МАТЕМАТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ НЕЙРОННЫХ ЭФФЕКТОВ СВЧ ОБЛУЧЕНИЯ ОТ ИСХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ ПОТОКОВ: МЕЖСПАЙКОВЫЕ ИНТЕРВАЛЫ

Чиженкова Р.А.

(Пущино)

На кроликах исследованы импульсные потоки популяций корковых нейронов сенсомоторной коры до, во время и после одноминутного СВЧ облучения (длина волны 37,5 см, ППМ 0,2–0,3; 0,4; 0,5 и 40 мВт/см²). При интенсивностях облучения 0,2–0,3 и 0,4 мВт/см² доминировали сдвиги в виде уменьшения средних величин межспайковых интервалов. При интенсивностях облучения 0,5 и 40 мВт/см² лидировали сдвиги противоположной направленности. Корреляционный и модельный анализы взаимосвязи характеристик импульсных потоков нейронов до, во время и после воздействия обнаружили малую значимость исходных показателей в направленности изменений.

MATHEMATICAL ANALYSIS OF DEPENDENCE OF NEURONAL EFFECTS OF MICROWAVES ON INITIAL PARAMETERS OF PULSE FLOWS: INTERSPIKE INTERVALS

Chizhenkova R.A.

(Pushchino)

In rabbit pulse flows of populations of cortical neurons were investigated prior, during, and after 1-min microwave irradiation (wavelength 37.5 cm, power density 0.2–0.3; 0.4; 0.5; and 40 mW/cm²). Shifts as the decrease of mean values of interspike intervals predominated under irradiation of 0.2–0.3 and 0.4 mW/cm². Shifts of the opposite direction prevailed under irradiation of 0.5 and 40 mW/cm². Correlational and model analysis of relationships of characteristics of neuronal pulse flows before, during, and after the exposure showed little role of initial values indices in direction of changes.

Проблема биологических эффектов электромагнитных полей (ЭМП) недавно нами уже была рассмотрена на основе базы данных Medline, относящихся к трем последним десятилетиям [19]. Наши предыдущие исследования биопотенциалов различных структур мозга при операционных вмешательствах позволили установить, что в физиологических механизмах влияния ЭМП, в том числе и поля СВЧ, на головной мозг доминирует непосредственно действие проникающих факторов на его структуры [8, 9, 10, 11, 18]. Отсюда, поведение нейронов при СВЧ облучении наиболее целесообразно изучать в коре больших полушарий, поскольку подкорковые образования мало доступны для этого фактора [6, 27].

Относительно воздействия СВЧ облучения на деятельность центральных нейронов млекопитающих существуют весьма немногочисленные работы [3-7,14,15,17,18,21,22]. При этом наши исследования являются приоритетными. В исследованиях других авторов, которые были начаты позднее наших, при СВЧ облучении описаны сдвиги частоты импульсации нейронов в гиппокампе и гипоталамусе кролика [7], в переживающих срезах коры мозга морской свинки [3] и в коре больших полушарий кролика [4,5]. Первая из этих работ имеет отношение к общей функциональной перестройке в деятельности мозга в результате СВЧ облучения по причинам, указанным выше. Вторая представляет модельную ситуацию in vitro. Наиболее близки к нашим исследованиям работы Лукьяновой с соавт. [4,5], проведенные при той же длительности воздействия, что и в наших экспериментах, однако в отличие от них в импульсном режиме.

Ранее нами было установлено, что при СВЧ облучении в принципе возможны учащение и урежение фоновой импульсации одиночных нейронов коры больших полушарий. Однако данные сдвиги весьма неотчетливы по сравнению с изменениями вызванной активности [12,17].

Цель настоящих исследований состоит в анализе зависимости нейронных эффектов СВЧ облучения от исходных параметров фоновой активности на основе рассмотрения характеристик межспайковых интервалов в импульсных потоках популяций корковых нейронов при разной интенсивности воздействия. Надо учесть, что в импульсных потоках нейронных популяций нивелируются случайные флуктуации и подчеркиваются лидирующие перестройки в активности нейронов [24]. Кроме того, анализ межспайковых интервалов является более информативным, чем средней частоты импульсации нейронов [25].

Методика

Эксперименты проведены на 34 необездвиженных ненаркотизированных кроликах (самцах) новозеландской породы массой около 3 кг. Предварительно под барбитуратовым наркозом животным вживляли отводящие электроды в сенсомоторную область коры на глубину 750–1500 mм. Электродами служили стеклянные микропипетки с диаметром кончика 20 mм, заполненные 1%-ным агар-агаром на физиологическом растворе. Способы отведения и регистрации нейронной активности подробно описаны в другом месте [18, 21].

Эксперименты проводили в утренние часы суток, с 9 до 11 часов. Облучение осуществляли полем СВЧ с длиной волны 37,5 см (800 МГц). Режим облучения был сплошным. Экспозиция, как в наших предыдущих работах, равнялась 1 мин. Облучению подвергали преимущественно голову животного. Вектор Е соответствовал передне-заднему направлению. Интенсивность поля была 0,2–0,3; 0,4; 0,5 и 40 мВт/см².

Регистрацию спайковой активности осуществляли в течение 3 минут: 1 мин. до облучения, во время одноминутного облучения и 1 мин. после его прекращения. Применяли стандартные методы разделения нейронной активности и шума [1]. Выделение импульсных рядов, принадлежащих отдельным нейронам, не входило в задачу данной работы. Спайковая активность одиночных нейронов коры при СВЧ облучении описана нами ранее [12, 17]. Компьютерный анализ проводили по эпохам 20 сек. Определяли числа межспайковых интервалов, средние величины межспайковых интервалов, средние квадратичные отклонения и стандартные отклонения средних значений. В контрольных исследованиях была аналогичная регистрация спайковой активности, однако облучение отсутствовало.

Достоверность различий средних величин межспайковых интервалов, а также их средних квадратичных отклонений до облучения, во время него и после его прекращения по всему материалу одной серии исследования определяли посредством критериев "Хи-квадрат" и Уайта-Фишера. Кроме того, дополнительно использовали критерий Стьюдента для сравнения средних величин межспайковых интервалов и критерий Фишера для сравнения дисперсий до, во время и после облучения в пределах одной записи. Сопоставление чисел записей нейронной активности с той или другой направленностью изменений проводили на основе t-критерия для сравнения выборочных долей вариант [16].

Типы взаимосвязи статистических совокупностей показателей во время и после облучения с исходными параметрами, а также соотношение средних величин межмпайковых интервалов со средними квадратичными отклонениями рассматривали посредством корреляционного анализа и на основе вычисления ряда функций, аппроксимированных по методу наименьших квадратов [2]. Для всех исследованных зависимостей применяли единый набор программ, включавший вычисление несколько регрессий — линейной, экспоненциальной и геометрической. Кроме того, по мере необходимости использовали собственные коэффициенты для построения теоретических регрессий. Сравнение теоретических и экспериментальных данных осуществляли на основе критериев "Хи-квадрат" и Уайта-Фишера.

Результаты

Экспериментальный материал включает результаты 206 воздействий полем СВЧ. Распределение числа воздействий согласно интенсивности облучения представлено в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Влияние СВЧ облучения разной интенсивности на средние величины межспайковых интервалов и их средние квадратичные отклонения

ППМ, мВт/см²	Число воздействий	Процентное отношение значений к соответствующим данным до облучения
		Во время облучения				После облучения
		Интервалы		d		Интервалы		d
		%	p	%	p	%	p	%	p
0,2–0,3	52	88,8	<0,01	86,3	<0,01	79,3	<0,01	74,5	<0,01
0,4	50	95,4	<0,01	97,2	<0,01	99,2	<0,01	102,4	<0,01
0,2–0,4	102	93,4	<0,01	94,0	<0,01	93,1	<0,01	94,2	<0,01
0,5	40	105,9	<0,01	107,8	<0,01	108,8	<0,01	124,7	<0,01
40,0	64	106,7	<0,01	105,9	<0,01	106,1	<0,01	105,7	<0,01
0,5–40	104	106,2	<0,01	107,4	<0,01	107,5	<0,01	117,3	<0,01

Средний межспайковый интервал за 1 мин. записи нейронной активности составлял от 7,40 до 28,10 мс. Импульсные потоки, по-видимому, были крайне нестационарны, поскольку среднее квадратичное отклонение имело большие величины (от 8,68 до 43,54 мс). Однако в связи с очень большими объемами вариационных рядов (число интервалов, приходящихся на минуту регистрации, составляло от 2135 до 8108), стандартные отклонения средних величин межспайковых интервалов были весьма малы (от 0,11 до 1,09 мс).

Таблица 2. Число записей импульсных потоков в процентах с изменениями средних величин межспайковых интервалов и их средних квадратичных отклонений

ППМ, мВт/см²	Число воздействий	Число записей с изменениями (%)
		Интервалы			d
		Увеличение	Уменьшение	Сравнение (u)	Увеличение	Уменьшение	Сравнение (u)
Во время облучения
0,2–0,3	52	21,2	78,8	8,85	21,2	78,8	8,85
0,4	50	48,0	52,0	0,56	48,0	52,0	0,56
0,2–0,4	102	34,3	65,7	6,45	34,3	65,7	6,45
0,5	40	67,5	32,5	4,52	55,0	45,0	1,26
40,0	64	93,7	6,3	17,01	90,6	9,4	7,37
0,5–40,0	104	83,6	16,4	15,03	76,9	23,1	11,58
После облучения
0,2–0,3	52	7,7	92,3	14,54	7,7	92,5	14,54
0,4	50	52,0	48,0	0,56	56,0	44,0	1,69
0,2–0,4	102	29,4	70,6	8,57	31,4	68,6	7,69
0,5	40	72,5	27,5	5,90	65,0	35,0	3,85
40,0	64	65,6	34,4	5,07	64,1	35,9	4,56
0,5–40,0	104	68,3	31,7	7,65	64,4	35,6	5,96

Примечание: статистически достоверные различия чисел случаев с увеличением и уменьшением значений подчеркнуты (u>2,58 соответствует p<0,01).

Суммарные результаты по влиянию облучения на исследуемые показатели импульсных потоков приведены в таблице 1. В контрольных исследованиях колебания средних величин межспайковых интервалов были чрезвычайно малы и статистически незначимы, поэтому в данном месте они не рассматриваются. В некоторой мере закономерности нейронных импульсных потоков коры в отсутствии внешних воздействий нами уже описаны [13, 20]. Из таблицы 1 следует, что, во-первых, существует статистически значимый эффект СВЧ облучения на нейронную импульсацию, а, во-вторых, направленность сдвигов зависит от интенсивности поля. Однако, в каждом конкретном случае записи нейронной активности возникновение определенных отклонений было не фатально. Помимо самого облучения, оно могло определяться естественными колебаниями функционального состояния, маскироваться изменениями иного происхождения и т.д. Таблица 2 показывает, что имеет место не жесткая причино-следственная связь "фактор-реакция", а преимущественно статистическая.

На основе сведений, приведенных в таблицах 1 и 2, складывается впечатление, что при интенсивностях облучения 0,2–0,3 и 0,4 мВт/см² лидировали сдвиги в сторону уменьшения средних величин межспайковых интервалов, а при интенсивностях 0,5 и 40 мВт/см² доминировали изменения противоположной направленности.

Облучение 0,2–0,3 мВт/см² вызывало отчетливое уменьшение средних величин межспайковых интервалов с одновременным уменьшением и средних квадратичных отклонений. В первую минуту после прекращения воздействия эти изменения были выражены даже в большей степени, чем непосредственно во время него (таблица 1). При этом сходные перестройки отмечались в подавляющем большинстве сделанных записей (таблица 2). Облучение 0,4 мВт/см² по суммарным результатам приводило к сдвигам сходного типа, но меньшей интенсивности. Кроме того, эти изменения преобладали во время облучения, а не после его прекращения (таблица 1). При рассмотрении поведения отдельных нейронных популяций не было выявлено лидирование какой-либо направленности изменений (таблица 2).

Облучение 0,5 мВт/см² продуцировало перестройки совершенно иного характера. Происходило увеличение изучаемых показателей. Эффект был выражен преимущественно в первую минуту после прекращения воздействия (таблица 1). Изменения данной направленности наблюдались в большинстве проведенных записей (таблица 2). Облучение 40 мВт/см² тоже приводило к увеличению рассматриваемых показателей, что было представлено довольно равномерно во время облучения и в первую минуту после него (таблица 1). Раздельный анализ поведения популяций нейронов показал выраженное доминирование перестроек именно такого типа (таблица 2).

Проведено объединение полученных результатов в две группы согласно лидирующей направленности изменений, а именно при облучении 0,2–0,3 и 0,4 мВт/см²в одну группу и 0,5 и 40 мВт/см² в другую группу (таблицы 1, 2 и 3). Такой подход еще в большей степени подчеркнул возможность развития диаметрально противоположных изменений импульсных потоков нейронов при облучении. Различия между характеристиками указанных групп были статистически значимы (таблица 3). Тем не менее, выраженность событий внутри каждой группы определялась интенсивностью облучения, что также имело статистическую достоверность (таблица 3).

Таблица 3. Сравнение чисел записей импульсных потоков с изменениями средних величин межспайковых интервалов и их средних квадратичных отклонений при разной интенсивности облучения

ППМ, мВт/см²	Величины "u"
	Интервалы		s
	Увеличение	Уменьшение	Увеличение	Уменьшение
Во время облучения
0,2–0,3 с 0,4	2,89	2,89	2,89	2,89
0,5 с 40,0	3,50	3,50	4,20	4,20
0,2–0,4 с 0,5–40,0	7,58	7,58	6,37	6,36
После облучения
0,2–0,3 с 0,4	5,29	5,29	5,70	5,69
0,5 c 40,0	0,74	0,74	0,09	0,09
0,2–0,4 c 0,5–40,0	5,74	5,73	4,83	4,83

Существует вероятность влияния фонового функционального состояния на особенности нейрофизиологических реакций, в частности и на облучение. Корреляционный анализ обнаружил наличие положительной взаимосвязи изучаемых показателей перед облучением, во время него и после его прекращения (коэффициент корреляции от 0,7 до 0,9; p<0,01). Эти результаты свидетельствуют о малой роли исходных значений в направленности изменений при облучении в данных исследованиях. Однако, они не служат глобальным отрицанием возможности различий характеристик электрических реакций на электромагнитные поля при разных уровнях функционального состояния, что описывается в иных ситуациях [5, 8] и может быть связано с весьма существенными отклонениями ряда исходных значений от их средних величин.

Описание зависимости значений изучаемых показателей во время и после воздействия от таковых до воздействия было проведено на основе регрессионного анализа. Оказалось, что наиболее адекватным описанием является линейная функция, коэффициенты в которой определяются преимущественно интенсивностью облучения. Зависимость значения среднего квадратичного отклонения от величины среднего межспайкового интервала также описывалось линейной функцией. При этом свободный член стремился к 0, а коэффициент — к 1,4.

Заключение

На бодрствующих необездвиженных кроликах установлено, что СВЧ облучение при одноминутной экспозиции вызывает перестройки в импульсных потоках популяций корковых нейронов, что касается средних величин межспайковых интервалов и их средних квадратичных отклонений. Обнаруженные изменения могут служить основой для появления сдвигов в интеграции информации, поскольку именно деятельность "neuronal circuits" является определяющем базисом когнитивных функций [23, 26].

Обнаружено, что перестройки импульсных потоков корковых нейронов в результате одноминутного СВЧ облучения обусловливаются интенсивностью последнего. При 0,2–0,3 и 0,4 мВт/см² доминирует направленность сдвигов в сторону уменьшения средних величин межспайковых интервалов. При повышение интенсивности только до 5 мВт/см² и при довольно высокой интенсивности 40 мВт/см² лидируют сдвиги противоположного знака. Надо учесть, что физические различия в интенсивностях облучения 0,2–0,3; 0,4 и 5 мВт/см² невелики. Кроме того, эти интенсивности, в отличие от 40 мВт/см², можно рассматривать как близкие к пороговым для появления ЭЭГ реакций. Тем не менее, интенсивности 0,2–0,3 и 0,5 мВт/см² вызывают противоположные перестройки импульсных потоков. А интенсивность 0,4 мВт/см² хотя и приводит к статистически значимым отклонения изучаемых показателей, но эти сдвиги являются наименьшими из исследованных. Отсутствие линейности в отношении интенсивности облучения и наблюдаемых эффектов, по-видимому, связано со сложностью и многокомпонентностью самих перестроек в деятельности нейронных популяций под его влиянием. Не исключено, что внешнее отсутствие изменений нейронной активности в ряде случаев является лишь следствием взаимного нивелирования сдвигов противоположной направленности.

Выраженная зависимость эффектов облучения от его интенсивности, а также результаты корреляционного и модельного анализа взаимосвязи характеристик импульсных потоков нейронов до, во время и после воздействия свидетельствуют о малой роли исходных показателей в направленности изменений. При относительной стабильности экспериментальных условий интенсивности облучения принадлежит лидирующее значение в характеристиках перестроек в деятельности популяций корковых нейронов.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант No. 00-04-48139).

Список литературы:

1. Гасанов У.Г. Системная деятельность корковых нейронов. М.: Наука, 1981. 110 с.

2. Гуревич В.Л., Карпов А.П. Многомерный статистический анализ в медицине. Свердловск: Уральский научный центр, 1983. 106 с.

3. Захарова Р.М..//Биофизика. 1965. Т. 40. N 3. С. 695-696.

4. Лукьянова С.Н., Рынсков И.И., Макаров В.П.//Радиационная биология. Радиоэкология. 1995. Т. 35. N 1. С. 53-56.

5. Лукьянова С.Н., Моисеева Н.В.//Радиационная биология. Радиоэкология. 1998. Т. 38. N 5. С. 763-768.

6. Пресман А.С. Электромагнитные поля и живая природа. М.,: Наука, 1968. 286 с.

7. Файтельберг-Бланк В.Р., Перевалов Г.М.//Докл. АН СССР. 1978. Т. 239. N 1. С. 242-243.

8. Чиженкова Р.А. Исследование роли специфических и неспецифических образований в электрических реакциях мозга кролика, вызываемых электромагнитными полями УВЧ и СВЧ и постоянным магнитным полем. Дисс. канд. мед. наук. М.: Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. 1966. 212 с.

9. Чиженкова Р.А.//Журнал высш. нервн. деят. 1967. Т. 17. N 2. C. 313-321.

10.Чиженкова Р.А.//Физиол. ж. СССР. 1967. Т. 53. N 5. С. 514-519.

11.Чиженкова Р.А.//Журнал высш. нервн. деят. 1967. Т. 17 N 6. С. 1083-1090.

12.Чиженкова Р.А.//Журнал высн. нервн. деят. 1969. Т. 19. N 3. С. 495-501.

13.Чиженкова Р.А. Структурно-функциональная организация сенсомоторной коры (морфологический, электрофизиологический и нейромедиаторный аспекты). М.: Наука, 1986. 241 с.

14.Чиженкова Р.А.//Проблемы электромагнитной биологии./Ред. Ю.А. Холодов, Н.Н. Лебедева. М.: Наука, 1988. С. 24-31.

15.Чиженкова Р.А.//Магнитобиология. 1994. N 1. С. 45-47.

16.Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 323 с.

17.Chizhenkova R.A.//Bioelectromag. 1988. V. 9. N 3. P. 337-345.

18.Chizhenkova R.A.//Electro- and Magnetobiol. 1996. V. 15. N 3. P. 253-258.

19.Chizhenkova R.A.//Electromagnetic fields: biological effects and hygienic standardization./Eds. M.H. Repacholi, N.B. Rubtsova, and A.M. Muc. Geneva: World Health Organization. 1999. P. 389-395.

20.Chizhenkova R.A., Chernukhin V.Yu.//J. Biol. Physics. 2000. V. 26. N 1. P. 67-75.

21.Chizhenkova R.A., Safroshkina A.A.//Bioelectrochem. and Bioenerg. 1993. V. 30. N !. P. 287-291.

22.Chizhenkova R., Safroshkina A., Pylyukh T.//Microvawes in medicine. Rome: University of Rome, 1993. P. 289-292.

23.Cellular and molecular mechanisms underlaying higher neural function./Eds. A.L. Selverston and P. Ascher. N.Y.:J.Wiley & sons, 1994. 328 p.

24.Dormont J., Schmied A., Conde H.//Exp. Brain Res. 1982. V. 48. N 3. P. 315-322.

25.Johnson J.L.//Brain Res. 1994. V. 666. N 1. 125-127.

26.Muller R., Reinhardt J., Strickland M.T. Physics of neural Networks. Neural networks: An introduction. Springer-Verlag, 1995. 330 p.

27.Schwan H.P., Foster K.R.//Proc. IEEE. 1980. V. 68. N 1. P. 104-113.