20.9. Регуляция системной гемодинамики
Основные принципы регуляции системного кровообращения
Адаптация кровообращения к сиюминутным потребностям организма осуществляется благодаря тесной взаимосвязи региональных и высших (супрарегиональных) механизмов.
Функциональные параметры кровообращения постоянно улавливаются рецепторами, расположенными в различных отделах сердечно–сосудистой системы. Афферентные импульсы от этих рецепторов поступают в сосудодвигательные центры продолговатого мозга. Эти центры посылают сигналы как по эфферентным волокнам к эффекторам–сердцу и сосудам, так и в другие отделы ЦНС, ряд которых участвует в нейрогуморально–гормональной регуляции кровообращения [6, 10, 12, 22, 35, 42, 44, 54, 56].
Основные механизмы общей сердечно–сосудистой регуляции направлены на поддержание в сосудистой системе градиента давления, необходимого для нормального кровотока. Это осуществляется путем сочетанных изменений общего периферического сопротивления и сердечного выброса. Если в результате расширения резистивных сосудов падает общее периферическое сопротивление, то компенсаторно увеличивается сердечный выброс (это увеличение может быть достаточно существенным), и наоборот. В то же время, когда в результате повышенных потребностей в кровоснабжении каких–либо органов их сосуды расширяются, общее периферическое сопротивление, по крайней мере частично, поддерживается за счет сужения сосудов в других органах.
Существуют и другие важные адаптивные механизмы, влияющие на соотношение емкости сосудов и объема крови. От этого соотношения зависит статическое давление крови. Изменение тонуса емкостных сосудов в значительной степени влияет на емкость кровеносного русла [21, 46, 57]. Объем крови зависит как от уровня капиллярной фильтрации и реабсорбции, так и от соотношения между потреблением жидкости и выделением ее почками.
В зависимости от скорости развития адаптивных процессов все механизмы регуляции гемодинамики можно разделить на три группы: 1) механизмы кратковременного действия: 2) механизмы промежуточного (по времени) действия; 3) механизмы длительного действия.
Регуляторные механизмы кратковременного действия
К этим механизмам относятся преимущественно сосудодвигательные реакции нервного происхождения: 1) барорецепторные рефлексы (рефлексы на растяжение рецепторов давления); 2) хеморецепторные рефлексы; 3) рефлекс на ишемию ЦНС. Общей чертой всех этих рефлексов является быстрое развитие (время рефлекса порядка нескольких секунд). Такие реакции достаточно интенсивны, однако при постоянном (в течение нескольких дней) раздражении они либо полностью исчезают (барорецепторные рефлексы), либо ослабевают (хеморецепторные рефлексы, рефлекс на ишемию ЦНС). Нервные циркуляторные влияния дополняются действием гормонов, в том числе адреналина, норадреналина и с большим латентным периодом вазопрессина.
Барорецепторные рефлексы
Локализация артериальных барорецепторов. В стенках крупных внутригрудных и шейных артерий расположены многочисленные баро–, или прессорецепторы. возбуждающиеся при растяжении стенки сосуда под действием трансмурального давления. Важнейшими барорецепторными зонами являются области дуги аорты и каротидного синуса (рис. 20.27).
Чувствительные волокна от барорецепторов каротидного синуса идут в составе синокаротидного нерва–ветви языкоглоточного нерва. Барорецепторы дуги аорты иннервируются левым депрессорным (аортальным) нервом, а барорецепторы области отхождения плечеголовного ствола –правым депрессорным нервом. Как синокаротидные, так и аортальные нервы содержат также афферентные волокна от хеморецепторов, расположенных в каротидных тельцах (около области разветвления общей сонной артерии) и в аортальных тельцах (дуги аорты).
Зависимость импульсации артериальных барорецепторов от давления. Если сосудистую стенку растягивать под действием постоянного давления, то импульсация в барорецепторах будет непрерывной, причем кривая зависимости частоты этой импульсации от давления имеет почти S–образный характер. Участок наибольшего угла наклона этой кривой приходится на диапазон значений давления от 80 до 180 мм рт.ст. Барорецепторы действуют как пропорционально–дифференциальные датчики: на колебания артериального давления во время сердечного цикла они реагируют ритмичными залпами разрядов, частота которых изменяется тем больше, чем выше амплитуда и/или скорость нарастания волны давления. Вследствие этого частота импульсации в восходящей части кривой давления существенно больше, чем в более пологой нисходящей части (рис. 20.28). В результате такой «асимметрии» (более интенсивного возбуждения барорецепторов во время повышения давления)
Рис. 20.27. Расположение баро– и хеморецепторов в аорте и сонной артерии (по данным, полученным на собаках и кошках). Области расположения барорецепторов показаны розовым цветом, а чувствительные волокна от этих рецепторов–красными линиями (по Милнору [18] с изменениями)
Рис. 20.28. Рефлекторные реакции с барорецепторов каротидного синуса. При снижении артериального давления активность барорецепторов падает, в результате рефлекторно повышается импульсация в сосудосуживающих и сердечных симпатических нервах, что приводит к увеличению периферического сопротивления и частоты сокращений сердца. Благодаря этому давление вновь возрастает. При чрезмерном повышении артериального давления возникают противоположные реакции. Подробнее см. в тексте (по Rushmer с изменениями)
средняя частота импульсации выше, чем при аналогичном постоянном давлении. Отсюда следует, что барорецепторы передают информацию не только о среднем артериальном давлении, но также об амплитуде колебаний давления и крутизне его нарастания (а следовательно, и о ритме сердца).
Влияние активности артериальных барорецепторов на кровяное давление и функцию сердца. Афферентные импульсы от барорецепторов поступают к кардиоингибиторному и сосудодвигательному центрам продолговатого мозга, а также в другие отделы ЦНС. Эти импульсы оказывают тормозное влияние на симпатические центры и возбуждающее на парасимпатические. В результате снижается тонус симпатических сосудосуживающих волокон (или так называемый вазомоторный тонус), а также частота и сила сокращений сердца (рис. 20.28).
Поскольку импульсация от барорецепторов наблюдается в широком диапазоне значений артериального давления, их тормозные влияния проявляются даже при «нормальном» давлении. Иными словами, артериальные барорецепторы оказывают постоянное депрессорное действие. При повышении давления импульсация от барорецепторов возрастает, и сосудодвигательный центр
затормаживается сильнее; это приводит к еще большему расширению сосудов, причем сосуды разных областей расширяются в разной, степени. Расширение резистивных сосудов сопровождается уменьшением общего периферического сопротивления, а емкостных–увеличением емкости кровеносного русла. И то, и другое приводит к понижению артериального давления–либо непосредственно, либо в результате уменьшения центрального венозного давления и, следовательно, ударного объема (рис. 20.28). Кроме того, при возбуждении барорецепторов уменьшаются частота и сила сокращений сердца, что также способствует снижению артериального давления. При падении давления импульсация от барорецепторов уменьшается, и развиваются обратные процессы, приводящие в конечном счете к повышению давления.
Этот ауторегуляторный гомеостатический механизм действует по принципу замкнутой цепи обратной связи (рис. 20.29): сигналы, поступающие от барорецепторов при кратковременных сдвигах артериального давления, вызывают рефлекторные изменения сердечного выброса и периферического сопротивления, в результате чего восстанавливается исходный уровень давления.
Роль рефлексов с артериальных барорецепторов в нормализации кровяного давления особенно
Рис. 20.29. Блок–схема регуляции кровяного давления с участием артериальных барорецепторов. Стимулирующие эффекты обозначены знаком «+», тормозные знаком «—»
хорошо видна в опытах по измерению артериального давления в течение суток (рис. 20.30). На кривых распределения полученных значений давления видно, что при интактных синокаротидных нервах максимальная плотность этих значений приходится на узкие пределы в области «нормального» среднего давления––100 мм рт. ст. (максимум кривой). Если же в результате денервации барорецепторов гомеостатические регуляторные механизмы выключаются, то кривая распределения значений давления существенно растягивается как в сторону больших, так и в сторону меньших величин.
Все эти рефлекторные механизмы составляют важное звено в общей регуляции кровообращения. В этой регуляции артериальное давление–лишь одна из поддерживаемых констант.
Если в эксперименте искусственно вызвать хроническую гипертензию, то через несколько дней барорецепторы адаптируются к повышенному давлению, полностью сохраняя свои функции. В этих условиях ауторегуляторные механизмы, направленные на стабилизацию артериального давления, уже не приводят к его снижению; напротив, они поддерживают давление на высоком уровне, способствуя тем самым дальнейшему развитию патологических нарушений. Недавно были предприняты попытки использовать механизмы рефлекторной регуляции артериального давления для лечения больных с гипертензией, не поддающейся медикаментозной терапии. Для этого синокаротидные нервы подвергали постоянному или синхронизирован
ному с пульсом раздражению через вживленные электроды («управляемое давление»).
При ударе по области каротидного синуса или ее сдавленны извне барорецепторы возбуждаются, что приводит к снижению артериального давления и уменьшению частоты сокращений сердца. У пожилых людей с выраженным атеросклерозом при этом может резко упасть давление и возникнуть временная остановка сердца с потерей сознания (синдром каротидного синуса). В большинстве случаев через 4–6 с сердечный ритм восстанавливается, причем в первые моменты часто наблюдается атриовентрикулярный ритм и лишь затем восстанавливается нормальный синусовый ритм. Однако если остановка сердца продолжается слишком долго, может наступить смерть. Во время приступов пароксизмальной тахикардии (резко ускоренного пульса) иногда можно нормализовать ритм путем надавливания на область каротидного синуса с одной или с обеих сторон.
Влияние активности барорецепторов на другие отделы ЦНС. Увеличение импульсации, поступающей от барорецепторов к сосудодвигательным центрам продолговатого мозга, приводит к торможению некоторых отделов ЦНС. При этом дыхание становится более поверхностным, снижаются мышечный тонус и импульсация, поступающая по γ–эфферентам к мышечным веретенам, и ослабляются моносинаптические рефлексы. Для ЭЭГ характерна тенденция к синхронизации. У бодрствующих животных при сильном растяжении области каротидного синуса наблюдается снижение двигательной активности; иногда они даже засыпают.
Рис. 20.30. Кривая распределения среднего артериального давления (регистрация в течение 24 ч) у собаки с интактными барорецепторами (норма) и через несколько недель после денервации барорецепторов (денервация) (по Гайтону [8])
Влияние активности барорецепторов на объем крови. Рефлекторные изменения тонуса пре– и посткапиллярных сосудов влияют на эффективное гидростатическое давление в капиллярах, сдвигая тем самым фильтрационно–реабсорбционное равновесие. При повышении артериального давления импульсация от барорецепторов увеличивается, что приводит к рефлекторной вазодилатации; в результате эффективное давление в капиллярах возрастает, и повышается скорость фильтрации жидкости в интерстициальное пространство.
При снижении импульсации от барорецепторов происходят обратные процессы. Все эти реакции начинаются, возможно, еще до того, как возникают приспособительные изменения общего периферического сопротивления и емкости сосудов.
В скелетных мышцах, характеризующихся значительной общей площадью поверхности капилляров и чрезвычайно вариабельным объемом интерстициального пространства, возможны довольно быстрые перемещения больших объемов жидкости из внутрисосудистого пространства в интерстициальное и наоборот. При тяжелой мышечной работе объем плазмы может за 15–20 мин снизиться на 10–15% вследствие расширения прекапилляров. Противоположный эффект – увеличение объема внутрисосудистой жидкости в результате реабсорбции из интерстициального пространства – наблюдается, например, при падении артериального давления. Этот процесс также развивается быстро, хотя через какое–то время уже становится невозможным отличить его от других регуляторных механизмов промежуточного типа действия.
Рефлексы с рецепторов растяжения сердца
Рецепторы предсердий. В обоих предсердиях расположены рецепторы растяжения. Они подразделяются на два функционально важных типа: рецепторы А–типа возбуждаются при сокращении предсердий, а рецепторы В–типа–в конце систолы желудочков, причем их активность совпадает с восходящим фронтом v–волны на кривой давления в предсердиях (рис. 20.31). А–рецепторы реагируют на сокращение мускулатуры предсердий, а В–рецепторы–на ее пассивное растяжение (увеличение внутрипредсердного давления). Импульсы от рецепторов предсердий поступают по чувствительным волокнам блуждающих нервов к циркуляторны.м центрам продолговатого мозга и к другим отделам ЦНС.
Влияние сигналов от рецепторов предсердий на кровяное давление и деятельность сердца. Рефлекторные реакции, возникающие при возбуждении одних только В–рецепторов, во многом сходны с эффектами возбуждения барорецепторов. К этим реакциям относятся торможение симпатического и
Рис. 20.31. Синхронная запись ЭКГ, давления в левом предсердии и импульсации от предсердных рецепторов типа А и В, а также желудочкового рецептора (по Paintal, цит. по [6])
возбуждение парасимпатического отделов циркуляторных нервных центров продолговатого мозга, сопровождающиеся соответствующими изменениями функций сердечно–сосудистой системы (см. выше). Импульсы от В–рецепторов оказывают особенно выраженное сосудосуживающее влияние на почечные сосуды, в то время как в рефлексах с артериальных барорецепторов участвуют преимущественно сосуды скелетных мышц. Таким образом, активность В–рецепторов, по–видимому, влияет главным образом на уровень почечной экскреции, зависящей в известной степени от почечного кровотока.
Рецепторы предсердий (а также рецепторы области входа крупных вен в правое предсердие, в функциональном отношении, очевидно, идентичные предсердным) играют также особую роль в регуляции внутрисосудистого объема крови. Это связано с их расположением, идеальным для восприятия степени наполнения сосудистой системы и динамики наполнения желудочков. Рецепторы предсердий и крупных вен очень чувствительны к этим параметрам, поэтому малейшие колебания внутрисосудистого объема крови вызывают изменения импульсации от этих рецепторов, поступающей, в частности, к центрам осморегуляции в гипоталамусе. Эти центры контролируют секрецию гормона вазопрессина.
Сигналы от А–рецепторов (в отличие от В–рецепторов), очевидно, повышают симпатический тонус. Именно возбуждением этих рецепторов объясняют тахикардию, часто (но не всегда) возникающую в эксперименте при очень сильном растяжении предсердий, обусловленном быстрым введением в кровоток большого объема жидкости (рефлекс Бейнбриджа). Непостоянство этого рефлекса может быть связано с различиями в степени возбуждения А– и В–рецепторов в разных условиях эксперимента. Физиологическое значение рефлекса Бейнбриджа спорно.
Рецепторы желудочков. В желудочках также имеется некоторое количество рецепторов растяжения. Афферентные волокна от этих рецепторов, как и от рецепторов предсердий, идут в составе блуждающих нервов. Импульсация от рецепторов желудочков (рис. 20.31) регистрируется только во время фазы изоволюметрического сокращения (сразу после зубца R на ЭКГ; рис. 20.31).
Полагают, что в покое импульсы от рецепторов желудочков поддерживают отрицательное хронотропное влияние блуждающих нервов на сердечный ритм и при очень сильном растяжении желудочков вызывают рефлекторную брадикардию и вазодилатацию, однако физиологическое значение этих реакций еще не выяснено.
Внутривенное введение некоторых фармакологических препаратов, например алкалоидов чемерицы (veratrum), никотина, серотонина и т.п., приводит к рефлекторной брадикардии и вазодилатации, в результате чего кровяное давление падает (рефлекс Бецольда–Яриша) и наступает остановка дыхания. Аналогичные реакции со стороны сердца и сосудов наблюдаются также при введении этих веществ в левую венечную артерию или их нанесении на поверхность левого желудочка (коронарный хеморефлекс). Остановка дыхания связана с действием этих агентов на рецепторы легких.
Рефлексы с артериальных хеморецепторов
Рефлексы с хеморецепторов аортальных и синокаротидных телец (см. рис. 20.27) на сердечно–сосудистую систему нельзя отнести, подобно рефлексам с барорецепторов, к истинной ауторегуляции кровообращения, так как адекватными раздражителями для хеморецепторов служат снижение напряжения О2 и повышение напряжения СО2 (или увеличение концентрации ионов Н+) в крови. Импульсы от хеморецепторов поступают как в «дыхательные», так и в «циркуляторные» центры продолговатого мозга, в результате чего возникают рефлекторные реакции, часто носящие противоположный характер [12, 44].
Влияние изменений дыхания на гемодинамику можно исключить в опытах по искусственной вентиляции легких. В этих условиях было обнаружено, что возбуждение хеморецепторов приводит к снижению частоты сокращении сердца и сужению сосудов в результате прямого действия на циркуляторные центры продолговатого мозга. При этом эффекты, связанные с сужением сосудов, преобладают над последствиями снижения сердечного выброса, и вследствие этого артериальное давление повышается. Те же реакции наблюдаются и в том случае, если вследствие понижения артериального давления уменьшается кровоток в области синокаротидных и аортальных телец. Эти механизмы (так же, как и снижение импульсации от барорецепторов) препятствуют дальнейшему падению давления.
В естественных условиях на эти реакции накладываются влияния, связанные с дыханием, а также, возможно, прямое действие на сосуды. Так, при недостатке О2 во вдыхаемом воздухе местное расширение сосудов, наступающее в результате гипоксии , преобладает над рефлекторным сужением; кроме того, частота сокращений сердца (а следовательно, и сердечный выброс) увеличивается.
Реакция на ишемию ЦНС
Реакция на ишемию ЦНС заключается в возбуждении циркуляторных центров продолговатого мозга, сопровождающемся преимущественно сужением сосудов и повышением артериального давления. Эта реакция возникает при недостаточном кровоснабжении головного мозга, падении артериального давления, снижении содержания кислорода в артериальной крови или нарушении мозгового кровообращения вследствие сосудистой патологии. Повышение концентрации Н+ и СО2 (а также, возможно, других метаболитов) приводит к возбуждению центров продолговатого мозга–либо в результате прямого действия на ретикулярную формацию, либо вследствие влияния внеклеточной концентрации H+ на хеморецепторные области поверхности ствола мозга (этот же механизм участвует в регуляции дыхания). Возможно, при снижении содержания кислорода в артериальной крови возникают также рефлекторные реакции, связанные с раздражением артериальных хеморецепторов. Интенсивность реакции на ишемию ЦНС зависит от степени нарушения кровоснабжения головного мозга. Так, при крайне выраженной недостаточности кровоснабжения почечный кровоток в результате сужения почечных сосудов может упасть настолько, что прекратится мочеотделение. В результате артериальное давление повышается до 250 мм рт. cm. и более.
Влияние адреналина и норадреналина на сердечно–сосудистую систему
Мозговое вещество надпочечников иннервируется точно так же, как и симпатические ганглии, поэтому при различных воздействиях, приводящих к возбуждению симпатических циркуляторных центров продолговатого мозга (или любых других влияниях, вызывающих стимуляцию симпатической системы), начинается усиленное выделение адреналина и норадреналина из надпочечников. В условиях покоя скорость выделения катехоламинов довольно низка, а при экстремальных условиях она может повышаться в 50 раз.
Адреналин. Циркулирующий в крови адреналин вызывает главным образом снижение общего периферического сопротивления вследствие возбуждения β–адренорецепторов. Поскольку реакции разных сосудов на адреналин различны в зависимости от соотношения в них α– и β–рецепторов, при этом наступает перераспределение сердечного выброса. Кровоток в скелетных мышцах возрастает, а в сосудах кожи и чревной области снижается (см. рис. 20.25). В то же время сердечный выброс увеличивается в результате повышения ударного объема и частоты сокращений сердца. При этом среднее артериальное давление либо не меняется, либо изменяется незначительно. Подобные реакции наблюдаются при физической нагрузке или эмоциональном возбуждении. В экстремальных ситуациях (например, при кровотечении или сильном эмоциональном стрессе– тревоге, страхе, ярости) концентрация адреналина в крови может достигать такого высокого уровня, при котором преобладают возбуждение α–рецепторов и сужение сосудов (см. рис. 20.25).
Норадреналин. Норадреналин, циркулирующий в крови в надпороговых концентрациях, приводит только к увеличению системного периферического сопротивления (см. рис. 20.25). В результате артериальное давление возрастает, импульсация от барорецепторов увеличивается и наступает рефлекторное снижение частоты сокращений–сердца. Замедление ритма сердца, а также уменьшение ударного объема приводят к понижению сердечного выброса. Однако даже при максимальной секреторной активности мозгового вещества надпочечников количество вырабатываемого ими норадреналина, по–видимому, слишком мало для того, чтобы вызвать реакции сердечно–сосудистой системы, подобные нейрогенным.
Промежуточные (по времени) регуляторные механизмы
К промежуточным (по времени) регуляторным механизмам относятся: 1) изменения транскапиллярного обмена; 2) релаксация напряжения стенок сосудов; 3) ренин–ангиотензиновая система. Для того чтобы эти механизмы начали действовать, требуются минуты, а для их максимального развития – часы.
Изменения транскапиллярного объема. На фильтрационно–реабсорбционное равновесие в капилляpax влияют не только рефлекторные сосудодвигательные реакции, изменяющие преимущественно кровоток в мышцах. Кровообращение во всех капиллярах зависит от давления в разных отделах кровеносной системы. Увеличение артериального и/или венозного давления, как правило, сопровождается повышением давления в капиллярах; в результате фильтрация жидкости в интерстициальное пространство возрастает, а внутрисосудистый объем снижается. Поскольку среднее давление наполнения, венозный возврат и ударный объем тесно взаимосвязаны, это снижение внутрисосудистого объема жидкости приводит к уменьшению артериального давления. Напротив, при падении давления происходят обратные изменения: реабсорбция в капиллярах возрастает, артериальное давление повышается.
Релаксация напряжения в сосудистой стенке.
Поскольку артериальное давление связано с давлением наполнения, оно повышается при увеличении внутрисосудистого объема крови. Однако этому повышению давления в известной степени препятствует релаксация напряжения сосудов. Благодаря этой особенности при растяжении сосудов под действием повышенного давления их растяжимость постепенно возрастает. При уменьшении внутрисосудистого объема жидкости происходят обратные процессы, приводящие к повышению артериального давления. Эти свойства сосудистой стенки носят название релаксации напряжения и обратной релаксации напряжения. Они особенно выражены у емкостных сосудов. Благодаря этим свойствам давление в сосудистой системе даже после значительных изменений внутрисосудистого объема жидкости через 10–60 мин почти возвращается к исходному уровню.
Ренин–ангиотензиновая система. Ренин–это фермент, который вырабатывается и хранится в юкстагломерулярных клетках почек. Высвобождаясь в кровь, этот фермент расщепляет ангиотензиноген (α2–глобулин), синтезирующийся в печени. В результате образуется декапептид ангиотензин I. Под действием «конвертирующего фермента» плазмы ангиотензин I превращается в октапептид ангиотензин II; эта реакция протекает преимущественно в сосудах легких. Ангиотензин II расщепляется ангиотензиназами на неактивные пептиды (рис. 20.32).
При снижении кровоснабжения почек любой этиологии–будь то в результате падения артериального давления, сужения почечных сосудов или их патологических изменений–выделение ренина увеличивается (рис. 20.32). По–видимому, это происходит также при снижении импульсации от барорецепторов предсердий и артерий в результате
Рис. 20.32. Последовательность реакций вовлечения ренин–ангиотензиновой системы в регуляцию кровяного давления
уменьшения внутрисосудистого объема жидкости. Полагают, что выброс ренина стимулируется также изменениями концентраций электролитов в крови, в частности гипонатриемией [27, 28].
Ангиотензин II оказывает очень сильное прямое суживающее действие на артерии и менее сильное на вены. Кроме того, он возбуждает центральные и периферические симпатические структуры. В результате периферическое сопротивление и кровяное давление повышаются. Кроме того, ангиотензин II служит главным стимулятором выработки альдостерона в коре надпочечников.
Для того чтобы действие ренин–ангиотензиновой системы достигло максимума, требуется около 20 мин; затем оно продолжается в течение длительного времени, ослабнув лишь незначительно. Ренин–ангиотензиновая система играет важную роль в нормализации кровообращения при патологическом снижении артериального давления и/или объема крови. Возможно, она участвует также в мотивации жажды: при увеличении содержания ренина и ангиотензина в крови чувство жажды усиливается и наоборот. Этим объясняется возникновение жажды после серьезной кровопотери.
Можно предполагать, что с ренин–ангиотензиновой системой связан один из видов почечной гипертензии, поскольку при этом состоянии концентрации ренина и ангиотензина в крови существенно повышаются.
Регуляторные механизмы длительного действия
В настоящее время к долговременной регуляции гемодинамики относят механизмы, влияющие главным образом на соотношение между внутрисосудистым объемом крови и емкостью сосудов. Эти параметры могут изменяться двумя различными путями. Изменения емкости сосудов в соответствии с объемом крови могут происходить за счет сосудодвигательных рефлексов, релаксации напряжения сосудов и действия ренин–ангиотензиновой системы (см. выше). Все эти механизмы относятся к кратковременной или промежуточной (по времени) регуляции. Напротив, внутрисосудистый объем крови изменяется в соответствии с емкостью сосудов за счет изменения транскапиллярного обмена жидкости. Однако физиологическое значение таких изменений ограничено, так как при этом жидкость обменивается лишь между внутрисосудистым и интерстициальным пространствами (важнейшие внеклеточные водные пространства). В норме объем внеклеточного водного пространства может изменяться только в результате смещения равновесия между суммарным потреблением жидкости (т.е. поступлением жидкости в желудочно–кишечный тракт за вычетом всех потерь воды, кроме выведения с мочой) и выделением жидкости почками. Таким образом, регуляция внеклеточного объема жидкости чрезвычайно важна не только для поддержания водно–солевого равновесия, но и для деятельности сердечно–сосудистой системы. В этой регуляции участвуют следующие механизмы: 1) почечная система контроля за объемом жидкости; 2) система вазопрессина; 3) система альдостерона.
Почечная система контроля за объемом жидкости.
Функции этой системы, связанные с артериальным давлением, схематично изображены на рис. 20.33. Перечислим основные эффекты.
Повышение кровяного давления имеет несколько основных следствий: 1) возрастает выведение жидкости почками; 2) в результате увеличенного выведения жидкости снижается объем внеклеточной жидкости и, следовательно, 3) уменьшается объем крови; 4) уменьшение объема крови приводит к снижению среднего давления наполнения, что сопровождается 5) падением венозного возврата и сердечного выброса; 6) вследствие уменьшения сердечного выброса артериальное давление снижается до исходного уровня.
При падении артериального давления происходят обратные процессы: почечная экскреция уменьшается, объем крови возрастает, венозный возврат и сердечный выброс увеличиваются и артериальное давление вновь повышается.
Следует отметить, что на артериальное давление в таких случаях влияют не только изменения
Рис. 20.33. Блок–схема почечной системы регуляции объема, относящейся к системам регуляции кровяного давления длительного действия (по Гайтону [8] с изменениями)
сердечного выброса, но и изменения общего периферического сопротивления (Р = V • R). Такой сопряженный сдвиг обусловлен изменениями периферического сопротивления в некоторых резистивных сосудах, обладающих свойством ауторегуляции. При этом ауторегуляторные реакции на колебания объемной скорости кровотока вызываются изменениями давления, и в результате сами эти изменения усиливаются в 5–10 раз. Таким образом, незначительное (на 2–3%) постоянное повышение объема внеклеточной жидкости может привести к повышению кровяного давления почти на 50% [8, 34, 37].
Представлениям о существовании подобных механизмов регуляции не противоречит тот факт, что быстрое изменение объема крови (при введении больших количеств жидкости) не сопровождается существенным повышением артериального давления. В подобных случаях увеличение давления компенсируется включением рефлекторных механизмов кратковременной регуляции, а избыточная жидкость выводится почками прежде, чем произойдет адаптация нервных механизмов к новым условиям. Если в опыте на животном выключить нервную регуляцию давления, то при введении жидкости существенно повысятся сердечный выброс и артериальное давление; в дальнейшем по мере выведения жидкости вследствие временного увеличения почечной секреции эти величины постепенно нормализуются. У человека повышенное давление часто можно снизить путем назначения диуретиков, понижающих объем внеклеточной жидкости.
Связь между кровяным давлением в выведением жидкости почками. Эффективность почечной системы регуляции давления зависит от того, насколько изменяется выведение жидкости почками при его колебаниях. Рис. 20.34 иллюстрирует результаты опытов, в которых потребление воды и электролитов менялось по отношению к исходному равновесному уровню (точка А). Крутой подъем кривой выделения мочи от точки А, соответствующей нормальному среднему давлению (100 мм рт.ст.), свидетельствует о том, что даже очень небольшое повышение артериального давления сопровождается существенным увеличением выделения жидкости почками. При возрастании давления на 1 мм рт. ст. выделение воды почками повышается на 100%. Это означает, что при увеличении давления примерно на 10 мм рт.cm. почечная экскреция должна возрасти приблизительно в 6 раз. Падение артериального давления ниже нормального уровня сопровождается резким снижением выделения мочи вплоть до его полного прекращения. Физиологическое значение этих процессов для регуляции давления состоит в том, что существенные изменения выделения жидкости почками приводят к соответствующим сдвигам объема внеклеточной жидкости, которые при последовательном участии описанных выше механизмов способствуют возврату артериального давления к исходному уровню.
Влияние повышенного потребления жидкости. Из рис. 20.34 видно также, что даже при существенных колебаниях потребления жидкости среднее артериальное давление изменяется незначительно. При однократном избыточном поступлении воды давление и выделение жидкости сначала повышаются, а затем быстро восстанавливаются до прежнего равновесного уровня. Если же избыточное потребление воды происходит в течение длительного времени, то равновесие между приходом и расходом жидкости устанавливается на новом уровне; при этом среднее артериальное давление повышается весьма незначительно.
Чувствительность почечной системы контроля.
Как расположение, так и форма кривой выделения мочи могут существенно различаться у разных индивидов. При смещении этой кривой параллельно горизонтальной оси равновесие между поступлением и выделением жидкости (точка А) сдвигается в область больших или меньших значений артериального давления, причем чувствительность почечной системы регуляции давления при этом не меняется. Подобные сдвиги наблюдаются при сосудодвигательных реакциях. На расположение и форму кривой выделения мочи влияют также гормоны (АДГ и альдостерон) и другие факторы (простагландины, кинины, ангиотензин и т. д.), хотя эти чрезвычайно сложные связи до конца не ясны. Возможно, подобными влияниями объясняется (по крайней мере частично) тот факт, что активность
Рис. 20.34. Зависимость выделения мочи от среднего артериального давления–один из длительных механизмов регуляции кровообращения с участием почечной системы регуляции объема (по Гайтону [8])
изолированной почки значительно меньше изменяется при колебаниях артериального давления (штриховая кривая на рис. 20.34), чем экскреция почки in situ.
Эффекты вазопрессина. Вазопрессин, или антидиуретический гормон (АДГ), в средних и высоких дозах оказывает сосудосуживающее действие, наиболее выраженное на уровне артериол. Однако главным эффектом этого гормона является регуляция реабсорбции воды в дистальных канальцах почек.
Ранее считалось, что вазопрессин в физиологических концентрациях не оказывает действия на сосуды. Однако недавно в опытах на животных было показано, что по крайней мере при значительном падении артериального давления из задней доли гипофиза выбрасывается достаточно большое количество вазопрессина, действующего непосредственно на гладкие мышцы сосудов и вызывающего их сокращение. Общее периферическое сопротивление при этом возрастает, что способствует повышению и стабилизации артериального давления. В нормальных условиях эффект вазопрессина «маскируется» нервными регуляторными влияниями, и его можно выявить только после денервации аортальных барорецепторов. Однако в отличие от нервных влияний, преобладающих в первые моменты, действие гормонов на сосуды со временем не ослабевает, поэтому при хронических нарушениях сосудосуживающий эффект вазопрессина может иметь важное значение для регуляции кровообращения [34].
Вазопрессин играет особую роль в регуляции объема жидкости, так как рефлекторные изменения содержания этого гормона участвуют в поддержании объема внутрисосудистого водного пространства. При увеличении объема крови импульсация от рецепторов предсердий возрастает, и в результате через 10–20 мин выделение вазопрессина снижается. Это приводит к увеличению выделения жидкости почками. При падении же артериального давления происходят обратные процессы: выброс вазопрессина увеличивается, и выделение жидкости уменьшается. Этот рефлекс на внезапные изменения внутрисосудистого объема крови, служащий для регуляции объема жидкости, называют рефлексом Гауэра–Генри [7].
Эффекты альдостерона. Под действием альдостерона увеличивается канальцевая реабсорбция Na+ (а вследствие этого, по закону осмоса, и воды). Альдостерон увеличивает также секрецию почками K+ и H+. Таким образом, этот гормон способствует повышению содержания в организме натрия и внеклеточной жидкости. В то же время альдостерон повышает чувствительность гладких мышц сосудов к вазоконстрикторным агентам, усиливая тем самым прессорное действие ангиотензина II.
Рис. 20.35. Схема регуляции сопротивления и емкости сосудов и объема крови. Соответствие внутрисосудистого объема и емкости сосудов поддерживается благодаря трем «линиям обороны», которые вводятся в действие в следующей последовательности: 1) приспособление емкости сосудов к имеющемуся объему крови (преимущественно благодаря нервным механизмам);2) изменение соотношения между внутрисосудистым и межклеточным водными пространствами; 3) регуляция (преимущественно гуморальная) выделения воды и электролитов почками (по Фолкову и Нейлу [6] с изменениями)
Ангиотензин II в свою очередь является наиболее мощным стимулятором секреции альдостерона. При активации ренин–ангиотензиновой системы концентрация альдостерона в крови повышается. С учетом такой тесной взаимосвязи между ренином, ангиотензином и альдостероном их эффекты часто объединяют в одном названии –ренин–ангиотензин–альдостероновая система.
Циркуляторные эффекты альдостерона начинают проявляться лишь спустя несколько часов и достигают максимума через несколько дней. Чрезмерная продукция альдостерона, или гиперальдостеронизм (наблюдается при некоторых поражениях коры надпочечников), приводит к значительной задержке воды и солей и к гипертензии. При пониженной же выработке альдостерона наблюдается гипотензия.
Влияние альдостерона на почечную систему регуляции объема жидкости по своей сложности сходно с действием вазопрессина. Его разнообразные взаимодополняющие эффекты вместе повышают действенность этой системы в целом.
Из всего сказанного выше ясно, что практически ни один из многих механизмов регуляции гемодинамики не управляет только каким–либо одним параметром. Почти все эти механизмы либо прямо, либо косвенно влияют в различной степени и на сердечный выброс, и на общее периферическое сопротивление, и на емкость сосудов, и на внутрисосудистый объем жидкости. Таким образом, против нарушений артериального давления и объема крови постоянно действуют три «линии обороны», каждая в свое время (по началу и продолжительности) (рис. 20.35). При кратковременных колебаниях давления и объема крови включаются сосудистые реакции, при длительных же сдвигах преобладают компенсаторные изменения объема крови. В последнем случае сначала меняется содержание в крови воды и электролитов, а при необходимости (в различные сроки) происходят и сдвиги в содержании белков плазмы и клеточных элементов.
Центральная регуляция кровообращения
В регуляции деятельности сердечно–сосудистой системы принимают участие структуры всех отделов ЦНС. Крайне упростив реальные взаимосвязи, можно выделить четыре уровня такой регуляции [6, 12, 37, 42, 44, 45].
Стволовые «центры». В области ретикулярной формации продолговатого мозга, а также в бульбарных отделах моста имеется ряд образований, составляющих вместе так называемые стволовые (медуллярные) и ромбэнцефальные циркуляторные центры. Опыты на децеребрированных животных показали, что стволовые центры вполне могут поддерживать основные гемодинамические константы в условиях покоя. Регуляторные влияния стволовых центров осуществляются главным образом путем изменения тонуса симпатических сосудосуживающих нервов. Эти нервы берут начало от особых областей ствола мозга сосудодвигательных центров. От тонуса симпатических вазоконстрикторов зависит тонус кровеносных сосудов. В свою очередь тонус симпатических нервов постоянно меняется под влиянием афферентных импульсов от рецепторов сердца и сосудов: повышение афферентной импульсации сопровождается снижением тонуса вазоконстрикторов и расширением сосудов, и, наоборот, снижение афферентной импульсации ведет к повышению тонуса вазоконстрикторов и сужению сосудов. Кроме того, на функциональное состояние сосудодвигательных центров могут влиять «неспецифические» афферентные сигналы, а также импульсы от сравнительно близко расположенных дыхательных центров и от высших отделов ЦНС [12, 35, 44, 47, 54, 56]. Стволовые центры влияют также на сердце: посредством симпатических нервов они оказывают на него положительный эффект, а посредством парасимпатических (блуждающих) – отрицательный (рис. 20.36).
Путем электрического раздражения стволовых структур можно вызвать самые разные гемодинамические реакции. При воздействии на латеральную область сосудодвигательных центров возникают прессорные реакции (повышение кровяного давления); раздражение же медиокаудальных отделов ствола мозга оказывает депрессорный эффект (рис. 20.36). При возбуждении прессорных зон повышается активность симпатоадреналовой системы;
в результате возрастают сила и частота сердечных сокращений, тонус резистивных и емкостных сосудов, выделение гормонов из мозгового вещества надпочечников. Раздражение депрессорных отделов приводит к угнетению симпатоадреналовой системы.
Если перерезать ствол мозга примерно на уровне клиновидного ядра и тем самым отделить прессорные эфферентные волокна, то кровяное давление в результате исчезновения тонуса эфферентных симпатических нервов резко упадет. При этом меньше затронутые депрессорные зоны подавляют активность спинномозговых центров (см. ниже). Регуляторные влияния последних можно выявить только в том случае, если путем перерезки продолговатого мозга ниже обекса (obex) устранить действие депрессорных центров. Стволовые циркуляторные центры связаны с другими отделами нервной системы.
«Центры» гипоталамуса. Раздражение ретикулярной формации в области среднего мозга и промежуточного мозга (и особенно гипоталамуса) может оказывать на сердечно–сосудистую систему как стимулирующее, так и тормозное действие (в зависимости от раздражаемой области). Эти эффекты опосредованы стволовыми центрами (рис. 20.36). Изменяя область расположения электродов в гипоталамусе и параметры раздражения, можно добиться локального сужения сосудов того или иного сосудистого русла, например почечного, мышечного или чревного. По–видимому, даже в условиях покоя гипоталамус оказывает постоянное влияние как на тоническую активность, так и на рефлекторную деятельность стволовых центров.
Кроме того, гипоталамус запускает очень сложные общие реакции – жестко запрограммированные типы поведения, имеющие важное значение для выживания особи и сохранения вида. Раздражение так называемых каудальных отделов гипоталамуса сопровождается повышением активности определенных отделов симпатической системы, что приводит к расширению сосудов скелетных мышц и усилению симпатических влияний на деятельность некоторых других эффекторных органов. В результате повышаются кровяное давление, частота сокращений сердца и сердечный выброс. Одновременно изменяется активность и других отделов ЦНС, в том числе коры головного мозга, что также сопровождается определенными реакциями внутренних органов и, кроме того, появлением признаков общего возбуждения и настороженности. В крайних случаях могут возникать реакции, характерные для состояния страха, ярости и агрессии. Подобная картина соответствует состоянию тревоги, при котором организм готов к таким поведенческим актам, как бегство, защита или нападение. Напротив, ростральные отделы гипоталамуса оказывают тормозное действие не сердечно–сосудистую и другие системы, вызывая такие реакции внутренних органов, которые способствуют восстановлению резервов организма. Эти реакции связаны с потреблением и перевариванием пищи.
При тепловом воздействии на ростральные отделы гипоталамуса кожные сосуды расширяются, а при охлаждении суживаются. Тем самым изменяется теплоотдача, т. е. происходит терморегуляция. Нагревание ростральных отделов гипоталамуса приводит также к сужению сосудов внутренних органов, а охлаждение этих отделов–к повышению мышечного тонуса и к дрожи.
Рис. 20.36. Схема важнейших «входов» и «выходов» циркуляторных центров продолговатого мозга. Эфферентные волокна, усиливающие кровообращение, исходят преимущественно из ипсилатеральных прессорных отделов, тогда как тормозные волокна от депрессорных отделов пересекают продолговатый мозг и идут в вентролатеральных участках спинного мозга на противоположной стороне
Влияние коры головного мозга. Раздражение многих отделов коры головного мозга может сопровождаться реакциями со стороны сердечно–сосудистой системы. В наибольшей степени на кровообращение влияют участки коры, сосредоточенные в двух областях: 1) неокортексе–в области наружной поверхности полушарий и особенно в районе моторной и премоторной зон– и 2) палеокортексе – главным образом в области медиальных поверхностей полушарий и базальных поверхностей лобных и теменных долей.
При раздражении областей неокортекса возникают преимущественно прессорные реакции, обычно сочетающиеся с ускорением ритма сокращений сердца. Наблюдаются также депрессорные реакции, сопровождающиеся снижением частоты сокращений сердца. Эти вызванные влиянием коры эффекты могут преобладать над противоположными реакциями сердца и артериального давления, обусловленными гомеостатическими рефлексами.
При раздражении двигательных зон коры– могут возникать реакции, весьма сходные с наблюдаемыми при состоянии тревоги (однако не сопровождающиеся соответствующими аффективными проявлениями). Интересно, что при раздражении областей, вызывающих сокращение определенных мышц, наступает локальное увеличение кровотока именно в этих мышцах. Это свидетельствует о том, что двигательные реакции и соответствующие им вегетативные изменения «запускаются» корой головного мозга одновременно, т. е. они точно «подогнаны» друг к другу во времени благодаря «коиннервации» со стороны коры. Эти сочетанные приспособительные ответы организма называются опережающими реакциями; у человека они предшествуют запланированному действию. Их следует рассматривать как проявление взаимного приспособления кровообращения, регулируемого вегетативной нервной системой, и деятельности мышц, управляемой двигательными отделами нервной системы. Опережающие реакции не зависят от последующей деятельности и от связанных с ней адаптационных процессов. Команды от коры к сердечно–сосудистой системе частично передаются через гипоталамус, о чем свидетельствует тот факт, что после избирательного удаления этого отдела реакции со стороны ритма сердца и кровяного давления не возникают. Некоторые сигналы от коры могут также передаваться через средний мозг. Из этих областей импульсы проходят к стволовым циркуляторным центрам и другим образованиям ретикулярной формации, активирующим симпатическую нервную систему. Еще одна группа сосудосуживающих волокон направляется непосредственно в участок спинного мозга, соседний с пирамидным трактом. У многих видов животных от коры головного мозга отходят симпатические холинергические сосудорасширяющие нервные пути. Эти пути синаптически переключаются в гипоталамусе и среднем мозгу, откуда выходят сосудорасширяющие волокна, следующие без перерыва в стволовых центрах до боковых рогов спинного мозга.
Раздражение областей палеокортекса приводит к различным реакциям. Стимуляция отделов поясной извилины оказывает преимущественно депрессорный эффект, а воздействие на точки, расположенные около орбитальных областей островка височной коры, может вызывать как прессорные, так и депрессорные реакции.
Области палеокортекса, влияющие на деятельность сердечно–сосудистой системы, оказывают также действие на функции других внутренних органов, например на моторику желудочно–кишечного тракта и активность желез.
Влияние спинного мозга. Если перерезать спинной мозг между С6 и Th1 (не затрагивая при этом диафрагмальные
нервы и преганглионарные симпатические волокна), то в первые моменты будет наблюдаться резкое падение артериального давления. Однако такие животные выживают, и примерно через неделю кровяное давление восстанавливается. Если в этот момент происходит умеренная кровопотеря (до 25% общего объема крови), то она компенсируется столь же успешно, как и у нормальных животных. Эти приспособительные реакции осуществляются симпатическими нейронами боковых рогов; после перерезки спинного мозга эти клетки приобретают некоторую самостоятельность и начинают выступать в роли спинномозговых центров регуляции давления. Возможно, такие реакции представляют собой не столько истинные рефлексы, сколько результат возбуждения преганглионарных нейронов вследствие гипоксии. В нормальных условиях подобные механизмы, по–видимому, не действуют, но при гипоксии они могут играть определенную роль.