Моделирование радиоцеребральных эффектов при комбинированном действии факторов экстремальной интенсивности

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

05.13.01. - Системный анализ, управление и обработка информации (медицинские науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени октора медицинских наук

Моделирование радиоцеребральных эффектов при комбинированном действии факторов экстремальной интенсивности

Саурина О.С.

Воронеж - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию» (ГОУ ВПО «ВГМА им. Н.Н. Бурденко Росздрава») и в Государственном научно-исследовательском испытательном институте военной медицины МО РФ, г. Москва.

Научный консультант

доктор медицинских наук, профессор Федоров Владимир Петрович

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор Иванов Иван Васильевич

доктор медицинских наук, профессор Луцкий Михаил Александрович

доктор биологических наук, профессор Штемберг Андрей Сергеевич

Ведущая организация: ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна» ФМБА России.

Защита состоится 30 октября 2009 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 208.009.03 при ГОУ ВПО «ВГМА им. Н.Н. Бурденко Росздрава» по адресу: 394036, г. Воронеж, ул. Студенческая, 10.

Автореферат разослан «____» _____________ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Бурлачук В.Т.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Проблема радиационного поражения нервной системы является традиционной и во многом приоритетной для отечественной медицины. Это связано с интенсивным развитием ядерной энергетики и имеющими при этом место аварийными ситуациями. В подавляющем большинстве случаев будет иметь место неравномерное лучевое воздействие, особенно для лиц, находящихся в технике и укрытиях. Именно такой случай представляет вариант облучения экипажа летательного аппарата, так как его конструкция определяет факт неравномерности облучения. При этом наиболее вероятны субтотальные и парциальные разновидности облучения преимущественно головы, (R.P. Patrick, 1975). При таком облучении вступит в силу фактор, обозначаемый понятием «доза оправданного риска», когда необходимо знать, каков риск радиационного поражения, и насколько он оправдан по сравнению с необходимостью выполнить поставленную задачу. Временной запас дееспособности оператора после облучения называют «резервным временем» или «периодом ясного сознания», а его определение в соответствии с конкретной дозой облучения является необходимым условием научных исследований в этом направлении (Б.И. Давыдов и др., 1989; Н.Г. Даренская и др., 1993, 2001; А.В. Карамышева, 1994; Ю.С. Турлаков, 2001; Д.А. Соколов и др., 2006; И.Б. Ушаков и др., 2008). Однако выявление морфологического эквивалента «резервного времени», пусковых механизмов развития церебрального синдрома в клинико-морфологических экспериментах остаются практически неизученными.

В условиях авиакосмического полета, а также пребывания в любом замкнутом пространстве задача осложняется тем, что на развитие лучевого поражения могут влиять сопутствующие факторы, в частности, измененная газовая среда. Так, гипоксическая гипоксия может возникать не только в аварийных ситуациях, но и является неотъемлемым фактором полета на высотных самолетах, ибо кислородное оборудование заведомо поддерживает его на несколько сниженном уровне (П.К. Исаков и др., 1975; В.Б Малкин, Е.Б Гиппенрейтер, 1977). Кроме того, гипоксические газовые смеси широко используются в онкорадиобиологии и предложены также для защиты ограниченных контингентов людей от лучевого поражения (Р.Б. Стрелков, 1974; С.П. Ярмоненко, А.А. Вайнсон, 1983). С другой стороны, в различных экстремальных ситуациях экипажу предписывается вынужденный переход на дыхание чистым кислородом, в частности, при перелете через радиоактивные облака. Пользуются кислородом также при работе в очагах аварий и катастроф. Многочисленные исследования о влиянии газовой среды на радиорезистентность человека и животных подробно обобщены в работах С.П. Ярмоненко с соавт. (1980), Ю.Г. Григорьева с соавт. (1982), В.В. Антипова с соавт. (1989), И.Б. Ушакова (2003). Однако, данных о структурно-функциональных механизмах модифицирующего действия гипероксии и гипоксической гипоксии при летальных и сверхлетальных дозах недостаточно для корректного вывода о путях радиомодификации в головном мозге.

Значимыми факторами, как авиационного полета, так и современной техники являются перегрузки и вибрация, способные существенно моделировать радиационные эффекты. Подтверждением этому являются работы по устранению последствий ядерной аварии на ЧАЭС, когда ликвидаторы, кроме радиационной нагрузки, испытывали весь комплекс сопутствующих факторов, которые, несомненно, моделировали конечный итог полета (В.С. Михайлов с соавт., 2006). Наконец, современную технику трудно представить без источников электромагнитных излучений (ЭМИ). В связи с этим, возможное моделирующее влияние ЭМИ на радиоцеребральные эффекты давно находится в центре внимания специалистов противорадиационной защиты. Тем более, есть достаточно твердое мнение о радиозащитном действии ЭМИ (В.В. Антипов с соавт., 1989; Ю.Г. Григорьев, 1992). В тоже время, морфологи, констатируя происходящие изменения, не дают ответа по моделирующему действию на радиационные эффекты сопутствующих факторов, а статистический анализ результатов встречается в единичных работах.

Все вышеизложенное позволяет считать проблему воздействия ионизирующего излучения в высоких дозах на структурно-функциональные эквиваленты клинических проявлений, как при изолированном действии, так и при комбинации с сопутствующими факторами, актуальной для радиобиологии и военной медицины.

Работа выполнена в соответствии с планом НИР Воронежской государственной медицинской академии им. Н.Н. Бурденко и ГНИИИ Военной медицины МО РФ, г. Москва, по теме «Проект методических рекомендаций по оценке медико-психологических последствий у военнослужащих, работавших в условиях радиационного воздействия».

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение комплекса структурно-функциональных изменений в головном мозге при раздельном и совместном действии неравномерного гамма-облучения в широком диапазоне доз и сопутствующих факторов авиационного полета (гипоксия, гипероксия, перегрузки, вибрация, электромагнитное излучение). На основании дозо-временного и межвидового анализа разработать модели и алгоритмы оценки развития нейроморфологических эффектов радиационного поражения ЦНС для обоснования величины «резервного времени» сохраненной «дееспособности» организма и зависимости его от сопутствующих факторов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

определить изменения в головном мозге крыс и собак в зависимости от локализации облучаемого участка тела, дозы, времени после облучения;

оценить реакцию головного мозга животных при остром действии переносимых доз измененной газовой среды (содержание кислорода 5, 7, 8, 10 и 99%), динамических факторов (вибрация, перегрузка) и электромагнитного излучения;

проанализировать изменения в головном мозге животных при комбинированном действии ионизирующего излучения и измененной газовой среды в следующих вариантах:

облучение в измененной газовой среде;

пребывание в измененной газовой среде до или после облучения;

пребывание в измененной газовой среде до, во время и после облучения;

оценить моделирующий эффект радиационного поражения головного мозга динамическими факторами полета (вибрация, перегрузка) и электромагнитным излучением при их предшествующем или последующем действии с гамма-облучением.

разработать математические модели, адекватно отражающие нейроморфологические эффекты в головном мозге при раздельном и сочетанном действии изучаемых факторов;

обсудить и оценить результаты комплексного исследования радиоцеребральных эффектов в головном мозге животных, проведенных с помощью биометрических и математических методик и разработать практические рекомендации.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались основные положения теории вероятностей и математической статистики, теории управления биологическими и медицинскими системами, методы теории системного анализа, нейроморфологические, гистохимические, электронномикроскопические методики исследования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

неврологические и патоморфологические показатели эффектов радиомодификации измененной газовой средой у высокоорганизованных животных (собаки) выражены слабее, чем у грызунов;

патоморфологические изменения в головном мозге при облучении головы наступают раньше, чем при облучении живота и общем облучении;

установлены пороговые дозы развития церебрального синдрома и его морфологический эквивалент при облучении головы;

гипоксия, вибрация, перегрузки - синергисты с гамма-облучением практически по всем показателям, кислород и электромагнитное излучение вызывают эффекты синергизма и антагонизма;

гипоксия, предшествующая облучению, и облучение в гипоксии увеличивает «резервное время» развития неврологических расстройств, а пострадиационная гипоксия радиомодифицирует нейроморфологические и патоморфологические эффекты в зависимости от дозы облучения;

кислород до облучения не оказывает радиомодифицирующего влияния, а облучение в кислороде и пострадиационное воздействие кислородом сокращают «резервное время» развития неврологических расстройств и усиливают тяжесть патоморфологических изменений;

динамические факторы полета (вибрация, перегрузки), предшествующие облучению, не моделируют радиационные эффекты, а при действии после облучения ухудшают нейроморфологические показатели;

нейроморфологические эффекты с применением ЭМИ до облучения имеют тенденцию к снижению, а при воздействии ЭМИ после облучения принимают аддитивный характер;

статистическая оценка нейроморфологических показателей и прогностические модели развития радиоцеребральных эффектов, позволяют получать неврологические характеристики головного мозга и определять его морфофункциональное состояние при действии экстремальных факторов.

Практическая значимость и результаты внедрения. Результаты проведенных исследований позволили вскрыть основные закономерности развития патоморфологических изменений в головном мозге двух видов животных (крысы, собаки) в зависимости от дозы облучения, облучаемого участка тела и времени после облучения. Установлено, что в развитии церебральной формы лучевой болезни первостепенную роль играет нарушение межнейрональной интеграции, обеспечиваемое синапсами, а также повреждение клеточных и сосудистых элементов.

Выявлены морфологические основы реакции головного мозга животных на кратковременную дозированную гипо- и гипероксию, динамические факторы (вибрация, перегрузка) и электромагнитное излучение, и намечены основные пути их радиомодифицирующего действия.

Изучены особенности развития патоморфологических изменений в головном мозге при комбинированном действии измененной газовой среды, перегрузки, вибрации, ЭМИ и неравномерном гамма-облучении.

Полученные данные могут быть использованы при обосновании «пороговых» доз «резервного времени» у лиц, подвергнутых неравномерному облучению в высоких дозах, как в открытом, так и замкнутом пространстве и при сопутствующем действии перегрузки, вибрации и электромагнитных излучений. Представленная математическая модель позволяет объективно оценить нейроморфологические эффекты при гамма-облучении и их моделировании факторами среды, а также прогнозировать их развитие.

Данные, полученные в работе, использованы при составлении отчетов о НИР и реализованы в методических рекомендациях при участии автора:

«Методические рекомендации по оценке медико-психологических последствий у военнослужащих, работавших в условиях радиационного воздействия». Утверждено - начальник ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ 28.03.2005, академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Ушаков И.Б.

«Исследование существующих полей электромагнитной природы, обобщение методов и средств контроля за электромагнитной обстановкой и изучение медико-биологических аспектов ЭМ-факторов» (промежуточный) / ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ: шифр «Барыбино», инв.№ 7415. - М., 2008. - 90с. Утверждено - начальник ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ 28.03.2008, академик РАМН, член-корреспондент РАН, доктор медицинских наук, профессор генерал-майор медицинской службы Ушаков И.Б.

«Исследование гигиенической ситуации электромагнитной обстановки труда военных авиационных специалистов на современных и перспективных образцах военной авиационной техники», по теме «Исследование методов и способов защиты личного состава частей ВВС от неблагоприятного воздействия физических полей электромагнитной природы» (итоговый) / ГОС НИИИ Военной медицины МО РФ: шифр «Барыбино». - М., 2009. - 140 с., и реализованы в методических рекомендациях «Методические рекомендации по электромагнитной безопасности личного состава ВВС». Утверждено - начальник медицинской службы ВВС, доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы Яменсков В.В., март 2009 г.

Разработанная автором математическая модель оценки реакции структур нервной системы на изолированное и сочетанное действие экстремальных факторов используется в практике отдела радиобиологии и токсикологии ГНИИИ Военной медицины МО РФ и ЦНИЛ ГОУ ВПО «Воронежская государственная медицинская академия им. Н.Н. Бурденко» Росздрава РФ.

Положения, которые выносятся на защиту:

облучение головы вносит больший количественный вклад в развитие патоморфологических изменений головного мозга по сравнению с общим облучением и облучением туловища. Величины условно пороговых доз церебрального синдрома при облучении головы составляют для крыс 50-100 Зв, а для собак-50 Зв;

дозированная измененная газовая среда, вибрация, перегрузки, ЭМИ вызывают ряд структурно-функциональных изменений в головном мозге, способных модифицировать радиоцеребральные эффекты;

облучение в условиях чистого нормобарического кислорода снижает «резервное время» развития патоморфологических изменений. При этом поражение синапсов, нервных и глиальных клеток, эндотелия капилляров усугубляется, но уменьшается степень развития периваскулярных отеков;

при облучении в условиях гипоксии увеличивается «резервное время» развития и снижается тяжесть патоморфологических изменений. При этом состояние синапсов, нервных и глиальных клеток, капиллярной стенки улучшается, но поражение периваскулярной астроцитарной муфты усугубляется, что вызывает более раннее развитие отеков;

динамические факторы, действующие до облучения, практически не моделируют радиационные эффекты в головном мозге, однако, в пострадиационном периоде значительно утяжеляют патоморфологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением;

электромагнитное излучение, действующее до гамма-облучения, ослабляет радиационные эффекты, а в пострадиационном периоде усиливает их;

разработанная математическая модель развития структурно-функциональных изменений в головном мозге под влиянием радиационного фактора, а также моделирование их другими экстремальными факторами адекватно отражает выявленные нейроморфологические эффекты и может применяться для их прогнозирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на следующих конференциях: III Всероссийской конференции «Гипоксия: механизмы, адаптация, коррекция» (Москва, 2002); научной конференции и сессии Центрально-Черноземного научного Центра РАМН, посвященной 70-тилетию КГМУ, (Курск, 2005); Однораловских морфологических чтениях (Воронеж, 2005, 2006); Всероссийской конференции с международным участием «Структурно-функциональные и нейрохимические закономерности асимметрии и пластичности мозга» (Москва, 2005, 2006); IV Всероссийской университетской научно-практической конференции молодых ученых и студентов в медицине (Тула, 2005); Всероссийской конференции с международным участием «Актуальные вопросы эволюционной, возрастной и экологической морфологии» (Белгород, 2006); Международной конференции Биорад-2006 (Сыктывкар, 2006); V съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2006); VII Конгрессе международной ассоциации морфологов (Орел, 2006); I Всероссийской научно-практической конференции «Физиология адаптации» (Волгоград, 2008); Всероссийской конференции «Боевой стресс: медико-психологическая реабилитация лиц опасных профессий» (Москва, 2008); Российской научной конференции «Медико-биологические проблемы токсикологии и радиологии» (Санкт-Петербург, 2008); IX Конгрессе МАМ (Бухара, 2008); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием (Воронеж, 2008); XIV Международном Конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (Дубай, 2009); III Всероссийской научной конференции «Морфология - физической культуре, спорту и авиакосмической медицине» (Москва, 2009).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ, в том числе 13 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 448 наименований и приложений; изложена на 348 страницах машинописного текста, содержит 60 рисунков и 82 таблицы.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматриваются основные направления нейро-морфологических исследований высоких доз ионизирующего излучения и пути их реализации при работе на аварийно-опасных объектах. Отмечено, что высокая реактивность нервных структур и лабильность их функциональной нормы при оценке лучевого поражения мозга ранее практически не учитывались, и работы в этом направлении до сих пор носят лишь описательный характер без учета количественных изменений. Возможно, этим и объясняется противоречивость полученных различными авторами данных в отношении локализации наибольших изменений и их дозо-временной зависимости.

Во второй главе представлены материалы и методы исследования экспериментальных животных.

Для решения поставленных задач в Государственном научно-исследовательском испытательном институте военной медицины МО РФ спланирован и проведен эксперимент на двух видах животных (крысы, собаки). В первой серии эксперимента гамма-облучению подвергали голову крыс в дозах от 2 до 200 Зв. У второй группы животных облучали область живота, а крысы третьей группы подвергались общему равномерному облучению в дозе 200 Зв. Животных выводили из эксперимента через 0,1; 0,8; 1,7; 5; 24 и 72 ч после воздействия. Собакам облучали голову в дозах от 5 до 100 Зв, живот - 50 Зв и всего животного в дозе 5 Зв. Каждой группе соответствовал адекватный виварийный контроль.

Для изучения раздельного и комбинированного воздействия измененной газовой среды использовали камеры, представляющие собой полуоткрытые системы, в которые подавалась газовая смесь для крыс с содержанием кислорода 8 и 99 %, а для собак - 5, 7, 10 и 99 %.

Моделирующее влияние динамических факторов (вибрация, перегрузка) и электромагнитного излучения при их предшествующем или последующем действии с гамма-облучением.

При выборе объектов исследования предпочтение отдавали структурам головного мозга, имеющим отношение к поведению и работоспособности. Эти свойства организма, в конечном итоге, проявляются через движение и зависят от состояния пирамидной, экстрапирамидной, лимбической и афферентной систем, а также жизненно-важных центров промежуточного и продолговатого мозга. Образцы этих отделов обрабатывали общегистологическими, нейроморфологическими, гистохимическими, электронномикроскопическими, биометрическими и статистическими методиками. Всего в работе использовано 788 крыс линии Вистар, массой 220 г и 150 собак, массой 12-15 кг.

Статистическая обработка материала проводилась на ПЭВМ с процессором DualCore AMD Athlon 64 X2, 2200 MHz, с помощью пакетов программ MS Ехсеl 2003, MathCad 14 с использованием параметрических критериев.

В третьей главе приводятся результаты исследования нейро-морфологических эффектов при изолированном и комбинированном действии ионизирующего излучения, измененной газовой среды, ЭМИ и динамических факторов полета.

Установлено, что нервные клетки во всех отделах головного мозга как крыс, так и собак реагируют на изучаемые факторы однотипными изменениями, которые не являются специфическими, а возникают при действии самых различных факторов среды, отличаясь лишь по степени выраженности и распространению. Все изменения существенно зависят от дозы облучения и впервые отчетливо выявляются в момент появления неврологической симптоматики. У крыс она регистрируется через 1,7 часа после облучения головы в дозе 200 Зв. У собак неврологические симптомы появлялись через 0,5 часа после облучения головы в дозе 75 Зв или сразу, после 100 Зв. При 100 Зв у крыс и 50 Зв у собак неврологические проявления не постоянны, а если отдельные симптомы возникали, то только к 5 ч наблюдения. Таким образом, эти дозы являются пороговыми для церебрального синдрома при данных условиях облучения.

Между неврологическими и морфологическими проявлениями имеются определенные параллели. Так, в момент появления клиники в коре больших полушарий значимо увеличено количество деструктивных, а в других отделах - реактивных нейроцитов. По интенсивности изменений структуры головного мозга располагаются в следующем порядке: средние слои сенсомоторной коры, клетки Пуркинье мозжечка, нейроциты мелкоклеточных ядер гипоталамуса, гиппокамп, хвостатое ядро, таламус, продолговатый мозг. Состояние глиальных клеток не играет заметной роли в возникновении неврологической симптоматики, а колебание их количества в ранние сроки связано с фазными изменениями тинкториальных свойств. Неврологические симптомы у крыс совпадают по времени со значительным сморщиванием ядер нейронов и, следовательно, снижением их функциональной активности. При критических дозах в эти сроки ядра, наоборот, набухали, а при сверхцеребральных дозах они перестают реагировать на изучаемый фактор изменением своего объема. Облучение головы в высоких дозах вызывает в ранние сроки более существенные изменения кариометрических показателей по сравнению с другими видами облучения. В целом патоморфологическая картина головного мозга в ранние сроки пострадиационного периода на светооптическом уровне при всех вариантах и дозах облучения не позволяет судить о тяжести и распространенности его радиационного поражения, и даже в момент гибели менее 30 % нейронов имеет изменения необратимого характера. Не получено убедительных данных и при гистохимическом исследовании ферментов. В тоже время, существенно изменяется гистохимическая картина активности и распределения реакционноспособных групп белка, свидетельствующая о нарушении конформационных свойств белковых молекул и несомненной причастности этого явления к клиническим проявлениям.

Электронномикроскопические исследования показали, что в момент ярких проявлений церебрального синдрома практически все ультраструктуры клеток имеют различные изменения в виде набухания, дезорганизации и распада. Наиболее разнообразно состояние митохондрий и цитоплазматической сети. Появление неврологической симптоматики отчетливо совпадает с массовым распадом структур цитоскелета нейроцитов, а также их синапсов, что коррелирует по времени с максимальным угнетением активности ядер нейроцитов и распадом цитоплазматической сети. Изменение синапсов наблюдается во всех изученных отделах головного мозга, а также у всех межнейрональных контактов. Но наибольший полиморфизм отмечен в сенсомоторной коре и гиппокампе, то есть структурах, ответственных за поведенческие и сознательные двигательные акты. Полученные нами данные позволяют отвести ведущую роль в развитии церебрального синдрома повреждению ультраструктуры синапсов. Наиболее отчетливо это заметно при появлении неврологических симптомов сразу после облучения. Определенную роль в развитии церебрального синдрома играет и поражение гематоэнцефалического барьера, особенно его периваскулярной астроцитарной муфты, набухание и распад которой способствует формированию очагов отека. Эндотелий капилляров в большинстве случаев сохраняет свою структурно-функциональную организацию и ранние проявления церебрального синдрома не связаны с разобщением эндотелиальных клеток и выходом форменных элементов крови за пределы сосудистой стенки.

Таким образом, ранние проявления церебрального синдрома проходят на фоне выраженных патоморфологических изменений практически во всех структурах головного мозга. Ведущая роль в этом принадлежит поражению структур межнейрональной интеграции, цитоскелета, мембранных систем и белковых молекул клеток.

Исследование, проведенное в сроки, соответствующие половине резервного времени показало, что морфологические сдвиги достаточно выражены уже в этот период и вполне могут быть расценены как критические в плане развития неврологической симптоматики. Аналогичные эффекты наблюдаются при облучении головы крыс в дозе 50 - 100 Зв и собак - 50 Зв, следовательно, эти дозы можно считать критическими для развития церебрального синдрома. Облучение головы в меньших дозах наряду с реактивными и деструктивными изменениями вызывает развитие компенсаторных процессов, особенно со стороны белоксинтезирующей и специализированных систем нейроцитов. Подобное явление может иметь принципиальное значение, так как дает основание для оптимистического отношения к компенсации возможных нарушений деятельности ЦНС с помощью радиомодификаторов при облучении в дозах до 50 Зв.

Применяемая нами в качестве радиомодификатора измененная газовая среда сама по себе вызывает в головном мозге ряд структурно-функциональных изменений. При этом надо учитывать, что гипоксическая гипоксия оказывает однонаправленное действие с ионизирующим излучением, отличающееся лишь временем возникновения, степенью выраженности и распространенностью. Кислород также оказывает однонаправленное с ионизирующим излучением действие на состояние белка, мембранных систем, синапсов, ядер. В тоже время, кислород не изменял состояния периваскулярной астроцитарной муфты. Кислород и гипоксическая гипоксия существенно не влияют на среднюю продолжительность жизни при облучении головы, но разнонаправлено модифицируют резервное время проявления церебрального синдрома. Так, при облучении в гипоксии изменения нервных клеток, синапсов, капиллярной стенки нарастают более медленно, чем при облучении в обычных условиях и достигают такой же выраженности лишь к 5 ч пострадиационного периода. Морфологическим эквивалентом увеличения резервного времени является специфическое разобщение нейроцитов, затрудняющее проведение нервного импульса, в результате чего значительно ослабляется влияние на нейроны патологической импульсации. В тоже время, при облучении в условиях гипоксии наблюдается более интенсивный распад глии и периваскулярной астроцитарной муфты, в результате чего формируются обширные отеки. Подобная закономерность выявляется при всех изученных дозах облучения, а также и при действии гипоксии перед облучением. При действии гипоксии после облучения наблюдаемые эффекты зависели от дозы облучения: при пороговых дозах эффекты радиомодификации не выявлялись, при церебральных дозах состояние синапсов, клеток и их ультраструктур в ранние сроки улучшается, а структура ГЭБ соответствует таковой при облучении в воздухе. Во всех случаях эффекты радиомодификации были более выражены у крыс, чем у собак. Более того, ГГС 7 и ГГС 10 вообще не модифицировали патоморфологическую картину радиационного поражения головного мозга собак при общем облучении в дозе 5 Зв, а неврологическая симптоматика по ряду показателей даже усиливалась.

Облучение в кислороде сокращает резервное время развития церебрального синдрома и усиливает тяжесть патоморфологических изменений. Морфологическим эквивалентом утяжеляющего действия кислорода является острый распад мембранных систем клеток, особенно, цитоплазматической сети, везикул и активных зон синапсов с массовым образованием миелиноподобных мембранных комплексов. Причем, все это происходит на фоне выраженного угнетения функциональной активности ядер нейроцитов. В тоже время периваскулярная астроцитарная муфта набухает более медленно, чем при облучении в воздухе, отек мозга формируется позже и не носит выраженного характера. При действии кислорода до облучения выявляемые изменения соответствовали таковым при облучении в воздухе, а пострадиационное действие кислорода резко усиливало поражение клеток, синапсов и капиллярной стенки. В тоже время, поражение периваскулярной астроцитарной муфты и выраженность отека мозга при критических дозах уменьшается, а при церебральных дозах не зависит от присутствия кислорода.

Проведенные исследования показали, что динамические факторы полета (вибрация, перегрузки), а также электромагнитное излучение вызывают на светооптическом уровне ряд изменений нейроцитов, как по гипо-, так и гиперхромному типу, а в ряде случаев и их гибель в виде пикноморфных клеток и клеток теней. Вибрация заметно снижала, а ЭМИ увеличивало кариометрические показатели, в то время как перегрузка не изменяла объемы ядер. Все моделирующие факторы вызывали сходные изменения ультраструктур нейроцитов в виде их набухания и распада. Наиболее заметным проявлением действия вибрации является изменение активных зон синапсов. Наблюдается утолщение и повышение осмиофилии как пресинаптических, так и постсинаптических мембран. Синаптическая щель в ряде случаев заполнена осмиофильным материалом, что делает неразличимыми границы контактирующих мембран, а пресинаптические отделы переполнены везикулами. При действии перегрузки изменения в основном носят реактивный характер и в большинстве случаев обратимы. Но наиболее заметны изменения в структурах гематоэнцефалического барьера в виде набухания и распада периваскулярной астроцитарной муфты и формирования зон отека. Изученные параметры ЭМИ не вызывают значимых изменений в нейронах, синапсах и структурах микроциркуляторного русла, но заметно активизируют состояние белоксинтезирующей и энергетической системы нейроцитов.

Вибрация, предшествующая облучению головы, в критических дозах практически не моделировала радиационные изменения. Вместе с тем, в нейронах не выявлялись признаки компенсаторного характера. При действии вибрации после облучения отчетливо наблюдалось утяжеление радиационных эффектов по всем показателям. Особенно часто, чем при одном облучении, встречается распад синапсов по светлому и очаговому типу. При церебральной дозе облучения головы крыс, как с предшествующей, так и с последующей вибрацией, наблюдалось однозначное усиление морфологических изменений по всем показателям, особенно при последующем действии вибрации. К концу наблюдения изменения лавинообразно нарастали и захватывали абсолютное большинство нервных и глиальных клеток, синапсов и структур гематоэнцефалического барьера, принимая необратимый характер.

Перегрузка, предшествующая облучению головы 50 Зв, несколько смягчала радиационные эффекты, уменьшая количество измененных нейроцитов. Заметны были и некоторые признаки активации белоксинтезирующей системы нейроцитов в виде смещения ядрышка и выхода из него рибонуклеопротеидов, а также извитые контуры кариолеммы и формирование из ее наружной мембраны цитоплазматической сети. Перегрузка, действующая после облучения, вызывала более грубые изменения ультраструктур нейроцитов и синапсов. При обоих вариантах действия перегрузки и облучения ухудшалось состояние структур ГЭБ по сравнению с изолированным их действием. Наиболее заметно изменялась периваскулярная астроцитарная муфта. Она набухала и, распадаясь, формировала очаги периваскулярного отека, а при действии перегрузки после облучения наблюдался и перицеллюлярный отек. В целом же перегрузка до облучения оказывала более благоприятное действие, чем перегрузка, действующая после облучения. При церебральной дозе облучения предшествующая перегрузка не модифицировала радиационные эффекты в нейроцитах, несколько смягчала изменения синапсов и способствовала более выраженному развитию отека. Перегрузка, действующая после облучения, однозначно усиливала все радиационные эффекты в нейроцитах, синапсах и структурах гематоэнцефалического барьера.

Электромагнитное излучение, предшествующее гамма-облучению головы, вызывает меньшее набухание митохондрий и цитоплазматической сети, чем при одном облучении и стимулирует появление признаков компенсаторного характера. Так, встречается формирование цитоплазматической сети из наружной мембраны кариолеммы, ядрышко увеличено в объеме, смещено к ядерной оболочке и наблюдается выход из него рибонуклеопротеидов. Изменения в синапсах выражены отчетливо, но по сравнению с одним облучением их гибель происходит по светлому типу, которая до определенного предела может быть обратимой (Н.Н Боголепов, 1979). На этом фоне практически не выявляется моделирующий эффект ЭМИ радиационных изменений микроциркуляторного русла. ЭМИ, воздействующее после гамма-облучения, по отдельным показателям вызывает усиление радиационных изменений. Особенно заметно было увеличение нейроцитов, как с реактивными, так и деструктивными изменениями. Ультраструктурные исследования не выявили заметного моделирующего влияния ЭМИ после гамма-облучения, но в нейроцитах отсутствовали признаки компенсаторного характера, регистрируемые при облучении с предварительным действием ЭМИ. Изменения в синапсах были более выражены, а в структурах ГЭБ практически соответствовали таковым при одном облучении.

Выраженность радиомодифицирующего действия факторами полета зависит не только от дозы облучения, времени, последовательности действия, интенсивности воздействующего фактора, но и от рассматриваемого критерия и структуры головного мозга.

В четвертой главе приводится статистическая оценка нейро-морфологических показателей головного мозга, представлены математические модели структурно-функциональных эффектов комбинированного действия факторов, статистические характеристики и коэффициенты диагностической значимости показателей.

Рис. 1. График средних и доверительных интервалов 95 % для нормохромных, реактивных, деструктивных нейроцитов и нейроцитов на единицу площади

Для определения приоритета каждого морфологического критерия и построения математической модели проведен сравнительный анализ зависимостей изменений при изолированном и совместном воздействии изучаемых факторов (рис.1).

Из рис. 1 следует, что наибольшие изменения наблюдаются при облучении головы по количеству нервных клеток с необратимыми изменениями. Поэтому, интерес представляет прогноз состояния головного мозга после облучения этой области.

Модель изменения показателей морфофункционального состояния нейронов головного мозга крыс при облучении головы, составленную с помощью регрессионного анализа можно представить следующим уравнением:

ЗП = б0 + б1х + a2y + a3z + a4xy + a5xz + a6yz + a7x2 + a8y2 + a9z2 + a10xyz,

где ЗП - зависимый показатель, x - доза облучения, y - время наблюдения, z - содержание кислорода, xy, xz, yz, xyz, x2, y2, z2 - взаимные влияния параметров x, y, z и нелинейное влияние каждого из этих параметров. При построении регрессионной модели незначимые коэффициенты (p>0,05) параметров элиминировались, а рассматривались только параметры для коэффициентов с уровнем значимости р<0,05.

Модель состояния морфофункциональных показателей головного мозга при раздельном и сочетанном воздействии факторов на количество деструктивных нейроцитов (ДН) представлена в табл. 1.

Таблица 1 Зависимость деструктивных нейроцитов от дозы облучения, времени после воздействия и содержания кислорода

Показатель	Оценка коэффициента	Стандартная ошибка	Т-статистика	Коэффициент достоверности
Константа	1,2062	0,0966	12,4796	<1,00E-19
a1	-1,7274	0,3106	-5,5605	1,19E-7
a2	2,3606	0,4645	5,0815	1,09E-6
a3	3,4255	0,6669	5,1363	8,53E-7
a4	2,9191	0,7806	3,7397	2,61E-4
a5	1,5352	0,3095	4,9607	1,87E-6
a6	-1,7732	0,7204	-2,4612	0,01
a7	2,5478	0,3413	7,4644	6,18E-12
a8	-2,1621	0,3494	-6,1874	5,48E-9
a9	-2,9849	0,6024	-4,9549	1,92E-6
a10	3,0397	1,5181	2,0022	0,05

Анализируя коэффициенты регрессионной модели, можно заключить, что наибольшее влияние на увеличение количества деструктивных клеток оказывает совместное воздействие трех изучаемых факторов. Вместе с тем, при увеличении показателей изолированного воздействия и совместного влияния дозы облучения с кислородом и временем после воздействия, количество деструктивных нейроцитов также будет возрастать. Однако, повышение содержания кислорода в среде с увеличением времени после воздействия будет способствовать уменьшению деструктивных нейроцитов.

Оценка сочетанного действия факторов на уровень значимости модели представлена в табл.2.

Таблица 2 Оценка адекватности математической модели влияния параметров на динамику изменений деструктивных нейроцитов

Параметр	Сумма квадратов отклонений	Степени свободы	Средний квадрат	F-статистика	Коэффициент достоверности
Модель	744,687	11	67,698	665,164	<1,00E-19
Остаток	15,368	151	0,101
Коэффициент корреляции R= 0,90049 Коэффициент детерминации RІ= 0,81089

Из табл. 2 следует, что построенная модель статистически значима и ее коэффициент детерминации достигает 0,8109.

Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение деструктивных нейроцитов, выглядит следующим образом:

ДН=1,2061+1,7273х+2,3606у+3,4254z+2,919ху+1,5352хz-1,7732yz-2,5478х2 -2,1620у2-2,9849z2+3,0396хуz.

На рис.2. графически представлена зависимость деструктивных нейроцитов от воздействия экспериментальных факторов.

Рис. 2. Зависимость деструктивных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Точки, полученные в результате расчета по уравнению регрессии, аппроксимированы поверхностью методом наименьших квадратов. Очевидно, что при возрастании совместного влияния всех изучаемых параметров количество деструктивных нейроцитов будет повышаться.

Количество нормохромных клеток (НХ) в условиях эксперимента уменьшалось при возрастании дозы облучения, содержания кислорода и времени после воздействия. Построенная модель являлась статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял R2=0,50605. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение нормохромных нейроцитов, выглядит следующим образом:

НХ=1,0348+0,0641х-0,0785у-0,5531z-0,1685х2+0,5003z2.

Состояние нервных клеток с реактивными изменениями (РН) имеет прямую зависимость от совместного воздействия дозы облучения, времени после воздействия и содержания кислорода.

Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение реактивных нейроцитов, выглядит следующим образом:

РН=0,8494+0,3458х+0,6107у+0,8972z-0,1671хz-0,3132уz-0,5037у2-0,7792z2+ +1,1876хуz.

Построенная модель являлась статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял R2=0,7599.

Степень участия экспериментальных факторов в изменении количества реактивных нейроцитов представлена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость реактивных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Очевидно, что с увеличением содержания кислорода в среде, повышением дозы облучения и времени после воздействия, количество реактивных клеток будет увеличиваться.

Количество нейроцитов на единице площади (НеП) зависит от содержания кислорода. Результаты математического моделирования свидетельствуют о статистически значимом эффекте воздействия рассматриваемого фактора. Однако, значимость самого параметра в моделировании морфофункционального состояния головного мозга невелика, и коэффициент детерминации составляет R2=0,1177. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение нейроцитов на единице площади, выглядит следующим образом:

НеП=1,0170-0,5159z+0,4762z2.

Результаты регрессионного анализа зависимости количества глиальных клеток на единице площади (ГеП) от воздействия факторов выявили, что с увеличением дозы облучения и времени после воздействия, количество глиоцитов на единице площади будет повышаться, но их совместное влияние приведет к уменьшению изучаемого показателя. Построенная модель была статистически достоверной, а коэффициент детерминации R2=0,4243. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение глиоцитов на единице площади, выглядит следующим образом:

ГеП = 0,9405+0,2475x - 0,7312y - 1,11192xy + 0,2169yz + 0,8582yІ.

Показатель количества сателлитной глии (СГ) достоверно зависел от всех факторов. Очевидно, что с увеличением дозы облучения количество сателлитной глии будет увеличиваться. Повышение содержания кислорода вызывало уменьшение клеток глии. Коэффициент детерминации в построенной модели R2=0,5765. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение сателлитной глии, выглядит следующим образом:

СГ=1,18358-0,29957x-1,24467z-1,0861xy+0,43146x2+0,30493y2+ +1,11157z2.

Результаты регрессионного анализа для сателлитной глии у измененных нейроцитов (СГиН) установили, что на увеличение клеток сателлитной глии оказывало влияние повышение содержания кислорода в среде и дозы облучения в сочетании со временем после воздействия. Оценка сочетанного действия факторов свидетельствовала об их статистически достоверном (р=1,00Е-19) влиянии. Величина коэффициента детерминации R2=0,6191 подтверждала довольно высокую активность сателлитной глии у измененных нейроцитов в математической модели.

Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на сателлитную глию у измененных нейроцитов, выглядит следующим образом: СГиН=0,9891+5,1584z+4,5728xy-1,1764y2-4,5351z2.

Результаты регрессионного анализа показателя нервно-клеточного индекса (НКИ) в зависимости от воздействующих факторов установили, что на его изменение наибольшее влияние оказывает содержание кислорода, которое уменьшает показатель. Зависимость сочетанного воздействия факторов оказалась незначимой. Коэффициент детерминации участия НКИ в построении математической модели составлял R2=0,4560. Уравнение регрессии выглядит следующим образом: НКИ=1,0569-0,3993x-0,1758у-0,6071z+0,54634z2.

Общее облучение собак.

Зависимость количества нормохромных клеток от действия изучаемых факторов в регрессионном уравнении выглядела следующим образом:

НХ=0,7481-0,0519x+0,1226y+0,0317z-0,1753y2+0,0156z2.

Коэффициент детерминации для построенной модели R2=0,9245. Очевидно, что с увеличением дозы и времени количество нормохромных клеток будет уменьшаться, а повышение содержания кислорода приводит к некоторому их увеличению (рис.4).

Рис. 4. Регрессионная зависимость нормохромных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение количества реактивных нейроцитов, выглядит следующим образом:

РН=0,2563+0,0399x-0,0168y-0,5985z-0,0041y2+0,4975z2.

Анализируя коэффициенты уравнения регрессии, можно заключить, что с увеличением дозы облучения количество реактивных нейроцитов будет возрастать, а увеличение времени после воздействия и содержания кислорода способствовали уменьшению нейроцитов данного типа. Коэффициент детерминации участия реактивных нейроцитов в построении математической модели составил R2=0,8138.

Для деструктивных нейроцитов сенсомоторной коры уравнение регрессии выглядит следующим образом:

ДН=0,1876+0,0117x-0,0968y+0,4528z+0,1598y2-0,4151z2.

Очевидно, что с увеличением дозы облучения и времени после воздействия количество деструктивных нейроцитов будет возрастать. Кислород нелинейно влияет на изучаемый показатель, но, в целом, для каждой из доз кислорода количество деструктивных клеток возрастает с увеличением времени воздействия и дозы облучения (рис.5). Построенная модель была статистически достоверной, а коэффициент детерминации составлял R2=0,7326.

Рис.5. Регрессионная зависимость деструктивных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Динамика изменений количества глиальных клеток имеет прямую зависимость от содержания кислорода и дозы облучения. Их возрастание приводило к повышению количества глии. Время после воздействия играет существенную роль в уменьшении количества клеток, особенно это заметно при малых дозах облучения. Построенная модель была статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял R2=0,6935. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов на изменение количества глиальных клеток, выглядит следующим образом:

ГК=0,5979+0,0580x-0,1109y-0,3770z-0,0262y2+0,3596z2.

Количество сателлитной глии увеличивалось пропорционально времени после воздействия. Возрастание дозы облучения снижало количество клеток глии. С повышением содержания кислорода в среде количество клеток глии увеличивалось, но при нахождении в чистом нормобарическом кислороде количество сателлитной глии снижалось. Построенная модель была статистически достоверной, и коэффициент детерминации составлял R2=0,8751.

Для сателлитной глии уравнение регрессии выглядит следующим образом:

СГ=0,4008-0,05837x+0,10049y+0,37098z+0,03751y2-0,3533z2.

При общем облучении клетки Пуркинье отличались выраженным полиморфизмом по сравнению с нейроцитами сенсомоторной коры.

Для нормохромных нейроцитов уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов, выглядит следующим образом:

НХ=0,6915-0,1136х+0,2301y+0,2875z-0,2518y2-0,3163zІ.

Построенная модель являлась статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял RІ =0,8247.

Для реактивных нейроцитов коэффициент детерминации составлял R2=0,9211. Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых параметров на количество реактивных нейроцитов, выглядело следующим образом: РH=0,1388+0,0462x-0,0706y+0,2337z+0,1082y2-0,1893z2.

Для деструктивных нейроцитов уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых факторов, выглядит следующим образом:

ДН=0,0877+0,0451х-0,0951y-0,277z+0,1003y2+0,2885z2 .

Построенная модель являлась статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял RІ =0,8358.

Из результатов регрессионного анализа следует, что при увеличении дозы, времени и содержания кислорода количество нервных клеток, не имеющих изменений - нормохромные (рис.6), будет уменьшаться, а количество нейроцитов с реактивными и деструктивными изменениями возрастать.

Рис.6. Регрессионная зависимость нормохромных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Облучение головы собак.

Количество нормохромных нейроцитов уменьшалось при изолированном и при совместном действии изучаемых факторов. Величина коэффициента детерминации составляла R2=0,6714. Уравнение регрессии для нормохромных нейроцитов выглядит следующим образом:

НХ=0,6867 - 0,1116x - 0,2647y+0,3525z+0,3832yz+0,1272x2+0,117yІ - 0,2947zІ--0,2862xyz.

Динамика изменений реактивных клеток прямо зависела от увеличения дозы облучения, времени после воздействия и совместного влияния факторов. Повышение содержания кислорода уменьшало количество клеток. Коэффициент детерминации составлял R2=0,8913. Уравнение регрессии для реактивных нейроцитов выглядит следующим образом:

РН=0,2014+0,1018x+0,2353y-0,2179z-0,1817yz-0,1394xІ-0,1527y2 +0,1811z2+ +0,1047xyz

Количество деструктивных нейроцитов увеличивалось с повышением дозы облучения и времени после воздействия. Особенно эта тенденция заметна при увеличении содержания кислорода (рис.7). Коэффициент детерминации для построенной модели составлял R2=0,8838.

Уравнение регрессии, описывающее динамику воздействия изучаемых параметров на деструктивные нейроциты, выглядит следующим образом:

ДН=0,1204+0,0149х+0,0351у-0,1606z-0,360yz-0,0061x2+0,0449yІ +0,1383zІ+ +0,3637xyz



Рис.7. Регрессионная зависимость деструктивных нейроцитов от дозы облучения и времени после воздействия с фиксированными значениями кислорода

Динамика глиальных клеток имела статистически значимую зависимость от воздействия всех факторов. Очевидно, что с повышением дозы облучения и содержания кислорода, а также при совместном действии факторов, количество клеток глии уменьшалось. Коэффициент детерминации в построенной модели составлял R2=0,8325.

Уравнение регрессии, динамики воздействия изучаемых факторов на изменение количества глиальных клеток, выглядит следующим образом:

ГК=0,6045+0,0461x+0,0743y-0,4644z-0,1984yz-0,1292х2+0,0437y2 +0,4253zІ- -0,0126xyz.

Повышение дозы облучения и содержания кислорода будут увеличивать количество клеток сателлитной глии. Построенная модель являлась статистически значимой, и коэффициент детерминации составлял R2=0,9181.

Для сателлитной глии уравнение регрессии выглядит следующим образом: головной мозг электромагнитный излучение

...