Возможности ритмической электромагнитной стимуляции в получении немедикаментозного седативного эффекта у животных

С.Н. Карташов, Е.В. Шарова, М.Л. Куликов 
Институт высшей нервной деятельности и
нейрофизиологии РАН, г. Москва
A.M. Ермаков
ГНУ СКЗНИВИ Россельхозакадемии

Нейрофизиология электромагнитных воздействий является одним из наиболее молодых, но перспективных и активно развивающихся направлений нейробиологии. Причин этому несколько. С одной стороны, электромагнитные влияния относятся к числу негативных антропогенных факторов, сопровождающих технический прогресс. Появился даже термин "электромагнитное загрязнение" (Григорьев, 1996 - 2004). С дру­гой стороны в последние годы различные виды электрической, электромагнитной или магнитной стимуляции все шире исполь­зуются в качестве лечебного воздействия. В литературе подчер­кивается активирующий характер, а также сходстве физических механизмов разных форм стимуляции - во всяком случае, на этапе воздействия на мембрану нервной клетки (Никитин, Курен-ков, 2003). Во многих случаях, включая и патологию ЦНС, резуль­таты такой стимуляции бывают успешными (Макаренко, 1993; Tsubokawa, 1995; Deliac et al, 1993; Алексанян с соавт., 2004; Лапшин, Гольдфарб с соавт, 2007; Супова, Смирнова, 2007). Учитывая "естественность" электрических и электромагнитных процессов для деятельности нервной ткани, это вселяет надежду в перспективность использования данного подхода при лечении сложных форм церебральной патологии.

Однако должное физиологическое обоснование примене­ния электромагнитных воздействий в лечебных целях отсутствует. Объективные поведенческие и электрофизиологические марке­ры системных реакций мозга на электромагнитные воздействия даже при лечебных воздействиях четко не определены.

Указанные обстоятельства определили цель настоящей эк­спериментальной работы - изучение влияния терапевтической транскраниальной электромагнитной стимуляции (ЭМС) на функ­циональную активность здоровых крыс.

Методика

Объектом исследования были крысы линии Вистар, воз­растом 3-6 месяце, весом 250-450 гр. У этих животных анали­зировались эффекты 7-дневного курса транскраниальной ЭМС от сертифицированного физиотерапевтического прибора ИНФИТА (импульсный низкочастотный физиотерапевтический аппарат). Величина напряженности импульсного низкочастотного электро­магнитного поля (ИНЭМП) в зоне терапии при дистанционном воздействии в пределах 1 - 1,5 см составляет 2-3 В/см, при кон­тактном воздействии до 7 В/см. Как показали измерения, зна­чение магнитной составляющей напряженности ИНЭМП в зоне терапии не превышает Н=3 х10-3 А/м, чему соответствует вели­чина магнитной индукции в теслах 4 х10-9 Тл. Датчик располагали над головой животного в области лба на расстоянии около 1 см. Длительности каждого сеанса транскраниальной ЭМС 3 минуты в течение 7 дней. Частота стимуляции составляла 60 и 70 Гц.

У всех животных до и после курсового воздействия оцени­вали поведение по следующей схеме: тестирование в открытом поле в течение 5 минут по общепринятой методике (ссылка) - перерыв не менее 21 дня - недельный курс транскраниальной ЭМС - повторное тестирование через сутки после курса. Само поле представляло собой круглую арену, равномерно освещен­ную лампой, ограниченную металлическим бортиком и разде­ленную на квадраты (4 центральных квадрата считали центром) (Саркисова, 1997). В тесте учитывались следующие показатели: количество пересеченных квадратов, число вертикальных стоек, количество груминговых реакций, обнюхивания, число заходов и пересечения внутреннего круга, а также дефекаций и уринаций. Сопоставление этих показателей до и после ЭМС проводилось с помощью методов математической статистики на основе пакета стандартных программ "STATGRAPHICS 6.0".

У 6 крыс исследовали также реакции на стимуляцию спон­танной электрической активности (ЭА) коры и подкорковых от­делов мозга. Платиновые электроды хронически вживлялись в симметричные области орбитофронтальной (А=3; 1_=0,5) и сома-тосенсорной (А=2; 1_=3,5) коры, поля СА1 гиппокампа (Р=3; 1_=1; Н=3), а также в ствол на уровне латерального вестибулярное ядра Дейтерса (Р=10,5; 1_=3; Н=7). Запись биопотенциалов произво­дили в экранированной установке: плексигласовой камере с ме­таллическим полом, к которому был припаян провод заземления. Перед записью животное предварительно адаптировали к обста­новке.

ЭА записывали на 4-7 сутки после вживления электродов, добиваясь стабилизации ее рисунка. После регистрации доопе-рационного фона животного подвергали первой трехминутной ЭМС. Реакции на тестовую стимуляцию регистрировалась через 3, 30, 60 минут после воздействия, а в некоторых случаях и через 2 часа после стимуляции. Последующие записи ЭА проводились на 3 или 4 сутки курса ЭМС, в заключительный день стимуляции (перед воздействием), на следующий день после окончания кур­са, а также в последействии - с целью выявления отдаленных эффектов ЭМС. Длительность электрофизиологического контроля варьировала от 7 до 22 дней после курса ЭМС и определялась сохранностью колодки с электродами.

Регистрацию ЭА и последующий спектрально-когерентный анализ ее трехминутных фоновых реализаций проводили на базе программно-аппаратного комплекса Нейрокартограф (фирма МБН, Россия). Когерентные связи рассчитывали по всем воз­можным для каждого варианта регистрации сочетаниям пар. Достоверность изменений ЭА оценивали статистически на осно­ве непараметрического критерия Манна-Уитни (В.ГВоронова-О.М.Гриндель).

Поведенческие и биоэлектрические эффекты транскрани­альной ЭМС сравнивались с эффектом плацебо (т.е. ситуацией с полным воспроизведением условий эксперимента, но без стиму­ляции). Кроме того, поведенчески была исследована также группа "чистого контроля" из 7 животных с идентичными основной группе условиями содержания и повторным тестированием, но без элек­тромагнитных воздействий.

Опыты на животных выполнялись с соблюдением принципов гуманности, изложенных в Директивах Европейского Сообщест­ва (86/609/ЕС) и одобренных этическим комитетом ИВНД и НФ РАН.

Результаты собственных исследований

При оценке поведенческих эффектов транскраниальной ЭМС здоровых крыс было установлено, что после курса транскра­ниальной ЭМС наиболее выраженные (и значимые по непара­метрическому критерию Вилкоксона для сопряженных пар) изменения касались признака число вертикальных стоек в открытом поле". Этот показатель досто­верно снижался как при ЭМС частотой 60, так и 70 Гц (таблица 1).

По признаку "вхождение во внутренний круг", а также "пересечение внутреннего кру­га" значимых различий при ЭМС = 60 Гц вы­явлено не было. Однако при ЭМС = 70 Гц час­тота вхождения во внутренний круг достоверно снижалась (разница составила 1,4 ± 1,07 о при р = 0,05. По показателю "вхождение во внутренний круг" отмечена также тенденция в динамике поведения животных в группах с разной частотой ЭМС: при частоте 60 Гц вхож­дение увеличилось в группе крыс в среднем на 0,14; а при 70 Щупало на 1,4 (р = 0,064). При объединении всех интактных крыс в одну группу различия пока­зателей вхождения в круг до и после ЭМС оказались недостовер­ными.

Были выявлены также изменения и других поведенческих признаков. Груминг недостоверно падает при ЭМС 70 Гц, но не изменяется при частоте 60 Гц. Дефекация недостоверно увели­чивается в обеих подгруппах животных. Уринация недостоверно снижается при ЭМС 60 Гц, но недостоверно увеличивается при ЭМС 70 Гц.

Выявленные изменения поведения указывают на тенден­цию к снижению общей двигательной и исследовательской актив­ности экспериментальных животных. При частоте стимуляции 70 Гц они выражены более отчетливо, чем при 60 Гц.

Что касается "плацебо" - эффектов, то после проведенно­го курсового "плацебо" у 12 животных статистически значимых изменений в тесте открытого поля по показателям "число верти­кальных стоек в открытом поле", "вхождение во внутренний круг", "пересечение внутреннего круга" выявлено не было. Не выявля­лись изменения поведения и при первом (тестовом) плацебо-воз­действии. В то же время электрофизиологические "плацебо"- ре­акции и их различия относительно эффектов ЭМС были выражены отчетливо.

В группе "чистого контроля" данные статистического срав­нения тестирований в открытом поле были близки к группе "пла­цебо".

При исследовании биоэлектрических эффектов транскра­ниальной ЭМС стимуляцию начинали через неделю после вживле­ния электродов, при стабильности паттерна фоновой ЭА и отсутс­твии у крысы поведенческих или неврологических нарушений. Длительность наблюдения и количество индивидуальных исследо­ваний определялось плотностью примыкания колодки с электро­дами к кости черепа, которая уменьшалась по мере подрастания соединительной и мышечной ткани.На первом и втором сеансах стимуляции биоэлектрические эффекты транскраниальной ЭМС сравнивали с эффектами плацебо, сопоставляя ЭА в фоне, через 3, 30 и 60 мин после каждого воздействия.

В рисунке фоновой ЭА мозга интактных крыс отмечался ряд характерных для нее особенностей: 1) Региональные различия амплитуды потенциалов с наиболее низкими значениями в орби-тофронтальных корковых областях и максимальными - в гиппо-кампе.

2) Полиритмия частотного состава с доминированием во всех регистрируемых структурах тета-активности с максимумом ее выраженности гиппокампе. Этому соответствует сложный ха­рактер спектрограмм с двумя максимальными пиками - в дельта-и тета -диапазонах. 3) Наличие в паттерне ЭА участков десинхрон-ной и синхронизированной активности, что отражает, по мнению Буреша, разные уровни бодрствования животного. Характерным было превалирование времени присутствия десинхронной части по отношению к синхронной в полтора - три раза. 4) Спектры ко­герентности десинхронной части ЭА носили по большей части шу­мовой характер. Отмечалось наличие нескольких пиков: на час­тоте 6,7 - реже - 8 Гц. Максимальное значение среднего уровня когерентности характерно для симметричных областей орбитоф-ронтальной коры, наименьшая сочетанность определяется для ствола с остальными регистрируемыми отделами мозга. В спек­трах когерентности синхронной составляющей электрической ак­тивности интактного мозга, то есть при ослаблении активирующих стволовых влияний, выявляются пики на частоте 4-5 Гц.5) Фазо­вые спектры ЭА на десинхронных участках записи имели шумо­вой характер с попеременной сменой зоны опережения, которая зависела от частотного диапазона. В парах со стволом на частотах ниже 20 Гц ведущим оказывался ствол.

	Группы животных	Данные до возд.	Данные после возд.	Х±m	При Р
1	Группа 60 Гц	18,1	11,7	6,43±2,7	0,03
2	Группа 70 Гц	16,8	5,2	11,6±4,6	0,005
3	Группа плацебо	12	12	0±0,52	1
4	Группа контроль	18	17,8	0,14±1,14	0,9

ЭА-реакция на транскраниальную ЭМС проявлялись уже при первом сеансе стимуляции определенными перестройками пространственно-временной организации: значимое нараста­ние мощности биопотенциалов в большинстве регистрируемых областей мозга, синхронизация основных ритмов ЭА - вплоть до появления вспышек экзальтированной эпилептиформной актив­ности с максимумом в гиппокампе, увеличение времени присутс­твия синхронизированной составляющей паттерна. Этому соот­ветствовало достоверное усиление взаимосвязей исследуемых церебральных областей (по показателю когерентности ЭА) - как симметричных (на уровне ствола, гиппокампа и коры), так и уни-латеральных (прежде всего стволово-гиппокампальных) регионов мозга.

Сопоставление с плацебо показало выраженное сходство изменений когерентности ЭА в первые 30 минут после каждого из воздействий, но появление различий 45-60 минут спустя: после плацебо рисунок и значения спектров когерентности уже прибли­жаются ("возвращаются") к исходным фоновым характеристикам (лобная и стволовая активность), в то время как после ЭМС коге­рентности повышаются относительно фона во всех парах отведе­ния в широком частотном диапазоне. По данным статистической оценки когерентности, в ситуации плацебо более реактивной яв­ляется правая половина мозга, тогда как при транскраниальной ЭМС в большей степени изменяются связи в пределах или относи­тельно левого полушария (СА1 гиппокампа, в частности).

Проградиентное усиление межцентральных связей ЭА со­хранялась на протяжении всего курса ЭМС и до двух недель после его окончания - как по медленным (дельта, тета) ритмам ЭА, так и по более высокочастотным, особенно бета. Это было особенно выражено в симметричных зонах орбитофронтальной коры и в левой половине мозга в целом.

Анализ динамики рисунка спектров когерентности при транскраниальной ЭМС показал, что усиление связей в пределах дельта-, тета- и бета1-диапазонов (активность 13-16 Гц или сигма ритм) происходит на более низких по сравнению с фоном часто­тах (рис.1), что характерно для дремотного состояния, во всяком случае у человека.

Примерно через неделю после курса ЭМС начиналось об­ратное развитие нейродинамики с относительным снижением отдельных (прежде всего симметричных стволовых) когерентных связей. Наиболее устойчивая тенденция к усилению связей (до трех недель после стимуляции) характерна для симметричных орбитофронтальных областей в широком частотном диапазоне, а также для левой половины мозга.

Заключение

Полученные данные свидетельствуют о том, что транскра­ниальная ЭМС, проводимая посредством физиотерапевтического прибора ИНФИТА с частотой 60 и 70 Гц, сопровождается вы­раженными, достоверными и специфическими (по отношению к плацебо) функциональными эффектами - как в показателях поведения, так и спонтанной электрической активности мозга. Однако, это не активирующий, а скорее тормозный эффект, сход­ный с эффектом седации. Об этом красноречиво свидетельствуют данные анализа изменений рисунка спектров когерентности ЭА: что усиление связей (не всегда значительное, но достоверное по критерию Манна-Уитни) происходит на более низких (в пределах дельта- и тета-диапазонов) и высоких (бета1- активность 13-16 Гц или сигма ритм) по сравнению с фоновыми пиками частотах. У че­ловека такие изменения спектра когерентности характерны для дремотного состояния (Болдырева с соавт, 1989).

Эти результаты могут быть объяснены в рамках представле­ний научной школы В.С.Русинова о том, что в норме отклонение от индивидуально оптимального уровня церебрального межцент­рального взаимодействия в ту или иную сторону сопряжено с угне­тением локальной или целостной функциональной активности ин­дивида (Биопотенциалы мозга человека, 1987). С другой стороны, согласно данным В.П.Лебедева по транскраниальной электрости­муляции (2005г.), выбранные нами частоты ЭМС сопровождаются у грызунов анальгетическим и, возможно, седативным эффектом, что обусловлено реакцией церебральной антиноцицептивной системы: медиально расположенных структур мозгового ствола, включая ядра гипоталамуса, около- водопроводного серого ве­щества среднего мозга, ядер шва моста и продолговатого мозга.

Проведенные исследования подтвердили высокую инфор­мативность анализа церебральной ЭА в оценке эффектов тран-краниальной ЭМС. Именно когерентный анализ ЭА позволяет позволяют визуализировать накопительный эффект транскрани­альной ЭМС в ходе курсового воздействия.

С помощью этого метода нами показана преимущественно левополушарная реактивность мозга на электромагнитную стиму­ляцию, что находит подтверждение в исследованиях с функцио­нальной магнитно-резонансной томографией на человеке. Вмес­те с тем, в литературе описаны выраженные парасимпатические эффекты ЭМС (Алексеева, 1988; Орлов с соавт, 1987; Самсонов с соавт, 2008 и др.). В публикациях последних лет обсуждается возможность большего влияния левого полушария на регуляцию парасимпатической системы (Леутин с соавт., 2006). Таким обра­зом, данные наших исследований согласуются с литературными и имеют, возможно, не только прикладное, но и более универсаль­ное, фундаментально-научное значение.

Литература

1. Алексанян З.А., Лысков Е.Б., Катаева Г.В., Гурчин Ф.А., Заволоков И.Г., Можаев СВ. Использование транскраниальной электромагнитной стимуляции для лечения двигательных и рече­вых расстройств у больных после инфаркта головного мозга // Рос.физиол.журн.им. 2004.Т.90, N°8. С.1-2
2. Алексеева Н.П. Клиническое и экспериментальное обоснование лечебного применения импульсного магнитного поля низкой частоты и мощности у больных гипертонической бо­лезнью: Дис. ... докт. мед.наук. - М. -1988.
3. Болдырева Г.Н., Жаворонкова Л.А., .Характеристика межполушарных взаимоотношений ЭЭГ в оценке функционально­го состояния мозга человека // ЖВНД им. И.П.Павлова, т.39, N2, 1989, с.215-220.
4. Воронов В.Г., Щекутьев ГА., Гриндель О.М. Пакет про­грамм для статистического сравнения записей ЭЭГ// Материалы международной конференции "Клинические нейронауки: нейро­физиология неврология, нейрохирургия", Украина, Крым, Гурзуф, июнт, 2003 г., с.22-24.
5. Григорьев О.А, Григорьев Ю.Г., Африканова Л.А. Влияние электромагнитного излучения различных режимов на сердечную деятельность (в эксперименте). Ж. Радиационная биология. Ра­диоэкология.1996, Т. 36, в. 5, 691-699 с.
6. Григорьев Ю.Г. Человек в электромагнитном поле (су­ществующая ситуация, ожидаемые биоэффекты и оценки опас­ности)//Радиац. биология. Радиоэкология. 1997. Т37. No.4. С.690 -702.
7. Григорьев Ю.Г. Биоэффекты при воздействии модулиро­ванных электромагнитных полей в острых опытах. // Ежегодник Российского Национального Комитета по защите от неионизи-рующих излучений 2003// Сборник трудов. М.: Изд-во АЛЛАНА, 2004.
8. Макаренко А.Н. Нейрофизиологические и нейрохими­ческие аспекты протекторного влияния неокортекса при воздейс­твии и передозировке общих анестетиков. - Автореф. дисс . . д.м.н., М., 1993, 51с.
9. Лапшин В. П., Гольдфарб Ю. С, Чжао А. В., Красильников А. М., Серая Э. В., Шипилов И. В., Кулакова О. И., Рюмин А. В. Транскраниальная электрическая стимуляция в терапии неотлож­ных состояний. Диапазон применения и перспективы развития. //Ж. Физиотерапия, бальнеология и реабилитация. М. 2007- N° 1. 45-47 с.
10. Леутин В.П., Николаева Е.И. Межполушарная асиммет­рия мозга мифы и реальность. 2006. 145 с.
11. Никитин С.С, Куренков А.Л. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы. Руководство для врачей. М.: САШКО, 2003. - 378 с.
12. Орлов Л.Л., Михайлова С.Д., Шахова Н.О. Действие им­пульсного магнитного поля при гипертензии//Советская медици­на. -1987 -© 2. -С.3-5
13. Русинов B.C. Биопотенциалы мозга человека. Матема­тический анализ.,1987 256с
14. Самсонов С.Н., Петрова П.Г., Маныкин В.И. Электромаг­нитное излучение солнца и сердечно-сосудистые заболевания.// Труды XVI Международной конференции "Новые информацион­ные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии. Украина, Гурзуф, 2008. 315-317 с.
15. Саркисова К. Ю. Связь между типом поведения, осо­бенностями окислительного метаболизма мозга и устойчивостью кпатогенным воздействиям//Дис...докт. биол. наук. М.: Ин-тВНД и Нейрофизиологии РАН, 1997. 5-6 с.
16. Супова М. В., Смирнова С. Н. Опыт применения виб­роакустической терапии и магнитотерапии при нейросенсорной тугоухости.//Ж. Физиотерапия бальнеология и реабилитация. М. 2007- N° 4. 38-39 с.
17. Deliac P., Richer Е., Berthomieu J. etal.Electrophysiological development underthalamic stimulation of post-traumatic persistent vegetative states// Neurochirurgie, 1993, 39 (5), p.293-303. 1997, 24c.
18. Tsubokawa T. Deep brain stimulation therapy for a persistent vegetative state // Journal of Neurotrauma, 1995, v. 12, N3, p.345.

Ключевые слова: физиология животных, седация, электро­магнитная стимуляция.

Possibilities of Rhythmical Electromagnetic Stimulation in Receipt of sedative effect of Animals.

Summary: In the article the possibilities of rhythmical electromagnetic stimulation in receipt of sedative effect of animals are described.

Key words: physiology of animals, sedative effect, electromagnetic stimulation.

Авторы

Шарова E.B., доктор биологических наук,

Куликов М.А., кандидат биологических наук, Институт вы­сшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, 117485, Москва, ул. Бутлерова, д.5а, тел. (495) 334-70-00.

Ответственный за переписку с редакцией Ермаков А. М., доктор биологических наук, ГНУ Северо-Кавказский зональ­ный научно-исследовательский институт Россельхозакаде-мии, 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, Ростовс­кое шоссе. Тел. (8635) 26-62-70.

Карташов С.Н., доктор биологических наук, ГНУ Северо-Кав­казский зональный научно-исследовательский институт Россель-хозакадемии, 346421, Ростовская область, г. Новочеркасск, Рос­товское шоссе. Тел. (8635) 26-62-70.

	Полезные ссылки
Департамент ветеринарии Краснодарского края Ассоциация Практикующих Ветеринарных Врачей