Введение к работе
Актуальность исследования. Одной из основных задач современной физиологии является выявление функционального развития головного мозга и физиологических систем, обеспечивающих его нормальное функционирование и формирование когнитивных процессов на разных этапах развития человека. Получить представления о функциональной активности головного мозга стало возможным после открытий немецкого психиатра Ганса Бергера, впервые применившего метод электроэнцефалографии (ЭЭГ) для регистрации биоэлектрической активности головного мозга. ЭЭГ изучает биоэлектрические процессы в головном мозге человека в диапазоне частот от 0,5 до 35 Гц (И.С. Егорова, 1997; В.Н. Кирой, 1998; Н.К. Благосклонова, 2000; Л.Р. Зенков, 2004; О.М. Бахтин, Д.М. Лазуренко, 2012; Г.Н. Болдырева, Л.А. Жаворонкова, Е.В. Шарова, 2012).
Как известно, ЭЭГ отражает функциональную активность головного мозга, которая зависит от степени зрелости мозговых структур. Поэтому, очевидно, что по мере созревания различных структур ЦНС изменяется биоэлектрическая активность головного мозга, что нашло отражение во встречающихся в литературе данных о возрастных особенностях ЭЭГ у детей (Д.А. Фарбер, В.Ю. Вильдавский, 1996; Г.Н. Болдырева, Е.В. Шарова, И.С. Добронравова, 2000; Н.К. Благосклонова, М.А. Морозова, 2006; А.Т. Бондарь, А.И. Федотчев, 2006; Л.С. Соколова, Р.И. Мачинская, 2006; Г.Н. Болдырева, 2007; В.П. Леутин, Е.И. Николаева, 2008; Д.А. Фарбер, 2009; И.В. Вершинина, 2010).
В настоящее время имеется довольно много работ по изучению биоэлектрической активности головного мозга у лиц разного возраста (И.Е. Кануников, 2000; Н.Н. Боголепов, В.Ф. Фокин, 2004; Е.В. Антонова, 2005; О.М. Гриндель, 2007; Л.А. Жаворонкова, 2009; Т.Г. Бетелева, С.В. Синицын, Д.А. Фарбер, 2009; Г.Н. Болдырева, Л.А. Жаворонкова, Е.В. Шарова, 2012), однако, несмотря на широкое применение ЭЭГ, данные о биоэлектрической активности детей, подростков и юношей весьма противоречивы. В доступной литературе практически отсутствуют сведения об изменении амплитуды основных биопотенциалов ЭЭГ в процессе возрастного развития в условиях нормоксии и при действии кратковременной гипоксии, имеющиеся данные весьма противоречивы и разрознены.
Биоэлектрическая активность головного мозга является объективным интегральным показателем физиологической активности головного мозга (И.Е. Кануников, Е.В. Антонова, 2000; Н.К. Благосклонова, 2006; Л.С. Соколова, Р.И. Мачинская, 2006; Г.Н. Болдырева, Е.В. Шарова, И.С. Добронравова, 2009; Л.А. Жаворонкова, 2009; О.С. Бороздина, 2010; Д.В. Бердников, 2012), который находится в непосредственной зависимости от снабжения головного мозга кислородом. Обеспечение кислородом различных тканей, в том числе головного мозга, осуществляется функциональной системой дыхания. Функциональная система дыхания включает в себя ряд физиологических систем и механизмов, обеспечивающих оптимальную поэтапную доставку кислорода к органам и тканям для осуществления аэробного окисления в митохондриях по кислородному запросу и выведение образовавшегося углекислого газа из организма (А.З. Колчинская, 2003).
Согласованная работа всех структур, образующих функциональную систему дыхания, обеспечивает оптимальный и наиболее эффективный кислородный режим организма, необходимый для нормального функционирования головного мозга (А.З. Колчинская, Т.Н. Цыганова, Л.А. Остапенко, 2003; А.Б. Иванов, 2013). Вышеперечисленное объясняет необходимость проведения детального изучения состояния всех звеньев функциональной системы дыхания и выявления особенностей кислородного режима организма у лиц разных возрастных групп.
Особенности кислородного режима организма и обеспечения головного мозга кислородом находят отражение в изменении биоэлектрической активности головного мозга (И.Б. Соколова, 1999; А.Б. Иванов, 2003; М.Г. Водолажская, Н.А. Крючков, К.В. Шеховцова, 2003; М.Т. Шаов, О.В. Пшикова, Б.М. Суншева, 2010). Выявление этих закономерностей, особенно в возрастном аспекте, имеет большое теоретическое и практическое значение. Несмотря на то, что в литературе встречаются сведения о возрастных особенностях снабжения организма кислородом на разных этапах (Н.В. Лауэр, 1966; Е.А. Коваленко, 1997; А.Б. Иванов, 2003; А.З. Колчинская, Т.Н. Цыганова, Л.А. Остапенко, 2003; И.А. Лапин, Т.С. Мельникова, В.Ф. Войцех, 2008; Н.А. Тушмалова, 2009; Т.С. Мельникова, 2010; Т.А. Рогачева, 2012), вопросы зависимости амплитуды основных биопотенциалов ЭЭГ от снабжения кислородом головного мозга у детей, подростков и юношей недостаточно освещены, носят фрагментарный характер, во многом противоречивы и неполны. Проведенные исследования не обеспечивают целостного представления о механизмах взаимосвязи биоэлектрической активности головного мозга от состояния всех структур функциональной системы дыхания и кислородного режима организма детей, подростков и юношей. Все это обусловливает необходимость комплексных исследований по выявлению взаимозависимости биоэлектрической активности головного мозга от обеспечения кислородом всего организма и коры головного мозга в возрастном аспекте.
Выявление зависимости состояния различных отделов головного мозга от кислородного режима организма имеет большое значение как для характеристики состояния функций головного мозга у здоровых детей, подростков и юношей, так и для диагностики предпатологических состояний, основным патогенетическим звеном которых является гипоксия (Ф.З. Меерсон, 1994; В.А. Березовский, 2000; Г.Н. Болдырева, Л.А. Жаворонкова, Е.В. Шарова, 2003; Н.А. Агаджанян, Р.М. Баевский, А.П. Берсенева, 2006; Н.А. Агаджанян, 2006; Т.С. Мельникова, Т.А. Рогачева, Н.А. Тушмалова, 2008; М.Т. Шаов, О.В. Пшикова, 2010; Э.А. Бурых, 2010). Поэтому, в последние годы актуальным направлением исследований в физиологии стало изучение влияния кратковременной гипоксии на биоэлектрическую активность головного мозга и функциональную систему дыхания.
Особенности биоэлектрической активности головного мозга и нейрофизиологических механизмов, обеспечивающих оптимальный кислородный режим, находят непосредственное отображение в формировании когнитивных процессов (А.В. Лурия, 1973; Н.П. Бехтерева,1974; Д.А. Фарбер, 1996; Н.В. Дубровинская, Д.А. Фарбер, М.М. Безруких, 2000; Л.А. Жаворонкова, 2002; И.Е. Кануников, Е.В. Антонова, 2000; М.М. Безруких, Д.А. Фарбер, 2009; Д.А. Кошельков, Р.И. Мачинская, 2010; О.С. Бороздина, 2010; Р.И. Мачинская, Д.А. Фарбер, 2011). Поэтому поиск зависимости биоэлектрической активности головного мозга и когнитивных процессов от состояния функциональной системы дыхания и кислородного режима организма представляет современную актуальную и практически неизученную проблему.
Цель диссертационного исследования.
Изучить особенности биоэлектрической активности головного мозга у детей, подростков и юношей в условиях нормоксии и гипоксии.
Задачи исследования:
-
Охарактеризовать амплитуду и индекс основных биопотенциалов электроэнцефалограммы в различных областях коры головного мозга у детей, подростков и юношей в условиях нормоксии.
-
Изучить возрастные особенности изменения амплитуды основных биопотенциалов ЭЭГ в различных отведениях у детей, подростков и юношей в условиях гипоксии.
-
Определить показатели функциональной системы дыхания и кислородного режима организма детей, подростков и юношей при нормоксии и гипоксии и выявить зависимость биоэлектрической активности головного мозга от состояния функциональной системы дыхания и кислородного режима организма.
-
Провести анализ изменений умственной работоспособности у детей, подростков и юношей в условиях вдыхания воздуха с нормальным содержанием кислорода и при гипоксии и выявить ее зависимость от биоэлектрической активности головного мозга и кислородного режима организма.
Научная новизна работы. На основе комплексного подхода с использованием современных физиологических методов исследования детей, подростков и юношей впервые получены новые данные
- о возрастных особенностях изменений амплитуды основных биопотенциалов ЭЭГ в различных областях коры головного мозга у детей, подростков и юношей в условиях нормоксии и гипоксии;
- о зависимости индекса и амплитуды основных биопотенциалов ЭЭГ от состояния функциональной системы дыхания и кислородного режима организма детей, подростков и юношей при нормальном содержании кислорода во вдыхаемом воздухе и при гипоксии;
- о взаимозависимости умственной работоспособности, биоэлектрической активности головного мозга и особенностях кислородного режима организма детей, подростков и юношей при нормоксии и гипоксии.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
У детей 8-12 лет и юношей 17-21 года преобладающими биоэлектрическими потенциалами ЭЭГ являются колебания в альфа-диапазоне с максимальными его значениями индекса и амплитуды в затылочных и теменных отведениях. Подростковый период 13-16 лет характеризуется повышением медленноволновой тета- и дельта-активности и снижением индекса и амплитуды альфа-ритма.
-
Наиболее чувствительными к гипоксии биопотенциалами ЭЭГ у детей и юношей являются альфа- и тета-ритмы; у подростков (13-16 лет) гипоксия привела к возрастанию индекса и амплитуды дельта-активности и уменьшению альфа-активности, что указывает на повышение влияния подкорковых структур в формировании биоэлектрической активности головного мозга в условиях гипоксии.
-
В подростковом периоде отмечается снижение скорости и интенсивности потребления кислорода, приводящие к развитию субкомпенсированной тканевой гипоксии, что находит отражение на ЭЭГ у лиц данной возрастной группы.
-
Наибольшей умственной работоспособностью отличаются дети 8-12 лет и юноши 19-21 года; у подростков 13-16 лет достоверно снижается умственная работоспособность в условиях нормоксии и гипоксии, что согласуется с изменениями функциональной системы дыхания и биоэлектрической активности головного мозга у лиц разного возраста.
Теоретическая значимость работы. Результаты настоящей работы существенно расширяют современные представления об особенностях функционального развития головного мозга и нейрофизиологических механизмах, влияющих на формирование когнитивных процессов в разные возрастные периоды развития. Исследования показателей всех звеньев функциональной системы дыхания у детей, подростков и юношей позволили выявить особенности кислородного режима их организма и определить зависимость биоэлектрической активности головного мозга от состояния механизмов, обеспечивающих поэтапную доставку и утилизацию кислорода тканями.
Новые знания о возрастных особенностях биоэлектрической активности головного мозга и функциональной системы дыхания вносят определенный вклад в изучение фундаментальных проблем возрастной физиологии, дают возможность концептуально шире раскрыть нейрофизиологические механизмы, определяющие когнитивные процессы у детей, подростков и юношей.
Выявленные закономерности изменений биоэлектрической активности головного мозга и функциональной системы дыхания в условиях гипоксии позволяют углубить представления о физиологических механизмах адаптации к гипоксии и могут способствовать развитию методов ранней диагностики и профилактики предпатологических состояний, основным патогенетическим звеном которых является гипоксия.
Практическая значимость работы. Представленные в работе нейрофизиологические и функциональные возрастные показатели детей, подростков и юношей могут быть рекомендованы для оценки функционального состояния головного мозга и когнитивных возможностей у здоровых лиц в медико-биологических исследованиях.
Обнаруженная зависимость изменений биоэлектрической активности головного мозга от состояния функциональной системы дыхания и особенностей кислородного режима организма позволяет улучшить функциональную активность мозга, воздействуя на различные звенья поэтапной доставки кислорода.
Выявленные изменения биопотенциалов головного мозга при действии гипоксии имеют большое практическое значение для подбора индивидуального режима гипоксической тренировки, которая широко применяется для улучшения состояния организма здоровых детей, подростков и юношей. У подростков 13-16 лет отмечается повышенная чувствительность к действию гипоксии, что необходимо учитывать при адаптации к гипоксии для улучшения состояния организма здоровых подростков. Для определения индивидуальной чувствительности к гипоксии и подбора оптимального содержания кислорода в гипоксической смеси целесообразно проведение двухступенчатого гипоксического теста.
Результаты исследования могут быть использованы в кабинетах функциональной диагностики при проведении ЭЭГ, в диспансерах для профилактического выявления предпатологических состояний, основным патогенетическим механизмом которых является гипоксия; внедрены в учебный процесс в рамках биологических и медицинских дисциплин.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и доложены на 7-ой Всероссийской конференции «Механизмы функционирования висцеральных систем» (Санкт Петербург, 2009); на международной научно-практической конференции, посвященной памяти профессора Шомахова А.О. «Вопросы и перспективы развития медицинской науки и практики на современном этапе (Нальчик, 2012); на XIV международном конгрессе «Здоровье и образование в XXI веке» (Москва, 2012); на XXII съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Волгоград, 2013); на научно-практической конференции с международным участием «Реабилитация и профилактика-2013» (Москва, 2013).
По материалам диссертации опубликовано 9 работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.
Внедрение результатов исследования. Материалы диссертационного исследования внедрены в практическую деятельность кабинета функциональной диагностики городской больницы № 10 г. Грозный и в учебный процесс на кафедре физиологии и анатомии человека и животных Чеченского государственного университета, о чем имеются соответствующие акты внедрения (акты внедрения прилагаются).
Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 03.03.01 – Физиология по нескольким областям исследований: п. 3 - Исследование закономерностей функционирования основных систем организма (нервной, иммунной, сенсорной, двигательной, крови, кровообращения, лимфообращения, дыхания, выделения, пищеварения, размножения, внутренней секреции и др.); п. 5 - Исследование динамики физиологических процессов на всех стадиях развития организма; п. 8 - Изучение физиологических механизмов адаптации человека к различным географическим, экологическим, трудовыми социальным условиям.
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 140 страницах компьютерного текста, содержит 19 таблиц, иллюстрирована 14 рисунками, состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, результатов собственных исследований, обсуждения полученных результатов, выводов, библиографического указателя используемой литературы, включающего 165 отечественных и 88 иностранных источников.
