CC BY
145
УДК 611.8+612.82:616.83/.85
ЦИРКАДИАННАЯ БИОФИЗИКА И НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ
А.Н. Волобуев, Н.П. Романчук, В.Ф. Пятин
ГБОУ ВПО «Самарский государственный медицинский университет» Минздрава России Самара, Россия
Аннотация. В статье рассмотрена современная роль нейрофизиологических механизмов влияния «циркадианной биофизики и хрономедицины» на нейропластичность: скорость ответа нервной системы на эндогенные и экзогенные стимулы, её быстрая адаптация путем оптимальной структурно-функциональной перестройки. Нейропластичность характеризуется способностью нейронов относительно быстро изменять свои функции, количество и типы продуцируемых нейротрансмиттеров или структуру нейросети, что позволяет эффективно применять комбинированное лечение. Показано, что репаративные процессы и компенсация нарушенных функций происходят за счет реорганизации ЦНС и пластичности всех систем жизнеобеспечения нейрона, включая нейроглию и систему регуляции кровообращения головного мозга.
Ключевые слова: биофизика нейропроцессов, когнитивные нарушения, нейрогенез, нейрональные сети, нейропластичность, хрономедицина, циркадианная биофизика.
Персонифицированное здоровье и долголетие человека с сохранением когнитивных функций зависят от комплексного и своевременного применения системного гериатрического анализа и использования показателей мониторинга биологических параметров во времени (в частности, от длительности клинической программы определения и коррекции биологического возраста, снижения коэффициента полиморбидности и т.д.), для повышения функциональных резервов организма. Это также позволяет оценить эффективность комбинированного индивидуального лечения. Отметим, что комплексный гериатрический анализ, в том числе его генетико-математическая составляющая, направлены на достижение достоверности и объективности оценки продолжительности жизни человека в стране и в регионе за счет учета влияния мутагенных факторов, как на геном человека в процессе его жизнедеятельности, так и на популяцию в целом [1].
Геном человека и его обширная нейросеть — это основной фундамент мозга, биоинформационный план строения и функционирования организма. Организм постоянно контактирует со своим ге-
номом, используя нейронные программы мозга. В этом и заключаются когнитивные возможности организма. При этом мозг никогда не перестает функционировать, он постоянно работает благодаря своей нейропластичности и активизации нейронов.
Существование живого организма во многом определяется квантовыми процессами переноса информации в его нейрокибернетической системе. Электрические уединенные волны — нервные импульсы — переносят частотно-кодируемую информацию по нервным волокнам с достаточно высокой скоростью, достигающей несколько десятков м/с. Биофизические основы возникновения отдельного нервного импульса, или потенциала действия, представляют большой интерес, как с общебиологической точки зрения, так и для практической медицины [2].
В настоящее время установлено, что в дефинитивной нервной системе продолжаются процессы нейрогенеза, а функционирование нейрональ-ных сетей взрослого мозга человека, занимающегося творчеством, на достаточно высоком уровне происходит непрерывно.
The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2016. Vol. 18. No 8
----—
Нейроны — это высокотехнологичные процессоры головного мозга, а их электрические и химические сигналы — это основа мыслей и памяти. Развитие нейросети и, соответственно, нейропла-стичности строго индивидуально в различные возрастные периоды.
Если нейрональная обработка синаптического сигнала будет достаточно быстро изменять свои параметры во времени, то этот процесс будет «ней-ронально пластичным». Такие изменения могут носить как кратковременный, так и долговременный характер.
Поток информации передается параллельно по многим каналам. При этом, широкополосная нейропередача, изменяя состояние мембраны, меняет свойства синаптического сигнала. Информация кодируется посредством локальных внесинап-тических флуктуаций нейропередатчиков мозга. Эти колебания определяют, как и какие нейроны или нейрональные компартменты в сети будут обрабатывать входящие синаптические сигналы.
Заставляя мозг работать на максимальном уровне, мы стимулируем развитие и поддержание нейронных связей, которые делают творческий процесс более плодотворным [8; 9].
Многие ученые считают, что обучение и память основаны исключительно на синаптической пластичности (потенциации и депрессии передачи сигнала в синапсах). Нейроны, при этом, выполняют лишь интегративную функцию для возбуждающих и тормозных синаптических токов, результатом которой является вероятность возникновения потенциала действия в аксоне. Это является значительным упрощением, как и представление о том, что тоническая активация внесинаптических рецепторов лишь меняет возбудимость нейронов посредством шунтирующего тока.
Изменение биофизических свойств (проводимость, возбудимость, потенциал, ионные градиенты) мембраны нейрона или его отдельных ком-партментов (сомы, ответвлений, дендритов) при активации внесинаптических рецепторов широкополосным нейропередатчиком может изменять характеристики входящих синаптических токов (подавление, усиление, укорачивание, удлинение). Причем эти изменения происходят благодаря свойствам мембраны нейронов, лежащей за пределами синапсов. Так, можно представить, что в условиях неизменной синаптической передачи, синаптиче-ские токи могут быть подавлены или усилены в зависимости от компартмента нейрона, на котором находится синапс.
Нейрогенез у взрослых может являться одним из механизмов пластичности мозга, выражающейся в увеличении количества нейронов и структурной перестройке нейрональных сетей, образовании новых синапсов и изменении синаптической передачи.
Головной мозг — основной орган, реагирующий на стресс. Эта реакция является комплексным, очень сложным процессом, в котором происходит как активация, так и подавление различных мозговых структур, связанных с формированием памяти, осуществлением двигательных, эмоциональных и когнитивных функций.
В основе долговременной памяти лежат сложные структурно-химические преобразования на системном и клеточном уровне головного мозга. Эти преобразования сосредоточены в синапсе, в участке межнейронных взаимодействий, а также на уровне генома клетки, и связаны со сложными процессами синтеза белка в нейронах [8; 9].
Хронический стресс приводит к депрессии, которая в свою очередь вызывает повреждения нейронных сетей. Стресс, производимый окружающей средой (стресс на работе, в семье), и в особенности стрессирующие события в жизни, такие как психологические травмы, — это наиболее распространенные факторы, вызывающие депрессию.
Депрессия является хроническим, рецидивирующим, имеющим множественную этиологию и опасным для здоровья и жизни состоянием. Она представляет набор психологических, нейроэндо-кринных, физиологических и поведенческих симптомов. Выраженность этих симптомов определяет степень депрессии, которой в те или иные моменты жизни подвергаются более 75% людей во всем мире.
Зоны мозга, наиболее сильно страдающие от депрессии, — это зоны, отвечающие за формирование эмоций, за процессы обучения и памяти, а именно префронтальная кора, базальные ядра и гиппокамп. Изменения, происходящие в них, включают уменьшение объема структур, размеров нейронов и их плотности, что часто связано с нарушениями гемодинамики и метаболизма глюкозы. Также снижается количество клеток глии, которые играют важную роль в передаче нервного импульса.
Глия составляет примерно 40% всего объема головного мозга. Глиальные клетки в 3—4 раза меньше нервных. У человека с возрастом происходит процесс замещения нейронов глией.
----—-
Вставочные нейроны — это самые распространенные клетки в нервной системе (примерно 95%), в частности большая часть всех нейронов больших полушарий головного мозга — вставочные. Терминали их аксонов заканчиваются на нервных клетках своего центра, что обеспечивает их функциональную интеграцию.
Один вид ассоциативных нейроцитов получает информацию от других центров, после чего распространяет ее на клетки своего центра. То, сколько параллельных путей задействовано в передаче сигнала, влияет на время сохранения информации в центре и усиление влияния импульса.
Другие вставочные нейроциты получают сигнал от моторных нейронов собственного центра, после чего отсылают его назад в свой же центр. Таким образом, образуются реципроктные обратные связи, которые позволяют продолжительно сохранять информацию.
Тормозные промежуточные нейроны приходят в возбуждение посредством прямых импульсов, которые поступают в их центр, или сигналов, следующих из этого же центра по обратным связям.
Непосредственными нервными клетками, которые локализованы в головном мозге, являются интернейроны, а остальные (двигательные, в том числе преганглионарные, постганглионарные, чувствительные первичные и вторичные) регулируют деятельность головного мозга вне его самого.
В результате многочисленных исследований отечественных и зарубежных ученых установлено, что синапсы обладают, с одной стороны, стабильной пространственной организацией, с другой — высокой пластичностью и считаются ключевым местом коммуникации между нейронами, а также между нейронами и другими клетками. В головном мозге человека содержится приблизительно 1018 химических синапсов, а плотность расположения синапсов, например, в коре полушарий большого мозга, может достигать 109/мм3. В химических синапсах передача электрического возбуждения опосредуется химическими веществами — нейромеди-аторами, выделяемыми пресинаптическим окончанием и взаимодействующими с белковыми рецепторами на постсинаптической мембране.
В настоящее время остается много вопросов и неразгаданных тайн когнитома. Когнитом — это нейросети, биофизика, физика и математика электрических и химических полей. Проблема когни-
тома заключается в том, что необходимо исследовать как возникает комбинаторный когнитивный взрыв.
В последние годы изучается нейропластич-ность с привлечением всего комплекса базисных нейронаук: молекулярной и клеточной нейробио-логии, молекулярной нейрогенетики, нейрофизиологии, нейрохимии, нейроморфологии, нейрофар-макологии и др. Это позволило значительно расширить представления о фундаментальных основах нейропластичности и теоретически обосновать разработку принципиально новых методов нейро-реабилитации.
Также продолжаются исследования в области клеточных технологий, функциональной геномики и протеомики, по изучению нейропластичности на трансгенных моделях неврологических заболеваний.
Многие ученые предпологают, что сон закрепляет воспоминания с помощью «усиления» синапсов, которые активизировались во время записи информации при бодрствовании. Их мысль заключается в том, что при активизации связанных таким образом нейронов синапсы все лучше и лучше проводят сигнал. Такое избирательное укрепление связей (долговременная синаптическая пластичность) служит механизмом запоминания нашего мозга. Воспоминание кодируется в нейронных связях с помощью «усиленных» связей, которые становятся еще прочнее во время сна. Гипотеза синап-тического гомеостаза подчеркивает огромную значимость сна в детстве и подростковом возрасте. Многие исследования показали, что это период активного обучения, который влечет за собой масштабное переустройство синаптической системы. Синапсы формируются, укрепляются и ослабляются гораздо активнее, чем во взрослом возрасте.
Современная хрономедицина — это управляемая система контроля комплексного влияния космических, биофизических, биологических, медицинских и социальных показателей (маркеров, факторов) на организм человека [8].
Циркадианная биофизика XXI века — это исследование дополнительного воздействия различных источников квантовой энергии на организм человека, при наличии у него, с позиции доказательной медицины, десинхроноза [7; 8].
Современный дифференцированный принцип применения хронобиотиков затрагивает как центральное, так и периферическое звено циркадиан-
The Journal of scientific articles "Health and Education Millennium", 2016. Vol. 18. No 8
—--—
ной системы. Используется три основных принципа хронотерапии десинхронозов:
1) хроностандартизованный;
2) хроноселективный — время, дозировка и кратность применения хронобиотика подбираются индивидуально;
3) хронокомбинированный — объединяющий как положительные стороны предыдущих принципов хронотерапии десинхронозов, так и инновационные авторские разработки [1—9].
Современные десинхронозы играют важную роль в патогенезе цереброваскулярных и сердечнососудистых расстройств. Экзогенные нарушения циркадианных ритмов (вследствие нарастающего электромагнитного воздействия, изменения освещенности, смены ритма труда и отдыха и т.п.) могут провоцировать нарушения эндогенной регуляции сердечного ритма, сосудистого тонуса, выделения гормонов и др. Необходимо отметить, что десинхронозы развиваются при острых и хронических нарушениях мозгового кровообращения, когнитивных нарушениях и пограничных расстройствах личности вследствие комбинированного разрушения звеньев циркадианной системы и нарушения систем регуляции нейрогормонов, что приводит к системным метаболическим изменениям [4—9].
Своевременная диагностика, комбинированное лечение и профилактика десинхронозов, включая квантовую экобиотронику и функциональные продукты питания (ФПП) «Самарский здоровяк», 1Т технологии и играют важную роль не только в предотвращении возникновения и прогрессиро-вания цереброваскулярных и сердечно-сосудистых заболеваний, но и в решении национальной проблемы России — снижения смертности от болезней системы кровообращения [1—9].
Оценка влияния микро- и макронутриентов, витаминов и минеральных веществ многофункционального и комбинированного ФПП «Самарский здоровяк» является необходимой для достижения целевых показателей долголетия человека с сохранением когнитивных функций [5; 8; 9].
Применение ПЭТ дает уникальную диагностическую информацию, которая позволяет получить не только алгоритм медикаментозного и немедикаментозного лечения, но и оценить уровень функциональных резервов организма, их состояние, а также создает возможность с помощью влияния растительных белков ФПП и минеральных компонентов ФПП достичь максимального когнитивного и активного долголетия [7].
Изменение белкового метаболизма нейрона является решающим звеном сложнейшей цепи процессов формирования и закрепления памяти.
В последние годы получено множество доказательств о наличии различных взаимосвязанных видов пластичности синапсов: 1) биофизический, восстановление нарушенных биофизических свойств мембран нейронов, нейротрансмиссии, ней-рональной функции и нейропластичности нервных клеток и их анатомических и функциональных полей; 2) эволюционный, развитие простых нейронных сетей в сверхсложные мультимодульные сети, способные осуществлять высшие психические функции; 3) онтогенетический, индивидуальное развитие — обеспечивающее приспособление организма к внешней и внутренней среде; 4) физиологический, связан с физиологической активацией функциональных нейросистем; 5) реактивный, характеризуется краткосрочной активацией синапсов после патологического воздействия на них различных факторов (ишемия, гипоксия, токсины); 6) адаптационный, связан с длительной активацией существующих функциональных систем мозга и появлением новых функциональных систем мозга в процессе адаптации организма к окружающей среде; 7) репаративный, обеспечивает восстановление функциональных систем мозга после их повреждения, что реализуется всем спектром повышения эффективности синаптического пула, от активации сохранившихся синапсов до неоси-наптогенеза и роста нервных отростков.
Современная неврология выделяет следующие основные направления регуляции синаптиче-ской пластичности мозга: 1) избирательное воздействие на определенные компоненты системы межнейронной трансдукции (рецепторы, ионные каналы) и различные уровни внутриклеточной регуля-торной системы (кальциевая, фосфоинозитидная, аденозин- и гуаноинмонофосфатная); 2) повышение адаптивных возможностей нейронов головного мозга в целом; 3) целенаправленная нейропротек-ция с помощью различных медикаментозных и немедикаментозных средств.
Таким образом, инновации циркадианной биофизики и хрономедицины, использование нейрофизиологических, биофизических, биохимических, молекулярно-генетических, нейроиммунологиче-ских методов, клеточных технологий и других современных методов, позволяют решить проблему нейропластичности, когнитивного долголетия с позиций нейрореабилитации и восстановительной медицины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Волобуев А.Н., Захарова Н.О., Романчук Н.П., Романов Д.В., Романчук П.И., Адыширин-Заде К.А. Современные принципы гериатрического анализа в медицине // Успехи геронтологии. 2016. Т. 29. № 3. С. 461—470.
2. Волобуев А.Н., Неганов В.А., Нефедов Е.И., Романчук П.И. Квантово-механические эффекты при работе ионных каналов // Вестник новых медицинских технологий. 1998. Т. V. № 2. С. 7—10.
3. Волобуев А.Н., Разумов А.Н., Романчук П.И., Романчук Н.П. Влияние формы импульса на электростимуляцию возбудимой ткани // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры. 2010. № 3. С. 10—14.
4. Пятин В.Ф., Романчук Н.П., Романчук П.И. и др. Способ нормализации циркадианных ритмов человека. Патент РФ на изобретение 2533965.
5. Разумов А.Н., Романчук П.И., Малышев В.К. Активное долголетие и артериальная гипертония: Роль новых медико-генетических механизмов и инноваций восстановительной медицины // Вестник восстановительной медицины. 2010. № 5. С. 2—7.
6. Романов Д. В., Романчук Н. П. Ранняя диагностика когнитивных нарушений. 2014.
7. Романчук Н.П., Пятин В.Ф., Волобуев А.Н. По-зитронно-эмиссионная томография и электроэнцефалография: современная диагностика и коррекция когнитивных нарушений // Электронный научно-образовательный вестник Здоровье и образование в XXI веке. 2016. Т. 18. № 2. С. 7—12.
8. Романчук П.И., Волобуев А.Н., Сиротко И.И. и др. Активное долголетие: биофизика генома, нутриге-номика, нутригенетика, ревитализация. 2013.
9. Романчук П.И., Романчук Н.П., Малышев В.К. и др. Способ лечения хронической ишемии головного мозга человека. Патент РФ на изобретение 2506952.
CIRCADIANAL BIOPHYSICS AND NEUROPLASTICITY
A.N. Volobuev, N.P. Romanchuk, V.F. Pyatin
Samara State Medical University Samara, Russia
Annotation. In article the modern role of influence neuronphysiological mechanisms of the «circadianal biophysics and chronomedicine» on neuroplasticity is considered: a velocity of the nervous system answer on endogenous and exogenous stimulus, its fast adaptation by optimum structurally functional reorganization. Neuroplasticity it is characterized by ability of the neurons rather quickly to change the functions, quantity and types of the produced neurotransmitters or structure of a neuronet, that allows to apply the combined treatment effectively. It is shown, the reparative processes and indemnification of the failure functions occur due to reorganization CNS and plasticity of all neuron life-support systems, switching neuroglia and system of a brain blood circulation regulation.
Key words: biophysics of neuroprocesses, cognitive failures, neurogenesis, neuronet, neuroplasticity, chronomedicine, curcadional biophysics.
REFERENCES
. 1 Volobuev A.N., Zaharova N.O., Romanchuk N.P., Romanov D.V., Romanchuk P.I., Adyshirin-Zade K.A. Modern principles of the geriatric analysis in medicine. Successes of gerentology, 2016, vol. 29, no. 3, pp. 461—470.
2. Volobuev A.N., Neganov V.A., Nefedov E.I., Romanchuk P.I. Quantum-mechanical effects at work of ionic channels. Bulletin of the new medical technology, 1998, vol. 5, no. 2, pp. 7—10.
3. Volobuev A.N., Razumov A.N., Romanchuk P.I., Romanchuk N.P. Influence of the form of an impulse on electrostimulation of an excitable tissue. Questions of the curortology, physiotherapy and exercise therapy, 2010, no. 3, pp. 10—14.
4. Pyatin V.F., Romanchuk N.P., Romanchuk P.I. Method of normalization of circadian rhythms in humans. Patent 2533965.
5. Razumov A.N., Romanchuk P.I., Malishev V.K. Active longevity and an arterial hypertension: a role of new medical-genetic mechanisms and innovations of rehabilitation medicine. Bulletin of regenerative medicine, 2010, no. 5, pp. 2—7.
6. Romanov D.V., Romanchuk N.P. Early diagnosis of cognitive disorders. 2014.
7. Romanchuk N.P., Pyatin V.F., Volobuev A.N. Positron-Emission Tomography and electroencephalography: modern diagnostics and corrective of cognitive disorders. Online scientific and educational Bulletin "Health and Education Millennium", 2016, vol. 18, no. 2, pp. 7—12.
8. Romanchuk P.I., Volobuev A.N., Sirotko I.I. et al. Active longevity: biophysics of the genome, nutrigenomics, nutrigenetics, revitalization. 2013.
9. Romanchuk P.I., Romanchuk N.P., Malishev V.K. et al. Method of treating human chronic cerebral ischemia. Patent RF 2506952.
