CC BY
18Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 19 (58). 2006. № 4. С. 69-75.
УДК 612.8:614.7
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОГНИТИВНЫХ ПОТЕЦИАЛОВ МОЗГА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УРОВНЯ СВИНЦА, КАДМИЯ И ЦИНКА В ОРГАНИЗМЕ 12-13-ТИЛЕТНИХ ДЕТЕЙ
Евстафьева Е.В., Евстафьева И.А., Репинская Е.В.
Нейротоксическое действие свинца и кадмия хорошо известно по данным экспериментальных и эпидемиологических исследований [1-4]. Сведения, подтверждающие их значимость для функционального состояния центральной нервной системы в условиях фоновой экспозиции, получены при обследовании 15-ти летних подростков и 18-ти летних и юношей [5-6]. Под такой экспозицией подразумевается действие относительно низких доз загрязнителей в обычных (натурных) условиях существования, однако в условиях глобального и локального загрязнения урбанизированной среды, концентрации тяжелых металлов при этом все же существенно выше природных. В таких условиях наиболее чувствительными к нейротропному действию тяжелых металлов могут быть дети на возрастном этапе активного развития мозга и формирования его познавательных функций. К такой возрастной группе следует отнести 12-13-летних детей, у которых мощные эндокринные перестройки способствуют нестабильности параметров ЭЭГ и вызванных потенциалов (ВП) при организации произвольного внимания, что отражает снижение адаптационных возможностей детского организма [7].
В то же время эти токсичные металлы имеют своих физиологических антагонистов среди основных биофильных элементов. К их числу относится цинк, который противодействует центральным и периферическим дисфункциям, вызванным действием свинца на рабочих в условиях профессиональной экспозиции. [8]. Он также может опосредованно влиять на мозговые функции через метаболизм токсичных и основных элементов [9].
В связи с этим целью настоящего исследования явилось определение характеристик когнитивных потенциалов 12-тилетних школьников в зависимости от уровня свинца, кадмия и цинка в организме. Были поставлены следующие задачи: зарегистрировать вызванные и связанные с событиями потенциалы 12-13-тилетних школьников; определить уровень свинца, кадмия и цинка в физиологически стабильных тканях (волосах); определить наличие и характер корреляционных связей характеристик когнитивных потенциалов и уровня исследуемых металлов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Были обследованы 30 12-13-тилетних школьников обоего пола (15 мальчиков и 15 девочек), правши, проживающие и обучающиеся в Железнодорожном районе г.Симферополя, где имеет место интенсивное транспортное движение.
Связанные с событием ЭЭГ-потенциалы (ССП) отводили монополярно, с расположением электродов по системе «10-20». Локализация электродов была следующей:) С3 - левый центральный; 2) С4 - правый центральный; 3) два объединенных референтных электрода над сосцевидной костью черепа (позади уха); 4) заземляющий электрод на запястье левой руки.
Для регистрации ССП были подвергнуты модификации два канала ЭЭГ-16S, что обеспечило постоянную времени 10 с и верхнюю границу полосы пропускания 30 Гц. Частота оцифровки сигнала составляла 100 с-1. Для регистрации ССП в задаче на определение времени простой сенсомоторной реакции с предупреждением использовали программу, обеспечивающую автоматизированное предъявление пар звуковых стимулов (предупреждающего и императивного) с требованием реализации моторной реакции (нажатие на кнопку правой рукой) с максимально возможной скоростью после второго стимула в паре; общий вид ССП представлен на рис. 1.
Испытуемый располагался в удобном кресле в затемненной экранированной камере. Табло, на которое выводился сигнал обратной связи от компьютера, представляло собой светодиодную матрицу размером 5 х 5 см, находящуюся на одном уровне с глазами испытуемого на расстоянии 1,5 м. Для минимизации артефактов, связанных с движениями глаз, испытуемый должен был фиксировать взгляд на находящемся в центре табло включенном светодиоде. Контактная кнопка находилась в правой руке.
Испытуемый должен был как можно быстрее реагировать на предъявляемые стимулы. Звуковые сигналы, на которые реагировал испытуемый, подавали через динамики, размещенные внутри камеры; интервал между подачей пар сигналов варьировался экспериментатором случайным образом в пределах 5-15 с. В качестве первого (предупреждающего) стимула использовали тональную посылку длительностью 100 мс с частотой заполнения 2000 Гц. Второй (императивный) стимул представлял собой посылку с частотой 1000 Гц. Он предъявлялся через 2 с после предупредительного стимула и прекращался испытуемым путем нажатия на кнопку. Вероятность предъявления императивного сигнала составляла 0,7.
Об успешности выполнения задачи испытуемый узнавал из сигналов обратной связи, предъявляемых на светодиодном табло. Сигнал обратной связи (длительность 1 с) включался через 1 с после подачи императивного сигнала. Сигнал в виде вертикальной черты соответствовал времени реакции (ВР) меньше 180 мс, т.е. успешному выполнению задачи. Сигнал в виде горизонтальной черты указывал на более продолжительное время реакции.
Анализировали следующие компоненты ВП, связанных с восприятием звукового предупредительного сигнала: Р1, N1, Р2, Ш-Р2 (вертекс-потенциал), N2 рассматриваемые как среднелатентные компоненты акустических ВП. Кроме того анализировали УНВ, отражающую процессы психической концентрации и подготовки поведенческого акта, и волну Р300, которая связана с восприятием
визуального сигнала обратной связи, позволяющего оценить результат выполнения
задания.
нажатие на кнопку
предупредительным стимул
исполнительным
стимул
ооратнои связи
Рис. 1. Общий вид связанных с событием (А) вызванных (Б) потенциалов у испытуемого К.
Для УНВ определяли среднюю амплитуду (в интервале - от 0 до 2000 мс), ее начальную (О-УНВ, в интервале от момента предъявления предупредительного стимула 0 - 600 мс) и терминальную (Т-УНВ, 600 - 2000 мс) части. Для вызванных потенциалов и компонента Р300 определяли амплитуду и латентный период соответствующего пика в рисунке потенциала (рис. 1).
Содержание свинца, кадмия и цинка в волосах определяли рентгено-флуоресцентным методом в лаборатории ВИРИА при институте Медицины труда, г. Киев. Статистическую обработку результатов производили посредством непараметрического корреляционного анализа по Спирмену.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Амплитуды и латентные периоды зарегистрированных вызванных и связанных с событиями потенциалов у всей группы в целом и отдельно у мальчиков и девочек представлены в табл.1. Из приведенных данных следует, что при существующей высокой вариабельности показателей не отмечается достоверных различий. В то же время обращает внимание некоторая закономерность в отличиях величин характеристик регистрируемых потенциалов у мальчиков и девочек. Так, у девочек амплитуда Р1 была ниже, а у мальчиков выше среднего значения в обоих отведениях, а амплитуда Р3, N1 и N2 наоборот, выше у девочек. Латентный период всех потенциалов, за исключением Р3 был ниже у девочек.
Таблица 1.
Амплитуды (А) и латентные периоды (ЛП) вызванных и связанных с событиями потенциалов у 12-тилетних мальчиков и девочек (х ± S х )
Характер -ристики ВП и ССП Вся группа Девочки Мальчики
С3 С4 С3 С4 С3 С4
А Р1 5,42± 0,90 5,44±1,10 4,55± 0,92 4,05± 0,81 6,16±0,97* 6,64±1,02*
ЛП Р1 73,8± 3,31 70,6±3,81 73,5±3,61 65,7± 2,88 74,0±4,02 74,8±3,98
АШ -11,4± 1,44 -11,0±1,59 -12,4± 1,54 -12,2± 1,77 -10,5±2,93 -10,0±3,10
ЛПШ 140,3± 3,44 139,9±3,5 134,3± 2,422 134,2± 3,41 145,5± 4,84* 144,9± 4,70
А Р2 6,00± 1,59 5,14± 2,04 6,40 ± 2,86 4,09± 2,83 5,65± 2,98 6,04±3,61
ЛП Р2 215,9± 3,17 214,9± 3,79 210,2± 3,69 213,4 ± 4,06 220,8± 4,25 216,3± 4,82
Ш-Р2 17,4±1,44 16,2± 1,46 18,8± 2,68 16,3± 2,45 16,1± 2,81 16,1± 3,03
А N2 -3,07±1,65 -2,68±1,92 -3,75± 3,00 -3,58± 2,88 -2,47± 2,95 -1,91 ± 3,44
ЛПШ 292,5± 6,94 293,6± 7,53 288,9± 5,39 287,1± 6,05 295,6± 6,57 299,3± 6,55
А Р3 28,4±2,99 27,4±2,74 30,2± 4,09 28,5 ±3,9 26,8±3, 94 26,35±3,78
ЛП Р3 399,8±27,43 410,0±23,05 402,9 ±12,24 409,2± 12,0 397,1±12,01 410,7+11,2
Примечание: * - достоверность различий между мальчиками и девочками при р<0,05.
Содержание токсичных элементов находилось в пределах условной физиологической нормы, однако в отдельных случаях наблюдалось превышение верхней ее границы приблизительно в 1,5 раза. Более существенные отклонения от условной нормы наблюдали для эссенциального цинка, в отношении которого во всей группе в целом имело место среднее значение более низкое, чем нижняя граница условной нормы. Иными словами, имело место цинкдефицитное состояние. Дефицит цинка выявлен нами ранее и у других возрастных категорий [6, 10].
Что касается содержания элементов у мальчиков и девочек, то существенных различий не обнаружено
Таблица 2.
Концентрация элементов в волосах школьников (мкг/г) (х ± S х )
Элементы Группы
Вся группа Мальчики Девочки Условная норма
Zn 113,2±4,30 115,1±4,72 110,8±7,84 115-250
РЬ 1,51±0,25 1.58±0,17 1,44±0,46 0-5
Cd 0,04±0,001 0,05±0,01 0,03±0,007 0-2,7
Для определения физиологической значимости данных металлов при их содержании на уровне обнаруженных концентраций был выполнен корреляционный анализ, результаты которого представлены в таблице 3.
Taблица 3.
Корреляционная связь характеристик ВП и ССП с концентрацией металлов
в волосах(х ± S х )
Показатели РЬ Cd Zn
Р1 амплитуда справа 0,31*
Р1 латентный период (справа) 0,31*
Р2 латентный период (слева) 0,46*** 0,46***
Р2 латентный период(справа) 0,42** 0,30*
Р3 амплитуда слева -0,33*
Р3 амплитуда справа -0,39**
Р3 латентный период слева -0,52*** -0,44**
N1 латентный период (справа) 0,37**
УНВ- Т слева -0,36* -0,33*
УНВ амплитуда слева -0,31*
УНВ- И слева -0,33*
Примечание: "+" или "-" означают существование прямой или обратной корреляции при вероятности: "+" ("-") - 92-94 %, "++" ("-") - 95-97 %; "+++" ("---") - 98-99 %; * -р<0,05; ** - р<0,01; *** - р<0,001
Прежде всего, обращает внимание наибольшее количество корреляционных связей как амплитуд, так и латентных периодов потенциалов с уровнем кадмия
притом, что его концентрация в волосах всех членов группы находилась в пределах условной нормы. Это особенно интересно в связи с тем, что считается, что гемато-энцефалический барьер не пропускает кадмий в мозговую ткань, а нейротоксические эффекты кадмия реализуются через изменение метаболизма цинка [11]. Для свинца также обнаружены достоверные или приближающиеся к ним связи, однако за исключением УНВ, только для латентных периодов Р2 и N1. Корреляцию между латентными периодами слуховых потенциалов N1 и Р3 другие авторы наблюдали у рабочих, профессионально подвергавшихся воздействию свинца [12].
Оба токсичных металла обнаружили положительную корреляционную связь с ЛП Р1 при обоих отведениях и отрицательную связь с Т УНВ. Подобный характер корреляционных связей позволяет говорить об увеличении латентного периода потенциала готовности с увеличением концентрации токсичных свинца и кадмия. УНВ связана с подготовкой и реализацией целенаправленных движений.
Считают, что параметры Р3 являются индикатором когнитивной зрелости мозга: чем более зрел мозг, тем больше амплитуда и меньше латентный период [13-14]. В отношении кадмия интерпретировать полученную негативную корреляцию и с амплитудой, и с латентными периодом этого потенциала, представляется затруднительным.
Что касается цинка, то, несмотря на тотально пониженное содержание этого элемента у детей, обнаружена единственная корреляционная связь ЛП Р3, в то время как известна его существенная роль в синаптической передаче и других нервных процессах [9, 15] и показано влияние дефицита диетарного цинка на гомеостаз в мозге и, в частности, нарушение способности к обучению [16]. В контексте полученных результатов негативная корреляция цинка с ЛП Р3 может быть понята следующим образом: чем меньше содержание цинка в организме, тем больше ЛП, а следовательно менее «зрел» мозг, что согласуется с имеющимися данными о влиянии дефицита цинка на развитие мозга [9] .
Эти результаты, по всей видимости, свидетельствуют в пользу необходимости дальнейшего накопления и систематизации данных натурных исследований для экологического нормирования и определения на их основе экологических нормативов.
ВЫВОДЫ
1. В условиях среднего города среднее содержание токсичных металлов (РЬ и Cd) в волосах 12-тилетних детей находилось в пределах условной нормы, с некоторым превышением свинца в отдельных случаях, однако имел место практически тотальный дефицит цинка.
2. Характеристики когнитивных потенциалов в наибольшей степени коррелировали с уровнем кадмия (10 параметров), затем свинца (4 параметра) и только в одном случае выявлена корреляционная связь латентного периода Р3 с цинком.
3. Характерно наличие прямой корреляционной связи ЛП Р2 с содержанием РЬ и Cd при весьма высоком уровне доверительной вероятности.
4. Общей характеристикой эффекта этих металлов явилась также обратная корреляция между их содержанием и амплитудой терминальной УНВ. В одном случае (ЛП Р3 при отведении в левом полушарии) наблюдался синергизм в действии Cd и 2п.
Список литературы
1. Woijcik A., Burek G., Dudek M. Behavioral effects in mice to the prolonged action of cadmium compound and zinc compound// Ann Univ.Mariae Curie Sklodowska. -1989. - V.44. - Р. 65-70.
2. Araki S., Murata K., Yokoyama K., Uchida E. Auditory event-related potential (P 300) in relation to peripheral nerve conduction in workers exposed to lead, zinc, and cooper effects of lead on cognitive function and central nervous system// Am. J. Ind. Med. - 1992. - V. 21. -Р.539-547.
3. Roeleveld N., Zeielhuis G.A., Gabreels F. Occupational exposure and defects of the central nervous system in offspring: review// Br.J.Ind.Med. - 1990. - V. 47. - P. 580-588.
4. Fox D.A. Physiological and neurobehavioral alterations during development in lead exposed rats// Neurobehav Toxicol. - 1979. - V.1, Suppl.1. - P. 193-206.
5. Евстафьева И.А. Особенности центральной нервной и сердечно-сосудистой систем подростков в связи с содержанием тяжелых металлов в организме. Автореф.дис.на ...к.б.н. - Симферополь, 2002. - 24 с.
6. Евстафьева Е.В., Залата О.А., Репинская Е.В., Евстафьева И.А., Щеголева М.Г., Тымченко С.Л., Овсянникова Н.М. ЭЭГ характеристики подростков в связи с содержанием токсичных и эссенциальных элементов в условиях с фоновой экспозицией // Нейрофизиология. - № 1. - 2006.— С. 32.
7. Дубровинская Н.А., Фарбер Д.А., Безруких М.М. Психофизиология ребенка. - М.: Владос, 2000. -144 с.
8. Araki S., Murata K., Aoho H. Subclinical certvico-spino-bulbar effects of lead: a study of short-latency somatosensory evoked potentials in workers exposed to lead, zinc, and copper // Am. J.Med. - 1986. -V.10. - P. 163-175.
9. Wallwork J.C. Zinc and the central nervous system // Prog. Food. Nutr. Sci. - 1987. - V.22, Issue 2. -P. 203-247.
10. Евстафьева Е.В., Залата О.А., Евстафьева И.А., Овсянникова Н.М. Особенности ЭЭГ-спектра подростков в связи с содержанием цинка в организме // Проблемы и перспективы медико-биол.наук и практической медицины. Тр.КГМУ им.С.И.Георгиевского. - 2004. - Т. 140, часть 3. -C.165-169.
11. Jin T., Lu J., Nordberg M. Nicokinetics and biochemistry of cadmium with special emphasis on the role of metallothionein. // Neurotoxicology. - 1998. - V. 19. - P. 529-535.
12. Araki S., Murata K., Yokoyama K., Uchida E. Auditory event-related potential (P300) in relation to peripheral nerve conduction in workers exposed to lead, zinc, and copper: effects lead on cognitive function and central nervous system. // Am. J. Ind. Med. - 1992. - V. 21. - P. 539-547.
13. Polich J., Ladish C., Burns T. Normal variation of P300 in children: age, memory span, and head size // Int. J. Psychophysiol. - 1990. - V. 9, № 3. - P. 237-248.
14. Johnston S.J., Barry R.J., Anderson J.V. Coyle S.F. Age-related changes in child and adolescent event related potential component morphology, amplitude and latency to standard and target stimuli in auditory oddball task // Int. J. Psychophysiology. - 1996. - V. 24, № 3. - P. 223-238.
15. Lopez-Garcia C., Molowny A., Ponsoda X., Nacher J. Sancho-Bielsa F. Synaptic zinc in the central nervous system // Rev. Neurol. - 2001. - V. 33. - P. 341-347.
16. Takeda A. Movement of zinc and its functional significance in the brain. // Brain Res Rev. -2000. -V. 34. -P. 137-148.
Поступила в редакцию 10.12.2006 г..
