Автореферат и диссертация по медицине (14.00.32) на тему:Постоянные электрические потенциалы кожи млекопитающих при стрессовых и экстремальных воздействиях

аз

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР ИНСТИТУТ »ЩЖО-БМОйкЕСКЙХ ПРОБЛЕМ

На правах рукописи

ЛАЗАРЕВ Александр Орестович

УДК 612.014:612.79

ПОСТОЯННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕНЦИАЛЫ КОЖИ МЛЕКОПИТАЩИХ ПРИ СТРЕССОВЫХ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ.

14.00.32 - авиационная, космическая и морская медицина

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 1992

г

Работа выполнена на кафедре биофизики физического факультета МГУ им М.В.Ломоносова, кафедре рефлексотерапии ЦОЛИУВ и институте мэдико-биологических проблем МЗ СССР.

Научный руководитель: доктор медицинских наук - Б.И.Поляков

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук - Г.Н.Зацепина

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук - Ы.Г.Таирбеков

кандидат медицинских, наук Ю.Н.Перламутров

Ведущее учреждение : институт биофизики МЗ СССР

Защита диссертации состоится " " 1991г.

в " " часов на заседании специализированного Совета К074.3Ю1 при Институте медико-биологических проблем МЗ СССР. (123007,МоскваДорошевское шоссе,76А) Автореферат разослан " " 1991г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат биологических наук

И.П.Пономарева

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Разность электрических потенциалов между центральным и дис-тальннм отделами туловища млекопитающих является неспецифи-.ческим, интегральным показателем функционального состояния организма млекопитающих.

2.Динамика электрических потенциалов кожи под действием различных факторов зависит как от интенсивности и длительности воздействия, так и от исходного состояния электрической активности кожи.

3.По коже млекопитающих может распространяться электрический сигнал в форме волны деполяризации.

4.Сформулирована гипотеза об участии базальной системы в установлении взаимосвязи между внутренними органами и кожей.

Структура работа. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов наблюдений и методов, результатов, обсуждения и выводов.

Объем работы. В диссертации 135 страниц машинописного текста, 12 рисунков, 14 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 204 источника, в том числе 121 иностранных авторов.

Публикация результатов. Основные результаты диссертации изложены в 4 печатных работах.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедре биофизики физического факультета МГУ им М.В.Ломоносова, в институте усовершенствования врачей МЗ СССР, ИМБП МЗ СССР; на 13-ом мевдународном конгрессе по когерентной и нелинейной оптике (Минск,1982); на конференции "Действие электрических и

магнитных полей на живые организмы "(Пущине,1984); на мезду-народаом симпозиуме " Электрическая и электромагнитная стимуляция заживления костей"(Дрезден,1986).

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Изучение постоянных электрических потенциалов проводили на шроком круге представителей класса млекопитающих: мышь, крыса, кролик, обезьяна и человек.

Мыши. Исследования проведены на 15 мышах(самцы) линии А, массой 20-25 г.

Крысы. Эксперименты были выполнены на 91-ой белой, беспородной

крысе Вистар(самцы), массой 420-460 г. Кролики. Исследования выполнены на 5 кроликах Белый великан

(самцы), массой 2,8-3,2 кг. Обезьяны. Эксперименты проведены на 41-ой обезьяне макака резус (самцы), массой 4-5 кг. Люда. Всего было обследовано 112 человек в возрасте от 30 до 40 лет.

Таким образом, было обследовано 112 человек и 152 животных. При проведении большинства физиологических исследований обследуемое животное фиксируют для удобства работы с ним. У нас возникли сомнения относительно возможности использовать фиксацию животных при изучении электрических потенциалов кожи, т.к. фиксация животных может вызывать фиксационный стресс и, следовательно, может повлиять на результаты исследований. Поэтому мы решили работать на свободном, не фиксированном животном. Для этого перед началом исследований животных адаптировали к методике измерений.

При исследованиях на крысах, животное помещали на ограни-

чешую площадку из дерева, поднятую на I м от уровня пола. Через несколько сеансов тренировок животное адаптируется к условиям измерений и в течение одной - двух минут может находится практически неподвижно при регистрации электрических потенциалов.

Исследования на кроликах проводили без фиксации, в свободном положении.

В экспериментах с обезьянами животные сидели в приматологическом кресле, к которому их предварительно адаптировали.

Следует отметить, что только мышей мы не смогли приучить находиться неподвижно во время измерений. Поэтому исследования на мышах были выполнены в условиях фиксации. Чтобы уменьшить влияние' фиксации животного на результаты измерений, животных адаптировали к условиям измерении в течение II дней.

Для того, чтобы оценить возможности предлагаемого метода и роль электрических потенциалов коки млекопитающих в процессах жизнедеятельности, воздействия в модельных экспериментах были выбраны от слабых до сильных, от кратковременных до длительных, затрагивающих различные регуляторные системы. В качестве экспериментальных воздействий были выбраны следующие:

1.Подкокное введение физ.раствора.

2.Повреждение кош, вызываемое процедурой забора крови.

3.Фиксация кивотных.

4.Начальный период голодания. 5.Общий эфирный наркоз.

6.Функциональная разгрузка задних конечностей животных. 7.Электрическое раздражение коки.

Для того чтобы оценить чувствительность предлагаемого метода были выполнены две серии экспериментов на мышах и обезьянах.

На мышах изучали развитие общей реакции организма на повреждение, которое вызывали подкожным введением физ.раствора в количестве 0,2 мл в область бедра, и индуцированный; канцерогенез, вследствие подкожного введения уретана из расчета 0,25 мг на I г живого веса мыши, разведенного в 0,2 мл физ. раствора. Животные были разделены на 3 группы по 5 мышей в каждой. Первая группа, которой ничего не вводили,- "Контроль"; вторая группа, животным которой вводили физ.раствор,- "Физ. раствор"; животным третьей груше вводили уретан,~"Уретан". Разность электрических потенциалов регистрировали в трех отведениях:

1 правая задняя конечность - шейный отдел позвоночника

2 левая задняя конечность - шейный отдел позвоночника

3 левая передняя конечность*- шейный отдел позвоночника

Измерения выполняли в одно и тоже время для каждой мыш. На обезьянах исследовали влияние повреждения кожи, вызванное процедурой забора венозной крови (5-6 мл), на электрические потенциалы кожи. Разность электрических потенциалов регистрировали между подошвой правой нижней конечности и шейным отделом позвоночника.

При изучении влияния фиксации животных на электрические потенциалы кожи, крыс фиксировали в положении на животе, закрепляя лапы животного бинтами из марли. Обезьян фиксировали в горизонтальном положении на спине при помощи ремней. Разность электрических потенциалов измеряли между левой задней конечностью и шейным отделом позвоночника у крыс и между подошвой нижней конечности и головой - у обезьян.

Исследование влияния голодания на электрические потенциалы кожи кролика проводили в течение трех суток. В это

время животные не получали никакой пищи. Доступ к воде был свободый. Разность электрических потенциалов регистрировали между хвостом, погруженным в сосуд с физ.раствором, в котором находился измерительный электрод, и головой.

Общий наркоз у крыс получали диэтиловым эфиром. Животное помещали в токсикатор, на дне которого лежала вата, пропитанная эфиром. У всех обследованных животных была получена третья стадия наркоза. При этом размер зрачков, частота дыхания и пульс были в норме, скелетные мышцы расслаблены. Разность электрических потенциалов регистрировали между плюсной левой задней конечности и шейным отделом позвоночника.

Функциональную разгрузку задних конечностей осуществляли путем вывешивания животных на специально сконструированном стенде с наклоном туловища вперед под углом 30 градусов к горизонтали. На животное одевали "костюм", который посредством толстой лески прикрепляли к подвижной платформе, укрепленной на рельсах, расположенных в верхней части виварийной клетки так, что животные могли свободно перемещаться по дну клетки в любом направлении при помощи передних лап (задние лапы не доставали до дна клетки).

Животные были разделены на две группы: контрольную и экспериментальную. Каждая группа состояла из 15 животных. Средний вес животных контрольной группы составил 444+9,1 г, животных экспериментальной группы - 441+8,4 г. Контрольных животных содержали в аналогичных по размеру виварийных клетках. Питание для всех животных было одинаковым. Разность электрических потенциалов регистрировали между плюсной левой задней конечности и шейным отделом позвоночника. Первые четыре дня проводили фоновое обследование всех животных. После

этого у экспериментальных животных разгрузили задние конечности на 18 дней. Измерение электрических потенциалов проводили в течение первых четырех дней фонового обследования, а затем на 4-е, 6-е, 11-е, 13-е, 15-е и 18-е сутки эксперимента.

При исследовании возможности использования предлагаемого метода изучения электрических потенциалов кожи для целей оперативной диагностики нарушений деятельности сердечно-сосудистой системы человека, мы использовали два способа регистрации разности электрических потенциалов:

Первый способ. Измерительный электрод поочередно помещали в уголках ногтевого ложа пальцев левой руки, а референтный электрод фиксировали в области шестого шейного позвонка.

Второй способ. Измерительный электрод находился в сосуде с физ.раствором, в который поочередно погружали первые фаланги пальцев левой руки. Температуру физ.раствора поддерживали на уровне температуры пальцев.

Таким образом, различие методов состояло в том, что разность электрических потенциалов регистрировали с разной площади. В первом случае область измерения была равна рабочей поверхности электрода - 2 мм2. Во втором способе измеряли среднее значение электрических потенциалов со всей поверхности фаланги.

Исследования распространяющегося электрического сигнала проводили в экспериментах с участием человека. Эксперимент проводили следующим образом: на поверхности кожи, в середине области медиальной поверхности большеберцовой кости на расстоянии 40 мм ох измерительного электрода были расположены два стимулирующих; электрода диаметром 20 мм. На электроды подавали прямоугольный электрический импульс длительностью I мс

и амплитудой 220 В от электрического стимулятора. Разность электрических потенциалов регистрировали по обычной методике Референтный электрод находился в шейном отделе позвоночника.

Критический анализ литературных данных, касающихся методики изучения постоянных электрических потенциалов кожи млекопитающих показал, что далеко не всегда различные элементы методики былк достаточно строго обоснованы, что побудило нас провести предварительные методологические исследования. В целом предлагаемая наш и использованная в работе методика выглядит следующим образом:

1. Используются деполяризующиеся электроды 2-го рода, каломельные или хлорсеребряные.

2. Измерительный прибор имеет входное сопротивление не менее 100 МОм.

3. Обработка кожи производится теплой водой с нейтральным значением рН.

4. В качестве контактной среды используется 0,1 М раствор хлористого натрия, с нейтральным значением рН.

5. Контакт электрода о кожей осуществляется посредством фитилька аз ваты.

6. Референтный электрод находится на коже в шейном отделе позвоночника( иногда на голове), а измерительный электрод помещен в дастальние отделы конечностей.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.

Результаты наших исследований на здоровых млекопитающих в спокойном состоянии, без каких-либо воздействий показали: в норме центральный отдел туловища положителен по отношению к дистальным отделам туловища. Разность электрических потенцка-

П

лов между этими областями составляет порядка 10-20 мВ. Было обнаружено наличие суточной периодичности в величине электрических потенциалов. Чтобы исключить влияние суточной периодики на результаты эксперимента все измерения (кроме специальных случаев) проводили с 10 до 12 часов дня. При изучении электрических потенциалов у здоровых млекопитающих, мы обнаружили, что существует небольшая часть животных, исходно имеющих обратную электрическую полярность. Отметим, что у здоровых людей обратная электрическая полярность ни разу не была обнаружена. Мы предположили, что наличие обратной электрической полярности связано с выраженной реакцией у этих животных на процедуру фиксации. Для проверки этого предположения было проведено 2 серии экспериментов на обезьянах и крысах. На рис.1 представлены результаты исследований, проведенных на обезьянах. Как видно на рисЛ фиксация обезьян сопровождается скачкообразным изменением разности электрических потенциалов которое переходит в более медленное, продолжающееся в течение двухчасовой фиксации. Аналогичное скачкообразное изменение потенциалов было обнаружено и у крыс. Величина скачка разности электрических потенциалов как у крыс,, так и у обезьян зависит от исходного значения электрических потенциалов.

Следуадие 2 эксперимента свидетельствуют о чувствительности данного метода.

В первом эксперименте, в качестве воздействия, было использовано повреждение кожи голени обезьян инъекционной иглой - прокол кожи, после чего происходило увеличение разности электрических потенциалов в среднем на 9-Ю мВ.

Во втором эксперименте одной группе мышей линии А вводили подкожно физ.раствор - 0,2 мл, а второй группе - уретан,

Рис.I. Динамика среднего значения разности электрических потенциалов между правой низшей конечностью и головой обезьян. 1,2 - первая и вторая группы животных соответственно. Стрелка - момент начала и окончания фиксации.

разведенный в том же объеме физ.раствора. Третья груша животных была контрольной. Результаты этого эксперимента показали, что введение "безобидного" фаз.раствора вызывает 3-х фазное изменение разности электрических потенциалов. Введение уретана приводило к искажению фазности ответа.

По литературным данным, электрический потенциал кожи связан с метаболической активностью. Следовательно, при изменении интенсивности метаболизма должно происходить изменение величины электрических потенциалов. Нам известны эксперименты, подтверждающие это на уровне отдельных органов но, работы, которые проводились бы на уровне целостного организма, нам не известны. В связи с этим мы решили провести эксперимент с голоданием кроликов. Во врэмя 3-х суточного голодания животные не получали никакой пищи. Доступ к воде был свободный. Результаты эксперимента показали, что по мере увеличения продолжительности голодания разность электрических потенциалов уменьшается. Одновременно с этим появляется колебательный характер ее изменения с периодом 1-2 часа и амплитудой колебаний 4-6 мВ. Следует отметить, что у одного кролика, который погиб в ночь на 4-ые сутки по невыясненным причинам, уже на вторые сутки голодания амплитуда колебаний достигла 12 мВ, а на третьи сутки увеличилась до 36 мВ!!!

Изучение влияния общего эфирного наркоза на электрические потенциалы кожи крыс показало, что у животных, находящихся под общим наркозом происходит изменение градиента постоянных электрических потенциалов. Было обнаружено, что чем больше исходное значение электрических потенциалов, тем больше его изменение под действием Еаркоза. Зависимость величины электрических потенциалов под наркозом от исходного значения

представлена на рис.2. Как видно на рис.2 эту зависимость можно аппроксимировать прямо пропорциональней зависимостью:

У = 1,88 - 1,2Х коэфкциент корреляции 0,93

Результаты эксперимента по изучению влияния функциональной разгрузки задних конечностей крнс ( модель невесомости по Е.А. Ильину) на электрические потенциалы кош представлены на рис.3. Как видно на рис.3 функциональная разгрузка сопровождается постепенным уменьшением разности электрических потен циалов, с последующем изменением электрической полярности на 6-8-е сутки эксперимента. После этого наступает обратный процесс: электрическая полярность изменяется на нормальную и начинает увеличиваться разность электрических потенциалов. Начиная с 11-х суток, среднее значение электрических потенциалов стабилизируется на новом, более низком уровне.

Таким образом, динамика электрических потенциалов во время функциональной разгрузки задних конечностей носит двухфазный характер и, вероятно, отражает процесс адаптации животных к новым условиям жизни, что подтверждается аналогичным по времени двухфазным изменением деигэтельяой активности экспериментальных животных. В течение первых 6-8 сутск эксперимента, двигательная активность экспериментальных животных была повышена по сравнению с контрольными животными. Начиная с 8-х суток она начинает понижаться, а с 11-х суток практически не отличается от двигательной активности контрольных животных.

С целью сценки возможности оперативной диагностики нарушений в организме человека по величине электрических потенциалов кожи мы обследовали 72 здоровых человека и 30 человек

15

<£ -30 -20 -10

Разность электрических потенциалов,мВ до наркоза

Рис.2. Зависимость разности электрических потенциалов между плюсной левой задней конечности и шейный отделом позвоночника крнс, находящихся под общим наркозом от исходного значения разности электрических потенциалов. (N-35)

9

Рис.3. Динамика среднего значения разности электрических потенциалов между плюсной левой задней конечности и шейным отделом позвоночника крыс до - и во время функциональной разгрузки задних конечностей. 1,2 - контрольная и экспериментальная группы соответственно. Стрелка - момент начала функциональной разгрузки.

с заболеваниями сердечно-сосудистой системы. Результаты обследования показали, что у здоровых людей разность электрических потенциалов между любым из пальцев руки и шейным отделом позвоночника имеет практически одно и тоже значение, порядка 10-20 мВ. При обследовании больных людей было обнаружено, что величина электрических потенциалов зависит от динамики заболевания. В начальный период заболевания или в период его обострения величина электрических потенциалов более отрицательна, чей в норме. У больных с хронической формой заболевания разность электрических потенциалов менее отрицательна, чем в норме. Следует особо отметить нарушение эквипотенциаль-ности распределения электрических потенциалов по пальцам руки В норме, между разными пальцами одной руки человека, величина электрических потенциалов не отличается более чем на 4-6 мВ, в то время как у больных людей это различие может досдостигать 40-70 мВ.

Таким образом, результаты наших исследований могут иметь практическое значение, которое заключается в возможности использования данной методики для экспресс-диагностики нарушений в деятельности сердечно-сосудистой системы человека, изучения процесса адаптации к действию экстремальных факторов и в ряде других случаев.

Кроме того, нами показано, что постоянные электрические потенциалы ножи млекопитающих являются высокочувствительным показателем наличия и интенсивности реакции организма на действие биологически значимого фактора окружающей среды.

Необходимо отметить, что результаты работы имеют не только практическое значение, но, как нам представляется, и определенное теоретическое значение. Проанализировав литера-

турные данные о морфологии, физиологии и биофизических свойствах кожи мы пришли к выводу, что базальный слой клеток вместе с базальной мембраной является основным генератором постоянных электрических потенциалов.

По литературным данным, все исследования взаимосвязи между внутренними органа™ и кожей построены на двух предположениях. В одном случае считают, что эта взаимосвязь обусловлена непосредственной близостью органа к коже , т.е. влиянием его электрических свойств на близко расположенную к нему кожу. В другом случае предполагают, что связь внутренних органов с кожей опосредуется нервной системой. Не отрицая этих гипотез, мы предполагаем, что взаимоотношение мезду внутренними органами и кожей может быть обусловлено электрическими свойствами базальной системы как единой, соединяющей все внутренние органы и кожу электрической, взаимосвязанной системы. Наиболее вероятно, что эта взаимосвязь может происходить за счет распространения электрического сигнала по базальной системе. В обнаружении и исследовании этого сигнала состояла задача последнего раздела исследований.

При электрическом раздражении кожи наш был зарегистрирован распространяющийся электрический сигнал на фоне существующей разности электрических потенциалов. Длительность спада сигнала приблизительно в 8 раз больше длительности фронта. Скорость распространения - 4,6+0,2 см/с. При увеличении рас-расстояния между измерительным и стимулирующими электродами в 2 раза мы не обнаружили изменения каких - либо параметров распространяющегося электрического сигнала. Это позволяет предположить, что распространение сигнала происходит без затухания. Уменьшение амплитуды разности электрических по-

тенциалов в момент прохождения электрического сигнала под измерительным электродом свидетельствует о том, что распространяющийся электрический сигнал обусловлен деполяризацией ба-зальной системы.

В растительных организмах, как было показано а ряде работ, существует два типа распространяющихся электрических сигналов: потенциал действия и вариабельный сигнал(ВО). Необходимо отметить, что форма ВС и его электрические характеристики аналогичны форме и характеристикам электрического сигнала распространяющегося по коже млекопитающих. В связи с вышеизложенным можно предположить, что распространяющийся электрический сигнал в животных организмах является аналогом вариабельного сигнала растительных организмов.

ВЫВОДЫ.

1.Показано, что разность электрических потенциалов, мевду центральным и дистальным отделами туловища является высокочувствительным, интегральным показателем функционального состояния организма млекопитающих.

2.Динамика электрических потенциалов кожи при действии различных факторов зависит от их интенсивности. При слабых воздействиях, изменяется только величина разности разности потенциалов; сильные воздействия приводят к инверсии электрической полярности млекопитающих.

3.Показана принципиальная возможность оперативной диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы человека (атеросклероз, вегето-сосудастая дистония, ишемическая болезнь сердца) по величине постоянных электрических потенциалов коки. В на-

начальном периоде заболевания, разность электрических потен-

20

циалов имеет более отрицательное значение, чем у здорового человека ( более 35 мВ). Хроническая форма заболевания сопровождается понижением величины разности электрических потенциалов . Основным критерием наличия заболеваний сердечно-сосудистой системы является нарушение эквипотенциальное™ рас-распределения электрических потенциалов по пальцам руки, которое может достигать 40-70 мВ.

4.Впервые обнаружено распространение по коже человека электрического сигнала в форме волны деполяризации. Определены электрические и временные параметры распространяющегося сигнала: скорость распространения - 4,6+0,2 см/с, амплитуда сигнала -7,5+0,4 мВ, длительность фронта - 4,2+0,3 с, длительность спада - 33,4+0,8 с.

5.Сформулирована гипотеза об участии базальной системы эпителия в процессах жизнедеятельности млекопитающих:

а) посредством базальной системы осуществляется взаимосвязь между кожей и внутренними органами:

б) электрическое состояние базальной системы влияет на функциональное состояние внутренних органов и систем организма.

Основные результаты диссертации изложены в работах. I.Зацепина Г.Н..Лазарев А.О., Тульский C.B. Разность электрических потенциалов между участками кожи человека как характеристика физиологического состояния организма // Биофизика.-980.- Т.25.- Вып.2.- С.330-333.

2.Зацепина Г.Н., Лазарев А.О., Тульский C.B. Изменение электрических характеристик организма при патологических процессах // Биофизика.- 1980.- Г.25.- Вып.2.- С.907-912.

3.Зацепина Г.Н., Ильин Е.А., Лазарев А.О. Изменение постоянного электрического поля при фиксации животного // Биофизика. -1985.- Т.ЗО.- Вып.2.- С.361-362.

4.Зацепина Г.Н., Ильин Е.А., Лазарев А.О., Новиков В.Е. Постоянное электрическое поле крыс в процессе адаптации к условиям функциональной разгрузки задних конечностей // Физиол. журнал СССР.- 1986.- Т.72.- N 12.- С. I6I9-I623.

22