CC BY
223
Экспериментальная оценка реакций ЦНС на воздействие импульсных
ЭМИ низкой интенсивности
Павлова Л.Н.1, Жаворонков Л.П.1, Дубовик Б.В.2, Глушакова В.С.1, Посадская В.М.1
1 ФГБУ МРНЦ Минздравсоцразвития России, Обнинск;
2 Белорусский государственный медицинский университет, Минск
В опытах на мышах и крысах Вистар изучали влияние низкоинтенсивного (10-1000 мкВт/см2) импульсного электромагнитного излучения (ЭМИ) в диапазоне 0,5-8,0 ГГц на адаптивное поведение животных и реактивность ЦНС. Выбор параметров импульсной модуляции основывался на теоретических предпосылках о возможности возникновения волн сжатия-растяжения мембран по резонансному типу и изменении функций отдельных нейронов в условиях автоколебательной периодической активности нейронных сетей. Исследовались режимы монохроматической модуляции ЭМП в диапазоне частот периодической нейронной активности головного мозга (ЭЭГ). Обнаружены значимые эффекты воздействия ЭМИ на ЦНС.
У животных выявлялось транзиторное снижение обучаемости в лабиринте и в «реакции избавления», нарушение процесса консолидации навыка в долговременной памяти, изменение структуры локомоторного поведения, повышение реактивности к наркотическим веществам. Установлена нелинейная связь реакций ЦНС с интенсивностью излучения. Выявлены частотно-энергетические диапазоны, в пределах которых негативный эффект ЭМИ наиболее выражен.
Ключевые слова: электромагнитное излучение, импульсная модуляция, нетепловая интенсивность, поведение, реактивность ЦНС.
Введение
При анализе научной литературы, посвященной изучению биоэффектов низкоинтенсивных электромагнитных полей микроволнового частотного диапазона, отмечается, что разделение действующих уровней ЭМП на тепловые и информационные является, в определенной мере, условным. В нормативно-гигиенической оценке потенциальной вредности разных уровней СВЧ-воздействия до настоящего времени нет полной ясности. Относительно полно изучены эффекты, связанные с регистрируемым выделением энергии поля в организме теплокровных. В данном случае необходимо учитывать интенсивность ввода энергии в соотношении с параметрами теплопродукции организма, а также состояние систем термокомпенсации и внешние условия, которые могут затруднять отвод излишнего тепла. Результирующее состояние теплового баланса и детерминирует развитие функциональных, а при достаточной интенсивности воздействия - патологических изменений. Относительно же воздействия на организм ЭМП нетепловых уровней мнения авторов противоречивы и существуют, как минимум, две научные концепции. В основе различий между ними лежит разная оценка значимости минимальных ответных реакций типа отклика, регистрируемых при воздействии ЭМП. Опубликовано значительное число работ, выполненных с использованием чрезвычайно широкого набора экспериментальных моделей и тестов при разных условиях и физических параметрах воздействия, которые свидетельствуют об обнаружении либо отсутствии нетепловых, или специфических, эффектов ЭМП [3, 4, 7, 13, 20]. Эти эффекты не всегда воспроизводятся, даже при соблюдении стабильности
Павлова Л.Н.* - вед. научн. сотр., к.м.н.; Жаворонков Л.П. - зав. лаб., д.м.н., ФГБУ МРНЦ Минздравсоцразвития России. Дубовик Б.В. - зав. каф. фармакологии БГМУ, д.м.н., Белоруссия, Минск. Глушакова В.С. - м.н.с.; Посадская В.М. - м.н.с. ФГБУ МРНЦ Минздрав-соцразвития России.
* Контакты: 249G36, Калужская обл., Обнинск, ул. Королева, 4. Тел.: (48439) 9-71-38; e-mail: [email protected].
большинства условий. При такой «пестрой» картине понятен и диапазон выводов от придания эффектам ЭМП низкой энергии первостепенного значения до полного отрицания таковых и признания их артефактными. Тем не менее, следует считать установленным тот феномен, что при определенных условиях при воздействии ЭМП весьма малой интенсивности могут регистрироваться реакции различных функциональных систем, которые невозможно объяснить выделением тепла в макрообъеме биообъекта. Абсолютное большинство исследователей считают, что при этом решающее значение приобретает организация воздействия, некая информация, как бы закодированная в физических (прежде всего, модуляционных) либо временных параметрах ЭМИ. Многие данные свидетельствуют о более высокой значимости импульсной организации облучения по сравнению с непрерывным [1, 2, 6, 17, 18]. В последние годы появились работы, в которых показано, что при особой организации слабые импульсные ЭМП способны модулировать биоритмы и состояние мозга [4, 8-12, 14, 16]. Заслуживает внимания и мнение о том, что многообразие реакций на низкоинтенсивные ЭМП укладывается в проявления общего адаптационного синдрома (стресса) [5, 15]. Однако, несмотря на многочисленные исследования, четких закономерностей эффектов от физических и временных параметров электромагнитных полей такой организации не установлено и совокупного объема знаний пока недостаточно для научно обоснованного и корректного установления допустимых безопасных уровней.
По нашему мнению, в данном научном направлении для коррекции гигиенических нормативов и определения параметров негативного воздействия фактора необходим системный подход, учитывающий как исследование физических особенностей воздействующего фактора (микроволны), так и потенциально возможные ответные реакции на него живых структур и функциональных систем организма. Исходя из этого, настоящее исследование построено на основании тщательно проведенного теоретического анализа, который показал, что при определенных условиях и режимах ЭМИ СВЧ возможно возникновение резонансных явлений [19], способных при малой интенсивности сигнала вызвать значимый отклик биомембран, нейронных сетей, а также макромолекул ДНК.
Целью данной работы явилось экспериментальное исследование теоретически закономерных механизмов реализации эффектов импульсного микроволнового излучения нетепловой интенсивности в зависимости от спектральных, энергетических и модуляционных параметров ЭМИ СВЧ на ЦНС - одну из ведущих стресс-систем организма, обеспечивающих развитие общего адаптационного синдрома.
Реализованный здесь комплексный подход предусматривает поиск «мишеней» для ЭМП на разных уровнях структурно-функциональной организации ЦНС (возбудимость, инстинктивное исследовательское поведение, способность к обучению, память, эмоциональная устойчивость).
В экспериментах на животных изучали реакции со стороны ЦНС непосредственно после или во время кратковременного воздействия ЭМП при спектре микроволнового излучения дециметрового диапазона от одной и более несущих частот в интервале интенсивностей 10-1000 мкВт/см2. Выбор параметров ЭМИ основывали на широком использовании такого рода источников в медицине, в быту и, особенно возрастающей в настоящее время, практикой применения мобильной связи. Опираясь на гипотезу резонансного отклика потенциальных мозговых осцилляторов, в качестве модулирующих частот применяли частоты, близкие или синхронные с ритмами ЭЭГ.
В задачу данного исследования были включены:
- изучение поведения и обучаемости животных непосредственно после действия ЭМИ СВЧ и «под лучом» в зависимости от модулирующей частоты в диапазоне ритмов ЭЭГ;
- оценка широты эффективных диапазонов частот;
- исследование зависимости биологических эффектов от интенсивности излучения;
- оценка состояния общей возбудимости ЦНС по реакциям на нейротропные вещества.
В данном разделе комплексного исследования нами представлены результаты экспериментов по влиянию на ЦНС монохроматического низкоинтенсивного ЭМИ в режиме моночас-тотной модуляции.
Материалы и методы
Опыты проведены на самцах крыс Вистар и самцах мышей линий СВА и СВЛхС57В16Р1. Животных получали из питомника «Столбовая» и содержали в условиях вивария на стандартном пищевом и питьевом режимах при температуре 20-24 оС.
Источниками излучения СВЧ служили установки «Альбатрос» (475 МГц) и «Луч-58» (2375 МГц), также использовали отдельные генераторы в диапазоне частот от 1 до 2 ГГц. Объект устанавливали в зоне сформированной плоской волны на расстоянии 3,5 м от рупора антенны при вертикальной или горизонтальной ориентации вектора Е. Применяли следующие варианты облучения: монохроматическое импульсно-модулированное или непрерывное с использованием одной несущей частоты или двух независимых несущих при синхронном модулирующем ритме.
Выходную мощность излучения контролировали ваттметром. ППЭ поля в зоне облучения измеряли прибором П3-9. Для индикации поля использовали ортогональный СВЧ-детектор, стабильность работы установки контролировали по нагреву воды. Параметры ЭМИ, конкретные режимы и время воздействия приводятся в соответствующих экспериментальных разделах.
Для биологического тестирования нейротропных эффектов ЭМИ использовано несколько инструментальных методов изучения поведения животных - обучение в крестообразном лабиринте с отрицательным подкреплением, анализ локомоторной активности в открытом поле и в «обогащенной ситуации» с помощью актометра Опто-Варимекс АТТ, поведение в «безвыходной» экстремальной ситуации («реакция избавления»). Для оценки роли энергетических, спектральных и модуляционных параметров микроволн на общую возбудимость ЦНС был использован наркотический этаноловый тест на мышах. Этанол относится к наркотическим средствам неэлектролитного типа действия на мембраны мозга, и модификация его эффекта у животных отражает изменение возбудимости ЦНС независимо от генеза. Наряду с этанолом применяли и другие наркотические вещества. Наркотический эффект оценивали по длительности бокового положения животных, которое тестировали по строго установленному стандарту.
Результаты экспериментов обрабатывали статистически с использованием параметрических (1-критерий Стьюдента и Р-критерий Фишера) и непараметрических методов анализа (11-критерий Вилкоксона-Манна-Уитни, медианный критерий, ранговый критерий Вардена).
Результаты исследований
Обучаемость и исследовательская активность.
Для работы использовали крестообразный лабиринт с изолированной камерой для облучения и устройством для спуска животного в лабиринт после воздействия. Выработку рефлекса избегания аверсивного раздражения (электрический ток) производили в течение 10 минут непосредственно после 5-минутной экспозиции в ЭМ-поле. Обучаемость оценивали по индексу (и), который представляет собой долю (%) заходов в нераздражаемые отсеки лабиринта и вычисляется по формуле:
Л = ^ х 100%, п
где п1 - число заходов в нераздражаемые отсеки лабиринта, п - общее число заходов во все отсеки лабиринта.
Учитывая, что Л является случайной величиной с биноминальным распределением вероятностей, а общее число заходов в отсеки варьировало от 8 до 30, статистический анализ значимости различий этого показателя у контрольной и подопытных групп животных производили по непараметрическим критериям.
Исследовательскую активность оценивали по общему количеству посещений отсеков лабиринта за период наблюдения.
Понятие обучаемости в данном экспериментальном тесте имеет сложное психофизиологическое содержание. Оно отражает, по меньшей мере, такие психофизиологические процессы как ориентацию в пространстве, краткосрочную память, уровень мотивации (пищевой), ноци-цептивное восприятие, эмоциональную оценку аверсивности раздражения и, наконец, состояние ассоциативных функций ЦНС, лежащих в основе адаптивно-приспособительного поведения.
Изучено 22 варианта облучения при средних плотностях потока энергии 40 и 400 мкВт/см2 и частотах импульсной модуляции равных 0, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15, 16 Гц в режиме меандра. Эксперименты проводились в нескольких повторностях, обобщенные итоги исследований представлены в таблице 1.
Анализ полученных результатов показал, что контрольные животные в течение 10 минут наблюдения начинают предпочитать заходы в безопасный отсек лабиринта, и доля таких заходов превышает 50-процентный вероятностный уровень, достигая 67 %. Установлено, что ЭМИ низкой интенсивности в определенных режимах может оказывать негативное влияние на процесс обучаемости мышей в лабиринте. Этот эффект зависит как от интенсивности поля, так и от частоты импульсной модуляции. Так, при облучении с мощностью 40 мкВт/см2 в интервале исследованных частот модуляции (близким к частотам ЭЭГ) обнаруживаются два эффективных пика (3 и 12 Гц), в которых выявляется статистически значимое подавление процесса обучаемости - доля заходов в безопасный отсек снижается до 61-63 %. Замедление процесса обучения в этих группах приходится в основном на раннюю фазу последействия (в первые 5 минут). При воздействии поля с интенсивностью 400 мкВт/см2 достоверного влияния поля по данному критерию в диапазоне исследованных частот и в непрерывном режиме генерации поля не обнаружено.
Таблица 1
Влияние импульсно-модулированного ЭМП с интенсивностью 40 и 400 мкВт/см2 (экспозиция 5 минут) на обучаемость мышей в первые 10 минут после воздействия
Частота модуляции, Гц Плотность потока энергии
40 мкВт/см2 400 мкВт/см2
Число животных Средний индекс обучаемости Число животных Средний индекс обучаемости
3 60 62,9* 30 63,2
4 15 69,4 15 66,1
6 15 67,5 15 60,7
7 15 70,3 15 62,5
9 30 64,4 15 63,8
10 15 71,7 15 66,4
12 41 61,4 26 66,9
13 15 63,8 15 64,6
15 30 63,2 15 66,7
16 15 63,9 15 63,9
Контроль 71 67,2 15 66,3
Непрерывный 30 63,8 15 66,9
Примечание: * - статистически значимые различия (р<0,01) в сравнении с группой необлученных (контрольных) мышей.
Поскольку обучаемость животных в лабиринте может существенно зависеть от уровня общей двигательной активности, нами проанализировано количество заходов мышей во все отсеки за период исследования. Данные, представленные в таблице 2, показывают, что облучение с интенсивностью 40 мкВт/см2 статистически значимо подавляет моторную активность животных практически при всех вариантах модуляции поля, за исключением частоты 12 Гц, при которой наблюдается самое существенное снижение индекса обучаемости.
Таблица 2
Показатели исследовательской активности у мышей в первые 10 минут после импульсно-модулированного ЭМП с интенсивностью 40 и 400 мкВт/см2
(экспозиция 5 минут)
Частота модуляции, Гц Плотность потока энергии
40 мкВт/см2 400 мкВт/см2
Число животных Среднее число заходов в отсеки Число животных Среднее число заходов в отсеки
3 60 21,0** 30 21,4
4 15 17,9** 15 21,7
6 15 19,8* 15 24,1
7 15 18,3** 15 20,1
9 30 19,7** 15 22,2
10 15 18,3** 15 22,7
12 41 18,7 26 23,4
13 15 15,9** 15 23,4
15 30 20,2** 15 23,9
16 15 16,0** 15 19,3
Контроль 71 24,4 15 23,9
Непрерывный 30 18,5** 15 20,9
Примечание: * - статистически значимые различия в сравнении с группой необлученных (контрольных) мышей при р<0,05; ** - р<0,01.
Таким образом, в данных экспериментах связи между влиянием ЭМИ на обучаемость в лабиринте и общую двигательную активность животных, детерминируемую ориентировочноисследовательским поведением в условиях ноцицептивного раздражения, не установлено.
При воздействии поля с интенсивностью 400 мкВт/см2 во всем диапазоне исследованных частот и в режиме непрерывной генерации значимых изменений двигательной активности, не выявлено.
С целью воспроизведения впервые выявленного нами негативного эффекта ЭМИ на обучаемость мышей при средней интенсивности 40 мкВт/см2 и определения широты «эффективных» интервалов частот импульсов проведена серия опытов на 120 мышах СВА при значениях модуляции около 3 Гц и 12 Гц с шагом 0,5 Гц. При этом вычисляли показатели обученности за первые 4 минуты пребывания мышей в лабиринте, за 7 минут и суммарный показатель за все 10 минут наблюдения. Такой подход позволяет оценить и динамику процесса вырабатывания у животных навыка избегания наказания. Для наглядности восприятия в таблице 3 приведены доверительные интервалы средних, а также значения прироста обученности за эти периоды. Так, если доля заходов в безопасный отсек лабиринта у контрольных животных за первые 4 минуты обучения составила 63,4 %, т.е. на 13,4 % выше 50-процентного уровня (ожидаемого при полном подавлении способности к обучению), то эти 13,4 % по отношению к 50 составят прирост обученности в 26,4 %.
Таблица 3
Показатели обучаемости и исследовательской активности мышей в первые 10 минут после воздействия непрерывным и модулированным различной частотой импульсов ЭМП (экспозиция 5 минут) при средней ППЭ 40 кВт/см2 (ППЭ в импульсе - 80 мкВт/см2)
Частота модуляции, Г ц Число Индекс обучаемости по интервалам (прирост обученности, %) Кол-во заходов
0-4 мин | 0-7 мин | 0-10 мин
Ложное облучение (контроль) 15 6 2 ,4 2 64,4±6,9 (28,8) 67,4±5,8 (34,8) 19,3±1,0
Непрерывный режим 15 62,0±10,0 (24,0) 65,4±7,7 (30,8) 66,2±6,5 (32,4) 15,6±1,4
2,5 16 54,7±9,2 (9,4) 60,3±7,3 (20,6) 62,9±6,4 (25,8) 15,3±1,8**
3,0 15 52,7±11,4* (5,4) 55,6±8,7* (11,2) 60,9±7,3 (21,8) 13,1±1,0***
3,5 15 52,4±9,6* (4,8) 57,8±7,6 (15,6) 58,6±6,4** (17,2) 17,5±1,6
11,5 15 5 1, ) 9, 4 61,0±7,8 (22,0) 63,7±6,7 (27,4) 15,0±1,2**
12,0 15 ,4 ±9 ,6) ,8 7 3, ( 5 58,1±7,5 (16,2) 59,9±6,4* (19,8) 17,2±1,3
12,5 15 ,8 ) 9, 0) з®-8, (1 5 59,5±7,9 (19,0) 62,3±6,7 (24,6) 15,5±1,4
Примечание: * - различия при р<0,1; ** - р<0,05; *** - р<0,01.
Из анализа результатов, представленных в таблице 3, видно, что основной прирост обученности происходит у контрольных мышей в первые 4 минуты пребывания в лабиринте. За 7 минут испытания этот показатель возрастает до 28,8 %, а за все 10 минут составляет 34,8 %. Практически такая же динамика обучения регистрируется и после воздействия ЭМП в непрерывном режиме генерации.
Установлено, что прирост обученности мышей, облученных с частотами импульсов СВЧ-излучения 3,0; 3,5; 12,0 и 12,5 Гц, был значительно ниже, чем в контрольной группе. При этом обучения при указанных параметрах практически не происходит в первые 3-5 минут после воздействия, тогда как контрольные животные за это время обучаются на 25-30 %.
При анализе числа заходов в отсеки лабиринта за 10 минут установлено, что угнетение исследовательской активности наблюдается при всех исследуемых вариантах частот модуляции с максимумом негативного эффекта при 2,5; 3,0; 11,5 и 12,5 Г ц.
Таким образом, в диапазоне исследуемых частот модуляции при ППЭ 40 мкВт/см2 выявляются два негативно действующих на обучаемость и исследовательскую активность пика в области низких (3 Гц) и более высоких (12 Гц) значений.
Выявленная на мышах зависимость влияния ЭМИ от частоты модуляции прослеживалась также в опытах на крысах Вистар. Проведено две серии опытов в аналогичной постановке (табл. 4, рис. 1). Показано, что импульсное облучение с интенсивностью 40 мкВт/см2 оказывает угнетающее влияние на обучаемость крыс в более широких (по сравнению с опытами на мышах) интервалах частот модуляции (3-7 Гц) и (12-15 Гц) с максимумами 6 и 13 Гц, соответственно.
Таблица 4
Показатели обучаемости и исследовательской активности крыс Вистар после 5-минутного воздействия непрерывного и импульсного ЭМП при средней ППЭ 40 мкВт/см2 (результаты 1-й серии)
Частота Число Индекс обучаемости по интервалам Кол-во заходов
модуляции, Г ц крыс 0-4 мин | 0-7 мин | 0-10 мин в отсеки
Контроль (ложное 1 5 66,4±8,6 68,4±7,0 69,3±6,2 16,6±1,2
облучение) 1 5
Непрерывный 15 60,6±8,7 62,9±7,3 64,4±6,7 14,7±1,6
режим
3 14 57,0±8,7 59,9±7,6* 61,1 ±7,0* 15,5± 1,7
4 15 59,0±8,9 59,6±7,8* 59,2±7,2** 13,0±2,0
6 15 55,3±8,0* 56,5±7,0** 57,2±6,6** 16,7±1,8
7 14 59,1 ±9,3 60,9±8,3 61,1 ±7,5* 12,8±1,1
9 15 59,0±9,2 62,9±7,7 62,8±7,0 13,4±1,9
10 15 59,5±9,5 63,0±8,5 63,8±7,8 10,7±1,3**
12 15 60,1 ±8,3 61,1 ±7,3 60,2±6,9* 14,7±1,6
13 15 56,4±8,3* 58,6±7,6** 58,4±7,1** 12,8±2,2
15 15 56,9±8,8 59,3±7,8* 60,5±7,3* 12,8±1,9
16 15 57,2±9,3 62,7±8,1 64,1±7,3 12,3±1,3
Сводные результаты по двум сериям
Контроль 32 65,0±5,4 64,4±4,5 65,2±4,1 -
6 Гц 30 56,0±5,6** 55,7±4,8*** 56,1±4,5*** -
13 Гц 30 58,0±5,6* 59,0±5,5** 58,3±4,6*** -
Примечание: * - р<0,1; ** - р<0,05; *** - р<0,01.
Частота модуляции, Гц
Рис. 1. Изменение обучаемости крыс в первые 10 минут после воздействия импульсного ЭМП с интенсивностью 40 мкВт/см2.
К - контроль (ложное облучение). Вертикальные линии - относительный доверительный интервал средних показателей прироста обученности в %; пунктирной линией отмечен верхний доверительный интервал для контроля; * - р<0,1; ** - р<0,05.
Максимум угнетения исследовательской активности (на 35 %) отмечался при частоте модуляции 10 Гц. По результатам двух серий опытов прирост обученности за 10 минут после действия ЭМИ при пиковых значениях частотной модуляции (6 и 13 Гц), составлял всего 12,2 и 16,6 %, соответственно, тогда как в контрольной группе был равен 30,4 % (р<0,01).
Таким образом, в опытах на крысах выявлено два более широких, чем на мышах, негативно эффективных интервала модулирующих частот при ППЭ 40 мкВт/см2. Несмотря на различие по широте интервалов, зависимость эффекта от частоты модуляции для крыс и мышей аналогична по форме и имеет, как показано на рисунке 1, седловидный характер.
Локомоторный анализ в открытом поле и в «обогащенной ситуации».
С целью более тонкого изучения влияния ЭМИ на свободное поведение животных, являющееся прямым показателем нейропсихической деятельности, проведен локомоторный анализ активности крыс на актометре «Оптоваримекс-3», АТТ. Исследования проводили в двух вариантах: в открытом поле и в «обогащенной ситуации». В последнем случае в открытое поле актометра был помещен лабиринт усложненной формы. Используемый прибор позволяет количественно оценить ряд параметров, характеризующих двигательную активность и поведение животных, а именно: освоение пространства, вертикальную активность, соотношение стереотипных движений (груминг, локальные перемещения) и исследовательской горизонтальной активности, скорость движений (по времени превышения установленного порога скорости), общее время активности и покоя.
Опираясь на полученные и описанные выше данные об изменении общей двигательной активности мышей после воздействия ЭМИ с интенсивностью 40 мкВт/см2 обе серии проведены при тех же параметрах интенсивности и частот модуляции. Актометрию проводили в течение 10 минут с автоматической цифровой регистрацией показателей через каждые 2 минуты.
С помощью регрессионных и дисперсионных методов анализа полученных данных выявлены изменения временных параметров и групповой дисперсии локомоторного поведения по ряду параметров. После воздействия поля при частотах модуляции 5 и 13 Гц поведение в «открытом поле» характеризуется возрастанием гетерогенности (Б2) по критерию стереотипии, а при частоте 5 Гц - по параметру «вертикальной активности». Изменения временной структуры поведения (коэффициент «а» на совпадение регрессионных кривых) по параметру «горизонтальной активности» выявлены в обоих вариантах модуляции (табл. 5). Изменения более выражены по результатам второй серии опытов, где мотивационная обстановка для животных была усложнена с целью повышения чувствительности метода и приближения экспериментальных условий к возможным реальным условиям окружающей среды.
Таблица 5
Влияние импульсно-модулированного ЭМП (40 мкВт/см2) на спонтанную двигательную активность крыс Вистар в открытом поле актометра (результаты регрессионнодисперсионного анализа)
Параметры двигательной Статист. Частота модуляции, Гц
активности показатели Контроль II 5 || 13
Горизонтальная активность Б2 25246 21884 21117
Ь 48,8 57,7 57,0
а 530 597* 613**
Стереотипные движения Б2 15586 8845* 8391*
Ь 15,2 13,9 21.6
а 354 352 390
Число пробежек Б2 189,6 145,1 146,8
Ь 3,5 3,5 3,7
а 50,8 50,8 55,2
Число циклов стереотипии Б2 Ь а - - -
Время горизонтальной активности Б2 10753 9145 10123
Ь 37,8 36,5 35,7
а 448,2 447,8 458,3
Время стереотипной активности Б2 61932 45726 43651
Ь 32,5 24,5 36,8
а 915,0 910,9 973,8
Время превышения пороговой Б2 13886 9933 11553
скорости Ь 38,4 38,5 38,3
а 442,8 449,6 462,2
Вертикальная активность Б2 138,5 89,6* 151,0
Ь 2,2 1,5 1,6
а 26,6 22,9 25,4
- (прочерк) - линейное приближение неадекватно; Б2 - дисперсия остатка; Ь - коэффициент регрессии; а - свободный член уравнения регрессии, используемый для сравнения прямых на совпадение; * - р<0,05; ** - р<0,01. В каждой группе по 10 животных.
Статистический анализ данных (таблица 6) показал, что в условиях «обогащенной ситуации» (перемещение по лабиринту) воздействие ЭМ-поля приводит к более выраженным изменениям локомоторного поведения как по спектру регистрируемых показателей, так и по статистической значимости различий.
Таблица 6
Влияние импульсно-модулированного ЭМП (40 мкВт/см2) на спонтанную двигательную активность крыс Вистар в «обогащенной» ситуации (результаты регрессионнодисперсионного анализа)
Параметры двигательной активности Пока- затели Частота модуляции, Гц
Контроль 0 4 8 10 13 16
Горизонтальная Б2 21508 49538** 37560* 58955 ** 17265 25473 27117
активность Ь 41,0 51,0 38,2 39,0 50,8 53,1 58,5
а 552,9 674** 513 529 596 653*** 720***
Стереотипные Б2 9063 8722 12169 8327 7224
движения Ь 10,4 10,8 - 13,2 17,2 13,2 -
а 347 366 319 364 395**
Число пробежек Б2 197 246 251 446** 230 162 191
Ь 2,7 3,1 2,0 3,4 3,7 2,5 2,7
а 58 60 50** 54 59 60 55
Число циклов Б2 32,9 27,9 16,5
стереотипии Ь 0,6 - - 0,8 0,4 -
а 27,8 28,3 26,0
Время горизонталь- Б2 20620 25516 25697 40554** 15966 19988 10290**
ной активности Ь 31,1 36,8 28,9 34,5 41,8 27,1 34,9
а 534 583 483 515 556 522 563
Время стереотипной Б2 53602 77697 55072 34903 59338
активности Ь - 30,3 - 37,8 47,0 27,7 69,8
а 1013 995 1063 1049 1112
Время превышения Б2 21593 22297 23757 37126* 11294* 16458 11580*
пороговой скорости Ь 28,6 45,6 30,8 31,2 44,9 34,5 34,8
а 475 597*** 469 463 554** 549** 533*
Вертикальная Б2 32,6 38,8 43,9 32,2 34,6 55,9* 53,2*
активность Ь 0,46 0,8 0,8 0,4 1,25 0,7 0,4
а 10,7 13,9** 13,3* 9,9 16,3*** 17,0*** 15,0**
- (прочерк) - линейное приближение неадекватно; Б2 - дисперсия остатка; Ь - коэффициент регрессии; а - свободный член уравнения регрессии, используемый для сравнения прямых на совпадение; * - р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001. В каждой группе по 10 животных.
Существенные изменения структуры поведения и групповой дисперсии по разным параметрам выявлены при частотах модуляции 4, 8, 10, 13, 16 Гц, а также при непрерывном режиме, и только при импульсной модуляции 6 Гц изменений не обнаружено. Наиболее чувствительными компонентами локомоторного поведения оказались общая горизонтальная и вертикальная активность животных, а также параметр скорости движений, изменения которых свидетельствуют о психодепрессивном действии излучения.
Поведение в экстремальной ситуации («реакция избавления»).
Сущность метода заключается в том, что животные помещаются в воду в «колодец» без дна, из которого возможен выход только путем подныривания под нижний его край. Поскольку с этой ситуацией животное встречается впервые, решение задачи для него связано с участием механизмов «рассудочной» деятельности и проявлением инстинкта, определяется силой мотивации (борьба за жизнь) и выраженной эмоциональной реакцией. Таким образом, тест позволяет дать характеристику сложного психофизиологического паттерна, определяющего структуру адаптивного поведения в данной экстремальной ситуации. Испытания проводились через 1 минуту после пятиминутного микроволнового облучения при интенсивности 40 мкВт/см2 и импульсной модуляции в режиме меандра - 6, 8, 10, 13, 16 и 24 Гц. Регистрировали время решения задачи в 5 последовательных испытаниях с интервалом 10-15 секунд между посадками. Решение задачи животным в первой попытке по своему психофизиологическому содержанию
соответствует решению новой проблемы в условиях эмоционального стресса и сильной мотивации, тогда как в последующих попытках найденное решение фактически только воспроизводится и закрепляется благодаря мнестической и ассоциативной деятельности головного мозга. Опыты проведены в нескольких повторностях на 220 крысах-самцах Вистар массой 180-240 г, результаты суммированы и обработаны по 11-критерию Вилкоксона-Манна-Уитни (табл. 7). Результаты показали, что время, затрачиваемое на решение задачи животными в первой попытке, не отличалось от группы контроля ни при одном из вариантов модуляции. Вместе с тем, при повторных попытках отмечено замедление воспроизводимости реакции при частотах 6, 10 и 13 Гц и тенденция этой же направленности в остальных группах.
Таблица 7
Групповые показатели сумм инверсий (критерий и) времени «реакции избавления» после воздействия импульсного ЭМП с интенсивностью 40 мкВт/см2
Частота Последовательность посадок
модуляции, I II III IV V
Гц 11ф иСт 11ф II ист иф II ист иф 1 иСт иф II иСт
6 752 628 564 579* 620 563 617 547 795 547
8 394 338 340 279 307 257 309 236 280 236
10 450 338 339 268 301 257 234 247* 283 247
13 730 628 438 453** 563 483 553 470 602 470
16 401 338 371 313 344 302 354 279 330 279
24 89 72 39 47* 54 42 67 42 74 47
Примечание: * - р<0,05; ** - р<0,01.
Одной из наиболее важных гигиенически значимых проблем является оценка биологического действия ЭМИ на ЦНС в реальное время воздействия. В связи с этим, на 150 крысах самцах Вистар была проведена серия опытов при тех же параметрах ЭМИ на решение задачи во время пребывания животного непосредственно «под лучом». Показано, что облучение с частотой импульсов 4 и 16 Гц приводило к отчетливому стимулирующему эффекту по критерию скорости избавления - возрастало число крыс в группе с преимущественно быстрыми решениями (40-50 % против 10-12 % в контроле). Аналогичные изменения поведения в виде тенденции выявлялись при частоте 13 Гц. Объединяя группы животных с близкими по эффективности частотами модуляции (3-4 Гц и 13-16 Гц), влияние импульсного излучения на скорость «избавления» у крыс становится высоко достоверным. Таким образом, в период последействия ЭМИ выявляется ухудшение воспроизводимости при повторных посадках, что можно, вероятно, расценивать как снижение обучаемости, или ослабление мнестических функций. Непосредственное же воздействие, по-видимому, оказывает слабый транквилизирующий эффект, приводящий к снижению эмоциональной реакции животных на экстремальную ситуацию, что способствует организации адаптивного поведения.
Зависимость реакций ЦНС от дозы излучения (доза-эффект).
Известно, что зависимость биоэффектов ЭМИ от их ППЭ не обязательно является линейной, эти факты предопределяют возможность существования эффективных «окон» и в диапазоне нетепловых интенсивностей излучения. В связи с этим одной из важных задач настоящего исследования являлся поиск возможных нелинейных эффектов ЭМИ на основе анализа закономерностей типа доза-эффект. Экспериментальными тестами для решения этой задачи
служили обучаемость животных в крестообразном лабиринте и реактивность их ЦНС к наркотическим веществам. Выбор частот импульсной модуляции основывался на полученных ранее результатах.
В опытах на 180 мышах изучали влияние на обучаемость и исследовательскую активность воздействия ЭМИ с интенсивностью от 10 до 1000 мкВт/см2 при частотах модуляции 3,5 и 12 Гц, которые в предыдущих опытах модифицировали эту поведенческую реакцию. Результаты показали (табл. 8), что индекс обучаемости имеет тенденцию к снижению почти во всех опытных группах по сравнению с контролем, и особенно проявляется в первый временной интервал регистрации (0-4 мин). Однако достоверные различия по этому показателю обнаруживаются с помощью дисперсионного анализа только при интенсивностях 10 и 40 мкВт/см2 с частотой модуляции 12 Гц. При других интенсивностях излучения (20, 100, 400 и 1000 мкВт/см2) достоверного изменения обучаемости не выявлено. Исследовательская активность мышей снижалась в более широком интервале интенсивностей ЭМП при обеих частотных модуляциях. Следует отметить, что применяемый нами дисперсионный анализ исключает вариабельность, обусловленную случайными неучтенными факторами.
Таблица 8
Показатели обучаемости и исследовательской активности мышей в первые 10 минут после воздействия (5 минут) ЭМП разной интенсивности с частотой модуляции
3,5 и 12 Гц в режиме меандра
Режимы облучения Число мышей Индекс обучаемости по интервалам Количество заходов в отсеки
ППЭ, мкВт/см2 Частота, Гц 0-4 мин 0-7 мин 0-10 мин
Контроль 15 63,6±9,0 65,0±7,1 68,0±6,1 16,9±6,0
10 3,5 15 57,9±9,1 61,6±7,5 63,9±6,6 16,5±6,6
20 3,5 14 58,8±9,1 61,3±7,1 63,9±5,8 19,3±8,7
40 3,5 14 54,9±9,9 61,2±8,3 63,8±7,5 13,7±5,0**
100 3,5 15 60,2±10,6 65,6±8,1 68,3±7,2 13,1 ±4,8**
400 3,5 15 56,7±10,6 59,8±8,1 64,9±6,6 14,2±7,1**
1000 3,5 15 59,6±9,1 61,2±7,4 61,5±6,1 16,7±8,4
10 12 14 53,9±10,8 54,4±9,2* 57,2±8,6* 11,8±5,6**
20 12 14 59,5±9,8 64,3±7,7 67,6±6,3 16,0±6,7
40 12 15 52,5±9,6* 59,1±7,6 62,3±6,6 16,0±7,4
100 12 15 56,7±9,9 61,0±7,8 64,3±6,6 15,8±5,3
400 12 12 54,9±10,9 57,6±9,0 59,6±7,6 15,1 ±8,0*
1000 12 15 56,2±9,0 59,4±7,3 63,8±6,1 16,8±6,3
Критерий фишера, Р 2,2 1,4 1,04 12,8
Остаточная дисперсия, Бі2 290 190 140 4,2
Примечание: * - различия при 95 % уровне значимости (р<0,05); ** - при 99 % уровне значимости (р<0,01).
Реактивность к наркотическим веществам.
В опытах на 500 мышах СВА проведен анализ эффектов импульсных ЭМИ по критериям, характеризующим общую возбудимость ЦНС, на модели длительного наркотического сна. СВЧ-облучение длительностью 5 минут проводили при средних ППЭ, равных 10, 40, 400, 1000 мкВт/см2 с различными частотами модуляции и в непрерывном режиме. В первые 2-3 минуты после воздействия животным внутрибрюшинно вводили этиловый спирт (12,5 мл/кг, 40о)
или тиопентал-натрий (50 мг/кг). Каждый эксперимент, сопровождаемый ложнооблученным контролем, дублировался через 40-50 минут, и результаты обоих опытов суммировались.
Результаты показали, что влияние ЭМИ различных интенсивностей по критерию длительности этанолового наркоза неравнозначно (табл. 9). Отмечается удлинение сна, при этом наиболее постоянный эффект выявляется при облучении с интенсивностью 40 мкВт/см2 и всех изученных частотах модуляции (7, 8 и 14 Гц). При других интенсивностях излучения в диапазоне от 10 до 1000 мкВт/см2 достоверный эффект облучения в виде увеличения длительности наркотического сна проявлялся лишь при отдельных частотах. Чувствительность мышей к тио-пенталовому наркозу снижалась после облучения в непрерывном режиме с интенсивностью 10 мкВт/см2.
Таблица 9
Влияние интенсивности облучения на модифицирующий эффект импульсного ЭМП по показателям наркотического действия этанола и тиопентала натрия у мышей при внутрибрюшинном введении (M±m, мин)
Частота модуляции, Гц ППЭ, мкВт/см2
10 II 40 || 400 | 1000
Э Т А Н О Л
Контроль (ложное облучение) 54,9±7,8
Непрерывное облучение 51,0±7,8 57,8±10,5 54,7±7,5 69,6±11,8
7 63,7±7,1 69,2±6,2* 70,0±8,7* 56,6±8,1
8 92,5±10,8* 79,4±11,2* 63,7±9,7 64,2±8,2
14 61,6±5,9 81,9±8,3* 59,3±7,0 79,8±9,0*
Т И О П Е Н Т А Л - Н А Т Р И И
Контроль (ложное облучение) 9,6±1,2
Непрерывное облучение 5,6±1,1* 7,6±1,5 13,8±6,1 11,2±2,0
7 7,5±1,1 8,8±0,7 12,6±2,4 29,1 ±14,9
8 14,6±3,5 16,2±4,9 9,7±2,0 10,3±1,8
14 7,6±1,5 10,4±1,3 17,7±5,6 7,4±1,6
Примечание: - достоверные различия в сравнении с контролем, р<0,05; Каждая группа состояла из
15 животных.
Выявленные эффекты последействия кратковременного ЭМИ на общую возбудимость ЦНС по реакции на наркотические вещества подтверждают вывод о преимущественной нейро-тропности определенных диапазонов интенсивности модулированных ЭМИ. Хотя по разным тестам зоны селективности ППЭ были неоднозначны, однако в большинстве случаев выявляются эффекты при уровнях ППЭ в диапазоне 10-40 мкВт/см2. Обнаруженные эффекты, по-видимому, подтверждают высказывания о реальном существовании избирательно действующих уровней ППЭ (энергетических окон) в зоне низкоинтенсивных излучений.
Заключение
На основе полифакторного изучения поведения животных и реактивности к наркотическим веществам нами установлено, что кратковременное (5 минут) воздействие импульсно-модулированного ЭМИ в интервале ППЭ ниже 1 мВт/см2 оказывает достоверный нейротропный эффект, сохраняющийся, по меньшей мере, в течение 10 минут после облучения. Это влияние обнаруживается снижением обучаемости животных в лабиринте и в «реакции избавления», из-
менением структуры локомоторного поведения животных в условиях открытого поля и обогащенной ситуации, повышением реактивности к наркотическим веществам в некоторых экспериментальных условиях. При этом выявлена отчетливая зависимость эффекта от частоты модуляции у разных видов животных и, в частности, седловидный паттерн распределения негативно действующих частот по критерию обучаемости. Установлена нелинейная связь реакции со стороны ЦНС с интенсивностью излучения.
Полифункциональный анализ последействия ЭМИ и непосредственного влияния во время облучения (в первые 5-10 минут) в целом позволяет заключить, что слабое импульсное излучение небезразлично для организма. Оно индуцирует у животных состояние типа общей нейродепрессии. Эти эффекты выражены не резко и обнаруживаются на пороге разрешающей способности использованных параметрических и непараметрических методов анализа. В данной постановке экспериментов выявленное действие ЭМИ можно сравнить с эффектами пороговых доз некоторых психотропных средств - нейролептиков и транквилизаторов.
Представленные материалы отражают часть комплексного исследования, посвященную изучению нейротропных эффектов моночастотного ЭМИ. Однако излишне напоминать, что в реальной жизни мы имеем дело с одновременным многочастотным электромагнитным воздействием на организм. В связи с этим, задачей наших последующих исследований явилось изучение нейротропных эффектов низкоинтенсивных ЭМИ при поличастотном облучении, что, согласно нашим теоретическим предпосылкам, охватывает более широкий круг потенциальных осцилляторов, реагирующих на данный фактор, и с точки зрения санитарно-гигиенических норм приближает к реальной действительности. Результаты продолжения исследований будут представлены в следующих публикациях.
Литература
1. Г ригорьев Ю.Г., Г ригорьев О.А., Иванов А.А., Лягинская А.М. и др. Аутоиммунные процессы после пролонгированного воздействия электромагнитных полей малой интенсивности (результаты эксперимента). Сообщения 1, 2, 3, 4, 5 //Радиационная биология. Радиоэкология. 2010. Т. 50, № 1. С. 5-36.
2. Григорьев Ю.Г. Роль модуляции в биологическом действии ЭМП //Радиационная биология. Радиоэкология. 1996. Т. 36, № 5. С. 659-670.
3. Григорьев Ю.Г. Биоэффекты при воздействии модулированных электромагнитных полей в острых опытах //Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений. М., 2004. С. 16-73.
4. Григорьев Ю.Г., Лукьянова С.Н., Макаров В.П. и др. Двигательная активность кроликов в условиях хронического импульсного облучения микроволнами низкой интенсивности //Радиационная биология. Радиоэкология. 1995. Т. 35, № 1. С. 29-35.
5. Журавлев Г.И., Федотчев А.И., Семёнова Т.П. Влияние прерывистых ЭМИ СВЧ на ЭЭГ и функциональное состояние животных //Сборник трудов IV съезда по радиационным исследованиям. М., 2001. С. 787.
6. Кудряшов Ю.Б., Перов Ю.Ф. Сравнительные биологические эффекты непрерывного и импульсного радиочастотного излучения //Сборник работ III съезда по радиационным исследованиям. Пущино,
1997. С. 64-65.
7. Лобанова Е.А. Изменения условно-рефлекторной деятельности крыс в зависимости от интенсивности и длительности микроволнового облучения //Гигиена труда и проф. заболеваний. 1979. № 12. С. 30-33.
8. Лукьянова С.Н., Макаров В.М., Рынсков В.С. Зависимость изменений суммарной биоэлектрической активности головного мозга на низкоинтенсивное МКВ-облучение от плотности потока энергии //Радиационная биология. Радиоэкология. 1996. Т. 36, № 5. С. 706-709.
9. Лукьянова С.Н., Моисеева Н.В. К анализу импульсной биоэлектрической активности коры головного мозга кролика в ответ на низкоинтенсивное МКВ-облучение //Радиационная биология. Радиоэкология.
1998. Т. 38, вып. 5. С. 763-768.
10. Лукьянова С.Н., Рынсков В.В., Макаров В.П. Реакция нервной сенсомоторной области коры головного мозга кролика на низкоинтенсивное импульсное СВЧ-излучение //Радиационная биология. Радиоэкология. 1995. Т. 35, № 1. С. 53-56.
11. Пестряев В.А. Управляемое воздействие импульсного электромагнитного поля на центральную нервную систему //Биофизика. 1994. Т. 39, вып. 3. С. 515-518.
12. Пестряев В.А. Некоторые изменения биоэлектрической активности головного мозга при коротких регулируемых воздействиях импульсных электромагнитных полей //Биофизика. 2003. Т. 48, вып. 4. С. 733-739.
13. Рынсков В.В. Влияние низкоинтенсивного микроволнового облучения в непрерывном режиме на поведение белых крыс //Радиобиология. 1985. № 1. С. 114-116.
14. Субботина Т.И. Хадарцев А.А., Яшин М.А. и др. Воздействие на крыс высокочастотного электромагнитного излучения, модулированного частотами А-ритма головного мозга //Бюлл. экспер. биологии и медицины. 2004. Т. 137, № 6. С. 484-485.
15. Холодов Ю.А. Неспецифическая реакция нервной системы на неионизирующие излучения //Радиационная биология. Радиоэкология. 1998. Т. 38, № 1. С. 121-124.
16. Borbeley A., Huber R., Graft T. et 8l. Pulsed high frequency electromagnetic fields affect human sleep and sleep electroencephalogram //Neuroscience Letters. 1999. V. 275. P. 207-210.
17. Elder J.A. Biological effects of nonionizing radiation //2nd Joint US/USSR Symposium on the comprehensive analysis of the environment. Washington. DC /20460. 1975.
18. Frey A.H., Feld S.R. Avoidance by rats of illumination with low-power non-ionizing electromagnetic energy //J. Comp. Physiol. Psychol. 1975. V. 89, N 2. P. 183-188.
19. Frochlich H. Long-range coherence and energy storage in biological system //Int. Quant. Chem. 1968. V. 2. P. 64.
20. Lai H., Horita A., Choy C.K. et al. Low-level microwave irradiation attenuates nalaxone-induced withdrawal syndrome in morphine-dependent rats //Pharmacol. Biochem. Behav. 1986. V. 24, N 1. P. 151-153.
Experimental estimation of the central nervous system’s responses to the exposure with pulsed-modulated electromagnetic irradiation of low intensity
Pavlova L.N.1, Zhavoronkov L.P.1, Dubovick B.V.2, Glushakova V.S.1, Posadskaya V.M.1
1 Medical Radiological Research Center of the Russian Ministry of Health and Social Development, Obninsk;
2 Belarussian State Medical University, Minsk
The influence of low intensity (10-100 |jW/sm2) pulsed electromagnetic radiation (EMR) to the adaptive behavior of animals and reactivity of the central nervous system was studied in experiments with mice and Wistar rats. The choice of the pulsed parameters was based on the theoretical prerequisite related with the possibility of the production of the compression-expansion waves in cell membrane in accordance with resonance type and the change of separate neuron function in the condition of self-oscillating periodical activity of neural network. Regimes of monochromatic modulation of EMR were investigated within the frequence range of periodic neural brain activity (EEG). Significant effects of EMR on the central nervous system were detected. Transient decrease in the trainability both in the labyrinth and "escape behavior” methods, the disturbance in the process of consolidation of acquired habit in a long-term memory, the change in the structure of locomotors pattern, the rise in the reactivity to narcotic substances were revealed in animals. Non-linear relationship between the central nervous system responses and EMR intensity was established. Frequency-energetic ranges, within which the most negative effect was observed, were discovered.
Key words: electromagnetic radiation, pulsed modulation, nontermal intensity, behavior, CNS responses.
Pavlova L.N.* - Lead. Researcher, Cand. Sc., Med.; Zhavoronkov L.P. - Head of Dep., MD; MRRC. Dubovick B.V. - Chief of Pharmacol. Chair BSMU, MD, Minsk, Rep. Belarus.; Glushakova V.S. - Res. Assistant; Posadskaya V.M. - Res. Assistant. MRRC.
* Contacts: 4 Korolyov str., Obninsk, Kaluga region, Russia, 249036. Tel.: (48439) 9-71-38; e-mail: [email protected].
