Как мозг управляет дыханием
Давайте подробнее разберемся, как мозг управляет гомеостазом, на примере дыхательного центра и ответим на вопрос «Как мы дышим?». Ответ «носом» – не принимается.
Главные дыхательные центры находятся в продолговатом мозге и мосту (рис. 10.3). Там располагаются популяции так называемых инспираторных и экспираторных нейронов (in – «внутрь», нейроны вдоха; ex – «наружу», нейроны выдоха). Ключевую роль в процессе играют инспираторные нейроны-пейсмекеры (водители дыхательного ритма). Они с характерной для определенного биологического вида частотой генерируют импульсы, запускающие вдох (скажем, 100 раз в минуту у лабораторной крысы). Термин «пейсмекер» происходит от английского слова pacemaker – «создатель ритма».
В рок-группах ударник является пейсмекером, и, скажем, Ринго Старр, барабанщик The Beatles, – это пейсмекер.
От клеток-пейсмекеров сигнал передается другим инспираторным нейронам продолговатого мозга и моста. На следующем этапе он опускается в шейные и грудные сегменты спинного мозга, мотонейроны которых непосредственно запускают сокращения диафрагмы и межреберных мышц. За счет выполняемой мышцами работы стенки грудной клетки, а за ними и легкие, начинают расширяться, растягиваться. Запускается вдох, в ходе которого воздух в нарастающем объеме поступает в альвеолы.
В стенках легких и грудной клетки есть специальные нервные волокна – рецепторы растяжения. Они примерно такие же, как в стенках крупных сосудов или кишечника. Сигнал от этих рецепторов способен тормозить инспираторные нейроны и активировать экспираторные, и по мере наполнения легких этот сигнал становится все сильнее – классический пример срабатывания «обратной связи». В результате при определенном уровне растяжения легких вдох останавливается и запускается выдох.
Врожденно заданная частота дыхания взрослого человека во сне составляет около 1 раза в 5 секунд, или примерно 12 раз в минуту. Это значение – «базовая» частота срабатывания наших нейронов – водителей дыхательного ритма. Ее, как правило, нужно увеличивать в ответ на возникновение дополнительных факторов. Например, появилась физическая или эмоциональная нагрузка, стало душно, жарко – когда хочется сказать, что «дышать нечем».
Рис. 10.3. На верхней схеме показана принципиальная организация системы, управляющей дыханием человека. Центры вдоха (инспираторные) и выдоха (экспираторные) находятся в продолговатом мозге и мосту. Запуск вдоха реализуют нейроны-пейсмекеры («генератор ритма»), передающие импульсы на замкнутый контур нервных клеток (схема внизу), после чего сигнал поступает на мотонейроны спинного мозга. На следующем этапе активируются мотонейроны спинного мозга, запускающие сокращение дыхательных мышц. На работу данной системы значительное влияние оказывают хеморецепторы кислорода и углекислого газа
На нейроны-пейсмекеры, генераторы дыхательного ритма, мощно воздействуют сигналы из внутренней среды организма, прежде всего это информация о химическом составе крови от хеморецепторов. Речь идет о таких колоссально важных показателях, как уровень кислорода и концентрация углекислого газа в плазме. Кроме того, на нейросети, обеспечивающие вдох, влияют общий уровень бодрствования (достаточно нам проснуться – и частота дыхания повышается до 16–20 раз в минуту), эмоции, стресс, боль, температура тела.
Возможен и произвольный контроль процесса дыхания, поскольку вдохом-выдохом занимаются вполне стандартные мотонейроны, а не вегетативные нервные клетки. Сюда природа нам «разрешила» влезать, не опасаясь, что мы чего-нибудь натворим. Если работой сердца мы не можем управлять, то диафрагмой и межреберными мышцами – запросто: захотел – вдохнул, захотел – выдохнул. Это играет важную роль для того, чтобы говорить: наша речь, произнесения фонем основаны на непрерывной и сложной работе с дыханием.
Но, как вы уже знаете, в действительности все несколько сложнее. Например, вдох – это довольно длительный процесс, мы вдыхаем примерно полсекунды или даже секунду. А нейроны-пейсмекеры выдают импульсы очень короткое время – раз, и все дружно отработали за 5–10 миллисекунд. Как этот короткий залп превратить в длинный вдох? Для этого в дыхательном центре есть специальные замкнутые контуры из нервных клеток. Когда пейсмекеры в этот контур вбрасывают импульсы, разряды нейронов зацикливаются, и дальше возбуждение может некоторое время существовать внутри контура (см. рис. 10.3, схема внизу). Параллельно оно «сбрасывается» на спинной мозг, и вдох длится, длится и длится. Иными словами, наличие такого инспираторного контура дает возможность оказывать на мотонейроны шейных и грудных сегментов стабильное активирующее действие. Ситуация циркуляции информации в цепочке нейронов, по сути, – простейший пример формирования и сохранения памяти. Работа именно этих нейронов, зацикливающих импульсы пейсмекеров, затем тормозится сигналами от растянувшихся легких. В итоге вдох прекращается и начинается выдох.
Разберемся теперь, зачем организму реагировать на концентрацию углекислого газа в крови. CO2 в большом количестве появляется в нашем организме прежде всего при физической нагрузке. Например, кто-то начал активно приседать, отжиматься или бодро подниматься по лестнице на 15 этаж. Мышцы при этом потребляют кислород, выделяют углекислый газ, и, чтобы не задохнуться, человеку необходимо дышать чаще и глубже. Информация о концентрации углекислого газа в крови снимается непосредственно нейронами продолговатого мозга. В состав инспираторных центров входят клетки-хеморецепторы, которые анализируют, сколько в крови CO2, и при его избытке дыхание становится интенсивнее в 10–15, а то и 20 раз. То есть пейсмекеры начинают генерировать импульсы с меньшим временным интервалом (частота дыхания при этом может доходить до 30–40 раз в минуту). Одновременно инспираторные контуры, удлиняющие вдох, оказываются более возбужденными, и торможение их активности происходит при более высоком уровне растяжения легких (объем каждого очередного вдоха возрастает с 0,5 до 2–3 литров, и это не предел).
Но дыхание настолько важно для организма, что рецепторами внутренней чувствительности измеряется не только концентрация углекислого газа, но еще и кислорода. Понятно, что когда пытаешься одолеть 15 этажей лестницы, параллельно повышается содержание в крови CO2 и снижается O2. Казалось бы, зачем измерять кислород, ведь вполне достаточно углекислого газа? Но нет. Дело в том, что на земле существует весьма распространенная тяга к приключениям, а именно – к восхождению в горы. Если вы поднимаетесь на 1–2 км, то воздух там уже несколько разрежен, а на высоте 5 км его просто в два раза меньше, чем на равнине. При этом углекислого газа в крови больше не станет, а вот кислорода окажется «на донышке». В этом случае нужно учащать дыхание, ориентируясь уже на кислород. Поэтому у нас в аорте, в каротидном синусе, находящемся на разветвлении наружной и внутренней сонных артерий, располагаются нервные волокна – хеморецепторы О2. Они обеспечивают организму возможность адаптации в случае подъема в горы, не говоря уже о том, что немалая часть населения планеты и так живет на высоте километр-два над уровнем моря, и даже больше.
Важную роль в процессе дыхания играют бронхи. Близкий к стандартному диаметр бронхов обеспечивает нормальную вентиляцию легких. Одна из распространенных дыхательных патологий – воспаление дыхательных путей. При этом в бронхах и бронхиолах развивается реакция на инфекцию либо аллерген – отек стенок, затрудняющий дыхание. Если это аллергия, то часто говорят об аллергической астме, а если инфекция – то для начала о бронхите. В любом случае мы замечаем неполадки в системе, когда возникает кашель. Чтобы ослабить симптоматику, можно использовать вещества, похожие на норадреналин. Как вы помните, симпатическая система увеличивает просвет бронхов, и, соответственно, агонистами норадреналина мы можем расширить даже воспаленные дыхательные пути. Когда-то в ингаляторах использовался эфедрин, сейчас – гораздо более избирательно действующий сальбутамол. Он хорош тем, что не оказывает кардиостимулирующего влияния.
Самое важное об аллергии
Аллергия практически вездесуща при современном образе жизни. Порой кажется, что каждый третий – аллергик. Под этим явлением понимают повышенную чувствительность организма к воздействию некоторых веществ или факторов окружающей среды. Она возникает, когда иммунная система реагирует на потенциально безвредные вещества. Вообще-то, эволюцией она создана для того, чтобы реагировать на молекулы, характерные для бактерий и вирусов. Но иногда иммунная система «озлобляется», и организм начинает бурно реагировать на какой-нибудь вид еды, на пыльцу растений, на шерсть любимой кошки. Или, скажем, на хитин и даже на невидимых глазу пылевых клещей. Последнее может сильно снизить комфорт жизни. Аллергия на пыль – ну что за изощренная пытка?
Пылевые клещи – это очень маленькие паукообразные. Их известно около 150 видов, и они вездесущи. Если у вас дома есть ковры, которым больше двух лет, любимые мягкие игрушки или вашей подушке тоже уже исполнилось два года, то внутри клещи есть – не сомневайтесь. Даже если подушки, матрасы и ковры сделаны из самых экологически чистых материалов: шерсти, волокон бамбука и прочих, клещам эти материалы тоже подходят. Непритязательные ребята. Единственное, что им не очень по вкусу, – это синтетика, но во время сна у человека слущиваются чешуйки кожи. Этих чешуек клещам вполне хватает для питания, и даже на полностью синтетической кровати клещи все равно живут. Поэтому если у вас появилась аллергия на так называемую домашнюю пыль, только чистота способна вас спасти. Надо, как енот-полоскун, тщательно и часто стирать все белье, регулярно делать влажную уборку в комнате и купить мощный фильтр для воздуха.
Лучший способ справиться с аллергией – понять, что для вас является аллергеном, и удалить его из своего окружения и из своей жизни.
Смиритесь с тем, что вам «прописана» разлука с этим аллергеном надолго, может быть, навсегда. Постарайтесь больше никогда не есть креветки, если в них причина вашей аллергии. Ну что поделаешь. А любимую кошку, к сожалению, лучше всего будет отдать родственникам. По крайней мере, на несколько лет расстаньтесь с тем, что заставляет вас чихать, задыхаться или покрываться пятнами, а потом проверьте еще раз. Потому что аллергические проявления иногда со временем ослабевают.
И еще: возникновение аллергии (а точнее, гиперчувствительности иммунной системы первого типа) нередко обусловливается тем, что называют «аллергический прорыв». То есть происходит поступление аллергена в большом количестве в кровь в некий несчастливый для вас момент времени. Скажем, на радостях вы наелись в отеле «все включено» креветок или кальмаров «от пуза». Или весной красили на даче забор, а рядом «пылила» березка (органические растворители резко повышают проницаемость дыхательных путей для аллергенов). Или случился у вас бронхит, а вы, как обычно, спали в обнимку с любимой кошкой. И все – «прорыв» произошел, и теперь вы вынуждены жить с аллергией на креветки, березовую пыльцу или кошек. Так что будьте бдительны, не провоцируйте иммунную систему. А то как начнет синтезировать иммуноглобулины Е (именно они отвечают за аллергические реакции) – мало не покажется…
Управление сердечной деятельностью
Работа сердца тоже связана с пейсмекерами, но это совершенно иные пейсмекеры, если сравнивать с дыхательными центрами. Водители ритма в случае вдоха – это нейроны, и они расположены прямо в головном мозге. В сердце же ритм генерируют видоизмененные мышечные клетки (кардиомиоциты, почти не способные сокращаться), которые находятся в верхней части правого предсердия (рис. 10.4).
У человека они примерно один раз в секунду самопроизвольно (без дополнительных внешних воздействий, что характерно для всякого пейсмекера) формируют электрический импульс. Дальше этот импульс быстро распространяется по всей мышечной массе сердца. Именно он запускает сокращение «обычных» клеток сердца (мощно сокращающихся кардиомиоцитов), и наш «пламенный мотор» бьется, бьется и бьется всю жизнь.
Рис. 10.4. Регуляция сердечных сокращений за счет воздействий вегетативной нервной системы на клетки пейсмекеры правого предсердия. Обозначения: 1, 2 – сосудодвигательный (управляющий работой сердца и тонусом сосудов) центр продолговатого мозга и моста и поступающие из него команды; 3 – влияния рецепторов, а также гипоталамуса, больших полушарий и других зон ЦНС; 4, 5 – блуждающий нерв, его ядра и их парасимпатические влияния; 6, 7 – симпатические эффекты (спинной мозг и ганглии): растет не только частота, но и сила сокращений; показано также действие на сосуды (сужение) и надпочечники
Симпатическая и парасимпатическая системы могут вежливо попросить сердечные пейсмекеры: «Коллеги, пожалуйста, пореже работайте… Ой, нет, уже почаще! У нас тут что-то слишком много углекислого газа в крови!» В этом смысле сердце обладает так называемой автоматией. Оно бьется само, а через симпатику, парасимпатику или гормоны поступает дополнительная информация – сигналы, необходимые, чтобы подстроить его активность под текущую деятельность и состояние всего организма. Решаемые задачи при этом достаточно близки к тем, которые мы уже рассмотрели в случае дыхательной системы. Так, при физической нагрузке становится больше углекислого газа в крови, меньше кислорода, и тогда надо не только чаще дышать, но и интенсивнее прокачивать кровь через легкие. Это сопряженная функция, которую сердечно-сосудистая и дыхательная системы реализуют рука об руку. Стало жарко или возник какой-то стресс – надо опять интенсивнее прокачивать кровь. Масса различных проблем решается за счет учащения сердечных сокращений.
Характерно, что парасимпатическая система (блуждающий нерв) работает в основном с клетками-пейсмекерами, то есть влияет прежде всего на частоту сокращений сердца. Симпатические волокна расходятся по сердечной ткани гораздо шире. Они контактируют не только с пейсмекерами (верхняя часть правого предсердия), но и с множеством кардиомиоцитов. Поэтому под действием норадреналина сокращения становятся не только чаще, но и каждое из них – сильнее. Это очень важный ресурс усиления кровотока. Адреналин, выделяемый надпочечниками при стрессе, усиливает работу сердца аналогичным образом.
Если активировать парасимпатическую систему (а это можно сделать, сильно надавив на солнечное сплетение или совсем слегка – на глазные яблоки), частота сердечных сокращений и давление крови снижаются. Надавили, да? Как ощущения? Таблетки, конечно, действуют лучше, но если случилось что-то экстренное и давление резко подскочило, то легкий массаж глазных яблок сквозь закрытые веки будет вполне уместен.
Кстати, об экстренном. Несколько слов о тех проблемах, которые ставит перед сердечно-сосудистой системой резкая смена положения тела в пространстве. Вообразите, что вы сладко спали, а потом резко проснулись, потому что будильник вдруг зазвонил. «Боже мой, я опаздываю!» – вскочили с кровати и побежали собираться. Что случилось с точки зрения сердца? Только что оно прокачивало кровь по горизонтально расположенному сосудистому руслу, а тут вдруг – раз! – надо поднимать ее на метр-полтора по вертикали. Понятно, что в тот момент, когда вы вскочили, значительная часть крови «ухнула» в ноги, и нашему «моторчику» надо быстро наращивать интенсивность и частоту сокращений, хотя бы для того, чтобы мозг (а он – на самом верхнем этаже) и вы вместе с ним не упали в обморок.
Прислушайтесь к своему организму (особенно если он уже не очень молод) – и наверняка заметите, что резкий «подскок» ему явно неприятен и неполезен. Но уже через 10–20 секунд после перехода в вертикальное положение сердце выправляет ситуацию, а точнее, не только оно, но и вся сердечно-сосудистая система в целом.
Одним из важнейших параметров, которые считываются в этот момент рецепторами внутренней чувствительности, является растяжение аорты – нашего главного сосуда. И если она растянута мало – меньше, чем нужно, – тогда идет активация симпатической нервной системы и сердце начинает биться чаще и сильнее. Это реакция на переход из горизонтального в вертикальное положение. В тот момент, когда вы встали, в сердце остается меньше крови, она уходит в нижние конечности, и тут надо насос заставлять работать активнее. А если, наоборот, аорта слишком сильно растянута, тогда, соответственно, идет парасимпатический сигнал и сердце бьется слабее.
Кстати, также можно массировать точку, находящуюся там, где сонная артерия входит в нижнюю челюсть и где расположен уже упоминавшийся по поводу рецепции О2 каротидный синус. Такой массаж тоже снижает давление, имитируя чрезмерное растяжение стенок сосудов. Только аккуратнее, пожалуйста: сонная артерия не зря так называется. Не переусердствуйте в массаже – так можно и в обморок упасть. Ну, с другой стороны, немного отдохнете.
