ANALYSIS OF DC-POTENTIAL LEVEL IN ASSESSMENT OF BODY FUNCTIONAL STATE (REVIEW)

Full Text

Эффективность работы мозговых структур, определяющих как характер психической деятельности, так и жизнедеятельность организма в целом, во многом связана с процессами энергетического обеспечения головного мозга [3, 7, 19, 45]. Слож ное взаимодействие функциональной активности нейронов и их энергообеспечения указывает на необходимость исследований взаимосвязи между энергетическим обменом и работой нервных клеток [1, 3, 44]. 27 Ментальная экология Экология человека 2015.10 При повышении функциональной активности мозга усиливается церебральный энергообмен: нарастает потребление глюкозы, увеличивается мозговой кровоток. Толчком для такого повышения становится накопление в межклеточном пространстве ионов калия и увеличение при окислении глюкозы концентрации протонов, под влиянием которых расширяются мелкие мозговые сосуды [31, 36, 38, 39]. Основным условием осуществления жизненно важных биологических процессов в клетке является поддержание градиента концентрации ионов по разные стороны мембран нейронов. Постоянство электролитного состава как внутри, так и вне клетки основывается на активном транспорте ионов через клеточные мембраны, которые обладают высокоселективной ионной проницаемостью. Активный транспорт ионов - самый важный источник и регулятор трансмембранного потенциала клетки [37, 38]. Генерация всех видов мембранных потенциалов связана с энергозатратами на создание и поддержание ионных градиентов. Имеются данные, указывающие на тесную связь между уровнем мембранных потенциалов мозга и показателями церебрального энергетического метаболизма [31, 36]. Исходя из этого уровень мембранных потенциалов можно рассматривать в качестве интегрального показателя энергетического состояния головного мозга. В настоящее время к основным методам, позволяющим визуализировать биохимические процессы в мозге и оценивать церебральный энергетический обмен, относят позитронную эмиссионную томографию, магнитно-резонансную томографию, спектроскопию на основе ядерного магнитного резонанса, однофотонную эмиссионную компьютерную томографию, измерение локального мозгового кровотока с помощью изотопного клиренса, реоэнцефалографию. Эти методы позволяют получать изображение мозга и картировать содержание в его структурах определенных веществ, участвующих в энергетическом обмене, а также локальный кровоток в разных его структурах. Их применение достаточно эффективно, но имеет ряд недостатков. В частности, большинство из них предусматривает введение радиоактивных веществ в организм человека и все они требуют дорогостоящего оборудования, а поддержание строго определенной позы при обследовании делает практически невозможным их применение при обследовании детей [5, 22, 23, 50]. К более доступным, безопасным, высокоинформативным и сравнительно простым в применении методам компьютерной визуализации компонентов биохимических реакций относится электрофизиологи-ческий метод оценки кислотно-щелочного равновесия в мозге [31, 36]. Данный метод позволяет достоверно оценивать энергетический метаболизм головного мозга посредством регистрации уровня постоянного потенциала (УПП), который представляет собой медленно меняющийся устойчивый потенциал мил-ливольтного диапазона (разность потенциалов), один из видов сверхмедленных физиологических процессов, регистрируемый между мозгом и референтными областями с помощью усилителей постоянного тока [23, 41]. Этот вид медленных потенциалов характеризует уровень относительно стабильного функционирования зон мозговых образований и является количественным показателем текущего функционального состояния исследуемого объекта, определяющего его физиологическую активность [1, 3, 31]. Доказано, что в генезе постоянного потенциала принимают участие мембранные потенциалы нейронов, глии и гематоэн-цефалического барьера, хотя вклад последних в генез УПП в разных ситуациях может быть неодинаковым [31]. Имеется мнение, что УПП образуется вследствие метаболической активности в межклеточном пространстве коры больших полушарий головного мозга. На УПП способны влиять содержащиеся в межклеточном пространстве молекулы гиалуроновой кислоты, несущие отрицательные заряды, изменяя свое расположение и связывая ионы, заряженные положительно. Многие авторы указывают, что работа против электрохимического градиента потенциалобра-зующих ионов требует энергозатрат для генерации мембранных потенциалов, вследствие этого параметры УПП связаны с церебральными энергозатратами и позволяют оценивать их интенсивность [17, 31, 45]. Данные многочисленных исследований свидетельствуют о связи УПП с показателями церебрального энергетического обмена: потреблением кислорода и глюкозы, накоплением гликогена, концентрацией АТФ и других энергетических метаболитов, а также соотношением окисленных и восстановленных форм дыхательных ферментов NAD-NADH и с интенсивностью реакций свободнорадикального окисления липидов мембран головного мозга [2, 4, 13, 15, 17 и др.]. Показано, что УПП отражает деятельность нейрофизиологических механизмов стационарного назначения, которые поддерживают церебральный гомеостаз в норме и регулируют функциональную межполушарную асимметрию, в отличие от электроэнцефалограммы и вызванных потенциалов, которые отражают преимущественно процессы восприятия и переработки информации [44, 46, 49]. В то же время установлено позитивное отклонение УПП в соответствующих проекционных зонах коры головного мозга в ответ на сенсорное воздействие звуком или светом [31, 33, 43, 48]. Уровень постоянного потенциала головного мозга отражает индивидуальные особенности общего и локального уровней энергозатрат, связанных с функциональным состоянием мозга и нервной системы в целом [23, 27, 28, 36, 43]. В настоящее время установлен ряд физиологических закономерностей распределения уровня постоянного потенциала. Показано, что показатели УПП тесно связаны с возрастными влияниями и циклическим режимом работы организма. В. Ф. Фокиным проведено исследование УПП в выборке лиц от 2 до 92 лет. Полученные результаты 28 Экология человека 2015.10 Ментальная экология свидетельствуют о том, что наиболее высокая интенсивность церебрального энергетического обмена наблюдается в детском возрасте. В дальнейшем происходит снижение энергетического метаболизма, а в пожилом и старческом возрасте, кроме того, имеет место сглаживание регионарных различий, что, вероятно, связано с уменьшением специализации коры в процессе старения. Опираясь на данные проведенного исследования, автор разработал возрастнозависимую нормативную шкалу, преобразующую количественные значения УПП в критерии оценки уровня энергетического состояния головного мозга в соответствии с возрастным эталоном [31]. Возрастнозависимая динамика распределения УПП определяет перспективность применения метода регистрации УПП головного мозга для описания процессов старения. Показано, что при нормальном старении межполушарные различия функциональной активности и энергетического обмена в целом уменьшаются, а интериндивидуальная вариабельность этих показателей увеличивается [24]. Мониторинг УПП показал, что при старении по сравнению со средним возрастом снижается рост церебральных энергетических процессов при выполнении тестов на слухоречевую память и уменьшается роль левого полушария в обеспечении этих процессов. Установлено, что интенсивность энергетических процессов может отражать вероятность наступления смерти у пожилых людей, что позволяет использовать показатель УПП в качестве маркера для прогнозирования продолжительности жизни [32]. Современными исследователями показано, что изучение УПП помогает раскрыть механизмы взаимообусловленности энергетического метаболизма головного мозга и других систем организма человека. Так, в исследовании Л. Ф. Старцевой получены данные об изменении распределения УПП в различные фазы овариально-менструального цикла, зависящие от исходного уровня энергообмена головного мозга в состоянии относительного покоя и после умственной нагрузки. Установлено, что в лютеиновую фазу овариально-менструального цикла распределение УПП характеризует наиболее оптимальный энергетический метаболизм головного мозга [30]. В исследованиях R. Edelberg, Y. Iino et al., T. C. Chu et al., T. Yokota et al., N. Mori, представлены данные о влиянии вегетативной нервной системы на динамику сверхмедленных физиологических процессов [цит. по 29]. И. В. Князевой с соавт. установлена взаимосвязь между реактивными изменениями показателей вегетативной нервной системы и динамикой усредненного УПП и межполушарных отношений. Это открывает возможность оценки при помощи УПП вероятности развития психосоматической патологии [16]. В современных научных исследованиях, посвященных анализу распределения постоянного потенциала, большая роль отводится изучению факторов, отрицательно воздействующих на метаболизм головного мозга: неблагоприятных климатических условий проживания, снижения адаптации к физическому и психическому стрессу, сопутствующих заболеваний. Исследователи, изучающие адаптационные возможности организма, применяют регистрацию УПП для выявления особенностей гомеостаза в изменяющихся условиях среды [12, 18, 20, 30]. Так, Д. Н. Подопле-киным и А. В. Грибановым установлены нормативные показатели УПП головного мозга детей-северян. Определено, что энергетические затраты головного мозга у детей-северян более высокие по сравнению с их сверстниками из средней полосы России, что может рассматриваться как нейрофизиологическое проявление начальной стадии стресса. Отмечено, что разность потенциалов лобных отделов с усредненным уровнем постоянного потенциала в отсутствие различий в энергозатратах между центральными и затылочными отделами у младших школьников отражает задержку формирования функциональных связей некоторых отделов головного мозга [18]. А. Н. Подоплекиным и Н. Ю. Аникиной определены изменения УПП головного мозга у студентов-северян при локальном охлаждении. Отмечена тенденция более интенсивного энергообмена головного мозга у северян по сравнению со студентами из других регионов России, что проявляется повышением значений УПП в монополярных отведениях как перед и во время охлаждения, так и в восстановительном периоде. Более высокие показатели УПП у студентов-северян зарегистрированы в подкорковых структурах при одновременном их снижении во фронтальной области коры головного мозга [20]. Результаты исследования распределения УПП у пожилых женщин, проживающих на территории Крайнего Севера, также показали увеличение фоновых показателей метаболизма по основным отделам головного мозга в исследуемой группе. Наибольшая разница с нормативными значениями обнаружена в центральных и теменно-затылочных отведениях. Выявленная тенденция свидетельствует о функциональном напряжении головного мозга и снижении его резервных возможностей у пожилых женщин-северянок [12]. В целом рост локальных показателей распределения УПП у жителей Севера может быть связан с увеличением доли анаэробного окисления, поскольку УПП возрастает при накоплении продуктов окисления жирных кислот в мозговой ткани. Таким образом, повышение показателей распределения УПП можно расценивать как проявления экологической адапти-рованности к условиям Севера. Все чаще характеристики УПП становятся критериями, позволяющими оценить функциональное состояние организма человека [2, 14, 34, 42, 48]. Так, исследование Marshall L. еt al. показало сдвиги УПП во время ночного непрерывного сна, проявляющиеся повышением его средних показателей в фазах «быстрого» сна. Это позволило авторам выделить этапы сна, в которых происходят наиболее существенные изменения УПП [47]. 29 Ментальная экология Экология человека 2015.10 В исследовании Trimmel M. еt al. анализ распределения УПП производился у группы испытуемых при выполнении когнитивных операций (решение компьютерных и текстовых графических задач). Показаны различия в активации корковых зон при умственной нагрузке различного типа [51]. В. М. Кирсанов в процессе изучения влияния активных форм обучения на студентов естественно-научного профиля также отмечает значительное повышение энергообмена головного мозга испытуемых сразу после игровых тренингов. Автор объясняет это явление ростом активации деятельности мозга в условиях интенсивной интеллектуальной нагрузки [14]. В работе А. С. Ващенко показана возможность применения метода регистрации УПП для контроля за готовностью спортсменов к тренировочной и соревновательной деятельности [6]. А. Н. Подоплекиным установлено изменение УПП при употреблении психоактивных веществ, сопровождающееся повышением энергетических затрат мозга в лобной, затылочной и правой височной областях при одновременной дисфункции срединных структур мозга, что наиболее выражено в возрасте 11 - 12 лет. Выявлены особенности энергетического метаболизма головного мозга при употреблении летучих растворителей: повышение активности левого полушария и дисфункция фронтальных структур с нарушением связей с другими отделами мозга. Установлено изменение структурно-функциональной организации мозга при увеличении стажа употребления летучих растворителей [21]. Патофизиологические аспекты энергетического обмена головного мозга становятся актуальным направлением исследования различных заболеваний: атеросклероза, сахарного диабета, артериальной гипертонии, нарушений ритма сердца. Анализ УПП позволяет выявить возрастные особенности восстановительных процессов у людей, перенесших черепно-мозговую травму и инсульт, определить тяжесть общемозговых изменений, определить стадию и остроту патологических процессов, затрагивающих механизмы энергообеспечения нейронов головного мозга при его патологии [15, 17, 28, 29, 40]. Так, в исследовании Ю. В. Борисовой отмечается, что повышенные показатели УПП чаще всего встречаются у людей с начальными проявлениями недостаточности кровоснабжения мозга [5]. В. И. Шмырев с соавт. представляют данные об особенностях распределения постоянного потенциала при болезни Альцгеймера и паркинсонизме. Авторы указывают на то, что показатели УПП в случае болезни Альцгеймера будут повышаться, что связано с накоплением продуктов распада мозговой ткани в результате дегенеративных атрофических процессов, тогда как при паркинсонизме усредненный УПП обнаруживает разнонаправленные изменения. Снижение показателей постоянного потенциала при болезни Паркинсона указывает на недостаточность энергетического обеспечения мозга, проявляющуюся в особенности при функциональных нагрузках [36]. В работе Н. П. Миронова с соавт. представлена характеристика УПП при когнитивных нарушениях различной этиологии. Показано, что состояния метаболизма и региональной перфузии головного мозга в большинстве случаев определяют функциональную активность трех структурно-функциональных блоков мозга, а следовательно, определяют структуру жалоб и нейропсихологический тип когнитивного расстройства [17]. Отдельное место занимают исследования, посвященные диагностике энергетического метаболизма головного мозга до и после применения медикаментозной терапии. Авторы посредством измерения УПП обосновывают применение определенной группы медикаментов при нарушении мозгового кровообращения различной этиологии [16, 26]. М. А. Скединой, А. А. Ковалевой проводилась оценка УПП в процессе лечения больных с артериальной гипертонией I и II стадии и нейроциркуляторной дистонией. Авторы отмечают, что анализ УПП позволяет оценить динамику восстановительных процессов в организме в ходе лечения [26]. Особый интерес представляют работы, где особенности распределения УПП головного мозга становятся критерием в дифференциальной диагностике отклоняющегося развития. Значимые отличия по целому ряду характеристик постоянного потенциала головного мозга у детей с различными вариантами поведенческих нарушений подтверждают диагностическую ценность данного электрофизиологического метода [4, 9-11, 18]. Так, в исследовании Д. Н. Подоплекина с соавт. было выявлено, что при синдроме дефицита внимания с гиперактивностью (СДВГ) у детей 7-8 лет на первое место выступает значительное снижение энергозатрат в лобных отделах, уменьшение их связей с другими структурами мозга и изменение межполушарных взаимоотношений. Нарастающее истощение функциональных резервов, характерное для детей с СДВГ, выражается в снижении у них суммарного показателя постоянного потенциала головного мозга [10, 18]. В работе А. В. Грибанова и И. Н. Пушкаревой представлен анализ распределения УПП и его связи с показателями функции равновесия у детей с СДВГ [10, 18]. В исследуемой группе установлены значительные изменения взаимоотношений между энергообеспечением головного мозга и функциональным состоянием системы равновесия с выделением изолированных факторов «энергообеспечения» и «устойчивости позы». А. В. Грибановым и И. С. Депутат выявлено снижение показателей распределения УПП в лобных отделах головного мозга у детей с СДВГ при разном уровне интеллекта. Установлено, что наиболее значительные изменения факторной структуры распределения УПП головного мозга у детей с СДВГ, связанные с лобными отделами, происходят при относительно низком общем интеллекте, что, вероятно, обусловлено 30 Экология человека 2015.10 Ментальная экология нарушением регуляторных систем головного мозга детей при данном синдроме [11]. Результаты исследования А. И. Боравовой показывают, что более высокая активность церебральных энергозатрат в правом полушарии является одним из нейрофизиологических факторов, указывающих на предрасположенность подростков к проявлениям агрессии. Уровень агрессивности находится в прямой зависимости от УПП правой височной области [4]. Н. С. Бедерева, анализируя уровень УПП у детей с эмоциональной неустойчивостью (повышенная активность, слабая концентрация, хаотичный, ускоренный темп деятельности), констатирует у них повышение нейроэнергообмена. Исследователь отмечает, что даже в спокойном состоянии процессы регуляции головного мозга у детей с эмоциональной неустойчивостью находятся в напряженном состоянии. В ходе эксперимента наблюдается равная активность правого и левого полушария. Дети с невысокой общей активностью, повышенной чувствительностью, сниженным фоном настроения, невысоким темпом деятельности, напротив, имеют сниженные показатели УПП. Как утверждает автор, это может говорить о снижении реактивности нервных процессов [4]. М. А. Подоплекина экспериментальным путем доказывает, что у детей при нарушениях сердечного ритма происходит достоверное увеличение церебрального энергетического обмена, что находит свое отражение в повышении как суммарного показателя постоянного потенциала головного мозга, так и значений по основным его отделам. Автор рекомендует использовать метод исследования УПП головного мозга для комплексной оценки функционального состояния детей с целью определения их адаптационных возможностей [22]. Н. Г. Городенский использует показатели распределения УПП в дифференциальной диагностике раннего детского аутизма и задержки психического развития у детей и высказывает предположение о том, что доминирование правого или левого полушария определяет различный энергетический фон психического развития [9]. В настоящее время получают распространение исследования межполушарной асимметрии головного мозга посредством оценки разности постоянного потенциала между симметричными областями мозга [8, 12, 25, 35]. В. Ф. Фокиным с соавт. проводились исследования динамической организации функциональной межполу-шарной асимметрии в норме и при некоторых видах неврологической и психической патологии [31, 32]. В частности, определялось влияние динамических показателей функциональной межполушарной асимметрии на когнитивные процессы и обучение детей и подростков. Было выявлено, что реактивные сдвиги УПП отрицательно коррелируют с ментальной продуктивностью при выполнении заданий на свободные вербальные ассоциации и при чтении вслух у девочек 7-8-летнего возраста, а скорость чтения зависит от исходной активности височных областей и их меж-полушарной разности, при этом правополушарному сдвигу УПП соответствует более медленное выполнение задания. Среди детей 10-11 лет в условиях начальной тестирующей тренировки концентрации внимания были выделены две группы детей, различающиеся по реактивности функциональной межпо-лушарной асимметрии. Реактивность функциональной асимметрии оценивалась по межполушарной разности УПП головного мозга в процессе обучения быстрому чтению. Первоначальное нарастание УПП было выше у детей с преобладанием активности в левом полушарии, однако в результате обучения быстрому чтению эта группа оказалась менее успешной по критерию скорости чтения, чем группа с изначальным преобладанием УПП в правом полушарии [32, 35]. В других исследованиях этих же авторов представлен анализ межполушарных различий при нормальном старении и болезни Альцгеймера. Отмечается, что межполушарные различия энергетического обмена в целом уменьшаются, а интериндивидуальная вариабельность этих показателей увеличивается. Также определено, что снижается рост церебральных энергетических процессов при выполнении тестов на слухоречевую память и уменьшается роль левого полушария в обеспечении этих процессов. При болезни Альцгеймера вариабельность межполушарных различий увеличена в сравнении с возрастной нормой [32]. В исследовании И. С. Депутат и А. В. Грибанова на основе анализа УПП выявлено, что межполушарное взаимодействие у жителей Севера пожилого возраста изменено в сравнении с нормативными данными, что выражается в повышении индивидуальной вариабельности показателей межполушарных различий как в группе мужчин, так и в группе женщин. Отмечено сглаживание межполушарной асимметрии у мужчин-северян в лобных, а у женщин-северян в центральных отведениях и правополушарное доминирование в центральных отведениях у мужчин. В обеих группах наблюдается левополушарное доминирование в теменных отведениях и в лобных у женщин [12]. Таким образом, анализируя современные данные научной литературы, можно сделать вывод о том, что характеристики УПП, как интегральные показатели энергетического состояния головного мозга, не только отражают нейрофизиологические механизмы стационарного назначения, но и связаны с комплексом биохимических и иммунологических параметров, характеризующих функциональное состояние адаптивных систем организма в целом. Это позволяет использовать анализ распределения УПП для решения широкого спектра задач как для установления взаимосвязи функциональной активности организма с энергетическим метаболизмом головного мозга, так и для практической разработки новых методов диагностики различных состояний. Работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки РФ на 31 Ментальная экология Экология человека 2015.10 2014 - 2016 гг., № 2025 Северному (Арктическому) федеральному университету имени М. В. Ломоносова и при поддержке Гранта Президента РФ (№ 14.

About the authors

I S Deputat

Institute of Biological and Medical Research, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Email: imbi@narfu.ru
Arkhangelsk, Russia

A N Nekhoroshkova

Institute of Biological and Medical Research, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Arkhangelsk, Russia

A V Gribanov

Institute of Biological and Medical Research, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Arkhangelsk, Russia

I L Bolshevidceva

Institute of Biological and Medical Research, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Arkhangelsk, Russia

L F Startseva

Institute of Biological and Medical Research, Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Arkhangelsk, Russia

References

Supplementary files