Синергетика_Глава_3_07_Синергетика_работы_сердца

3.7. Синергетика работы сердца

3.7.1. Строение сердца

В 1628 году великий английский врач Уильям Гарвей (Harvey) опубликовал книгу "Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных", где были описаны результаты тридцатилетних опытов, наблюдений и раздумий. Почти четыре века прошло с тех пор, но сердце – сложнейший орган человека, обеспечивающий движение крови, до сих пор не раскрыло перед исследователями всех своих тайн. Перед тем как перейти к математическому описанию ритмической работы сердца стоит вспомнить основные этапы его работы. Как известно, сердце состоит из двух полых мышечных органов - левого сердца и правого сердца, каждое из которых состоит из предсердия и желудочка. Лишенная кислорода кровь от органов и тканей организма поступает к правому сердцу и выбрасывается им к легким. В легких кровь насыщается кислородом, возвращается к левому сердцу и вновь поступает к органам. Движение крови по сосудам легких от правого сердца к левому называется легочным кровообращением (малый круг). Кровоснабжение всех остальных органов (и отток крови от них) называется системным кровообращением (большой круг). Нагнетательная функция сердца основана на чередовании расслабления (диастолы) и сокращения (систолы) желудочков сердца. Во время диастолы желудочки заполняются кровью, а во время систолы они выбрасывают ее в крупные артерии (аорту и легочный ствол). У выхода из желудочков расположены сердечные клапаны, препятствующие обратному поступлению крови из артерий в сердце. Перед тем как заполнить желудочки, кровь притекает по крупным венам (полым венам и легочным венам) в предсердия.

Систола предсердий предшествует систоле желудочков, таким образом, предсердия являются как бы вспомогательными насосами, способствующими заполнению желудочков. Артерии и вены различаются по направлению движения крови, а не по ее составу. По венам кровь поступает к сердцу, а по артериям оттекает от него. В системном кровообращении оксигенированная кровь течет по артериям, а в легочном кровообращении - по венам.

204

Выполнение сердцем функции по перекачиванию крови зависит от ритма движения электрических импульсов, которые заставляют ритмично сокращаться сердце. В сердце существует специализированные клетки, которые вырабатывают электрические импульсы и проводят их к мышечным клеткам, заставляя их сокращаться. Эти клетки объединяются в особую группу – проводящая система сердца. От ее работы зависит слаженная и синхронная работа сердца как насоса по перекачиванию крови в организме.

Рис. C2. Анатомия сердца. Right atrium – правое предсердие; Right ventricle – правый желудочек; Left atrium – левое предсердие; Left ventricle – левый желудочек. Рисунок с сайта http://www.electropulse.ru/rus/pla.html .

Функциональным элементом сердца является мышечное волокно - цепочка из клеток миокарда, соединенных друг с другом и заключенных в общую саркоплазматическую мембрану. В зависимости от морфологических и функциональых особенностей в сердце различают два типа волокон -

206

мышечные волокна рабочего миокарда предсердий и желудочков, составляющие основную массу сердца и обеспечивающие его нагнетательную функцию, мышечные волокна водителя ритма (пейсмейкера) и мышечные волокна проводящей системы сердца, отвечающие за генерацию возбуждения и проведение его к клеткам рабочего миокарда. Здесь следует отметить: синусно-предсердный узел, атриовентрикулярный узел, пучок Гиса, волокна Пуркинье (рис. С3) .

В нормально работающем сердце каждое сокращение возникает в специальном центре, который называется синусно-предсердным узлом и расположен в верхнем отделе правого предсердия. Синусно-предсердный узел (синоатриальный узел) является водителем ритма (leading pacemaker), он генерирует импульсы. Возникая в этом узле, электрический импульс распространяется по предсердиям, заставляя их синхронно сокращаться и перекачивать кровь, поступающую в них, в желудочки. После этого, электрический импульс, пройдя по предсердиям и вызвав сокращение их, достигает атриовентрикулярного узла. Функция этого центра заключается в том, что в нем происходит замедление продвижения импульса, чтобы дать время полностью сократиться предсердиям и перекачать кровь из предсердий в желудочки.

Пройдя атриовентрикулярный узел, электрический импульс через пучок Гиса и волокон Пуркинье достигает рабочего миокарда желудочков, вызывая их сокращение, и вследствие этого происходит изгнание крови из сердца в органы и ткани организма. Система Гиса-Пуркинье (His-Purkinje system (HPS)) играет важную роль в передаче потенциала действия от предсердия желудочкам. С задержкой импульс быстро передается от атриовентрикулярного узла через правую и левую ножки пучка Гисса и периферическую сеть Пуркинье, вызывая скоординированную активацию вентрикулярного миокарда от верхушки к основанию.

207

Рис. С3. Компоненты проводящей системы сердца. 1. СА –узел, S-A node – синусно-предсердный узел (синоатриальный узел); 2. АВ –узел, A-V node – атриовентрикулярный узел, расположенный предсердий (Пр) и желудочков

(Жл); 3. Пучок Гиса, Common AV bundle (of His) – пучок Гиса; Purkinje fibers

– волокна Пуркинье.

Необходимо отметить, что помимо основного водителя ритма (синусовый узел), в сердце имеются клетки способные принимать на себя его функцию, если по каким-либо причинам нарушается работа синусового узла. Их называют водителями ритма второго порядка. Эти клетки имеются в атриовентрикулярном узле, пучке Гиса, волокнах Пуркинье. В нормально работающем сердце электрическая активность этих центов подавляется более высокой активностью синусового узла. Однако, вследствие разнообразных причин и факторов, будь то воспалительные заболевания, нарушения обмена веществ, ишемическая болезнь сердца, врожденная патология и т.д., возникает нарушение нормального формирования и проведения возбуждения, что приводит к появлению нарушений ритма сердца.

208

Сердце здорового человека сокращается ритмично в состоянии покоя с частотой 60-70 ударов в минуту. Период, который включает одно сердечное сокращение и последующее расслабление, составляет сердечный цикл. Частота сокращений выше 90 ударов называется тахикардией, а ниже 60 –

брадикардией.

В процессе работы сердца в сердечной мышце появляются электрические потенциалы, которые связаны с движением ионов через клеточную мембрану. Процессы деполяризации мембраны относятся к возбуждению мышечного волокна миокарда. Возникнув при деполяризации, импульс вызывает возбуждение соседних участков миокарда, которое постепенно охватывает весь миокард, и развивается по типу цепной реакции (синоатриальный узел, предсердие, атриовентикулярный узел, ствол пучка Гиса, сеть волокон Пуркинье).

3.7.2. Вегетативная нервная система

Сердечный ритм – это результат активности специализированных клеток синусного узла, ритмичность которого в основном определяется влиянием

вегетативной нервной системы (ВНС). Вегетативная (автономная) нервная система – часть нервной системы, которая обеспечивает иннервацию внутренних органов и систем, желез внутренней секреции, кровеносных и лимфатических сосудов и других органов. Она также координирует деятельность всех внутренних органов, регулирует обменные трофические процессы во всех органах и частях тела человека, поддерживает постоянство внутренней среды. ВНС имеет многоуровневую иерархическую организацию с многосторонними нелинейными прямыми и обратными связями как в ее пределах, так и с центральной и соматической нервной системой. Нелинейность функционирования и наличие обратных связей являются одной из главных причин изменчивости сердечного ритма. Вторая причина – сложная фрактальная структура организации передачи импульса деполяризации источника сердечного ритма до сократительного миокарда. В основе развиваемых в настоящее время моделей регуляции сердечной деятельности лежит представление о сердечно-сосудистой системе как многоуровневой структуре управления адаптационными реакциями организма. Причины возникновения нарушений сердечной регуляции лежат как в деятельности центральной нервной системы, так и вегетативной нервной системы. Изучению влияния вегетативной нервной регуляции сердечного ритма посвящены работы [БКК], [БН], [Жем], [ЯКМ].

209

Рис. Вазомоторный и дыхательный центры в продолговатом мозге человека

В продолговатом мозге структуры дыхательного, вазомоторного и двигательного центров тесно переплетены.

1 – нейроны вазомоторного центра; 2– нейроны дыхательного центра (центры вдоха и выдоха);

Регуляция системы кровообращения осуществляется в первую очередь за счет изменения минутного объема крови и сопротивления региональных отделов сосудистой системы. Механизмы, регулирующие кровообращение, условно делят на местные (периферические, или региональные) и центральные – нейрогуморальные. В основе местных механизмов лежит тот факт, что образовавшиеся в процессе обмена веществ продукты способны расширить прекапиллярные артерии и увеличить в соответствии с деятельностью органа количество открытых функционирующих клапанов.

В нервной и нейрогуморальной регуляции различают механизмы короткого, промежуточного и продолжительного действия. К механизмам короткого действия относят реакции нервного происхождения (барорецепторные и хеморецепторные механизмы). Развитие их происходит в течении нескольких секунд. Промежуточные механизмы охватывают изменения в капиллярах, расслабление напряженной стенки. Для начала их работы потребуются минуты, а для максимального развития часы. Механизмы продолжительного действия влияют на отношение между внутрисосудистым объемом крови и емкостью сосудов, осуществляются при помощи транскапиллярного обмена жидкости. В этом процессе участвуют такие гормоны как вазопрессин и адьдостерон.

Таким образом, реакции сердца обеспечиваются вегетативной нервной и гуморальной регуляцией и отражаются в вариабельности сердечного ритма (ВСР). Для того, чтобы понять важное значение вариабельности сердечного ритма, его связь с функциональным состоянием всего нашего организма,

210

вегетативной регуляцией и более высокими регуляторными структурами, зависимость от состояния самого сердца человека или имеющегося у него конкретного патологического процесса необходимо обратиться к функциональной анатомии нейрогуморальной регуляции биомеханики сердца и сердечно-сосудистой системы.

На основании функциональных отличий вегетативная нервная система делится на две части: симпатическую и парасимпатическую. Влияние этих двух частей на деятельность различных органов носит обычно противоположный характер: если одна система оказывает усиливающее действие, то другая - тормозящее. Так симпатическая нервная система учащает и усиливает сердцебиение, в то время как парасимпатическая действует в противоположном направлении [Фед], [САК]. Кроме функциональных, существует ряд морфологических отличий симпатической и парасимпатической частей вегетативной нервной системы. Отличаются эти системы и нейромедиаторами – веществами, осуществляющими передачу нервного импульса в синапсах, специализированных зонах контакта между нейронами.

Симпатическая нервная система (СНС) входит в состав симпато-

адреналовой системы, которая дополнительно включает в себя мозговой слой надпочечников и другие скопления хромаффинных клеток. Симпатические нервные волокна исходят из грудных и верхних сегментов спинного мозга. В отличие от парасимпатической иннервации, симпатические волокна распределены в изобилии во всех отделах сердца в виде терминальной сетевидной структуры, которая оплетает мышечные клетки, тесно прилегая к ним, но не проникает внутрь клетки [Рут]. В мозговом слое надпочечников имеются норадреналин и адреналинобразующие клетки. Стимуляция СНС приводит к увеличению силы и частоты сердечных сокращений, скорости проведения возбуждения по проводящей системе сердца и сократительному миокарду, к повышению артериального давления, вызывает вазодилатацию сосудов сердца и других органов. Стимуляция парасимпатической нервной системы проявляется обратными эффектами биомеханики сердца. Что касается сосудов, то они подвержены симпатической иннервации; парасимпатическая нервная система прямого действия на них не оказывает, однако многоуровневые (вплоть до коры больших полушарий) структурные связи обеих подсистем вегетативной нервной системы обеспечивают косвенное влияние парасимпатической системы на артериальное давление и сосудистый тонус.

Парасимпатическая нервная система (ПСРС) состоит из нейронов,

которые передают возбуждение различным органам человека из коры головного мозга. Парасимпатическая иннервация по распространенности существенно уступает симпатической. Часть органов имеет двойную иннервацию, другая - лишь симпатическую. Парасимпатическая иннервация сердца затрагивает главным образом синоатриальный и атриовентрикулярный узлы и

211

предсердия [Рут]. Симпатические и парасимпатические звенья вегетативной нервной системы характеризуются различающимися по величине временами распространения возбуждения. В экспериментах [War] с раздражениями микроимпульсами вагусных и симпатических волокон было определено время проведения импульса по парасимпатическому волокну- τp≈0.2 сек, и по симпатическому в 5-15 раз больше τs ≈ 1-3 сек .

Участие вегетативной иннервации сердца в истории развития фатальных нарушений ритма сердца, приводящих к внезапной смерти больных ишемической болезнью сердца, не вызывает сомнений, но сам механизм ее участия пока еще не вполне ясен. Твердо установленным является факт, что низкая вариабельность ритма сердца является независимым указанием на существование серьезных нарушений в сердечно-сосудистой системе. Считается доказанной связь возникновения опасных для жизни нарушений ритма с повышенной активностью симпатического или угнетением парасимпатического звена вегетативной нервной системы, что получило название «утраты парасимпатической защиты».

212

Вряде экспериментальных исследований [АЯГ] было показано, что дисфункция вегетативной нервной системы, заключающаяся в преобладании симпатической активности над парасимпатической, повышает риск внезапной сердечной смерти после инфаркта миокарда. Согласно одной из гипотез, это может быть связано с появлением коры некроза в миокарде, что приводит к нарушению геометрии сокращений и стимуляции чувствительных нервных окончаний. В результате увеличивается симпатическое влияние на деятельность сердца и уменьшается парасимпатическое (вегетативная дисфункция), что может привести к возникновению угрожающих жизни аритмий.

Вэкспериментах на животных также было продемонстрировано, что повышенная активность симпатической системы приводит к снижению порога развития опасных для жизни нарушений ритма. В исследованиях бодрствующих животных показано, что стабилизирующий эффект парасимпатической системы сказывается лишь на фоне дестабилизации электрической активности сердца в момент повышенной активности симпатической системы. Поэтому вопрос об определении электрофизиологического эффекта симпатического и

парасимпатического отделов вегетативной регуляции сердца остается актуальным. Представляет также интерес факторы, оказывающие влияние на реактивности вегетативной нервной системы: пол, возраст, психоэмоциональное состояние. Меняет реактивность сердечно сосудистой системы и целый ряд внешних факторов, в том числе прием пищи, никотин, алкоголь, температура внешней среды.

213