CC BY
36
Статья
Раздел I.
БИОЛОГИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ. ФИЗИКО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА
УДК 612.822:577.357
ИМПУЛЬСНЫЕ ПОТОКИ ПОПУЛЯЦИЙ КОРКОВЫХ НЕЙРОНОВ ПРИ СВЧ-ОБЛУЧЕНИИ РАЗНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ: МЕЖСПАЙКОВЫЕ ИНТЕРВАЛЫ И ЧИСЛО ВСПЫШЕК ПАЧЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ
Р.А. ЧИЖЕНКОВА*
Введение. Проблема биоэффектов электромагнитных полей (ЭМП) была рассмотрена на основе базы данных Medline за три последние десятилетия [10]. Значительная доля публикаций (более 40%) приходится на работы по действию СВЧ-облучения прео прикладного характера. Исследованиям деятельности мозга в ЭМП уделяется пока малое внимания. Однако именно им предстоит занять одну из лидирующих позиций в решении проблемы биодействия ЭМП, т.к. они позволяют вскрывать механизмы и закономерности реакций целостного организма, которые могут иметь весьма удаленное отношение к первичным механизмам электромагнитных воздействий. Исследования биопотенциалов структур мозга при операционных вмешательствах позволили установить, что в нейрофизиологических механизмах влияния ЭМП, в том числе и СВЧ-поля, на головной мозг преобладает непосредственно действие проникающих факторов на его структуры [5, 9-10]. Относительно воздействия СВЧ-облучения на деятельность центральных нейронов млекопитающих существуют весьма немногочисленные работы [1-3, 6, 8-11, 13]. При этом наши исследования являются приоритетными. В исследованиях других авторов, которые были начаты позднее наших, при СВЧ-облучении описаны сдвиги частоты импульсации нейронов в гиппокампе и гипоталамусе кролика, в переживающих срезах коры мозга морской свинки [1] и в коре больших полушарий кроликов [2, 3]. Первая из этих работ относится к общей функциональной перестройке в деятельности мозга, т.к. подкорковые образования мало доступны для облучения. Вторая представляет ситуацию in vitro. Наиболее интересны работы Лукьяновой с соавт. [2, 3], проведенные при той же экспозиции, что и в наших экспериментах, но в отличие от них в импульсном режиме. Ранее было установлено, что при СВЧ-облучении возможны и учащение, и урежение фоновой импульсации одиночных нейронов коры. Но эти сдвиги неотчетливы по сравнению с изменениями вызванной активности [6, 8, 10].
Цель работы - сопоставление двух характеристик импульсных потоков популяций нейронов коры больших полушарий - средних величин межспайковых интервалов и числа вспышек пачечной активности - при СВЧ-облучении разной интенсивности. В импульсных потоках нейронных популяций нивелируются случайные флуктуации и подчеркиваются лидирующие моменты [18]. Анализ межспайковых интервалов более информативен, чем средней частоты [14]. Что касается пачечной активности, то нами обнаружена высокая уязвимость рисунка импульсных потоков при СВЧ облучении [9-11, 13].
Методика. Эксперименты проведены на 34 необездвижен-ных ненаркотизированных кроликах (самцах) новозеландской породы массой около 3 кг. Предварительно под барбитуратовым наркозом животным вживляли отводящие электроды в сенсомоторную область коры на глубину 750-1500 цм. Электродами служили стеклянные микропипетки с диаметром кончика 20 цм, заполненные 1%-ным агар-агаром на физиологическом растворе. Подробности описаны в [9, 13]. Эксперименты проводили в утренние часы суток, с 9 до 11 часов. Облучение осуществляли полем СВЧ с длиной волны 37,5 см (800 МГц). Режим облучения был сплошным. Экспозиция равнялась 1 мин. Облучению подвергали преимущественно голову животного. Вектор Е соответствовал передне-заднему направлению. Интенсивность поля была 0,2-0,3; 0,4; 0,5 и 40 мВт/см2. Регистрацию спайковой активности осуществляли в
осуществляли в течение 3 минут: 1 мин. до облучения, во время облучения и 1 мин. после его прекращения. Выделение импульсных рядов, принадлежащих отдельным нейронам, не входило в задачу. Спайковая активность одиночных нейронов коры при СВЧ-облучении описана ранее [6, 8]. Компьютерный анализ проводили по эпохам 20 с. Определяли средние величины межспайковых интервалов и число вспышек пачечной активности. Для выявления последних использовали три временных порога: 5, 10 и 20 мс. В 1-м случае как объединения в пачки учитывались спайки при длительности межспайковых интервалов до 5 мс, во 2-м - 10 мс и в 3-м - до 20 мс. Унифицированное рассмотрение всех записей было необходимо для правомерного сравнения данных до, во время и после облучения и для последующего суммирования результатов. Достоверность различий средних величин межспайковых интервалов до облучения, во время него и после его прекращения по всему материалу одной серии исследований определяли посредством критерия Уайта - Фишера. Для сравнения средних величин межспайковых интервалов до, во время и после облучения в пределах одной записи дополнительно использовали критерий Стьюдента. Сопоставление чисел записей им-пульсации с той или другой направленностью изменений меж-спайковых интервалов проводили на основе 1-критерия для сравнения. Достоверность отклонений числа пачек во время и после облучения относительно исходных значений определяли посредством критерия Уайта - Фишера. Стандартные отклонения средних величин межспайковых интервалов и числа вспышек пачечной активности вычисляли на основе дисперсий, а стандартные отклонения данных, учитывающих направленность изменений межспайковых интервалов, определялись как стандартные ошибки долей вариант при альтернативном распределении [4]. В контрольных исследованиях вели регистрацию спайковой активности, но без облучения, с последующим аналогичным анализом.
Результаты. Экспериментальный материал включает результаты 206 воздействий полем СВЧ. Из них 52 воздействия было с интенсивностью СВЧ-облучения 0,2-0,3 мВт/см2, 50 - с интенсивностью 0,4 мВт/см2, 40 - с интенсивностью 0,5 мВт/см2 и 64 - с интенсивностью 40,0 мВт/см2. В контрольных исследованиях было проведено 50 трехминутных записей нейронной активности без СВЧ облучения. Общее число проанализированных 20-секундных отрезков импульсных потоков составляло 2304.
Межспайковые интервалы. Средняя величина межспай-ковых интервалов в исходных импульсных потоках за 1 мин. записи составляла 17,75±0,60 мс. Результаты по влиянию облучения на межспайковые интервалы приведены в табл 1 и на рис. 1.
Таблица 1
Влияние СВЧ-облучения на средние величины межспайковых интервалов
Процентное отношение значений к данным до облучения Контроль Интенсивность облучения, мВт/см2
0,2-0,3 0,4 0,5 40,0
Во время облучения
% 101,1 88,8 95,4 105,9 106,7
р <0,05 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
После облучения
% 99,9 78,3 99,2 108,8 106,1
р >0,05 <0,01 <0,01 <0,01 <0,01
Табл. 1 показывает, что в контрольных исследованиях колебания средних величин межспайковых интервалов были чрезвычайно малы. Закономерности нейронных импульсных потоков коры в отсутствии внешних воздействий нами уже описаны [7, 12]. Из табл. 1 следует, что существует статистически значимый эффект СВЧ-облучения на нейронную импульсацию и направ-
* Институт биофизики клетки РАН, Пущино Московской области, 142290, Россия;Е-таі1: [email protected]
Р.А. Чиженкова
ленность сдвигов зависит от интенсивности поля. В каждом конкретном случае записи нейронной активности возникновение определенных отклонений не фатально. Помимо самого облучения, оно может определяться колебаниями функционального состояния и маскироваться сдвигами иного происхождения. Помимо рассмотрения усредненных значений, был применен раздельный анализ результатов облучения с учетом поведения импульсных потоков в каждом случае. Рис. 1 демонстрирует, что действительно имеет место не жесткая причинно-следственная связь «фактор - реакция», а в основном статистическая.
Таблица 2
Влияние СВЧ-облучения на число вспышек пачечной активности
É
dzL
0.4 0.5 40.0
Интенсивность облучения, мВт/см2
Нл
rf
Контроль
Б
0.4 0.5 40.0
Интенсивность облучения, мВт/см2
Рис. Число записей импульсных потоков в процентах с увеличением (светлые столбцы) и уменьшением (темные столбцы) средних величин межспайковых интервалов во время (А) и после облучения (Б). Сравнение чисел случаев с увеличением и уменьшением величин: и>2,58 соответствует _р<0,01
На основе сведений, приведенных в табл. 1, на рис. 1, складывается впечатление, что при интенсивностях облучения 0,2-0,3 и 0,4 мВт/см2 лидирует уменьшение средних величин межспайковых интервалов, а при интенсивностях 0,5 и 40 мВт/см2 доминируют изменения противоположной направленности.
Число вспышек пачечной активности. В исходных импульсных потоках число вспышек пачечной активности, определяемой при временном пороге выделения 5 мс, за минуту составляло 1225,32±32,43. При использовании порога 10 мс оно было 820,02±31,11, а при пороге 20 мс - 275,45±13,47. Сравнение числа пачек во время СВЧ-облучения и в первую минуту после его прекращения с исходными значениями приведено в табл. 2.
Табл. 2 показывает, что СВЧ-облучение приводит к изменению числа вспышек пачечной активности, наличие и направленность эффекта зависят от интенсивности облучения, и пачечная активность, выявляемая на основе разных временных порогов, претерпевает различные изменения. Зависимость сдвигов числа пачек от интенсивности облучения обладает чрезвычайно сложным характером. В частности, уменьшение числа пачек, выявляемых с разными (преимущественно с большими) порогами, может возникать при различных интенсивностях облучения.
Перестройки импульсных потоков при разных интенсивностях облучения.
Облучение 0,2-0,3 мВт/см2. Эффект заключался в значительном уменьшении средних величин межспайковых интервалов во время облучения и в первую минуту после его прекращения. В последнем случае сдвиги были выражены даже в большей степени, чем непосредственно при облучении (табл. 1). Сдвиги данной направленности отмечались в подавляющем большинстве сделанных записей (рис. 1). Со стороны пачечной активности во время и после облучения происходило уменьшение числа пачек при пороге 10 и особенно 20 мс. Тем не менее, число пачек, выделяемых при пороге 5 мс, могло увеличиваться (табл. 2).
Контроль Интенсивность облучения, мВт/см2
0,2-0,3 1 0,4 1 0,5 1 40,0
Во время облучения
Порог выделения 5 мс
% 100,1 105,5 101,4 135,0 101,7
Р >0,05 >0,05 >0,05 <0,01 >0,05
Порог выделения 10 мс
% 100,1 86,4 101,1 116,6 94,4
Р >0,05 <0,05 >0,05 <0,01 >0,05
Порог выделения 20 мс
% 99,4 65,6 108,7 98,2 99,5
Р >0,05 <0,01 >0,05 >0,05 >0,05
После облучения
Порог выделения 5 мс
% 100,1 118,5 99,6 73,8 92,3
Р >0,05 <0,01 >0,05 <0,01 >0,05
Порог выделения 10 мс
% 100,2 84,3 105,6 86,4 84,5
Р >0,05 <0,01 >0,05 <0,05 <0,01
Порог выделения 20 мс
% 99,8 66,5 112,4 94,7 85,6
Р >0,05 <0,01 >0,05 >0,05 <0,05
Интенсивность облучения, мВт/см2
Облучение 0,4 мВт/см2. При суммировании всего материала было небольшое, но статистически значимое, уменьшение средних величин межспайковых интервалов. Сдвиги преобладали во время облучения, а не после его прекращения, как при менее интенсивном облучении (табл. 1). Раздельное рассмотрение поведения нейронных популяций не выявило лидирования какой-либо направленности изменений (рис. 1). Что касается пачечной активности, то колебания в виде тенденции к увеличению числа пачек возникали только при пороге выделения 20 мс (табл. 2).
Облучение 0,5 мВт/см2. Перестройки импульсных потоков в принципе отличались от описанных выше. Происходило увеличение средних величин межспайковых интервалов (табл. 1). Изменения такой направленности наблюдались в большинстве записей (рис. 1). Число пачек достоверно изменялось, если временным порогом их выявления служили 5 и 10 мс (табл. 2). Но направленность этих изменений не постоянна: во время облучения шел рост числа пачек, а после его прекращения - уменьшение.
Облучение 40 мВт/см2. Это облучение тоже вело к росту средних величин межспайковых интервалов, что было представлено и во время, и после облучения (табл. 1). Раздельный анализ поведения популяций нейронов показал выраженное доминирование перестроек именно такого типа, особенно во время облучения (рис. 1). Наблюдалось уменьшение числа пачек, выявляемых при порогах 10 и 20 мс, после прекращения воздействия (табл. 2).
Заключение. На бодрствующих необездвиженных кроликах установлено, что СВЧ-облучение при одноминутной экспозиции вызывает перестройки импульсных потоков популяций корковых нейронов, что касается средних величин межспайковых интервалов и количественных показателей пачечной активности. Обнаруженные изменения могут служить основой для появления сдвигов в интеграции информации, поскольку именно деятельность «neuronal circuits» коры является определяющим базисом когнитивных функций [7, 12]. Происхождение пачечной активности определяется свойствами самих нейронов и функционированием контуров с обратными связями. Предполагается, что эта нейронная активность имеет отношение к кодированию информации и играет роль в детекции параметров сигнала [7, 12].
Перестройки импульсных потоков корковых нейронов в результате одноминутного СВЧ-облучения обусловливаются интенсивностью последнего. При 0,2-0,3 и 0,4 мВт/см2 доминирует направленность сдвигов в сторону уменьшения средних величин межспайковых интервалов. При повышении интенсивности до
0,5 мВт/см2 и при довольно высокой интенсивности 40 мВт/см2 лидируют сдвиги противоположного знака. Надо учесть, что интенсивность 0,4 мВт/см2, приводит к наименьшим из наблюдавшихся отклонениям средних величин межспайковых интервалов. Особенности пачечной активности также связаны с интенсивностью облучения. В целом преобладают сдвиги в виде понижения числа пачек, выявляемых преимущественно при порогах
8U
6U
40
2U
А
8U
6U
4U
20
Краткое сообщение
10 и 20 мс. Эти изменения прослеживаются при интенсивности 0,2-0,3, 0,5 и 40 мВт/см2 Сдвиги противоположной направленности отмечаются у пачек, выявляемых на основе порога 5 мс при интенсивности 0,2-0,3 мВт/см2 после облучения и при 0,5 мВт/см2 во время облучения. При интенсивности 0,4 мВт/см2 статистически достоверных изменений числа пачек не обнаружено.
Существует сходная зависимость эффектов со стороны средних величин межспайковых интервалов и числа вспышек пачечной активности от интенсивности СВЧ-облучения. Но не наблюдается параллелизма направленности изменений показателей. Имеет место сложная нелинейная зависимость числа пачек от средних межспайковых интервалов [12], а в пределах самой пачечной активности преобладают тоже сложные нелинейные взаимоотношения между разными ее типами [11].
Отсутствие линейности в отношении интенсивности облучения и наблюдаемых эффектов, по-видимому, связано со сложностью и многокомпонентностью самих перестроек в деятельности нейронных популяций. Внешнее отсутствие изменений нейронной активности иногда является следствием взаимного нивелирования сдвигов противоположной направленности. Зависимость характеристик перестроек в деятельности популяций корковых нейронов от интенсивности поля СВЧ позволяет прогнозировать нейрофизиологические события при облучении.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 00-04-48139).
Литература
1. Захарова Р.М.//Биофизика.- 1995.- Т. 40, № 3.- С. 695.
2. Лукьянова С.Н. и др. //Радиационная биол. Радиоэкол.-1995.- Т. 35, № 1.- С. 53-56.
3. Лукьянова С.Н., Моисеева Н.В.// Радиационная биол. Ра-диоэкол.-1998.- Т. 38, № 5.- С. 763-768.
4. Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков.- М.: Изд-во АН СССР, 1963.- 323 с.
5. Чиженкова Р.А. Исследование роли специфических и неспецифических образований в электрических реакциях мозга кролика, вызываемых электромагнитными полями УВЧ и СВЧ и постоянным магнитным полем:. Дис...канд. мед. Наук, М.: Ин-т ВНД и НФ.- 1966.- 212 с.
6. Чиженкова РА.//Ж. высш. нервн. деят.- 1969.- Т. 19, № 3.- С. 495-501.
7. Чиженкова Р. А. Структурно-функциональная организация сенсомоторной коры.- М.: Наука, 1986.- 241 с.
8. Chizhenkova R.A. // Bioelectromag.- 1988.- Vol. 9 , № 3.-P. 337-345.
9. Chizhenkova R.A.// Electro- and Magnetobiol .- 1996 .-
Vol. 15 , № 3 .- P. 253-258.
10. Chizhenkova R.A. // Electromagnetic fields: biological effects and hygienic standardization./ Ed. M.H. Repacholi, N.B. Rubtsova, A.M. Muc. Geneva (Switzerland): World Health Organization .- 1999 .- P. 389-395.
11. Chizhenkova R.A.// Milltnnium workshop on biological effects electromagnetic fields./Eds. P. Stavroulakis and P. Kostarakus. Crete (Greece): Demokritos.- 2000.- P. 104-108.
12. Chizhenkova R.A., Chernukhin V.Yu.//J. Biol. Physics .2000 .- Vol. 26 , № 1 .- P. 67-75.
13. Chizhenkova R.A., Safroshkina A.A.// Bioelectrochem. and Bioenerg .- 1993 .- Vol. 30 , №1 .- P. 287-291.
14. Johnson J.L.// Brain Res .- 1994 .- № 1 .- P. 125-127.
PULSE FLOWS OF POPULATIONS OF CORTICAL NEURONS UNDER MICROWAVE EXPOSURE OF DIFFERENT INTENSITY: INTERSPIKE INTERVALS AND BURST NUMBER
R.A. CHIZHENKOVA Summary
In awake nonimmobilized rabbits it has been established that 1-min microwave exposure (0.2-0.3, 0.4, 0.5, and 40.0 mW/cm2) produces rearrangements of pulse flows of populations of neocortex neurons. The effect consists in change of mean values of interspike intervals and burst number. Nonlinear dependence of neurophysi-ological events on intensity of irradiation was observed.
Key words: neocortex neurons, exposure.
УДК 575+61 (07)
К МЕХАНИЗМУ НЕКОТОРЫХ СПОНТАННЫХ МУТАЦИЙ И. Г. ГЕРАСИМОВ*
Одной из задач медицинской генетики является выяснение механизмов мутаций, ведущих к патологии. Генетические мутации ярко выражены в фенотипе при трисомиях, которые в отличие от мутаций, вызывающих дефект одного гена, ведут к появлению дополнительной хромосомы, содержащей не один ген, и повышению продукции ряда ферментов. Хотя в возникновении трисомий играет роль наследственность, механизмы нерасхожде-ния хромосом остаются не известными. Эта патология связана не только с наследственностью: трисомии в родословной не всегда ведет к заболеванию у потомков. В такой ситуации можно вести речь не о генетической предрасположенности, а о факторах риска, среди которых наследственность является одной из многих.
Активные формы кислорода, как факторы спонтанных мутации. Среди факторов, вызывающих спонтанные мутации, обсуждаются активные формы кислорода (АФК), в частности, супероксидный радикал (О2-) и перекись водорода (Н2О2) [4]. Для утилизации АФК в клетках имеются ферменты, например, супер-оксиддисмутазы (СОД), переводящие О2- в Н2О2, и каталаза, разлагающая Н2О2 на кислород и воду. Однако не ясно, какие именно АФК (а их насчитывается более десятка [4]) ответственны за мутации. Мутагенным фактором считают повышенную продукцию АФК, хотя указывают на пероксинитрит (один из продуктов окисления азотсодержащих соединений) как на мутаген и ингибитор транспорта электронов. Непонятны причины, вызывающие спонтанные мутации, возникающие без видимых экзо- или эндогенных стимулов, как полагают, лишь в результате случайных ошибок в системах функционирования нуклеиновых кислот, происходящих «по статистическим соображениям». Такие мутации могут опосредоваться локальным ростом уровня АФК. Сверхпродукция АФК возникает в фагоцитах и гранулоцитах, в частности в нейтрофилах, и при этом не важно, имеют ли место фагоцитоз и воспаление. Это явление определено как «респираторный взрыв», в котором повышенное потребление кислорода непрофессиональными фагоцитами (нейтрофилами, базофилами) завершается наработкой О2- и выбросом его и других АФК во внеклеточную среду. В итоге АФК проникают в клетки, обделенные (в отличие от потенциальных фагоцитов, имеющих соответствующие системы) средствами защиты от их высоких доз.
Для возникновения трисомий мутации должны происходить с определенным постоянством в мейозе (в стадии мейоз II), в момент, за которым следует расхождение хромосом или несколько ранее. Альтернатива этому - наличие необнаруженного дефекта гена (генов), кодирующего белок (или их группу), участвующий в образовании либо волокон веретена деления, либо в иных событиях, обеспечивающих равное распределение хромосом между дочерними клетками. Возможность мутаций в мейозе
II, разумеется, существует, но их частота (не мутаций вообще, а именно приводящих к нерасхождению хромосом) должна быть достаточно высокой (например, вероятность рождения ребенка с синдромом Дауна не менее 1:2000). Частота мутаций, ведущих к трисомиям, увеличивается с возрастом матери, когда женщине более 40 лет, и, вероятно, повышена в молодом возрасте, когда матери менее 18 лет. Аналогичная закономерность прослеживается и при невынашивании беременности: если женщине <20 лет или >35 лет, то вероятность спонтанного аборта повышена. Смертность (в частности, в результате остановки дыхания во сне [3]) новорожденных от матерей <20 лет вдвое выше, чем среди детей, родившихся у женщин 20-25 лет, хотя в обеих группах частота патологий репродуктивной системы и протекания беременности одинаковы [9]. В большинстве случаев неизвестны причины (в том числе возрастные), влияющие на частоту мутаций, которая зависит от многих факторов, в частности - от способа оценки. У одноклеточных она составляет 10-9-10-6 на цикл генерации, а в клетках человека частота мутаций выше (>10-5), несмотря на то, что по сравнению с первыми многоклеточный организм имеет более мощные системы репарации ДНК. Возможно, это объясняется тем, что вероятность мутаций возрастает при стрессе, которым для ряда женщин оказывается и половой
* НИИ медицинских проблем семьи Донецкого государственного медицинского университета им. М. Горького Донецк, Украина
