Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

THE FEATURES OF PSYCHOSOMATIC RESPONSES IN DIFFERENT SEASONS TO LIGHT STIMULATION OF THE CIRCADIAN CLOCK OF THE HUMAN

Sergeeva M.S. 1, 2 Pyatin V.F. 2, 1 Glazkova E.N. 2 Shirolapov I.V. 2 Yakunina S.V. 2 Korovina E.S. 2 Romanchuk N.P. 2
1 Center of breakthrough research «Information Technologies in Medicine» SamSMU
2 Samara State Medical University (SamSMU)
Циркадианное регулирование функций организма человека подвергается как ежедневной, так и сезонной динамике естественной солнечной освещенности. Целью настоящей работы стало проведение сравнительного анализа изменений психоэмоциональных и когнитивных процессов у человека при увеличении естественной солнечной освещенности в весеннее время (сессия 1) и в условиях кратковременного моделирования естественного голубого спектра света в ранние утренние часы в зимнее время года (сессия 2). Психофизиологическое тестирование (ситуативной тревожности, самочувствия, активности, настроения, параметров внимания и зрительного восприятия, стиля жизни и уровня стрессоустойчивости) осуществлялось дважды – в начале и в конце исследования. Сессия 1 проводилась с 15 апреля по 16 мая. Испытуемые одной экспериментальной группы (n=20) ежедневно носили солнцезащитные очки в течение всего периода исследования. Студенты второй экспериментальной группы (n=24) оставались в условиях естественной освещенности. Сессия 2 проводилась в январе в утренние часы до восхода солнца. У испытуемых контрольной группы (n=14) интервал времени между психофизиологическими тестированиями составлял 30 мин. Испытуемые третьей экспериментальной группы (n=14) между психофизиологическими тестированиями в течение 30 мин использовали источник светового потока с максимумом огибающей в области 480 нм для адекватной стимуляции меланопсинсодержащих ганглиозных клеток сетчатки. В работе получены данные кратковременной и лонгитюдной адаптации психофизиологического статуса испытуемых под контролем циркадианных часов. Искусственное ограничение естественной солнечной освещенности в весеннее время негативно отражается на временной динамике психосоматических показателей студентов на фоне психологического стресса. Напротив, физиологически адекватная активация циркадианных часов искусственным источником голубого света в условиях отсутствия естественной освещенности в зимнее время даже при кратковременной экспозиции способна вызывать позитивные сдвиги в функциональном состоянии организма человека. Представленные материалы исследования открывают возможности немедикаментозной профилактики психосоматических проявлений у человека в условиях искусственного и/или естественного ограничения внешней освещенности, что является причиной возникновения депрессии, нейроэндокринных заболеваний и нарушений сна человека.
Circadian regulation of the functions of the human body is exposed to both daily and seasonal dynamics of natural sunlight. The aim of this work was to conduct a comparative analysis of changes in the psycho-emotional and cognitive processes in humans by increasing natural sunlight in spring time (session 1) and in a short simulation of natural blue spectrum light in the early morning hours in winter (session 2). Psychophysiological testing (situational anxiety, mood, activity, mood, attention and parameters of visual perception, lifestyle and stress level) was carried out twice - at the beginning and end of the study. Session 1 lasted from 15 April to 16 May. Subjects first experimental group (n = 20) daily wear sunglasses for the entire study period. Students of the second experimental group (n = 24) did not wear sunglasses during the entire study period, in order to remain in conditions of natural light. Session 2 was held in January in the morning before sunrise. Subjects in the control group (n = 14) time interval between the psycho-physiological testing was 30 min. The subjects of the experimental group (n = 14) between the psychophysiological testing for 30 minutes using an electronic device to adequate stimulation melanopsin-containing ganglion cells of the retina (the light source with a peak flow of the envelope in the field of 480 nm). We obtain short-term data and longitudinal adaptation psychophysiological state subjects under the control of circadian clock. Artificial restriction of natural sunlight in the spring has a negative impact on the temporal dynamics of psychosomatic indicators of students, especially against the background of psychological stress. In contrast, physiologically adequate activation of the circadian clock artificial source of blue light in the absence of natural light in winter, even with short-term exposure is able to cause positive changes in the functional state of the human body. The materials presented studies open the possibility of non-pharmacological prophylaxis of psychosomatic manifestations of a person under artificial and / or natural constraints of ambient light that is the cause of depression, neuroendocrine diseases and disorders of sleep a person.
the photosensitive retinal ganglion cells
blue light spectrum
attention
anxiety
mood
activity
health
psychological stress
circadian clock
circadian system

Циркадианное регулирование функций организма человека подвергается как ежедневной, так и сезонной динамике естественной солнечной освещенности. Внешние циклические колебания освещенности воспринимаются специфическими меланопсинсодержащими ганглиозными клетками сетчатки, адекватным раздражителем для которых являются короткие волны в голубой части спектра при оптимальной длине волны 480 нм [1, 6, 7]. Центр циркадианной системы (нейроны супрахиазматических ядер (СХЯ) гипоталамуса) получает информацию от фоточувствительных ретинальных ганглиозных клеток по ретиногипоталамическим путям. В соответствии с циклом свет/темнота происходит настраивание циркадианных часов, синхронизируются физиология и поведение человека. Искусственная среда обитания человека не соответствует естественному природному циклу свет/темнота и их соотношению по времени. Низкие уровни внешней солнечной освещенности в зимнее время являются ключевыми факторами риска здоровья человека. Недостаточность естественной циркадианной регуляции вызывает измененные эмоциональные и физиологические эффекты типа сезонной депрессии, нарушений сна и нейроэндокринных заболеваний [4]. Физиологический контроль циркадианной регуляции представляет собой путь к профилактике и лечению заболеваний, связанных с «циркадианной депривацией». 

Целью настоящей работы стало проведение сравнительного анализа изменений психоэмоциональных и когнитивных процессов у человека при увеличении естественной солнечной освещенности в весеннее время и в условиях кратковременного моделирования естественного голубого спектра света в ранние утренние часы в зимнее время года.  

Материал и методы исследования

Сессия 1. Естественная и пониженная солнечная освещенность. В исследовании приняли участие студенты-добровольцы второго курса Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет. Испытуемые были разделены на две группы. Испытуемые одной экспериментальной группы (ЭГI, n=20) получили задание носить ежедневно солнцезащитные очки в течение всего периода исследования. Студенты второй экспериментальной группы (ЭГII, n=24) получили задание не носить в течение всего периода исследования солнцезащитные очки для того, чтобы оставаться в условиях естественной освещенности. Исследование было проведено с 15 апреля по 16 мая 2012 г., когда продолжительность светового дня увеличивалась на 2 ч - с 14 ч 1 мин 54 с до 15 ч 57 мин 0 с. Психофизиологическое тестирование проводилось дважды - в начале и в конце исследования.

Сессия 2. Моделирование естественной освещенности в ранние утренние часы. В исследовании приняли участие 28 студентов-добровольцев Самарского государственного медицинского университета в возрасте 18-20 лет. Из этих участников рандомизированно были образованы контрольная (КГ, n=14) и экспериментальная (ЭГIII, n=14) группы. Исследование проводилось в период с 13 января по 19 января 2015 г. в утренние часы до восхода солнца, время которого на широте г. Самара в этот период - 07:49:27 (13.01.2015 г.) и 07:43:41 (19.01.2015 г.). Освещенность комнаты на уровне глаз испытуемых, в которой проходило исследование, равнялось 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). Психофизиологическое тестирование проводилось дважды - в начале и в конце исследования. У испытуемых КГ интервал времени между тестированиями составлял 30 мин. Испытуемые ЭГIII между психофизиологическими тестированиями в течение 30 мин использовали прибор для адекватной стимуляции меланопсинсодержащих ганглиозных клеток сетчатки, излучающий световой поток с максимумом огибающей в области 480 нм [5]. Диапазоны регулируемой освещенности и яркости светового потока электронного девайса составляют: min - 140 Лк/145 кД/м2; max - 1650 Лк/875 кД/м2.

Общепринятыми методами тестирования определялись следующие психофизиологические характеристики студентов: ситуативная тревожность (тест Спилбергера-Ханина), самочувствие, активность, настроение (тест САН), параметры внимания и зрительного восприятия с помощью корректурных таблиц Анфимова. Для регистрации времени реакции на звуковые стимулы использовался аппаратный комплекс «Biopak Student Lab». Так как обучение в высшей медицинской школе сопряжено с развитием психологического стресса у студентов [2], нами проводилось исследование стиля жизни и уровня стрессоустойчивости испытуемых (тест «Стиль жизни и стрессоустойчивость», тест на учебный стресс, Бостонский тест на стрессоустойчивость).

Полученные данные обрабатывались статистически с помощью IBM SPSS Statistics 22. Достоверность измерений оценивалась параметрическими (t-тест Стьюдента для зависимых и независимых выборок) и непараметрическими (t-тест Вилконсона для зависимых выборок и критерий Манна-Уитни для независимых выборок) методами. Статистически значимыми изменения средних величин считались при р<0,05.

Результаты исследования и их обсуждение

Студенты всех четырех групп, участвующих в исследовании в весеннее и зимнее время, имеют психологический стресс (табл. 1, 2), что можно было объяснить окончанием учебного семестра и приближением экзаменационной сессии.

Таблица 1

Средние значения показателей стрессочувствительности студентов ЭГI  и ЭГII (M±m)

Показатели

стрессочувствительности

Группы испытуемых

ЭГI

ЭГII

Фон

Через месяц

Фон

Через месяц

Базовый показатель

83,09±3,39

98,83±5,65*

89,5±5,16

94,1±4,58

ДЧС

52,26±4,15

76,18±6,54**

66,1±6,3

64,95±6,11

Шкала

оценки

стрессо-

чувствительности

Первая

27,69±1,22

28,52±1,98

25,2±2,12

27,4±1,22

Вторая

21,04±1,49

26,86±1,98**

24,9±1,79

25,8±1,77

Третья

15,39±1,31

21,83±2,24**

20,9±2,05

24,5±2,07*

Четвертая

18,96±1,05

21,7±1,79*

18,5±1,49

16,4±1,09

Пятая

35,26±1,37

32,17±1,47

35,9±1,37

36,1±1,41

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Таблица 2

Средние значения показателей стрессочувствительности студентов ЭГIII и КГ (M±m)

Показатели

стрессочувствительности

Группы испытуемых

ЭГIII

КГ

Базовый показатель

82,375 ± 36,82

94,4 ± 23,61

ДЧС

72,375 ± 24,29

77,2 ± 24,19

Шкала

оценки

стрессо-

чувствительности

Первая

27,89 ± 28,525

25,6 ± 7,59

Вторая

25,38 ± 9,164

27,4 ± 7,14

Третья

22,25 ± 15,95

24,8±8,87

Четвертая

19,375 ± 6,48

16,6 ± 7,81

Пятая

33,75 ± 5,5

33,2 ± 7,83

В условиях ограничения естественной солнечной освещенности в весеннее время у студентов ЭГI произошло увеличение практически всех показателей стрессочувствительности: базового показателя - на  18,94±1,23% (p<0,05), динамической чувствительности к стрессу (ДЧС) - на 45,77±3,21% (p<0,01); значение второй шкалы оценки стрессочувствительности (склонность все излишне усложнять) - на 27,66±1,98% (p<0,01), третьей шкалы (предрасположенность к психосоматическим заболеваниям) - на 41,85±3,45% (p<0,01) и четвертой шкалы (деструктивные способы преодоления стрессов) - на 14,45±0,67% (p<0,05) (табл. 1).

Напротив, у студентов ЭГII изменения указанных выше показателей не носили статистических значимых изменений, за исключением третьей шкалы, значение которой увеличилось на 17,22±1,45% (p<0,05). Межгрупповые различия (p<0,05) выявлены по четвертой шкале (деструктивные способы преодоления стресса). Данные бостонского теста показали снижение стрессоустойчивости у студентов ЭГI по окончании исследования (28,48 ±2,03 (p<0,05) при фоновом значении 24,52 ± 1,93). При этом у испытуемых ЭГII данный показатель увеличился и составил 24,85±2,26 (p<0,05) относительно фона - 28,15 ± 1,87.

Таким образом, искусственное ограничение естественного светового потока ношением солнцезащитных очков в течение 30 дней снижает стрессоустойчивость и усугубляет проявления психологического стресса (табл. 3). Наряду с этим к концу периода исследования выявлены статистически значимые межгрупповые различия проявлений стресса: ощущение беспомощности, плохое настроение, депрессия, снижение самооценки, головные боли, низкая работоспособность, повышенная утомляемость (p<0,05) (табл. 3).

Таблица 3

Субъективная оценка студентов ЭГI  и ЭГII проявлений стресса, связанного с учебным процессом (M±m)

 

Проявления стресса

Группы испытуемых

ЭГI

ЭГII

Фон

Через месяц

Фон

Через месяц

Ощущение

беспомощности

3,13±0,44

4,21±0,67

5,1±0,68

5,75±0,58

Посторонние мысли

4,17±0,53

5,22±0,65

5,05±0,51

4,85±0,56

Повышенная

отвлекаемость

5,01±0,46

5,81±0,59*

5,5±0,54

5,8±0,53

Раздражительность, обидчивость

3,96±0,56

5,13±0,7

3,4±0,55

4,15±0,53

Плохое настроение,

депрессия

3,5±0,49

5,6±0,63*

5,0±0,52

4,5±0,63

Страх, тревога

3,08±0,47

4,9±0,62*

3,3±0,53

4,55±0,55*

Снижение самооценки

3,36±0,5

4,56±0,63

4,75±0,62

4,11±0,58

Ощущение нехватки времени

5,2±0,55

6,7±0,61*

5,8±0,65

6,8±0,57

Плохой сон

3,2±0,55

5,0±0,69*

3,85±0,66

3,6±0,56

Проблемы в общении

2,59±0,49

3,87±0,62*

2,2±0,43

2,85±0,45

Учащенное

сердцебиение

2,45±0,55

3,52±0,54*

2,45±0,49

3,47±0,59

Затрудненное дыхание

1,64±0,24

3,17±0,54**

1,75±0,33

2,95±0,45*

Проблемы с ЖКТ

2,86±0,46

3,87±0,66

2,5±0,89

3,25±0,54

Напряжение или

дрожание мышц

2,27±0,4

3,61±0,64*

2,9±0,52

3,55±0,49

Головные боли

3,22±0,5

5,3±0,62**

4,9±0,69

4,63±0,71

Низкая

работоспособность

3,74±0,56

6,09±0,62

5,6±0,61

6,25±0,61

* p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Уменьшение естественной освещенности вызвало также увеличение показателей ситуативной тревожности на 37,24±2,14% (p<0,001), уменьшение самочувствия, активности, настроения соответственно на 25,81±2,15% (p<0,001), 17,08±1,85% (p<0,05), 27,42±2,41% (p<0,001) у студентов ЭГI (табл. 4). У испытуемых ЭГII не выявлено подобной динамики психофизиологических показателей, поэтому межгрупповые различия имели статистически значимую величину в конце исследования (p<0,05).

Таблица 4

Средние значения ситуативной тревожности, самочувствия, активности, настроения студентов (M±m)

 

Параметры

Группы испытуемых

ЭГI

ЭГII

Фон

Через месяц

Фон

Через месяц

Тревожность

35,71±1,77

49,04±2,34***

38,65±1,58

40,71±2,38

Самочувствие

52,96±1,42

39,29±2,26***

46,04±2,42

47,95±2,34

Активность

46,83±2,07

38,83±2,41*

41,87±2,15

45,95±2,13

Настроение

57,92±1,82

42,04±2,59***

52,91±2,12

51,14±2,04

 

Параметры

Группы испытуемых

ЭГ III

КГ

Фон

Через 30 мин

Фон

Через 30 мин

Тревожность

49,75 ± 11,65

47,13 ± 11,41

59,67 ± 8,08

64,89 ± 8,31*

Самочувствие

39,38 ± 10,80

51,25 ± 8,47**

42,89 ± 7,81

39,00 ± 11,35

Активность

39,25 ± 10,24

48,13 ± 6,83*

43,44 ± 9,34

40,78 ± 9,22

Настроение

43,75 ± 12,02

50,00 ± 8,67*

40,56 ± 10,03

38,78 ± 7,68

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Недостаточность естественной освещенности в зимнее время кратковременно компенсировалась использованием источника света в голубой части спектра (максимум в области 480 нм). Нами установлено, что стимуляция рецепторов циркадианной системы в течение 30 мин в раннее утреннее время вызвала увеличение показателей самочувствия на 30,14 ± 6,43% (p<0,01), активности на 22,62 ± 4,53% (p<0,05) и настроения на 14,29 ± 1,24% (p<0,05). Ситуативная тревожность у студентов ЭГIII при этом практически не изменилась, а в КГ увеличилась на 8,75 ± 0,35% (p<0,05) (табл. 4). По окончании исследования были обнаружены межгрупповые различия ЭГIII и КГ по самочувствию (p<0,05), настроению (p<0,05), ситуативной тревожности (p<0,01).

Параметры внимания и зрительного восприятия у студентов четырех групп исследовались с помощью корректурных таблиц Анфимова. В таблице 5 представлены средние значения коэффициента точности А, коэффициента умственной продуктивности Р, объема зрительной информации Q, скорости переработки информации СПИ, устойчивости внимания УВН.  В ЭГII выявлено увеличение значений коэффициента умственной продуктивности на 9,36 ± 1,79% (p<0,01), показателя объема зрительной информации на 8,43 ± 1,4% (p<0,05) и скорости переработки информации на 15,34 ± 6,22% (p<0,05). Подобной статистически значимой динамики исследуемых показателей не выявлено у студентов ЭГI.

Таблица 5

Средние значения когнитивных  параметров студентов ЭГI  и ЭГII (M±m)

 

Параметры

Группы испытуемых

ЭГI

ЭГII

Фон

Через месяц

Фон

Через месяц

А

0,925 ±0,01

0,962 ±0,05

0,959 ±0,04

0,918 ±0,01

Р

225,66 ± 8,07

239,65 ±14,9

218,81 ± 7,44

239,59 ± 10,03**

Q, бит

144,49 ± 4,09

149,77 ± 4,39

142,1 ± 3,11

154,9 ±4,38*

СПИ, бит/с

2,22 ±0,08

2,25 ±0,09

2,13 ± 0,08

2,43 ±0,12*

УВН

4,115 ± 0,05

4,083 ± ,07

4,235 ± 0,19

4,202 ± 0,19

ВР, с

0,22±0,007

0,30±0,022***

0,23±0,009

0,24±0,012

Примечание: * p<0,05; **p<0,01; ***p<0,001

Приведенные данные созвучны с динамикой изменения времени реакции (ВР) на звуковые стимулы. Так, среднее значение времени реакции по окончании весеннего периода исследования в ЭГI увеличилось на 36,36 ± 2,13% (p<0,001) (табл. 5). При этом в ЭГII латентный период ответа на звуковые стимулы остался на прежнем значении. Приведенные данные демонстрируют уменьшение скорости научения и снижение скорости обработки предъявляемой информации у студентов ЭГI в условиях искусственного ограничения светового потока.

Напротив, после 30-минутной коротковолновой экспозиции в ранние утренние часы в зимнее время года у испытуемых ЭГIII нами обнаружено увеличение значения коэффициента точности на 7,87 ± 0,34 % (0,96 ± 0,06) (p<0,001) по сравнению с фоном (0,89 ± 0,09). Коэффициент точности в ЭГIII  достоверно увеличился на 2-й, 3-й, 4-й, 5-й, 8-й и 10-й минутах работы с корректурными таблицами (p<0,05), тогда как у студентов КГ коэффициент точности в конце исследования (0,96 ± 0,05) практически не изменился относительно исходного состояния (0,96 ± 0,05).

Литературные данные доказывают, что увеличение искусственной освещенности положительно влияет на уровень бодрствования человека, уменьшая субъективную сонливость и проявления ЭЭГ-коррелятов сонливости, повышая эффективность выполнения психомоторных задач [8]. Также известно, что использование голубого спектра в искусственной освещенности вызывает улучшение субъективных оценок бодрствования, настроения, приводит к увеличению производительности труда, концентрации внимания, к уменьшению дискомфорта глаз, субъективной усталости вечером, раздражительности и к улучшению качества ночного сна [6, 9].

По данным МРТ исследований мозга при решении когнитивных задач световая экспозиция синего цвета (473нм, 3х1013фотонов/см2/с) в дневное время суток вызывает устойчивые светоиндуцированные ранние ответы - активацию подкорковых структур, вовлеченных в регуляцию бодрствования и когнитивных процессов [10]. Причем для повышения функциональной активности ассоциативной коры требуется большая продолжительность световой экспозиций, поскольку более генерализованный характер ответа коры больших полушарий отмечается при более продолжительных световых экспозициях.

Кратковременное восприятие голубого света с максимумом длины волны 480 нм вызывает быстрые вегетативные ответы: увеличение продолжительности кардиоинтервала, увеличение мощности низкочастотного компонента вариабельности сердечного ритма (ВСР), уменьшение процента высокочастотных колебаний спектра ВСР и уменьшение величины систолического артериального давления [3]. В представленной работе получены данные кратковременной и лонгитюдной адаптации психофизиологического статуса испытуемых под контролем циркадианных часов. Важно подчеркнуть, что искусственное ограничение естественной солнечной освещенности в весеннее время негативно отражается на временной динамике психосоматических показателей студентов, тем более на фоне психологического стресса. При отсутствии физиологически адекватной естественной освещенности в зимнее время активация циркадианных часов и увеличение контроля психосоматического статуса могут быть достигнуты уже при кратковременной световой экспозиции в голубой части видимого спектра света. Представленные материалы исследования открывают возможности немедикаментозной профилактики психосоматических проявлений у человека в условиях искусственного и/или естественного ограничения внешней освещенности.

Заключение

Монохромный голубой свет (длина волны 480 нм) по воздействию на циркадианную систему в 100 раз эффективнее (в 100 раз меньше фотонов) по сравнению с флуоресцентным белым светом [7]. Новый тип фоторецепторов сетчатки, а именно фоточувствительные ганглиозные клетки сетчатки, контролирующие циркадианные часы, относят к менее чувствительным фоторецепторам, чем классические фоторецепторы - колбочки и палочки.  Дефицит ежедневной и/или сезонной стимуляции циркадианных фоторецепторов и/или циркадианных часов формирует негативную направленность психосоматических проявлений у человека [4], в наиболее тяжелой форме вызывает сезонные депрессии и другие заболевания. По нашим данным, ношение солнцезащитных очков, ограничивающих в среднем на порядок внешнюю естественную солнечную освещенность, следует отнести к фактору риска развития психосоматических нарушений. Напротив, физиологически адекватная активация циркадианных часов искусственным источником голубого света с максимумом длины волны в области 480 нм на фоне отсутствия естественной  освещенности в зимнее время даже при кратковременной экспозиции способна вызывать позитивные сдвиги в функциональном состоянии организма человека. В дальнейшем необходимы исследования гормональных ответов при кратковременном и лонгитюдном применении спектра видимого света в области максимальной световой чувствительности рецепторов циркадианных часов.

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.