MECHANISMS OF INTERACTION BETWEEN THE CIRCADIAN SYSTEM, EEG RHYTHMS AND REGULATION OF VEGETATIVE PROCESSES

Full Text

■ ВВЕДЕНИЕ Центр регуляции циркадианных ритмов локализован в супрахиазматических ядрах (СХЯ) переднего гипоталамуса. СХЯ получают информацию о внешних циклических природных колебаниях освещенности от специфических меланопсин-содержащих фоточувствительных клеток сетчатки, которые не связаны с функцией зрения [1]. Максимальная чувствительность фоторецепторных ганглиозных клеток сетчатки лежит в области спектра излучения видимого света с максимумом 480 нм [2]. Эти открытия ставят под сомнение адресную адекватность светового воздействия на циркадианную систему источников света со спектром излучения вне 480 нм [3]. В приведенных в литературе исследованиях предпринимаются попытки воздействия на циркадианные часы человека посредством световых экспозиций с длиной волны, только приближающейся к спектру максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы [4, 5]. Установлено, что низкие уровни внешней солнечной освещенности в зимнее время являются ключевыми факторами риска здоровья человека [6, 7]. Недостаточность естественной циркадианной регуляции вызывает измененные эмоциональные и физиологические эффекты типа сезонной депрессии, нарушений сна и нейроэндокринных заболеваний [8, 9]. ■ ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ Изучить динамику ритмов ЭЭГ и вегетативные ответы организма человека при кратковременном воздействии на сетчатку глаза голубым светом в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы в период дневного бодрствования. ■ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Были проведены 2 серии экспериментов: первая серия была направлена на исследование нейрофизиологических коррелятов ЭЭГ адекватной активации циркадианной системы, вторая - на изучение быстрых вегетативных ответов на стимуляцию циркадианных механизмов. В первой серии исследований приняли участие 8 студентов-добровольцев СамГМУ в возрасте 18- 20 лет. ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью 128-канальной системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainAmpStandart 128). Протокол исследования: запись фоновой ЭЭГ в течение 1 мин (I этап); запись ЭЭГ в период воздействия на сетчатку глаза световым потоком с максимумом огибающей в области 480 нм(11 этап)в течение 2 мин; запись ЭЭГ после светового воздействия на сетчатку глаза (III этап)в течение 1 мин. На всех трех этапах испытуемые находились с открытыми глазами в звукоизолированной комнате в состоянии покоя сидя в ЭЭГ-кресле (Neurobotics, Россия). Во второй серии экспериментов приняли участие 14 студентов-добровольцев СамГМУ в возрасте 18- 20 лет. Протокол исследования: регистрация фоновых значений артериального давления и вариабельности сердечного ритма (ВСР) (I этап исследования) в течение 5 мин; запись параметров ВСР в период воздействия на сетчатку глаз световым потоком 480 нм (II этап) в течение 5 мин; запись параметров ВСР после светового воздействия на сетчатку глаз (III этап) в течение 5 мин. На всех трех этапах испытуемые находились с открытыми глазами. Запись кардиоинтервалограммы производили с помощью пульсоксиметра «ЭЛОКС-01С3» с оптическим пальцевым датчиком (Россия). Непосредственно перед записью ВСР испытуемые находились в состоянии покоя сидя в ЭЭГ-кресле (Neurobotics, Россия) в течение 10 минут. В первой и второй сериях исследования естественная освещенность комнаты на уровне глаз испытуемых равнялась в среднем 135 Лк, а яркость - 400 кД/м2. Измерение освещенности и яркости проводили с использованием прибора ТКА-ПМК (02), зарегистрированного в реестре средств измерений 24248-09 (Россия). Электронный девайс для адекватной стимуляции меланопсин-содержащих ганглиозных клеток сетчатки представляет собой прибор, излучающий световой поток в диапазоне видимого спектра света с максимумом огибающей в области 480 нм [10]. Диапазоны регулируемой освещенности и яркости светового потока электронного девайса составляют: min - 140 Лк/ 145 кД/м2; max - 1650 Лк/875 кД/м2. При обработке ЭЭГ с помощью МatLab разделялась на отдельные частотные диапазоны: дельта (0,3-3,9 Гц), тета1 (4,0-5,9 Гц), тета2 (6,0-7,6 Гц), альфа1(7,7-9,2 Гц), альфа2 (9,3-10,5Гц), альфа 3 (10,6-12,9 Гц), бета1 (13,019,9 Гц), бета2 (20,0-35,0 Гц), гамма (36,0-170,0 Гц). Каждый частотный диапазон обрабатывался с помощью IBM SPSS Statistics 22. Достоверность измерений оценивалась параметрическими (t-тест Стьюдента для зависимых и независимых выборок) и непараметрическими (t-тест Вилкоксона для зависимых выборок и критерий Манна-Уитни для независимых выборок) методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,001. ■ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Первая серия исследований. В течение 2-минутной стимуляции рецепторного отдела циркадианной системы (II этап исследования) в бета 2- (у 71,4% испытуемых) и гамма- (у всех испытуемых) частотных диапазонах ЭЭГ преобладала десинхронизация, а в тета 2- и альфа 1- ритмах ЭЭГ у 71,4% испытуемых наблюдалась синхронизация. На III этапе нашего исследования по сравнению с фоновой ЭЭГ у 85,7% испытуемых в тета 1-, тета 2-, альфа 1-, альфа 2-, альфа 3- , бета 2- диапазонах ЭЭГ превалировала синхронизация, а в гамма-диапазоне на III этапе у 57,1% испытуемых сохранилась десинхронизация (у 42,9% проявилась синхронизация). В дельта- диапазоне ЭЭГ на II и III этапах исследования у испытуемых десинхронизация и синхронизация были представлены в равной степени. На II этапе исследования при синхронизации в тета1-, тета 2-, альфа1-, альфа3-, бета1- диапазонах мощность в данных диапазонах ЭЭГ была максимальной после 1 минуты восприятия коротковолнового света. На второй минуте данная тенденция несколько уменьшилась (рис. 1). Рисунок 1. Локализация достоверных отведений (р<0,001) и их количество, динамика средних значений мощности по сравнению с фоном, ROC-кривая и значение площади под ней тета2- и бета2- частотных диапазонов ЭЭГ испытуемого А на II и III этапах исследования первой серии; 1,2 мин - продолжительность световой экспозиции на II этапе. На III этапе исследования в тета1-, тета 2- и альфа1-диапазонах ЭЭГ значительно увеличилось количество достоверных ЭЭГ-отведений (генерализо-ваннай характер реакции) (р<0,001). В альфа 3-ритме ЭЭГ наоборот увеличение мощности на III этапе носило более локальный характер (34 достоверных ЭЭГ-отведений) по сравнению с фоном (96 ЭЭГ-отведений). Для бета1-диапазона ЭЭГ было характерно наименьшее количество достоверных ЭЭГ-отведений: на первой мин II этапа - 20, на второй мин II этапа - 10 ЭЭГ-отведений, на III этапе - 18 достоверных ЭЭГ-отведений. Регрессионный анализ для тета1-, те-та2-, альфа1-, альфа 3- и бета1- ритмов ЭЭГ показал снижение чувствительности и надежности сигнала от первой ко второй минуте II этапа и увеличение площади под ROC-кривой на III этапе исследования. Бета2- и гамма- частотные диапазоны ЭЭГ, как отмечалось ранее, на адекватную стимуляцию меланопсин-содержащих ганглиозных клеток отреагировали уменьшением мощности как на II этапе, так и на III этапе. При этом увеличилось количество достоверных ЭЭГ отведений от II этапа (бета2 - 30; гамма - 14) к III этапу (бета2 - 50; гамма - 28) исследования. Для бета2- ритма ЭЭГ регрессионный анализ показал снижение чувствительности и надежности от первой ко второй минуте II этапа и увеличение площади под ROC-кривой на III этапе исследования. В течение 2-минутной световой экспозиции с максимумом огибающей в области 480 нм в дневное время суток нами получен ЭЭГ ответ в виде синхронизации в низко- и среднечастотных (тета2-, альфа1-) и десинхронизации в высокочастотных (бета2 и гамма) диапазонах, а после коротковолновой световой экспозиции ЭЭГ ответ проявился в виде синхронизации в низко- (тета1, тета2), средне- (альфа1, альфа2, альфа3) и высокочастотных (бета2) диапазонах. Вторая серия экспериментов. Анализ кардиоинтер-валографии нами производился на основе комплекса показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР): частоты сердечных сокращений (ЧСС), продолжительности интервала (NN), индекса напряжения регуляторных систем по Р.М.Баевскому (ИН), общей мощности спектра ВСР (ТР), составляющих спектра ВСР - высокочастотного компонента (HF, диапазон 0,15-0,40 Гц, период 2,0 - 6,6 сек) и низкочастотного компонента (LF, диапазон 0,04-0,15 Гц, период 6,6 - 20,0 сек) (табл. 1). Воздействие голубым светом с длиной волны 480 нм привело к коротколатентным вегетативным ответам, проявившимся в увеличении продолжительности кардиоинтервала, увеличении мощности низкочастотного компонента ВСР и процента LF от суммарной мощности колебаний, уменьшении процента высокочастотных колебаний спектра ВСР и уменьшении величины систолического артериального давления. Описанные острые вегетативные ответы на адекватную стимуляцию меланопсин-содержащих ганглиозных клеток сетчатки вероятно являются проявлением особенностей их анатомо-физиологических связей со структурами мозга [7]. Предполагается, что проекции фоточувствительных ганглиозных клеток сетчатки каудальнее СХЯ, в частности в вентральную субпа-равентрикулярную зону, могут обеспечивать прямые входы от меланопсин-содержащих ганглиозных клеток сетчатки к нейронам гипоталамуса, которые осуществляют контроль вегетативных функций организма человека [2, 4]. Кроме того, аксоны фоторецепторных ганглиозных клеток направляются к нейронам латерального коленчатого тела, в претектальную область, дорсальные ядра шва, к медиальной части миндалины и др. [3]. Представленные структурно-функциональные связи циркадианной системы обуславливают полученный нами острый вегетативный ответ на адекватную стимуляцию меланопсин-содержащих ганглиозных клеток сетчатки. Параметры Этапы исследования I этап II этап III этап NN, мс 817,88 ± 28,80 854,13 ± 34,82* 846,88 ± 30,57 ЧСС, уд/мин 72,43 ± 3,33 70,14 ± 3,76* 70,00 ± 3,09* ИН, усл. ед 33,13 ± 7,83 34,25 ± 8,58 25,63 ± 3,46 ТР, мс2 8370,1 ± 1551,63 8273,63 ± 1636,55 9585,5 ± 1055,01 LF, мс2 2627,88 ± 625,94 3014,63 ± 808,81 3668,63 ± 571,65* HL^e2 3078,01 ± 762,68 3254,38 ± 1180,11 3158,63 ± 888,22 LF, % 46,88 ± 4,88 52,63 ± 7,34 57,63 ± 5,93* HL, % 53,13 ± 4,88 47,38 ± 7,34 42,38 ± 5,93* СД, мм ртст 115,11 ± 2,91 108,44 ± 2,07** 109,22 ± 2,84* Таблица 1. Средние значения показателей ВСР и артериального давления (M±m) ■ ЗАКЛЮЧЕНИЕ В нашей работе впервые был описан феномен десинхронизации бета2- и гамма- диапазонов ЭЭГ и последующей синхронизации бета2 ритма ЭЭГ в условиях воздействия света в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы. При анализе литературы не было найдено данных о влиянии голубого света в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы в дневное время на гамма- и бета- диапазоны ЭЭГ. Мы предполагаем, что циркадианные часы человека контролируют когнитивные и психосоматические функции мозга при участии бета2- и гамма-квантования. Наши результаты указывают и на возможность быстрой коррекции вегетативного фона человека с помощью нового источника светового излучения с максимумом огибающей в области 480 нм [10], а также открывают возможности для исследования гормональных, физиологических и поведенческих ответов и их прикладного значения в лечении десинхронозов, оптимизации функционального состояния для решения задач образования и профессиональной деятельности человека [8, 9].

About the authors

N P Romanhuk

Samara State Medical University

Email: Romanchuknp@mail.ru
postgraduate student at the Department of physiology with the course of life safety and disaster medicine, Samara State Medical University ap. 15, 29 Klinicheskaya st., Samara Russia, 443096.

N L Tyurin

Samara State Medical University

Email: tnl@list.ru
PhD, associate professor of the Department of physiology with the course of life safety and disaster medicine, Samara State Medical University.

O V Borisova

Samara State Medical University

Email: Oxasamara@mail.ru
PhD, senior lecturer of the Department of physiology with the course of life safety and disaster medicine, Samara State Medical University.

L N Loginova

Samara State Medical University

Email: loa-oen@yandex.ru
teaching assistant of the Department of physiology with the course of life safety and disaster medicine, Samara State Medical University.

L A Kirasirova

Samara State Medical University

Email: lyu63lyu@ya.ru
5th year student at the Department of General Medicine, Samara State Medical University

References

Supplementary files