BRAIN BIOELECTRICAL ACTIVITY IN NORTHERN CHILDREN AGED 9-10 YEARS BY DIFFERENT DAY LENGTH

Full Text

В последние десятилетия в России увеличивается число детей, имеющих функциональные отклонения, хронические заболевания, нарушения физического развития и снижение функциональных возможностей организма. Показатели состояния здоровья ухудшаются в процессе обучения в школе от младших классов к старшим. Кроме влияния различных социальных факторов условия Европейского Севера, в свою очередь, предъявляют растущему организму дополнительные требования, способствуя развитию дизадаптивных реакций [15, 18, 24, 27]. Сезонные изменения продолжительности светового дня относятся к особым, специфическим климатогеографическим условиям, характерным только для северных территорий [11, 27], которые влияют на основные функциональные системы [12, 13] и могут становиться причиной нарушения ведущих механизмов адаптации [1, 2, 4, 5, 16, 21, 22]. Возрастное развитие детей характеризуется значительными морфофункциональными перестройками всех органов и систем [7]. При этом генетическая программа предусматривает последовательность качественных и количественных изменений и определяет избирательное повышение чувствительности отдельных физиологических систем на различных этапах онтогенеза [8]. Так называемые сенситивные периоды развития характеризуются функциональным рассогласованием между структурными перестройками и функциональными возможностями, что не только требует коррекции регуляторных механизмов, но и делает организм весьма чувствительным к внешним воздействиям [25]. В онтогенетическом развитии центральной нервной системы (ЦНС) имеются этапы наиболее интенсивных перестроек, связанных с созреванием различных отделов мозга. В младшем школьном возрасте интенсивно развиваются функции больших полушарий головного мозга, усиливается аналитическая и синтетическая функции коры. Наибольшие структурно-функциональные перестройки нейронной организации мозга происходят в 9-10 лет, когда нейроны объединяются в ансамбли, формируется сложная система горизонтальных связей, обеспечивающая взаимодействие нейронов как в пределах одного ансамбля (короткие связи), так и между различными дистантно-удаленными корковыми областями и корково-подкорковыми структурами (длинные связи). Продолжается дифференцировка корковых нейронов, рост и разветвление нервных волокон, развитие нейроглиальных взаимодействий, формирование микроциркуляторного русла. Таким образом, формируется структурно-функциональная основа для осуществления интегративной деятельности мозга, являющейся основой когнитивной и психической деятельности человека [23]. Несмотря на то, что морфофункциональное развитие у детей на В статье приводятся результаты исследования биоэлектрической активности головного мозга у детей младшего школьного возраста в периоды нарастающей, максимальной, убывающей и минимальной длительности светового дня. Представлена амплитудная и частотная динамика основных ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ), установлена их взаимосвязь с периодами естественной освещенности. Выявлено, что адаптивные перестройки биоэлектрической активности головного мозга происходят в контрастные периоды года. В период нарастающей длительности светового дня отмечено повышение активности всех ритмов ЭЭГ, в то время как в период убывающей его продолжительности характерно преобладание дельта- и тета-активности во всех областях мозга. Доказано, что выявленная динамика амплитудных и спектральночастотных параметров ЭЭГ у школьников-северян 9-10 лет не обусловлена возрастными изменениями. Периоды максимальной и минимальной продолжительности светового дня можно считать более благоприятными для функционирования головного мозга и развития высших психических функций детей. Ключевые слова: дети, Север, электроэнцефалография, периоды естественной освещенности 37 Экологическая физиология Экология человека 2014.07 Севере происходит непрерывно в соответствии с генетической программой развития индивида и по общепринятым биологическим законам, фактический онтогенез осуществляется в прямой зависимости от условий среды [7]. При этом климатогеографические и биогеохимические факторы оказывают влияние на скорость морфофункционального созревания организма [17]. Немногочисленные исследования свидетельствуют, что условия Северо-Западного региона России оказывают специфическое воздействие на физическое и психофизиологическое возрастное развитие детей, проявляющееся в более поздних по сравнению со среднеевропейскими нормами темпах формирования морфофункциональной организации головного мозга [26]. По срокам это совпадает с данными о задержке формирования эндокринной и иммунной систем организма детей-северян [14] и более поздними сроками полового созревания [20]. Головной мозг является главным регулирующим и координирующим центром, обеспечивающим восприятие и анализ параметров внешней среды, поиск врожденных и приобретенных в процессе жизни оптимальных программ взаимодействия с окружающей средой [29 - 31]. От морфофункционального состояния мозга ребенка зависят не только его адаптация к окружающей среде, но и успешность обучения необходимым навыкам, взаимоотношения со сверстниками, успеваемость в школе. Вместе с тем особенности церебральных изменений при воздействии климатогеографических условий у детей и подростков Севера изучены недостаточно. В свою очередь, широкое применение нашли абсолютно безвредные методы регистрации биоэлектрических потенциалов мозга с поверхности головы. Многоканальная регистрация таких потенциалов позволяет получить данные об особенностях деятельности мозга в целом и отдельных его структур [6, 9, 32]. С учетом этого цель нашей работы заключалась в изучении биоэлектрической активности головного мозга у младших школьников, проживающих на Европейском Севере России в зависимости от длительности естественной освещенности. Методы Исследование биоэлектрической активности головного мозга проведено у 50 школьников 9-10 лет в динамике, четыре раза в год, в периоды нарастающей (март), максимальной (июнь), убывающей (сентябрь) и минимальной (декабрь) длительности светового дня. В исследовании принимали участие учащиеся младших классов общеобразовательных школ г. Архангельска, родившиеся и постоянно проживающие в условиях Севера. Обследуемых выбирали на добровольной основе. От всех школьников и их родителей было получено информированное согласие на участие в исследовании. Для регистрации, обработки и анализа биоэлектрической активности головного мозга применялся комплекс компьютерный многофункциональный «Нейрон-Спектр-4/ВПМ» (ООО «Нейрософт», Иваново). Активные электроды накладывались в соответствии с международной схемой «10 - 20», монополярно в 16 стандартных отведениях - лобных (FP1, FP2, F3, F4, F7, F8), центральных (С3, С4), височных (Т3, Т4, Т5, Т6), теменных (Р3, Р4), затылочных (О1, О2). Референтные электроды располагались на мочках ушей. Оценку биоэлектрической активности головного мозга проводили в комфортной, привычной обстановке в период с 9 до 14 часов. Электроэнцефалограмму (ЭЭГ) регистрировали в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами. При оценке ЭЭГ каждого испытуемого выделяли безартефактные отрезки записи, спектр анализировали по дельта-(1,6-4 Гц), тета- (4 - 7 Гц), альфа- (8-13 Гц), бета1- (13-20 Гц) и бета2- (20-34 Гц) диапазонам. В каждом частотном диапазоне оценивали максимальную амплитуду (мкВ), полную мощность (мкВ2) и доминирующую частоту ритма (Гц). Результаты исследования анализировались с помощью статистического пакета SPSS 13.0 for Windows. Производилась оценка распределения признаков на нормальность с применением критерия Шапиро - Уилка. Для описательной статистики признаков использовали медиану (Ме) и интервал значений от первого (Q1) до третьего (Q3) квартиля. Применяли непараметрические методы: тест Фридмана для сравнения зависимых выборок, критерий Вилкоксона для сравнения парных значений. За критический уровень статистической значимости принимался р < 0,01, так как попарно сравнивали четыре группы. Результаты При сравнении максимальной амплитуды ритмов ЭЭГ в различные периоды естественной освещенности статистически значимые отличия у школьников были выявлены только по тета-, альфа- и бета1-ритму. Так, максимальная амплитуда тета-ритма преобладает в осенний период в лобной, височных и затылочной областях левого полушария, а также в теменной области правого полушария (табл. 1). Несмотря на отсутствие статистически значимых различий, необходимо отметить, что имеется тенденция повышения амплитуды низкочастотных дельта- и тета-ритмов в период увеличения и уменьшения продолжительности светового дня. Максимальная амплитуда альфа-ритма и бета1-ритма наиболее выражена в весенний период и преимущественно в лобно-теменно-височных областях правого полушария. При анализе сезонных изменений полной мощности по тесту Фридмана были выявлены статистически значимые (p < 0,001) отличия по всем ритмам ЭЭГ, кроме бета2-ритма. Для выявления уровня выраженности частотных характеристик ЭЭГ в конкретный период световой освещенности производили попарное сравнение выборок по критерию Вилкоксона. 38 Экология человека 2014.07 Экологическая физиология Таблица 1 Изменения максимальной амплитуды (мкВ) ритмов у школьников-северян младшего возраста в зависимости от периодов естественной освещенности, Ме (Q1-3) Отведение Весна Лето Осень Зима Уровень р между сезонами 1 2 3 4 1-2 2 - 3 3-4 1-4 Тета-ритм FP1 44 (37 - 55) 41 (34-49) 46 (42-51) 40 (35-50) 0,013 0,001 0,002 0,058 F3 44 (38 - 50) 41 (36-50) 47 (40 - 57) 42 (34-50) 0,156 0,004 0,002 0,109 P4 50 (43 - 62) 50 (44-59) 51 (43 - 63) 47 (40-55) 0,891 0,335 0,001 0,034 О1 52 (43 - 69) 56 (45-66) 55 (46-70) 48 (41-60) 0,688 0,523 0,001 0,012 F7 38 (30-45) 34 (29-43) 41 (34-49) 34 (29-41) 0,394 0,020 0,001 0,068 T3 38 (30-46) 35 (30-44) 42 (36-50) 35 (30-42) 0,330 0,003 0,001 0,090 T5 38 (32-51) 40 (33-48) 43 (39 - 53) 36 (31-45) 0,895 0,007 0,002 0,325 Альфа-ритм FP2 35 (29-43) 31 (29 - 38) 34 (30 - 39) 33 (26-38) 0,010 0,294 0,251 0,032 F8 35 (30-40) 34 (28-38) 30 (28 - 38) 30 (26-35) 0,065 0,387 0,198 0,001 T4 39 (34-45) 34 (29-38) 34 (30-42) 33 (27-41) 0,001 0,185 0,403 0,005 Бета1-ритм F4 28 (25 - 34) 28 (25-34) 28 (24 - 34) 27 (24-33) 0,914 0,497 0,015 0,010 С3 32 (26-37) 28 (26-32) 29 (27 - 34) 31 (25-35) 0,010 0,181 0,861 0,126 P4 33 (29-41) 33 (29-40) 32 (28 - 39) 31 (27-37) 0,378 0,262 0,253 0,010 F8 27 (23 - 32) 24 (20-33) 25 (21-31) 23 (20-30) 0,135 0,745 0,188 0,004 T4 28 (25 - 35) 25 (21-30) 25 (22-31) 24 (20-28) 0,001 0,309 0,039 <0,001 T6 31 (26-39) 26 (22-33) 30 (25 - 34) 24 (21-31) 0,003 0,199 0,012 <0,001 При оценке полной мощности дельта-ритма (рис. 1) выявлено её преобладание в период уменьшения длительности светового дня практически во всех областях головного мозга (p = 0,004). В весенний период при сравнении с зимним характерно повышение полной мощности дельта-ритма в теменно-затылочной области левого полушария (p = 0,002) и теменно-задневисочной области правого полушария (p = 0,001). При оценке сезонной выраженности частотных характеристик тета-ритма (рис. 2) также выявлено преобладание полной мощности в осенний период во всех регистрируемых отведениях ЭЭГ (p = 0,002) и в весенний период (p = 0,008) при сравнении с зимним, за исключением центральных и височных областей левого полушария. Нами выявлено повышение полной мощности альфа-ритма в период увеличения светового дня при сравнении с периодом минимальной длительности естественной освещенности, а также в периоде уменьшения светового дня в лобно-височных отделах головного мозга (табл. 2). При оценке сезонной динамики частотных характеристик бета1-ритма ЭЭГ отмечено повышение значений полной мощности данного ритма в весенний и осенний периоды преимущественно в теменно-височно-затылочных областях обоих полушарий (табл. 3). Полученные результаты не могут быть обусловлены возрастной динамикой, поскольку при обычном нормальном развитии к концу младшего школьного возраста происходят существенные преобразования в коре больших полушарий и, как следствие этого, значительно изменяется характер ЭЭГ. Совершенствование ансамблевой организации нейронных сетей и развитие горизонтальных связей приводят к увеличению частоты основного ритма, распространению его FP1 ....... .......Весна--Лето Осень " ■ “Зима Рис. 1. Выраженность полной мощности дельта-ритма (мкВ2) в зависимости от периодов естественной освещенности -~~= Весна--Лето Осень ” ■ 'Зима Рис. 2. Выраженность полной мощности тета-ритма (мкВ2) в зависимости от периодов естественной освещенности 39 Экологическая физиология Экология человека 2014.07 Таблица 2 Изменения полной мощности альфа-ритма (мкВ2) у школьников-северян младшего возраста в зависимости от периодов естественной освещенности, Ме (Q1-Q3) Отве Весна Лето Осень Зима Уровень р между сезонами дение 1 2 3 4 1-2 2-3 3-4 1-4 FP1 50,09 (40,22-64,93) 94,73 (35,80-65,31) 52,78 (38,24-67,80) 40,67 (30,75-55,90) 0,137 0,066 <0,001 0,001 FP2 51,87 (38,51-71,18) 45,17 (34,14-60,72) 45,56 (35,91-57,49) 43,08 (26,53-58,09) 0,001 0,912 0,045 <0,001 F3 63,37 (48,50-90,24) 63,33 (45,77-79,94) 65,73 (49,40-101,44) 57,50 (39,05-73,77) 0,193 0,032 <0,001 0,005 F4 70,07 (51,79-100,48) 64,98(45,38-90,17) 62,70 (47,42-82,99) 57,55 (39,25-75,23) 0,005 0,787 0,005 <0,001 C3 93,19 (64,23-146,92) 85,77 (58,69-115,52) 88,89 (70,28-119,68) 79,03 (48,78-99,18) 0,022 0,496 0,009 0,001 C4 94,53 (69,51-132,77) 88,94 (57,01-114,70) 86,23 (59,90-116,50) 86,87 (46,19-104,58) 0,085 0,881 0,083 0,018 P3 143,98 (99,19-201,14) 125,74 (77,71-222,69) 122,59 (82,33-198,96) 109,55 (65,82-152,98) 0,395 0,175 0,102 0,043 P4 165,93 (117,00-263,04) 145,13 (75,66-223,40) 133,42 (87,72-203,41) 122,04 (71,19-195,87) 0,196 0,208 0,098 0,001 O1 216,17 (139,19-361,09) 286,59 (132,11-379,31) 217,17 (138,05-374,45) 199,24 (133,94-342,82) 0,325 0,194 0,637 0,773 O2 247,94 (157,26-430,78) 295,45 (160,02-403,60) 314,83 (183,61-497,52) 214,96 (134,86-365,79) 0,798 0,051 0,028 0,481 F7 46,50 (33,02-65,44) 43,67 (27,98-58,85) 56,045 (32,89-75,29) 38,67 (27,20-53,22) 0,442 0,002 <0,001 0,001 F8 55,16 (39,87-77,31) 43,04 (32,14-65,80) 45,21 (35,03-59,53) 36,98 (21,78-52,20) <0,001 0,201 <0,001 <0,001 T3 51,16 (39,35-88,89) 46,11 (31,27-71,72) 61,48 (43,05-85,65) 46,29 (30,74-62,87) 0,055 0,001 0,001 0,006 T4 69,78 (51,79-104,28) 47,84 (36,52-78,04) 53,89 (41,75-76,65) 41,23 (29,31-66,96) <0,001 0,119 0,002 <0,001 T5 62,45 (47,95-122,23) 55,17 (40,88-94,77) 70,45 (49,23-107,95) 58,08 (35,11-81,62) 0,218 0,007 0,044 0,126 T6 94,73 (63,71-140,01) 68,23 (41,94-113,75) 79,64 (49,40-120,06) 58,66 (37,25-95,01) 0,008 0,100 0,003 <0,001 Таблица 3 Изменения полной мощности бета1-ритма (мкВ2) у школьников-северян младшего возраста в зависимости от периодов естественной освещенности Ме (Q1-Q3) Отве- Весна Лето Осень Зима Уровень р между сезонами дение 1 2 3 4 1-2 2-3 3-4 1-4 FP1 20,15 (16,86-24,47) 17,70 (14,58-24,10) 19,19 (15,56-23,46) 17,27 (15,13-22,49) 0,093 0,152 0,052 0,168 FP2 18,33 (15,68-24,61) 17,64 (14,47-22,88) 17,37 (14,27-21,88) 17,02 (12,81-20,81) 0,138 0,472 0,201 0,005 F3 23,68 (18,38-29,00) 21,61 (16,25-29,54) 22,07 (18,52-26,58) 20,77 (17,01-24,65) 0,101 0,166 0,276 0,221 F4 22,45 (18,32-30,50) 20,66 (16,21-27,12) 21,79 (17,75-27,93) 19,10 (16,11-25,01) 0,082 0,271 0,052 0,014 C3 24,06 (20,19-31,24) 21,80 (15,91-30,29) 24,29 (18,63-28,91) 21,38 (17,76-25,83) 0,092 0,066 0,088 0,160 C4 22,62 (18,49-29,89) 20,77 (16,81-28,25) 22,01 (17,65-27,82) 20,19 (17,74-25,53) 0,075 0,288 0,120 0,096 P3 27,82 (20,78-32,94) 23,81 (17,70-31,94) 26,35 (19,73-31,27) 21,57 (18,22-27,46) 0,024 0,415 0,010 0,002 P4 26,47 (19,72-32,58) 24,60 (17,67-33,16) 25,07 (20,52-32,53) 21,01 (17,64-26,19) 0,027 0,178 0,002 0,002 O1 35,39 (25,59-43,28) 32,78 (24,03-42,99) 34,01 (25,48-49,90) 30,36 (22,73-35,24) 0,209 0,152 0,015 0,020 O2 33,95 (25,35-42,58) 32,16 (23,27-45,14) 36,99 (27,68-47,72) 27,66 (23,00-35,55) 0,678 0,044 <0,001 0,098 F7 17,95 (12,98-21,66) 16,38 (10,76-21,12) 17,39 (13,16-22,26) 14,72 (11,91-19,12) 0,482 0,006 0,013 0,423 F8 18,45 (14,97-23,74) 15,48 (11,86-21,22) 15,76 (13,72-22,70) 13,19 (10,97-19,04) 0,005 0,054 0,006 <0,001 T3 17,44 (13,13-23,34) 15,72 (11,97-19,63) 17,87 (13,16-22,58) 15,26 (12,68-17,28) 0,051 0,006 0,053 0,259 T4 19,30 (15,13-25,13) 15,40 (11,70-21,35) 16,39 (12,91-20,97) 13,91 (11,38-17,38) <0,001 0,102 0,020 <0,001 T5 20,52 (13,33-25,27) 15,32 (12,64-24,50) 19,17 (13,30-23,52) 15,14 (12,52-22,28) 0,059 0,049 0,151 0,312 T6 20,85 (16,62-29,77) 17,51 (12,77-23,42) 20,69 (15,48-25,25) 15,01 (11,45-19,52) 0,002 0,058 0,002 <0,001 на передние отделы мозга. К 10 годам организация ритмической электрической активности альфа-диапазона затылочных областей в состоянии покоя должна приближаться к дефинитивному (взрослому) типу. Ведущая частота основного ритма ЭЭГ покоя должна смещаться в полосу 10-11 Гц. В группе обследуемых детей нами не отмечено значительного увеличения доминирующей частоты альфа-ритма и распространения его на передние отделы мозга, а также не выявлено статистически значимых отличий динамики альфа-ритма по сезонам (рис. 3). Кроме того, относительная мощность этого частотного диапазона должна достигать максимума в 10-11 лет, что также не характерно для обследуемой группы детей (см. табл. 3). Развитие корково-подкорковых связей вносит существенный вклад в совершенствование паттерна ЭЭГ на этом возрастном этапе. В 9-10 лет происходит резкое уменьшение амплитуды и представленности FP1 ГРІ Fl Fl CI Cd PI PI Ol 02 F7 ГЗ ТЗ ТІ TS TS Отселения ES Виши ■ Лею Ы Оскнь Ή Знма Рис. 3. Профиль доминирующей частоты альфа-ритма у школьников младшего возраста в различные сезоны. медленноволновой генерализованной активности, что отражается на спектральных оценках в виде снижения мощности тета-колебаний, которое не отмечено у детей исследуемой группы. Следовательно, выявлен 40 Экология человека 2014.07 Экологическая физиология ная динамика амплитудных и спектрально-частотных параметров ЭЭГ у школьников-северян 9-10 лет не обусловлена возрастными изменениями. Обсуждение результатов Выраженная сезонная асимметрия фотопериодизма северного региона, проявляющаяся длинным световым днем в весенне-летний период и короткой продолжительностью дня в осенне-зимний период приводит к изменениям функционального состояния ЦНС у детей младшего школьного возраста [3]. Весенний период года характеризуется повыше -нием активности всех ритмов ЭЭГ. Доминирование максимальной амплитуды альфа- и бета 1-ритмов в лобно-височных областях свидетельствует о функциональных изменениях биоэлектрической активности лимбического генеза. Лимбическая система играет существенную роль в формировании эмоций и инстинктивного поведения, участвует в регуляции сна и бодрствования, памяти и внимания. Клинически функциональные изменения со стороны лимбической системы проявляются снижением умственной и физической работоспособности, нарушением сна, эмоциональной нестабильностью, непредсказуемостью поведения. Данные изменения биоэлектрической активности мозга могут быть вызваны сенсорной (зрительной) стимуляцией [19] в результате увеличения продолжительности светового дня, что подтверждается нарастанием полной мощности бета1-ритма [10]. Увеличение бета-активности доказывает определенную степень ирритации (чрезмерного возбуждения) структур головного мозга в связи с перенапряжением работы функциональных систем, обеспечивающих процессы адаптации к увеличению продолжительности светового дня. В период уменьшения продолжительности светового дня преобладание полной мощности дельта- и тета-ритмов во всех областях головного мозга свидетельствует об адаптивных перестройках ЦНС, происходящих через психоэмоциональное напряжение и развитие охранительного торможения, что проявляется снижением уровня активации головного мозга у школьников-северян. Преобладание максимальной амплитуды тета-ритма в лобных областях свидетельствует о наличии функциональных изменений биоэлектрической активности верхнестволового ге-неза и может расцениваться как признак дисфункции фронтоталамической системы. Появление волн тета-диапазона с максимальной амплитудой в затылочных, теменных и задневисочных областях подтверждает функциональные изменения биоэлектрической активности нижнестволового генеза. Такие изменения связаны со снижением активирующих влияний со стороны ретикулярной формации продолговатого мозга и моста. Данные изменения особенно неблагоприятно влияют на растущий организм. Необходимо подчеркнуть, что адаптивные перестройки со стороны ЦНС происходят в контрастные периоды года. Возрастное развитие детей младшего школьного возраста происходит на фоне адаптации к комплексу суровых факторов Севера и характеризуется особыми темпами возрастного формирования биоэлектрической активности головного мозга, что проявляется низкой частотой (8-9 Гц) и недостаточной выраженностью альфа-ритма в затылочных и теменных областях коры больших полушарий, наличием более высокого уровня тета- и дельта-активности. Климатогеографические условия Севера определяют возрастную специфику формирования биоэлектрической активности головного мозга. Фотопериодизм является наиболее значимым фактором в изменении темпов возрастного развития мозга, так как вынуждает ЦНС дважды в год адаптироваться к меняющимся условиям светового дня. По результатам наших исследований зимний и летний периоды можно считать более благоприятными для развития головного мозга и формирования познавательной деятельности детей младшего школьного возраста, проживающих в условиях Европейского Севера России. Дальнейшие направления исследований будут заключаться в изучении возрастной динамики биоэлектрической активности головного мозга у школьников-северян и оценке темпов морфофункционального созревания ЦНС с учетом влияния климатогеографических факторов окружающей среды.

About the authors

Yu S Dzhos

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Email: imbi@narfu.ru; u.jos@narfu
Institute of Medical and Biological Research Arkhangelsk, Russia

A V Gribanov

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Institute of Medical and Biological Research Arkhangelsk, Russia

T V Bagretsova

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Institute of Medical and Biological Research Arkhangelsk, Russia

References

Supplementary files