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.

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:

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].

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.

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.