МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЬНЫХ ЦЕНТРОВ ПРИ ПОВЫШЕННОМ РАДИАЦИОННОМ ФОНЕ

SIMULATION OF THE STATE OF MOTOR CENTERS OF THE BRAIN WITH INCREASED RADIATION BACKGROUND

Vladimir Fyodorov

 doctor of Medical Sciences, Professor, Voronezh State Institute of physical culture,

Russia, Voronezh

АННОТАЦИЯ

В радиобиологическом эксперименте смоделирована радиа­ционная обстановка в которой работали ликвидаторы последствий Чернобыльской аварии и местное население. Показано, что эффекты поражения нервной системы носят стохастический характер и в регламентированных дозах ионизирующее излучение не является, видимо, ведущей причиной заболеваемости и снижения работо­способности. Однако ряд изменений свидетельствует о определенной нестабильности в состоянии нейронов двигательных центров, что может в дальнейшем служить фоном для развития нарушений со стороны нервной системы.

ABSTRACT

The radiation situation in which liquidators of consequences of Chernobyl accident and the local population worked are modeled in a radiobiological experiment. It is shown that the effects of nervous system damage are stochastic in nature and, in regulated doses, ionizing radiation is not, apparently, the leading cause of morbidity and decreased efficiency. However, a number of changes indicates a certain instability in the state of neurons of the motor centers, which can further serve as a background for the development of disorders of the nervous system.

Ключевые слова: Чернобыльская радиационная авария, здоровье и работоспособность населения, психоневрологические нарушения, состояние двигательных центров.

Keywords: Chernobyl radiation accident, health and working capacity of the population, psychoneurological disorders, state of motor centers.

Здоровье человека, следовательно, и возможность трудиться, заниматься физкультурой и спортом во многом определяется состоянием окружающей среды, в том числе и радиационным фоном. Последнее стало наиболее актуальным после катастрофы на Чернобыльской АЭС. Результатом аварии явилось радиационное загрязнение значительной территории страны, и облучение за короткий период времени миллионов людей, причем часть из них продолжает проживать, работать и учиться на радиоактивно загрязненных территориях, подвергаясь действию малых доз ионизирующего излучения [1, 2, 3, 5, 9]. В 1995 году Гомельский государственный университет имени Ф. Скорины выступил инициатором проведения международных научно-практических конференций «Проблемы физической культуры населения, проживающего в условиях неблагоприятных факторов окружающей среды». Конференции регу­лярно проводятся, издаются материалы, но влиянию повышенного радиационного фона на здоровье и физическую работоспособность, что так актуально для Белоруссии, да и ряда наших областей (Орловская, Калужская, Тульская и др.) уделяется все меньше внимания [11, 16]. А население прилежащих районов и в частности подрастающее поколение в этом аспекте даже не рассматривается. Не учитывается радиоактивный фон и при отборе детей в различные спортивные секции и при подведении итогов соревнований. Без всякого обоснования рекомендуются, да и применяются физические упражнения с целью «выведения радионуклидов» из организма. Более того, не всегда возможно отличить истинную патологию особенно со стороны нервной системы от проявлений радиофобии. Единственным объек­тивным критерием для установления причин психоневрологических расстройств и снижения физической работоспособности являются нейроморфологические исследования. Естественно, что проследить все стадии изменений нейронов двигательных центров в ранние и отдаленные сроки, выявить доза-временные зависимости и наиболее критические мишени для ионизирующего излучения возможно только в экспериментах на животных. В связи с этим целью исследования явилось изучение в радиобиологическом эксперименте реакции нейронов центров пирамидной и экстрапирамидной системы в ранние и отдален­ные сроки после пребывания в условиях повышенного радиационного фона.

Материал и метод

Эксперимент спланирован и проведен в Государственном научно-­исследовательском испытательном институте военной медицины МО РФ. В его основу положены данные о лучевой нагрузке у военнослужащих-ликвидаторов аварии на ЧАЭС и состоянии их здоровья в ранние и отдаленные сроки пострадиационного периода. В работе использованы 400 половозрелых беспородных крыс-самцов в возрасте 4 мес. (к началу эксперимента), что соответствует 27‑28 годам возраста ликвидаторов. Животных подвергали облучению на установке «Хизатрон» (Чехословакия) γ-квантами ⁶⁰Со, спектр 1,2 МЭв однократно и фрак­ционированно (равными порциями в течении 5 дней) в суммарных дозах 0,1; 0,2; 0,5 и 1,0 Гр с мощностью дозы облучения 0,5 Гр/ч. Материал забирали через 1 сут (это время, соответствующее возможной первичной реакции на облучение), 6 мес. (возраст профессионального долголетия ликвидаторов-вертолетчиков 38‑40 лет), 12 мес. (предельный возраст для военнослужащих 45‑50 лет), 18 и 24 мес. пострадиационного периода, т. е. исследование проведено на полную продолжительность жизни. Каждой группе соответствовал адекватный возрастной контроль.

Материалом для исследования служили высшие центры двигатель­ного анализатора. Сенсомоторная кора больших полушарий, являющаяся центром пирамидной системы и обеспечивающая сознательные двигательные акты. Полосатое тело, являющееся высшим центром экстрапирамидной системы и обеспечивающее тонус мышц и рефлекторные двигательные акты. Мозжечок, который не только обеспечивает координацию движений, но и является одним из высших вегетативных центров. Эти отделы головного мозга обработаны нейрогистологическими, гистохимическими и морфометрическими методиками. При анализе основное внимание уделялось таким радиа­ционным мишеням как белок и нуклеиновые кислоты. Оценивалась также структурно-функциональная перестройка нейронов по тинкториальным и морфометрическим показателям [1, 6, 10]. Статистическая обработка результатов исследований проводилась на ПЭВМ с процессором Ducal Core AMD Athlon 64 X2, 2200 MHz, с помощью пакетов программ Statistika 6.1, MS Excel 2007 и Math Cad 14 с математическим модели­рованием, определением прогноза их развития и последующей экстра­поляцией на человека. Алгоритм исследования подробно описан нами ранее [6, 10].

Проведенные исследования показали, что нейроны обладают высокой чувствительностью к воздействующему фактору. Выявленные изменения неспецифичны, имеют волнообразный характер и не имеют дозовой или временной зави­симости. При всех дозах и сроках пострадиационного периода преобла­дают пограничные изменения, отражающие различные варианты физиоло­гической нормы. Такие изменения обратимы и в определенных условиях на их основе могут возникать различные формы альтеративных или адаптационных изменений. Все виды изменений встречаются как в контрольных, так и экспериментальных группах, отличаясь лишь процент­ным соотно­шением. Наиболее заметная перестройка тинкториальных свойств нейронов была при 0,2 Гр. Количество деструктивных клеток во все сроки на­блюдения практически соответствовало таковому в адекват­ном контроле. Изучаемый фактор уменьшал размеры нейронов, причём в большей степени при одноразовом облучении. Содержание белка в нейро­нах через сутки после облучения зависело от дозы воздействия. При 0,1 Гр оно не изменялось, при 0,2 и 0,5 Гр – снижалось, а при 1 Гр наоборот повышалось. К 6 мес. содержание белка нормализовалось и оста­валось на нижнем уровне контроля до 12 мес. наблюдения. Через 1,5 г независимо от дозы облучения содержание белка в нейронах снижалось вплоть до конца наблюдения. Объём ядер нейронов менялся однонаправленно (вначале снижается, а к концу наблюдения нормализу­ется). ДНК в яд­рах нейронов через сутки после воздействия несколько снижается. К шести месяцам нормализуется и остаётся на этом уровне до 18 мес. на­блюдения. При фракционированном облучении содержание ДНК во все сроки наблюдения существенно не менялось.

Для более объективной оценки полученных результатов нейромор­фологического исследования проведено их математическое модели­рование. Модель динамики показателей состояния нервных клеток в зависи­мости от дозы облучения и времени пострадиационного периода представ­ляли в виде уравнения регрессии: ЗП=а₀+а₁х+а₂у +а₃ху+ а₄х²+а₅у²+а₆х³+а₇у³, где ЗП – зависимый показатель, х – доза облучения; у – время, после облуче­ния; ху, х², у², х³, у³ – взаимные влияния параметров х, у и нелинейное влияние каждого из этих параметров; а₀, а₁, а₂ – соответствующие коэффициенты. При построении регрессионных моделей учитывались только параметры для ко­эффициентов с уравнением значимости Р<0,05. В результате получено семей­ство уравнений регрессии для однократного и фрак­ционированного облуче­ния из которых видно, что динамика всех показателей имеет нелинейный характер как по дозе, так и по времени с умеренным или слабым коэффициентом корреляции. К концу периода наблюдения большинство по­казателей соответствует Визуальная оценка функции моделей в виде графиков, показана на примере содержания ДНК в ядрах нейронов (рис. 1, 2).

Рисунок 1. График зависимости динамики содержания ДНК от дозы однократного облучения (х), времени пострадиационного периода (у), а также их сочетания (ху)

Рисунок 2. График зависимости динамики содержания ДНК от дозы фркционированного облучения (х), времени пострадиационного периода (у), а также их сочетания (ху)

Заключение

Проведенные исследования показали, что при малых радиа­ционных воздействия изменения касаются части структур нервных клеток двигательных центров и не затрагивают нейронную популяцию в целом. Выявленные церебральные эффекты мало согласуются с данными о росте психоневрологических заболеваний и снижении работоспособности у лиц находящихся в условиях повышенного радиационного фона. Видимо это свя­зано не только с внешним облучением, но и с сопутствующими заболеваниями, профессиональ­ными и бытовыми вредно­стями, радиофобией и эгоистически-рентными установками [2, 14, 15]. Нейроморфологические исследования показали незначительные колебания показателей структурно-функционального состояния нервной системы, их фазный характер и в целом доста­точную устойчивость нейронной популяции, белка и нуклеиновых кислот к воздействию малых доз ионизирующего излучения. Однако не все показатели соответствовали возрастному контролю, что создает определенную нестабильность в структурно-функциональной организа­ции двигательных центров и может создавать фон для нарушений здоровья и снижения физической работоспособности [4, 10, 13]. Кроме того, наши многолетние исследования показали, что дополнительные физические нагрузки на облученный организм усиливают нейро­морфологические изменения. В связи с этим на территориях с повышенным радиационным фоном требуется более тщательный врачебный контроль за занимающимися физической культурой и спортом.

Список литературы:

1. Гундарова О.П., Федоров В.П., Афанасьев Р.В. Оценка психоневро­логического статуса ликвидаторов радиационных аварий: монография. – В.: «Научная книга», 2012. – 232 с.
2. Гуськова А.К. Основные итоги и источники ошибок в установлении радиационного этиопатогенеза неврологических синдромов и симптомов // Журнал неврологии и психиатрии. – 2007. – № 12. – С. 66–70.
3. Нягу А.И. Психоневрологические и психологические аспекты последствий аварии на Чернобыльской АЭС / А.И. Нягу // Вестн. АМН СССР. – 1991 – № 11. – С. 58–60.
4. Сгибнева Н.В. Пластичность нейронов сенсомоторной коры при повышенном радиационном фоне / Н.В. Сгибнева, В.П. Федоров, О.П. Гундарева, Н.В. Маслов // Медицинская радиология и радиационная безопасность. – 2017. - Т. 62, № 1.- С. 20‑25.
5. Ушаков И.Б. Экология человека после Чернобыльской катастрофы: радиационный экологический стресс и здоровье человека / И.Б. Ушаков, Н.И. Арлащенко, С.К. Солдатов. – М.-Воронеж: Изд-во ВГУ, 2001. – 723 с.
6. Ушаков И.Б. Малые радиационные воздействия и мозг / И.Б. Ушаков, В.П. Федоров. − Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2015. – 537 с.
7. Ушаков И.Б. Нейроморфологические корреляты малых радиационных воздействий / И.Б. Ушаков, В.П. Федоров, О.П Гундарова // Медико-биологические и социально-психологические проблемы безопасности в чрезвычайных ситуациях. - 2016. - № 1. - С. 71‑79.
8. Ушаков И.Б. Механизмы развития церебральных эффектов при малых радиационных воздействиях / И.Б. Ушаков, В.П. Федоров // Известия Российской военно-медицинской академии. - 2017. - Т. 37, № 2. - С.211-212.
9. Ушаков И.Б. Экологические и медико-социальные последствия Чернобыльской аварии / И.Б. Ушаков, В.П. Федоров // Сборник статей международной научно-практической конференции «Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность – 2017». – Севастополь, 2017. - С.1400-1403.
10. Федоров В.П Церебральные эффекты у ликвидаторов Чернобыльской аварии. / В.П. Федоров, И.Б. Ушаков, Н.В. Федоров. – LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2016. - 390 с.
11. Федоров В.П. Физическая работоспособность на радиоактивно загрязненной местности // Проблемы физической культуры населения, проживающего в условиях неблагоприятных факторов окружающей среды: материалы ХI Международной научно-практической конференции. – Гомель, 2015. - Т. 1. - С. 200‑204.
12. Федоров В.П. Радиационные риски вертолетчиков, участвующих в ликви­дации последствий чернобыльской радиационной аварии / В.П. Федоров, Н.В. Маслов, Н.В. Сгибнева, О.П. Гундарова // Морфология – физической культуре, спорту, клинической и авиационно- космической медицине: материалы V Всероссийской научной конференции. - Москва: МГАФК, 2017. С. 231‑236.
13. Федоров В.П. Моделирование радиоцеребральных эффектов у авиационных специалистов при ликвидации последствий Чернобыльской аварии / В.П. Федоров, А.Н. Асташова // Вестник Российской военно-медицинской академии. – 2017. – Т. 59, № 3. – С. 149-151.
14. Федоров В.П. Работоспособность и здоровье профессионалов в чрезвы­чайных ситуациях радиационной аварии / Федоров В.П., Асташова А.Н., Семенов Е.Н. // Физическая культура, спорт и здоровье в современном обществе: сборник научных статей Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2017. - С. 363-373.
15. Федоров В.П. Структурно-функциональное обоснование нарушения работоспособности и здоровья у ликвидаторов Чернобыльской радиационной аварии / В.П. Федоров, Н.В. Маслов, Н.В. Сгибнева, О.П. Гундарова // Физическая культура, спорт и здоровье в современном обществе: сборник научных статей Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2017. - С. 373-382.
16. Федоров В.П. Церебральные эффекты малых радиационных воздействий / В.П. Федоров // Збірник центру наукових публікацій «Велес» за матеріалами VI міжнародної науково-практичної конференції 1 частина: «Осінні наукові читання», м. Київ: збірник статей (рівень стандарту, академічнийрівень). – К.: Центр наукових публікацій, 2017. – С. 21-31.