ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НА МОЗГ ЧЕЛОВЕКА

INVESTIGATION OF THE EFFECT OF ELECTRICAL IMPULSES ON THE HUMAN BRAIN

Victoria Batienko

Student Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI,

Russia, Kazan

Vasiliy Vinogradov

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Design and Production Technology of Electronic Means, Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAI,

Russia, Kazan

В современной медицине для воздействия на организм используются импульсные и переменные электрические токи с различными формами и разными параметрами. Так, например, известны установки терапевтического назначения, обеспечивающие получение импульсов с прямоугольной, треугольной, колоколообразной формами, с экспоненциальными фронтами и срезами, моделирующими по форме спайки и потенциалы действия. При этом они генерируются непрерывно, пачками различной длительности и с различными комбинациями количества импульсов в них.

Величина импульсов может модулироваться по разным законам. На импульсы могут накладываться постоянные или переменные токи различных частот и различных форм. Воздействия могут осуществляться синусоидальными электрическими токами, суммой токов синусоидальной формы, имеющих разные частоты, модулированными по разным законам синусоидальными или случайно изменяющимися электрическими токами. Спектр случайно изменяющихся токов может приближаться к спектру белого шума и др.

Электрический ток может создаваться электродами, устанавливаемыми на поверхность кожного покрова или вводимыми внутрь биологической ткани или естественные полости, имеющиеся в организме, например, вводимые в прямую кишку, в мочеиспускательный канал, рот, уши, нос, которые подключаются к источнику электрической энергии. В отдельных случаях электрод находится на небольшом расстоянии от кожного покрова, и электрический ток создается за счет разряда через газовый промежуток, имеющийся между ним и кожным покровом.

По мнению авторов, если электрический ток по форме не идентичен электрическому току, протекающему в биоткани на данном участке организма и жестко не синхронизирован с ним, и не меняет свою форму и параметры при изменении параметров электрического процесса в биоткани, трудно ожидать явно выраженную специфическую реакцию на данное физическое воздействие. Поэтому реакция должна относиться к числу неспецифических, что подтверждается многообразием применяемых форм электрического воздействия.

Для успешного функционирования таких сложных биологических систем, как человеческий организм, необходимо, чтобы у соответствующих систем управления были бы высокая избирательность к управляющим воздействиям и большая помехоустойчивость, то даже в случае наличия внешних воздействий адекватных процессам в организме, необходима жесткая синхронизация их с процессами на данном участке биологического объекта.

Таким образом, с помощью внешних источников электрической энергии, имеющих форму электрических импульсов или периодически изменяющихся по синусоидальному или по синусоидальному закону электрических токов, обеспечивается, как правило, неспецифическая реакция организма. Характер ее, в основном, зависит от количества вводимой внешней энергии.

Для получения специфической реакции необходимы точный подбор формы и параметров внешнего воздействия и синхронизация их с параметрами организма. В этом случае ожидается высокий эффект при ничтожных уровнях внешнего воздействия, так как оно имеет информационный, а не энергетический характер. Но на пути создания устройств, основанных на вышеизложенной концепции, делаются только первые шаги [1].

Неспецифические реакции организма также имеют некоторое различие. Поэтому в медицине используется разные названия, характеризующие как вид ответной реакции организма на воздействие электрическими токами с определенными параметрами, так и форму тока воздействия, например: электросон; диадинамотерапия; амплипульстерапия; флюкторизация; электростимуляция; дарсонвализация; ультратонтерапия.

Электросон - воздействие на биологический организм импульсами электрического тока прямоугольной формы с частотами 1-150 Гц, длительностью порядка 0,4-2 мс и величиной до К мА.

Диадинамотерапия - воздействие электрическими токами сложной формы с периодически изменяющимся спектральным составом. Как правило, в составе спектра воздействующего тока имеется постоянная составляющая.

Электрическая стимуляция сна является важным и перспективным направлением воздействия на спящий мозг в целях улучшения его качества и, в целом, качества жизни человека. Сама по себе электрическая стимуляция во сне имеет ряд физиологических и технологических преимуществ. Физиологические преимущества: неинвазивность воздействия по сравнению с лекарственным, такая стимуляция не имеет обязательный непрерывный характер терапии, не имеет побочных проявлений, может быть использован женщинами во время и после беременности. Технологические преимущества: снижение себестоимости процедуры по сравнению с лекарственным лечением, комфортность использования аппаратуры с улучшением ее дизайна. Использование аппаратных средств предполагает их универсальное и широкодоступное потребление. Электростимуляция во сне может быть применена наряду с другими формами лечения нарушений сна [2].

Электросон относится к физиотерапевтическим методам лечения низкочастотными импульсными токами, которые вырабатываются специальными аппаратами. В момент воздействия импульсного тока на ЦНС человек погружается в искусственный сон. Организм при этом подвергается выраженному нейротропному воздействию. Манипуляция переносится достаточно комфортно, не вызывает дискомфорта и побочных реакций.

Поскольку процедура является альтернативой медикаментам, её успешно применяют при лечении различных заболеваний. По своим свойствам электросон ничем не отличается от естественного сна.

Условно процедура электросна состоит из 2-х фаз. 1-я фаза (период торможения) характерна для начала проведения манипуляции. В этот период человек пребывает в состоянии сонливости. Стоит отметить, что в каждом конкретном случае реакция людей на процедуру разная. Одни пациенты на протяжении всего сеанса спят, другие – впадают в состояние дремоты сразу по окончании сеанса, а некоторые люди часть сеанса бодрствуют, а часть – дремлют. В период фазы торможения у больных наблюдается снижение частоты сердечного ритма, смена интенсивности дыхания (оно становится глубоким и редким), снижение давления.

В период 2-ой фазы (активация) у значительного числа пациентов улучшения общего состояния здоровья наступают по истечении 30-60 минут с момента завершения процедуры. Находясь в этой фазе, человек чувствует повышенную бодрость, позитивный настрой, усиление работоспособности, снижение утомляемости [3].

Особое место в медицине сна занимают нелекарственные методы терапии. В настоящее время арсенал нефармакологических методов лечения патологий сна довольно широк. Американская академия медицины сна [4] выделяет следующие приемы:

1. Обучение гигиене сна;

2. Инструктирование по контролю за внешними стимулами;

3. Рекомендации по режиму и ограничению сна;

4. Обучение основам хронотерапии;

5. Практические занятия методом “парадоксальных намерений” на устранение бессонницы;

6. Многокомпонентная когнитивно-поведенческая терапия;

7. Обучение прогрессивной мышечной релаксации;

8. Разнообразные виды сенсорной терапии;

9. Тренировки методом биоуправления функциями с обратной связью.

Особую группу методов инструментальной регуляции и коррекции сна составляют методы, основанные на показателях электрической активности мозга [5]. За рубежом определенную популярность приобрели методы синхронизации мозговых волн (Brain Wave synchronization) или аудиовизуального вовлечения (AudioVisual entrainment), основанные на низкочастотных сенсорных воздействиях с частотой, совпадающей с ритмами ЭЭГ.

В недавних исследованиях показана возможность воздействия на МВА ночного сна путем центральной стимуляции мозга c использованием в качестве триггера для запуска стимуляции высокоамплитудных Δ-волн при их появлении во время медленноволновой стадии (МВС) сна. Низкочастотная акустическая стимуляция во время медленноволнового сна также оказалась эффективна для усиления МВА [6], причем стимуляция до наступления сна, наоборот, удлиняла латентный период наступления сна, что показывает зависимость эффективности стимуляции от функционального состояния мозга. В последующей работе эти авторы [7] применили подход, используемый в исследованиях с обратной биологической связью – подача акустической стимуляции была синхронизирована с фазой медленных Δ-волн. Показано, что только синхронизированная стимуляция усиливала медленноволновую активность и улучшала консолидацию декларативной памяти, а стимуляция, несинхронизированная с фазами Δ-волн, оказалась неэффективной [8].

Инсомния — значимая медицинская и социальная проблема, основными проявлениями которой считаются наличие одного или нескольких нарушений сна: пресомнических (трудности засыпания, боязнь не заснуть), интрасомнических (поверхностный сон с частыми пробуждениями) и постсомнических (раннее утреннее пробуждение, сниженная работоспособность, ощущение неудовлетворенности сном); нарушени я сна, несмотря на достаточное время и соответствующие условия для полноценного сна; влияние нарушений ночного сна на качество последующего бодрствования человека (эмоциональное состояние, физическую активность, когнитивные функции и т.д.) [9].

Международная классификация расстройств сна выделяет три клинические формы инсомнии:

1) хроническая инсомния (длительность более 3 мес);

2) острая инсомния (длительность менее 3 мес);

3) инсомния неуточненная (временный диагноз).

Инсомния — самое часто встречающееся расстройство сна, негативно влияющее на качество жизни человека. Без учета частоты, продолжительности и интенсивности симптомы инсомнии могут обнаруживаться у 48% людей [10]. В соответствии со строгими критериями, указанными выше, хроническая инсомния встречается у 6—10% населения [11].

В настоящее время существует несколько теорий, объясняющих возникновение инсомнии: физиологическая, поведенческая, когнитивная и нейрокогнитивная. Общим ключевым моментом всех моделей является развитие феномена гиперактивации (англ.: hyperarousal), проявляющейся на нейрофизиологическом, эндокринно-метаболическом, когнитивном и эмоциональном уровнях. Гиперактивация развивается у предрасположенных пациентов и проявляется неспособностью сомногенных систем подавить активность систем бодрствования и, следовательно, повышенной чувствительностью к внешним стимулам [12—15]. С учетом, как правило, полифакторного генеза инсомнии, очевидна необходимость комплексного подхода, включающего применение фармакотерапевтических, психотерапевтических и физических методов лечения.

В Российской Федерации снотворные препараты продолжают лидировать в терапии инсомнии. Однако гипнотики даже современного поколения, к сожалению, сами создают такие проблемы, как привыкание, зависимость, необходимость постоянного увеличения дозы препарата при длительном приеме, негативное влияние на течение синдрома апноэ во сне (для большинства препаратов), соматические осложнения (аллергия, воздействие на желудочнокишечный тракт и др.). Злоупотребление снотворными препаратами само по себе способствует развитию инсомнии. Есть также данные о том, что злоупотребление снотворными препаратами сопровождается увеличением смертности в 4,6 раза за 2,5 года наблюдения [16]. В связи с этим в лечении инсомнии в последнее время все большее значение приобретают методы нелекарственного воздействия. Показано, что на сон можно оказывать регулирующее воздействие внешними физическими факторами. Среди физических методов воздействия на мозговую активность первой была применена транскраниальная стимуляция электрическим током [17]. Позже стали использоваться транскраниальная магнитная стимуляция, электростимуляция блуждающего нерва [18].

С 1970-х годов изучается возможность применения чрескожной электростимуляции (ЧЭС) для лечения нарушений сна, в том числе инсомнии [19]. ЧЭС представляет собой способ передачи электрических импульсов заданных характеристик через электроды, размещенные на поверхности кожи. В основе воздействия ЧЭС на организм лежит принцип синхронизации подаваемых стимулов с одним из физиологических параметров с целью устойчивого поддержания его характеристик или их направленного изменения. В случае инсомнии параметром воздействия является частота колебаний электрической активности коры больших полушарий головного мозга в период сна. Данный параметр необходимо удерживать в границах, позволяющих обеспечить достаточную продолжительность и глубину ночного сна. Дельта-сон играет ведущую роль в осуществлении восстановительных процессов в организме. Во время дельта-сна происходит синтез гормона роста, интенсивное восстановление клеток, иммунной системы, улучшение обмена веществ. В период дельта-сна во всем организме, включая головной мозг, активизируются анаболические процессы, происходит восстановление энергетического потенциала клеток [20]. За дельта-сном признается также важная функция переработки полученной за день информации, закрепление полученного материала и его консолидация в памяти [21]. Многофакторная регуляция дельтасна (нейромедиаторы, гормоны, пептиды, простагландины и др.) обеспечивает высокую стабильность всех физиологических процессов в эту стадию сна [22].

Список литературы:

1. Супрунов В.В., Мошковская К.С. ЛЕЧЕБНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫМИ И ПЕРЕМЕННЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ТОКАМИ // Международный студенческий научный вестник. – 2022. – № 2.; URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=20941 (дата обращения: 25.04.2024).
2. Индурский П.А., Дунаевский Л.А., Маркелов В.В. Шахнарович В.М., Дементиенко В.В. ЗАО “НЕЙРОКОМ” [Электронный ресурс]//НОВАЯ ТЕРАПИЯ СНА: CОМАТОСЕНСОРНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТИМУЛЯЦИЯ В МЕДЛЕННОВОЛНОВОЙ ФАЗЕ СНА ЧЕЛОВЕКА: сайт. – URL: https://neurocom.ru/upload/iblock/e38/e38193757cb5e426cc213a99deea0395.pdf (дата обращения: 10.03.2024);
3. Кошурин Д.В. Электросон[Электронный ресурс] - URL: https://medcentr-sochi.ru/manualnyj-terapevt/ehlektroson.html (дата обращения: 10.03.2024);
4. Morgenthaler T., Kramer M., Alessi C. et al. American Academy of Sleep Medicine. Practice parameters for the psychological and behavioral treatment of insom nia: an update. An American Academy of Sleep Medi cine report // Sleep. 2006. V. 29(11). P. 1415.
5. Hoedlmoser K., Dang:Vu T.T., Desseilles M., Schabus M. Nonpharmacological alternatives for the treatment of insomnia – Instrumental EEG conditioning, a new al ternative? // Melatonin, Sleep and Insomnia / Ed. Y.E. Soriento. New York: Nova Science Publishers, 2011. P. 69.
6. Ngo H.V., Claussen J.C., Born J., Mölle M. Induction of slow oscillations by rhythmic acoustic stimulation // J. Sleep Res. 2013. V. 22(1). P. 22.
7. Ngo H.V., Martinetz T., Born J., Mölle M. Auditory closedloop stimulation of the sleep slow oscillation en hances memory // Neuron. 2013. V. 78(3). P. 545.
8. П. А. Индурский , В. В. Маркелов , В. М. Шахнарович , В. Б. Дорохов ЗАО “НЕЙРОКОМ. НИЗКОЧАСТОТНАЯ ЭЛЕКТРОКОЖНАЯ СТИМУЛЯЦИЯ КИСТИ РУКИ ВО ВРЕМЯ МЕДЛЕННОВОЛНОВОЙ СТАДИИ НОЧНОГО СНА: ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕРАПЕВТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ// ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2013, том 39, № 6, с. 1–14
9. Sateia MJ. International classification of sleep disorders-third edition: highlights and modifications. Chest. 2014;146(5):1387-1394. https://doi.org/10.1378/chest.14-0970
10.  Kryger MH, Roth T, Dement WC. (eds) Principles and practice of sleep medicine 5 th ed. St. Louis, Missouri: Elsevier Saunders; 2011.
11.  National Institutes of Health. National Institutes of Health State of the Science Conference statement on Manifestations and Management of Chro nic Insomnia in Adults, June 13—15, 2005. Sleep. 2005;28(9):1049-1057. https://doi.org/10.1093/sleep/28.9.1049
12. Riemann D, Spiegelhalder K, Feige B, et al. The hyperarousal model of insomnia: a review of the concept and its evidence. Sleep Med Rev. 2010;14(1):19-31. https://doi.org/10.1016/j.smrv.2009.04.002
13. Harvey C-J, Gehrman P, Espie CA. Who is predisposed to insomnia: a review of familial aggregation, stress-reactivity, personality and coping style. Sleep Med Rev. 2014;18(3):237-247. https://doi.org/10.1016/j.smrv.2013.11.004
14. Kay DB, Buysse DJ. Hyperarousal and beyond: new insights to the pathophysiology of insomnia disorder through functional neuroimaging studies. Brain Sci. 2017;7(3):23. https://doi.org/10.3390/brainsci7030023
15. Vgontzas AN, Fernandez-Mendoza J, Liao D, et al. Insomnia with objective short sleep duration: the most biologically severe phenotype of the disorder. Sleep Med Rev. 2013;17(4):241-254. https://doi.org/10.1016/j.smrv.2012.09.005
16.  Kripke DF, Garfinkel L, Wingard DL, et al. Mortality associated with sleep duration and insomnia. Arch Gen Psychiatry. 2002;59(2):131-136. https://doi.org/10.1001/archpsyc.59.2.131
17.  Nelson AI. A national survey of electroconvulsive therapy use in the Russian Federation. JECT. 2005;21(3):151-157. https://doi.org/10.1097/01.yct.0000172569.44675.53
18.  Никитин С.С., Куренков А.Л. Магнитная стимуляция в диагностике и лечении болезней нервной системы: Рук. для врачей. М.: Сашко; 2003. Nikitin SS, Kurenkov AL. Magnetic stimulation in the diagnosis and treatment of diseases of the nervous system: Ruk. dlja vrachej [A guide for doctors]. M.: Sashko; 2003. (In Russ.).
19.  Lisanby SH (ed.). Brain Stimulation in Psychiatric Treatment. N.-Y.: American Psychiatric Publishing, Inc.; 2004;172.
20.  Oswald I. Human Brain Protein, Drugs and Dreams. Nature. 1969;223:893-897. https://doi.org/10.1038/223893a0
21.  Ротенберг В.С. Адаптивная функция сна, причины и проявления ее нарушения. М.: Наука; 1982. Rotenberg VS. Adaptive sleep function, causes and manifestations of its violation. M.: Nauka [The science]; 1982. (In Russ.).
22.  Пастухов Ю.Ф., Екимова И.В., Худик К.А., Гужова И.В. Белок 70 кДа в контроле сна и терморегуляции. Журнал эволюционной биохимии и физиологии. 2008;44(1):65-71.