Текст книги "Мозг в электромагнитных полях"

Автор книги: Юрий Холодов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 9 страниц)

Рис. 16. Вызванный потенциал сенсомоторной коры больших полушарий мозга (I) крысы и потенциал действия икроножной мышцы (II) лягушки на электрическую стимуляцию седалищного нерва в фоне (1) и после 10—20-минутного воздействия постоянным магнитным нолем с индукцией 400 мТ (2)

Продолжая перечисление возможных механизмов действия ЭМП на мозг, следует обратить внимание на межцентральные отношения. Наиболее чувствительным к ЭМП многие исследователи считают гипоталамус, где сосредоточены высшие вегетативные центры (рис. 17). Но имеется мнение, что гиппокамп может брать на себя ведущую роль в организации реакции мозга на ЭМП. Конечно, важную роль в осуществлении этой реакции играет кора больших полушарий мозга и другие его ведущие отделы.

Иерархия межцентральных отношений в мозге при действии ЭМП меняется в зависимости от исходного функционального соотношения отдельных центров, а для детального анализа этого соотношения необходимо знать, что происходит на клеточном уровне.

Не разбирая подробно роль нейрона и глии в реакции мозга на ЭМП (чему посвящена отдельная глава), мы должны основное внимание уделить мембранным процессам, функция которых окончательно не выяснена.

Выдвигаемые гипотезы о молекулярных механизмах функционирования биологических мембран должны удовлетворять принципу реципрокности протекания в мембране сопряженных молекулярных процессов, что обусловливает совершенно необычные с позиций классических представлений конкурентные взаимоотношения поглощения Са и фосфорилирования АДФ, переноса электронов и активации АТФазы в митохондриях, а в плазматических мембранах приводит к реципрокным соотношениям электрогенного натриевого насоса и аккумуляции К⁺, активности холино– и адренорецепторов.

Рис. 17. Реакции разных отделов мозга кролика на ЭМП в норме (А), а также после введения кофеина (Б) или адреналина (В)

Ордината – интенсивность реакции (%); 1 – гипоталамус; 2 – сензомоторная кора; 3 – зрительная кора; 4 – специфические ядра таламуса; 5 – неспецифические ядра таламуса; 6 – гиппокамп; 7 – ретикулярная формация

Этому требованию удовлетворяет гипотеза М. А. Шишло, согласно которой в мембране митохондрий происходит переход разности электрических потенциалов в скачок концентрации ионов водорода на границе раздела двух сред, который используется для синтеза АТФ (рис. 18). Система включает два основных элемента, работающих на основе электронно-колебательных взаимодействий, которые в соответствии с пространственно-зарядовой асимметрией мембраны, определяемой разностью pH по обе стороны и гидрофобными взаимодействиями белков и липидов, должны иметь положительную кооперативную связь ΔрН с виброном, участвующим в синтезе АТФ, и отрицательную кооперативную связь с вибронным возбуждением, осуществляющим выброс Н⁺ за пределы митохондрий и участвующим в транспорте кальция.

Из анализа модели вытекает важнейший вывод о том, что система, управляемая скачком концентрации протонов, не может быть системой с дипольными искажениями и должна обладать свойствами кристаллов, в которых параметром порядка служит деформация. Только в этом случае сброс протона по его электрохимическому градиенту может сопровождаться эффективной утилизацией энергии этого перехода в синтезе АТФ.

Если управление посредством изменения разности потенциалов вибронной неустойчивостью системы с дипольным искажением является общепризнанным и физически ясным процессом, то управление посредством ΔрН требует пояснения и доказательств.

Рис. 18. Схема механизма биологического действия ЭМП

Оно становится возможным лишь в том случае, если деформационная система стационарно находится в искаженном состоянии в результате химических гидрофобных взаимодействий. Быстрое появление скачка протонов на границе липид—белок нейтрализует гидрофобный градиент системы с деформационным искажением, что приводит к ее вибронному возбуждению, и протоны стекают по градиенту, участвуя в синтезе АТФ. Такой механизм обеспечивает суммацию в акте синтеза АТФ энергии деформационного искажения с энергией, выделяемой в ходе сбрасывания Н⁺ по их электрохимическому градиенту. Ни одна равновесная искаженная ян-теллеровская система без механизма поддержания искаженной конфигурации не может обеспечить такой суммации двух вкладов при активации эндергонической химической реакции синтеза АТФ. Из этого вытекает фундаментальное значение гидрофобных взаимодействий в мембранах.

Исходя из изложенного, ограничение процессов переокисления липидов становится особо необходимым для нормального функционирования АТФ-синтетазы и любого другого механизма, построенного на использовании энергии деформационного искажения кооперативных электронно-колебательных систем.

Становится очевидным, что гипероксия может избирательно повреждать функционирование этих деформационных кооперативных систем ослаблением гидрофобных взаимодействий при усилении перекисного окисления липидов.

В рассматриваемой системе изменение пространственно-зарядовой асимметрии мембраны изменяет вклад деформационной и электрической составляющих в элементарный акт синтеза АТФ, но не изменяет стехиометрию: один квант вибронного возбуждения системы с деформационным искажением – один элементарный акт синтеза АТФ. Изменяется при этом лишь форма и высота потенциальных барьеров для туннелирования протона и время протекания элементарного акта синтеза АТФ.

Интересно, что изменение трансмембранной ΔрН принципиально обращает пространственно-зарядово-временную симметрию системы с дипольными искажениями. Повышение pH закономерно приводит в такой системе к переключению от механизма поглощения К⁺ в обмен на Н⁺ к механизму электронного переноса К⁺, активируемого туннельным переносом электрона в данной структуре.

На этом мы закончим описание модели и покажем далее ее адекватность в описании эффектов ЭМП в митохондриях.

В рассматриваемой системе при воздействии ЭМП можно ожидать взаимодействия электрической составляющей с дипольной кооперативной системой мембран митохондрий. При этом ЭМП может инициировать ток деполяризации в сегнетоэлектрике, что должно активировать дыхательную цепь митохондрий и приводить в конечном итоге к диссипации поглощенной энергии в тепло. Система поддержания асимметрии мембраны за счет окислительно-восстановительного потенциала должна быть при этом активирована, и после выключения поля должен остаться «след» от компенсации деэнергизующего действия ЭМП.

Исследования показали, что в момент действия высокочастотного ЭМП происходит вибронное возбуждение дипольной кооперативной системы, осуществляющей сброс протона за пределы митохондрий. Поэтому после прекращения действия ЭМП можно ожидать появления неравновесного распределения зарядов на мембране (либо протонов, либо катионов), которое должно приходить к равновесию в ближайшем периоде последействия.

Как мы описывали ранее, ЭМП при действии на нервную систему может вызвать появление и развитие комплекса функциональных сдвигов. В основе этих сдвигов лежат разнообразные биофизические процессы, суть которых остается еще неизученной. Таких процессов одновременно происходит несколько, и мы не беремся здесь перечислять их все. Упомянем только, что МП могут индуцировать электрический ток (некоторые исследователи только этот механизм и признают), а поля СВЧ большой интенсивности могут вызывать нагревание (на чем основаны многие исследования в США). Воздействие ЭМП на возбудимые структуры можно связать с изменением калий-натриевого градиента в клетке за счет колебаний молекул воды, гидратирующих ионы и белковые молекулы, поверхностного слоя мембраны клетки.

Возможность влияния ЭМП на свойства водных растворов показана при техническом использовании так называемой магнитной обработки воды, в результате чего уменьшается осаждение на стенках котлов растворенных в ней солей, понижается смачиваемость поверхностей твердых тел, повышается скорость процессов сгущения суспензий, фильтрации, твердения цемента и т. д., а также изменяются ее биологические свойства.

ЭМП могут поляризовать боковые цепи белковой молекулы, вызывая разрывы водородных связей и изменяя зону гидратации молекул. Существует предположение, что сильные ПМП могут влиять на ориентацию макромолекул, в частности РНК и ДНК, и тем самым изменять биологические процессы. Увеличение активности ферментов трипсина и карбоксидисмутазы под влиянием ПМП позволяет предполагать, что химические изменения играют важную роль в первичных механизмах действия ЭМП. Поглощение переменных полей может происходить за счет ионной проводимости среды, релаксационных колебаний дипольных молекул и резонансных процессов. ЭМП, таким образом, нарушает структуру водных систем, изменяет активность ферментов и влияет на проницаемость биологических мембран.

Первичная реакция биологической системы на разные ЭМП заключается, вероятно, в возникновении поляризации. Это представление согласуется с теорией П. П. Лазарева [1935], по которой ЭМП низкой частоты вызывает в тканях периферические движения ионов. Накопление заряженных ионов на границах фаз может вызвать обратимое выпадение коллоидов. Возможно, этот механизм связан с неспецифическим действием переменных ЭМП, тогда как тепловое действие сопровождается необратимыми изменениями в клетке.

Независимо от характера взаимоотношений между биологическими тканями и энергией переменных ЭМП эффект обусловлен явлениями поглощения. При высоких частотах (3*10¹⁰ – 3*10⁷ Гц) основным механизмом поглощения являются изменения ионной проводимости. При понижении частоты до 3*10⁵ – 3*10⁷ Гц наблюдается максимум поглощения за счет релаксационных колебаний белковых молекул. При дальнейшем понижении частоты может возникнуть максимум поглощения за счет релаксационных колебаний полярных макромолекулярных комплексов.

Можно предполагать, что уже на клеточном уровне действие разных в физическом отношении ЭМП выражается в неспецифической реакции поляризации мембраны. При обсуждении механизма влияния ПМП на нервную клетку выдвигалось предположение о действии этого фактора на переменно возбудимые зоны аксона и считалось, что конечный эффект можно объяснить умножением и суммацией очень малых биофизических явлений. Многочисленные данные показывают участие глиальных клеток в реакциях ЦНС на ЭМП. Скорее всего, на сегодняшнем этапе наших знаний следует говорить о влиянии ЭМП на глионейрональный комплекс, а это влияние реализуется в основном через изменение окислительных процессов.

Влияние ЭМП на возбудимые структуры сходно с действием анода постоянного тока. Оно не вызывало сокращения нервно-мышечного препарата, но изменяло хронаксию и снимало парабиоз. Сходным образом действовало поле УВЧ и ПМП.

Многие исследователи показывают, что ЭМП санти– и миллиметрового диапазонов волн способны вызвать как гипер-, так и деполяризацию наружной мембраны клеток. Вероятно, конечный эффект взаимодействия ЭМП с клеткой должен определяться типом клеток, их энергетическим обменом и его сопряженными связями с процессами активного транспорта и электрогенеза.

Важно, что как ПМП, так и ЭМП высоких частот способны вызывать в нервных и мышечных клетках однотипные генерализованные ответы в виде гипер– или деполяризации. Большинство исследователей относят эти изменения к влиянию ЭМП на процессы активного и пассивного транспорта в наружной мембране в связи с нарушением кооперативного связывания кальция на поверхности самой мембраны или в саркоплазматическом ретикулуме клетки. Важность кальциевого механизма действия ЭМП на нервную систему не вызывает сомнений.

Но несомненно перспективным является и привлечение представлений о едином механизме транспортных процессов на наружной клеточной мембране за счет сбрасывания протона по полю, формируемому за счет катионобменных свойств цитосола клетки и буферных свойств внешней среды. Тогда в трансмембранной разности потенциалов можно выделить две компоненты: стационарную, обусловленную свойствами внутриклеточного ионообменника (в том числе его емкостью) и значением pH внеклеточной среды, и метаболическую, обусловленную скоростью продукции протонов через АТФазные реакции и гликолитический путь окисления углеводов.

Исходя из этого при всех способах увеличения скорости продукции протонов в цитосоле клеток можно ожидать активацию электрогенного натриевого насоса, если последний не повреждается самим внешним возмущением. Тогда связь кальцевого обмена клетки с его процессами активного транспорта должна опосредоваться метаболическими реакциями клетки. Активация выброса протонов из митохондрий и усиление гликогенолиза под действием кальция являются известными феноменами. Тогда активацию электрогенного натриевого насоса можно рассматривать как закономерный процесс реакции клетки на ЭМП возмущения, сопровождающееся нарушением кооперативного связывания кальция и активацией гликолитических процессов.

Получается, что ответ в виде гиперполяризации нервной клетки может быть получен за счет магнитной составляющей ЭМП, имеющей высокое сродство к митохондриям. Подавление функции последних закономерно приводит к активации гликолитических процессов и создает предпосылки для активации электрогенного натриевого насоса. Реакция нейрона на электрическую составляющую ЭМП, скорее всего, начинается с поверхности клетки в гликокаликсе. В реальных условиях две компоненты взаимодействия ЭМП могут суммироваться.

Модель взаимодействия процессов активного транспорта в наружной мембране с метаболическими реакциями клетки позволяет подойти к интерпретации возникновения колебательного процесса в системе наружная мембрана—цитосол клетки в виде периодических изменений скорости активного транспорта натрия и калия в наружной мембране и сопряженных реакций метаболического котла клетки.

Описываемый механизм колебательного процесса может обусловливать медленные колебания мембранного потенциала глиальных клеток и приводить в ряде нейронов к возникновению периодической спайковой активности, сопряженной с медленными колебаниями потенциала покоя наружной мембраны. Кажется вероятным, что подобные связи электрогенеза с метаболическими реакциями могут лежать в основе наблюдаемого после действия ЭМП преобладания в нервной системе медленных биоэлектрических потенциалов.

Изложенные представления не противоречат возможности первичного деполяризующего действия внешнего ЭМП на клетку, когда фаза гиперполяризации будет уменьшена или даже полностью отсутствовать. Конечный ответ клетки может зависеть от прямого действия ЭМП соответствующих интенсивностей на механизм натриевого насоса. Последнее наблюдается при действии ЭМП миллиметрового диапазона и не имеет места при действии слабых ПМП. С другой стороны, характер ответа должен зависеть от присущих той или иной клетке метаболических характеристик, определяемых как генетически, так и их текущим состоянием. Среди генетически обусловленных характеристик можно выделить максимальную скорость продукции АТФ, максимальную скорость генерации протонов и восстановленных никотиновых коферментов, принимающих участие в регуляции активного транспорта потенциалобразующих ионов в наружной мембране.

В связи с этим особый интерес представляет анализ влияния ЭМП на нервные клетки различных типов и, в частности, нейроны и глию, их взаимодействие в норме и при действии поля.

С нейрофизиологической точки зрения оказалось неожиданным то обстоятельство, что глиальные клетки, которые многие считают электрически невозбудимыми, более интенсивно реагируют на ЭМП в сравнении с нейронами. Наиболее тривиальный механизм влияния МП, учитывающий ЭДС индукции, здесь отходит на задний план. Возможно, биохимические или структурные процессы на уровне некоторых клеточных или внутриклеточных мембран наиболее чувствительны к МП.

Важно подчеркнуть, что влияние ЭМП на ЦНС является неспецифическим. С другой стороны, это влияние не похоже на реакцию при адекватных раздражениях средней силы. Следовательно, ЭМП по праву может использоваться в нейрофизиологической лаборатории в качестве своеобразного раздражителя, который поможет изучить некоторые неясные свойства ЦНС.

Заключение

ЭМП являются фундаментальным фактором объективной действительности, и потому количество проблем, связанных с электромагнитной нейробиологией, может непрерывно возрастать. При разумном подходе к этой молодой отрасли знаний следует выделить основные направления исследований, которые определяются свойствами самих ЭМП или биообъектов, подвергающихся воздействию ЭМП.

Существующие ЭМП можно разделить на четыре разряда. Прежде всего нейрофизиологов должны интересовать естественные ЭМП, которые делятся на внешние (космического, геофизического или биологического происхождения) и внутренние, генерируемые различными структурными уровнями организма. Затем следуют искусственные ЭМП, которые в сравнении с геофизическими можно поделить на ослабленные и усиленные.

ЭМП любого происхождения являются сложным фактором среды, поддающимся расчленению на различные биотропные параметры. Необходимо выделять магнитную и электрическую составляющие, которые в чистом виде легко наблюдать в случае статических полей. Важную роль в биологическом эффекте играет интенсивность ЭМП.

Имеются сведения, что неоднородные ЭМП обладают более выраженным биологическим действием, чем однородные, а вертикальное направление силовых линий действует эффективнее горизонтального. Однако четкое количественное сопоставление биологического действия этих параметров ПМП еще не сделано. Экспозиция и локализация воздействия должны учитываться непременно. А при переходе к переменным ЭМП возникают дополнительные биотропные параметры в виде частоты, а также формы и длительности импульса.

Каждый экспериментатор должен знать, что когда он осуществляет очередное ЭМ-воздействие на выбранную им биологическую систему, то эта процедура происходит чаще всего не в экранированном от ЭМП пространстве.

Таблица 5. Типы электромагнитных воздействий на биологическую систему

Космогенное	Гелиобиология	Слабая
Биогенное	Экология	Очень слабая
Антропогенное	Гигиена	Средняя
Экспериментальное	Электромагнитная биология	Уменьшение и усиление в широких пределах

Следовательно, одновременно избранная биологическая система может подвергаться воздействию ЭМП антропогенного, биогенного или космогенного происхождения. Кроме того, на исследуемой биосистеме могут сказываться прошлые ЭМП-воздействия, реализуемые через прямые или косвенные механизмы. Таким образом, формы существования материи – пространство и время, – преломляясь через электромагнитные условия, могут властно вмешиваться в конкретный эксперимент. Но эти обстоятельства чаще всего не учитываются экспериментатором (табл.).

Не всегда учитываются и всевозможные биотропные параметры исследуемого электромагнитного воздействия, хотя они могут варьировать в широких пределах.

Для примера можно рассмотреть диапазон магнитных полей (по интенсивности), применяемых в электромагнитной биологии (рис. 19).

Рис. 19. Диапазон магнитных полей, исследуемых в магнитобиологии и в биомагнетизме

Объяснения в тексте

Видно, что биология рассматривает около 14 порядков индукции магнитного поля. Важным для классификации является тот рубеж (а он, скорее всего, разный), где магнитобиология переходит в биомагнетизм. В этом диапазоне встречаются внешние (по происхождению) магнитные поля с внутренними, генерируемыми самим организмом. Одной из основных задач является выявление функциональной роли таких биомагнитных полей.

Следует отметить, что начальные реакции организма на ЭМП отличаются своей неспецифичностью. Излагая материал, мы часто указывали на неспецифичность действия полей УВЧ, СВЧ и ПМП. Похожее действие на НС оказывают электрические поля промышленной частоты высокой напряженности, импульсное поле низкой частоты, ЭМП звукового и радиочастотного диапазона и поле ВЧ. Сходное влияние на электрическую активность головного мозга и на выработанные условные рефлексы могут оказывать раздражители и неэлектромагнитной природы. Возможно, речь должна идти о неспецифической реакции ЦНС на слабый раздражитель. Защита организма от раздражений является, вероятно, не менее важной задачей, чем восприятие раздражений, и при действии слабого раздражителя любой природы.

Говоря о тормозном процессе, преимущественно возникающем при действии ЭМП, мы не хотим поднимать всю сложную и многогранную проблему торможения, известную по трудам Н. Е. Введенского и И. П. Павлова и описанную во многих современных сводках и обзорах. Важно, что ЭМП часто вызывают процесс торможения, и на этом принципе даже предлагалось практическое использование этого фактора в виде методики «радиосна». О сноподобном действии ЭМП мы говорили ранее.

При анализе глио-нейрональных отношений была отмечена важная роль таких продуктов обмена, как CO₂ и NH₃. Увеличение аммиака приводит к усилению процессов анаболизма, торможению и сонному состоянию, а увеличение количества углекислого газа – к усилению катаболизма, возбуждению и бодрому состоянию. В связи с этим интересно заметить, что воздействие ПМП 50 мТл на белых крыс сопровождается увеличением количества аммиака в головном мозгу. Таким образом, не только поведенческие и электрофизиологические данные свидетельствуют о возникновении процесса торможения в ЦНС, но и биохимические исследования приводят к такому же выводу.

Является существенным то обстоятельство, что в наших экспериментах торможение часто возникало раньше, чем возбуждение. Оказывается, эта особенность реакции характеризует не только действие проникающих факторов. Видимо, это общий чрезвычайно важный принцип организации нервных процессов.

Следует заметить, что ЭМП не обязательно вызывает тормозное состояние. В опытах на лягушках было обнаружено, что на фоне повышенной чувствительности кожи лапки к кислоте МП ее снижает, а на фоне пониженной – повышает. Возникновение основных нервных процессов можно было получить даже одновременно. Венгерские исследователи у крыс регистрировали вызванный потенциал (ВП) в сензомоторной области коры больших полушарий в ответ на электрическое раздражение седалищного нерва. Пятиминутное воздействие ПМП индукцией 80 мТ приводило к уменьшению амплитуды ВП в области наилучшего его проявления. В окружающих областях наблюдали обратное явление – увеличение амплитуды ВП. Можно предполагать, что в области фокуса ВП было иное функциональное состояние НС, чем на периферии.

Таким образом, результат воздействия поля зависит от исходного функционального состояния ЦНС. Однако при обычных экспериментальных условиях мы чаще наблюдали тормозное действие ЭМП. Условные рефлексы и чувствительность к различным раздражителям при действии ЭМП чаще понижались, чем повышались. Только в опытах с записью двигательной активности мы видели преобладание возбудительного процесса при действии поля. Но при выработке условных рефлексов на МП у рыб тормозные рефлексы (условный тормоз) вырабатывались намного лучше, чем положительные, а при записи электрической активности коры головного мозга во время действия поля наблюдалось увеличение числа веретен и медленных волн, которые появляются также при сонном состоянии животного.

Скорее всего, в естественных условиях для животных пороговыми являются изменения напряженности ГМП, а то, что мы получили в экспериментах, может служить более или менее удачной моделью естественных процессов.

Оказалось, что препарат изолированного мозга, получаемый после перерезки на уровне среднего мозга, реагирует на ЭМП более часто, с меньшим латентным периодом и более интенсивно (иногда в ответ на воздействие возникали судорожные разряды), чем интактный мозг. ЭЭГ-реакция заключалась в увеличении числа медленных волн, веретен и судорожных разрядов.

Оставалось неясным, реагирует ли на ЭМП целостная структура переднего мозга или любой участок мозговой ткани. Для ответа на этот вопрос были проведены опыты на нейронально изолированной полоске коры больших полушарий мозга кролика.

ЭКоГ-реакция на МП чаще выражалась в увеличении электрической активности. Эта реакция характеризовалась малым латентным периодом в сравнении с интактным мозгом и препаратом изолированного мозга, хотя по степени прочности ЭКоГ-реакция полоски на ЭМП была близка к ЭЭГ-реакции интактного мозга. Реакция полоски на МП не зависела от места изоляции.

Записи импульсной активности нейронов в изолированной полоске коры подтвердили данные, полученные с помощью макроэлектродов, о существовании электрической активности нейронов в нейронально изолированных структурах и о большей реактивности полоски к МП в сравнении с целостным мозгом. Однако изолированный участок коры сохранял гуморальную связь с другими отделами головного мозга, которые также подвергались воздействию ПМП. Для изучения непосредственной реакции коры кроликам к кости над сенсомоторной областью прикрепляли стиракрилом на 2—40 сут миниатюрные постоянные магниты с индукцией МП у поверхности полюса до 20 мТл.

Оказалось, что ЭЭГ участка, находящегося вблизи от магнита, отличалась от ЭЭГ других участков преобладанием медленных высокоамплитудных колебаний. Таким образом, локальное и длительное воздействие МП может вызвать местные изменения в электрической активности коры больших полушарий.

Наибольшая реактивность на ЭМП свойственна коре больших полушарий и промежуточному мозгу. У тех животных, у которых кора не развита (рыбы), наиболее реактивным является промежуточный мозг (особенно гипоталамус).

Изучение реакций НС на воздействие микроволн ведется наиболее интенсивно. При этом воздействии и рефлекторный, и непосредственный путь влияния на ЦНС имеет место. Давний спор о существовании нетеплового воздействия микроволн снимается достаточно широким подходом к различным диапазонам ЭМП. Однако при использовании ЭМП в пределах СВЧ-диапазона этот спор еще не закончился. Наблюдаемое в 70-х годах увеличение числа публикаций по влиянию поля СВЧ на НС позволяет надеяться, что в предстоящие годы наши знания в этой области нейрофизиологии необычайно расширятся.

Условные рефлексы на ЭМП по прочности значительно уступали световым и звуковым условным рефлексам. Возможно, что естественные ЭМП являются теми сигналами, которые определяют многие ритмические процессы организма.

Таким образом, применение ЭМП в нейрофизиологических исследованиях может помочь не только решению актуальных практических задач, связанных с гигиенической оценкой этого фактора на различных производствах, с его терапевтическим действием, с его диагностической ценностью и т. д., но и развить теоретические вопросы нейрофизиологии.