Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные

Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные процессы человека
Р.М. САРИМОВ
Институт общей физики им А.М. Прохорова РАН
ВЛИЯНИЕ КОМПЕНСАЦИИ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА КОГНИТИВНЫЕ
ПРОЦЕССЫ ЧЕЛОВЕКА. РОЛЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ
В ФОРМИРОВАНИИ ЭФФЕКТОВ ТАКОЙ КОМПЕНСАЦИИ
Ранее было показано [1], что 45 минутное пребывание в условиях компенсации геомагнитного поля до уровня
менее 0,4 мкТл (далее «нулевое магнитное поле» или НМП) приводит к возрастанию количества ошибок и увеличению времени выполнения заданий в когнитивных тестах. В данной работе выделены биологические факторы, влияющие на формирование магнитобиологических эффектов НМП.
Существует множество исследований, в которых изучали роль низкочастотных магнитных
полей (НМП) в формировании биологического отклика нервной системы человека. Большие
обзоры влияния НМП на электрофизиологические и когнитивные процессы человека можно
найти здесь [2, 3]. В меньшей степени в литературе представлены данные о влиянии постоянных магнитных полей (ПМП) на когнитивные функции. В работах [4, 5] экспозиция человека в
поле с магнитной индукцией порядка геомагнитного поля и меньше приводила к биологическим эффектам. Однако полученные в таких работах эффекты плохо воспроизводимы. Невоспроизводимость магнитобиологических эффектов, по мнению многих исследователей, является
следствием естественного разброса некоторых физических и особенно биологических параметров в экспериментах. В работе [6] показано, что напряженность электростатического поля является важным фактором, влияющим на результат отклика испытуемого на изменение постоянного МП.
В ИОФ РАН была выполнения серия исследований по влиянию компенсации геомагнитного
поля до уровня менее 0,4 мкТл (далее «нулевое магнитное поле» или НМП) на когнитивные
процессы человека. Участники экспериментов1 были подобраны таким образом, чтобы можно
было исследовать гендерную и возрастную зависимость эффектов НМП. Общая группа из 40
человек была разделена на 4 подгруппы по 10 человек: молодые мужчины, молодые женщины,
пожилые мужчины и пожилые женщины со средним возрастом 24 года, 26 лет, 53 года и 49 лет
соответственно.
Интервал времени отдельного эксперимента с одним испытуемым, 1 ч 17 мин, состоял из 7
равных подинтервалов по 11 мин, называемых здесь для удобства «сериями». В первой серии
испытуемый адаптировался к тестам (11 мин). Затем, во 2 и 3 сериях испытуемый выполнял
тесты по-прежнему в неизмененных условиях для определения индивидуальных референсных
значений измеряемых величин (22 мин). Наконец, в 4–7 сериях (44 мин) испытуемый продолжал эксперимент либо в контрольных условиях, когда МП было примерно равно ГМП
41,5 ± 0,4 мкТл, либо в условиях НМП 0 ± 0,4 мкТл. Поскольку полное или частичное отсутствие МП для организма это фактически новый фактор окружающей среды, поэтому контрольные условия в период времени 4–7 серии далее будем называть мнимым воздействием (МВ),
Sham в англоязычной литературе.
В эксперименте испытуемые проходили тесты, в которых измерялись параметры когнитивной деятельности. В каждой серии испытуемый поочередно выполнял четыре теста, в которых
исследовались следующие когнитивные параметры: скорость реакции; время распознавания
слов (тест на соответствие смысла слова и его цвета); кратковременная память на цвет; образное мышление человека (тест на идентификацию буквы). В каждом из тестов измеряли время
ответа и количество ошибок.
Испытуемый не знал, в каких условиях проходил тестирование – в условиях МВ или НМП.
Каждый испытуемый проходил тестирование дважды; второй раз через 40–60 дней после первого. Порядок прохождения эксперимента в условиях МВ или НМП определялся случайным
образом.
Перед каждым экспериментом испытуемые оценивали свое состояние по пятибалльной
шкале. В 80-ти экспериментах тридцать три раза испытуемые оценили свое самочувствие на
Все участники дали добровольное «информированное согласие» на участие в экспериментах по протоколу, утвержденному комиссией по этике научных исследований ИОФ РАН.
1
Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные процессы человека
“отлично”, 44 раза на “хорошо” и три раза на “удовлетворительно” (31 из 40 испытуемых не
меняли оценку самочувствия в повторном эксперименте, поэтому данная оценка, скорее всего,
характеризует общее состояние здоровья испытуемого).
Перед экспериментом каждый испытуемый также ответил на вопрос, как часто у него
наблюдается аллергическая реакция. У 27 человек аллергические реакции либо вообще не
наблюдались, либо наблюдались крайне редко, раз в несколько лет. У 11 человек аллергические
реакции наблюдались несколько раз в течение одного года, а еще у двух человек – несколько
раз в месяц.
Испытуемые, выполнявшие тесты в условиях НМП показали результаты хуже, чем в условиях МВ (рис. 1). Ухудшение выражалось в росте числа ошибок и увеличении времени ответа.
Для 5 из 8 измеряемых параметров эффекты были статистически значимыми (t-тест). Наибольшие эффекты обнаружены в самом сложном, по мнению испытуемых, а также по количеству
ошибочных ответов, тесте на идентификацию буквы (эффект для количества ошибок
5,1 ± 1,7 %, p < 0,01, t-тест). Наименьшие эффекты получены в тесте на определение времени
простой двигательной реакции (эффект для времени ответа 0,7 ± 0,8 %), а также в тесте на
кратковременную цветовую память (эффект ошибки в определении цвета 0,1 ± 1,3 %). Средняя
величина эффектов по всем тестам составила 1,8 ± 0,4 % (p < 0,001, t-тест).
То, что в работе удалось продемонстрировать статистическую достоверность столь малых
эффектов, что необычно для испытаний на группе всего из сорока человек, является следствием
внушительной статистики, – число отдельных испытаний в этой работе составило около 58000.
Это и определило возможность наблюдения 1–2 % эффектов.
Известна гипотеза о природе биологических эффектов МП, согласно которой первичная рецепция МП осуществляется магнитными наночастицами, которые образуются в клетках организма [7]. Теоретически, нелинейная стохастическая динамика таких частиц обеспечивает чувствительность к вариациям МП порядка десятых долей мкТл [8]. Интересно сопоставить данные когнитивных тестов с концентрацией магнитосом, больших конгломератов магнитных наночастиц, в тех участках мозга, которые ответственны за выполнение задач в данных тестах. В
работе [9] показано, что содержание магнитосом в мозжечке в несколько раз меньше, чем в
гиппокампе или коре головного мозга. Можно предположить, что и магнитные эффекты в тестах, вовлекающих функции мозжечка, будут меньше. Действительно, эффекты в тесте на скорость реакции были минимальны, по сравнению с эффектами в других тестах (см. рис. 1).
МВ (41.5 мкТл)
1.1
Эффект
1.05
***
1
НМП (<0.4 мкТл)
*
**
***
**
0.95
0.9
0.85
2400
160
4800
160
7800
7800
3500
160
время ответа
ошибка
время ответа
ошибка
время ответа
ошибка
время ответа
ошибка
Тест на определение времени
Тест на соответствие смысла слова
Тест на кратковременную память о
простой двигательной реакции
и его цвета
цвете
Тест на идентификацию букв
Рис. 1. Средние эффекты для времени ответа и ошибки в четырех тестах. Усреднение производилось по
отдельным измерениям в серии, по сериям и по испытуемым. Над столбцами показаны уровни значимости, полученные с помощью t-теста. Под столбцами показаны объемы выборок для каждой группы. Здесь
и везде далее (*– p < 0,05, **– p < 0,01, ***– p < 0,001)
Ранее получены данные о том, что концентрация магнитных наночастиц (магнитосом) у
мужчин значимо увеличивается с возрастом [10]. У женщин такая корреляция с возрастом
найдена не была. Если магнитосомный механизм магниторецепции действительно имеет место,
Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные процессы человека
то по результатам когнитивных тестов для разных биологических групп можно сделать косвенную оценку содержания таких магнитных наночастиц.
На рис. 2 представлены средние по всем тестам эффекты для групп испытуемых, разделенных по полу и возрасту. Наименьшие средние эффекты в НМП наблюдались у молодых мужчин, а наибольшие у молодых женщин. Если рассматривать отдельно эффекты для групп “Пол”
и “Возраст”, то средние по всем тестам эффекты у женщин были больше, чем у мужчин, соответственно, 2,2 ± 0,6 % (p < 0,001, t-тест) и 1,3 ± 0,5 % (p < 0,05, t-тест). Средние для всех тестов
эффекты для групп, разделенных только по возрасту практически не различались, у молодых
испытуемых эффект НМП равнялся 1,8 ± 0,6 % (p < 0,01, t-тест), у пожилых 1,7 ± 0,6 %
(p < 0,01, t-тест).
Полученные в работе гендерные отличия схожи с данными исследований по синдрому гиперчувствительности к электричеству (“electromagnetic hypersensitivity syndrome”, EHS). В таких исследованиях отмечено, что количество женщин с EHS больше, чем мужчин c данным
синдромом [11–14]. Напротив, корреляция между частотой EHS и возрастом была найдена
лишь в одной из представленных выше работ.
1.05
МВ (41.5 мкТл)
Эффекты
1.8%*
2.8%**
0.8%
НМП (<0.4 мкТл)
1.6%*
1.00
0.95
0.90
Молодые Мужчины
Молодые Женщины
Пожилые Мужчины
Пожилые Женщины
Рис. 2. Средние по всем тестам эффекты для групп, разделенных по полу и возрасту. Над столбцами показана разность эффектов для групп МВ и НМП и уровни значимости, полученные с помощью t-теста
На рис. 3 представлены средние по всем тестам эффекты для разных показателей “самочувствия” и “аллергологического статуса”. Из рисунка видно, что при отличном самочувствии и
отсутствии у испытуемого аллергический проявлений средние эффекты НМП значимо не отличались от значений МВ. Напротив, если у испытуемого было хорошее или удовлетворительное
самочувствие или у испытуемого был положительный аллергологический статус эффекты МВ
и НМП были статистически значимо различны. Особенно сильные эффекты были у людей с
положительным аллергологическим статусом в среднем для всех тестов 4,3 ± 0,8 % (p < 0,001,
t-тест). Корреляция между аллергенными проявлениями и синдромом EHS также была найдена
в одном из последних эпидемиологических исследований [15].
МВ (41.5 мкТл)
1.01
Эффекты
1.00
0.99
НМП (<0.4 мкТл)
***
*
0.98
0.97
0.96
0.95
0.94
"3" и "4"
Самочув ств ие
"5"
"+"
"-"
Аллергологический статус
Рис. 3 Средние по всем тестам эффекты для групп, разделенных по показателям “самочувствие” и “аллергологический статус”. Над столбцами показаны уровни значимости, полученные с помощью
t-теста
Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные процессы человека
В табл. 1 объединены биологические факторы, которые влияют на формирование биологических эффектов НМП. Группа “гиперчувствительных” испытуемых 7 человек из 40 была нами
ранее выделена с использованием методов многомерной статистики [16]. Справа в таблице показана разность средних по всем когнитивным тестам эффектов между группой с большей значимостью для формирования биологических эффектов НМП (выделено жирным) и группой с
меньшей значимостью.
Таблица 1
Разница в средних эффектах для биологических факторов
Биологические факторы
Разница в средних эффектах НМП, %
Возраст (Пожилые' > Молодые)
–0,1
Пол (Женщины > Мужчины)
0,9*
Самочувствие (“3 и 4” > “5”)
1,6**
Аллергологический статус (“да” > “нет”)
3,8***
Принадлежность к группе “гиперчувствительных”
(“да” > “нет”)
7,8***
' Хотя средние по всем тестам эффекты НМП для группы “Пожилые” меньше, чем для группы “Молодые”, наиболее значимые когнитивные параметры для них в условиях НМП изменяются в большей
степени.
Таким образом, для проведения магнитобиологических экспериментов с людьми нужно с
большим вниманием подбирать группы испытуемых. Для получения максимальных магнитобиологических эффектов необходимо составлять группы из женщин с положительным аллергологическим статусом и с плохим самочувствием.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саримов Р.М., Бинги В.Н., Миляев В.А.// Биофизика. 2008. Т. 53(5). С. 856.
2. Cook, C.M., D.M. Saucier, A.W. Thomas, et al.// Bioelectromagnetics. 2006. V. 27(8). P. 613.
3. Cook, C.M., A.W. Thomas and F.S. Prato// Bioelectromagnetics. 2002. V. 23(2). P. 144.
4. Thoss, F. and B. Bartsch // J. Comp. Physiol. A Neuroethol Sens Neural Behav Physiol. 2003.
V. 189(10). P. 777.
5. Thoss, F. and B. Bartsch// Vision Res. 2007. V. 47(8). P. 1036.
6. Бинги В.Н., Миляев В.А., Саримов Р.М., Заруцкий А.А. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2006. Т. 8-9. С. 49.
7. Kirschvink J. L., Kobayashi-Kirschvink A. and Woodford B. J.// Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1992.
V. 89(16). P. 7683.
8. Binhi, V.N. and D.S. Chernavskii// Europhysics Letters. 2005. V. 70(6). P. 850.
9. Grassi-Schultheiss, P.P., F. HellerF., Dobson J.J. // BioMetals. 1997. V. 10(4) P. 351.
10. Dobson J.// Exp. Brain. Res. 2002. V. 144(1) P. 122.
11. Hillert, L., N. Berglind, B.B. Arnetz, et al.// Scand. J. Work Environ Health. 2002. V. 28(1). P. 33.
12. Levallois, P.// Environmental Health Perspectives. 2002. V. 110. Suppl. 4. P. 613.
13. Schreier, N., A. Huss and M. Roosli// Soz. Praventivmed .2006. V. 51(4). P. 202.
14. Schuz, J., C. Petters, U.T. Egle, et al.// Bioelectromagnetics. 2006. V. 27(4). P. 280.
15. Eltiti, S., D. Wallace, K. Zougkou, et al.// Bioelectromagnetics 2007. V. 28(2). P. 137.
16. Саримов Р.М., Бинги В.Н.// Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2009. Т. 1. С. 20.