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动物呼吸速率和心率相互关系研究案例

动物呼吸速率和心率相互关系研究案例

心肺相互作用是指动物心血管功能和呼吸功能间复杂的相互影响和作用,一般认为该作用受迷走神经系统、副交感神经系统和激素的调节,作用关系微妙且复杂,研究心肺作用最直观的观测方法莫过于观测动物的心率和呼吸速率的变化关系。

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北京易科泰生态技术有限公司代理美国Sable公司(Sable Systems International)研发的多款动物呼吸测量系统,该公司是全球呼吸测量仪器的顶尖公司,其首席科学家John Lighton 博士,在国际知名期刊上发表过90多篇学术论文,其所著 “Measuring Metabolic Rates: A  Manual for  Scientists”一书是目前呼吸测量、代谢测量方面阅读最广泛的参考书。

北京易科泰公司还代理DST动物植入式实时体温/心率监测器,该产品是生物医学研究领域中的佼佼者产品,能够很好的用于临床前研究和方便用于实验室动物监测体温/心率,具备实时遥测与数据自动储存双重功能,是要求完整性与重复性研究的理想选择。

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下面是几个研究呼吸速率和心率关系的实例,供参考(文献全文和产品详细资料请联系我公司)。

澳大利亚新英格兰大学动物学院动物行为和生理生态学中心的Shannon E. Currie等,以一种小型的树栖蝙蝠(Chalinolobus gouldii)为研究对象,使用Sable公司的动物呼吸测量系统,研究其在低温(约0摄氏度)环境下冬眠状态时的耗氧率,结合心率数据,揭示了这种蝙蝠的体温调节机制。 

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上图为不同个体(体温顺应个体thermoconforming individuals,体温调节个体thermoregulating individuals)心率和耗氧率的关系

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上图显示了不同个体(体温顺应个体thermoconforming individuals,体温调节个体thermoregulating individuals)在不同环境温度(Ta)下的单位心率耗氧率(The transport of oxygen per heart beat (OP))的差异。 

美国兰斯顿大学美国农业部山羊研究所(世界上最著名的山羊研究所,在山羊的饲养、繁育和山羊奶加工方面都处于世界领先水平)的R. Puchala等设计了4种不同喂食方案(包括禁食与取食,其中取食处理又包括不同类型的饲料),交叉处理4种基因型的山羊,使用Sable厂家的O2分析仪,CO2分析仪和CH4分析仪以及气流发生控制装置,测量山羊的耗氧率、CO2生成率和CH4产生率,并且计算能量消耗率,再测量山羊的心率变化情况,最后汇总数据,分析不同饲喂条件下,不同基因型山羊的能量消耗(energy expenditureEE)与心率(heart rateHR)的关系,为建立山羊营养需要数字模型提供了数据支持(山羊研究所后续以此实验和其他实验的结果为依据,提出了山羊营养需要标准共13个数字模型,成为该领域的重要参考标准)。

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上图显示不同喂食处理(○为精饲料,■为草料,△为禁食)的山羊24小时时段内能量消耗情况(EEkJ/(kg BW0.75 ×day 

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上图显示4种不同基因型的山羊24小时时段内能量消耗(EE,kJ/(kg BW0.75 ×day)

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上图显示不同喂食处理(○为精饲料,■为草料)的山羊24小时时段内心率变化情况Heart rate (beats/min) 

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上图显示不同喂食处理(●为摄食处理,△为禁食处理)的山羊24小时时段内能量消耗和心率的比值(EE:HRkJ/(kg BW0.75 ×day):heart beats/min 

心肺的相互作用的调节关系比较复杂,也比较精细,所以一直以来,人们一度认为心肺的相互作用只存在于哺乳动物体内(也就是比较高级的动物体内),然而最近巴西圣保罗联邦大学(UFSCar)生物科学系的Diana A. Monteiro经过研究得出结论,心肺相互作用也存在于一种很原始的动物—肺鱼(lungfish)体内,这是一个比较重大的发现,该研究论文发表在2018年的《SCIENCE ADVANCES》上。

肺鱼是一种极其古老的淡水鱼,有四亿多年的历史,这种鱼生着两种呼吸器官—鳃和有肺功能的鳔,是最早尝试由水生转向陆生的动物,介于鱼类和两栖动物之间,是生物进化史上的活化石,是生物进化过程的重要研究对象。

Diana A. Monteiro的研究对象是南美洲肺鱼(South American lungfish),用药物和电刺激等方法影响其神经系统,同时使用Sable公司的质量流量控制器和O2气体分析器测量其呼吸速率,再同时监测其心率变化,并且分析其相关关系。随后该实验还使用电镜观察了肺鱼的神经纤维和脑干,进一步揭示肺鱼心肺作用的调节机制。

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上图显示的是肺鱼刚刚手术后和手术恢复后心率和耗氧率的对应关系 

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上图显示肺鱼心率和能量代谢(以耗氧率为指标)的关系,其中A、B分别显示手术至手术后72小时的心率和耗氧率。