В настоящее время имеется незначительное количество работ, посвященных изучению церебральных механизмов адаптационных реакций. Доказана ключевая регулирующая роль коры головного мозга в формировании адаптационного ответа организма на изменения факторов окружающей среды [1,2]. Выявлены особенности возрастного развития функциональной активности головного мозга у детей и подростков, проживающих на территориях Европейского Севера России. Показано, что вследствие развития организма в условиях постоянной адаптации к условиям внешней среды происходит увеличение церебральной активности [3,4]. Показатели энергообмена головного мозга северян превосходят соответствующие значения у сверстников, проживающих в средней полосе России [5,6].
Одним из методов оценки церебрального энергообмена является метод регистрации постоянных потенциалов головного мозга.
Уровень постоянного потенциала (УПП) головного мозга - это устойчивый потенциал милливольтного диапазона, являющийся одним из видов сверхмедленных физиологических процессов головного мозга, имеющих нейрональное происхождение. Исследования показывают, что УПП мозга является результатом суммации мембранных потенциалов нервных и глиальных клеток, а также разности потенциалов на мембранах гематоэнцефалического барьера [7]. Генерация мембранного потенциала требует энергозатрат прежде всего связанных с работой ионных насосов, и это позволяет по параметрам УПП оценивать интенсивность церебрального энергообмена.
В настоящее время накоплено достаточно большое количество данных свидетельствующих о том, что регистрируемый с поверхности головы данный вид потенциала, характеризуя уровень стабильного функционирования мозговых образований, является количественным показателем текущего функционального состояния организма [8]. Динамика УПП позволяет проводить оценку текущего состояния отдельных областей головного мозга, исследовать как внутри, так и межполушарные особенности энергетического взаимодействия коры в покое и при внешнем воздействии. По природе своего происхождения УПП связан с целым комплексом биохимических и иммунологических параметров, характеризующих функциональное состояние адаптивных систем организма [7,9]. Отклонение УПП от нормы свидетельствует об изменении на разных уровнях механизмов энергообеспечения нейронов головного мозга и может служить показателем эффективности адаптационных перестроек организма при изменении условий окружающей среды [10].
На наш взгляд особый интерес представляет анализ изменений энергообеспечения головного мозга при холодовом воздействии. При адаптации к низким температурам происходят функциональные перестройки систем организма направленные на процесс энергосбережения, как правило, за счет его внутренних резервов. Головной мозг, не обладает запасами энергетических субстратов, поэтому целью данного исследования явилось выявление церебральных энергетических перестроек при реакции организма на локальное охлаждение.
Материалы и методы. В исследовании принимали участие 63 человека. Все студенты Северного Государственного Медицинского Университета в возрасте 18-19 лет, постоянно проживающие на территории Европейского Севера России. По половому признаку были выделены две группы: юноши - 31 человек, и девушки - 32 человека. В обеих группах исследованы монополярные значения УПП, а также межэлектродная разность потенциалов.
В рамках данного исследования при сборе материала для составления выборок соблюдались все необходимые условия: регистрация УПП у студентов проводилась в утренние часы, через 1,5-2 часа после приема пищи, при максимальном физическом и психическом покое.
Для регистрации и анализа УПП использовался аппаратно-программный комплекс «Нейро-КМ». Потенциалы регистрировались с помощью хлорсеребряных электродов монополярно по пяти отведениям. Активные электроды располагали вдоль сагиттальной линии в лобной, центральной и затылочной области (Fz, Cz, Oz), а также в правом и левом височных отделах (Td, Ts) по международной схеме 10-20. Референтный электрод накладывали на запястье левой руки. Запись значений УПП осуществлялась через 5-6 минут после наложения электродов на точки отведения и далее велась непрерывно в течение всего исследования. После регистрации фоновых значений производилась холодовая проба. Исследуемые удерживали кисть правой руки в холодной воде (t= 4-60 C) в течение 1 минуты. Далее на протяжении 10-минутного восстановительного периода студенты находились в полном покое.
Анализ УПП проводился путем картирования монополярных значений УПП и расчета межэлектродной разности. Для оценки локальных значений УПП в каждом из отделов, исключая влияние референтного электрода, был произведен расчет отклонений УПП от среднего в каждом из отведений по всем областям коры головного мозга.
Статистическая обработка данных проводилась при помощи прикладного пакета программ “SPSS 20 for Windows”. Для анализа различий между показателями в сравниваемых группах использовали t-критерий Стьюдента при условии нормального распределения. Критический уровень значимости (р) при проверке статистических гипотез принимали равным 0,05.
Результаты и их обсуждение. Сравнительный анализ фонового распределения уровня постоянного потенциала выявил следующие особенности: значения УПП у юношей в отведениях Fz, Cz и Td на 9,3%, а в отведении Ts на 44,7% выше в сравнении с девушками. Значения УПП в затылочном отведении, напротив, у девушек на 10,7% выше, чем у юношей (табл. 1).
Исходя из полученных данных, необходимо отметить также и отличия в распределении УПП по отделам головного мозга. Так у юношей максимальные значения постоянного потенциала выявлены в центральном отведении, причем межэлектродная разность с остальными отведениями находится в пределах от 4,2 до 5,9 мВ и составляет в среднем 5,2 мВ. Наибольшее отклонение фиксируется между центральным и лобным отведениями (5,9 мВ). Межвисочная разность потенциала, характеризующая межполушарную асимметрию Td-Ts, имеет отрицательное значение, указывающее на большую активность левого полушария (-1,1 мВ).
Совсем иной характер имеет перераспределение УПП у девушек. Наибольшее значение также у центрального отведения, однако, разность с затылочной областью составляет всего 0,9 мВ, что свидетельствует о практически равных значениях потенциала в данных областях. Наибольший перепад энергозатрат регистрируется между центральным и левым височным отведениями (7,3 мВ). Межвисочная разность потенциалов указывает на преобладание правого полушария и составляет 2,0 мВ. Наименьшее значение УПП у девушек имеет левое височное отведение (табл. 1).
Таблица 1. Распределение значений УПП у студентов-северян
Примечание: данные представлены в виде среднего (M) и 95% доверительного интервала; * - статистическая значимость отличий между юношами и девушками р<0,05.
В целом суммарные значения УПП у юношей на 46,6% выше, чем у девушек.
При холодовой пробе в обеих группах фиксировалось увеличение значений УПП по всем отведениям: в среднем на 6,7% (0,9 мВ) у юношей и на 10,6% (1,5 мВ) у девушек. Каких-либо изменений в распределении УПП по отделам головного мозга не произошло (рис. 1, рис. 2).
На протяжении всего десятиминутного восстановительного периода значения УПП продолжали увеличиваться по всем отведениям, как у девушек, так и у юношей. К концу десятой минуты в группе юношей максимальное значение УПП было зафиксировано в отведении Cz, в остальных отведениях значения потенциала были значительно ниже (рис. 1). В группе девушек к концу восстановительного периода наибольший рост значений произошел, как в центральном (Cz), так и в затылочном (Oz) отделах (рис. 2). В среднем увеличение значений УПП к концу восстановительного периода произошло на 14,3% в группе юношей и на 29,9% в группе девушек (табл. 1).
Рис. 1. Изменение УПП при охлаждении и в течение восстановительного периода у юношей.
Рис. 2. Изменение УПП при охлаждении и в течение восстановительного периода у девушек.
Одним из критериев нормализации энергообмена головного мозга является «куполообразность» распределения УПП - когда максимальные значения имеют центральные отведения и затем уровень потенциала плавно снижается к периферии. Данный принцип соблюдается в группе юношей в течение всего времени исследования, что может свидетельствовать о нормализации энергообмена в данной группе. Однако у девушек уже в фоновом распределении значения затылочной области (Oz) были в среднем всего лишь на 1 мВ ниже УПП центрального отведения (Cz), а на пятой минуте восстановительного периода и вовсе превысили значения Cz на 0,6 мВ. К десятой минуте превышение составило 1,4 мВ, что привело к нарушению принципа «куполообразности» в данной исследуемой группе.
Анализ литературных данных свидетельствует о том, что затылочная область коры головного мозга участвует в анализе и синтезе ряда сложных двигательных, слуховых, зрительных и осязательных функций. По мнению некоторых авторов структуры данного отдела мозга улавливают изменения во взаимоотношении предметов окружающей среды и собственного тела в результате воздействия человека на внешнюю среду. Происходит постоянный анализ результатов деятельности, контролируемой цепными рефлексами, выработанными в процессе индивидуального развития. Другими словами затылочная область коры головного мозга обеспечивает стереотип поведения в сложных социальных условиях, связанных с трудовой или учебной деятельностью [11,12].
Межполушарную асимметрию при анализе УПП принято оценивать по результатам межвисочной разности Td-Ts [10,11]. В группе юношей на протяжении всего исследования преобладают значения левого полушария. К концу восстановительного периода левополушарное доминирование усиливается. В группе девушек, напротив, в фоновом распределении преобладают значения правого полушария. Однако при проведении холодовой пробы и в течение восстановительного периода происходит снижение доминирования правого полушария и к концу десятой минуты значение межвисочной разности практически равно нулю (Td-Ts=0,02 мВ). Происходит нарастание межполушарного взаимодействия с увеличением активации левого полушария. К концу восстановительного периода значения УПП в отведении Ts возросли на 4,1 мВ, в то время как значения в отведении Td лишь на 2,1 мВ.
Известно, что на начальном этапе формирование условного рефлекса происходит в правом полушарии, и лишь после стабилизации он упрочняется в левом полушарии. Активация значений левого полушария при холодовой пробе у студентов северян может свидетельствовать об устойчивых механизмах адаптации на воздействие низких температур [13,14].
Проведенный корреляционный анализ с расчетом коэффициентов корреляции Пирсона выявил следующие особенности взаимодействия отделов головного мозга. Так у девушек в фоновом распределении, а также на протяжении холодовой пробы и всего восстановительного периода все корреляционные связи между основными отведениями являются статистически значимыми и имеют значения коэффициента Пирсона r>0,7, что свидетельствует о «жестком» взаимодействии всех отделов коры головного мозга в данной исследуемой группе.
У юношей сильные корреляционные связи (r>0,7) в фоновом распределении прослеживаются лишь между монополярными отведениями Oz -Ts и Td- Ts. При охлаждении, появилась дополнительная связь Oz-Td, однако к пятой минуте восстановительного периода значимые связи между монополярными отведениями у юношей отсутствовали. Лишь на десятой минуте вновь проявилось корреляционное взаимодействие Oz-Ts, что свидетельствует о более пластичной структуре взаимосвязей отделов коры головного мозга.
Таким образом, на основании всех выше изложенных данных можно сделать следующие выводы. Соблюдение принципа «куполообразности» (максимальные значения УПП в центральной области Cz), а также высокие монополярные значения УПП у юношей при сравнении с девушками свидетельствуют об активном взаимодействии между корой головного мозга, лимбической системой и ретикулярной формацией [16]. Известно, что коре больших полушарий принадлежит особая роль в регуляции висцеральных систем организма, благодаря присутствию корковых центров. Сенсорные сигналы от рецепторов к корковым уровням модулируется церебральными механизмами, контроль за которыми осуществляет ретикулярная формация ствола мозга. Изменения корково-висцеральных взаимоотношений могут происходить только при функциональном взаимодействии коркового и лимбического уровней, приводящего к повышению активности коры при одновременном угнетении активности подкорковых систем, что приводит к более упорядоченной обработке сенсорной информации при одновременном снижении эмоционального напряжения и стресса [17,18]. Реорганизация механизмов регуляции характеризуется поломкой «жестких» связей и возникновению более пластичного взаимодействия, как между отдельными висцеральными системами, так и между различными отделами коры головного мозга [19]. Отсутствие сильных корреляционных связей между отделами коры головного мозга у юношей свидетельствует об установлении новых корково-подкорковых взаимоотношений. Следовательно, на основании выше сказанного можно сделать вывод о сформированных механизмах адаптации к условиям Севера у юношей-северян к 18-19 годам.
У девушек наблюдается повышение значений УПП в затылочной области с превалированием активности правого полушария. Затылочная область коры головного мозга включающая в себя ассоциативные поля зрительных и сенсорных анализаторов обеспечивает анализ и формирование стереотипов поведения при изменении социальных условий [12,16].
Правое полушарие осуществляет регуляцию эндокринных желез и иммунитета [20]. Оно наиболее автономно, чем левое и менее подвержено влиянию корригирующих обратных связей. Как правило, адаптационные перестройки организма связывают с активацией именно правого полушария [17,21].
Большое число корреляционных связей указывает на напряженную работу головного мозга. Вероятнее всего все вышеуказанные данные связаны с возрастными особенностями девушек. Возраст 18-19 лет характеризуется наибольшим количеством гормональных и социальных перестроек организма [20,21,22]. Вместе с окончанием периода полового созревания на этот возраст приходится этап сдачи вступительных экзаменов и начало обучение в ВУЗе, адаптация к новой социальной среде. Вероятнее всего воздействие экстремальных условий Севера на фоне эндокринных и социальных изменений для девушек становиться более стрессирующим, что приводит к напряженному протеканию адаптивных процессов и застойной активации правого полушария [23,24].
Заключение. Таким образом, впервые в условиях Севера проведен анализ особенностей энергообеспечения головного мозга у студентов северян в зависимости от пола при локальном холодовом воздействии. В результате исследования установлено, что у юношей к 18-19 годам адаптационные перестройки организма к экстремальным климатографическим условиям Севера сформированы. Взаимодействие зон коры головного мозга, а также механизмы регуляции висцеральных систем характеризуются большей пластичностью. Увеличение активации коры головного мозга приводит к снижению воздействия лимбической системы, следовательно, к большей эмоциональной стабильности и стрессоустойчивости прежде всего при социальной адаптации на начальном этапе обучения в ВУЗе.
У девушек выявлен высокий уровень напряженности протекания адаптивных процессов, связанный с перестройками эндокринной системы и социальной адаптацией. Застойная активация правого полушария свидетельствует о незавершенной адаптации и при длительном сохранении может привести к иммунодепрессии, а также десинхронизации деятельности функциональных систем организма, что в свою очередь может стать причиной возникновения психосоматических и соматических заболеваний.