童傳旺

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

人工呼吸通氣量與貓體重的關(guān)系

童傳旺

(蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

探討電生理實驗中貓的人工呼吸通氣量與體重之間的關(guān)系。方法：在電生理實驗過程中固定呼吸頻率，根據(jù)貓呼出的CO2含量來調(diào)整潮氣量，并通過記錄視皮層細胞的自發(fā)和誘發(fā)反應(yīng)來評價貓在人工呼吸條件下的生理機能狀態(tài)。 結(jié)果：共對10只貓進行了試驗研究，其中有8只貓成功存活50小時以上，記錄到有明顯誘發(fā)反應(yīng)的細胞17-65個，平均每只37個。統(tǒng)計存活50個小時以上的貓的潮氣量與體重，發(fā)現(xiàn)潮氣量與體重的關(guān)系符合poly 3方程(y=k0+k1χ1+k2χ2），擬合數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性值為0.916。意義：本研究對電生理實驗中貓的人工呼吸參數(shù)的估計和設(shè)置有重要的參考價值。

貓；人工呼吸通氣量；體重

實驗動物在麻醉與麻痹狀態(tài)下體內(nèi)氧氣的供應(yīng)以及體內(nèi)廢氣的排出都要依靠人工呼吸，在實施人工呼吸的過程中進入肺泡中的氣體量與進入肺中的氣量即潮氣量有著直接的重要關(guān)系。人工呼吸通氣量即潮氣量 (VT，Tidal volume）指在靜息狀態(tài)下每次吸入或呼出的氣量，它與年齡、性別、呼吸習慣、體重、機體新陳代謝基礎(chǔ)有關(guān)。人工呼吸設(shè)定的潮氣量通常指吸入氣量。人工呼吸中潮氣量設(shè)置過大易造成肺損傷，設(shè)置過小又會使得肺中氣量供應(yīng)不足引起機體缺氧反應(yīng)[1，2，3]。缺氧可引起大腦的損傷并影響正常的腦視覺功能狀態(tài)[4]，由此引起的機體視覺功能變化也將直接影響到電生理實驗中貓對視覺刺激的反應(yīng)。

在電生理實驗中影響實驗成功記錄的因素較多，如潮氣量調(diào)節(jié)、呼吸頻率、體溫維持、氣管插管、股靜脈插管、麻醉劑量、麻痹劑量、微電鉆開顱、貓生命體征等。潮氣量數(shù)值的設(shè)定是電生理實驗中的關(guān)鍵技術(shù)，其直接關(guān)系到實驗中貓的存活與否和存活時間的長短。電生理實驗過程中涉及到的體溫維持、氣管插管、靜脈插管、麻醉劑量、麻痹劑量，微電鉆開顱等技術(shù)已相對成熟。因此，在諸多關(guān)系實驗成敗的因素中我們著重研究人工呼吸通氣量與體重的關(guān)系[5]。人工呼吸通氣量的改變，即肺泡內(nèi)CO2濃度的變化究竟與貓的體重有什么關(guān)系，國內(nèi)外未見報道，本研究對此進行初步探討，以期為貓在體電生理記錄實驗中人工呼吸參數(shù)的估計和設(shè)置提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與參考資料。

1 材料與方法

實驗所用的動物為青年貓10只(月齡6-36，體重0.7-4kg）。所有貓放在同一個房間內(nèi)飼養(yǎng)，保持12小時光照/12小時黑暗循環(huán)，定時飲食。實驗所用儀器：天平(ATZ家用10型最大量程10kg分度值50g），動物呼吸機 (ALC-V8型中國），體溫維持儀(SS20-Z型中國）。

實驗用貓須經(jīng)眼科檢查，確定無影響正常視覺功能的視網(wǎng)膜及折光系統(tǒng)相關(guān)疾病。所有實驗操作嚴格遵守國家衛(wèi)生部門及醫(yī)療機構(gòu)有關(guān)實驗動物使用和管理條例[6，7，8，9]。

將貓以鹽酸氯胺酮 (ketamine HCl，20 mg/kg體重）輕度麻醉后，再以天平稱量個體體重，得出貓體重參數(shù)(表1），繼以淺麻下施氣管和股靜脈插管術(shù)，手術(shù)創(chuàng)口以普魯卡因局麻，術(shù)后傷口施以消炎粉并縫合。將貓固定于立體定位儀，擴瞳處理為施以1%硫酸阿托品(Atropine）滴眼液，雙眼佩戴合適平光接觸鏡以防角膜干燥，滴用5%新福林溶液(Neosynephrine）收縮瞬膜。維持液以烏拉坦(Urethane:20 mg/h/kg體重）和三碘季胺酚(Gallamine triethiodide:10 mg/h/kg體重）溶于5%葡萄糖溶液靜脈推注以維持動物麻醉和麻痹狀態(tài)，輔以青霉素(20×104U/ind./d)抗炎。人工呼吸機調(diào)整以維持呼出CO2量為3.8%-4%左右。持續(xù)監(jiān)測實驗中動物心率(180-220次/秒），以調(diào)整、評價麻醉狀態(tài)。用顱骨鉆于耳桿后4mm和中線外2mm顱骨處開孔(直徑為4mm），去除硬腦膜，鎢絲電極 (Glass-coated tungsten microelectrode:阻抗3-8M）記錄初級視皮層細胞反應(yīng)[6，7，8，9]。

采用 Matlab程序及心理物理軟件(Psychophysics Toolbox）編排的正弦運動光柵(Drifting sinusoidal gratings）作為視覺刺激源呈現(xiàn)于置貓眼約57cm遠處的CRT顯示器上。微電極采集的電信號經(jīng)探頭、微電極放大器 (Nihon Kohden，MEZ28201，日本）、前置放大器(Dagan，美國）放大1000倍,再由Itc218采集器 (Inst rutech，美國）將電信號數(shù)字化后生成的刺激反應(yīng)信息被計算機安裝的Igor程序獲取并自動保存?zhèn)浞?，進行數(shù)據(jù)分析后獲取細胞電信號發(fā)放模式及引發(fā)的刺激反應(yīng)直方圖(PSTH）(如圖1），通過分析細胞對正弦運動光柵的不同方位刺激的誘發(fā)反應(yīng)強度判斷特定潮氣量數(shù)值狀態(tài)下對應(yīng)的細胞興奮性以及對刺激信號選擇性的影響情況[6，7，8，9]，由此確定所設(shè)潮氣量數(shù)值的合理性。在電生理實驗中通過IGRO程序記錄細胞對不同角度正弦運動光柵刺激的自發(fā)和誘發(fā)反應(yīng)及反應(yīng)的特性(如圖1）及在IGRO中對一個細胞的全部誘發(fā)放反應(yīng)進一步分析所得到的柱狀圖(PSTH在O-360°范圍內(nèi)每隔15°刺激一次即共產(chǎn)生24個刺激方位并循環(huán)10次[10]。

把貓的呼吸頻率設(shè)為固定值23次/分鐘，在電生理實驗記錄的過程中根據(jù)貓呼出的CO2含量來調(diào)整潮氣量的值，以維持呼出CO2量保持在3.8%-4%之間。另外觀察貓的肺內(nèi)壓指標，通過對潮氣量數(shù)值的調(diào)整，肺內(nèi)壓數(shù)據(jù)應(yīng)保持在O-1之間，以防潮氣量的數(shù)值設(shè)置過大導(dǎo)致肺內(nèi)壓過大，致使肺泡受壓過度引起損傷。上述條件下記錄每只實驗貓確定的潮氣量和實驗貓存活時間數(shù)值以及整個實驗進程中記錄到的對運動光柵刺激產(chǎn)生明顯誘發(fā)反應(yīng)的細胞數(shù)(如表1）。

用IGRO分析軟件對實驗記錄到的貓體重與潮氣量數(shù)值進行擬合分析。不同的擬合方程分析如下：

通過上述分析方程得到各自的擬合曲線，根據(jù)每一個方程的擬合曲線測得潮氣量的擬合數(shù)值，用SPSS軟件分析四組擬合數(shù)值與實測的潮氣量數(shù)值的相關(guān)性，得到的相關(guān)性值依次為C1=0.916、C2=0.866、C3=0.854、C4=0.910。所以由poly3方程得到的數(shù)據(jù)的相關(guān)性值最高，即由此方程得到的擬合數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性較好，poly3方程分析得到的擬合曲線如圖2。

2 結(jié)果

通過在體單細胞記錄技術(shù)記錄10只實驗貓，其中有8只貓的存活時間≧50小時，2只的存活時間≤8小時，本實驗對存活≧50小時的8只貓的數(shù)據(jù)進行分析。運用Igor程序采集細胞對刺激反應(yīng)的數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行分析，獲取細胞電信號的發(fā)放模式及對刺激反應(yīng)的直方圖(PSTH）。在潮氣量設(shè)置合理的情況下，實驗中記錄到的初級視皮層細胞在正弦運動光柵刺激下產(chǎn)生了自發(fā)和誘發(fā)電位反應(yīng),且細胞自發(fā)和誘發(fā)反應(yīng)有明顯差距，信噪比也較高(如圖1）。

對實驗中記錄到的數(shù)據(jù)進行整理，按貓的體重由小到大進行標注(Cat1-Cat8），得到的關(guān)于貓的實際潮氣量數(shù)據(jù)，然后通過IGRO分析軟件對貓體重與潮氣量數(shù)值進行擬合分析(方程poly3：y=k0+k1χ1+k2χ2），得到的擬合曲線圖以潮氣量(Tidal volume，VT）為縱坐標，貓的體重(Weight）為橫坐標。圖中的曲線附近的點自左向右分別是Cat1、Cat2、Cat3、Cat4、Cat5、Cat6、Cat7、Cat8的對應(yīng)數(shù)據(jù)，由于Cat5與Cat6的體重較接近導(dǎo)致它們的數(shù)據(jù)在圖中對應(yīng)的點近似重合，且Cat8的數(shù)據(jù)在擬合曲線上。此擬合曲線表明隨著貓的體重的增加，貓的潮氣量數(shù)值也相應(yīng)的增加，當貓的體重達到一定的數(shù)值后貓的潮氣量不再增加，隨著體重的進一步增加，潮氣量的值有微弱的回落，然后再趨于某一穩(wěn)定的數(shù)值(如圖2）。

在電生理實驗過程中記錄實驗貓的存活時間、體重，整個實驗過程中對正弦運動光柵的刺激產(chǎn)生明顯誘發(fā)反應(yīng)的細胞數(shù)量，記錄每只貓的實際潮氣量數(shù)據(jù)與擬合潮氣量數(shù)值，分析貓的體重與呼吸量的比值(Weight/TV）。然后按貓的體重由小到大進行標注(Cat1-Cat8）。本實驗記錄存活時間在50小時以上的貓共有8只，在初級視皮層(17區(qū)）共記錄對正弦運動光柵的刺激產(chǎn)生明顯自發(fā)反應(yīng)的初級視皮層細胞296個，平均每只貓有37個細胞(如表1）。

體重與潮氣量比值與貓存活時間關(guān)系圖：記錄每只貓在電生理實驗中的存活時間，分別統(tǒng)計每只實驗貓的體重與潮氣量的比值，通過IGRO程序中用 “new category plot”作圖，以貓的體重與潮氣量的比值為橫坐標，貓的存活時間為縱坐標得到下圖(如圖3），每只貓的存活時間都在50小時以上(含50小時），在電生理實驗中貓的最長存活時間是57小時。

3 討論

本文選擇探討貓體重與潮氣量設(shè)定之間的關(guān)系，因為潮氣量的設(shè)定對貓的存活及存活時間都有重要影響，潮氣量的改變影響機體的氧氣供應(yīng)以及體內(nèi)外二氧化碳的交換，肺中二氧化碳供應(yīng)不足引起機體缺氧。缺氧對機體的代謝和功能存在重要的不利影響[1，2]。潮氣量的大小直接關(guān)系到機體內(nèi)氧氣的供求關(guān)系，影響機體的正常功能，包括影響神經(jīng)元的存活與生理狀態(tài)[3，4，5]。

由于潮氣量數(shù)值的不適當設(shè)定對機體神經(jīng)元功能的影響直接關(guān)系到電生理實驗過程中實驗數(shù)據(jù)的采集，在以往的實驗過程中共有11只實驗貓，其中9只貓的生命維持時間低于8小時，記錄到對正弦運動光柵刺激產(chǎn)生的明顯誘發(fā)反應(yīng)的細胞數(shù)低于5個，實驗的效果較差。本次實驗的存活時間較長的8只貓的實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，得出貓的體重與人工呼吸通氣量之間的較優(yōu)關(guān)系(如圖2），對今后的電生理實驗具有重要的參考價值。此后的實驗也驗證了曲線的合理性，實驗的成功率可達80%左右。

在貓的生命體征各項參數(shù)中，我們忽略貓的性別，年齡，呼吸習慣，機體的新陳代謝等元素，本實驗主要是探討貓的體重與潮氣量數(shù)值之間的關(guān)系。然而貓的性別、年齡、呼吸習慣、機體新陳代謝等因素對貓的生命維持時間及對潮氣量設(shè)定也有影響，關(guān)于此種影響機制尚需要在以后的實驗中進行進一步探討和研究。

[1]Ricard JD,Dreyfuss D,Sanmon G..Ventilator-induced lung injury[J].Eur Respir J Suppl,2003，（42）:2s-9s.

[2]Albert RK.The role of ventilation induced surfactant dysfunction and atelectasis in causing acute respiratory distress syndrome [J].Am J Respir Crit Care Med,2012，（7）:702-708.

[3]姜威，王琳，楚東嶺，等.不同潮氣量機械通氣過程中呼吸機相關(guān)性肺損傷的病理學(xué)變化[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2007，（31）:6236-6238.

[4]趙宏，祖劍宇，高光潔.預(yù)吸氧對大鼠腦皮質(zhì)神經(jīng)元損傷的影響[J].沈陽醫(yī)學(xué)院學(xué)報，2007，（3）:138-141.

[5]劉瓊，黃紀堅，漆洪波，等.潮氣量設(shè)置對部分二氧化碳重復(fù)吸入心輸出量測定準確性影響的動物實驗研究[J].激光雜志，2009，（2）:90-91.

[6]Shou T,Li X,Zhou Y,Hu B.Adaptation of visually evoked responses of relay cells in the dorsal lateral geniculate nucleus of the cat following prolonged exposure to drifting gratings[J].Vis Neurosci.,1996，（13）:605-613.

[7]華田苗，梅斌，王海濤，等.特定方位的光柵識別學(xué)習不改變貓外膝體背核神經(jīng)元的方位敏感性[J].動物學(xué)報，2005，（2）: 274-279.

[8]Hua,T.,C.Kao,et al.Decreased proportion of GABA neurons accompanies age-related degradation of neuronal function in cat striate cortex[J].Brain Research Bulletin,2008，（1）:119-125.

[9]李古州.衰老過程中視皮層神經(jīng)元對圖形刺激反應(yīng)的適應(yīng)性變化及其腦機制研究[D].蕪湖:安徽師范大學(xué)，2010.

[10]Lu,ZL,T.Hua,et al.Visual perceptual learning[J].Neurobiology of Learning and Memory,2011，（2）:145-151.

ON THE RELATIONSHIPS BETWEEN ARTIFICIAL VENTILATION VOLUME AND WEIGHT OF CATS

TONG Chuan-wang
（School of Biological Engineering,Wuhu Institute of Technology,Wuhu Anhui 241000）

The objective of this paper is to explore the relationships between artificial ventilation volume and weight of cats in electrophysiological experiments.The methods include the following:in electrophysiological experiments,fixing the respiratory rate, adjusting tidal volume according to the content of CO2in breath of cats,and evaluating the physiological function by recording the visual spontaneous and evoked responses of cats in the artificial respiratory conditions.Results show that among 10 cats studied 8 ones survive for more than 50 hours and 17-65 cells with a significant evoked response are recorded.Besides,on average each cat has 37 cells.A close look at the tidal volume and weight statistics of the 8 cats reveals that the relationship between the tidal volume and weight conforms to the poly 3 equation （y=k0+k1x1+k2x2）,and the correlation value between fitting data and the measured data is 0.916.The significance is that he study is of important reference value to estimate and set up cats’artificial respiration parameters in the electrophysiological experiments.

cat;artificial ventilation volume;weight

Q955

A

1672-2868(2014)06-0090-05

責任編輯:陳澍斌

2014-10-17

安徽省教育廳省級自然科學(xué)研究重點項目(項目編號：KJ2014A284）；安徽教育廳省級優(yōu)秀青年人才基金重點項目(項目編號：2013SQRL149ZD）

童傳旺(1978-），男，安徽蕪湖人。蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院生物工程學(xué)院，講師。研究方向：動物生理學(xué)。