НТО ДАН

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