Влияние гипомагнитных условий на некоторые психофизиологические реакции человека
На правах рукописи
Саримов Руслан Маратович ВЛИЯНИЕ ГИПОМАГНИТНЫХ УСЛОВИЙ НА НЕКОТОРЫЕ ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ЧЕЛОВЕКА 03.00.01 – радиобиология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва, 2009 2
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН (ИОФРАН).
Научный консультант:
доктор физико-математических наук Бинги Владимир Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Рубанович Александр Владимирович (Институт общей генетики РАН) кандидат биологических наук Ушаков Вадим Леонидович (Национальный исследовательский ядерный университет “МИФИ”)
Ведущая организация:
Институт когнитивных исследований при РНЦ “Курчатовский институт”
Защита состоится «24 декабря» 2009 г в 15 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 501.001.65 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу 119899, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, дом 1, Биологический факультет, аудитория
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Отзывы просим присылать по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет, Веселовой Т.В. Факс: (495) 939-11- Автореферат разослан «_» ноября 2009 г
Ученый секретарь диссертационного совета доктор биологических наук Т.В. Веселова ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Более полувека считалось, что слабые электро магнитные поля (ЭМП), не вызывающие нагрева биологических тканей, т.е. не тепловые ЭМП, безопасны для человека. Однако за последние годы накопился большой массив данных, показывающий потенциальную опасность таких полей.
Всемирная организация здравоохранения признала, что долговременное воздей ствие низкочастотного магнитного поля (НЧ МП) интенсивностью 300 нТл и бо лее "обладает возможным канцерогенным эффектом по отношению к людям".
Основанием явилось то, что 15 крупных эпидемиологических исследований [IARC, 2002] показали увеличение риска заболеваемости лейкозом у детей, под вергавшихся хроническому воздействию НЧ МП.
Помимо канцерогенной опасности, нетепловые ЭМП оказывают влияние на работу многих систем организма [Кудряшов, Рубин, 2008;
Григорьев и др., 1997;
Пресман, 1968]. Были обнаружены эффекты НЧ МП на сердечнососудистую [Бреус и др., 2008;
Леднев и др., 2008], эндокринную [Reiter, 1993;
Темурьянц и др., 2001], иммунную [Lyle et al., 1988] и нервную системы человека [Холодов, 1982;
1992]. Показано, что возможные неблагоприятные последствия от дейст вия нетепловых НЧ МП для организма связаны с замедлением репарационных процессов в лимфоцитах [Беляев и др., 2005], активации белков теплового шока [Tokalov et al., 2004], с изменением ритмики нервных клеток [Агаджанян и др., 1992].
Особенно чувствительна к слабым ЭМП нервная система. У людей, длитель ное время подвергавшихся воздействию НЧ МП, наблюдались нейрологические расстройства [Verkasalo et al., 1997] и развитие некоторых нейродегенеративных болезней, например болезни Альцгеймера [Roosli et al., 2007].
При кратковременной экспозиции наблюдались изменения в когнитивных процессах. Имеются обзоры работ о влиянии НЧ МП на электрофизиологиче ские и когнитивные процессы человека [Cook et al., 2002;
2006]. В большинстве работ наблюдали угнетение высшей нервной деятельности, которое выражалось в ухудшении кратковременной памяти и внимания [Preece et al., 1998;
Trimmel et al., 1998], в изменении скорости реакции [Whittington et al., 1996] и болевого по рога [Shupak et al., 2004;
Ghione et al., 2004]. Отмечены изменения ритмов го ловного мозга, в основном альфа ритма [Cook et al., 2004;
Ghione et al. 2005].
Однако в некоторых работах изменения в когнитивных процессах найдены не были [Delhez et al., 2004;
Kurokawa et al., 2003].
Данные о влиянии постоянных магнитных полей (ПМП) на нервную систему человека также противоречивы. С одной стороны, принято считать, что ПМП в диапазоне до 8 Тл не влияют на здоровье [Chakeres et al., 2005] при длительности экспозиции порядка десятков минут, свойственной для МРТ сканирования. С другой стороны, существуют исследования, показывающие, что гораздо мень шие ПМП способны вызывать разнообразные биологические эффекты, потенци ально вредные для здоровья [Бинги, 2002]. Экспозиция в поле с магнитной ин дукцией порядка геомагнитного поля (ГМП) и меньше также приводила к воз никновению биологических эффектов [Beishcer, 1967;
Подковкин, 1995;
Thoss et al. 2003;
2007]. Кроме того флуктуации ГМП сами по себе вызывают биологи ческие эффекты [Гурфинкель, 2000].
Противоречивость данных о влиянии слабых и сверхслабых МП на организ мы обусловлена, в частности, невысокой воспроизводимостью этих эффектов.
Причины невысокой воспроизводимости в магнитобиологических эксперимен тах остаются невыясненными. Предполагается, что не все физические факторы электромагнитной экспозиции, существенные для воспроизведения результатов, принимаются во внимание. Также мало внимания уделяется построению выбор ки для исследований, особенно это касается экспериментов с участием людей.
Подбор биологических объектов важен, если принять во внимание гипотезу, что у части людей существует повышенная индивидуальная чувствительность к ЭМП. По многочисленным данным доля людей с повышенной чувствительно стью к ЭМП составляет от 1.5 до 5% [Hillert et al., 2002, Schreier et al., 2006].
Биологические эффекты ПМП и НЧ МП в зависимости от напряженности МП можно условно разделить на три группы. Границы раздела связаны с естествен ным ГМП, величина которого для разных магнитных широт составляет 24– 68 мкТл. Эффекты относительно сильных ПМП с индукцией, на один–два по рядка большей ГМП, хорошо воспроизводимы. Для НЧ МП с индукцией 1– 10 мТл и более эффекты также надежно установлены: такие поля вызывают в тканях вихревые токи с плотностью более 1 мА/м2, что превышает плотность ес тественных биотоков. Слабые МП с индукцией порядка ГМП и меньше (1- 100 мкТл) особенно интересны с точки зрения влияния на здоровье людей. НЧ МП данного диапазона часто встречаются в повседневной жизни. Установлено, что ГМП используется многими мигрирующими животными и птицами. Извест но, что нижняя граница индукции МП, которое могло бы вызывать биологиче ские эффекты, имеет величину около 0.2 мкТл [Binhi and Chernavskii, 2005].
Биологическое влияние еще меньших МП является на данный момент парадок сальным, поскольку предложенные механизмы не объясняют причины биологи ческой рецепции таких полей.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния компенсации ГМП, примерно в сто раз, до уровня меньше 0.4 мкТл, на когнитивные процессы чело века, а также некоторым биологическим и физическим аспектам невоспроизво димости экспериментов с МП. Условия, которые возникают в результате такой компенсации ГМП, далее называются гипомагнитными условиями (ГМУ). Не обходимость проведения исследований воздействий ГМУ на организмы обу словлена фундаментальной задачей — поиском механизмов биологических эф фектов МП, а также возрастающей экологической нагрузкой. С каждым годом растет интенсивность фоновых ЭМП.
В 2006 году Всемирная организация здравоохранения отметила необходи мость и далее проводить исследования влияния МП на когнитивную деятель ность человека: “Рекомендуется продолжать исследования воздействия постоян ных магнитных полей на когнитивную способность и поведение… Поскольку нет ясности, в каких направлениях необходимо проводить исследования, одним из возможных направлений может являться исследование воздействия магнит ного поля на выполнение комплекса интеллектуальных задач, которые включа ют стандартные тесты на внимательность, время реагирования и запоминания...” [WHO Environmental health criteria. Static field, 2006] Цель работы. Цель данной работы — изучение влияния гипомагнитных ус ловий на некоторые психофизиологические процессы человека.
Задачи исследования:
1. Проверка гипотезы о влиянии гипомагнитных условий на когнитив ные функции человека.
2. Разработка нескольких психофизиологических тестов, позволяющих всесторонне оценить когнитивную деятельность человека во время экспозиции ЭМП.
3. Разработка статистических методов, позволяющих определить ин дивидуальную чувствительность человека к воздействию ЭМП на основе данных нескольких тестов.
4. Проверка гипотезы о влиянии электростатического поля на форми рование биологических эффектов ЭМП.
5. Проверка гипотезы о существовании физиологически выделенных групп, по-разному реагирующих на ГМУ.
Научная новизна. Впервые создана установка для реализации ГМУ, которая позволяет компенсировать постоянную и низкочастотную составляющие ГМП и электростатическое поле.
Показано, что нахождение в ГМУ влияет на психофизиологические процессы человека. Влияние выражается в увеличении числа ошибок и времени ответа при выполнении когнитивных тестов, причем эффекты ГМУ зависят от пола, возраста, аллергологического статуса и самочувствия испытуемого. Установле но, что женщины в ГМУ проходили тесты хуже, чем мужчины.
Впервые построено распределение магнитных эффектов, — индивидуальных реакций на ГМУ, для группы из 40 испытуемых.
Впервые показано, что распределение магнитных эффектов близко к нор мальному распределению со средней величиной, сдвинутой относительно нуля.
Впервые показано, что при усложнении когнитивных задач величина эффек тов ГМУ возрастала.
Впервые предложены методы определения индивидуальной чувствительно сти к ГМУ на основе многомерного статистического анализа данных, получен ных в когнитивных тестах.
Практическая ценность. Предложена автоматизированная, компьютерная методика для оценки чувствительности людей к воздействию постоянных и пе ременных ЭМП. Методика основана на тестировании когнитивных функций людей в контрольных и опытных условиях.
В исследовании выделены биологические факторы, которые имеют наиболь шую значимость в формировании биологических эффектов ГМУ. Найдены оп тимальные параметры когнитивных тестов (время предъявления заданий, слож ность и т.д.), для которых в среднем магнитные эффекты максимальны.
На основе многомерных методов статистики — факторного (ФА) и дискри минантного анализа (ДА) — предложены методы редукции многомерных дан ных о биологической эффективности ГМУ и выделения в них наиболее важных параметров. Данные методы могут иметь широкое применение для исследова ний биологических эффектов ЭМП.
Положения, выносимые на защиту:
• ГМУ угнетают когнитивную деятельность человека. Угнетение выражает ся в росте количества ошибок и замедлении времени выполнения тесто вых заданий.
• На основании результатов около 58000 отдельных измерений получено распределение средних эффектов компенсации магнитного поля для человек. Распределение близкое к нормальному целиком сдвинуто в сто рону положительных значений со средней величиной 1.8%.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на международ ной конференции “Биофизические аспекты онкологических заболеваний. Элек тромагнитные механизмы” (Прага, 2008);
на Четвертом международном семина ре по исследованиям в области космической радиации и Семнадцатом ежегод ном семинаре НАСА исследователей воздействия космической радиации на здо ровье (Москва – Санкт-Петербург, 2006);
на международной конференции “Кос мическая погода: ее влияние на биологические объекты и человека” (Москва, 2005);
на международной конференции “Детская лейкемия” (Лондон, 2004);
на Научных сессиях МИФИ-2007 (Москва, 2007) и МИФИ-2009 (Москва, 2009), Личное участие автора. Результаты исследований, послуживших основой для научных положений и выводов диссертации, получены при определяющем участии автора диссертации. Система подавления флуктуаций НЧ МП, про граммное обеспечение (когнитивные тесты и программа для АЦП платы), поиск и подбор испытуемых (более 60 человек на предварительной и 40 человек в за ключительной стадии исследований), непосредственно эксперименты, статисти ческий анализ и обработка данных — выполнены лично автором.
Публикации. Результаты исследования отражены в 10 печатных работах, в том числе в 5 журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методики, изложения полученных результатов и их обсу ждения, выводов и списка использованной литературы. Материал диссертации изложен на 142 машинописных страницах, включая 18 рисунков и 15 таблиц.
Библиография содержит 186 наименований, из них 62 на русском и 124 на ино странных языках.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Факторы, которые учитывались при проведении исследований и стати стической обработке данных.
В ходе проведения исследований учитывались и контролировались следую щие физические факторы в месте проведения исследований:
• Постоянные магнитные поля • Электростатические поля • Низкочастотные ЭМП • Температура • Давление Биологические факторы, по которым проводился подбор испытуемых и (или) статистический анализ данных:
o Возраст o Пол o Аллергологический статус o Самочувствие испытуемых на момент начала эксперимента При тестировании также учитывались:
• Сложность заданий • Порядок прохождения экспериментов • Время экспозиции в ГМУ В автореферате представлены данные только по тем факторам или парамет рам, которые влияли на величину эффектов ГМУ.
Система экспозиции. Система экспозиции состояла из четырех кольцевых катушек диаметром 1 м с расстоянием между ними 0.5 м. Ослабление МП в экс периментах достигали путем создания ПМП равного и противоположно направ ленного локальному ГМП величиной около 44 мкТл. С помощью датчика, МП, расположенного параллельного оси системы, была реализована система компен сации постоянной составляющей МП, а также активной компенсация флуктуа ций в низкочастотном диапазоне до 10 Гц. Вариации МП внутри установки в хо де эксперимента не превышали ±0.4 мкТл вдоль вектора ГМП. Вариации по двум осям ортогональным ГМП также не превышали ±0.4–0.6 мкТл. МП в экс периментах контролировали с помощью измерителя магнитной индукции ТМИ 01 (ИОФ РАН) с точностью около 0.1 мкТл.
По поверхности системы была реализована камера Фарадея, ослабляющая внешнее ЭП приблизительно на два порядка. Внутри системы, две вертикально закрепленные сетки размером 60х60 см, расположенные на расстоянии 60 см друг от друга, с размером ячейки 1 см, позволяли создавать в районе головы ис пытуемого контролируемое ЭП. Во всех экспериментах, кроме предваритель ных, использовали горизонтальное ЭП величиной 100 В/м для моделирования естественных условий.
Проведение эксперимента. 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 адапти ровался к тестам (11 минут). Затем, во 2 и 3 сериях, испытуемый выполнял тесты по-прежнему в неизмененных условиях для определения индивидуальных рефе ренсных значений измеряемых величин (22 минуты). Наконец, в 4–7 сериях ( минуты), испытуемый либо продолжал эксперимент в контрольных условиях, когда МП было примерно равно ГМП (41.5±0.4 мкТл), либо в ГМУ (0±0.4 мкТл).
Полное или частичное отсутствие МП для организма — это фактически новый фактор окружающей среды, или воздействие, поэтому контрольные условия, т.е.
отсутствие ГМУ, в период времени 4–7 серии далее будем называть мнимым воздействием (МВ), или Sham, согласно англоязычной литературе.
Участники экспериментов1 были подобраны таким образом, чтобы можно было исследовать гендерную и возрастную зависимость эффектов ГМУ. Общая группа из 40 человек была разделена на 4 подгруппы по 10 человек: молодые мужчины, молодые женщины, пожилые мужчины и пожилые женщины со сред ним возрастом 24 года, 26 лет, 53 года и 49 лет, соответственно.
В эксперименте испытуемые проходили тесты, в которых измерялись пара метры когнитивной деятельности. В каждой серии испытуемый поочередно вы полнял четыре теста, в которых исследовались следующие когнитивные пара метры: 1) скорость реакции, 2) время распознавания слов (тест на соответствие смысла слова и его цвета), 3) кратковременная память на цвет и 4) образное мышление человека (тест на идентификацию буквы). В каждом из тестов изме ряли время ответа и количество ошибок. Компьютерные программы тестов бы ли созданы в лаборатории в среде Delphi. Тесты 1 и 3 были разработаны само стоятельно, тесты 2 и 4 были модифицированы из известных когнитивных тес тов, ранее предложенных Д. Струпом и Р. Шепардом.
Каждый испытуемый проходил тестирование дважды: в одном из экспери ментов включались ГМУ, другой эксперимент проходил полностью в контроль ных условиях или в условиях мнимого воздействия. Второе тестирование осу ществлялось через 40–60 дней после первого. Порядок прохождения экспери мента в условиях МВ или ГМУ определялся случайным образом. Испытуемый не знал, в каких условиях проходил тестирование — в условиях ГМУ или МВ.
Перед каждым экспериментом испытуемые оценивали свое состояние по пя тибалльной шкале и отвечали на вопрос, как часто у него наблюдается аллерги ческая реакция. У 27 человек аллергические реакции либо вообще не наблюда лись, либо наблюдались крайне редко, раз в несколько лет. Данные испытуемые были отнесены к группе c аллергологическим статусом “–”. У 11 человек аллер гические реакции наблюдались несколько раз в течение одного года, а еще у двух человек — несколько раз в месяц. Две последние группы испытуемых от несли к группе с аллергологическим статусом “+”.
На предварительной стадии исследований помимо оптимизации системы экспозиции, когнитивных тестов и методики экспериментов ставилась задача ис следования влияния электрического поля на когнитивные функции человека. На данном этапе работы приняло участие 44 испытуемых, которые были разделены на 4 группы по 11 человек (8 мужчин и 3 женщины) в каждой. Каждая группа проходила эксперименты в одном из четырех режимов экспозиции: МВ (41. мкТл), ГМУ (2мкТл), горизонтальное ЭП напряженностью 500 В/м, совместное Все участники дали добровольное «информированное согласие» на участие в экспериментах по протоколу, утвержденному комиссией по этике научных исследований ИОФ РАН.
воздействие ЭП (500 В/м) и ГМУ (2мкТл). Предварительные эксперименты про ходили без системы компенсации магнитных флуктуаций в низкочастотной об ласти. Статистическая обработка данных на данном этапе проведена с помощью дисперсионного анализа (ANOVA).
Нормирование результатов. Измеряемые величины во всех тестах, как в режиме МВ, так и в режиме ГМУ, т.е. на интервале с четвертой по седьмую се рию, нормировали для каждого испытуемого на его индивидуальные референс ные значения, выявляемые на интервале со второй по третью серии. Индивиду альные референсные значения находили по формуле:
Nm 13 Rmn = R, ijmn 2 j =2 N m i где i — номер измерения, j — номер серии, m — номер измеряемого параметра в когнитивных тестах, n — порядковый номер испытуемого, Rijmn — измерение в i-ом испытании j-ой серии m-ого параметра для n-ого испытуемого. Nm — число испытаний при измерении m-ого параметра в течение одной серии. Таким обра зом, ошибку в тесте на кратковременную цветовую память и времена ответов во всех тестах, нормировали следующим образом:
eijmn = Rijmn / Rmn Количество ошибок в остальных тестах нормировали следующим образом:
Nm R = 1+ Rmn e jmn ijmn Nm i Здесь eijmn и e jmn — нормированные значения измеряемых величин.
Для дисперсионного и дискриминантного анализа измеряемые величины ус редняли для каждой серии следующим образом:
e jmn = ei jmn, угловые скобки означают усреднение по индексам внутри скобок;
здесь и далее индекс j (номер серии) принимает значения от четырех до семи.
В кластерном и факторном анализе в качестве оценочных параметров исполь зовали индивидуальные эффекты испытуемых в ГМУ, определяемые следую щим образом:
e j z e j c mn mn Emn = e j c mn Здесь верхние индексы z и c показывают, в каких условиях, ГМУ или МВ, соот ветственно, были измерены величины eijmn и получены значения средние внутри серий e jmn и их средние по сериям e j mn.
Статистическая обработка результатов. Статистическая обработка ре зультатов осуществлена несколькими методами. Для первичной оценки эффек тов ГМУ отдельно для каждого измеряемого параметра использовали t-тест Стьюдента. Учет множественных сравнений проводился с помощью поправки Бонферрони и метода “False discovery rate” [Benjamini, 1995]. Нормальность рас пределения параметров проверяли с помощью критерия Колмогорова-Смирнова, однородность дисперсий — с помощью критерия Левена. Количество измерений для групп МВ и ГМУ менялся от 160 до 7800 в зависимости от когнитивного па раметра.
Оценку вкладов различных факторов в измеряемые величины производили с помощью многомерного дисперсионного анализ MANOVA (Multivariate analysis of variance).
Для выделения групп людей с разной чувствительностью к воздействию ГМУ использовали кластерный (КА), дискриминантный (ДА) и факторный (ФА) ана лизы. КА позволил выявить группы людей с приблизительно одинаковыми ре акциями на ГМУ.
КА обычно используют, когда нет априорных гипотез относительно возмож ной структуры данных;
он является объективным методом структуризации дан ных, хотя проверки статистической значимости в данном анализе нет. В качестве метода объединения использовался метод Варда [Ward, 1963] древовидной кла стеризации.
В ДА использовали линейный дискриминант Фишера (Fisher Linear Discriminant). Этот метод позволял оценить вклад каждого измеряемого пара метра в разделение групп МВ и ГМУ, а также классифицировать испытуемых по их чувствительности к МП. Результатом ДА для каждой серии эксперимента и для каждого испытуемого были значения дискриминантных функций (ДФ) и ко эффициентов km:
D c = Const + km ec, D z = Const + km e z, jn jmn jn jmn m m Dc, D z,— где значения ДФ для МВ и ГМУ для каждой серии j для n-ого испы jn jn туемого, Const — постоянный коэффициент и km — коэффициент ДФ для каждо го когнитивного параметра m. Для каждого испытуемого вычислены средние значений ДФ для МВ и ГМУ. Эти значения ДФ были использованы для опреде ления индекса индивидуальной чувствительности (ИИЧ-Д) к ГМУ согласно вы ражению:
I n = D c n D z n j j Для сравнения ИИЧ-Д с индексами, полученными в ФА, индекс для каждого испытуемого нормировали на выборочное стандартное отклонение группы ин дексов для всех испытуемых:
I n In = ( I n I n ) n 1 n Для составления альтернативного индекса индивидуальной чувствительности ИИЧ-Фв был использован ФА. В отличие от ИИЧ-Д, в котором результаты каж дого эксперимента МВ и ГМУ учитывались отдельно, ИИЧ-Фв основан на раз ности эффектов ГМУ и МВ одного и того же испытуемого. Индекс, вычислен ный с помощью ФА, основан на переходе от восьми когнитивных параметров к четырем факторам. Данные факторы построены на основе корреляционной мат рицы эффектов и учитывают 70% дисперсии первоначальных данных.
Количество факторов было выбрано как среднее между критерием Кайзера, оставляющим три фактора (59% общей дисперсии) и критерием “каменистой осыпи”, оставляющим пять факторов (80% общей дисперсии). Оставшиеся че тыре фактора отражают более 70% дисперсии исходных параметров.
Для факторов были найдены факторные нагрузки f ma, где a — номер факто ра. Факторные нагрузки вычислены с использованием вращения варимакс. Взяв отношение полученных в ФА значений факторных нагрузок к собственным зна чениям a, были получены коэффициенты для расчета каждого фактора и вычис лены значения факторов для каждого испытуемого:
f ma Fna = Emn a m Индекс индивидуальной чувствительности ИИЧ-Фв получен путем сложения факторов, каждый из которых умножен на дисперсию va, показывающую вклад данного фактора в общую дисперсию исходных параметров.
J n, = Fna va + g,, a, где g — поправочный коэффициент, учитывающий различия в опыте прохо ждения тестов в ГМУ для первого и второго эксперимента. Коэффициент рав нялся g, для группы проходившей тесты в ГМУ во втором эксперименте и g, для группы проходившей тесты в ГМУ в первом эксперименте:
1 g = ( J n J n ), g = ( J n J n ) 2 Для сравнения ИИЧ-Фв с индексом, полученным в ДА, индекс для каждого испытуемого нормировали на выборочное стандартное отклонение группы ин дексов для всех испытуемых:
J n Jn = ( J n J n ) n 1 n Статистическая обработка данных и математический анализ осуществлен с использованием стандартных статистических компьютерных программ. В каче стве погрешностей на графиках отложена стандартная ошибка среднего (стан дартное отклонение оценки среднего).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В ходе предварительных экспериментов с участием 44 испытуемых выясни лось, что электростатическое поле напряженностью 500 В/м вызывает эффекты сопоставимые по величине с эффектами ГМУ, хотя направленность эффектов ЭП не всегда совпадала с эффектами ГМУ (Рис. 1). Так в тесте на идентифика цию букв замедление времени ответа для ГМУ составило 4.4±1.6%, (p0.01, t-тест), а для ЭП 6.3±1.5% (p0.001, t-тест). Для данного теста, также как и для других тестов, величина эффектов совместного воздействия ГМУ и ЭП была примерно равна сумме эффектов для данных воздействий по отдельности, эф фект для ГМУ+ЭП составлял 11.5±1.6% (p0.001, t-тест). Это может говорить о разной природе биологических мишеней для МП и ЭП.
При проведении магнитобиологических исследований уровню ЭП на месте экспозиции обычно не придают значения. Однако, теоретически, ЭП напряжен ностью в сотни вольт/метр могут приводить к эффектам того же порядка, что и эффекты слабых МП [Binhi, 2002]. Такие электрические поля встречаются в не экранированных лабораторных помещениях и непредсказуемо меняют свою ве личину и направление в зависимости от электризации пластиковых покрытий и погоды. Поэтому в дальнейших экспериментах для устранения возможного не контролируемого вклада ЭП в наблюдаемые магнитные эффекты использована камера Фарадея.
Эффекты гипомагнитных условий. В основной части исследований экспе рименты проводились в двух режимах экспозиции, МВ и ГМУ. Испытуемые, выполнявшие тесты в ГМУ, показали результаты хуже, чем в условиях МВ.
МВ (41.5 мкТл) ГМУ (2 мкТл) ЭП (500 В/м) ГМУ+ЭП 1. * Величина эффекта * *** 0. 0. 0. Тест на Тест на Тест на Тест на идентификацию кратковременную кратковременную определение букв память о цвете память о цвете времени простой (время ответа) (время ответа) (ошибка) двигательной N~900 N~3500 N~ реакции (время ответа) N~ Рис. 1 Средние эффекты для времени ответа в трех тестах и ошибки в тесте на кратковременную память о цвете. Усреднение производилось по отдельным изме рениям в серии, по сериям и по испытуемым. Над столбцами показаны уровни зна чимости, полученные с помощью ANOVA. Здесь и везде далее (*– p0.05, **- p0.01, ***– p0.001). После названия тестов показаны объемы выборок для ка ждой группы.
Ухудшение выражалось в росте числа ошибок и увеличении времени ответа (Рис. 2). Для 5 из 8 измеряемых параметров эффекты были статистически значи мыми (t-тест). Наибольшие эффекты обнаружены в самом сложном, по мнению испытуемых, а также по количеству ошибочных ответов, тесте на идентифика цию буквы (эффект для количества ошибок 5.1±1.6%, p0.01, t-тест). Величина эффекта для данного теста сопоставима с 6–7% изменениями чувствительности глаза человека в гипомагнитных условиях полученных в работе [Thoss et al.
2007]. Наименьшие эффекты получены в тесте на определение времени простой двигательной реакции (эффект для времени ответа 0.7±0.9%), 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% (p0.001, t-тест).
То, что в работе удалось продемонстрировать статистическую достовер ность столь малых эффектов, что необычно для испытаний на группе всего из сорока человек, является следствием внушительной статистики, — число от дельных измерений составило около 58000. Это и определило возможность на блюдения 1–2% эффектов.
Поскольку в работе производилось более десятка независимых сравнений, то, для учета множественных сравнений, уровень значимости вводился с по 1. Величина эффекта МВ (41.5 мкТл) ГМУ (0.4 мкТл) 1. * ** 1. *** *** ** 0. 0. 0. 2400 160 4800 160 7800 7800 3500 время ошибка время ошибка время ошибка время ошибка ответа ответа ответа ответа Тест на Тест на Тест на Тест на определение соответствие кратковременную идентификацию времени простой смысла слова и память о цвете букв двигательной его цвета реакции Рис. 2 Средние эффекты для времени ответа и ошибки в четырех тестах. Усредне ние 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.
правкой. Сравниваемые группы с уровнем значимости p0.001 статистически значимо различались при использовании поправки Бонферрони, а для p0.01 при использовании метода “False discovery rate”.
Известна гипотеза о природе биологических эффектов МП, согласно которой первичная рецепция МП осуществляется магнитными наночастицами, обра зующимися в клетках организма [Kirschvink et al., 1992]. Теоретически, нели нейная стохастическая динамика таких частиц обеспечивает чувствительность к вариациям МП порядка десятых долей мкТл [Binhi and Chernavskii, 2005].
Интересно сопоставить данные когнитивных тестов с концентрацией магнит ных наночастиц и их конгломератов, в тех участках мозга, которые ответствен ны за выполнение задач в используемых психофизиологических тестах. В работе [Schultheiss-Grassi et al., 1999] показано, что содержание магнитых наночастиц в мозжечке в несколько раз меньше, чем в гиппокампе или коре головного мозга.
Можно предположить, что и магнитные эффекты в тестах, вовлекающих функ ции мозжечка, будут меньше. Действительно, эффекты в тесте на скорость реак ции были минимальны, по сравнению с эффектами в других тестах (Рис. 2).
Влияние пола и возраста испытуемых на эффекты гипомагнитных усло вий. Поскольку в организме человека присутствуют магнитные наночастицы, Табл. 1 Основные результаты многомерного дисперсионного анализа.
Выборки факторов F p-уровень ЭМ (МВ–ГМУ) 3.35 0. ЭМ (МВ–ГМУ) * 1.20 0. * Возраст (Молодые–Пожилые) ЭМ (МВ–ГМУ) * 1.75 0. * Пол (Мужчины–Женщины) ЭМ (МВ–ГМУ) * * Возраст (Молодые–Пожилые) * 2.68 0. * Пол (Мужчины–Женщины) было интересно сопоставить группы людей, с максимальными эффектами МП, с группами людей, обладающих повышенным естественным содержанием таких наночастиц. Известны данные [Dobson, 2002], что концентрация таких частиц у мужчин значимо увеличивается с возрастом. У женщин такая корреляция с воз растом найдена не была. Оценка содержания магнитных наночастиц размером меньше 200 нм на данный момент возможна лишь post mortem, поэтому число таких измерений невелико. Если механизм магниторецепции связанный с маг нитными наночастицами действительно имеет место, то по результатам когни тивных тестов для разных биологических групп можно сделать косвенную оцен ку содержания таких наночастиц.
Для оценки влияния факторов “Пол” и “Возраст” на величину эффектов ГМУ 1.05 МВ (41.5 мкТл) ГМУ (0.4 мкТл) Величина эффекта 0.8% 2.8%** 1.6%* 1.8%* 1. 0. 0. Молодые мужчины Молодые женщины Пожилые мужчины Пожилые женщины Рис. 3 Средние по всем тестам эффекты для групп, разделенных по полу и возрасту.
Над столбцами показана разность эффектов для групп МВ и ГМУ и уровни значимо сти, полученные с помощью t-теста.
использован многомерный дисперсионный анализ (MANOVA). В Табл. 1 пока заны основные результаты MANOVA. Группы эффектов МВ и ГМУ статистиче ски значимо различаются p=0.001. Разница средних значений для групп, разде ленных факторами “ЭМ*Пол*Возраст” (ЭМ — электромагнитная экспозиция) значима (p0.01). То есть с помощью MANOVA показано, что факторы “Пол” и “Возраст” важны для формирования биологических эффектов ГМУ.
На Рис. 3 представлены средние по всем тестам эффекты для групп испытуе мых, разделенных по полу и возрасту. Наименьшие средние эффекты в ГМУ на блюдались у молодых мужчин, а наибольшие у молодых женщин. Если рассмат ривать отдельно эффекты для групп “Пол” и “Возраст”, то средние по всем тес там эффекты у женщин были больше, чем у мужчин, соответственно 2.2±0.6% (p0.001, t-тест) и 1.3±0.5% (p0.05, t-тест). Средние для всех тестов эффекты для групп, разделенных только по возрасту, практически не различались: у мо лодых испытуемых эффект ГМУ равнялся 1.8±0.6% (p0.01, t-тест), у пожилых — 1.7±0.6% (p0.01, t-тест).
Полученные в работе гендерные отличия схожи с данными эпидемиологиче ских исследований людей “чувствительных” к ЭМП. В англоязычной литературе данный феномен носит название синдрома гиперчувствительности к электриче ству (electromagnetic hypersensitivity syndrome, EHS). В таких исследованиях от мечено, что количество женщин с EHS больше чем мужчин c данным синдро мом. В [Hillert et al., 2002] показано, что 1.5% из 10 тысяч опрошенных шведов проявили EHS, причем из них 62% составили женщины. Среди 2 тысяч опро шенных калифорнийцев количество гиперчувствительных составило 3.2%, при чем количество женщин, 59%, также превысило количество мужчин [Levallois et al, 2002]. Похожие пропорции в группах с EHS были получены в германских [Schuz et al., 2006] и швейцарских [Schreier et al., 2006] исследованиях. Напро тив, корреляция между частотой EHS и возрастом была найдена лишь в одной из представленных выше работ [Hillert et al., 2002].
Влияние самочувствия испытуемого и его аллергологического статуса на эффекты гипомагнитных условий. Перед каждым экспериментом выявляли субъективную оценку самочувствия и аллергологического статуса испытуемого.
Испытуемый оценивал свое самочувствие по 5-ти бальной шкале. В 80-ти экспе риментах 33 раза испытуемые оценили свое самочувствие на “5”, 44 раза на “4” и три раза на “3”. Оценка самочувствия, в целом, характеризует общее состояние здоровья испытуемого, поскольку 31 человек из 40 не меняли оценку в повтор ном эксперименте.
На Рис. 4. представлены средние по всем тестам эффекты для разных показа телей “самочувствия” и “аллергологического статуса”.
МВ (41.5 мкТл) ГМУ (0.4 мкТл) 1. Величина эффекта * *** 1. 0. 0. "3" и "4" "5" "+" "-" Самочувствие Аллергологический статус Рис. 4 Средние по всем тестам эффекты для групп, разделенных по показателям “Самочувствие” и “Аллергологический статус”. Над столбцами показаны уровни значимости, полученные с помощью t-теста.
Из рисунка видно, что при отличном самочувствии и отсутствии у испытуе мого аллергических проявлений, величины средних эффектов ГМУ значимо не отличались от значений МВ. Напротив, если испытуемый давал оценку хороше го или удовлетворительного самочувствия или положительного аллергологиче ского статуса эффекты МВ и ГМУ были статистически значимо различны. Осо бенно сильные эффекты были у людей с положительным аллергологическим статусом, в среднем для всех тестов 4.3±0.8% (p0.001, t-тест).
О корреляции между аллергенными проявлениями и чувствительностью к ЭМП сообщали в одной из недавних эпидемиологических работ (Eltiti et al., 2007).
Влияние сложности предъявляемых заданий на величину эффектов гипо магнитных условий в тесте на идентификацию буквы. Из Рис. 2 видно, что наибольшая величина эффекта ГМУ 5.1±1.7% была получена в тесте на иденти фикацию букв. По мнению самих испытуемых, данный тест оказался самым сложным среди всех тестов. Количество ошибочных ответов в среднем в данном тесте составляло 21±1%. Для сравнения аналогичный показатель в тесте на соот Табл. 2 Количество ошибочных ответов и среднее время ответа в кон трольных сериях (2-3 серии).
Измеряемые параметры “Б” “Г” “Ч” Количество ошибочных ответов в контрольных сериях, % 22 24 Среднее время ответа в контрольных сериях, с 2.11 2.09 2. 1. МВ (41.5 мкТл) ГМУ ( 0.4 мкТл) 7.4%** Величина эффекта 4.6%* 0. 0. 0. "Б" "Г" "Ч" Рис. 5 Зависимость количества ошибок в тесте на идентификацию буквы от предъ являемых букв в условиях МВ и МП. Усреднение производилось по отдельным из мерениям в серии, по сериям и по испытуемым. Над столбцами показаны уровни значимости, полученные с помощью t-теста.
ветствие смысла слова и его цвета составил всего 8.2±0.6%.
Из представленных в тесте букв наиболее сложная для идентификации явля ется буква “Ч”. В контрольных сериях количество ошибок при идентификации данной буквы было в 1.5 раза больше, чем для букв “Б” и “Г”, а среднее время ответа на 150 мс больше (Табл. 2).
Для того, чтобы подтвердить предположение о том, что величина эффектов в ГМУ была больше для сложных тестов, построили зависимость величины эф фектов ГМУ от предъявляемой буквы “Б”, “Г” или “Ч” (Рис. 5).
Действительно, величина эффекта ГМУ для буквы “Ч” была максимальна и составляла 7.4±2.5% (p0.01). Эффекты для буквы “Б” были почти в два раза меньше, а для “Г” не были значимыми, хотя количество ошибок в ГМУ также было больше.
Индивидуальная чувствительность к гипомагнитным условиям.
Кластерный анализ (КА) был использован для выделения групп людей со сходной реакцией на ГМУ. Выяснилось, что с помощью древовидной кластери зации можно выделить три группы людей (Рис. 6). Средние по всем тестам эф фекты ГМУ для кластеров 1, 2 и 3 соответственно равны –3.5±0.9%, 2.4±0.4% и 7.3±1.4%. Из рис. 6 видно, что девять человек вошли в первый кластер, пять в третий, а наибольшее количество человек, 27, вошло во второй кластер. Харак терно, что для данной группы величина эффектов ГМУ для всех измеряемых па раметров, составила от 1% до 6%.
Для анализа индивидуальной чувствительности испытуемого к ГМУ по строено распределение средних по восьми измеряемым параметрам эффектов 2. 2. 1 Расстояние связи 1. 1. 0. 0. 27 38 16 11 40 24 19 35 14 31 12 10 23 25 34 17 7 2 9 37 36 8 29 22 33 21 32 15 26 6 5 20 28 39 13 18 30 Номер испытуемого Рис. 6 Расстояние связи между индивидуальными эффектами 40 испытуемых. Кла стеризация производилось методом Варда. Использовалось евклидово расстояние.
ГМУ, Рис. 7. Для построения распределения использована функция оценки плотности (kernel density estimation):
1 x xi 1n d ( x) = exp, n i =1 2 2 w где xi — массив данных, n — количество элементов массива, w — параметр де тализации, или сглаживания, распределения. Распределение эффектов, в целом, имеет гауссов характер и не позволяет надежно выделить группы людей с разной чувствительностью к ГМУ (Рис. 7), хотя тенденция к существованию групп за метна.
Результаты КА и распределение средних эффектов свидетельствуют, что магнитные эффекты ГМУ вообще сформированы вкладами всех испытуе мых, а не какой либо отдельной группы, демонстрирующей особенно боль шие эффекты.
Глобальный средний магнитный эффект, согласно распределению средних эффектов, составил 1.8% (Рис. 7). Можно было бы предположить, что этот сред ний эффект сформирован всего несколькими испытуемыми, случайно показав шими исключительно большой эффект. Однако это не так. Если исключить из Частота встречаемости, % -15 -10 -5 0 5 10 15 Эффекты ГМУ, % Рис. 7 Функция оценки плотности средних эффектов ГМУ для 40 испытуемых (пара метр сглаживания w=0.3). Вертикальными линиями помечены: пунктир — положение нуля, полная линяя — среднее значение эффекта для 40 испытуемых.
анализа группу людей с максимальными эффектами, четыре человека со сред ними эффектами 7-12%, то статистическая значимость общего магнитного эф фекта сохраняется, при величине эффекта 1.5%.
В экспериментах нередко возникали ситуации, когда при экспозиции в ГМУ испытуемый, совершая большее количество ошибок, чем в условиях МВ, одно временно выполнял тесты быстрее, поэтому средний по тестам эффект не очень удобный параметр для анализа индивидуальной чувствительности к ГМУ. Оче видно, что для индивидуального анализа, нужны более объективные критерии, чем средний по тестам эффект. Для решения данной задачи были использованы многомерные методы статистики и введены индексы индивидуальной чувстви тельности, которые, исходя из результатов когнитивных тестов, позволяли объ ективно оценить чувствительность каждого испытуемого к ГМУ.
Распределение индексов чувствительности (Рис. 8), в отличие от распределе ния средних эффектов (Рис. 7), асимметрично. Средние значения индексов ИИЧ Д, ИИЧ-Фв составляют 0.52 и 0.33 соответственно. Небольшие пики в областях значений от двух и выше имеют как ИИЧ-Д, так и ИИЧ-Фв (на графике показа ны стрелками). Каждый из пиков обусловлен большими (1.8) значениями ин дексов пяти испытуемых для ИИЧ-Д и четырех испытуемых для ИИЧ-Фв, при чем, только у одного из испытуемых одновременно значения всех индексов пре Частота встречаемости, % 40 ИИЧ-Д ИИЧ-Фв -4 -2 0 2 4 ИИЧ Рис. 8 Функции оценки плотности индексов индивидуальной чувствительности для 40 испытуемых (параметр сглаживания w=0.3). Вертикальными линиями помечены:
пунктир — положение нуля, тонкая линяя — среднее значение для ИИЧ-Д, толстая линяя — среднее значение для ИИЧ-Фв.
вышали 1.8. Четыре из восьми испытуемых выделенных в ДА и ФА совпали с испытуемыми, выделенными в КА (кластер №3). Это говорит о том, что резуль таты, полученные в ДА и ФА, а так же результаты кластеризации дополняют друг друга. Общее количество “гиперчувствительных” испытуемых, выделенных хотя бы в одном анализе, составило девять человек. Характерно, что в группе “гиперчувствительных” по сравнению со всеми испытуемыми больше женщин, 67% и 50% соответственно, и аллергиков — 67% и 33% соответственно.
Методы, которые можно использовать для поиска групп “гиперчувствитель ных” людей разнообразны. Результат кластеризации зависит от выбранного ме тода. Индекс ИИЧ-Фв получен в результате определенного выбора числа факто ров, а также типа вращения. Кроме того, критерий Колмогорова-Смирнова не дал статистически значимого отклонения от нормальности для обоих индексов (p0.2). Чтобы доказать отклонения от нормальности распределения на рис. при том же характере распределения общее количество испытуемых должно быть более 150 для ИИЧ-Д и более 300 для ИИЧ-Ф. Поэтому существование та кой группы испытуемых не может быть установлено достоверно на основании результатов данной работы: можно говорить лишь о том, что результаты не про тиворечат этой гипотезе.
ОБСУЖДЕНИЕ Исследование не имеет аналогов в магнитобиологии как по количеству фак торов (12), учитываемых при проведении экспериментов и анализе полученных результатов, так и по числу измерений (58000). Большое количество измерений для относительно небольшой группы в 40 испытуемых позволило надежно уста новить факт угнетения когнитивной деятельности при экспозиции в ГМУ, а так же исследовать влияние некоторых биологических и физических факторов на величину магнитных эффектов.
Эффекты ГМУ зависят от многих факторов и поэтому трудно воспроизводи мы. Сложно полностью воспроизвести физические условия в месте эксперимен та. Группы испытуемых неизбежно отличаются при повторении исследований в разных лабораториях, трудно полностью воспроизвести методику и режимы проведения экспериментов. Поэтому важна оценка возможного разброса маг нитных эффектов.
В исследовании получено распределение средних эффектов магнитных по лей, из которого следует, что все распределение, по форме в целом симметрич ное относительно своего среднего, целиком сдвинуто в сторону более сильных магнитных эффектов. Это означает, что небольшой магнитный эффект сформи рован всей массой испытуемых. Это важно, поскольку можно обстоятельно ис следовать одного испытуемого и не найти магнитных эффектов. Даже в неболь шой группе магнитные эффекты недостаточно воспроизводимы. Для статистиче ской значимости вывода о существовании эффектов ГМУ, необходима группа людей размером более 30–40 человек.
ВЫВОДЫ 1. Компенсация ГМП до уровня менее 0.4 мкТл угнетает когнитивную дея тельность человека. Угнетение выражается в росте количества ошибок и замед лении времени ответа в тестах. Общий средний магнитный эффект составляет величину 1.8±0.4%.
2. Впервые получено распределение средних эффектов компенсации маг нитного поля, в группе из 40 человек. Распределение целиком сдвинуто в сторо ну положительных значений, означающих угнетение когнитивной деятельности.
3. Индивидуальные биологические эффекты ГМУ зависят от пола и возраста испытуемого.
4. Биологические эффекты ГМУ зависят от сложности задания. Максималь ные эффекты наблюдались как в самом сложном тесте, тесте на идентификацию букв (рост количества ошибок 5.1±1.6%), так и для самой сложной буквы в дан ном тесте (“Ч”, рост количества ошибок 7.4±2.5%).
СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Саримов Р.М., Бинги В.Н. Применение методов многомерного статисти ческого анализа для исследования индивидуальной чувствительности че ловека к нулевым магнитным полям. // Биомедицинские технологии и ра диоэлектроника. M., 2009, 1, с 20–31.
2. Саримов Р.М., Бинги В.Н., Миляев В.А., Влияние компенсации геомаг нитного поля на когнитивные процессы человека // Биофизика. 2008, 53(5), с.856–866.
3. Бинги В.Н., Заруцкий А.А., Капранов С.В., Котельников С.Н., Миляев В.А., Саримов Р.М. Метод исследования влияния “магнитного вакуума” на цветовую память человека. // Радиационная биология. Радиоэкология.
2005, 45(4), 451–456.
4. Бинги В.Н., Миляев В.А., Саримов Р.М., Заруцкий А.А. Влияние электро статического и «нулевого» магнитного полей на психофизиологическое состояние человека. // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника.
2006, 8-9, с. 49–57.
5. Binhi V. N., Sarimov R. M. Zero magnetic field effect observed in human cog nitive processes // Electromagnetic Biology and Medicine. 2009, 28, 310-315.
6. Саримов Р.М., Бинги В.Н. Влияние нулевого магнитного и электростати ческого полей на психофизиологическое состояние человека // Тезисы докладов "Космическая погода: ее влияние на биологические объекты и человека". М., 2005, с. 60– 7. Малицкий А.Н., Саримов Р.М., Бинги В.Н. Исследование некоторых пси хофизиологических характеристик человека в слабых электростатических и магнитных полях // Научная сессия МИФИ–2007, Том 5, с. 166– 8. Cаримов Р.М., Влияние компенсации геомагнитного поля на когнитивные процессы человека. Роль биологических факторов в формировании эф фектов такой компенсации. // Научная сессия МИФИ–2009, Том 5, с. 167– 170.
9. Binhi V.N., Kapranov S.V., Milyaev V.A., Sarimov R.M. Psychophysiological reactions in human to ELF magnetic fields // 26th Annual BEMS Meeting.
Washington, USA, 2004,
Abstract
Book, p. 185–186.
10. Sarimov R.M., Binhi V.N. Effect of electrostatic and zero magnetic fields on psychophysiological state of humans // 4-th International Workshop on Space Radiation Research and 17-th Annual NASA Space Radiation Health Investiga tors' Workshop. Moscow- St.Petersburg, 2006, Book of Abstracts, p. 117–118.