Способ предъявления стандартизованной динамической физической нагрузки подопытным кроликам

Изобретение относится к области биологии и может быть использовано при исследовании физической работоспособности подопытных кроликов.

Конечной целью исследований, проводимых на лабораторных животных, является определение степени влияния различных факторов среды обитания, производственной деятельности, а также фармакологических средств на их физическую работоспособность с последующей экстраполяцией полученных данных на человека. Проведение экспериментальных исследований воздействия указанных факторов непосредственно на человеческий организм в известной мере ограничено из-за возможности нанесения вреда здоровью испытуемого.

Основным вопросом экстраполяции является оценка равноэффективных для человека и лабораторных животных условий воздействия. Как правило, для этих целей используют расчет, основанный на теории биологического подобия организмов. Для выполнения указанного расчета необходимы результаты экспериментов, полученные не менее чем на трех видах подопытных животных, массы тела которых значительно отличаются. Наиболее оптимальным при этом видится следующий ряд: крыса, кролик, собака [Экстраполяция экспериментальных данных на человека: принципы, подходы, обоснование методов и их использование в физиологии и радиобиологии. Руководство. Даренская Н.Г., Ушаков И.Б., Иванов И.В. и др.- М. - Воронеж: ИСТОКИ, 2004. - 232]. Кроме того, то или иное животное может быть адекватной биологической моделью при изучении строго определенных воздействующих факторов.

Одним из ключевых этапов оценки физической работоспособности биологических объектов в эксперименте является предъявление им динамической физической нагрузки [Арлащенко Н.И., Опарина Д.Я., Адамчик Ж.Г., Штейн В.И. Сравнительная оценка методов исследования физической работоспособности облученных животных. Изв. АН СССР. Сер. Биол.-1986. - №4. с. 577-583].

При этом, наиболее целесообразно предъявлять биообъектам физическую нагрузку, требующую стандартных затрат энергии, так как она не исчерпывает функциональных резервов организма и не отражается на результатах повторных измерений, проводимых через относительно короткие интервалы времени [Рылова М.Л. Методы исследования хронического действия вредных факторов среды в эксперименте. Л. Медицина. - 1964].

Известен способ предъявления стандартной динамической физической нагрузки собакам в виде побежки по ленте «бегущей дорожки» - тредбана [Влияние физической нагрузки разной тяжести на газообмен облученных собак. - Вопросы радиобиологии, Л., 1961, т.4, с. 140]. При этом стандартизацию нагрузки осуществляют по длине пройденного пути, либо по изменению частоты сердечных сокращений.

Известен способ оценки физической работоспособности подопытных мышей, основанный на использовании тредбана [патент РФ на полезную модель №111334]. При этом тредбан дополнительно оборудован коробкой прямоугольной формы без дна, жестко зафиксированной по краям каркаса беговой дорожки. Внутри коробка разделена на несколько отсеков, представляющих индивидуальные беговые дорожки. В задней части коробки смонтирован электрический пол в виде металлической пластины, подключенной к источнику тока. В каждый отсек помещают мышь, включают беговую дорожку и вынуждают ее бежать. При физическом утомлении мышь перемещается на электрический пол и получает раздражение слабым электрическим током, что заставляет ее возвратиться на беговую дорожку и продолжить бег.

Основным недостатком рассмотренных способов является невозможность использования тредбана для предъявления динамической нагрузки кроликам из-за особенностей кинематики их движений. Указанные особенности заключаются в следующем:

- перемежающиеся прыжки с побежками;

- длина прыжка может существенно превышать длину рабочей поверхности ленты тредбана;

- имеется возможность перепрыгивания лабораторным животным ограждения тредбана;

- приземление после прыжка на движущуюся ленту может привести к травмированию кролика.

Кроме того, существенным недостатком предъявления подопытным животным стандартной физической нагрузки с использованием ленточного тредбана является необходимость их предварительной тренировки.

Известен способ развития мышечной силы человека и регуляции его массы тела, осуществляемый электростимуляционной тренировкой с использованием аппарата типа «Стимул-1» (паспорт, ВНИИМП, 1977). Аппарат подает на мышцы раздражающий ток, обеспечивающий их непроизвольное сокращение большее, чем при произвольном (волевом) сокращении. При этом сила раздражающего тока ограничивается самим пациентом (до переносимого предела).

Указанный способ выбран в качестве прототипа. Его основным недостатком является применимость исключительно по отношению к человеку ввиду отсутствия системы контроля дозирования и достижения требуемого уровня физической нагрузки лабораторным животным.

Техническим результатом изобретения является обеспечение предъявления подопытным кроликам стандартизованной динамической физической нагрузки при недопущении их травмирования и гибели, исключающее необходимость предварительной тренировки.

Достижение технического результата обеспечивается электростимуляцией мышц спины кролика электрическими импульсами, вызывающими сокращения указанных мышц, при этом кролика размещают в лабораторном боксе, ограничивающем его перемещение в горизонтальной плоскости, закрепляют на ушных раковинах фотоплетизмографические датчики частоты сердечных сокращений, вводят под кожу в межлопаточную область и в область крестцового сочленения индифферентные электроды, подключенные к электростимулятору, а в прямую кишку ректальный датчик температуры, подключенный к измерительному прибору, частоту стимульных импульсов выбирают в диапазоне 180-190 импульсов в минуту, их амплитуду задают таким образом, чтобы обеспечить частоту сердечных сокращений в диапазоне 320-360 ударов в минуту, а стандартизацию динамической физической нагрузки осуществляют по интегральной температуре организма, измеряемой в прямой кишке.

Данный вариант стандартизации физической нагрузки выбран ввиду неприменимости известных способов.

Так стандартизация по пройденному пути невозможна из-за того, что передвижения кролика в горизонтальной плоскости ограничены, а тредбан не используется.

Стандартизация по времени стимулирования мышечных сокращений также является неприемлемой ввиду большой подвижности кожи кроликов относительно мышц. Вследствие этого малейшее изменение положения тела подопытного животного приведет к изменению количества мышц, задействованных в стимуляции.

Стандартизация по частоте сердечных сокращений имеет существенные ограничения на использование ввиду возможной гибели животного, так как в условиях эксперимента по предъявлению физической нагрузки путем электростимуляции мышц у него нет возможности самостоятельно остановиться, как это происходит в естественных условиях обитания. Причиной смерти в этих случаях будет резкое повышение температуры тела и перегрев организма. При физических нагрузках максимальной интенсивности возникает нарушение теплообмена организма, он не справляется с отводом теплоты, образующейся при мышечных сокращениях, в результате чего происходит гибель биообъекта. Поэтому внутренняя (ректальная) температура является первичным показателем достижения порога переносимости физической нагрузки в сравнении с частотой сердечных сокращений.

В связи с этим наиболее целесообразно осуществлять стандартизацию динамической физической нагрузки кроликов по интегральной температуре тела биообъекта, измеряемой с помощью ректального датчика, введенного в прямую кишку животного, так как существует высокая корреляционная связь между выполненной физической нагрузкой и внутренней температурой тела животного.

В этом случае ректальный датчик осуществляет постоянный контроль внутренней температуры тела кролика и выступает в роли индикатора достижения ею максимальных значений, при которых возможна остановка сердца биообъекта от перегрева организма.

Сущность способа заключается в следующем.

Подопытный кролик размещается в лабораторном боксе, ограничивающем его перемещения в горизонтальной плоскости. При этом желательно, чтобы стенки бокса были прозрачными, что позволит экспериментатору визуально контролировать состояние биообъекта. После этого на ушных раковинах животного размещаются фотоплетизмографические датчики частоты сердечных сокращений, под кожу кролика в межлопаточную область и в область крестцового сочленения вводятся индифферентные электроды, подключенные к электростимулятору, а в прямую кишку - ректальный датчик температуры, подключенный к измерительному прибору. Далее осуществляется подача электрических импульсов на индифферентные электроды, что вызывает сокращения мышц спины испытуемого животного. При этом частота предъявления импульсов должна обеспечить чередование сокращений мышц спины с их полным расслаблением. Учитывая значительное сходство механизмов энергетического обеспечения мышечной деятельности человека и млекопитающих животных [Н.Г. Даренская и др. От эксперимента на животных - к человеку: поиски и решения: монография - Воронеж: Научная книга, 2010], а также то, что наиболее распространенным вариантом предъявления динамической физической нагрузки человеку является бег, целесообразно сокращения мышц спины кролика вызывать с частотой аналогичной частоте сокращений мышц ног человека при беге, что соответствует частоте шагов. Известно, что при беге человек выполняет 180-190 шагов в минуту [Фатьянов И.А. «Повышение эффективности специальной силовой подготовки бегунов на длинные и сверхдлинные дистанции» автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата педагогических наук. - Волгоград. 1997]. Следовательно, электростимуляция мышц спины кролика должна осуществляться с частотой 180-190 импульсов в минуту, а амплитуда раздражающегося импульса (сила воздействия) должна вызывать максимальное сокращение мышц животного.

Вместе с тем, электростимуляция с течением времени приводит к изменению электрической возбудимости мышц и развитию процессов торможения в нервных проводящих путях. В результате происходит снижение силы сокращения мышц. Следовательно, для поддержания максимального уровня мышечных сокращений необходимо повышение амплитуды раздражающих стимулов. При этом их амплитуда в начале цикла электростимуляции кролика и в его конце может значительно различаться. В связи с этим для обеспечения биологической эффективности раздражающих стимулов необходимо отслеживать частоту сердечных сокращений кролика с помощью закрепленных на ушных раковинах фотоплетизмографических датчиков и при необходимости повышать амплитуду импульсов, стимулирующих сокращение мышц.

Известно, что максимальная физическая производительность регистрируется у человека и животных при пульсе, составляющем 80-90% от его максимального значения [Карпман В. Л., Белорецкий В.Б., Гудков И.А. Тестирование в спортивной медицине. М.: ФиС, 1988]. С учетом того, что у лабораторного кролика пульс в покое составляет 120-150 ударов в минуту [Госманов Р.Г., Галиуллин А.К., Нургалиев Ф.М. «Лабораторные животные для микробиологических исследований. Учебное пособие». ФГБОУ ВО Казанская ГАВМ, 2017], а максимальный может достигать 400 ударов в минуту [Махмудова Ж.А., «Динамика показателей ЭКГ у кроликов с катехоламиновым некрозом миокарда в условиях разных высот», Кыргызская государственная медицинская академия им. И.К. Ахунбаева, Межотраслевой учебно-научный центр биомедицинских исследований, г. Бишкек, Кыргызская Республика, 2007], то пульс, соответствующий максимальной физической производительности кролика и составляющий 80-90% от максимального, находится в диапазоне 320-360 ударов в минуту.

Выполнение данной физической нагрузки вызывает повышение интегральной температуры тела кролика, что фиксирует ректальный датчик и отображает подключенный к нему измерительный прибор. При достижении температуры значения 42°С, являющегося максимально возможным для кролика что сигнализирует о достижении предельного уровня стандартной физической нагрузки, экспериментатор отключает электростимулятор, в результате чего прекращаются сокращения мышц спины животного.

Указанный способ позволяет избежать травмирования и гибели биообъекта и не требует его предварительной тренировки.