рывках, на скачках или рысистых испытаниях лошадей. В этих условиях увеличивается количество молочной кислоты в мышцах и в крови. Для ее окисления необходим дополнительный кислород, потребное количество которого обозначается как кислородный запрос. Накопление молочной кислоты сопровождается учащением дыхания и сокращений сердца. Когда органы дыхания и кровообращения не могут полностью обеспечить мышцы необходимым количеством кислорода, возникает кислородная задолженность.

Таблица 3.

Оценка показателей энергообмена в печени и скелетных мышцах.

Примечание: п-количество мышей, Гм — гликоген мышц, Км — креатин мышц, КФм — креатинфосфат мышц, ОЛм — общие липиды мышц, Гп — гликоген печени, ОЛп — общие липиды печени.

Рисунок 10 Медиана для гликогена мышц (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 11 25-ый квартиль для гликогена мышц (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 12 75-ый квартиль для гликогена мышц (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 13 Медиана для креатина мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 14 25-ый квартиль для креатина мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 15 75-ый квартиль для креатина мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 16 Медиана для креатинфосфата мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 17 25-ый квартиль для креатинфосфата мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 18 75-ый квартиль для креатинфосфата мышц (г/кг ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 19 Медиана для гликогена печени (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 20 25-ый квартиль для гликогена печени (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Рисунок 21 75-ый квартиль для гликогена печени (мг/100г ткани). Уровни значимости различий между подгруппами животных представлены в таблице 4.

Интактные мыши с различными типологическими особенностями высшей нервной деятельности различались по уровню гликогена в печени и мышцах; оба показателя были выше в группе «агрессивных» животных. По-видимому, для животных этой группы характерен более интенсивный углеводный обмен. Более высокая двигательная активность у этих особей обусловливает необходимость в большем запасе гликогена мышц, а большая потребность тканей в глюкозе (вследствие ее более интенсивной мобилизации) ведет к большей емкости депо гликогена в печени.

Было обнаружено, что у «неагрессивных» животных после нагрузки наблюдается меньшее содержание креатина при отчетливо выраженной тенденции к повышенному содержанию креатинфосфата (р<0,06). В группе «агрессивных» животных после вывешивания отмечено достоверно повышенное содержание креатинфосфата по сравнению с группой интактных животных. Как известно, креатинфосфат является легко мобилизуемым энергетическим субстратом работающих мышц. Мы полагаем, что накопление креатинфосфата вызвано тренировкой мышц пролонгированным тоническим напряжением, что более выражено для «агрессивных» животных.

Выявление различия в содержании энергетических субстратов в разных группах животных не отразились на показателях мышечной силы. Возможно, это связано с тем, что нагрузка при этом тесте не достаточна для выявления обнаруженных различий, поскольку требуемые усилия компенсируются быстро мобилизуемыми субстратами — АТФ и креатинфосфатом.

Кроме того, у «неагрессивных» животных после вывешивания было обнаружено повышенное содержание гликогена: в печени — на достоверном уровне (р<0,02), в мышцах — на уровне выраженной тенденции. Напротив, в группе «агрессивных» животных аналогичная нагрузка приводит к резкому снижению содержания гликогена, как в печени, так и в мышцах.

Мы полагаем, что обнаруженные различия связаны со стереотипом поведения животных с разными типологическими особенностями высшей нервной деятельности. Известно, что содержание гликогена зависит от соотношения процессов его синтеза и распада, и ключевым фактором в регуляции этих процессов является потребность тканей в глюкозе. Инструментом реализации этих программ в рамках целостного организма являются реакции типа стресс. В условиях относительно небольших нагрузок фаза тревоги кратковременна, и гликогенолитическое воздействие адреналина на печень и мышцы успевает компенсироваться синтезом гликогена в печени и мышцах при достаточном уровне глюкозы в крови в фазу устойчивой адаптации. Более того, обнаруженный нами феномен увеличения количества гликогена в печени у этой группы животных является, по-видимому, «дополнительным» структурным результатом физиологического стресса. Согласно представлениям И. А. Аршавского, в основе прогрессивного развития организма лежит физиологический стресс, который обуславливает реализацию резерва адаптации. Эта реакция осуществляется на такие раздражения, которые хотя и требуют напряжения и обязательных энергетических трат, называются физиологическими, поскольку вызываемые ими энергетические траты окупаются стимуляцией анаболизма, автоматически вызываемой каждой очередной активностью. В результате организм выходит на более высокий уровень потенциальных рабочих возможностей. Такая адаптивная реакция характеризуется тремя фазами: 1) анаболической; 2) катаболической, обеспечивающей возможность осуществления очередной активности; 3) избыточно анаболической. В работах других авторов подобные реакции на раздражители слабой и средней силы названы реакциями тренировки и активации, а повышенный уровень потенциальных рабочих возможностей — феноменом адаптационной стабилизации структур. По-видимому, адаптационные процессы такого типа происходят у мышей с «неагрессивным» типом поведения.

Достоверное снижение содержания гликогена в печени и в мышцах «агрессивных» мышей после антиортостатической нагрузки свидетельствует о «дефицитной» перестройке углеводного метаболизма. Мы полагаем, что условия ограничения подвижности вызывают у «агрессивных» особей сильный эмоциональный стресс и, как следствие неприятия ситуации, интенсивную мышечную работу, что подтверждается наблюдением за данной группой животных во время эксперимента. Активация симпатоадреналовой системы приводит к стимуляции адреналином распада гликогена в печени и в мышцах и торможению го синтеза. Эффекты катехоламинов на углеводный обмен усиливаются действием других контрисулярных гормонов — глюкагона, соматотропина. Глюкокортикоиды, предназначенные в «физиологическом стрессе» для перехода к анаболической фазе посредством стимуляции глюконеогенеза и синтеза гликогена в печени, в условиях пролонгированного поступления адреналина проявляют противоположный эффект — потенцируют эффекты катехоламинов. Таким образом, обмен при патологическом стрессе перестраивается в диабетоподобном направлении, что, по-видимому, и наблюдается в группе «агрессивных» мышей.

По-видимому, обнаруженный феномен объясняется различным отношением выделенных групп животных к условиям эксперимента. Неконтролируемое воздействие воспринимается живыми организмами принципиально иначе, чем контролируемое, и вызывает стойкие патологические изменения. Пассивная стратегия поведения оказывается оптимальной для адаптации в тех условиях, когда животное не может изменить неблагоприятные условия среды. Это предположение нашло подтверждение при изучении гормональных изменений при стрессе и проведении кортизолкортиколиберального теста у крыс линий KHA и KLA; у активных и пассивных животных исследователями были обнаружены различия в чувствительности гипофизарно-адренокортикальной системы к стрессорным воздействиям и скорости дезактивации стрессорной реакции. Таким образом, контролируемость ситуации является критическим фактором для выбора биологическим объектом стратегии патологической или физиологической адаптации.

Таблица 4.

Уровни значимости различий между подгруппами животных.

Примечания.

1. Минимальный уровень значимости, при котором различие считали.

достоверным, принимали равным 0,05 (жирный шрифт).

• 2. W — W-критерий Вилкоксона для независимых выборок, ТТ- критерий Вилкоксона для связанных выборок
• 3. Сокращения: Гм — гликоген мышц, Кмкреатин мышц, КФм — креатинфосфат мышц, ОЛм — общие липиды мышц, Гп — гликоген печени, ОЛп — общие липиды печени, Ап — активное плавание, Д — дрейф, Н — время неподвижности

Двигательная активность принадлежит к числу основных факторов, определяющих уровень обменных процессов организма и состояние его костной, мышечной и сердечнососудистой системы. Она связана тесно с тремя аспектами здоровья: физическим, психическим и социальным и в течение жизни человека играет разную роль. Потребность организма в двигательной активности индивидуальна и зависит от многих физиологических, социально-экономических их культурных факторов. Уровень потребности в двигательной активности в значительной мере обуславливается наследственными и генетическими признаками. Для нормального развития и функционирования организма сохранения здоровья необходим определенный уровень физ. активности. Этот диапазон имеет минимальный, оптимальный уровни двигательной активности и максимальный.

Минимальный уровень позволяет поддерживать нормальное функциональное состояние организма. При оптимальном достигается наиболее высокий уровень функциональных возможностей и жизнедеятельности организма; максимальные границы отделяют чрезмерные нагрузки, которые могут привести к переутомлению, резкому снижению работоспособности. При этом возникает вопрос о привычной физической активности, которую можно определить уровнем и характером потребления энергии в процессе обычной жизнедеятельности.

Жизненная необходимость движений доказана в экспериментах на животных. Так, если крыс (одно из самых жизнеспособных животных) содержать в условиях полной неподвижности в течение 1 месяца, то 40% животных погибает. В условиях минимальных физических движений погибает 20% животных.

Существует две разновидности недостаточной двигательной активности:

• — гипокинезия — недостаток мышечных движений,
• — гиподинамия — недостаток физического напряжения.

Обычно, гиподинамия и гипокинезия сопровождают друг друга и действуют совместно, поэтому заменяются одним словом (как известно, наиболее часто употребляется понятие «гиподинамия»).

Это атрофические изменения в мышцах, общая физическая детренированность, детренированность сердечнососудистой системы, понижение ортостатической устойчивости, изменение водно-солевого баланса, системы крови, деминерализация костей и т. д. В конечном счете, снижается функциональная активность органов и систем, нарушается деятельность регуляторных механизмов, обеспечивающих их взаимосвязь, ухудшается устойчивость к различным неблагоприятным факторам; уменьшается интенсивность и объем афферентной информации, связанной с мышечными сокращениями, нарушается координация движений, снижается тонус мышц (тургор), падает выносливость и силовые показатели.

Наиболее устойчивы к развитию гиподинамических признаков мышцы антигравитационного характера (шеи, спины). Мышцы живота атрофируются сравнительно быстро, что неблагоприятно сказывается на функции органов кровообращения, дыхания, пищеварения.

В условиях гиподинамии снижается сила сердечных сокращений в связи с уменьшением венозного возврата в предсердия, сокращаются минутный объем, масса сердца и его энергетический потенциал, ослабляется сердечная мышца, снижается количество циркулирующей крови в связи с застаиванием ее в депо и капиллярах. Тонус артериальных и венозных сосудов ослабляется, падает кровяное давление, ухудшаются снабжение тканей кислородом (гипоксия) и интенсивность обменных процессов (нарушения в балансе белков, жиров, углеводов, воды и солей).

Уменьшается жизненная емкость легких и легочная вентиляция, интенсивность газообмена. Все это ослаблением взаимосвязи двигательных и вегетативных функций, неадекватностью нервно-мышечных напряжений. Таким образом, при гиподинамии в организме создается ситуация, чреватая «аварийными» последствиями для его жизнедеятельности. Если добавить, что отсутствие необходимых систематических занятий физическими упражнениями связано с негативными изменениями в деятельности высших отделов головного мозга, его подкорковых структурах и образованиях, то становится понятно, почему снижаются общие защитные силы организма и возникает повышенная утомляемость, нарушается сон, снижается способность поддерживать высокую умственную или физическую работоспособность.

Таким образом, стрессовое воздействие — антиортостатическая нагрузка в выбранном режиме — приводило к снижению двигательной активности во всех экспериментальных группах; по другим поведенческим реакциям каждая группа характеризовалась своим паттерном изменений. Достоверное уменьшение показателя мышечной силы отмечено в группах «нормальных» и «пассивных» животных. Время неподвижности в тесте Порсольта практически не изменялось в группе пассивных животных, однако для группы активных животных увеличение этого показателя было достоверным (р=0,023), для группы «нормальных» — на уровне тенденции, близкой к высокому уровню значимости (р<0,08). Только в группе пассивных мышей оказалось сниженным среднее время пребывания у перегородки — усредненный показатель коммуникативности. Снижение стремления к социальным контактам рассматривается как показатель тревоги у животных. Кроме того, в этой же группе оказался резко повышенным показатель аутогруминга в тесте «открытое поле», тогда как в группе «нормальных» мышей отмечено его достоверное снижение. Как известно, изменение этого показателя характеризует степень выраженности психоэмоционального напряжения. Показано, что груминг обладает «двойственной» природой, и количественные показатели его активности могут активироваться противоположными факторами — как аверсивными, так и аппетентными. Возможно, что резкое повышение количества грумингов после стресса у пассивных животных не является свидетельством агрессивности стимула. Более определенный вывод можно сделать по анализу микроструктуры аутогруминга.

В группе пассивных животных отмечено снижение количества болюсов дефекации, что отражает выраженные вегетативные проявления на стресс только в этой группе животных.

Характеризуя группы в целом, можно отметить, что стрессовое воздействие вызвало угнетение всех видов активности в группах «нормальных» и «активных» мышей. Группа «пассивных» животных показала своеобразный паттерн изменений поведенческих реакций: снижение двигательной активности и коммуникативности при сохранении мышечной активности в тесте подвешивания на натянутой струне. Возможно, что высокие характеристики этого теста обусловлены типологическими особенностями ответа пассивных мышей на стрессовое воздействие. В работе уделяется особое внимание возможности животного контролировать стрессорную ситуацию. Авторы утверждают, что неконтролируемое воздействие воспринимается живыми организмами принципиально иначе, чем контролируемое, и вызывает стойкие патологические изменения. Контролируемость, т. е. наличие обратной связи в системе «стимул — реакция», определяется взаимодействием средовых факторов и стратегии поведения субъекта. Пассивная стратегия поведения оказывается оптимальной для адаптации в тех условиях, когда животное не может изменить неблагоприятные условия среды. Данное предположение было подтверждено при изучении гормональных изменений при стрессе и проведении кортизол-кортиколиберинового теста у крыс линий KHA и KLA. Исследователями было обнаружено различие в чувствительности гипофизарно-адренокортикальной системы к стрессорным воздействиям и разной скорости дезактивации стрессорной реакции у активных и пассивных животных.

Таким образом, результаты экспериментов свидетельствуют о том, что типологические особенности животных формируют различные паттерны поведенческой активности как до, так и после стрессового воздействия, оказываемого антиортостатической нагрузкой. Этот феномен необходимо учитывать при экспериментальном моделирования стресса, психофармакологическом скрининге различных анксиотропных и стресс-тропных препаратов, а также поведенческом фенотипировании новых линий трансгенных и нокаутных животных.