Психофизиологическое состояние человека в измененных магнитных условиях

ВВЕДЕНИЕ

Гипомагнитные условия (ГМУ) космического пространства, а также Луны и Марса, представляют собой критическую проблему для здоровья и работоспособности космонавтов во время длительных межпланетных полетов. Экспериментальные работы, посвященные изучению влияния ГМУ на человека, показали снижение резервов организма из-за возникновения проблем со здоровьем, таких как нарушения сна, изменения обмена веществ, а также появление неврологических нарушений [1]. Формирование режима труда и отдыха в соответствии с физиологическими возможностями человека, находящегося в ГМУ, позволит повысить эффективность его адаптации и выполнения поставленных перед ним задач.

Несмотря на обилие и разнообразие эмпирических данных, механизмы, лежащие в основе магниторецепции, до сих пор не идентифицированы. На сегодняшний день существует множество гипотез, например модель радикальных пар и модель магниторецепции, ключевым звеном которой является магнетит (оксид железа). Ослабление магнитного поля является стрессорным фактором для организма, при формировании организменной стресс-реакции важнейшую регуляторную функцию выполняет нервная система [2]. Было высказано предположение, что стрессорная реакция и седативный эффект медленных магнитных колебаний являются двумя видами чувствительности нервной системы человека к магнитному полю Земли. При изучении реакций нервной системы при воздействии электромагнитных полей была обнаружена неспецифическая реакция мозговых клеток, сопровождающаяся торможением условно-рефлекторной деятельности, процессов обучения и памяти. Стоит отметить, что реакция клеток напоминала адаптационный синдром Селье [3].

Согласно биоэтическим нормам большинство экспериментальных исследований эффектов ГМУ проводятся на животных. Было установлено, что длительное отсутствие магнитного поля значительно снижает способность к адаптации [4]. Воздействие ГМУ значительно ухудшает нейрогенез и когнитивные функции гиппокампа взрослых мышей за счет снижения эндогенных уровней аминофенилмасляной кислоты (АФК) в нервных стволовых клетках [5]. Как показали исследования, в ГМУ отмечается нарушение норадренергической активности в стволе мозга золотистых хомяков, поскольку после длительного пребывания в околонулевой магнитной среде значительно снижается как содержание норадреналина, так и плотность норадреналин-иммунопозитивных нейронов [6]. Изучение длительного воздействия ГМУ показало, что животные тратят относительно больше времени на изучение нового объекта и его местоположения в пространстве. B.F. Zhang и др. предполагают, что воздействие ГМУ нарушает пространственную и когнитивную память мышей [5]. Кроме того, в связи с отсутствием естественных магнитных условий были выявлены лейкопения, низкий уровень метаболизма, повышенная смертность и нарушение циркадианных ритмов [7]. Изменения циркадианного ритма и секреции мелатонина приводит к негативным последствиям в виде снижения антиоксидантной способности организма [8].

Влияние ГМУ на человека изучено меньше. Способность решать когнитивные тесты у человека ухудшается уже при 40-минутном пребывании в ГМУ [9], причем биологические эффекты ГМУ зависят от сложности задания. Максимальные эффекты наблюдались при выполнении сложных когнитивных тестов, где рост количества ошибок варьировал от 5,1 ± 1,6 до 7,4 ± 2,5% [10]. Результаты исследования В.Н. Бинги и др. [11] выявили значимые изменения в результатах когнитивных и сенсомоторных тестов: замедление скорости реакции, увеличение количества ошибок и снижение кратковременной памяти у мужчин, находившихся в «нулевом магнитном поле». Эксперимент Р.М. Саримова и др. [12] в двух режимах воздействия («плацебо» и «нулевое магнитное поле») длительностью 1 ч 17 мин (каждая серия с интервалом в 40–60 дней между сериями) показал, что «нулевое магнитное поле» вызывает увеличение количества ошибок и увеличение времени выполнения заданий в когнитивных тестах. Результаты когнитивных тестов в условиях «нулевого магнитного поля» снизились у 25 из 40 испытуемых.

Вегетативная регуляция сердечной деятельности также изменялась уже в первые 8 часов пребывания в ГМУ, преимущественно за счет отклонений в активности парасимпатической нервной системы [13]. Практически не изучены эффекты влияния ГМУ на развитие общей астении, усталости, сонливости, аффективных реакций и других возможных негативных психофизиологических состояний, которые создают угрозу развития аварийных ситуаций при операторской деятельности, способствуют нарушению взаимодействия в малых группах и усложняют деятельность, снижая эффективность выполнения целевых задач космического полета.

В 1976 г. Nakagawa описал возникновение многочисленных клинических и субклинических симптомов, связанных с ослаблением действия естественного геомагнитного поля Земли на человека, которые впоследствии получили название «синдром дефицита магнитного поля». При синдроме дефицита магнитного поля отмечаются потеря работоспособности, повышенная сонливость, нарушения ночного сна [14]. Можно предположить, что ГМУ, изменяя в цикле сон–бодрствование физиологическую базу для оптимального функционирования, могут способствовать появлению дневной сонливости как состояния, ассоциированного с когнитивным дефицитом, и влиять на качество ночного сна, особенно его восстановительную функцию.

Количественная оценка влияния слабых магнитных полей на организм человека — один из самых дискутируемых вопросов современной магнито- и гелиобиологии. Поскольку в кратковременных экспериментах изменения магнитного поля часто не приводят к видимой реакции организма и существенному изменению физиологических процессов, актуальной проблемой является оценка длительного действия вариаций магнитного поля.

Цель работы — оценка особенностей сенсомоторных реакций, качества ночного сна и развития дневной сонливости при 24-часовом пребывании в гипомагнитных условиях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Моделирование ГМУ проводилось в ограниченном объеме методом компенсации естественного магнитного поля Земли системой обмоток с током (колец Гельмгольца), суммарный вектор магнитного поля которых направлен в противоположном направлении геомагнитного поля Земли (стенд «Арфа» (ИМБП)).

Установка «Арфа» предназначена для моделирования ГМУ на основе метода компенсации естественного геомагнитного поля (ГМП), при котором суммарный вектор МП колец Гельмгольца направлен в противоположную сторону по отношению к магнитному полю Земли. За счет специально подобранного диаметра колец и их расположения внутри камеры создается равномерно распределенное по значению и направлению магнитное поле. Система позволяет компенсировать изменения магнитного поля вдоль вертикальной компоненты, параллельной максимальному размеру блока экспозиции.

В результате индукция магнитного поля в рабочем объеме подвижного бокса блока экспозиции может достигать нулевых и отрицательных значений (обратное направление вектора ГМП). Контроль за показателями магнитного поля осуществляли с помощью трехкомпонентного датчика FL3-100 (Stefan Mayer Instruments, Германия) [13].

В эксперименте участвовали 6 здоровых добровольцев-мужчин в возрасте от 26 до 37 лет (ИМТ 24,77 ± 2,99). Все участники исследования проходили медицинское освидетельствование до начала эксперимента, были признаны здоровыми и не имеющими противопоказаний для участия в эксперименте. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены биоэтической комиссией федерального государственного бюджетного учреждения науки «Государственный научный центр Российской Федерации — Институт медико-биологических проблем» РАН (Москва) (протокол № 641 от 14.06.2023). Каждый участник исследования представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования. Исследование было контролируемым, рандомизированным двойным слепым плацебо. Каждый испытуемый участвовал в 4-х экспериментальных сериях, где в одной не было воздействия ГМУ, в трех других создавались ГМУ со снижением естественного магнитного поля (среднее значение 0,05–0,14 мкТл). Таким образом, были выделены 2 экспериментальные группы: «Плацебо» (n = 6) и «ГМУ» (n = 18). Каждая экспериментальная серия включала 3 сессии (табл. 1).

Исследования сенсомоторной реакции выполнялись вне экспериментальной установки в первые 10 мин после окончания 3-й сессии.

Методы исследования включали:

1. Для выявления особенностей сна и бодрствования был использован разработанный ранее оригинальный структурированный опросник: испытуемые отвечали на вопросы, связанные с циклом «сон–бодрствование». Полное описание анкеты было опубликовано ранее [15]. В данном исследовании анализировались ответы на следующие вопросы: появление дневной сонливости (да/нет), появление дневного сна (да/нет, сколько раз за день); время отбоя и подъема (астрономическое время, час) длительность засыпания (мин), количество и длительность ночных пробуждений (мин).
2. Изучение простой зрительно-моторной реакции (ПЗМР) для оценки сенсомоторных функций в течение 10 мин после 3-й (дневной) сессии с ГМУ вне экспериментальной установки. Тест проводился на аппаратно-программном комплексе, разработанном в Институте медико-биологических проблем. Тест состоял из 11 предъявлений на экране монитора стимула в виде круга диаметром около 2,5 см. Испытуемый в ожидании появления стимула должен был удерживать курсор в другой области экрана монитора, ограниченной квадратом со стороной также около 2,5 см. При появлении стимула требовалось как можно быстрее переместить курсор из места его расположения в область круга и выполнить щелчок левой кнопкой мыши. По результатам 11 реакций на стимул вычислялись значения среднего и стандартного отклонения времени от начала появления стимула до начала движения курсора (t1, сенсорный компонент реакции), от начала движения курсора до помещения его в круг (t2, моторный компонент реакции) и от появления стимула до нажатия на кнопку мыши внутри круга (t3, общее время реакции).

Статистическая обработка осуществлялась с помощью пакета программного обеспечения Statistica 13.0 с использованием непараметрического критерия Манна — Уитни, сводных таблиц (banner tables), критерия знаков и дисперсионного анализа. Значения количественных показателей приводятся в виде средних значений и ошибок среднего. Особенностью исследования являлось то, что при достаточном числе показателей количество испытуемых было ограничено (n = 6) из-за особенностей организации эксперимента. В работе использованы статистические методы, приемлемые для малых выборок [16].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Качество сна. Анализ латентного периода сна (скорости ночного засыпания) показал, что значимых патологических отклонений в обеих экспериментальных группах обнаружено не было. Удлинение времени засыпания более одного часа было выявлено в 1 случае за 6 ночей в условиях плацебо и в двух случаях за 18 ночей в условиях воздействия ГМУ. Длительность засыпания от 15 до 30 мин в условиях ГМУ была выявлена в 6 случаях за 18 ночей, а в условиях плацебо — в одном случае за 6 ночей (табл. 2).

Эти результаты указывают на схожие реакции длительности засыпания как в условиях плацебо, так и при воздействии ГМУ. Относительная представленность случаев более длительного засыпания (более 15 мин) несколько выше в группе с ГМУ (рис. 1), хотя различия и не достигают уровня статистической значимости.

В период ночного сна при воздействии ГМУ был отмечен один случай пробуждения за 18 ночей, в условиях плацебо регистрировали аналогичную картину за 6 ночей, что также указывает на отсутствие различий в экспериментальных группах по представленности нарушений ночного сна.

Таким образом, по показателям длительности засыпания и количеству ночных пробуждений патологических отклонений при воздействии ГМУ обнаружено не было.

Дневная сонливость. При сравнении частоты возникновения эпизодов дневной сонливости и/или ее отсутствия в условиях воздействия ГМУ и плацебо выявлено возрастание уровня дневной сонливости при влиянии ГМУ в 72% наблюдений (p = 0,003 по критерию знаков) по сравнению с группой плацебо. Соответствующие данные представлены на рисунке 2.

Повышение дневной сонливости характеризовалось появлением дневного сна в обеих экспериментальных группах. Однако повышение дневной сонливости при воздействии ГМУ не сопровождалось учащением эпизодов дневного сна по сравнению с условиями плацебо. Данные представлены в таблице 3.

Однократные дневные засыпания отмечались в 4 случаях в группе воздействия ГМУ и один раз в группе плацебо, двукратный дневной сон был зарегистрирован 11 раз в группе воздействия ГМУ и 4 раза в условиях плацебо. В обеих экспериментальных группах в 59% наблюдений дневных дремотных состояний или дневного сна не отмечалось.

Сенсомоторные функции при прекращении действия ГМУ. При оценке влияния окончания воздействия ГМУ на сенсомоторные функции в тесте ПЗМР установлено, что время реакции t1, t2 и t3 в группе плацебо составило соответственно 342,4 ± 52,9, 455,1 ± 82,5 и 632,5 ± 104,6 мс, а после окончания воздействия ГМУ — 336,2 ± 44,1, 433,9 ± 64,1, 596,0 ± 86,8 мс.

Изучение динамики выполнения теста ПЗМР (рис. 3) показало, что после нахождения в ГМУ значение общего времени выполнения задания (t3) (кроме 9-го предъявления) в группе воздействия ГМУ было статистически значимо ниже по критерию знаков: М = 590,5 мс (Q25 = 585,7 мс, Q75 = 607,8 мс) против М = 644,0 мс (Q25 = 618,8 мс; Q75 = 649,7 мс) после плацебо.

Анализируя отдельные компоненты выполнения теста ПЗМР, а именно время от начала предъявления стимула до начала движения (сенсорный компонент реакции — t1) с 2-го по 7-е предъявление, было отмечено уменьшение показателя у испытуемых после воздействия ГМУ: М = 328,8 мс (Q25 = 323,2 мс, Q75 = 334,1 мс) по сравнению с плацебо: М = 353,4 мс (Q25 = 344,9 мс, Q75 = 357,6 мс). Данные представлены на рисунке 4.

Время перемещения курсора из квадрата до сти-
мула — моторный компонент реакции (t2) с 3-го ответа по 10-й — в группе воздействия ГМУ оказался ниже: М = 430,3 мс (Q25 = 425,7 мс, Q75 = 435,5 мс) по сравнению с аналогичным показателем группы плацебо: М = 458,1 мс (Q25 = 448,2 мс, Q75 = 474,1 мс). При статистической обработке данных с использованием критерия знаков отмечено ускорение времени реакции в 9 из 11 предъявлений (p < 0,05). Данные представлены в рисунке 5.

Дневная сонливость в ГМУ и сенсомоторные функции при прекращении их действия. Учитывая выявленное нами более частое появление дневной сонливости в условиях ГМУ, было проведено сравнение времени реакции при выполнении ПЗМР в случаях, где в прошедшей сессии регистрировались эпизоды дневной сонливости и где ее не было. Анализ проводили с использованием непараметрического критерия Манна — Уитни. После воздействия ГМУ у испытуемых с выявленной дневной сонливостью время реакции было меньше, чем у испытуемых, подвергшихся воздействию ГМУ, у которых не регистрировали эпизоды сонливости. После плацебо-сессий у испытуемых с выявленной дневной сонливостью время ПЗМР, напротив, увеличивалось по сравнению с данными испытуемых из группы плацебо, у которых не наблюдалась сонливость. Данные представлены на рисунке 6.

Дисперсионный анализ (F = 22,6, p < 0,05) был проведен для оценки изменений показателей t1, t2, t3 для группы с зарегистрированной сонливостью после воздействия ГМУ и плацебо. На рисунке 7 отражено статистически значимое снижение времени сенсомоторной реакции сразу после окончания нахождения в экспериментальной установке в сериях воздействия ГМУ по сравнению с плацебо.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В нашем исследовании выявление дневной сонливости было основано на самоотчете здоровых добровольцев, которые оценивали наличие сонливости ретроспективно после окончания экспериментальных сессий. Этот подход оказался информативным и позволил обнаружить, что субъективная дневная сонливость в условиях ГМУ усиливается по сравнению с плацебо. Основными причинами дневной сонливости у здоровых лиц в большинстве случаев являются недостаток предшествующего ночного сна и состояние утомления [17]. Появление дневного сна и сонливости, сочетающихся с сокращением продолжительности ночного сна, характерно для условий изоляции и АНОГ [18][19], которые моделируют действие некоторых факторов космического полета. В исследованиях В.Ю. Куканова и др. на основании изменений соотношений сумм дельта- и тета-диапазонов к сумме альфа- и бета-диапазонов электроэнцефалограммы отмечался сдвиг активности мозга в сторону процессов торможения, что может быть свидетельством развития утомления [13]. При этом нами не было выявлено как сокращения длительности предшествующего ночного сна, так и удлинения времени засыпания и учащения ночных пробуждений, то есть снижения качества сна. Это, вероятно, свидетельствует об иных причинах возникновения дневной сонливости, в частности о гипногенном эффекте сниженного магнитного поля.

Дневная сонливость представляет собой сложный симптомокомплекс, состоящий из ощущения желания спать, проявлений снижения физической и психической активности. Это может создавать риски развития аварийных ситуаций. Важно отметить, что сонливость не является стационарным состоянием: она может быть выраженной и малозаметной, появляться и исчезать в зависимости от разных внешних и внутренних факторов, приводить к неожиданным засыпаниям. Механизмы развития дневной сонливости в гипомагнитных условиях недостаточно изучены. Опираясь на выявленное ранее у животных падение уровня норадреналина в условиях воздействия ГМУ [6], можно предположить, что у человека вероятное снижение уровня норадреналина, ацетилхолина, серотонина, дофамина и других нейромедиаторов, активность которых тесно связана с циклом «сон–бодрствование», является нейрохимической основой развития сонливости в ГМУ.

Появление дневного сна и дремотных состояний может отражать степень выраженности сонливости и усталости, приводить к ошибкам в операторской деятельности [17][20]. Наше исследование показало, что при действии ГМУ у испытуемых состояния сонливости возникают значительно чаще, чем в серии с плацебо. Эпизоды дневного сна у них отмечались только при развитии сонливости, что свидетельствует не только о более частом, но и более значимом нарушении цикла «сон–бодрствование» [21][22], чем у испытуемых из группы плацебо. Учитывая факт, что дневные засыпания представляют собой самостоятельную проблему в медицине, связанную с нейрохимическими изменениями в выработке орексина, можно предположить, что при ГМУ, вероятно, страдает и орексиновая система поддержания бодрствования [23].

В проведенной работе было показано, что сразу после окончания сессии воздействия ГМУ состояние человека становится более активным, чем после сессии плацебо. В первые минуты после возобновления действия геомагнитного поля отмечается уменьшение времени реакции при выполнении теста ПЗМР, что является интересным феноменом, отражающим способность мозговых систем быстро повышать нейротрансмиттерную активность [23]. Биологические эффекты восстановления естественного уровня геомагнитного поля мало изучены. В исследованиях на животных [24] было показано, что 8-дневное пребывание животных в гипомагнитной среде (по 30 мин в день) приводило к активации функции надпочечников через один час после прекращения ГМУ. Результаты нашего исследования могут отражать такие изменения, поскольку усиление выработки гормонов надпочечников напрямую связано с улучшением состояния ЦНС и ускорением реакции. Тогда как 30-дневное пребывание в ГМУ приводило к снижению функции надпочечников, поэтому вопрос о стимулирующем эффекте восстановления естественного магнитного поля остается открытым и требует дальнейшего изучения.

Есть вероятность, что нахождение человека в сонливом состоянии играет роль своеобразного «предохранителя» при адаптации нервной системы к воздействию ГМУ, а восстановление магнитного поля позволяет мозгу быстро перейти в активное состояние. Если эта гипотеза подтвердится, то условия ГМУ можно будет рассматривать как способ перевода организма на уровень функционирования, пограничный между сном и бодрствованием, где снижение когнитивных способностей является предохранительной реакцией. В этой ситуации необходимо исследовать и разрабатывать безопасные режимы труда и отдыха для лиц, находящихся в гипомагнитных условиях. Снижение магнитного поля можно рассматривать также как вспомогательный способ «гибернации» мозговой активности, что полезно знать при полетах в дальнее космическое пространство. В земных условиях гипомагнитные установки можно применять в практике нейрореанимации при необходимости снижения мозговой активности или при реабилитации после стрессовых воздействий. Восстановление естественного магнитного поля, способствующего быстрому повышению мозговой активности, можно рассматривать как естественный стимулятор когнитивной деятельности.

ВЫВОДЫ

1. В период ночного сна субъективная скорость засыпания и частота ночных пробуждений в ГМУ не меняются, что предполагает сохранность в работе мозговых механизмов сна.
2. В дневное время развивается сонливость в ГМУ, что указывает на возможность изменения циркадианной ритмики в активирующих системах головного мозга. Сразу после прекращения действия ГМУ происходит быстрая активация ЦНС, оцененная по параметрам сенсомоторной реакции, компенсаторный характер которой требует подтверждения.
3. Дальнейшие исследования с использованием больших выборок, расширенным набором методов, изучением отсроченных эффектов последействия ГМУ и «быстрых» эффектов восстановления нормального магнитного поля, вероятно, помогут оценить возможности использования ГМУ в терапии и профилактике нейродегенеративных и постстрессовых нарушений.