УДК 616-072.8

Электромагнитобиология интенсивно развивается со второй половины ХХ столетия. Несколько тысяч публикаций в этой области свидетельствуют о том, что электромагнитные поля влияют на биологические системы разного уровня организации - от вируса до биосферы [1]. Особый интерес представляют явления электромагнитобиологии, связанные с резонансным характером воздействия, когда отклик биологического объекта возникает в узкой (от долей до единиц процентов) полосе спектра действия поля. Острорезонансный характер является одним из принципиальных отличий информационных воздействий от энергетических (нагрев, разрушение тканей и т.п.), которые малокритичны к частоте [2]. При этом, начиная с некоторой пороговой мощности, ответная реакция биологического объекта слабо изменяется в пределах нескольких порядков величин [3].

При изучении влияния СВЧ-излучения нетепловой мощности на человека были обнаружены резонансные реакции отдельных органов. Регистрация отклика на воздействие электромагнитного поля осуществлялась как по показаниям медицинских приборов, фиксировавших физиологическое состояние организма, так и по тем или иным сенсорным реакциям испытуемых. Показано, что резонансные частоты организма, несмотря на индивидуальность значений, присущих отдельному человеку, лежат в достаточно узком диапазоне, т.е. каждой функциональной системе или органу человека соответствует устойчивый во времени набор резонансов, определенных в работе [4] как собственные характеристические частоты организма человека.

Цель данной работы заключалась в исследовании возможности существования нестационарных характеристических частот, зависящих только от перцептивной установки испытуемого во время воздействия электромагнитного поля.

Известный психофизический метод изучения цветового восприятия человека основан на использовании глаза как нулевого прибора. При этом применяется кибернетический подход - исследуется не механизм возникновения ощущения того или иного цвета, а изучаются условия, при которых два раздражителя (различные спектральные распределения) становятся неразличимыми, вызывают один и тот же зрительный эффект. Используя такой способ, можно довольно просто получить законы смешивания цветов [5]. В наших экспериментах также ставилась задача определения совпадения влияния двух раздражителей. Однако, в отличие от известных экспериментов по изучению цветового восприятия, изучалась возможность совпадения влияния однородных физических факторов, действующих на различные типы рецепторов. Один из световых источников излучения был заменен источником низкоинтенсивного электромагнитного излучения ИК-диапазона с плавно изменяемой длиной волны от 0,8 мкм до 24 мкм (использовался монохроматор спектрометра ИКС-31). Источник видимого света играл роль эталона, опорного сигнала с фиксированной длиной волны. В процессе эксперимента, при сканировании длины волны ИК-излучения, перед оператором (человеком, осуществляющим регистрацию своих ощущений) ставилась задача фиксации момента совпадения ощущений, вызываемых ИК-излучением и излучением видимого света.

Предварительные эксперименты показали, что в ряде случаев существует определенная корреляция между длиной волны (цветом) эталонного излучателя и регистрируемыми длинами волн ИК-излучения. Результаты экспериментов зависели от индивидуальных психофизических особенностей операторов. Для подтверждения наблюдаемых закономерностей была поставлена следующая серия экспериментов.

Поскольку любой обычный источник видимого света обладает невысокой спектральной добротностью, в последующих экспериментах в качестве эталонного излучателя был использован гелиево-неоновый лазер (_о = 0,63 мкм). Моменты совпадения ощущений оператора от двух источников излучения (лазера и ИК-монохроматора) фиксировались по его идеомоторным реакциям. Для их регистрации использовался механический индикатор - Г-образная рамка (рис.1). В исходном рабочем положении рамка находится в неустойчивом равновесии - ее выступающая часть уравновешивается мускульной силой руки. Идеомоторные реакции мышц верхних конечностей создают момент вращения и вызывают движение рамки-индикатора. Для регистрации числа оборотов и направления вращения рамки использовалось специально разработанное оптоэлектронное устройство, позволяющее графически отображать интенсивность реакции в течение времени. В процессе эксперимента (сканирования по ) строилась зависимость числа оборотов (J) от (рис.2). Во время экспериментов была исключена возможность какого-либо доступа оператора и экспериментаторов к показаниям счетчика длины волны монохроматора до момента фиксации совпадений. Начальная длина волны при сканировании выбиралась произвольно, случайным образом. Для изменения скорости сканирования по применялись различные дифракционные решетки (300, 150, 75 и 50 штрихов на мм) (табл.).

Таблица

Реакция оператора в процессе изменения длины волны ИК-излучения была зафиксирована в области *, удовлетворяющей условию:

(1)

где N - целое число, = 0,63 мкм - длина волны излучения гелиево-неонового лазера. Фиксируемый при этом отклик регистрирующей системы показан на рис.2. Сигнал отклика симметричен по J, причем момент изменения знака с высокой точностью соответствует совпадению текущего значения с условием (1). Определенные таким образом в нескольких сериях экспериментов значения ^*_эксп представлены в табл. Зависимости точности фиксации ^*_эксп от номера гармоник N не обнаружено. Необходимо также отметить высокую воспроизводимость результатов измерений. Среднее значение ^*_эксп / N = 0,63 мкм, среднеквадратичное отклонение  = 0,003 мкм.

Для объяснения полученных экспериментальных результатов обратимся к теории синхронизации динамических систем. Явление синхронизации состоит во взаимном согласовании движения подсистем, совершающих периодические колебания, при этом в подсистемах устанавливаются одинаковые или кратные частоты и определенные фазовые соотношения между колебаниями [6]. Синхронизация автоколебаний играет важную роль во многих биологических системах [7]. Нейрофизиологические исследования последних лет показали, что с явлением синхронизации в нейронных ансамблях связан феномен восприятия. В экспериментах было установлено, что при стимулировании различных участков сетчатки группы нейронов в коре, связанные с этими участками, возбуждались и демонстрировали осцилляторную активность с частотой около 50 Гц. При этом внутри каждой группы колебания всех нейронов были синхронны [8,9]. Синхронизация колебаний между пространственно разделенными группами нейронов коры наблюдалась в двух случаях: либо при одинаковом стимулировании связанных с этими группами участков сетчатки, либо когда группы нейронов, хотя и были пространственно разделены в коре, но возбуждались при стимулировании одного и того же участка сетчатки, т.е. их рецепторные поля перекрывались [10,11]. Наоборот, при стимулировании неперекрывающихся рецепторных полей различными объектами (например, с помощью световых полос, движущихся в разных направлениях) синхронизации между возбужденными группами нейронов не возникало [12]. На основе этих и других экспериментов разработаны модели, связывающие восприятие (зрительное, слуховое и т.д.) и ассоциативную память с существованием паттернов синхронной активности нейронов ансамблей различных участков коры головного мозга [13]. Основываясь на этих моделях, можно предположить, что наблюдаемому оператором световому излучению лазера в наших экспериментах соответствует осцилляторная синхронная активность группы нейронов зрительной коры.

В отличие от привычных раздражителей (свет, звук) электромагнитное излучение несветового диапазона имеет свои особенности. В настоящее время у человека неизвестен специфический рецепторный аппарат для восприятия электромагнитного излучения. Однако установлено наличие сенсорных реакций на различные электромагнитный поля при локальном периферическом воздействии [14, 15]. При этом:

1) человек способен достоверно отличать электромагнитные сигналы (СВЧ- и низкочастотного диапазона) от пустых проб (ложных воздействий);

2) электромагнитная чувствительность человека, кроме его индивидуальных особенностей, определяется биотропными характеристиками поля - частотой, формой импульса, экспозицией;

3) особенности возникающих ощущений (давление, покалывание, прикосновение, мурашки, тепло, жжение) свидетельствуют об участии в рецепции кожных анализаторов.

Возможно, рецепцию электромагнитных сигналов осуществляют болевые рецепторы (ноцицепторы) кожи, представляющие собой свободные нервные окончания с тонкими миелинизированными или немиелинизированными волокнами. Предполагается, что проведение и восприятие электромагнитного стимула обеспечивает неспецифическая соматосенсорная подсистема, называемая экстралемнисковой. Наиболее важными компонентами этой подсистемы являются ретикулярная формация ствола мозга и неспецифические ядра таламуса. Эта система связана практически со всеми областями коры больших полушарий. Эти связи диффузны, а в них почти совсем отсутствует соматотопическая организация. Кроме того, существуют связи с гипоталамусом, с лимбической системой и подкорковыми центрами моторной коры. Основные функции неспецифической соматосенсорной системы - эмоциональная окраска восприятия, контроль состояния сознания, ориентировочные реакции.

Можно предположить, что восприятие электромагнитного стимула связано с возникновением неспецифического пространственно-временного паттерна синхронной активности нейронов экстралемнисковой соматосенсорной системы.

В наших экспериментах электромагнитное излучение играет роль источника автоколебаний, оказывающего синхронизирующее влияние, а параметры осцилляций нейронов зависят от частоты внешнего излучения.

При выполнении условия кратности частот (1) синхронизация колебаний нейронов зрительной коры и экстралемнисковой системы воспринимается оператором как совпадение воздействия двух раздражителей и, в соответствии с установкой сознания, вызывают идеомоторную реакцию.

Использование конкретной методики отображения момента совпадения не является принципиальным и зависит от особенностей восприятия конкретного человека. Например, в аналогичной серии экспериментов другим оператором использовалось словесное описание своих ощущений, при этом точность определения совпадения частот оставалась высокой. Использование описанной методики является удобной с точки зрения простоты отображения и возможности графического описания явления вблизи резонансной частоты.

Существование нестационарных характеристических частот не связано с каким-либо выделенным спектральным участком электромагнитных колебаний. Сходные эксперименты были поставлены нами для электромагнитного излучения миллиметрового диапазона [16]. Получены аналогичные результаты - совпадение частот определяется с высокой точностью и воспроизводимостью результатов.

На основе наших экспериментальных данных и моделей восприятия, основанных на синхронизации нейронных групп, можно предложить возможный физиологический механизм резонансного воздействия низкоинтенсивного электромагнитного излучения на организм человека, не зависящий от конкретных физико-химических процессов. Коллективное поведение больших нейронных систем, несмотря на простую осцилляторную динамику отдельных нейронов может быть весьма разнообразным и сложным. В таких системах возникают и эволюционируют паттерны синхронизированных друг с другом нейронов, имеющих сложную пространственную форму. Например, в нервных тканях наблюдались такие нетривиальные структуры, как бегущие спиральные волны [17]. Внешние электромагнитные колебания вызывают возникновение участков синхронной активности и перестройку пространственно-временной организации деятельности нервной системы. Когда параметры электромагнитного поля случайны, воздействие носит характер помехи и вызывает неспецифическую адаптивную реакцию организма. На частотах, определяемых как резонансные, внешнее стимулирование приводит к образованию пространственно-временных паттернов, частоты синхронной активности которых совпадают с уже существующими в организме. Здоровые органы не реагируют на излучение, ответная сенсорная реакция возникает только для больного органа, причем ее интенсивность зависит от степени патологии [4]. То есть внешнее низкоинтенсивное поле с резонансной частотой оказывает синхронизирующее влияние только на патологически измененную коллективную динамику нейронов - возникает так называемый терапевтический режим воздействия.

Активность нейронов регистрируется в довольно широком диапазоне частот, но как правило, это интервал от 10 до 60 Гц. В наших экспериментах не обнаружено зависимости результатов от значений длины волны тестируемого излучения, при этом кратность длин волн N изменялась от 2 до 25. Поэтому можно предположить, что кратным длинам волн соответствует неизменная частота осцилляций нейронных групп. Предполагая, что всему спектральному диапазону электромагнитных колебаний соответствует ограниченный частотный набор осцилляций в нейронных группах ("основная гамма"), можно объяснить, почему такие разные методы низкоинтенсивной электромагнитной терапии, как лазерная терапия, микроволновая резонансная терапия, магнитотерапия схожи по ответным реакциям организма [14] и по широчайшему диапазону показаний для лечения.

Таким образом, существование нестационарных характеристических частот, на которых режим синхронизации определяется только перцептивной установкой человека, представляет интерес не только с точки зрения физиологии восприятия, но и с позиций исследования общих закономерностей действия низкоинтенсивных электромагнитных полей на организм человека.

1. Холодов Ю.А. Поток монографий по электромагнитобиологии // Магнитобиология.- 1993.- ¦ 1(15).- С.64-70.

2. Севастьянова Л.А., Бородкина А.Г., Зубенкова Э.С. и др. Резонансный характер воздействия радиоволн миллиметрового диапазона на биологические системы // Эффекты нетеплового воздействия миллиметрового излучения на биологические объекты.- М.: ИРЭ АН СССР, 1983.- С.34-47.

3. Девятков Н.Д. и др. Влияние электромагнитного излучения миллиметрового излучения длин волн на биологические объекты // Успехи физических наук.- 1973.- Т.110, ¦ 3.- С.452-469.

4. Андреев Е.А., Белый М.У., Ситько С.И. Реакция организма человека на электромагнитное излучение миллиметрового диапазона // Вестник АН СССР.- 1985.- Вып.1.- С.24-32.

5. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике.- М., 1976.

6. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике.- М.: Наука, 1981.

7. Романовский Ю.М., Степанова Н.В., Чернавский Д.С. Математическое моделирование в биофизике.- М.: Наука, 1975.

8. Eckhorn R. et al. Biol. Cybern.- V.60(1988).- Р.121.

9. Gray C.M. Singer W. Proc. Natl. Acad. Sci. USA.-V.86(1989).- Р.1698.

10. Engel A.K. et al. Eur.J.Neurosci.- V.2(1990).- P.588.

11. Gray C.M. et al. Ibid.- Р.607.

12. Gray C.M. et al. Nature.- V.338(1989).- Р.334.

13. Абарбанель Г.Д.И., Рабинович М.И., Селверстон, Баженов М.В., Хуэрта Р., Сущик М.М., Рубчинский Л.Л. Синхронизация в нейронных ансамблях // Успехи физических наук.- Т.166, ¦ 4.- С.363-390.

14. Холодов Ю.А., Лебедева Н.Н. Реакции нервной системы человека на электромагнитные поля.- М.: Наука, 1992.

15. Подтаев С.Ю., Медведев В.А., Федоров Е.Ф. А.С. ¦ 94027461/14(027017). Способ определения частоты низкочастотного магнитного поля для лечения заболеваний опорно-двигательного аппарата.

16. Подтаев С.Ю., Федоров Е.Ф. Синхронизация психофизических реакций при воздействии электромагнитного излучения миллиметрового диапазона на организм человека // Миллиметровые волны в биологии и медицине.- 1995.- ¦ 6.-С.49-52.

17. Shibata M., Dures J.J. Neurophys.- V.35(1972).-Р.381, V.5(1974).- Р.107.

An external low-intensity field with resonance frequency synchronizes inly pathologically - changed collective dynamics of neurons. A therapeutical effect occurs.

In the article the authors study if non-permanent characteristic frequencies exist, which depend only on a person's perseptive direction during electromagnetic field exposure.

Подтаев Сергей Юрьевич, 1960 года рождения. Окончил Пермский государственный университет. С 1983 года работает в ОКБ "Маяк" ПГУ. Кандидат физико-математических наук. Автор 5 изобретений и 30 научных публикаций. С 1993 года совместно с сотрудниками Пермской медицинской академии проводит поисковую исследовательскую работу по проблемам электромагнитобиологии.

Федоров Евгений Федорович, 1949 года рождения. Окончил политехнический институт. Инженер-электронщик. Автор 2 изобретений и 2 научных публикаций. С 1993 года занимается разработкой и внедрением медицинской электронной аппаратуры.