SEASONAL VARIATIONS IN CEREBRAL ENERGY EXCHANGE IN URBAN ARCTIC RESIDENTS

Cover Page

Abstract


Background: Daylight is an important ecological factor influencing human physiology particularly in high latitudes. Aims: To seasonal variations in cerebral energy exchange among young healthy adults living in an urban Arctic setting. Methods: A cohort of 49 healthy volunteers aged 30-34 years permanently living in Arkhangelsk was followed over a year. All measurements were taken in autumn (October), winter (December), spring (March), and summer (June). Cerebral energy exchange was studied using the 5-channel diagnostic complex "Neuro-KM". The analysis of DC potential indicators was carried out by mapping monopolar values of constant potential and calculating their gradients. No gender differences were found; therefore all calculations were performed in the full sample. Differences in the average values of the measurements across the seasons were analyzed using Mann-Whitney tests with Bonferroni correction to control Type I error. Results: The most optimal distribution of DC potentials in in the studied individuals was observed in October. Significant decrease in the intensity of cerebral energy exchange in the cerebral cortex was registered in March and June. At the same time, we registered an increase in DP potentials in the frontal and occipital structures of the cerebral cortex, but a decrease in DC potential in the temporal areas in the period in the same period. Conclusions: We observed significant seasonal variations in neuroenergy metabolism among young healthy volunteers in Arkhangelsk which is highly likely linked to changes in the number daylight hours. The least favorable changes in DC potential were registered in spring and summer months. For better understandings seasonal variations and their mechanisms larger studied including other age-groups are warranted in different Arctic settings.

Full Text

Введение Среди климатогеографических факторов высоких широт, оказывающих негативное влияние на организм человека [4, 5, 19], особое значение имеет световой режим, важнейшей характеристикой которого является фотопериодизм, различный в течение года и на разных широтах [1, 14, 15, 17]. Так, на широте Архангельска, который вполне правомерно отнесен к Арктической зоне, наибольшая продолжительность солнечного сияния отмечается в июле (334 часа), наименьшая - в декабре (1 час). «Биологическая полярная ночь» длится более 5 месяцев в году [2, 11]. Фотопериодические реакции как способность организма реагировать на суточный ритм имеют большое приспособительное значение [7, 18]. Ритм дня и ночи выступает как сигнал предстоящих климатических изменений и оказывает влияние на те физиологические, морфологические и поведенческие особенности организма, которые являются сезонными приспособлениями [8-10]. Выраженная сезонная асимметрия естественной освещенности на Севере проявляется в зимние и летние месяцы и может способствовать десинхронизации биологических ритмов у человека [3, 13,16]. Адаптивные реакции в условиях измененного светового режима вызывают более напряженное функционирование различных структур головного мозга, изменяя его энергетическое состояние [6, 20]. Однако, несмотря на значимость показателей церебрального энергообмена для оценки динамики функционального состояния центральной нервной системы и процессов адаптации, до сих пор нет данных об их изменениях в различные сезоны года. Всё это и предопределило проведение данной работы, цель которой - выявить сезонную динамику церебрального энергообмена у жителей Арктической зоны Российской Федерации. Методы Основу настоящей работы составили исследования церебральных энергетических процессов у молодых людей трудоспособного возраста (30-34 года), родившихся и проживающих на территории арктического региона (мужчин 24 человека, женщин - 25). У всех участников было получено письменное информированное согласие в соответствии с принципами Хельсинкской декларации. Исследование одобрено этическим комитетом института медико-биологических исследований ФГАОУ ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова», протокол № 1 от 14.01.2019 г. Исследование энергетического состояния головного мозга проводилось на пятиканальном аппаратно-программном диагностическом комплексе «Нейро-КМ» («АСТЕК», Россия) в осенний (октябрь), зимний (декабрь), весенний (март) и летний (июнь) сезоны года. Потенциалы регистрировались с помощью хлор-серебряных электродов «ЭВЛ-1-М4» (референтный) и EE-G2 (активный) монополярно по пяти отведениям. Активные электроды располагались по сагиттальной линии в лобной, центральной и затылочной областях (Fz, Cz, Oz), а также по парасагиттальной линии в правом и левом височных отделах (Td, Ts), по международной схеме 10-20. Референтный электрод накладывался на запястье левой руки. При регистрации и анализе выделяли четыре типа характеристик распределения уровня постоянного потенциала (УПП), отражающие разные аспекты энергетических процессов головного мозга: монополярные значения УПП, локальные значения УПП и усредненный УПП. Анализ распределения УПП проводился путем картирования значений постоянного потенциала и расчета межэлектродной разности. Полученные характеристики распределения УПП сравнивали со среднестатистическими нормативными значениями, встроенными в программное обеспечение комплекса. Статистическая обработка полученных данных проводилась при помощи пакета программ SPSS Statistics 20. В связи с тем, что различия между показателями у лиц мужского и женского пола в осенний период были статистически не значимыми, мы анализировали распределение УПП головного мозга у испытуемых, не выделяя половые группы отдельно. Вычислялась одномерная описательная статистика для каждого из показателей, проводилась оценка распределений признаков на нормальность. В данном случае распределения не соответствовали критериям нормальности, поэтому результаты непараметрических методов обработки данных представлялись в виде медианы (Ме), а также первого и третьего квартилей (Q1; Q3). Для сравнения групп применялся непараметрический критерий Манна - Уитни. Вследствие множественных сравнений была проведена корректировка критического уровня значимости с помощью поправки Бонферрони: а = а/m, где а = 0,05, г т г г корректир. ' ’ ’ ’ m - число сравнений. В данном исследовании m = 5. Различия считались статистически значимыми при уровне р < 0,01. Результаты Анализ полученных данных выявил следующие особенности сезонной динамики изменения УПП у молодых людей, постоянно проживающих в условиях арктического региона. Наиболее благоприятным сезоном с позиции церебральных энергообменных процессов для северян был выявлен осенний период, вследствие этого было принято решение все значения анализировать в сравнении с осенними (таблица). Монополярные значения УПП в лобном отведении (Fz) на протяжении всего года с осени до лета сохраняют тенденцию к росту (рис. 1). При этом сдвиг УПП от сезона к сезону происходит с плавным нарастанием. Максимальный рост значений наблюдается в период увеличения интенсивности естественного освещения при переходе от весны к лету. Наименьшим сезонным изменениям подвержены значения УПП в центральном и затылочном отведениях. Так, наибольший рост уровня потенциала в 14 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 5, pp. 13-19 Original Articles центральном отведении (Cz) регистрируется при увеличении темного времени суток в процессе перехода от осени к зиме. С приходом весны значения УПП в данном отведении не претерпевают значительных изменений. Далее при нарастании светлого времени суток значения потенциала в центральной области Монополярные, усредненное и локальные значения распределения уровня постоянного потенциала в различные сезоны у жителей Арктической зоны, Mе (Q1; Q3), mV Ответвление Осень Зима Весна Лето Fz 7,3 (1,5; 18,6) 10,5 (4,6; 20,8) 14,7 (7,8; 23,0) 19,6 (13,9; 25,3) p1 p2 0,363 0,071 0,015 0,081 р<0,001 Cz 15,2 (3,5; 22,5) 20,0 (9,3; 27,6) 19,6 (9,4; 31,3) 15,6 (8,1; 28,6) p1 p2 0,056 0,285 0,039 0,276 0,238 Oz 11,0 (6,5; 17,0) 13,6 (5,0; 20,0) 16,0 (11,1; 26,5) 14,0 (0,2; 23,0) p1 p2 0,541 0,017 0,013 0,015 0,980 Td 5,6 (2,3; 11,3) 13,9 (5,5; 23,2) 4,5 (-9,5; 13,3) -5,0 (-25,6; 9,8) p1 p2 0,007 0,006 0,134 0,056 р<0,001 Ts 4,8 (-2,5; 11,9) 10,9 (3,1; 19,9) 4,7 (-12,3; 16,1) -7,3 (-26,3; 9,7) p1 p2 0,002 0,029 0,524 0,009 0,001 Хср 7,8 (5,7; 14,4) 14,2 (7,7; 21,3) 11,4 (3,6; 20,2) 4,1 (-4,3; 17,5) p1 p2 0,012 0,395 0,342 0,058 0,178 Fz-Хср -0,9 (-5,7; 4,8) -2,4 (-6,3; 2,4) 4,8 (1,0; 8,1) 14,5 (3,5; 21,9) p1 p2 0,483 р<0,001 0,017 р<0,001 р<0,001 Cz-Хср 6,5 (-1,8; 11,6) 4,3 (0,2; 9,3) 9,3 (0,5; 15,9) 10,6 (7,4; 16,8) p1 p2 0,777 0,027 0,035 0,247 р<0,001 Oz-Хср 1,5 (-2,2; 7,6) -1,2 (-4,6; 2,5) 4,4 (1,6; 14,4) 4,8 (0,1; 10,4) p1 p2 0,003 р<0,001 0,010 0,289 0,068 Td-Хср -2,3 (-7,1; 1,6) 0,1 (-4,8; 3,4) -6,4 (-19,2; -2,3) -11,6 (-22,1; -6,3) p1 p2 0,140 р<0,001 0,001 0,235 р<0,001 Ts-Хр -5,8 (-9,2; 1,2) -2,5 (-6,2; 1,8) -9,9 (-17,2; 0,1) -15,6 (-21,4; -8,0) p1 p2 0,088 0,001 0,015 0,008 р<0,001 Примечания: p1 - статистически значимое отличие между показателями в смежных сезонах; p2 - статистически значимое отличие показателей в сравнении с осенними; различия считались статистически значимыми с учетом поправки Бонферрони при уровне р < 0,01. Рис. 1. Значения уровня постоянного потенциала относительно осеннего периода (%) по монополярным отведениям в различные сезоны года (за 100 % приняты значения осенних показателей) 15 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 5, с. 13-19 снижаются, достигая летом уровня осеннего периода. Таким образом, можно выделить два этапа изменения УПП в центральном отведении: минимальные значения в летне-осенний период и максимальные значения в период зима - весна. Иная динамика изменений УПП выявлена в затылочном отведении. Осенью отмечается наименьшее значение УПП в данном отведении (Oz). С приходом «биологической полярной ночи» регистрируется его рост на 24 %. Наибольшего значения в данном отведении УПП достигает в весенний период, при этом при переходе от зимы к весне сдвиг УПП снова составляет 23 %. С приходом «биологического полярного дня» летом фиксируется снижение значений потенциала примерно на 23 %. Снижение на аналогичное значение наблюдается и при переходе от лета к осени. Таким образом, характер сдвигов УПП в затылочном отведении равнозначный, при этом прослеживается годичная цикличность изменений. Особого внимания заслуживает сезонная динамика изменений УПП в височных отделах. И для правого, и для левого височного отведений она идентична. Значения потенциала в периоды межсезонья примерно равны. Весной уровень потенциала немного ниже осенних значений. Наибольшие показатели УПП отмечаются в период минимальной интенсивности естественной освещенности. Сдвиг потенциала в височных отведениях в сравнении с осенью составляет более 120 %. Наибольший рост УПП в зимний период регистрируется в правом височном отведении. С наступлением «биологического полярного дня» происходит резкое снижение уровня потенциала в височных областях - значения УПП уходят в отрицательную область. Наиболее энергодефицитным в летний период является левое височное отведение. Таким образом, изменения УПП в височных областях можно охарактеризовать «энергетическим маятником», имеющим амплитудные значения при наибольшей и наименьшей интенсивности естественного освещения. Анализ локальных показателей выявил следующие особенности распределения энергообменных процессов по коре головного мозга. В осенний период положительными значениями обладают центральный и затылочный локальные градиенты (Cz-X, Oz-X). В период «биологической полярной ночи» затылочный локальный показатель становится отрицательным, при этом происходит рост правого височного локального градиента, указывающего на активное включение центров правого полушария. При нарастании интенсивности естественного освещения локальные показатели лобного, центрального и затылочного отведений имеют тенденцию к росту при одновременном снижении локальных градиентов височных отведений. Одним из показателей нормальности энергообменных процессов является соблюдение принципа «куполообразности» распределения УПП [12] - плавное снижение значений уровня потенциала от центра к периферии (рис. 2). Согласно данным рисунка, принцип «куполообраз-ности» соблюдается для значений УПП, зарегистрированных в осенний и весенний периоды, что указывает на нормальность распределения энергообменных процессов головного мозга у жителей арктического региона в эти сезоны года. В зимний период увеличивается УПП в височных областях, в летний происходит резкое падение показателей Td, Ts. Данные изменения УПП в височных областях приводят к нарушению принципа «куполо-образности». Обсуждение результатов При анализе монополярных, усредненного и локальных значений распределения УПП выявлены 16 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 5, pp. 13-19 Original Articles значительные перестройки энергообменных процессов при смене интенсивности естественной освещенности. Так, наиболее сбалансированный церебральный энергообмен у жителей арктического региона отмечается в осенний период. Распределение энергозатрат по коре головного мозга в данный сезон года максимально соответствует параметрам нормы. Локальный показатель фронтальной области составляет меньше одного милливольта, что говорит о приближении УПП лобного отдела к среднему значению в целом по коре головного мозга. Суммарные показатели, по которым судят об интенсивности энергообменных процессов, в этот период практически равны нормативным значениям (рис. 3), что указывает на оптимизацию энергетического обмена головного мозга у жителей региона в осенний период. В сравнении с остальными сезонами осенью отмечается снижении энергозатрат в целом по коре головного мозга, что указывает на экономизацию церебрального энергометаболизма в данный сезон года. Зимой при низкой естественной освещенности увеличиваются значения УПП по четырем основным отведениям (Fz, Cz, Td, Ts) в сравнении с осенним периодом. Наименьший сдвиг уровня потенциала регистрируется в затылочном отведении (Oz), что указывает на сниженную активность затылочной доли в осенне-зимний период. Наибольшим изменениям в период минимального светлого времени суток подвержен уровень потенциала в височных отведениях. При этом отмечается наибольший рост активности энергообменных процессов правого височного отдела, что указывает на превалирование активности центров правого полушария у жителей арктического региона при снижении интенсивности естественного освещения. С приходом весны у северян регистрируется активация энергообмена лобного (Fz) и затылочного (Oz) отделов. В височных областях при увеличении естественной освещенности регистрируется значительное падение уровня потенциала, которое в дальнейшем продолжается и в летний период. При интенсивном нарастании светлого времени суток наибольшее падение уровня потенциала регистрируется снова в правом височном отведении, что приводит к смене доминирующего полушария. В весенний период у жителей региона отмечается активное межполушар-ное взаимодействие с небольшим превалированием левого полушария. При максимуме интенсивности освещенности суммарный показатель УПП по коре головного мозга имеет наименьшее значение. Это связанно с резким падением уровня потенциала в височных областях. Энергообменные процессы фронтальных структур в период с осени до лета, напротив, увеличивают свою интенсивность, что приводит к нарушению принципа «куполообразности» распределения УПП. Локальный показатель УПП лобного отведения в весенне-летний период имеет максимальное значение среди пяти возможных, что указывает на значительную активацию энергообменных процессов фронтальной области коры головного мозга при нарастании естественной освещенности. Известно, что нижневисочная и фронтальная области относятся к числу наиболее молодых корковых образований. По данным экспериментальных исследований, нижневисочные области являются одними из основных зон мозга, наиболее тесно взаимодействующих с лобными отделами [7]. С их участием формируются так называемые гибкие звенья рабочих мозговых систем, участвующие в компенсаторно-приспособительных реакциях. При снижении интенсивности естественного освещения активируются энергообменные процессы височных областей с одновременным снижением энергозатрат в лобных отделах. При увеличении естественной освещенности происходит резкое падение энергометаболизма в височных областях с одновременным его увеличением во фронтальных. Вероятно, за формирование процессов адаптации в течение годового цикла у жителей арктических территорий отвечают лобные и нижневисочные доли коры головного мозга, что приводит к сезонному перераспределению энергообмена между данными областями. Рис. 3. Суммарные значения уровня постоянного потенциала по монополярным отведениям (mV) в различные сезоны у жителей Арктической зоны 17 Оригинальные статьи Выводы Результаты проведенного исследования свидетельствуют прежде всего о наличии тесной связи между сменой фотопериодов и состоянием энергообменных процессов головного мозга у жителей Арктической зоны. Маятникообразное изменение энергообмена в височных областях в контрастные сезоны года и нарастание энергообмена во фронтальной области при увеличении естественного освещения закономерны, так как вся медиобазальная кора височной и лобной областей имеет теснейшую связь с аппаратами промежуточного мозга и ретикулярной формацией. Промежуточный мозг, в свою очередь, участвует в организации сенсорных процессов (в том числе и фотопериодических реакций), двигательной функции, деятельности вегетативной нервной системы. Таким образом, изменение нейроэнергометаболизма лобной и височной областей коры больших полушарий головного мозга является важным аппаратом сезонных адаптационных реакций у человека в климатических условиях северных широт.

About the authors

A. V. Gribanov

M. V. Lomonosov Northern (Arctic) Federal University

Arkhangelsk

N. Yu. Anikina

Northern State Medical University

Arkhangelsk

O. N. Kottsova

M. V. Lomonosov Northern (Arctic) Federal University

Email: olgank29@mail.ru
Arkhangelsk

T. V. Vilova

Northern State Medical University

Arkhangelsk

References

  1. Агаджанян Н. А. Воздействие внешних факторов на формирование адаптационных реакций организма человека // Новые технологии. 2010. № 2. С. 142-144.
  2. Грибанов А. В., Гудков А. Б., Попова О. Н., Крайнова И. Н. Кровообращение и дыхание у школьников в циркумполярных условиях. Архангельск: САФУ, 2016. 270 с.
  3. Грибанов А. В. Фотопериодизм и изменения биоэлектрической активности головного мозга у школьников в Арктической зоне // Физиология человека. 2016. Т. 42, № 2. С. 16-26. doi: 10.1134/S03621 19716020067
  4. Гудков А. Б., Щербина Ф. А., Чупакова Л. В., Попова О. Н., Федотов Д. М. Сезонная функциональная организация системы внешнего дыхания у детей старшего школьного возраста, жителей Арктического региона // Якутский медицинский журнал. 2019. № 2 (66). С. 79-82. doi: 10.25789/YMJ.2019.66.24
  5. Гудков А. Б., Теддер Ю. Р. Характер метаболических изменений у рабочих при экспедиционно-вахтовом режиме труда в Заполярье // Физиология человека. 1999. Т. 25, № 3. С. 370-373.
  6. Гришин О. В. Механизмы адаптивного снижения энергообмена // Материалы докладов IV съезда физиологов Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск, 2002. С. 64.
  7. Заморский И. И. Функциональная организация фотопериодической системы головного мозга // Успехи физиологических наук. 2003. Т. 34, № 4. С. 37-53.
  8. Кочан Т. И. Годовой мониторинг влияния условий Севера на метаболизм и функционирование сердечно-сосудистой системы человека // Успехи физиологических наук. 2007. Т. 38, № 1. С. 55-65.
  9. Кочан Т. И., Шадрина В. Д., Потолицина Н. Н. Комплексная оценка влияния условий Севера на обмен веществ, физиологическое и психоэмоциональное состояние человека // Физиология человека. 2008. Т. 34, № 3. С. 106-113.
  10. Максимов А. Л., Голубев В. Н., Носов В. Н. Подходы к оценке региональной нормы реакции и адаптации физиологических систем организма у человека на Севере // Вестник ДВО РАН. 2007. № 6. С. 56-64.
  11. Рожков В. П., Бекшаев С. С., Сороко С. И. Сезонные перестройки гемодинамики и биоэлектрической активности мозга у детей и подростков Европейского Севера // Ульяновский медико-биологический журнал. 2012. № 3. С. 104-115.
  12. Фокин В. Ф. Энергетическая физиология мозга. М.: Антидор, 2003. 288 с.
  13. Хронобиология и хрономедицина / под ред. C. И. Рапопорта, В. А. Фролова, Л. Г. Хетагуровой. М.: МИА, 2012. 480 с
  14. Щербина Ф. А., Щербина А. Ф., Щербина Ю. Ф. Дыхание человека в Арктике в сезоны световой апериодичности: монография. Архангельск, 2018. 134 с
  15. Arendt J. Biological Rhythms During Residence in Polar Regions. Chronobiology International. 2012, 29 (4), pp. 379-394. doi: 10.3109/07420528
  16. Delahaij R., Gaillard A. W K., Dam K. Hardiness and the response to stressful situations: Investigating mediating processes. Personality and Individual Differences. 2010, 49 (5), pp. 386-390. doi: 10.1016/j.paid.2010.04.002
  17. Foster R.G., Roennenberg T. Human responses to the geophysical daily, annual and lunar cycles. Current Biology. 2008, 18 (17), pp. 784-794.
  18. Korf H. W. Signaling pathways to and from the hypophysial pars tuberalis, an important center for the control of seasonal rhythms. General and Comparative Endocrinology. 2018, 258, pp. 236-243. doi: 10.1016/j. ygcen.2017.05.01 1
  19. Sawatzky A., Cunsolo A., Jones-Bitton A., Middleton J., Harper S.L. Responding to Climate and Environmental Change Impacts on Human Health via Integrated Surveillance in the Circumpolar North: A Systematic Realist Review. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2018, 15 (12), p. 2706. doi: 10.3390/ijerph15122706
  20. Voipio J., Tallgren P., Heinonen E. Milivolt-Scale DC Shifts in human Scalp EEG: Evidance for a Nonneuronal Generation. Neurophysiology. 2003, 89, pp. 1-13. doi: 10.1152/jn.00915.2002

Statistics

Views

Abstract - 13

PDF (Russian) - 4

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

PlumX

Dimensions

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2021 Gribanov A.V., Anikina N.Y., Kottsova O.N., Vilova T.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies