Petra Golja1, Igor B. Mekjavic2, Kazimir Draslar3 Vpliv hipoksije na vedenjsko termoregulacijo - laboratorijski poskusi The Effect of Hypoxia on Behavioural Thermoregulation -Laboratory Experiments IZVLEČEK_ KLJUČNE BESEDE: hipoksija, termoregulacija, mraz, ozeblina Človek po zaznavi toplotnega dražljaja vzpostavi termoregulacijsko vedenje, s katerim uravnava telesno temperaturo. Če je zaznava toplotnih dražljajev oslabljena ali na kakršenkoli način spremenjena, se vedenjski termoregulacijski odziv lahko spremeni v taki meri, da ni več sorazmeren toplotni motnji. Za optimalno delovanje osrednjega živčnega sistema je nujno potreben kisik. Nižji delni tlak kisika v dihalni mešanici (hipoksija) predvidoma lahko vpliva na uravnavanje temperature pri človeku. Če so zaradi razširitve ničelnega območja zavrti tudi avtonomni mehanizmi, je mogoče, da je človek v visokogorju bolj podvržen podhladitvi, ne da bi se tega sploh zavedal. Drsenje temperature jedra proti hipotermiji lahko postane kritično, če ni zavestne zaznave, saj oseba ne odreagira ustrezno, da bi preprečila nadaljnje ohlajanje telesa. Zaradi neustreznega vedenjskega odziva na toplotno motnjo v hipoksičnem okolju obstaja verjetnost, da je organizem tudi bolj podvržen poškodbam zaradi mraza - zmrzlinam in ozeblinam. Zasnovali smo raziskavo, v kateri smo kot hipoksični dražljaj uporabili plinsko mešanico 127 z 11,5 % O2 v 88,5 % N2, da bi ugotovili, kako nižji delni tlak kisika učinkuje na vedenjsko uravnavanje temperature pri ljudeh. Plinska mešanica ustreza razmeram na višini 4500 metrov. Dva zaporedna poskusa sta bila med seboj ločena najmanj teden dni. V enem poskusu so prostovoljci dihali zrak, v drugem pa mešanico z nižjim delnim tlakom kisika. Vrstni red poskusov je bil izbran naključno. Preiskovanci so med poskusom sedeli v kadi, napolnjeni z vodo temperature 28°C. Preferenčno temperaturo, tj. temperaturo, ki so jo preiskovanci v danem trenutku zaznavali kot najbolj prijetno, smo med poskusom spremljali tako, da so preiskovanci v rednih časovnih presledkih izbrali njim najbolj prijetno temperaturo vode v manjši posodi, v kateri so imeli potopljeno levo dlan. Potopitev v vodo je povzročila počasno ohlajanje telesnega jedra preiskovancev, zato se je spremenila tudi njihova preferenčna temperatura. Med rezultati obeh poskusov ni bilo značilnih razlik v temperaturi kože, temperaturi jedra, toplotnem pretoku, niti v preferenčni temperaturi preiskovancev. Minutni dihalni volumen je bil značilno različen med poskusoma, kar je bilo glede na razmere pričakovano. Če izbiro preferenčne temperature obravnavamo kot mehanizem vedenjske termoregulacije, potem plinska mešanica 11,5 % O2 v 88,5 % N2 ne vpliva na vedenjsko uravnavanje temperature pri človeku. Najverjetneje je, da je bila stopnja hipoksije, ki smo jo uporabili v poskusu, pod pragom odziva za vedenjsko termoregulacijo pri človeku. 1 Petra Golja, dipl. univ. biol., University of Portsmouth, Department of Sports and Exerase Science, Institute of Biomedical and Biomolecular Sciences, Velika Britanija; Institut Jožef Stefan, Odsek za avtomatiko biokibernetiko in robotiko, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija. 2 Prof. dr. Igor B. Mekjavic, University of Portsmouth, Institute of Biomedical and Biomolecular Sciences, Velika Britanija; Institut Jožef Stefan, Odsek za avtomatiko biokibernetiko in robotiko, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija. 3 Doc. dr.Kazimir Drašlar, Oddelek za biologijo, Biotehniška fakulteta, Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana. ABSTRACT:_ KEY WORDS: hypoxia, temperature regulation, cold, freezing and non-freezing cold injory After detection of a thermal stimulus, human beings initiate thermoregulatory behaviour in order to adjust the body's temperature. If detection of thermal stimuli is impaired or altered in any way, the behavioural thermoregulatory response can be altered to such an extent that it is no longer proportional to the thermal disturbance. Oxygen is essential for optimum functioning of the central nervous system. A lower partial pressure of oxygen in the breathing mixture (hypoxia) can be expected to affect the regulation of human body temperature. If autonomous mechanisms are also inhibited due to the expansion of the thermoregulatory nullzone, it is possible for a person at high altitude to be more prone to hypothermia, without being aware of it. A shift of the core temperature towards hypothermia may become critical in the absence of conscious detection, because the person will be unable to react appropriately in order to prevent further cooling of the body. Due to an inappropriate behavioural response to thermal disturbances in a hypoxic environment, the body may also be more prone to cold injury - e.g. freezing and non-freezing cold injury. A study was designed in which a gas mixture containing 11.5 % O2 and 88.5 % N2 was used as a hypoxic stimulus in order to establish the effects of a lower partial oxygen pressure on behavioural thermoregulation in humans. This gas mixture corresponds to the conditions at an altitude of 4500 meters. Two successive experiments were performed at a minimum interval of one week. In the first experiment, volunteers breathed normal air, and in the second the gas mixture with a lower partial oxygen pressure. The sequence of the experiments was selected at random. During the experiments, the subjects sat in a bathtub filled with water at a temperature of 28°C. The preferential temperature, i.e. the temperature the subjects felt to be most comfortable at a certain moment, was monitored during the experiment in the 128 following manner: at regular time intervals, the subjects selected the water temperature they considered most comfortable in a smaller vessel in which their left hand was immersed. Immersion in water caused slow cooling of the subjects' body core, changing their preferential temperature. There were no significant differences between the results of the two experiments with regard to skin temperature, core temperature, heat flow or the preferential temperature of the subjects. However, minute ventilation was significantly different between the two trials. Assuming the selected preferential temperature is considered a component of behavioural thermoregulation, then a gas mixture containing 11.5% O2 and 88.5% N2 has no effect on behavioural thermoregulation in humans. Most probably, the degree of hypoxia used in the experiment was below the response threshold for human behavioural thermoregulation. UVOD Človek vzdržuje stalno telesno temperaturo s termoregulacijo. Termoregulacijske mehanizme je mogoče v grobem razdeliti na vedenjske in avtonomne. Avtonomni mehanizmi so vazomotorika, drgetanje in znojenje, vedenjski pa katerokoli zavestno vedenje, ki vpliva na izmenjavo toplote med telesom in okoljem. Na toplotne spremembe v okolju se organizem odzove z vazomotoriko in termo-regulacijskim vedenjem. Vazomotorika je pod avtonomnim nadzorom, naše vedenje pa je odvisno od zavestnih zaznav. Oba termo-regulacijska mehanizma, vazomotorika in vedenje, vzdržujeta našo telesno temperaturo znotraj ozkega intervala, t. i. ničelnega območja (1). Sele v primeru, da so okoljske toplotne razmere tako ostre, da telesne temperature ni več mogoče vzdrževati znotraj ozko nadzorovanih mej zgolj z vedenjem in vazomotoriko, se vklopijo energijsko precej potratnejši mehanizmi, kot sta mišični drget in znojenje. Če je toplotni stres prevelik, ter-moregulacijski mehanizmi ne morejo več vzdrževati stalne telesne temperature in temperatura pade v hipotermijo oz. naraste vhipertermijo (1). Določene toplotne razmere sprožijo zaznavo, ki jo občutimo kot prijetno oz. neprijetno. Prijetnost oz. neprijetnost zaznave določenega dražljaja sta odvisni ne le od kvalitete dražljaja, pač pa tudi od notranjega stanja v našem organizmu. Kot prijetne zaznamo vse tiste dražljaje, ki so usmerjeni k vzdrževanju ali vzpostavljanju homeosta-ze. Nasprotno kot neprijetne občutimo vse dražljaje, ki zmanjšujejo toplotno stabilnost našega notranjega okolja (3, 4). Prijetnost/neprijetnost določenega toplotnega dražljaja je potemtakem odvisna od toplotnega stanja telesa. Oseba s telesno temperaturo vhiper-termičnem območju bo zaznala temperaturo 20°C kot hladno, aprijetno. Oseba, ki bo blago hipotermična, bo isto temperaturo zaznala kot hladno in neprijetno. Očitno je, da je osnovno vodilo za vedenjsko termoregulaci-jo subjektivna ocena toplotnega udobja. Očitno termoregulacijsko vedenje je izbira preferenčnega temperaturnega okolja. Za neoblečenega človeka je optimalna tempera- tura v zračnem okolju okoli 28°C. V teh razmerah ima koža temperaturo približno 33°C. Optimalna temperatura vodnega okolja mora biti zaradi večje toplotne prevodnosti vode višja, približno 33°C, in je vtem primeru približno enaka temperaturi kože. V preferenčnem temperaturnem okolju za vzdrževanje optimalne telesne temperature porabimo najmanj energije - od termoregulacijskih mehanizmov delujeta le vazomotorika in vedenjska termo-regulacija. Živčne povezave, po katerih se prenašajo sporočila, potrebna za termoregulacijske procese, so zaradi kompleksnih interakcij med telesom in okoljem precej zapletene -predvidoma vključujejo precejšnje število sinaps. Pot vedenjske termoregulacije je verjetno zapletena, saj vključuje zavestno zaznavo, s tem pa povezave v skorjo velikih možganov. Ker je vedenje prvi odziv, s katerim ohranjamo ustaljeno telesno temperaturo v toplotno spremenljivem okolju, bi lahko dejavnik, ki učinkuje na pot vedenjske ter-moregulacije, spremenil odziv, s tem pa posledično vplival na telesno temperaturo. Nižji delni tlak kisika v okolju (hipoksija) nedvomno učinkuje na organizem, saj je kisik kot končni akceptor elektronov v elektronski verigi potreben za nemoten potek energetske presnove v celicah. Brez kisika ni mogoče pridobiti dovolj energije za raznovrstne celične procese - za delovanje ionskih črpalk ali za tvorbo nevrotransmitorjev. Če kisika in s tem energije ni dovolj, bodo pomanjkanje najprej občutila tkiva z največjo energijsko porabo, med katere nedvomno sodi živčevje. Če organizem postavimo v nadzorovano okolje, v katerem vzpostavimo toplotni gradient, vsi ostali pogoji pa so enaki, se bo organizem največ časa zadrževal v okolju s temperaturo, ki mu bo najbolj ustrezala -izbral bo svojo preferenčno temperaturo. V primeru, da nižji delni tlak kisika vpliva na vedenjsko termoregulacijo, bi se učinek hipok-sije moral odraziti na izboru preferenčne temperature. Učinke hipoksije na vedenjsko termore-gulacijo so preučevali pri različnih živalskih skupinah, od enoceličarjev do sesalcev, ki so jih postavili v temperaturni gradient in izpostavili različnim stopnjam hipoksije (5-9). Nižji delni tlak kisika je občutno znižal pre-ferenčno temperaturo živali. S padanjem preferenčne temperature presenetljivo pada tudi temperatura telesnega jedra. Hipoksija pri živalih očitno izzove nadzorovano padanje temperature jedra vhipotermijo. Proces je reverzibilen, če delni tlak kisika v zraku naraste. V primeru, da manjši delni tlak kisika na človeka vpliva na podoben način kot na živali, bi pričakovali, da bo temperatura telesnega jedra v hipoksičnih pogojih padala proti hipo-termiji, ne da bi se aktiviralo mišično drgetanje. Ce temperatura telesnega jedra pada proti globoki hipotermiji, se lahko pojavijo psihične težave, zmedenost in motnje spomina, zmanjšata se koncentracija in koordinacija, poveča pa se tudi možnost fibrilacije prekatov, kar vkončni fazi vodi vnezavest in smrt (10, 11). Ker je učinek hipoksije na termoregula-cijski sistem pri človeku dokaj neznan, smo zasnovali raziskavo, v kateri smo skušali določiti učinek znižanega delnega tlaka kisika na vedenjsko termoregulacijo pri ljudeh. 130 METODOLOGIJA V raziskavi je sodelovalo 8 prostovoljcev. Povprečna (± standardni odklon) starost je bila 23,3 ± 0,7 let, povprečna višina 178,9 ± 5,7 cm in povprečna teža 77,5 ±6,6 kg. Vsi so bili moški. Pred začetkom poskusa smo prostovoljce podrobneje seznanili z natančnim potekom meritev in instrumentacijo. Vsak preiskovanec je pred začetkom poskusa podal pisni pristanek o prostovoljnem sodelovanju v raziskavi. Vsi preiskovanci so bili pred začetkom poskusa zdravniško pregledani. Sodelovanje prostovoljca v raziskavi je bilo odvisno od soglasja, ki ga je podal zdravnik po opravljenem pregledu. Preiskovanci so sodelovali v dveh poskusih. V enem poskusu so dihali zrak, v drugem pa plinsko mešanico z 11,5 % O2 v 88,5 % N2. Uporabljena plinska mešanica ustreza razmeram pri višini 4500 metrov. Vrstni red mešanic je bil izbran naključno. Preiskovanci so bili v poskusu do vratu potopljeni v vodo. Temperatura vode (Tvode, °C) 28°C je izzvala počasno ohlajanje in padec temperature telesnega jedra. Za določanje preferenčne temperature (Tpref, °C) smo uporabili metodo, ki jo je opisal Cabanac (4). Preiskovanci so svojo preferenčno temperaturo med poskusom večkrat določili tako, da so izbrali najbolj prijetno temperaturo vode v manjši posodi, v kateri so imeli potopljeno levo dlan. Med poskusom smo spremljali temperaturo vode v kadi (Tvode, °C) in v manjši posodi (Tpref, °C), temperaturo kože (Tkože, °C), toplotni pretok skozi kožo (Q, W'm-2), rektalno temperaturo (Tre, °C) in dihalni minutni volumen (Vi, L-min-1). Protokol raziskave je odobrila Republiška komisija za medicinsko etiko. REZULTATI Med rezultati poskusa, v katerem so preiskovanci dihali zrak, in rezultati poskusa, v katerem so dihali hipoksično plinsko mešanico, ni bilo značilnih razlik v temperaturi kože, rektalni temperaturi, toplotnem pretoku skozi kožo, niti v časovnem poteku izbire preferenčne temperature (slika 1, grafi a do č). Temperatura kože preiskovancev je bila med poskusom v normalnih pogojih 28,1 ±0,5°C in med poskusom v hipoksičnih pogojih 28,1 ±0,3°C. Začetna rektalna temperatura je bila v poskusu v normalnih pogojih 36,9 ± 0,4°C in v poskusu v hipoksičnih pogojih 36,9 ± 0,5°C. Ob koncu poskusa z normalnim delnim tlakom kisika je rektalna temperatura padla na 36,2±0,5°C in v poskusu z znižanim delnim tlakom kisika 36,2±0,3°C. Toplotni pretok skozi kožo je dosegel najvišjo vrednost v prvih 30 sekundah po potopitvi v vodo. V poskusu v normalnih pogojih je največji toplotni pretok znašal 279,5 ± 137,1 W'm-2, v poskusu v hipoksičnih pogojih pa 214,7 ± 63,5 W-m-2. Med poskusom v normalnih pogojih je povprečni toplotni pretok znašal 58,3 ± 10,2 W-m-2, v poskusu v hipoksičnih pogojih pa 53,4 ± 19,1 W'm-2. Dvig preferenčne temperature glede na začetno vrednost je znašal 2,3±3,7°C v poskusu v normalnih pogojih in 2,6±2,9°C v poskusu v hipoksičnih pogojih. Preferenč-na temperatura se je med preiskovanci precej razlikovala, saj je bil razpon izbranih temperatur v poskusu z normalnim delnim tlakom C 32 -| 31 -30292827- N = 8 • o zrak q • hipoksicna plinska mešanica »fiSsst* -5 25 55 85 0,5 -, y 0,03 -0,5 --1,0 ......ii5s 250 200 T 150 E S 10050 0 o 2