ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
імені В.Н. КАРАЗІНА
УДК: 616-009-092.9
ВПЛИВ ЕМОЦІЙНОГО СТРЕСУ НА ЦЕРЕБРАЛЬНУ НЕЙРОДИНАМІКУ ТА ВАРІАБЕЛЬНІСТЬ СЕРЦЕВОГО РИТМУ ЩУРІВ
03.00.13 - фізіологія людини і тварин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Харків – 2008
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в НДІ біології Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України та в НДІ охорони здоров’я дітей та підлітків АМН України, м. Харків.
Науковий керівник: доктор медичних наук, професор
Майоров Олег Юрійович,
Харківська медична академія післядипломної освіти
МОЗ України,
завідувач кафедри клінічної інформатики та інформаційних
технологій в управлінні охороною здоров’я
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор
Воробйова Тамара Михайлівна,
Інститут неврології, психіатрії та наркології
АМН України, м. Харків,
завідувач лабораторії нейрофізіології та імунології
доктор медичних наук, професор
Міщенко Віталій Петрович,
Українська медична стоматологічна академія
МОЗ України, м. Полтава,
професор кафедри нормальної фізіології
Захист відбудеться “ 13 ” 02 2008 р. о 1515 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.17 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи, 4, ауд. III-15.
З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна (61077, м. Харків, пл. Свободи, 4).
Автореферат розісланий “ 11 ” 01 2008 р.
Вчений секретар спеціалізованої ради В.M. Дзюба
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Найменш вивченим аспектом проблеми емоційного стресу є його церебральні механізми, які знаходять висвітлення в біоелектричній активності мозку [Ведяев Ф.П., Воробьёва, 1983; Майоров О.Ю., 1989; Судаков К.В., 1994]. Не викликає сумніву, що в основі нейрофізіологічних механізмів, які обумовлюють розвиток якісно нового стану мозку в умовах емоційного стресу, лежать зміни його системної діяльності [Майоров О.Ю., 1989]. У той же час, дослідження ЕЕГ корелятів формування стійких змін функціонального стану, системної нейродинаміки в умовах емоційного стресу одиничні.
Процеси самоорганізації, які лежать в основі адаптації до емоційного стресу, знаходять відображення на ЕЕГ [Jensen B.H., 1996]. На сьогодні результати досліджень свідчать про те, що здоровий мозок має хаотичну динаміку функціонування, яка властива інтеграційній діяльності мозку [Elbert T., 1994; Jensen B.H., 1996; Palus M., 1999; Майоров.О.Ю. и др., 2006]. Однак, дослідження ЕЕГ методами детерміністського хаосу небагаточисельні.
В даній роботі проведені дослідження параметру, який характеризує динаміку систем мозку в часі, на основі оцінки ентропії Колмогорова-Сіная (еКС) по ЕЕГ в умовах спокійного неспання, гострого і хронічного емоційного стресу.
Для об'єктивної оцінки напруги систем регуляції й рівня емоційного стресу випробуваних тварин проводилася кількісна оцінка нейроетологічних показників у тесті “відкрите поле” [Майоров О.Ю., 1989], а також реєстрація варіабельності серцевого ритму (ВСР) [Mayorov O.Yu., Baevsky R.M., 1999; Баевский Р.М., 2004] на різних етапах формування емоційно-стресового стану. Це було необхідно для адекватної фізіологічної інтерпретації нового нелінійного параметру ЕЕГ – ентропії Колмогорова-Сіная.
Численні літературні джерела вказують на залучення нервових механізмів, що модулюють серцевий ритм. Сучасні методи аналізу варіабельності серцевого ритму дозволяють оцінити міру і механізми адаптації або збій у системах регуляції, використовуючи методи часового аналізу (статистичні і геометричні) та аналізу хвильової структури ритму серця на етапах формування емоційного стресу. У той же час, результати дослідження впливу стресу на варіабельність серцевого ритму, особливо на хвильову структуру ритму, залишаються суперечливими. У зв'язку з цим, є важливим і актуальним вивчення особливостей регуляції серцевого ритму в умовах гострого й хронічного емоційного стресу.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів науково-дослідних робіт НДІ біології Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна в рамках цільової програми “Дослідження механізмів накопичення епігенетичної інформації у процесі старіння та способи збільшення середньої тривалості життя” (№ держреєстрації 0103U004280) в співробітництві з НДІ охорони здоров’я дітей та підлітків АМН України.
Мета і завдання дослідження. Метою цього дослідження було вивчення стану церебральної нейродинаміки на основі оцінки ентропії Колмогорова-Сіная по ЕЕГ та кількісна оцінка напруження систем регуляції серцевого ритму в умовах гострого та хронічного емоційного стресу на основі оцінки варіабельності серцевого ритму щурів-самців лінії Вістар.
Відповідно до цілей дослідження вирішувалися наступні завдання:
Виявити значення еКС по ЕЕГ статевозрілих щурів-самців лінії Вістар характерні для вихідного стану та в умовах гострого і хронічного емоційного стресу.
Виявити регіональні і міжкульові відмінності ентропії Колмогорова-Сіная в умовах гострого і хронічного емоційного стресу.
Оцінити асиметрію еКС в умовах спокійного неспання, короткочасової іммобілізації і хронічного емоційного стресу в умовах вільної поведінки та у стані іммобілізації.
Оцінити напруження систем регуляції серцевого ритму в умовах емоційного стресу.
Визначити особливості поведінки в тесті “відкрите поле” до початку моделювання стресу та у стані хронічного стресу.
Об’єкт дослідження: церебральна нейродинаміка та стан систем регуляції серцевого ритму в умовах вільної поведінки та в умовах гострого і хронічного емоційного стресу, викликаного іммобілізацією, у статевозрілих щурів-самців лінії Вістар.
Предмет дослідження: визначення показників нелінійної нейродинаміки та показників варіабельності серцевого ритму в умовах вільної поведінки та в умовах гострого і хронічного емоційного стресу у статевозрілих щурів-самців лінії Вістар.
Методи дослідження: д ля моделювання стійкого емоційно-стресового стану використовувалась модель іммобілізаційного стресу. Нейроетологічні показники визначали у тесті “відкрите поле”. Реєструвались ЕЕГ і ЕКГ. Електроди для реєстрації ЕЕГ імплантували стереотаксичним методом; верифікацію положення електродів здійснювали на фронтальних гістологічних срізах мозку. Проводили нелінійний багаторозмірний аналіз ЕЕГ і аналіз варіабельності серцевого ритму в стані спокійного неспання та в умовах гострого і хронічного емоційного стресу.
Наукова новизна одержаних результатів. Встановлені діапазони значень ентропії Колмогорова-Сіная ЕЕГ в симетричних ділянках півкуль головного мозку і структурах лімбіко-ретикулярного комплексу статевозрілих щурів-самців лінії Вістар у стані спокійного неспання в умовах вільної поведінки.
Досліджена динаміка еКС в умовах гострого емоційного стресу. Виявлено збільшення еКС у фронтальній, парієтальній та окципітальній коркових ділянках лівої півкулі. У структурах лімбіко-ретикулярного комплексу найбільш виражене збільшення еКС відбувалось в обох ретикулярних ядрах покришки. При цьому відсутність рухомої активності відображується значним зниженням еКС в правій сенсомоторній корковій ділянці.
В умовах вільної поведінки після тривалої іммобілізації значно підвищується рівень еКС. Найбільш виражене збільшення еКС відбувається в правій парієтальній та в обох фронтальних коркових ділянках відносно вихідного рівня, а в лімбіко-ретикулярних структурах – в ретикулярних ядрах покришки і в лівому дорсальному гіпокампі та лівій мигдалині.
Іммобілізація на тлі хронічного емоційного стресу викликає зниження еКС у досліджуваних коркових і лімбіко-ретикулярних утвореннях головного мозку; значення еКС у цих умовах значно нижче вихідного рівня, визначеного у інтактних тварин. Тільки у правій мигдалині рівень еКС збільшується.
Оцінка Колмогорова-Сіная по ЕЕГ у стані спокійного неспання та її зміна в умовах моделювання емоційних стресів дозволяє виявити структури, які залучаються при формуванні стійкого емоційно-стресового стану.
В стані іммобілізації в умовах гострого та хронічного стресу відбувається зміщення вегетативного балансу в бік переваги симпатичної активності, зменшується варіабельність серцевого ритму, знижується загальна спектральна потужність і потужність в усіх частотних діапазонах. В умовах гострого й хронічного стресу підвищується роль центрального контуру управління у порівнянні з автономним, підсилюється стабілізуючий вплив вищих відділів мозку.
Тривала іммобілізація супроводжується стійкими змінами систем регуляції серцевого ритму, що може свідчити про емоційно-стресовий стан досліджуваних тварин.
Практичне значення одержаних результатів. Результати, одержані в цій роботі, поглиблюють фундаментальні знання церебральної нейродинаміки і напруження систем регуляції роботи серця в умовах вільної поведінки у стані спокійного неспання, в умовах гострого і хронічного емоційного стресу та можуть бути використані при розробці критеріїв оцінки функціонального стану досліджуваних систем в нейрофізіологічних, нейрофармакологічних та психофізіологічних дослідженнях.
Особистий внесок здобувача. Вибір теми дисертаційної роботи, постановка мети і задач, вибір об'єкта досліджень, методів досліджень адекватних рішенню задач та інтерпретація отриманих даних проведені разом з науковим керівником.
Автор провів патентно-інформаційний пошук і аналіз наукової літератури по даній проблемі, виконав експериментальні дослідження: стереотаксичні операції, реєстрацію ЕЕГ, ЕКГ, морфологічну верифікацію локалізації електродів у структурах мозку. Аналіз отриманих даних проведено автором самостійно за допомогою новітніх математичних та інформаційних технологій.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації висвітлювалися на міжнародній конференції “Комп’ютерна медицина’2004” (Харків, 2004), 8-th Multidisciplinary International Conference of Biological Psychiatry "Stress and Behavior" (St-Peterburg, 2004), 9-th Multidisciplinary International Conference of Biological Psychiatry "Stress and Behavior" (St-Peterburg, 2005), міжнародній конференції “Комп’ютерна медицина’2005” (Харків, 2005), 1-му З’їзді Фізіологів СНД (Сочі, 2005), другій всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих вчених “Актуальні питання теоретичної та прикладної фізики та біофізики. Фізика. Біофізика-2006” (Севастополь, 2006), 1-й міжнародній конференції молодих вчених “Біологія: від молекули до біосфери” (Харків, 2006), IV Всероссийской с международным участием школы-конференции по физиологии мышц и мышечной деятельности “Инновационные направления в физиологии двигательной системы и мышечной деятельности” (Москва, 2007), міжнародній конференції “Комп’ютерна медицина’2007” (Харків, 2007).
Публікації. За результатами дисертації опубліковано 11 робіт (3 статті та 8 тез).
Структура та обсяг дисертації. Матеріали викладено на141 сторінці друкованого тексту. Дисертаційна робота складається зі вступу, розділів: літературний огляд, матеріали і методи досліджень, результати досліджень, обговорення результатів, узагальнення результатів, підсумкових висновків та переліку використаної літератури із 251 найменування. Матеріали дисертації проілюстровано 16 рисунками і 8 таблицями.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
Літературний огляд. У першому розділі роботи дається обсяг літератури за темою дисертації. В огляді надано сучасне уявлення про фізіологічні механізми емоційного стресу, дослідження поведінки в умовах стресу на підставі нейроетологічних показників в тесті “відкрите поле” та фізіологічні механізми регуляції серцевого ритму. Особливу увагу приділено характеристиці церебральної нейродинаміки на підставі методів нелінійної динаміки і детермінованого хаосу.
Матеріали та методи дослідження. Дослідження проведені в хронічному експерименті на 104 щурах-самцях лінії Вістар шестимісячного віку.
Для формування стійкого емоційно-стресового стану використовувалася модель іммобілізаційного стресу. Тварин прив'язували за лапи до дерев'яної підстави 26x15 см в положенні на животі, що дозволяло реєструвати ЕЕГ. Тварини знаходилися в умовах моделі протягом 5 днів по 5 годин щодня. Дослідження проводилися на перший і п'ятий день для вивчення механізмів формування гострого і хронічного емоційного стресу. У ці дні досліджувані показники реєструвалися перед початком і через 2,5 години від початку іммобілізації.
За 5 - 6 днів до реєстрації ЕЕГ тваринам стереотаксичним методом імплантували ніхромові електроди діаметром 0,1 мм у лаковій ізоляції. Операція проводилася під загальною анестезією (внутрішньочеревно 5% тіопенталу натрію в дозі 0,2 мл на 100 г ваги) з використанням стереотаксичного апарату СЕЖ-2. Стереотаксичні координати визначалися за атласом [Fivkova E. et al., 1967]. ЕЕГ реєструвалася монополярно з референтним усередненим електродом [Goldman D., 1950]. Кожна подія записувалася протягом 120 с. Використовувалися симетричні коркові і лімбіко-ретикулярні відведення: 1) коркові ділянки – фронтальні, сенсомоторні, парієтальні й окципітальні; 2) лімбіко-ретикулярні структури – мигдалеподібний комплекс, дорсальний гіпокамп (поле СА1), ретикулярна формація середнього мозку (ретикулярне ядро покришки). Реєстрація ЕЕГ і ЕКГ проводилася 16-канальним електроенцефалографом угорської фірми “Medicor”. Відведення ЕЕГ і ЕКГ у комп'ютер здійснювалося за допомогою 16-канального аналого-цифрового перетворювача (АЦП) фірми “Advantech” з частотою дискретизації 200 Гц на канал.
Для нелінійного аналізу ЕЕГ вибирали безартефактні стаціонарні ділянки ЕЕГ тривалістю 35-40 с. Керування енцефалографом і нелінійний багаторозмірний аналіз ЕЕГ здійснювали за допомогою системи комп'ютерної ЕЕГ NeuroResearcher®'2005 [Mayorov.O.Yu. еt al., 2003, Майоров О.Ю., 2005]. Ентропія Колмогорова-Сіная (еКС, біт/с) обчислювалася на підставі спектра показників Ляпунова і визначалася як усереднена по фазовому простору сума позитивних показників Ляпунова Sm . Для обчислення затримки (delay), яка істотно впливає на визначення ентропії Колмогорова-Сіная, був використаний метод оцінки розмірів осей відновленого у фазовому просторі атрактора [Майоров О.Ю. и др., 2006].
Реєстрацію й аналіз ЕКГ здійснювали за допомогою системи для комп'ютерного аналізу варіабельності серцевого ритму Cardio-Tension-Test'2005 [Mayorov O.Yu., Baevsky R.M., 1999; Майоров.О.Ю., 2005]. Вибиралися ділянки ЕКГ тривалістю одна хвилина. Для аналізу ВСР використовували загальноприйняті показники: частота серцевих скорочень (ЧСС, уд./хв), мода (Мо, с), амплітуда моди (АМо, %), сигма (у, с), індекс “напруги” (ІН), індекс “тип реакції напруги” (ТРН), варіаційний розмах (ДХ, с), нормований варіаційний розмах (ДХ/M, %), коефіцієнт варіації кардіоінтервалів (V, %), частота дихання (ЧД, дих./хв), показник адекватності процесів регуляції (ПАПР), стандартне відхилення різниць між сусідніми кардіоінтервалами (SDSD, с), ексцес (Ex), трикутний індекс ВСР, загальна потужність спектра (TSP, мс2 ), спектральна потужність низькочастотного компонента ВСР (LF, мс2 ), спектральна потужність низькочастотного компонента ВСР в нормованих одиницях (LFnorm , %), спектральна потужність високочастотного компонента ВСР (HF, мс2 ), спектральна потужність високочастотного компонента ВСР в нормованих одиницях (HFnorm , %), відношення потужності спектра низько- та високочастотного компонента ВСР (LF/HF) [Баевский Р.М., 1984, 2004; Майоров О.Ю., 1988]. Індекс “напруги” визначали як ІН = AMo/у, а індекс, що відображує “тип реакції напруги”, як ТРН=AMo/у*Мо [Майоров О.Ю., 1988].
Для визначення особливостей поведінки інтактних тварин і їх реакції на перебування в умовах хронічного емоційного стресу оцінювали нейроетологічні параметри в тесті “відкрите поле” [Walsh R.N. et al., 1976]. Усі тварини тестувалися у “відкритому полі” на протязі 6 хвилин двічі: перед початком моделювання емоційного стресу та в останній день досліджень перед іммобілізацією (після чотирьох днів стресування).
Для оцінки вірогідності змін усіх досліджуваних показників в умовах стресу застосовувався непараметричний критерій “U” Вілкоксона-Мана-Уітні за допомогою пакета прикладних програм “Statgraphics 5.0, Plus”.
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ
Нейроетологічні показники в тесті “відкрите поле” в нормі та в стані хронічного емоційного стресу. Тестування щурів у “відкритому полі” після перебування в умовах тривалої іммобілізації виявило зміни поведінки, які можна інтерпретувати як наслідок формування хронічного емоційно-стресового стану (рис. 1).
А
В
Рис. 1. Показники тесту “відкрите поле” статевозрілих щурів-самців до і після 4-х днів іммобілізації. A: 1 – період першого переміщення, 2 – час перебування в центрі площадки на початку тесту, 3 – час виходів до центру площадки, 4 – час грумінгу, 5 – вертикальна активність. B – амбуляція. * - p < 0,001.
Іммобілізаційний стрес вірогідно збільшував період першого переміщення з 2,35±0,26 с до 9,34±2,09 с (р < 0,001) після поміщення тварин у центр поля. Збільшився час перебування на центральній площадці на початку тесту з 10,59±1,23 с до 41,2±12,11.с (p = 0,001) і час грумінга – з 30,5±2,9 с до 63,41±8,64 с (p = 0,00003). Зменшилась амбуляція (горизонтальна активність) з 101,61±7,69 до 49,48±9,73 (p = 0,00015) пересічених квадратів та час вертикальної активності – з 16,22±1,39 с до 7,16±1,47 с (p.<.0,0002). Показники варіабельності серцевого ритму щурів у вихідному стані та в умовах емоційного стресу. Результати цього розділу роботи представлені в таблицях 1-4.
У вихідному стані в нормі гомеостаз основних систем організму забезпечується при мінімальній напрузі регуляторних механізмів. Таким чином, значення більшості показників варіабельності серцевого ритму (ВСР) не повинні перевищувати визначених порогів, встановлених для конкретної віково-статевої групи щурів.
Таблиця 1. Математико-статистичні показники варіабельності серцевого ритму щурів в умовах емоційного стресу
| Показник ВСР | До іммобілізації | Після 2,5 годин іммобілізації на 1-й день стресу |
Після 4-х днів іммобілізації | Після 2,5 годин іммобілізації на 5-й день стресу |
| ЧСС, уд./хв | 381,45±8,75 | 440,23±5,78** | 382,60±10,42 | 434,82±8,10**,xx |
| Мо, с | 0,16±0,0036 | 0,14±0,002** | 0,16±0,0044 | 0,14±0,0027**,xx |
| AМo, % | 51,21±2,69 | 63,08±2,97** | 54,22±2,91 | 61,09±3,06 |
| s, с | 0,007±0,0005 | 0,0044±0,0003** | 0,0072±0,0006 | 0,0054±0,00048 |
| ΔХ, с | 0,04±0,0026 | 0,028±0,0023* | 0,038±0,0027 | 0,034±0,0024 |
| V, % | 4,44±0,31 | 3,13±0,21** | 4,38±0,35 | 3,86±0,32 |
| ΔX/M, % | 24,16±1,61 | 20,21±1,37 | 23,89±1,54* | 22,41±1,77 |
| ЧД, дих./хв | 72,36±3,88 | 80,87±3,94 | 63,58±4,43 | 73,88±5,26 |
| ПАПР | 327,56±22,26 | 464,99±25,83** | 347,51±23,52 | 441,53±26,00**,xx |
| SDSD, с | 0,006±0,0004 | 0,0046±0,0002** | 0,0056±0,0003 | 0,0049±0,00028 |
Примітки:
1. * ,x p<0,05; ** ,xx p<0,01 – вірогідність розходжень;
2. * відносно вихідного стану;
3. x відносно стану хронічного стресу (після 4-х днів іммобілізації).
В умовах гострого стресу, а також у стані іммобілізації на п’ятий день стресу крива розподілу різко зміщується по осі абсцис в лівий бік, зменшується ширина гістограми (варіаційний розмах), крива стає значно вище і більш загострена вгорі – амплітуда моди (АMо), індекс “напруги” (ІН) й ексцес збільшуються. Подібні зміни вказують на посилення симпатичного тонусу в результаті збільшення емоційного стресу [Баевский.Р.М., 1984]. Кінцевий ефект регуляції проявляється у вигляді тахікардії. Підвищується активація симпатоадреналової системи, що впливає на серце одночасно через нервовий і гуморальний канали (збільшуються АMо і частота серцевих скорочень (ЧСС)). Амплітуда моди відображує стабілізуючий ефект централізації управління ритмом серця, обумовлений, в основному, ступенем активації симпатичного відділу вегетативної нервової системи [Баевский Р.М. и др., 1997].
У нашому дослідженні збільшився індекс “напруги” і показник “тип реакції напруги” (ТРН). Індекс “напруги” відображує співвідношення між активністю симпатичного та парасимпатичного відділів вегетативної нервової системи без гуморальних впливів і співвідношення центрального контуру регуляції (АМо) з автономним контуром (у). Збільшення ІН обумовлене посиленням симпатичних впливів (АМо) з одночасним зменшенням парасимпатичного тонусу (у). Показник ТРН, поряд з вищевикладеним для ІН, дозволяє оцінити рівень функціонування синусного вузла за рахунок гуморальних впливів – дає змогу оцінити ступінь централізації управління серцевим ритмом. Значення ІН та індексу ТРН дозволяють вважати, що вегетативний баланс зміщується в умовах формування емоційного стресу в бік переваги симпатичного тонусу за рахунок активації симпатичного та гальмування парасимпатичного відділів вегетативної нервової системи – АMо збільшується, σ знижується (табл. 1).
Показник адекватності процесів регуляції (ПАПР) в умовах гострого стресу й іммобілізації на тлі хронічного стресу значно збільшився, що відображує підвищений ступінь компенсаторних адаптивних процесів регуляції.
Таблиця 2
Показники тривожності щурів в умовах емоційного стресу
| Показник ВСР | ІН | ТРН |
| До іммобілізації | 9388,62±1274,58 | 61826,28±9783,50 |
Після 2,5 годин іммобілізації на 1-й день стресу |
16763,30±1654,35** | 124927,40±13400,90** |
| Після 4-х днів іммобілізації | 9462,64±1133,20 | 62716,80±9128,40 |
Після 2,5 годин іммобілізації на 5-й день стресу |
13803,64±1505,89 x | 101216,50±12105,20 xx |
Примітки:
1. x p<0,05; ** ,xx p<0,01 – вірогідність розходжень;
2. * відносно вихідного стану;
3. x відносно стану хронічного стресу (після 4-х днів іммобілізації).
Виходячи з загальноприйнятої інтерпретації математичних показників серцевого ритму і
8-09-2015, 23:24