Импульсные потоки популяций корковых нейронов

УДК 614.875:591.48 ИМПУЛЬСНЫЕ ПОТОКИ ПОПУЛЯЦИЙ КОРКОВЫХ НЕЙРОНОВ ПРИ СВЧ-ОБЛУЧЕНИИ: ЧИСЛО ВСПЫШЕК ПАЧЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ © 2010 г. * Институт биофизики клетки РАН, Пущино На бодрствующих необездвиженных кроликах исследованы импульсные потоки популяций нейронов сенсомоторной коры до, во время и после одноминутного облучения ЭМИ СВЧ-диапазона (длина волны 37.5 см, ППЭ 0.2–0.3; 0.4; 0.5 и 40 мВт/см 2 ) на основе анализа пачечной активности, выявляемой при временны » х порогах 5, 10 и 20 мс. В результате данных воздействий происходили изменения со стороны числа вспышек пачечной активности. Перестройки импульсных потоков отмечались во время облучения и в первую минуту после его прекращения. Направленность сдвигов и их динамика определялись как интенсивностью облучения, так и типом самих пачек. СВЧ-облучение, кора больших полушарий, популяции нейронов, импульсные потоки, пачечная активность. * Становление современной электромагнитной биологии подробно освещено в ряде монографий . В настоящее время наиболее существенной проблемой биологических эффектов электромагнитных излучений (ЭМИ) является их влияние на деятельность головного мозга. Наши предыдущие исследования на основе анализа биопотенциалов различных структур мозга и операционных вмешательств позволили установить, что ведущее значение в происхождении электрических реакций мозга на ЭМИ широкого диапазона частоты принадлежит прямому действию этих факторов на его ткани . Что касается ЭМИ СВЧ-диапазона, то наиболее целесообразно изучение эффектов его воздействия на уровне коры больших полушарий, поскольку в более глубокие образования мозга оно проникает в малой степени . Относительно воздействия ЭМИ СВЧ-диапазона на деятельность центральных нейронов млекопитающих существуют весьма немногочисленные работы , причем наши исследования являются приоритетными. История вопроса подробно изложена в работе . Нами было установлено, что 1-минутное облучение приводит к значительным сдвигам вызванной активности нейронов, мало изменяя частоту спайков в фоновой активности . В последующих наших исследованиях было обнаружено, что ЭМИ СВЧдиапазона, по-видимому, вызывает не столько частотные, сколько структурные перестройки импульсных потоков корковых нейронов . В этих работах были рассмотрены им- * Адресат для корреспонденции: 142290 Пущино, Московская обл., Институт биофизики клетки РАН; тел.: (4967) 73-91-96; e-mail: . пульсные потоки нейронных популяций, что понижало вмешательство случайных флуктуаций и подчеркивало лидирующие перестройки в активности нейронов. Известно, что вариабельность нейронной активности преодолевается в деятельности мозга за счет усреднения по ансамблю нейронов . При этом основной акцент был сделан на рассмотрение межспайковых интервалов, характеристики которых являются более информативными, чем величины средней частоты импульсации нейронов . Подробно влияние ЭМИ СВЧ-диапазона на межспайковые интервалы описано нами в другой статье . Логическим продолжением исследований данного направления является изучение рисунка импульсных потоков нейронов, что может помочь подойти к пониманию изменений в деятельности мозга на ЭМИ. Цель настоящих исследований состояла в рассмотрении рисунка импульсных потоков популяций нейронов коры больших полушарий при облучении ЭМИ СВЧ-диапазона разных интенсивностей на основе количественного анализа вспышек пачечной активности, выявляемой посредством различных временных порогов ее выделения. Математическое моделирование взаимосвязи показателей пачечной активности и средних величин межспайковых интервалов в фоновых импульсных потоках корковых нейронов нами уже проведено . Предварительные сведения относительно влияния СВЧ-облучения на пачечную активность популяций корковых нейронов частично отражены в некоторых наших работах . МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА Эксперименты проведены на 36 необездвиженных и ненаркотизированных кроликах (самцах) новозеландской породы массой около 3 кг, которым предварительно под барбитуратовым наркозом вживляли отводящие электроды в сенсомоторную область коры на глубину 750– 1500 µм. Электродами служили стеклянные микропипетки с диаметром кончика 20 µм, заполненные 1%-ным агар-агаром на физиологическом растворе. Подробности отведения и регистрации описаны ранее . Эксперименты проводили в утренние часы суток, с 9 до 11 часов. Во время опытов животные мягко фиксировались на деревянном станке. Использовали ЭМИ с длиной волны 37.5 см (800 МГц) при непрерывном режиме облучения. Экспозиция, как в наших предыдущих работах, равнялась 1 мин. Облучению подвергали преимущественно голову животного. Вектор Е соответствовал передне-заднему направлению относительно продольного шва черепа. Интенсивность ЭМИ была 0.2–0.3; 0.4; 0.5 и 40 мВт/см 2 . При использованных экспериментальных условиях тепловые эффекты отсутствовали, что рассмотрено ранее . В контрольных экспериментах применяли «ложные» воздействия, в которых повторялись все условия облучения, но облучатель был отключен. Компьютерному анализу подвергали три одноминутных отрезка записи импульсных потоков нейронов: до облучения, во время него и непосредственно после. Выделение импульсных рядов, принадлежащих отдельным нейронам, не входило в задачу данной работы. Спайковая активность одиночных нейронов при данном облучении описана нами ранее . Эпоха анализа составляла 20 с. Использовали три порога выявления пачечной активности: 5, 10 и 20 мс. Как объединения в пачки учитывались спайки в первом случае при длительности межспайковых интервалов до 5 мс, во втором до 10 мс и в третьем до 20 мс. Унифицированное рассмотрение записей было необходимо для правомерного сравнения данных до, во время и после облучения и для суммирования результатов, имеющих отношение к отдельным облучениям. Как было ранее установлено, величина порога выделения пачечной активности имеет положительную корреляционную взаимосвязь с длительностью самих пачек . Поэтому пачки в зависимости от порога их выделения можно называть: малыми (порог 5 мс), средними (порог 10 мс) и крупными (порог 20 мс). Стандартные отклонения средних величин числа вспышек пачечной активности вычисляли на основе дисперсий. Достоверность изменений числа пачек во время и после облучения относительно исходных величин определяли на основе критерия Вилкоксона для сопряженных пар. Сопоставление чисел записей нейронной активности с той или другой направленностью изменений проводили на основе t-критерия для сравнения выборочных долей вариант . РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В исходных импульсных потоках число вспышек пачечной активности, выявляемой на основе временнo» го порога 5 мс, за 1 мин составляло 1227.15 ± 28.23. При использовании порога 10 мс оно было 817.21 ± 24.14, а при пороге 20 мс – 269.51 ± 11.05. Облучение ЭМИ СВЧ-диапазона приводило к изменению числа вспышек пачечной активности. Особенности эффектов определялись интенсивностью облучения и выбранными порогами выделения пачечной активности. Сравнение числа пачек во время облучения и в 1-ю мин после его прекращения с исходными значениями приведено в табл. 1. Сопоставление чисел записей нейронной активности с той или другой направленностью изменений отражено в табл. 2. Динамика перестроек импульсных потоков представлена на рис. 1–5. Стандартные отклонения на данных рисунках не указаны. Во-первых, достоверность изменений представлена в таблицах; во-вторых, структура рисунков не позволяла сделать это. Контроль, мнимое облучение В контрольных исследованиях не исключена спонтанная нестабильность числа пачечной активности. Она обусловливается естественными колебаниями функционального характера, а также может быть связана с экспериментальной ситуацией. Однако при данной величине статистических совокупностей рассматриваемые сдвиги были чрезвычайно малы и статистически незначимы, что отражено в табл. 1 (А) и 2 (А). Рис. 1 представляет динамические характеристики импульсных потоков в контроле с мнимым облучением. Облучение 0.2–0.3 мВт/см 2 Облучение ЭМИ СВЧ-диапазона малой интенсивности приводило к достоверным изменениям количественных показателей пачечной активности. Облучение вызывало увеличение среднего числа малых пачек (порог выявления 5 мс), что в большей степени было представлено после воздействия. Одновременно развивалось выраженное уменьшение среднего числа более крупных пачек (порог выявления 10 и особенно 20 мс) как во время воздействия, так и после его прекращения (табл. 1 (Б)). Та б л и ц а 1 . Влияние одноминутного облучения ЭМИ СВЧ-диапазона разных интенсивностей (в том числе и мнимого) на среднее число вспышек пачечной ак ивности Отношение значений к данным до облучения во время облучения после облучения % p % p А. Контроль, мнимое облучение (64 записи) 5 100.12 >0.05 100.05 >0.05 10 100.09 >0.05 100.21 >0.05 20 99.51 >0.05 99.71 >0.05 Б. Облучение 0.2–0.3 мВт/см 2 (70 записей) 5 106.12 <0.05 118.09 <0.01 10 85.15 <0.01 84.20 <0.01 20 65.38 <0.01 65.79 <0.01 В. Облучение 0.4 мВт/см 2 (68 записей) 5 101.91 >0.05 99.52 >0.05 10 101.20 >0.05 104.71 >0.05 20 107.51 <0.05 110.82 <0.01 Г. Облучение 0.5 мВт/см 2 (70 записей) 5 136.31 <0.01 74.53 <0.01 10 117.86 <0.01 85.70 <0.01 20 98.21 >0.05 93.82 <0.05 Д. Облучение 40.0 мВт/см 2 (70 записей) 5 102.13 >0.05 91.50 <0.05 10 93.71 <0.05 83.70 <0.01 20 99.02 >0.05 84.81 <0.01 Порог выделения пачек, мс Сопоставление чисел записей нейронной активности с той или другой направленностью изменений в результате облучения показало статистически значимое доминирование случаев с увеличением числа малых пачек (порог выявления 5 мс) после воздействия. При этом возникало статистически значимое преобладание случаев с уменьшением числа более крупных пачек во время и после воздействия (табл. 2, Б). Рассмотрение динамики изменений средних чисел пачек выявило разделение общего процесса на отклонения во время облучения и после его прекращения. Кроме того, наибольшие сдвиги в количественных характеристиках малых пачек приходились на первые 20 с после воздействия (рис. 2). Облучение 0.4 мВт/см 2 Облучение ЭМИ СВЧ-диапазона этой интенсивности вызывало количественные изменения пачечной активности преимущественно в виде тенденции. Можно лишь отметить небольшое, хотя и достоверное увеличение среднего числа наиболее крупных (порог 20 мс) пачек (табл. 1, В). Числа записей нейронной активности с той или другой направленностью изменений статистически не отличались от таковых в контрольных исследованиях, хотя и имела место тенденция к преобладанию случаев с увеличением числа наиболее крупных пачек (табл. 2, В). Несмотря на весьма малые сдвиги суммарных величин при указанной интенсивности облучения, отмечалась динамика изменений средних чисел пачек. Эта динамика имела сходство с описанной выше. Данное явление прежде всего касалось возможного разделения общего процесса на отклонения во время облучения и после его прекращения. Кроме того, наибольшие сдвиги в количественных показателях возникали также в первые 20 с после воздействия (рис. 3). Облучение 0.5 мВт/см 2 Облучение ЭМП СВЧ-диапазона указанной интенсивности оказывало существенное влияние на пачечную активность. Изменения количественных показателей были различны у малых и крупных пачек. При этом направленность изменений была неоднозначна во время воздействия и Та б л и ц а 2 . Число записей импульсных потоков в процентах с количественными изменениями вспышек пачечной активности при влиянии одноминутного облучения СВЧ-диапазона разных интенсивностей (в том числе и мнимого) Сопоставление значений с данными до облучения во время облучения после облучения увеличение, % уменьшение, % сравнение, U увеличение, % уменьшение, % сравнение, U А. Контроль, мнимое облучение (64 записи) 5 51.56 48.44 0.35 50.00 50.00 0.00 10 48.44 51.56 0.35 48.44 51.56 0.35 20 46.88 53.13 0.71 51.56 48.44 0.35 Б. Облучение 0.2–0.3 мВт/см 2 (70 записей) 5 55.71 44.29 1.35 68.57 31.43 4.49 10 27.14 72.86 5.61 24.29 75.71 6.39 20 14.29 85.71 9.41 18.57 81.43 8.05 В. Облучение 0.4 мВт/см 2 (68 записей) 5 52.94 47.06 0.67 48.53 51.47 0.34 10 51.47 48.58 0.34 54.41 45.59 1.02 20 55.88 44.12 1.35 57.35 42.65 1.70 Г. Облучение 0.5 мВт/см 2 (70 записей) 5 75.71 24.29 6.39 17.14 82.86 8.48 10 64.29 35.71 3.43 28.57 71.43 5.24 20 48.57 51.43 0.34 42.86 57.14 1.70 Д. Облучение 40.0 мВт/см 2 (70 записей) 5 52.86 47.14 0.67 41.43 58.57 2.04 10 44.29 55.71 1.35 24.29 75.71 6.39 20 47.14 52.86 0.67 25.71 74.29 6.00 Примечание. Статистически достоверные различия чисел случаев с увеличением и уменьшением значений подчеркнуты (U > 2.58 соответствует p < 0.01). Порог выделения пачек, мс после его прекращения. Среднее число пачек, выявляемых на основе порогов 5 и 10 мс, претерпевало достоверное увеличение во время одноминутного облучения, но в 1-ю мин после него также достоверно понижалось. Эффект был особенно выражен у малых пачек (порог выделения 5 мс). У крупных пачек (порог 20 мс) отмечалось уменьшение их среднего числа, статистически значимое в 1-ю мин после прекращения воздействия (табл. 1, Г). Случаи записей нейронной активности с увеличением числа пачек достоверно лидировали при порогах выявления последних 5 и 10 мс во время облучения. Однако после прекращения воздействия наблюдалось достоверное преобладание случаев с понижением числа этих пачек. Что касается крупных пачек (порог 20 мс), то имела место лишь тенденция к превалированию случаев с уменьшени