влияние пребывания в нормобарической гипоксической среде на

ВЛИЯНИЕ ПРЕБЫВАНИЯ В НОРМОБАРИЧЕСКОЙ
ГИПОКСИЧЕСКОЙ СРЕДЕ НА БИОЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ
ГОЛОВНОГО МОЗГА ЧЕЛОВЕКА
Д.В. Шатов, А.О. Иванов, д.м.н., Р.Т. Тагиров,
Г.Д. Елисеев, Г.С. Грошилина, к.м.н.
Российская Федерация, г. Ростов-на-Дону, ГБОУ ВПО «Ростовский
государственный медицинский университет» МЗ РФ
Необходимость пребывания человека в условиях пониженного парциального давления кислорода является частым фактором профессиональной деятельности специалистов опасных профессий (летчиков, десантников, спасателей, пожарных и др.), спортсменов и других категорий лиц. Известно, что влияние острой гипоксии на умственную (в том числе операторскую работоспособность) проявляется в снижении продуктивности и эффективности деятельности,
повышении ее ошибочности, приводя в целом к снижению профессиональной
надежности специалистов [1, 2]. При этом предварительное проведение тренировки (искусственной адаптации) к гипоксии позволяет снизить повреждающий
эффект гипоксического воздействия на организм, что проявляется, в частности,
в сохранении достаточного уровня надежности умственной (операторской) деятельности в условиях гипоксии [2, 3]. Однако интимные механизмы подобных
эффектов гипоксических тренировок пока недостаточно четко определены.
Целью исследования явилась углубленная оценка состояния спонтанной
и вызванной биоэлектрической активности головного мозга человека при периодическом циклическом пребывании в нормобарических гипоксических средах.
Материалы и методы. Исследования выполнены с участием 8 добровольцев - мужчин в возрасте 22-25 лет. Норомобарическую гипоксическую газовую
среду (НГГС) формировали с использованием гипоксического комплекса
(США). Дизайн комплекса позволял автоматически поддерживать заданные параметры НГГС, давал возможность находиться испытуемым в обычном режиме
двигательной активности, не создавая неизбежных при использовании масочных гипоксикаторов неудобств при дыхании, перемещениях и наложении электродов на поверхность головы. При проведении исследований испытуемые
непрерывно 1,5 часа (1 раз в сут.) находились в НГГС с содержанием кислорода
15% (рО2=114 мм рт. ст. [15,2 кПа]). Гипоксические воздействия проводились
ежедневно в течение 3 недель.
Запись электроэнцефалограммы (ЭЭГ) осуществлялась перед началом и
во время первого и заключительного пребывания испытуемых в заданной
НГГС. Регистрацию ЭЭГ проводили в соответствии с имеющимися требованиями [4] на компьютерном электроэнцефалографе «Нейрон-Спектр-3» (РФ). Была использована система отведений по Юнгу с числом накладываемых электродов 12 [4]. Регистрация проводилась в униполярных отведениях с референтным
электродом в виде объединенных ушных электродов. Постоянная времени 0.3 с,
верхняя полоса пропускания 50 Гц. Для оценки реактивности мозга применя-
лась фотостимуляция. Было выбрано два вида стимулов: вспышки белого света,
подаваемые с частотой 10 Гц, и вспышки зеленого света с частотой 6.5 Гц.
Анализ амплитудно-частотных параметров спонтанной активности проводился по стандартной процедуре [4]. Рассчитывалась средняя амплитуда и
спектр ЭЭГ за эпоху анализа 5 с.
Статистическая обработка полученных данных осуществлялась путем
вычисления Т-критерия Вилкоксона для связанных парных малых выборок. Для
оценки различий между группами признаков применяли критерий 2Хотеллинга.
Результаты исследования и их обсуждение
Исходные ЭЭГ испытуемых, зарегистрированные в условиях нормоксии,
характеризовались достаточной степенью регулярности альфа-ритма, четко модулированному в «веретена», с выраженным амплитудным градиентом: максимальная активность альфа-ритма регистрировалась в затылочных отведениях, и
он постепенно исчезал к лобным отведениям.
При регистрации спонтанной активности во время первого гипоксического воздействия обращало на себя внимание достоверное (р<0,001) снижение
амплитуды ЭЭГ, выявленное у всех испытуемых. Как показал спектральный
анализ, это происходило в основном за счет волн альфа-диапазона частот, доля
которых снижалась у некоторых лиц до 30%. При этом соответственно возрастала доля медленных волн низкой амплитуды преимущественно дельтадиапазона. В целом по группе суммарный альфа-ритм для доминантного левого
полушария снизился примерно на 20%, хотя наиболее выраженные изменения
наблюдались при отведении ЭЭГ от недоминантного правого полушария. Это
побудило нас проверить направленность функциональной асимметрии мозга в
условиях гипоксии. Однако ни в одном случае не наблюдалось реверсии доминантности (как это например показано в работе В.П. Леутина и соавт. [5]), исходя из средней спектральной мощности ЭЭГ и альфа-индекса над полушариями.
Одна из ключевых характеристик ЭЭГ – реактивность, т.е. способность
повторять частоту последовательно предъявляемых стимулов. Исходные ЭЭГ
всех испытуемых характеризовалась выраженной реактивностью: формировалась четкая реакция усвоения ритмической стимуляции.
При регистрации ЭЭГ во время первого пребывания испытуемых в НГГС
усвоения ритмической стимуляции у испытуемых не происходило, а в некоторых случаях реакцию можно было признать извращенной. Стимуляция частотой 10 Гц не сопровождалась увеличением амплитуды ЭЭГ, в отдельных
наблюдениях выраженность альфа-ритма возрастала лишь на 8-12%, но в целом
по группе спектр ЭЭГ практически не менялся по сравнению с фоновой (до
стимуляции) активностью. В большинстве случаев наблюдалась генерация гармоник второго порядка, в одном из наблюдений их количество в спектре ЭЭГ
достигло 15%. В целом по группе это отразилось в возрастании доли бета-волн,
частота которых (19-25 Гц) кратна частоте стимуляции.
Регистрируя параметры электрической активности мозга перед началом и
в период заключительного гипоксического воздействия (после окончания гипо-
ксических тренировок), были выявлены следующие факты. Состояние электрической активности мозга перед последним сеансом (обычные условия воздушной среды) было иным по сравнению с исходным (до тренировок). Основными
отличием оказалось повышение общей доли альфа-ритма в спектре ЭЭГ. Между этими двумя облаками параметров определялось высоко значимое (p=0,006)
математическое расстояние, оцененное по критерию 2-Хотеллинга.
При проведении повторного (после тренировок) ЭЭГ-исследования во
время гипоксии зарегистрировано достоверно меньшая, чем при первом исследовании, редукция альфа-ритма (р=0,041) и соответственно меньший прирост
доли среднеамплитудных волн дельта-диапазона, который в целом по группе
составлял 8-14%.
При повторном исследовании в условиях гипоксии в ответ на зрительную
стимуляцию с частотой 10 Гц экзальтация альфа-ритма зарегистрирована у половины испытуемых. При стимуляции зеленым светом с частотой 6,5 Гц хотя и
происходило увеличение представленности медленных компонентов, но в
меньшей степени, чем при первичном обследовании в НГГС. Так, если в при
первой «гипоксической пробе» количество дельта-волн при низкочастотной
стимуляции возрастало в среднем на 25%, то при последнем исследовании их
доля составляла 12-15% всего спектра (р=0,032).
Полученные данные свидетельствуют, что основной тенденцией изменения биоэлектрогенеза при пребывании в условиях формируемой НГГС оказалось снижение частоты суммарной активности нейронных констелляций. Выявленная нами тенденция совпадает с результатами, полученными при изучении других моделей формирования гипоксии мозга и ее влияния на электрогенез [5, 6, 7]. Очевидно, существует единая закономерность, когда в условиях
энергетического дефицита мозг переходит к генерации медленноволновых
средне- и низкоамплитудных колебаний, для которых не требуется такого же
мощного энергетического обеспечения, как для высокочастотных. Более того,
показано, что нейроны меньше повреждаются при острой гипоксии при достижении глубины наркоза, соответствующей дельта-ритму на ЭЭГ [8].
Компенсаторный характер изменений в ЦНС подчеркивается, на наш
взгляд, тем фактом, что в ответ на ритмическую фотостимуляцию происходит
генерация вторичных гармоник, что является показателем активации ЦНС и
свидетельствует о новом соотношении в нейронных констелляциях. В противном случае говорить о компенсаторном характере изменений было бы трудно,
переход в медленно волновый диапазон отражал бы скорее истощение нейронов в условиях энергетического дефицита [9].
Вероятно, механизмы, направленные на компенсацию гипоксического
воздействия, реализуются в большей степени в недоминантном полушарии.
Формирующаяся констелляция нервных центров, обеспечивающая в
условиях гипоксии новое состояние электрогенеза, настолько устойчива и обладает такой высокой возбудимостью, «перетягивая» на себя возникающее в
других нервных центрах возбуждение, что, пожалуй, ее можно считать доминантной. Наиболее демонстративны эти проявления при ритмической низкочастотной стимуляции зеленым светом. Если реакция усвоения ритма 6,5 Гц в
нормальных условиях характеризуется усилением тета-волн [9], то в условиях
гипоксии на ЭЭГ превалируют дельта-волны. Эти явления можно трактовать
как «электрофизиологические признаки доминантного очага» [4]. На наш
взгляд, формирование очага с чертами доминантности закономерно в данных
условиях, поскольку снижение напряжения кислорода в крови организмом
трактуется как состояние витальной угрозы.
Таким образом, в качестве одного из ведущих механизмов компенсации
острого дефицита кислорода можно рассматривать снижение спонтанной активности нейронов всех уровней, направленное, вероятно, на энергосбережение
в условиях гипоксии. В этих условиях на ЭЭГ регистрируется преимущественно медленная активность, отражающая флюктуацию уровня поляризации
нейронов коры и глиальных элементов. Медленноволновая активность в неповрежденном мозге человека формируется при выраженном снижении уровня
бодрствования, что хорошо известно из электрофизиологии цикла сонбодрствование [4]. Естественно, что подобное депримирующее влияние острой
гипоксии на функционирование нейронов высших отделов коры мозга проявляется в существенном снижении эффективности интеллектуальной деятельности
человека и ее надежности.
Снижение выраженности компенсаторно-приспособительных ЭЭГреакций в ответ на гипоксию, произошедшее в результате проведенных тренировок, можно, на наш взгляд расценивать как как проявление признаков ранней
адаптации обследованных лиц к условиям дефицита кислорода, связанной, как
известно [10, 11], с первичными структурно-функциональными перестройками
в организме, направленными на компенсацию длительно или периодически
действующего адаптогенного фактора и снижающими выраженность реакции
«платы».
По всей видимости, к основным механизмам такого влияния повторяющихся гипоксических воздействий можно отнести повышение устойчивости
нейронов высших отделов ЦНС к дефициту кислорода за счет перестройки метаболических процессов, повышения «экономичности» функционирования;
увеличения васкуляризации и кровоснабжения головного мозга; синтеза эндогенных субстанций, обладающих местным регуляторным действием. О подобных эффектах циклических субэкстремальных гипоксических воздействий уже
сообщалось нами [3, 12] и другими авторами [13].
Таким образом, перечисленные факторы, на наш взгляд, лежат в основе
механизмов снижения эффективности познавательной деятельности в условиях
пониженного парциального кислорода в воздухе, а также отмечающейся в результате гипоксических тренировок постепенной оптимизации умственной работоспособности, повышения надежности операторской деятельности.
Список литературы:
1. Qin Y. Locating the impairment of human cognitive function during hypoxia / Y. Qin, R.S. Ma, H.Y. Ni et al. // Spase Med. Eng. - 2010. - V.14, № 3. - P. 218220.
2. Бобылева О.В. Эффекты острой гипоксии и курса гипокситренировки
на результативность операторской деятельности человека и ее психофизиологическое обеспечение / О.В. Бобылева: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. – М.,
2006 - 22 с.
3. Иванов А.О. Восстановление работоспособности операторов путём использования разномодальных физических факторов / А.О. Иванов, Д.Н. Елисеев, С.М. Грошилин и др. // Военно- мед. журнал. - 2011. - Т. 332, № 5. – С. 7677.
4. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии (руководство для врачей) / Л.Р. Зенков. – М.: МЕДпресс-форм,
2004. – 368 с.
5. Леутин В.П. Прерывистая нормобарическая гипоксия как экспериментальная модель незавершенной адаптации / В.П. Леутин, С.Г. Кривощенков,
Г.М. Диверт, В.Г. Платнов, // Физиология человека. - 2004. - № 5. - С. 85-91.
6. Буреш Я. Сдвиги постоянного потенциала в структурах головного мозга крыс при фокальной ишемии и системной гипоксии / Я. Буреш, В.И. Королева, О.С. Королева, В. Мареш // Журн. высшей нервной деятельности. - 1998. Т.48, вып. 4. - С. 640-642.
7. Kawahara N. Protective effect of spreading depression against neuronal
damage following cardiac arrest cerebral ischemia / N. Kawahara, C. Rentreer, I.
Klatro // Neurol.Res. - 2005. - V.17. - P. 9-12.
8. Miles A.W. Apoptic neuronal death following cerebral ischemia / A.W.
Miles, N.W. Knuckey // J. Clin. Neurosci. - 2008. - V. 5, № 2. - P. 125-129.
9. Поляцкин И.Л. Особенности биоэлектрической активности головного
мозга у больных с психосоматическими заболеваниями / И.Л. Поляцкин, Н.В.
Щеглова // Клиническая нейрофизиология. – СПб., 2013. – С. 127-130.
10. Медведев В.И. Адаптация человека / В.И. Медведев. – СПб.: Инст-т
мозга чел. РАН, 2003. – С. 48-49.
11. Меерсон Ф.З. Адаптационная медицина: механизмы и защитные эффекты адаптации / Ф.З. Меерсон. - М.: Hypoxia Medical J., 1993. - С.168-226.
12. Грошилин С.М. Коррекция астенических расстройств у участников
ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций путём тренировок к гипоксии-гиперкапнии / С.М. Грошилин, Р.Н. Ан, Д.Н. Елисеев, А.О Иванов, А.Н.
Джандубаев // Экология человека. - 2006, №5. - С. 34-37.
13. Kacimi R., Long C.S., Karliner J.S. Chronic hypoxia modulates the interleukin-1 beta-stimulated inducible nitric oxide synthase pathway in cardiac myocytes
// Circulation. – 1997. - Vol. 96, №6 – P. 1937-1943.