Видовые и возрастные особенности реактивности ЦНС лабораторных животных к воздействию ЭМП низких интенсивностей

Сложный комплекс рефлексов, лежащий в основе ориентировочноисследовательского поведения, может служить показателем функционального состояния коры больших полушарий, а также интегральным показателем общего функционального состояния ЦНС и эмоциогенных мотивационных центров.

Экспериментальная ситуация ОП создает у животных конкурентные отношения попеременно доминирующих мотиваций (реакции страха — исследовательского поведения) и, таким образом, позволяет выявить соотношение уровней возбуждения кортикальных и субкортикальных структур (ориентировочно-исследовательская активность) и вегетативной нервной системы (частота дефекаций).

На первом этапе экспериментов была исследована структура спонтанного поведения мышей при различной продолжительности воздействия ЭМП-1.

В результате исследований было показано, что ЭМП-1 при всех использованных временных режимах вызывало изменения тех или иных компонентов поведения животных, выраженных в разной степени в зависимости от продолжительности облучения. Следует отметить, что динамика изменений различных компонентов поведения имела сложный характер и не обнаруживала закономерностей, которые можно было бы ожидать исходя из представлений о дозозависимо- сти биологических эффектов ЭМП.

Так, горизонтальная активность за первые 2 мин. первого тестирования более всего угнеталась после 120 мин. воздействия, вертикальная — после 15 мин. облучения в первом и втором тестировании. Исследовательская активность имела тенденцию к снижению пропорционально продолжительности облучения, причем с увеличением времени воздействия от 15 до 120 мин. изменялась временная структура угашения. Так, при экспозиции 120 мин. на 7—8 минуте первого тестирования активность выше, чем на 1—2 минутах, в то время как в контроле и в сериях с облучением по 15 и 30 мин. она угасает от первой к восьмой минуте. Груминг, особенно на 1—4 минутах, значительно сильнее угнетается при экспозиции 15 и 30 мин., а число дефекаций, напротив, заметно увеличивается на 1—2 минутах при той же длительности облучения.

В целом при всех режимах экспозиции при первом тестировании прослеживалась тенденция к снижению ориентировочно-исследовательской активности. Наблюдалось отчетливое угнетение ориентировочного рефлекса в обратной зависимости от дозы облучения. Такой комплекс изменений структуры поведения экспериментальных животных как снижение его локомоторных компонентов с одновременным снижением груминга и сохранением практически на уровне контроля исследовательской активности, а также спорадическими повышениями эмоциональности может свидетельствовать об определенном снижении неспецифической возбудимости и преобладании пассивно-оборонительного компонента.

Динамика угашения различных видов активности как контрольных, так и подопытных животных носит достаточно сложный волнообразный характер и указывает на появление второй волны активности (при повторном тестировании), обусловленной доминированием исследовательской мотивации. По-видимому, отличия в динамике угашения от картины, ранее описанной для крыс (Штемберг, 1982а) связаны также с видовыми особенностями поведения мышей, у которых территориальное поведение выражено в значительно большей степени, чем у крыс.

Принимая во внимание то, что эффекты воздействия ЭМП-1 заметны уже при 15-минутной экспозиции, а характерные статистически значимые изменения основных показателей поведения обнаруживаются при продолжительности воздействия 30 мин., в последующих опытах было использовано только это время экспозиции.

Рис. 2.12, на котором показана динамика изменения трех основных показателей активного поведения мышей в первом сеансе тестирования в ОП, наглядно демонстрирует общую тенденцию снижения горизонтальной и вертикальной двигательной активности облученных животных.

Рис. 2.12. Показатели активного поведения мышей в тесте «открытого поля» после воздействия ЭМП-1:

По вертикали — среднее число реакций. А — горизонтальная, Б — вертикальная двигательная активность, В — исследовательская активность. 1,2, 3,4, 5 — данные для контроля и экспозиции 15, 30, 60 и 120 мин. соответственно. Столбики — данные для времени тестирования: заштрихованные — 1—2, темные — 3—4, светлые — 5—6 мин. и с вертикальными полосами — 7—8 мин.

*—р < 0,05

В поведении крыс отмеченные тенденции сохранились, но проявились значительно более отчетливо. У взрослых животных было зарегистрировано достоверное снижение активных компонентов ориентировочно-исследовательской реакции и груминга после облучения (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Показатели поведения взрослых крыс в тесте «открытого поля»

после воздействия ЭМП-1:

Г — груминг, 1 и 2 — данные для времени тестирования 1—2 и 3—4 мин. Светлые столбики — контроль, заштрихованные — опыт. Остальные обозначения

как на рис. 2.12

Возрастные особенности поведения крыс в ОП показаны на рис. 2.14. Они заключаются в значительно более высокой двигательной активности как интактных, так и облученных молодых животных. Под действием ЭМИ возрастные особенности поведения крысят (более высокая возбудимость, меньшая выраженность пассивно-оборонительного поведения и более яркая — наследственно закрепленных видотипических паттернов) проявились в достоверном увеличении числа гру- минговых реакций (рис. 2.14, В). Можно отметить также более резкое угашение ориентировочноисследовательского рефлекса (в пределах одной пробы) у подопытных взрослых крыс. Анализ динамики угаше- ния активности животных при повторном обследовании в ОП не выявил сколько-нибудь существенных закономерностей.

Сравнение поведения животных разных видов и возраста, но сопоставимых по физическим размерам тела (взрослые мыши — крысята 20-дневного возраста) показывает, что при данных параметрах ЭМП первичные условия распределения и поглощения энергии не являются определяющими: с учетом возрастных особенностей структура и динамика изменения поведенческих реакций молодых крыс значительно ближе к таковым взрослых особей этого вида, нежели мышей, т. е. на первый план выступают особенности видовых и возрастных реакций на изучаемое воздействие. Это подтвердилось и в опытах с изменением «геометрии» облучения: облучение в вентро-дорзаль- ном направлении не привело к сколько-нибудь существенным сдвигам в поведении животных по сравнению с дорзо-вентральным облучением.

Рис. 2.14. Показатели поведения молодых крыс в тесте «открытого поля»

после воздействия ЭМП-1:

Обозначения как на рис. 2.12 и 2.13

Таким образом, кратковременное воздействие ЭМИ данных характеристик оказывает выраженное тормозное действие, проявляющееся на уровне спонтанного поведения животных. При этом данная тенденция в целом сохраняется независимо от вида и возраста животных, то есть не имеет видоспецифического характера.

В последующих опытах, проведенных на взрослых крысах, было показано, что снижение частоты применяемых ЭМИ при той же ППЭ (ЭМП-2) приводит к значительно более ярким и однонаправленным проявлениям тормозного эффекта.

Практически по всем показателям было зарегистрировано достоверное угнетение двигательной активности животных (рис. 2.15). При этом, в отличие от картины, наблюдавшейся при облучении ЭМП-1, указанный эффект не нивелировался, а усиливался при повторном тестировании через 2 часа после облучения. Так, латентный период (ЛП) ориентировочно-исследовательского рефлекса у животных, подвергнутых воздействию ЭМИ, при повторном тестировании имел явную тенденцию к увеличению, хотя различия не были статистически значимы. Прямым доказательством выраженного тормозного действия ЭМП-2 на высшие отделы ЦНС служит достоверное увеличение показателя угашения наиболее значимого элемента поведения животных в ОП — горизонтальной двигательной активности (рис. 2.16).

Рис. 2.15. Показатели поведения крыс в тесте «открытого поля» после воздействия ЭМП-2 (средние величины за все время тестирования):

Г — латентный период ориентировочно-исследовательского поведения.

По вертикали — время, с. 1 — первое и 2 — второе тестирование. Остальные обозначения как на рис. 2.12 и 2.13

Рис. 2.16. Показатели угашения активности крыс в «открытом поле» после

воздействия ЭМП-2:

По вертикали — показатель угашения, %. 1 — первое и 2 — второе тестирование, 3 — средняя величина. Остальные обозначения как на рис. 2.12 и 2.13

Анализируя структуру поведения подопытных крыс, необходимо отметить такие ее особенности как снижение частоты реакций гру- минга при первом и повышение ее при повторном тестировании, сопровождающееся возрастанием уровня эмоциональности. Хотя эти изменения и не были статистически значимы, в сочетании с достоверным снижением числа выходов в центр ОП они достаточно убедительно свидетельствуют об угнетении активных, ориентировочноисследовательских реакций, связанных в первую очередь с функциями соответствующих отделов неокортекса, и доминировании пассивнооборонительных и вегетативных компонентов в структуре поведения животных, облученных ЭМП.

Таким образом, если у контрольных крыс наблюдалась стереотипная двухволновая картина динамики активности в ОП, характеризующаяся сменой начальной реакции страха исследовательской активностью с последующим ее у гашением, то у облученных животных доминирование реакции страха сохранялось в течение всего опыта, угнетая ориентировочно-исследовательскую активность и замедляя процессы адаптации к экспериментальной обстановке, причем при повторном тестировании степень их эмоциональной напряженности не снижалась, а усиливалась.

Для того, чтобы получить представление о некоторых механизмах системной реакции ЦНС на ЭМП, наряду с поведенческими, были исследованы ее нейромедиаторные компоненты. В табл. 2.3 представлены результаты определения содержания основных моноаминов — норадреналина, дофамина, адреналина и серотонина в двигательной коре мозга контрольных животных, подвергнутых действию ЭМП частотой 4200 МГц. В двигательной коре мозга подопытных крыс происходило достоверное снижение (на 42 %) уровня норадреналина и резкое (10-кратное) повышение содержания серотонина по отношению к контролю. Изменения в содержении дофамина и адреналина были недостоверны.

Таблица 2.3

Содержание катехоламинов и серотонина в двигательной коре мозга крыс под действием

ЭМП-1 (нг/мг ткани)

В другой серии экспериментов было исследовано содержание моноаминов и некоторых их метаболитов — диоксифенилуксусной (ДОФУК) и 5-оксииндолуксусной (5-ОИУК) кислот в двигательной коре мозга крыс, подвергнутых действию ЭМП частотой 970 МГц. (табл. 2.4). У подопытных крыс в двигательной коре происходило 25-кратное снижение уровня норадреналина и снижение уровня адреналина на 50 % (р < 0,05) по сравнению с контролем. Изменения содержания дофамина, серотонина и их метаболитов были недостоверными.

Имеющиеся к настоящему времени данные исследований эффектов ЭМИ низких интенсивностей дают весьма сложную, неоднозначную и порой противоречивую картину функциональных изменений, происходящих на разных уровнях организации физиологических процессов в ЦНС.

Таблица 2.4

Влияние ЭМП-2 на содержание моноаминов и их метаболитов в двигательной коре мозга

крыс (нг/мг ткани)

Нелинейность наблюдаемых изменений, отсутствие прямой их зависимости от интенсивности и продолжительности воздействия (Крылова и др., 1992; Frey, 1967; Roberti et al, 1975), сложные фазовые явления (Антимоний, Судаков, 1972; Лобанова и др., 1972; Судаков, 1976) не позволяют объяснить большую часть этих эффектов с точки зрения зависимости от величины поглощенной энергии. Явления, регистрируемые в опытах на экспериментальных животных при воздействии ЭМИ интенсивностью более чем на порядок превышающей использованные нами (ППЭ 0,5 мВт/см²) — снижение исследовательской активности крыс, порогов их чувствительности к электрическому току (Давыдов и др., 1984) — многие исследователи считают не патологическими, а адаптивными и в определенной мере видоспецифичными. Тем более это можно отнести к исследуемым в данной работе ЭМП сверхнизких интенсивностей, не превышающих фоновых.

Таким образом, представляется целесообразным интерпретировать полученные результаты в свете информационного воздействия ЭМП на регуляторные процессы, осуществляемые ЦНС на высшем интегративном уровне, предполагая, что ЭМП примененных нами характеристик несут информацию, модулирующую информационные процессы, стимулирующие эволюционно и экологически обусловленные адапта- тивные изменения в поведении животных. Рассмотренные с этой точки зрения, наши данные подтверждают гипотезу об информационной роли ЭМП сверхнизких (не превышающих фоновых) интенсивностей в совершенствовании адаптивных реакций животных к меняющейся экологической обстановке.

Прежде всего, отсутствие каких-либо линейных закономерностей изменения эффективности ЭМП с увеличением времени его воздействия свидетельствует о том, что наблюдавшиеся изменения в поведении животных обусловлены не количеством поглощенной энергии, а какими-то совершенно другими свойствами ЭМИ. Опыты с изменением направления облучения показали, что «геометрия» распределения энергии в теле животного в данном случае также не играет существенной роли.

Теперь рассмотрим обусловленные ЭМП изменения структуры естественного адаптивного поведения в экспериментальной обстановке теста «открытого поля» животных разных видов, хотя экологически и филогенетически близких, но вместе с тем существенно различающихся по уровню интегративных функций ЦНС (мыши и крысы). Мы видим как общие тенденции к снижению активных компонентов поведения, так и определенные различия. Различия же сводятся к тому, что у крыс, животных более высокоорганизованных, поведенческие реакции на изменение параметров ЭМП оказались более выраженными, более отчетливыми и быстрыми, чем у мышей. Это свидетельствует об их эволюционном совершенствовании в направлении повышения биологической целесообразности и экономичности. О том же говорит более высокая эффективность угашения ориентировочно-исследовательской активности у крыс, хотя здесь могут играть определенную роль упомянутые выше видовые особенности территориального поведения.

Примерно те же закономерности совершенствования поведенческих реакций на ЭМП прослеживаются и в онтогенезе одного и того же вида животных. Структура поведения молодых крыс в целом сходна с таковой взрослых животных, но менее экономична, и, следовательно, менее биологически и экологически эффективна.

Сопоставление изменений структуры поведения мышей и крысят позволяет еще раз подчеркнуть, что их особенности характерны именно для данных видовых и возрастных групп животных и практически не зависят от характера поглощения энергии излучения и ее распределения внутри биообъекта.

В то же время частота ЭМП оказалась весьма существенным параметром его биологической эффективности. Снижение в 4 раза частоты ЭМИ при сохранении всех остальных его характеристик приводило к значительному усилению адаптивных изменений в поведении животных и появлению кумулятивного эффекта.

Если рассматривать полученную картину с точки зрения информационной роли использовавшихся ЭМП в адаптации животных к изменяющимся условиям окружающей среды, можно предположить, что частотные характеристики ЭМИ имеют отношение к кодированию биологически важной информации, вызывающей адаптивные перестройки в поведении крыс. Вместе с тем они явно не являются единственными информативными параметрами, так как изменение частоты не вызывало качественно новых поведенческих реакций, а лишь усиливало и приводило к повышению надежности их реализации. По-видимому, реакция биологической системы на вносимую информацию в данном случае происходит не по принципу простого релизинг-эффекта, а подчиняется более сложным закономерностям.

Исследование изменений в моноаминергических системах, происходящих под действием ЭМП в двигательной коре мозга крыс, позволило вскрыть некоторые механизмы наблюдавшихся явлений.

При анализе полученных результатов необходимо исходить из положения о мультифункциональных свойствах норадренергической и серо- тонинергической систем головного мозга. Норадреналин и серотонин в качестве нейромедиаторов, нейромодуляторов и нейрогормонов принимают активное участие в осуществлении практически всех функций ЦНС.

С конца 60-х годов в литературе активно разрабатывается гипотеза о реципрокных взаимоотношениях между катехоламинами и серотонином. Понятие реципрокности предусматривает не только антагонизм тех или иных систем, но и их взаимную регуляцию, при которой повышение активности одной системы сопровождается снижением другой и наоборот.

Полученные нами данные очень четко подтверждают эту гипотезу. Воздействие ЭМП низкой интенсивности ведет к резкой активации серотонинергической и торможению норадренергической систем. В настоящее время представляется трудным объяснить, чем вызваны эти изменения — активацией или ингибированием ферментов их биосинтеза или деградации или иными причинами. Однако бесспорно, что ЭМП низкой интенсивности непосредственно воздействуют на тонкие нейрохимические механизмы головного мозга. Кроме того, несомненным является тот факт, что протекание физиологических процессов в ЦНС животных, подвергнутых действию ЭМИ, происходит на фоне измененного метаболизма головного мозга и, в частности, измененного специфического нейромедиаторного типа обмена веществ.

Известно, что в головном мозге животных системами, которые, с одной стороны, антагонистически, а с другой, реципрокно принимают активное участие в центральных механизмах регуляции двигательной активности являются серотонинергическая и катехоламинер- гическая системы (Weiss, Laties, 1969). При этом активация последней ведет к повышению, а ее торможение, вызванное активацией серотонинергической системы, к снижению двигательной активности.

Таким образом, полученные в наших опытах изменения в нейро- медиаторных системах — повышение уровня серотонина и снижение норадреналина в двигательной коре мозга облученных крыс подтверждают тормозящий эффект ЭМИ исследуемых параметров на уровне нейрохимических механизмов регуляции двигательной активности.

ЭМП-2 вызывало несколько иные нейрохимические изменения в головном мозге. Было установлено, что при воздействии этого фактора в двигательной коре мозга крыс происходило достоверное снижение содержания адреналина и резкое падение уровня норадреналина. В этом варианте ЭМИ не оказывали влияния на состояние дофаминер- гической и серотонинергической систем. Так, содержание дофамина и серотонина оставалось практически на уровне контроля. Отсутствие влияния ЭМИ на эти системы подкрепляется данными о том, что содержание дофамина и серотонина, соответственно диоксифенилуксусной (ДОФУК) и 5-оксииндолуксусной (5-ОИУК) кислот также не изменялось.

Известно, что адреналин в головном мозге в большей степени проявляет нейрогормональные и нейротрофные, чем нейромедиаторные свойства (Hucho, 1986). В частности, он стимулирует образование одного из важнейших вторичных мессенджеров — циклического АМФ (цАМФ). Последний, образуя комплексы с различными протеинкина- зами, путем фосфорилирования активирует ключевой фермент биосинтеза катехоламинов-медиаторов — тирозингидроксилазу. Можно полагать, что под действием ЭМП-2 на фоне падения содержания адреналина снижается образование цАМФ. В результате этого тормозится процесс фосфорилирования молекул тирозингидроксилазы, что сопровождается снижением ее активности и в конечном итоге приводит к уменьшению содержания норадреналина в коре мозга.

Естественно, что такие значительные нейрохимические изменения не могут не отражаться на функциональном состоянии животных. Выше указывалось на вовлечение норадренергической и серотонинер- гической систем в центральные механизмы регуляции двигательных функций; при этом норадреналин активирует, а серотонин тормозит двигательную активность. Нами установлено, что у подопытных крыс на фоне практически неизмененного уровня серотонина содержание норадреналина резко снижалось.

Теоретически это должно вести к активации серотонинергической системы и вызывать снижение двигательной активности. Исследование поведенческих реакций у таких крыс подтвердило наше предположение — тестирование в ОП выявило угнетение двигательной активности.

Результаты опытов с использованием ЭМИ с частотой 4200 и 970 МГц привели нас к заключению, что наиболее чувствительной к действию ЭМИ оказалась норадренергическая система. И в первом, и во втором случаях наблюдалось достоверное снижение уровня норадреналина в двигательной коре мозга крыс.

Таким образом, несоответствие ничтожных энергий применявшихся воздействий достаточно значительным изменениям нейроме- диаторных процессов также подтверждает информационную роль ЭМП исследованных нами характеристик. Совершенно очевидно, что и на нейрохимическом уровне организации регуляторных процессов информативными параметрами оказались не энергетические, а скорее частотные характеристики ЭМИ. Так, изменение последних приводило к более глубоким и однозначным сдвигам, затрагивающим лишь одну ключевую систему, и сопровождалось аналогичными перестройками на интегративном уровне — в поведении животных.

Резюмируя изложенное, можно заключить, что логика изучения информационных аспектов взаимодействия ЭМП с биологическими системами «от общего к частному» (Presman, 1968) вполне оправдана. Наши эксперименты показали, что целостный организм чрезвычайно чувствителен к данным воздействиям, быстро и эффективно реагирует на них на высшем интегративном уровне, а исследование адаптивных перестроек структуры спонтанного поведения животных вполне адекватно поставленным задачам и позволяет вскрыть феноменологию изучаемых явлений.

Авторы: Штемберг Андрей, Ушаков Игорь, Шафиркин Александр