Перед нами стояла цель исследовать ритмы ЭЭГ человека при кратковременном воздействии на сетчатку глаза голубым светом в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы в период дневного бодрствования.
Материал и методы исследования
В исследовании приняло участие 8 студентов-добровольцев Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18–20 лет. ЭЭГ регистрировалась монополярно с помощью 128-канальной системы записи ЭЭГ (BP-010302 BrainАmp Standart 128). Протокол исследования: запись фоновой ЭЭГ в течение 1 мин (I этап); запись ЭЭГ в течение 2 мин в период воздействия на сетчатку глаза световым потоком с максимумом огибающей в области 480 нм (II этап); запись ЭЭГ в течение 1 мин после светового воздействия на сетчатку глаза (III этап). На всех трех этапах испытуемые находились с открытыми глазами в звукоизолированной комнате в состоянии покоя сидя в ЭЭГ-кресле (Neurobotics, Россия). Естественная освещенность комнаты на уровне глаз испытуемых равнялась в среднем 135 Лк, а яркость – 400 кД/м2. Измерение освещенности и яркости проводили с использованием прибора ТКА-ПМК (02), зарегистрированного в реестре средств измерений 24248-09 (Россия). Электронный девайс для адекватной стимуляции меланопсин-содержащих ганглиозных клеток сетчатки представляет собой прибор, излучающий световой поток в диапазоне видимого спектра света с максимумом огибающей в области 480 нм [4; 5]. Диапазоны регулируемой освещенности и яркости светового потока электронного девайса составляют: min – 140 Лк/145 кД/м2; max – 1650 Лк/875 кД/м2.
При обработке ЭЭГ с помощью МatLab разделялась на отдельные частотные диапазоны: дельта (0,3-3,9 Гц), тета1 (4,0-5,9 Гц), тета2 (6,0-7,6 Гц), альфа1 (7,7-9,2 Гц), альфа2 (9,3-10,5 Гц), альфа3 (10,6-12,9 Гц), бета1 (13,0-19,9 Гц), бета2 (20,0-35,0 Гц), гамма (36,0-170,0 Гц). Каждый частотный диапазон обрабатывался с помощью IBM SPSS Statistics 22. Достоверность измерений оценивалась параметрическими (t-тест Стъюдента для зависимых и независимых выборок) и непараметрическими (t-тест Вилкоксона для зависимых выборок и критерий Манна–Уитни для независимых выборок) методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,001.
Результаты исследования и их обсуждение
В течение 2-минутной стимуляции рецепторного отдела циркадианной системы (II этап исследования) десинхронизация преобладала в бета2- (у 71,4% испытуемых) и гамма- (у всех испытуемых) частотных диапазонах ЭЭГ, синхронизация - у 71,4% испытуемых - в тета2- и альфа1-ритмах ЭЭГ (рис. 1).
Рис. 1. Динамика средних значений мощности некоторых частотных диапазонов ЭЭГ; 0 – I этап, 1 - II этап (суммарный 2-мин результат), 2 - III этап исследования
На III этапе нашего исследования по сравнению с фоновой ЭЭГ превалировала синхронизация у 85,7% испытуемых в тета1-, тета2-, альфа1-, альфа2-, альфа3- , бета2- диапазонах ЭЭГ. В гамма-диапазоне на III этапе десинхронизация сохранилась у 57,1% испытуемых (у 42,9% - проявилась синхронизация). В дельта-диапазоне ЭЭГ на II и III этапах исследования у испытуемых десинхронизация и синхронизация были представлены в равной степени.
Альфа-активность - специфический маркер бодрствования, обратно коррелирующий с уровнем мелатонина в плазме крови [8]. По литературным данным, коротковолновые световые экспозиции в середине дня, не соответствующие спектру и интенсивности циркадианных фоторецепторов, не вызывали изменение альфа-ритма (460 нм, 2,8 × 1013 фотонов/см2/с, продолжительностью 6,5 ч), или вызванная десинхронизация в альфа- (8-12 Гц), альфа-тета- (5-9 Гц) и тета- (4–8 Гц) диапазонах ЭЭГ (max, = 470 нм при 40 Лк, продолжительность 48 мин) была статистически недостоверной [8; 9]. Анализ ЭЭГ от четырех Ag-AgCl электродов, размещенных на Fz, Cz, Pz и Оz, после 30-минутного воздействия узкополосного источника света (max, = 470 нм при 40 лк) в ранние утренние часы после пробуждения выявил уменьшение мощности только в альфа-диапазоне ЭЭГ [10]. В других исследованиях при дневной световой экспозиции в течение 60 мин полихроматического света, обогащенного на 33% и 66% синим светом (451 нм, 40 Лк), отмечается уменьшение мощности в низко- (8-10 Гц) и высокочастотном (10-12 Гц) альфа-диапазоне ЭЭГ. При этом модуляция высокочастотного альфа-ритма не зависела от времени освещения.
В нашей работе при воздействии света длиной волны 480 нм, кроме альфа-ритма, отмечалась синхронизация и в тета2-диапазоне ЭЭГ. Отличие литературных данных от приведенных в исследовании, по нашему мнению, заключается в том, что фотостимуляция сетчатки производилась длинами волн вне диапазона максимальной фоточувствительности рецепторов циркадианной системы. Так, световая экспозиция 460 нм в дневное время уменьшала мощность в диапазоне тета / низкочастотный альфа (7,5-8,5 Гц). Сравнение между дневным и ночным воздействием 460 нм (2,8 × 1013 фотонов/см2/с) продемонстрировало большее значение мощности в дельта-диапазоне (0,5-1,0 Гц) и меньшее значение мощности в альфа-ритме ЭЭГ (8,5-11,5 Гц) при дневной экспозиции по сравнению с ночной [8]. В исследованиях, проводимых в дневное время в условиях частичного лишения сна (при увеличении сонливости и чувствительности биологической системы к свету), воздействие коротковолнового света вызывало десинхронизацию в тета-диапазоне ЭЭГ.
Гамма-ритм вовлечен в процессы научения и памяти, внимания, восприятия, формирования и восприятия эмоций. Бета-ритм ЭЭГ регистрируется у человека в состоянии бодрствования, является нейрофизиологическим коррелятом мышления, произвольного внимания. В литературе нам не встретились данные о влиянии голубого света в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы в дневное время на гамма- и бета-диапазоны ЭЭГ. В нашей работе под воздействием света с максимумом огибающей в области 480 нм у всех испытуемых отмечалась десинхронизация гамма-ритма ЭЭГ. На III этапе в гамма-диапазоне десинхронизация сохранилась у 57,1% испытуемых (у 42,9% - проявилась синхронизация). Выявленная нами на II этапе исследования десинхронизация в бета2-диапазоне сменилась на синхронизацию после коротковолновой световой экспозиции 480 нм.
На рис. 2 представлена динамика средних значений мощности тета2- и бета2-ритмов ЭЭГ отдельно на 1-й и 2-й минутах световой экспозиции с максимумом огибающей в области 480 нм на примере одного испытуемого.
Рис. 2. Локализация достоверных отведений (р<0,001) и их количество, динамика средних значений мощности по сравнению с фоном, ROC-кривая и значение площади под ней тета2- и бета2-частотных диапазонов ЭЭГ на II и III этапах исследования; 1, 2 мин – продолжительность световой экспозиции на II этапе
На II этапе исследования отмечалась синхронизация в тета1-, тета2-, альфа1-, альфа3-, бета1-диапазонах (рис. 2). Причем мощность в данных диапазонах ЭЭГ была максимальной после 1 минуты восприятия коротковолнового света. На второй минуте данная тенденция несколько уменьшилась (мощность в меньшей степени увеличилась по сравнению с фоном).
На III этапе исследования значительно увеличилось количество достоверных ЭЭГ-отведений (генерализованный характер реакции) в тета1-, тета2- и альфа1-диапазонах ЭЭГ (р<0,001). В альфа3-ритме ЭЭГ, наоборот, увеличение мощности на III этапе носило более локальный характер (34 достоверных ЭЭГ-отведений) по сравнению с фоном (96 ЭЭГ-отведений). Для бета1-диапазона ЭЭГ было характерно наименьшее количество достоверных ЭЭГ-отведений: на первой мин II этапа – 20, на второй мин II этапа - 10 ЭЭГ-отведений, на III этапе – 18 достоверных ЭЭГ-отведений.
Регрессионный анализ для тета1-, тета2-, альфа1-, альфа3- и бета1-ритмов ЭЭГ показал снижение чувствительности и надежности от первой ко второй минуте II этапа и увеличение площади под ROC–кривой на III этапе исследования.
Бета2- и гамма-частотные диапазоны ЭЭГ, как отмечалось ранее, на адекватную стимуляцию меланопсин-содержащих ганглиозных клеток отреагировали уменьшением мощности как на II, так и на III этапе. При этом увеличилось количество достоверных ЭЭГ-отведений от II этапа (бета2 – 30; гамма – 14) к III этапу (бета2 – 50; гамма – 28) исследования (рис. 2). Для бета2-ритма ЭЭГ регрессионный анализ показал снижение чувствительности и надежности от первой ко второй минуте II этапа и увеличение площади под ROC–кривой на III этапе исследования.
Таким образом, в течение 2-минутной световой экспозиции с максимумом огибающей в области 480 нм в дневное время суток нами получен ЭЭГ-ответ в виде синхронизации в низко- и среднечастотных (тета2, альфа1) и десинхронизации в высокочастотных (бета2 и гамма) диапазонах, после коротковолновой световой экспозиции ЭЭГ ответ проявился в виде синхронизации в низко- (тета1, тета2), средне- (альфа1, альфа2, альфа3) и высокочастотных (бета2) диапазонах.
Заключение
Нейрофизиологический ответ по ритмам ЭЭГ при восприятии испытуемыми коротковолнового электромагнитного излучения проявился уже на первой минуте воздействия. В отличие от других авторов, в нашем исследовании на сетчатку глаза в период дневного бодрствования подавался в течение 2 минут голубой свет в спектре максимальной чувствительности фоторецепторов циркадианной системы. Феномен десинхронизации бета-2- и гамма–диапазонов ЭЭГ и последующей синхронизации бета2-ритма ЭЭГ в этих экспериментальных условиях описан нами впервые. Ранее нами было показано, что при аналогичной световой экспозиции у испытуемых возникают психоэмоциональные (увеличение субъективной оценки самочувствия, активности, настроения) и когнитивные (увеличение значения коэффициента точности) ответы [1-3]. Мы предполагаем, что циркадианные часы человека контролируют когнитивные и психосоматические функции мозга при участии бета-2- и гамма–квантования.
Рецензенты:
Мирошниченко И.В., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой нормальной физиологии ГБОУ ВПО «Оренбургская государственная медицинская академия» Министерства здравоохранения Российской Федерации, г. Оренбург;
Ведясова О.А., д.б.н., профессор, профессор кафедры физиологии человека и животных ФГОУ ВПО «Самарский государственный университет», г. Самара.