Сопряженность флуктуации параметров фоновых унч-кнч электромагнитных полей с характеристиками мозгового электрогенеза человека при различных гелио-геофизических условиях

С.В. Побаченко

СОПРЯЖЕННОСТЬ ФЛУКТУАЦИЙ ПАРАМЕТРОВ ФОНОВЫХ УНЧ - КНЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С ХАРАКТЕРИСТИКАМИ МОЗГОВОГО ЭЛЕКТРОГЕНЕЗА ЧЕЛОВЕКА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕЛИО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

На основе мониторинговых исследований установлены закономерности сопряженности вариаций амплитудно-частотных параметров основных модов резонансов ионосферных волноводов (альвеновские, шумановские резонансы) и изменений показателей ЭЭГ человека в диапазонах дельта и альфа активности в зависимости от текущих уровней солнечной и геомагнитной активности.

В контексте основных положений разрабатываемой концепции «Резонансных механизмов солнечноземных связей» [1] необходимо отметить, что влияние глобальных факторов солнечной и геомагнитной активности на состояние электромагнитного фона диапазона ультра и крайне низких частот (УНЧ - КНЧ) в околоземной атмосфере в значительной степени опосредовано состоянием ионосферных резонаторов (шумановский и альвеновский резонаторы). При этом значения основных резонансных частот попадают в диапазон, соответствующий параметрам частотных «окон» максимальной биоэффективности воздействия электромагнитных полей (ЭМП) на регуляторные процессы нервной системы организма человека [2, 3]. В связи с этим возникли и развиваются представления о том, что именно вариации ЭМП данного диапазона выполняют функции одного из основных факторов, осуществляющих экзогенную регуляцию биоритмиче-ских процессов в живых системах, в частности в организме человека [4].

На предыдущих этапах исследований [5] установлено, что изменения амплитудно-частотных характеристик мозговой активности человека в показателях электроэнцефалограммы (ЭЭГ) сопряжены с вариациями ЭМП КНЧ диапазона. Значения корреляционной функции для значений данных временных рядов по долгосрочным мониторинговым исследованиям статистически значимы и лежат в диапазоне 0,120,69. При этом даже с учетом индивидуальных особенностей каждого из испытуемых, принимавших участие в исследованиях, отмечаются закономерные тенденции в изменениях уровней сопряженности в различные дни экспериментальных измерений. Вероятность вклада техногенных составляющих фона в фиксируемые закономерности невелика, более того, он должен носить «шумовой» характер, в то время как динамика внутри и межсуточных изменений уровней сопряженности носит достаточно стабильный характер. Естественно предположить, что подобные изменения инициированы более общими глобальными факторами, модифицирующими состояние электромагнитного фона, среди них можно выделить уровень солнечной (вспышечной) и геомагнитной активности.

Целью настоящей работы является оценка динамики сопряженности вариаций параметров электромагнитных полей КНЧ и УНЧ диапазонов с характеристиками электрической активности головного мозга человека при различных уровнях солнечной и геомагнитной активности по данным мониторинговых исследований.

Методика экспериментальных исследований

Экспериментальные процедуры мониторинговых исследований вариаций параметров ЭМП окружающей среды и характеристик ЭЭГ человека были реализованы на структурно независимых измерительно-вычислительных комплексах, синхронизированных во времени по системному таймеру каждого из персональных компьютеров и объединяемых друг с другом на время ретроспективного анализа локальной сетью, что обеспечивало интерактивный характер мониторирования. Комплекс для регистрации параметров ЭМП окружающей среды позволяет измерять в режиме непрерывного мониторинга вариации электромагнитных излучений в широком диапазоне частот (от 0,01 Гц до 30 МГц), в том числе в исследуемых в данной работе диапазонах: 0,1-4; 6-16 Гц [6]. Для определения характеристик функционального состояния человека, в данном случае его ЭЭГ, использовался измерительный комплекс [7], в котором спонтанная электрическая активность мозга человека фиксировалась с помощью электроэнцефалографа «Нейроскоп - 408 А». При этом использовались 8 моно-полярных отведений, ориентированных по стандартной схеме (10-20). Управление всем комплексом и его программирование через соответствующие интерфейсы и пакеты программ осуществлялось от персонального компьютера. Эксперименты проводились в режимах выборочного синхронного мониторинга. В проведенных экспериментах количественные данные, использованные в последующем анализе, были получены в пятнадцати сериях экспериментальных процедур для одного и того же испытуемого. Анализ совместных частотных параметров ЭМП и ЭЭГ проводился на базе стандартных статистических расчетов кросс-корреляционной функции спектральных характеристик фиксируемых сигналов в диапазонах: 0,1-4 и 6-16 Гц. Показатели солнечной и геомагнитной активности были взяты с сайтов ИПГ (Института прикладной геофизики) и КООА (Национальной администрации США по исследованию океана и атмосферы).

Результаты и обсуждение

Представлены данные 15 серий экспериментальных исследований в различные дни для одного испытуемого. Необходимо отметить, что уровни сопряженности и характер зависимости соответствуют полученным ранее результатам [5]. Изменения степени сопряженности характеристик ЭЭГ и параметров электромагнитного фона,

оценивались по совместной динамике с показателями солнечной активности - величиной потока рентгеновского излучения (рис. 1, а, б) и геомагнитная активность - в суточных значениях Ар индексов (рис. 2, а, б).

Анализ изменения усредненных за серию значений кросскорреляционной функции ЭМП-ЭЭГ (CorrEEG-ELF и CorrEEG-ULF) для диапазонов основных мод шумановского и альвеновского резонансов и соответствующих значений величины потока рентгеновского излучения от Солнца (рис. 1, а, б) в различные дни позволяет констатировать наличие значимой зависимости исследуемых характеристик для обоих исследуемых диапазонов. Достаточно выражена идентичность тенденций изменения отражаемых величин. Линейный корреляционный анализ данных величин показал, что коэффициенты корреляции являются статистически значимыми и составляют величины: - 0,711 (Corr.EEG-ELF с X-rays) и - 0,559 (Corr.EEG-ULF с X-rays) для а=0,95.

При этом можно констатировать общую закономерность: с увеличением уровня солнечной возмущенности увеличивается степень сопряженности между показателями мозгового электрогенеза у человека и параметрами КНЧ - УНЧ вариаций естественного электромагнитного фона окружающей среды.

Таким образом, получено дополнительное подтверждение данного феномена для диапазона первых мод шумановского резонанса и выявлено наличие аналогичной стохастической зависимости для диапазона альве-новского резонанса.

В то же время оценка зависимости уровня влияния фоновых ЭМП на ЭЭГ от геомагнитной активности показала наличие статистически значимой связи для диапазона частот 6-16 Гц (рис. 2, а), коэффициент корреляции составляет 0,537(а=0,95) и отсутствие статистически значимой связи для диапазона частот 14 Гц (рис. 2, б).

ConEEG-ELF

X-rays CoitEEG-ULF

X-rays

Номер ЭКСПврИМвНТаЛЬНОЙ серни

Номер экспериментальной серпи

б

Рис. 1. Совместная динамика значений потока рентгеновского излучения (пунктир) и значений кросскорреляционной функции

ЭМП-ЭЭГ для диапазонов: 6-16 Гц

ConEEG-ELF

Ар

CoitEEG-ULF

Ар

30

10

Номер экспериментальной серии

Номер экспериментальной серии б

Рис. 2. Совместная динамика значений Ар индексов и значений кросскорреляционной функции ЭМП-ЭЭГ

для диапазона 1-4 Гц

Можно предположить, что подобные различия могут быть связаны либо со спецификой проявления индивидуальной регуляторной активности ЭЭГ в

исследуемых диапазонах, либо, что более соответствует действительности, с особенностями воздействия факторов геомагнитной природы на состояние резо-

а

а

наторных систем и, соответственно, на параметры электромагнитного фона среды обитания.

Таким образом, на основе анализа экспериментальных данных, полученных в режимах синхронного мониторинга, установлено, что характеристики электрогенеза мозговой активности человека достоверно сопряжены с изменениями параметров электромагнитного поля КНЧ диапазона (шумановские резонансы), а также с параметрами УНЧ диапазона (альвеновские резонансы) в среде обитания. При этом степень сопря-

женности вариаций биоэлектрической активности головного мозга человека с вариациями ЭМП УНЧ -КНЧ диапазонов в существенной степени детерминируется уровнем солнечной активности. Максимумы корреляционных соотношений соответствуют повышенному уровню гелиоактивности, в то время как уровень геомагнитной активности состояния окружающей среды достоверно сказывается только для диапазона 616 Гц, соответствующего первым модам шумановских резонансов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колесник А.Г., Бородин А.С., Колесник С.А., Побаченко С.В. Резонансный механизм солнечно-земных связей // Известия вузов. Физика.

2003. № 8. С. 23-30.

2. Эйди У.Р. Частотные и энергетические окна при воздействии слабых электромагнитных полей на живую ткань // ТИИЭР. 1980. Т. 68, № 1.

С. 140-147.

3. Лысков Е.Б., Алексанян З.А., Йоусмяки В. Нейрофизиологические эффекты краткосрочной экспозиции ультранизкочастотного магнитного

поля // Физиология человека. 1993. Т. 20, № 6. С. 121-132.

4. Владимирский Б.М., Сидякин В.Г., Темурьянц Н.А. Космос и биологические ритмы. Симферополь, 1995. 200 с.

5. Побаченко С.В., КолесникА.Г., Бородин А.С., Калюжин В.В. Сопряженность параметров энцефалограммы мозга человека и электромагнит-

ных полей шумановского резонатора по данным мониторинговых исследований // Биофизика. 2006. Т. 51, вып. 3. С. 534-538.

6. Колесник А.Г., Колесник С.А., Нагорский П.М., Шинкевич Б.М. Радиотехнический комплекс диагностики и контроля параметров электромаг-

нитного фона в канале Земля - ионосфера // Ионосферные исследования. Казань, 1997. С. 244-252.

7. Бородин А.С., Колесник С.А., Побаченко С.В, Потахов П.Ю. Программно-технический комплекс мониторинга естественной динамики функ-

ционального состояния организма человека // Ионосферные исследования. Казань, 1997. С. 253-257.

Статья представлена кафедрой космической физики и экологии радиофизического факультета Томского государственного университета, поступила в научную редакцию «Физика» 11 декабря 2006 г., принята к печати 18 декабря 2006 г.