Эта работа опубликована в сборнике статей с материалами трудов 1-ой международной телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии". Название сборника "Фундаментальные науки и практика Том 1, №1"

Посмотреть обложку сборника

Скачать информацию о сборнике (в архиве: обложка, тит. лист, оглавление, список авторов)

 

Курский государственный университет (г.Курск, Россия)

Кислород является универсальным акцептором электронов в цепи окислитель-ного фосфорилирования, однако функционирование самой цепи может осуществлять-ся только при определенном минимальном (около 1 тора) его напряжении. Поэтому исследование полей напряжения кислорода является актуальной и важной научной проблемой. Непосредственный и одновременный учет всех факторов участвующих в кислородном обеспечении нейронов на сегодняшний день встречает большие мето-дические трудности, поэтому приходится прибегать к опосредованным методам. Од-ним из них является математическое моделирование. В истории теории транспорта кислорода в тканях было предложено несколько математических моделей [11,12,14,15,4], которые включали с себя в той или иной степени реальную гистотопо-графию одного нейрона и окружающих его сосудов, скорость кровотока в капилля-рах, кривые оксигенации и деоксигенации гемоглобина (КДО), скорость поглощения или утилизации кислорода тканью (причем дифференцированно), степень насыщения гемоглобина кислородом в артериальной крови, кислородной емкости крови, коэф-фициент диффузии и коэффициент растворимости кислорода в тканях. Их описание и разбор подробно отражены в [4,16].Однако следует сказать, что математическое мо-делирование процессов диффузии кислорода шло параллельно с накоплением экспе-риментальных данных, что позволяло включать последние в математические модели и приближаться к пониманию невидимых, но реальных полей напряжения кислорода в тканях. Поэтому математические модели диффузии кислорода в тканях, с одной стороны, являются теоретической основой теории транспорта кислорода, а с другой, достаточно мощным и эффективным инструментом исследования
На современном этапе развития морфофизиологии существует два подхода в структурном математическом моделировании капиллярно-тканевых взаимоотноше-ний, отличающихся друг от друга по целями и требованиям, предъявляемым к моде-лям.
Основной целью первого подхода является точное копирование геометрии нейроклеточно-капиллярного взаимоотношения и анализ полей напряжения кислоро-да, порождаемых данной нейроклеточно-капиллярной конструкцией. Второй подход преследует совсем иную цель – построение структурных моделей нейроклеточно-капиллярных ячеек на основе групповых свойств объективно изученных морфологи-ческих признаков – нейронов, капилляров и их соотношений. В работе будет пред-ставлены оба подхода.
Эффективность работы каждой из нейроклеточно-капиллярных ячеек опреде-ляется напряжением кислорода, которое она ячейка может создавать в самых отда-ленных участках нервных клеток.
Как отметил недавно в своей работе К.П.Иванов [3], в создании современной теории транспорта кислорода имеются несколько наиболее важных и наиболее слож-ных проблем. Одна из них касается участия артериол в газообмене между кровью и тканями и, главное, количественной стороны этого участия.
Начиная с работ [9] было показано, что в процессах газообмена принимают участие не только капилляры, но и артериолы. Сначала это было показано на арте-риолах слизистых оболочек, а затем на артериолах головного мозга крысы и собаки. Эти исследования доказали проницаемость артериол для кислорода, при этом падение напряжения кислорода доходило в среднем до 50 тор [6.7.10.17]. Эти эксперимен-тальные данные не нашли своего отражения в вышеупомянутых моделях.
Целью настоящей работы явилось, с одной стороны, создание такой модели, а с другой, показать на некоторых примерах, к каким физиологическим последствиям приводит включенность таких представлений в математическую модель транспорта кислорода в нервной ткани.
В частности было произведено исследование роли нейроклеточно-капиллярных конструкций в процессе кислородного снабжения нейронов узлов симпатического ствола морских свинок.
Методика
Для реализации поставленных целей использовался вычислительный экспери-мент с математической моделью транспорта кислорода в ткани, в которой принимает-ся ряд допущений, отражающих причастность морфологических и физиологических факторов (параметров) участвующих в этом процессе.
1. Распределение кислорода рассматривается в пространстве нейроклеточно-вазальных отношений. Эти отношения  представлены в модели:
а) нейроклеточно-капиллярными конструкциями;
б) нейроклеточно-капиллярными ячейками.
Все эти нейро-вазальные взаимоотношения включают в себя капилляры, ней-роны и окружающую их ткань.
2. В рассматриваемом объеме пространстве потребление кислорода нервными клетками и окружающей их тканью дифференцировано (т.е. пространство не выгля-дит как однородное с определенной скоростью потребления кислорода) и рассматри-вается как сток кислорода. В нашем исследовании потребление кислорода нервной клеткой ¬- , потребление кислорода тканью, окружающей нейрон, -  .
3. Транспорт кислорода из капилляров осуществляется за счет диффузии по концентрационному градиенту.
4. Зависимость уровней напряжения кислорода в капилляре от процентного со-держания оксигемоглобина задается кривой диссоциации оксигемоглобина. В модели различные экспериментальные кривые диссоциации оксигемоглобина человека и жи-вотных могут быть аппроксимированы различными способами в зависимости от задач исследования. В нашем исследовании была использована сплайн аппроксимация кри-вых по оксигенации и деоксигенации (КДО) крови для мелких грызунов.
5. Скорости биохимических реакций поглощения кислорода и отдачи кислоро-да гемоглобином не учитываются, так как время этих реакций пренебрежимо мало по сравнению со временем диффузионных процессов и движения крови по капиллярам.
6. Распределение напряжения кислорода в радиальном сечении капилляра не считается равномерным.
7. Скорость диффузии во всех точках моделируемого пространства считается одинаковой и соответствует средним величинам определенным экспериментально. В нашем исследовании  коэффициент диффузии кислорода - .
8. Кинетический компонент перемещения кислорода в межклеточной жидкости отсутствует.
9. Капилляры представляют собой нерастяжимые тканевые цилиндры различ-ного диаметра, в которых задается линейная скорость кровотока. В модели преду-смотрено:
•    изменение диаметра сосуда по его ходу;
•    Б. - изменение диаметра в разных капиллярах.
•    В. -изменение скорости кровотока в капиллярах.
•    Г. -изменение скорости кровотока в каждом капилляре отдельно
•    Д. -изменение направленности кровотока в каждом капилляре.
В нашем исследовании было принято: диаметр всех капилляров - 5 мкм, ско-рость кровотока в капиллярах - 600 мкм/сек, движение крови однонаправленное.
10. Связь между содержанием кислорода в крови и степенью ее насыщения оп-ределялась из соотношения: HB=C/0,2*100%, где 0,2 - это кислородная емкость крови при нормальных условиях. В модели ее значение можно изменять. В нашем исследо-вании  кислородная ёмкость крови принималась за 20 объёмных % или  .
11. Граничные условия. Напряжение кислорода определяется в модели уравне-нием диффузии:  . Решение подобных уравнений требует обяза-тельного задания граничных условий. Во всех предыдущих моделях принималось следующее допущение: градиент напряжения кислорода в направлении нормали ра-вен нулю  , т.е. поток кислорода через стенки ячейки уравновешивается по-током кислорода из соседней ячейки. В нашей модели граничными условиями были профили напряжения кислорода, которые создаются артериолами.
При построении компьютерных моделей реальных нейроклеточно-каппилярных конструкций использовали следующие методические приемы.
В окуляр микроскопа вставлялась решетка с заранее измеренным шагом по вертикали и горизонтали, которая накладывалась на интересующий нас участок гис-тологического препарата и давала возможность точно определять координаты сосу-дов и нейронов в одной плоскости. Та же решётка помогала определять координаты нейронов и капилляров, когда фокальная плоскость микроскопа сканировала гистоло-гический препарат по толщине при помощи микрометрического винта.
Для построения кровеносных сосудов регистрировали на гистологическом ма-териале и вводили в компьютер координаты осевой линии, зафиксированные в трёх проекциях данной трубчатой структуры. Критерием для постановки точек на осевой линии сосудов служили: изменение диаметра сосуда, место ответвления или впадения в них нового сосуда, отклонение сосуда от прямолинейного направления. На сле-дующем этапе построения компьютерной модели на каждой осевой точке указывали сечение диаметра.
Для построения нейрона достаточно было определить его центр на гистологи-ческом препарате и перенести его в трёхмерную декартову решетку в компьютере, найти радиус нейрона и ввести его в компьютер. Сам же компьютер на основании этих двух параметров моделировал объёмную реконструкцию нейрона.
Результаты исследования и их обсуждение
Нейроклеточно-капиллярные взаимоотношения в узлах симпатического ствола морской свинки характеризуются превалированием контактных форм над неконтакт-ными. Основная масса контактных форм представлена прилежанием капсулы нейрона к двум прямолинейным отрезкам капилляра и несколько меньше к одному прямоли-нейному отрезку капилляра. Последние в основном относятся к верхнему слою под-капсульных нейронов. Реже встречаются контактные формы, при которых капилляр огибает тело нейрона на различную величину его периметра, и крайне редко встреча-ется охват нейрона капиллярным кольцом.
Наряду с контактной формой взаимоотношения нейрона с капилляром гораздо реже встречаются неконтактные формы, как одноисточниковые, так и двухисточни-ковые. При одноисточниковой форме нейрон может отстоять от прямолинейного от-резка капилляра или огибаться последним на различную величину периметра. При двухисточниковой форме нейрон лежит, как правило, своей продольной осью между двумя прямолинейными отрезками капилляров. Чаще встречается переходная форма взаимоотношения нейрона с капиллярами, когда нейрон прилежит к одному из двух капилляров и отстоит от другого. У морской свинки на 100 нервных клеток 22-26 нейронов огибаются капилляром на различную величину периметра. Все эти формы нейроклеточно капиллярных взаимоотношений в узлах симпатического ствола мор-ской свинки представлены на рис.1.
Для нашего исследования были выбраны наиболее часто встречающиеся фор-мы нейроклеточно-капиллярных взаимоотношений в узлах симпатического ствола морской свинки, а именно, формы 1 и 9, представленные на рис.1.

 

Скачать работу целиком