ALTERATIONS OF DYNAMICS OF HUMAN ELECTROENCEPHALOGRAM SPECTRAL PARAMETERS DURING DAILY GEOMAGNETIC FIELD VARIATIONS

Full Text

Основными внешними водителями биологических ритмов живых систем считаются факторы солнечной и геомагнитной активности [1, 4, 18]. Внутренним основным осциллятором признаны структуры супрахиазматического ядра, активность которых определяет как биоритмику внутренних органов, так и хроноструктуру биоэлектрогенеза нейрональных элементов. Также у птиц восприимчивыми к вариациям геомагнитной активности признаны нервные структуры, связанные с сетчаткой глаза, с глазничной ветвью тройничного нерва [17], а также с рецепторами внутреннего уха [21]. Во время выраженных геомагнитных колебаний изменяется концентрация фосфолипидов в структурах неостриатума животных [19]. Для оценки влияния гелио-геофизических факторов на активность головного мозга у человека чаще всего используют электроэнцефалограмму (ЭЭГ), которую регистрируют с поверхности скальпа. Несмотря на то, что ЭЭГ отражает суммарную электрическую активность морфофункциональных структур головного мозга, современные средства компьютерной и статистической обработки характеристик биопотенциалов позволяют с определенной долей вероятности судить об активности биоэлектро-генеза как с различных полей поверхностных слоев мозга (коры), так и с глубинных его структур [11]. Степень доминирования того или иного полушария при изменении геомагнитной обстановки позволяет судить об уровне адаптации человека к условиям среды [14]. Установлено, что характеристики биоэлектрогенеза головного мозга сопряжены с изменениями уровня геомагнитной активности в диапазоне 6-16 Гц, соответствующего первым модам шумановских резонансов [12]. Есть сведения, полученные как среднегрупповые, о приоритете чувствительности правой височной области у людей к колебаниям геомагнитной активности, измеряемой в виде Ар-индекса [8]. Однако при моделировании в эксперименте магнитного поля индукцией до 70 нТл частотой 7 Гц выявлено, что у здоровых людей данные параметры магнитного поля в первую очередь определяют изменения тета-активности в правой теменной и гамма-активности в правой лобной областях, причем направленность изменений зависит от величины индукции магнитного поля [20]. В методических подходах биоритмологии все еще преобладает сренегрупповой подход в оценке получения результатов, хотя сами авторы констатируют значимые межиндивидуальные различия физиологических реакций [8, 12]. Возрастает актуальность проблемы обобщения и типизации индивидуальных реакций регуляторных систем человека в ответ на колебания ритмозадающих факторов естественной среды [7]. Индивидуальный тип реактивности высшей нервной системы может быть генетически детерминирован, возможно, уже на пренатальном этапе Предложена методика выявления характера соотношений суточных изменений спектральной мощности основного ритма биоэлектрической активности головного мозга и вариаций геомагнитного поля. Проведен анализ ежеминутных записей спектральной мощности альфа-активности электроэнцефалограммы (ЭЭГ) утром, днем и вечером в течение 5 дней (12 записей по 30 минут) у трех здоровых волонтеров в сопоставлении с ежеминутными вариациями показателя полного вектора магнитной индукции магнитного поля Земли (ПВМИ). Установлено, что при вечернем увеличении величины ПВМИ может быть как общее усиление альфа-активности, свидетельствующее об увеличении внутренней синхронизации ритмозадающих структур головного мозга, так и снижение таковой, отражающее процессы повышения десинхронизирующих влияний ретикулярной формации ствола на кору головного мозга. Выявлены три варианта индивидуальной чувствительности отделов головного мозга к повышению показателя ПВМИ - повышение мощности альфа-активности ЭЭГ преимущественно в правой височной области, снижение мощности данного вида ритма ЭЭГ преимущественно в левой лобно-височной области и реакция общего снижения мощности альфа-активности. Ключевые слова: электроэнцефалограмма, геомагнитная активность 3 Окружающая среда Экология человека 2014.05 онтогенеза [16]. Определение динамики спектральных мощностей ритмов электроэнцефалограммы (ЭЭГ) в различных точках конвекситальной поверхности головного мозга поможет сформировать индивидуальный прогноз реагирования определенных структур коры головного мозга, ответственных за преимущественный анализ слуховой, зрительной, сенсомоторной афферентной информации, а также состояния диэнцефальных, стволовых отделов мозга при воздействиях естественных геомагнитных полей. Выраженность и реактивность основного ритма биоэлектрогенеза человека (альфа-ритма) отражает степень оптимального функционирования таламокортикальных, таламоретикулярных нервных путей и мозговых центров, отвечающих за нейро-висцеральные связи в организме. Таким образом, целью исследования явилось определение индивидуальных вариантов соотношений ежеминутных колебаний спектральной мощности основного ритма ЭЭГ (альфа-активности) здоровых взрослых лиц в различных точках проекции конвек-ситальной поверхности головного мозга и синхронных вариаций индукции геомагнитного поля, регистрируемых в разное время суток. Методы Проведено обследование трех практически здоровых местных жителей Архангельской области (женщина-волонтер А., возраст 32 года; мужчина-волонтер Б., 38 лет; женщина-волонтер В., 39 лет), проживавших во время мониторинга в одном сельском населенном пункте Архангельской области (61° с. ш.) с 14 по 18 марта 2012 года. Измерения проводили три раза в сутки - утром (900 - 1030 часов), днем ( 1 330- 1500) и вечером ( 1 630- 1800), последовательно с одинаковым воспроизведением очередности во все дни, всего 12 обследований каждого волонтера. У всех волонтеров регистрировали ЭЭГ с помощью прибора «Энцефалан 131-03» (НПКФ «Медиком МТД», г. Таганрог). Все исследования проводились после заключения с волонтерами информированного согласия и после одобрения программы исследований этическим комитетом Института физиологии природных адаптаций Уральского отделения РАН. Каждое исследование проводили по 30 минут в положении сидя с закрытыми глазами в спокойной обстановке. Для поддержания уровня спокойного бодрствования обследуемому волонтеру зачитывали эмоционально нейтральный текст (рассказы о природе и путешествиях). Регистрацию ЭЭГ проводили монополярно с ушными референтными электродами по международной системе «10-20» и с последующим учетом абсолютной спектральной мощности ЭЭГ (АСМ, мкВ2) слева (нечетный номер отведения) и справа (четный номер отведения) в основных частотных диапазонах ежеминутно. В настоящей статье представлены усредненные данные АСМ ЭЭГ в утреннее, дневное и вечернее время в затылочных (О1, О2), центральных (С3, С4), за днелобных (F3, F4) и височных (Т3, Т4) областях в диапазоне альфа-активности (8-13 Гц). Принимая во внимание различные мнения о биотропности тех или иных компонент магнитного поля [3], решено учитывать ежеминутные значения величины полного вектора магнитной индукции (ПВМИ). Данные сведения по геостанции Борок были получены с сайта INTERMAGNET (http://ottawa.intermagnet. org/apps/dl_data_prel_e.php). Всего у каждого волонтера рассматривали 360 одноминутных отрезков в каждом отведении ЭЭГ. Статистический анализ проводили в среде программы Statistica 6.0 с учетом медиан (Ме) и меж-квартильного размаха 25-75 %, рангового критерия коэффициента корреляции Спирмена (р < 0,05), рангового дисперсионного анализа с критерием Краскела - Уоллиса и медианного теста (р < 0,05). Корреляционный анализ выполнен с исключением линейного тренда значений в выборках. Результаты У всех волонтеров исходные значения ЭЭГ соответствовали критериям организованного типа [5] - преобладание в общем спектре ЭЭГ организованной и модулированной альфа-активности с доминирующей частотой 9-10 Гц (волонтеры А. и В.), 11 - 12 Гц (волонтер Б.), с выраженным ее затылочно-лобным градиентом, максимумом амплитуды до 100 мкВ и индексом выше 50 %. При предварительном выполнении функциональных проб: фотостимуляции в диапазоне 4 - 22 Гц и гипервентиляции в течение 3 минут у волонтеров не выявлено фотозависимых и гипоксическизависимых пароксизмальных реакций. Степень выраженности альфа-активности во всех отделах мозга отражает баланс внутренней активности синхронизирующих влияний таламуса и десинхронизирующих влияний (преимущественно ретикулярных, стволовых структур) на кору головного мозга. Таким образом, можно говорить о физиологически идентичных стартовых условиях данного мониторинга, так как нейрофизиологический фон у всех волонтеров свидетельствовал об оптимальном соотношении процессов возбуждения и торможения в центральной нервной системе [6]. Колебания величины полного вектора магнитной индукции геомагнитного поля на протяжении всего времени измерений отражали устойчивую закономерность - минимальные значения утром и днем и максимальные вечером. Размер вариаций величины магнитной индукции за все время наблюдений не превышал 65 нТл, что свидетельствовало о стабильном геомагнитном фоне в данное время исследований [1]. При этом у волонтеров отмечены индивидуальные различия в ходе суточных изменений биоэлектрической активности головного мозга. Так, у волонтера А. (табл. 1) вечером наблюдаются максимальные значения спектральной мощности альфа-активности во всех отведениях, которые значимо выше утренних и дневных показателей. 4 Экология человека 2014.05 Окружающая среда Таблица 1 Показатели полного вектора магнитной индукции и абсолютной спектральной мощности альфа-активности электроэнцефалограммы у волонтера А. Ме (25; 75) Показа тель Утро (1) День (2) Вечер (3) р ПВМИ, нТл 52514,1 (52511,6; 52518,7) 52508,8 (52506,0; 52518,8) 52535,4 (52539,1; 52538,7) 1-2=0,004 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ O1, мкВ2 169,9 (150,8; 194,7) 153,6 (138,8; 173,1) 177,8 (164,8; 190,6) 1 -2<0,001 1-3=0,035 2-3<0,001 АСМ О2, мкВ2 246,4 (209,7; 267,0) 324,9 (255,6; 358,3) 349,9 (318,2; 382,4) 1 -2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ C3, мкВ2 56,2 (50,2; 64,3) 58,6 (52,0; 67,8) 74,2 (64,5; 81,4) 1-2=0,141 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ C4, мкВ2 56,1 (49,4; 63,9) 60,3 (53,7; 73,1) 71,4 (64,3; 78,8) 1 -2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ F3, мкВ2 42,8 (37,2; 49,2) 47,8 (41,4; 56,2) 59,1 (52,1; 64,4) 1 -2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ F4, мкВ2 46,2 (39,2; 52,0) 48,0 (44,2; 57,8) 57,3 (52,5; 62,9) 1-2=0,003 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ T3, мкВ2 27,8 (24,2; 32,2) 27,2 (19,8; 32,4) 34,0 (30,8; 36,8) 1-2=0,772 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ T4, мкВ2 20,0 (18,2; 22,0) 18,9 (16,9; 21,9) 26,0 (23,6; 29,1) 0 1 1 000 ,9 ,0 ,0 0, 0, 0, Il V V 233 --112 Примечание. Здесь и в следующих таблицах: ПВМИ - полный вектор магнитной индукции; АСМ - абсолютная спектральная мощность альфа-активности в затылочных (O1, O2), заднелобных (F3, F4), центральных (С3, С4) и височных (Т3, Т4) отведениях ЭЭГ; p - уровень статистически значимого отличия между показателями утренних, дневных и вечерних исследований. Корреляционный анализ показателей ПВМИ и АСМ ЭЭГ в общей выборке показал, что у волонтера А. отмечены высокозначимые положительные связи почти во всех отведениях ЭЭГ (О2, r = 0,36, p < 0,001; C3, r = 0,46, p < 0,001; C4, r = 0,42, p < 0,001; F3, r = 0,39, p < 0,001; F4, r = 0,30, p < 0,001; T3, r = 0,44, p < 0,001; T4, r = 0,54, p < 0,001). При этом степень максимальной связи динамики ПВМИ с мощностью альфа-активности в правой височной области (Т4) значимо выше (p = 0,002) коэффициента корреляции с данным показателем в затылочной области (О2). У волонтера Б. соотношение динамик ПВМИ и АСМ ЭЭГ реципрокное: при максимуме напряженности магнитного поля вечером мощность альфа-активности снижается в большинстве отделов мозга, причем наиболее отчетливо в заднелобных (F3, F4) и височных (T3, T4) отделах (табл. 2). Корреляционный анализ показателей ПВМИ и АСМ ЭЭГ в общей выборке показал, что у волонтера Б. присутствуют значимые отрицательные связи во всех отведениях ЭЭГ (O1, r = -0,17, p = 0,001; О2, r = -0,15, p = 0,004; C3, r = -0,34, p < 0,001; C4, r = -0,13, p = 0,012; F3, r = -0,48, p < Таблица 2 Показатели полного вектора магнитной индукции и абсолютной спектральной мощности альфа-активности электроэнцефалограммы у волонтера Б. Ме (25; 75) Показа тель Утро (1) День (2) Вечер (3) р ПВМИ, нТл 52513,4 (52512,5; 52514,4) 52516,6 (52509,5; 52520,3) 52536,2 (52529,2; 52542,5) 1-2=0,021 1-3<0,001 2 - 3<0,001 АСМ O1, мкВ2 61,5 (46,6; 84,9) 79,0 (32,1; 107,0) 54,6 (28,2; 86,9) 1-2<0,001 1-3 = 0,073 2 - 3<0,001 АСМ О2, мкВ2 62,9 (47,8; 85,9) 70,4 (30,4; 110,8) 55,1 (28,7; 88,7) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3=0,006 АСМ C3, мкВ2 20,0 (16,6; 23,5) 23,6 (15,0; 30,2) 15,2 (10,8; 20,3) 1-2<0,001 1-3<0,001 2 - 3<0,001 АСМ C4, мкВ2 16,8 (13,9; 20,0) 18,4 (10,8; 24,7) 15,4 (10,5; 20,4) 1-2<0,001 1-3<0,001 2 - 3<0,001 АСМ F3, мкВ2 14,9 (13,0; 17,6) 16,7 (12,4; 20,2) 10,5 (7,9; 13,6) 1-2<0,001 1-3<0,001 2 - 3<0,001 АСМ F4, мкВ2 13,5 (11,9; 15,8) 14,0 (9,4; 19,3) 11,4 (9,1; 14,0) 1-2=0,003 1-3<0,001 2-3=0,009 АСМ T3, мкВ2 6,8 (5,4; 8,4) 8,52 (6,8; 10,1) 4,5 (3,6; 5,8) 1-2=0,772 1-3 = 0,002 2 - 3<0,001 АСМ T4, мкВ2 7,8 (5,9; 9,4) 6,8 (3,9; 8,9) 6,0 (3,8; 8,0) 1-2=0,900 1-3<0,001 2-3=0,990 Таблица 3 Показатели полного вектора магнитной индукции и абсолютной спектральной мощности альфа-активности электроэнцефалограммы у волонтера В. Ме (25; 75) Показа тель Утро (1) День (2) Вечер (3) р ПВМИ, нТл 52514,1 (52512,4; 52515,5) 52509,3 (52504,4; 52516,8) 52530,8 (52529,0; 52532,4) 1-2=0,021 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ O1, мкВ2 43,5 (35,0; 53,4) 66,2 (55,0; 75,7) 57,7 (46,1; 69,0) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3=0,006 АСМ О2, мкВ2 56,9 (46,1; 67,1) 76,5 (64,4; 84,5) 60,7 (51,4; 70,6) 1-2<0,001 1-3=0,073 2-3<0,001 АСМ C3, мкВ2 22,6 (19,6; 25,6) 33,5 (29,8; 37,5) 28,1 (23,8; 32,8) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ C4, мкВ2 19,3 (16,7; 22,1) 27,5 (24,8; 32,3) 23,8 (20,3; 27,7) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ F3, мкВ2 20,8 (18,1; 23,7) 27,6 (24,0; 32,0) 22,9 (20,4; 26,6) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ F4, мкВ2 20,2 (17,5; 23,0) 25,2 (21,7; 29,8) 22,5 (20,3; 26,8) 1-2<0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ T3, мкВ2 12,5 (10,1; 14,9) 14,7 (13,1; 16,6) 12,5 (10,1; 14,9) 1-2=0,001 1-3<0,001 2-3<0,001 АСМ T4, мкВ2 10,0 (8,5; 11,5) 12,2 (10,2; 14,0) 11,7 (10,2; 14,2) 110 009 ,0 ,0 ,9 0, 0, 0, V V Il 233 ----'C^ 5 Окружающая среда Экология человека 2014.05 0,001; F4, r = -0,36, p < 0,001; T3, r = -0,49, p < 0,001; T4, r = -0,30, p < 0,001). При этом степень максимальной связи динамики ПВМИ с мощностью альфа-активности в левой височной области (Т3) значимо выше (p < 0,001) минимального коэффициента корреляции с мощностью альфа-активности в затылочной области (О2). У волонтера В. соотношение динамик ПВМИ и АСМ ЭЭГ также реципрокное, как и у волонтера Б., то есть при максимуме силы магнитного поля Земли вечером мощность альфа-активности также значимо ниже, чем днем, за исключением показателей в правой височной области Т4 (табл. 3). Корреляционный анализ показателей ПВМИ и АСМ ЭЭГ в общей выборке показал, что у волонтера В. регистрируются значимые отрицательные связи лишь в некоторых отведениях ЭЭГ (О2, r = -0,28, p < 0,001; F3, r = -0,16, p = 0,002; T3, r = -0,22, p < 0,001) без выраженных приоритетов в силе корреляционной связи. Обсуждение результатов У волонтера А. увеличение мощности альфа-активности над всеми точками конвекситальной поверхности скальпа, сопряженное с увеличением показателя ПВМИ, отражает усиление синхронизирующих влияний таламических структур и некоторое снижение десинхронизирующих влияний ретикулярных структур ствола на кору головного мозга. Наоборот, снижение величины напряженности магнитного поля может повлиять и на ослабление уровня нейрональной активации коры головного мозга [15]. Полученный факт максимально выраженной связи динамики спектральной мощности альфа-активности в правой височной области с колебаниями параметра ПВМИ у волонтера А. согласуется с результатами И. Е. Кануникова с соавт. [8], которые показали наиболее значимую связь пространственной синхронизации активности биопотенциалов в правой височной области коры головного мозга с изменениями геомагнитной активности. Известно, что височная область коры головного мозга включает корковую зону слухового анализатора, имеет тесную связь с лимбической системой, реализующей эмоционально-аффективные состояния. Правая височная доля также ответственна за адекватную оценку восприятия времени [10]. Учитывая, что суточные колебания геомагнитной активности могут быть сопряжены и с инфразвуковыми явлениями атмосферы, можно предположить высокую индивидуальную чувствительность слуховой зоны коры мозга волонтера А. к внешним факторам акустической природы [13], а положительный знак корреляции отражает вариант адаптивной настройки биоритмики мозга в данных рамках диапазона колебаний естественного магнитного поля [2]. Поскольку снижение альфа-активности у волонтера Б. в меньшей степени затрагивает зону основной проекции таламических ритмозадающих структур (затылочные отделы), относительное снижение мощности альфа-активности в передних отделах свидетельствует о сохранении затылочно-лобного градиента распределения альфа-активности. Такое распределение основного ритма (альфа-активности) у волонтера отражает сохранение уровня бодрствования и психофизиологической активности в вечернее время. Данные корреляционного анализа у волонтера Б. свидетельствуют о том, что наиболее сильная корреляционная связь, причем отрицательная, у показателя магнитной индукции с мощностью альфа-активности в левой заднелобной (F3) и левой височной (Т3) областях. Лобные доли наиболее тесно связаны с активностью ретикулярной формации, объединяют информацию о внешнем мире, поступающую через аппараты экстерорецепторов, и информацию о внутреннем состоянии организма [10], а также регулируют активность срединных, диэнцефальных структур мозга, где находятся центры вегетативной и эндокринной регуляции внутренних органов [9]. Отрицательный характер корреляционной связи может отражать процессы десинхронизации основного ритма и усиление представительства ритмов других частотных диапазонов ЭЭГ в данных областях мозга - высоко- или низкочастотных [20]. У волонтера В. колебания мощности ЭЭГ-актив-ности в различные периоды дня минимально зависели от суточного хода напряженности магнитного поля Земли. Это может быть обусловлено значительными колебаниями мощности основного ритма в течение дня, что свидетельствует о неустойчивости активности ритмозадающих структур, а также о периодической активизации восходящих активирующих влияний на кору головного мозга со стороны ретикулярных структур ствола [10] у данного волонтера, по-видимому, социального и психоэмоционального характера. В любом случае можно предположить вариант слабовыраженной сонастройки ритмов в биологической и геодинамической системах [2], что предполагает риск развития десинхроноза при более выраженных колебаниях напряженности геомагнитного поля. Предложенный методический подход по выявлению характера соотношений суточных изменений мощности основного ритма биоэлектрической активности головного мозга и вариаций магнитного поля Земли может выявить многообразие индивидуальных реакций нейрофизиологических структур на слабые, но биологически значимые колебания параметров магнитного поля Земли у человека. В настоящем исследовании в качестве примера показаны три варианта нейрофизиологических реакций в ответ на повышение напряженности геомагнитного поля: повышение мощности альфа-активности ЭЭГ преимущественно в правой височной области, снижение мощности данного вида ритма ЭЭГ преимущественно 6 Экология человека 2014.05 Окружающая среда в левой лобно-височной области и реакция общего снижения мощности альфа-активности.

About the authors

L V Poskotinova

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences; Institute of Medical-Biological Research of Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Email: liliya200572@mail.ru

D B Demin

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

E V Krivonogova

Institute of Environmental Physiology, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

References

Supplementary files