Оценка влияния холодовых факторов среды на функциональное состояние человека, а также изучение реактивности регуляторных систем организма на холод — важные компоненты получения комплексной картины стресс-воздействий климата высоких широт на состояние здоровья человека, его благополучие и эффективность выполняемой им деятельности.

Значимыми элементами изучения холодового стресса выступают также феномен закаливания и понимание физиологических механизмов перехода организма человека из состояния, не адаптированного к холоду, к уровню стабильной холодовой устойчивости. В этом аспекте важно рассмотрение цены адаптации или аллостатической нагрузки, которую человек «платит», приспосабливаясь к острым или длительным воздействиям низких температур. Вызывают большой интерес исследования температурного гомеостаза не только российских студентов (молодых людей, родившихся и постоянно проживающих в климатических условиях Западной Сибири), но и студентовиностранцев, приехавших из регионов с тропическим и субтропическим климатом [1, 2]. На сегодняшний день географическая миграция молодежи для получения базового образования на территории РФ имеет тенденцию нарастать из стран Африки, Азии, Ближнего Востока [3]. При этом практически не описаны типы адаптации (акклиматизация, акклимация) к резким перепадам температур при смене географического региона. Вместе с тем недостаточно научных исследований описания функциональных состояний организма и уровня динамики заболеваемости у иностранцев, особенно у тех, которые обучаются в военных вузах, в сравнении со студентами, проживающими на территории РФ.

Чувствительным и, что более важно, информативным показателем адаптационных перестроек организма и компенсаторных процессов в центральной нервной системе служит биоэлектрическая активность головного мозга, регистрируемая при помощи ЭЭГ [4–8]. Влияние низких температур на формирование биоэлектрической активности мозга, особые паттерны ЭЭГ у лиц, постоянно или периодически подверженных холодовому воздействию, отмечены в целом ряде отечественных [9–11] и зарубежных исследований [10–12]. Так, у одной из групп испытуемых отмечали усиление суммарной мощности спектра альфа- и тета-волн в паттернах энцефалограммы под влиянием холода [7]. В другой работе, напротив, было зарегистрировано холодовое снижение мощности альфаритма [10]. В литературе представлены противоречивые данные о влиянии гипотермии и систематических закаливающих мероприятий на биоэлектрическую активность мозга, которые во многом зависят от того, какой аспект проблемы рассматривали (острая гипотермия или длительное воздействие, целенаправленное закаливание или неизбежное влияние холодовых условий высоких широт, аборигенное или пришлое население изучается и пр.). При этом остается актуальным вопрос поиска ЭЭГмаркеров успешности адаптации человека к воздействию низких температур.

Цель настоящей работы заключалась в изучении влияния поэтапного воздействия дозированных низкотемпературных нагрузок (закаливания) курсантов военного вуза на спектральные характеристики ЭЭГ в альфа- и тета-диапазоне.

ПАЦИЕНТЫ И МЕТОДЫ

В однократном (поперечном) исследовании приняли участие 58 испытуемых, разделенных на три группы. Первую группу из 18 человек (далее по тексту — контрольная группа, гражданские студенты, КГ) составили юноши, обучающиеся в Тюменском государственном университете, постоянно проживающие на территории Тюменской области, средний возраст — 21,36 ± 1,83 лет. Во вторую группу из 29 человек (далее по тексту — экспериментальная группа закаливания 1, курсанты из разных регионов РФ, ГЗ1) вошли курсанты Тюменского высшего военно-инженерного командного училища имени маршала инженерных войск А. И. Прошлякова, постоянно проживающие на территории Тюменской области, а также регионах Уральского или Сибирского федеральных округов РФ, средний возраст — 20,58 ± 1,29 лет. Третью группу из 11 человек (далее по тексту — экспериментальная группа закаливания 2, курсанты-иностранцы, ГЗ2) составили курсанты-иностранцы Тюменского высшего военно-инженерного командного училища имени маршала инженерных войск А. И. Прошлякова, постоянно проживающие в странах с тропическим и субтропическим климатом (Никарагуа, Конго, Мозамбик, Гвинея, Гвинея-Бисау, Габон), темнокожие, средний возраст 23,39 ± 1,95 лет.

Критерии включения: отношение к 1–2 группе диспансерного наблюдения; хорошая успеваемость в вузе (успешность обучения как критерий эффективности основного вида деятельности). Критерии исключения: наличие в анамнезе неврологических заболеваний и/или обострение любых нозологий в последние две недели перед исследованием.

Исследование проводили в середине ноября. Ему в течение 2,5 месяцев предшествовала тренировка повышения холодовой устойчивости у курсантов обеих экспериментальных групп по программе поэтапного воздействия дозированных температурных нагрузок, направленных на совершенствование адаптационных возможностей военнослужащего. Программа включала в себя начальный уровень подготовки в развитии холодовой устойчивости (регулярное обливание холодной (+5…+8 °С) водой на улице, занятия проводили 2–3 раза неделю в течение 3 недель) [13] и тренировочный (специальный) уровень (погружение в холодную воду (+2…+2,5 °С) в полной боевой экипировке, занятия проводили 1–2 раза в неделю в течение 2 месяцев) [14].

Регистрацию ЭЭГ осуществляли стационарно на аппаратно-программном комплексе «Нейрон-Спектр-4/ВПМ» («Нейрософт»; Россия). Электроды фиксировали по «10–20» в 16 активных отведениях двух полушарий, монополярно с ушными референтами. Фоновую запись вели в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами — в свето- и звукоизолированном помещении. Спектр регистрации — от 0,5 до 35 Гц. Сопротивление электродов < 20 кОм. Использовали частоту квантования 500 точек. Анализ фоновой записи ЭЭГ проводили по 20 эпохам анализа длительностью 10–15 с каждая, выделяя безартефактные участки. Математический анализ ЭЭГ проводили с использованием программы «НейронСпектр» с преобразованием Фурье для частотных диапазонов θ (4,0–8,0 Гц) и α (8,0–14,0 Гц). Для описания функционального состояния головного мозга испытуемых использовали показатели полной мощности спектра (мкВ2), индексов ритма (Гц), интегральных индексов ЭЭГ альфа/тета.

Статистическую обработку проводили с использованием пакета программ SPSS Statistics 23. Данные представлены в виде медианы (Ме), первого и третьего квартилей (Q1–Q3). Проверку нормальности распределения осуществляли по критерию Шапиро–Уилка. В силу того что распределение показателей не соответствовало нормальному, сравнение с контролем проводили непараметрическими методами по критерию Манна–Уитни для двух независимых групп.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Визуальный анализ ЭЭГ испытуемых позволил выделить основные варианты организации биоэлектрической активности мозга по классификации Е. А. Жирмунской [15] (рис. 1).

В контрольной группе доминировал I тип биоэлектрической активности (66% случаев) с организованной структурой альфа-активности и выраженным зональным градиентом основного ритма в передне-заднем направлении. II и III типы ЭЭГ были представлены реже — в 28 и 6% случаев соответственно. В первой и второй экспериментальных группах закаливания чаще всего (55 и 64% соответственно) был отмечен гиперсинхронный тип ЭЭГ с выраженной альфаритмикой, не структурированной в веретена. У молодых людей из первой экспериментальной группы закаливания также в 20% случаев встречался III десинхронный тип ЭЭГ с резким уменьшением количества альфа-волн и заменой их на колебания в тета- или бета-диапазонах.

Спектральный анализ полной мощности ЭЭГ в тетадиапазоне выявил значительно более высокие показатели второй экспериментальной группы закаливания по сравнению с контролем в отведениях правого полушария (рис. 2).

Так, испытуемые ГЗ2 достоверно превосходили КГ по тета-активности в отведениях: правом переднелобном Fp₂ (U = 26; Z = –3,28; p < 0,001), правом лобном F₄ (U = 29; Z = –3,14; p = 0,002), правом центральном С4 (U = 31; Z = –3,05; p = 0,002), правом передневисочном F₈ (U  = 49; Z = –2,24; p = 0,024), правом височном T₄ (U = 10; Z = –4,00; p < 0,001), правом теменном Р₄ (U = 24; Z = –3,37; p = 0,001) и правом затылочном О₂ (U = 45; Z = –2,42; p = 0,015). Молодые люди из ГЗ1, напротив, имели достоверно более низкие значения полной мощности спектра в тета-диапазоне по сравнению с контролем в отведениях: левом и правом переднелобных Fp₁ (U = 119,5; Z = –3,09; p = 0,002), Fp₂ (U = 120; Z = –3,07; p = 0,002), левом центральном С₃ (U = 165; Z = –2,10; p = 0,035), правом передневисочном F₈ (U = 161; Z = –2,17; p = 0,029), левом и правом височных T₃ (U = 142; Z = –2,60; p = 0,009), T₄ (U = 151; Z = –2,39; p = 0,016), левом и правом задневисочных T₅ (U = 112; Z = –3,26; p = 0,001), T₆ (U = 173; Z = –1,92; p = 0,050).

В альфа-полосе полная мощность спектра также была наиболее значительной в ГЗ2 и достоверно превосходила КГ в отведениях: правом переднелобном Fp₂ (U = 23; Z = –3,41; p < 0,001), правом лобном F₄ (U = 24; Z = –3,37; p < 0,001), правом центральном С₄ (U = 46; Z = –2.38; p = 0,017), правом передневисочном F₈ (U = 33; Z = –2,96; p = 0,003), левом и правом височных T₃ (U = 54; Z = –1,95; p = 0,050), T₄ (U = 13; Z = –3,86; p < 0,001) (рис. 3).

Полная мощность спектра в альфа-диапазоне у испытуемых из ГЗ1 была достоверно ниже контроля по левому височному T₃ (U = 170; Z = –1,98; p = 0,042) и левому задневисочному T₅ (U = 171; Z = –1,92; p = 0,050) отведениям.

Практически по всей конвекситальной поверхности, за исключением С₃, F₈ и T₅, во второй экспериментальной группе закаливания тета-индекс достоверно превосходил значения контрольной группы в отведениях: левом и правом переднелобных Fp₁ (U = 28; Z = –3,19; p = 0,001), Fp₂ (U = 7; Z = –4,13; p < 0,001), левом и правом лобных F₃ (U = 53; Z = –2,06; p = 0,038), F₄ (U = 44; Z = –2,47; p = 0,013), правом центральном С₄ (U = 20; Z = –3,55; p < 0,001), правом передневисочном F₈ (U = 39,5; Z = –2,67; p = 0,007), левом и правом височных T₃ (U = 42; Z = –2,56; p = 0,010), T₄ (U = 8; Z = –4,09; p > 0,001), правом задневисочном T₆ (U = 26,5; Z = –3,25; p = 0,001), левом и правом теменных Р₃ (U = 3; Z = –4,31; p < 0,001), Р₄ (U = 0; Z = –4.44; p < 0,001), левом и правом затылочных О₁ (U = 45; Z = –2,42; p = 0,015), О₂ (U = 0; Z = –4.44; p < 0,001) (табл. 1).

Выраженность тета-осцилляций в первой экспериментальной группе закаливания не отличалась от контрольной группы.

Альфа-индекс ЭЭГ у испытуемых ГЗ2 превышал значения контроля во фронтальных отделах мозга в отведениях: левом и правом переднелобных Fp₁ (U = 50; Z = –2,17; p = 0,029), Fp₂ (U = 35; Z = –2,87; p = 0,004), а также правом передневисочном F₈ (U = 41; Z = –2,58; p = 0,009). При этом индекс альфа-ритма в ГЗ2 был достоверно ниже контроля в центральных и каудальных областях по отведениям: левому центральному С₃ (U = 51,5; Z = 2,13; p = 0,033), левому и правому теменным Р₃ (U = 47; Z = 2,33; p = 0,019), Р₄ (U = 13; Z = 3,86; p < 0,001) и правому затылочному О₂ (U = 45; Z = 2,43; p = 0,015). В целом альфа-индекс во второй контрольной группе закаливания не имел лобно-затылочного градиента.

В первой экспериментальной группе закаливания, как и в контрольной группе, альфа-индекс имел зональную специфику и нарастал от фронтальных к каудальным отделам. У испытуемых ГЗ1 показатели индекса альфа-ритма превосходили контроль лишь по левому переднелобному Fp₁ (U = 166; Z = 2,07; p = 0,037) и правому фронтальному F₈ (U = 162; Z = 2,02; p = 0,042) отведениям.

Далее был рассчитан индекс стабильности корковоподкорковых нейродинамических процессов как интегральное соотношение альфа/тета ритмов по показателям полной мощности спектра и индекса ритма (табл. 2).

Самые высокие значения устойчивости функционального состояния ЦНС были зафиксированы в первой экспериментальной группе закаливания, тогда как самые низкие и достоверно отличающиеся от контрольной группы отмечены нами у молодых людей второй экспериментальной группы закаливания.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Визуальный анализ ЭЭГ, несмотря на определенную условность классификации, отмеченную в ряде исследований, тем не менее позволяет получить комплексную картину формирования биоэлектрической активности мозга испытуемых и функционального состояния головного мозга [16, 17].

По нашим данным, в контрольной группе, состоящей из гражданских молодых людей, превалировал I тип ЭЭГ с выраженным основным ритмом мозга, четкой его зональной градацией по индексу и мощности, модулированный в веретена. Можно предположить, что у большинства представителей контрольной группы наблюдали оптимальное функциональное состояние ЦНС при сбалансированном взаимодействии активирующих мезэнцефальных и синхронизирующих диэнцефальных мозговых структур. В двух экспериментальных группах курсантов чаще встречали II гиперсинхронный (моноритмичный) тип ЭЭГ, что свидетельствовало о наличии некоторого напряжения адаптационных механизмов, дезорганизации ритмик и перераспределении лимбико-диэнцефальных, таламокортикальных и внутрикорковых взаимодействий в головном мозге испытуемых. Увеличение в наших экспериментальных выборках доли людей с моноритмичным типом ЭЭГ, а также присутствие III десинхронного (плоского) типа в ГЗ1 могло быть следствием незавершенного адаптационного процесса организма курсантов (как российских, так и

иностранцев) к регулярным холодовым тренировкам в рамках специальной программы подготовки.

Исследователями было отмечено, что в процессе холодовой адаптации и при закаливании ведущую роль играет ЦНС, что отражается на картине биоритмов мозга [1]. В другой работе также указывают, что при длительном холодовом воздействии (впрочем, как и при остром) у человека могут формироваться специфические паттерны ЭЭГ, рассматриваемые как адаптивные [7].

Ряд исследований демонстрируют высокую чувствительность показателей мощности спектра ЭЭГ в тета- и альфа-диапазоне к стресс-воздействиям на организм, которые по сути служат маркерами успешности приспособительных реакций к различным неблагоприятным факторам среды [18–20].

В нашей работе курсанты-иностранцы показали в правой гемисфере существенно более высокие значения полной мощности спектра в тета- и альфа-полосе по сравнению с контролем, что могло свидетельствовать о повышенной активации симпатического отдела вегетативной нервной системы. Известно, что правое полушарие модулирует симпатический тонус [7], а автономная нервная система интегрирует функции внутренних органов посредством активации вегетативных центров головного мозга [21]. В то же время повышение полной мощности тета-ритма отражает снижение тормозного контроля корковых центров на стволовые и подкорковые структуры [22], а взаимоотношение между вегетативной нервной системой и вышележащими нервными центрами играет ключевую роль в формировании адаптационного ответа на холодовое воздействие в процессе закаливания [3].

Важным показателем стресс-воздействия служат представленность (индекс) и фронтальная асимметрия альфа-ритма [24]. В нашем исследовании альфа-ритм имел выраженную асимметрию показателей полной мощности спектра и индекса ритма по правому полушарию во фронтальных и передневисочных отведениях в группе курсантов иностранцев (ГЗ2). Считается, что проявления паттернов фронтальной асимметрии альфа-осцилляций при усилении биоэлектрической активности правого полушария связаны с реакциями системы избегания (avoidance system) и поведенческими стереотипами агрессивно-оборонительного характера, тогда как альфаактивация левой гемисферы отражает работу системы приближения (approach system) и ориентировочноисследовательское поведение [25].

Встречаются исследовательские и теоретические работы, в которых в качестве биомаркеров стресса рассматривают не сами характеристики спектра ЭЭГ, а их взаимосвязь, определяемую как индексы ритмов [26, 27]. Взаимодействие основных спектральных составляющих биоэлектрической активности мозга может служить маркером эффективности механизмов гомеостатической и адаптационной регуляции [28, 29]. Один из таких индексов, характеризующих адаптационные процессы и дезадаптационные расстройства, представляет собой соотношение спектральных показателей альфа/тета-осцилляций.

В наших группах испытуемых по индексу альфа/тета функциональное «α-ядро» было сформировано в выборках гражданских студентов и курсантов-россиян, тогда как курсанты-иностранцы имели признаки разрушения альфаядра другими составляющими спектра ЭЭГ, в частности, тета-диапазона. Такая картина могла свидетельствовать о дестабилизации нейродинамических процессов в ЦНС с нарушением «церебрального гомеостаза» и незавершенностью адаптационных настроек организма курсантов-иностранцев под влиянием программы подготовки к экстремальных холодовым факторам. При субдоминировании альфа- и тета-составляющих в ГЗ2 сформировалась двухъядерная альфа-тета-структура биоритмов мозга, характерная для дезадаптационных процессов с возможными дальнейшими сценариями: переходу к адаптированному и устойчивому к холоду (закаленному) состоянию и формированию на ЭЭГ «α-ядра», либо переходу от начальных стадий нарушения адаптивных процессов к формированию устойчивого патологического состояния [30].

ВЫВОДЫ

По совокупности спектральных характеристик ЭЭГ в альфа- и тета-диапазонах, а также их взаимодействию при формировании «α-ядра» фоновой биоэлектрической активности мозга можно предположить, что специальная программа поэтапного воздействия дозированных температурных нагрузок для курсантов военного вуза у молодых людей-россиян дала необходимый эффект закаливания, что отразилось на стабильности церебрального гомеостаза при некоторой степени неустойчивости нейродинамических процессов в ЦНС. У курсантов-иностранцев систематические холодовые тренировки привели к выраженной дезинтеграции корковоподкорковых и внутрикортикальных взаимоотношений, а также формированию двухъядерной альфа-тета-структуры фоновой ЭЭГ, что указывало на незавершенность адаптационных процессов и высокую стрессорную нагрузку на организм.

Опираясь на полученные результаты, мы подготовили ряд рекомендаций. Во-первых, группе иностранных курсантов начальный уровень развития холодовой устойчивости целесообразно продлевать с 3 недель до 3–6 месяцев с целью более мягкой адаптации к дозированным (увеличить период акклимации) кратковременным холодовым нагрузкам. Во-вторых, полученные результаты в дальнейших исследованиях важно соотнести с данными ЭЭГ иностранных курсантов, которые не занимаются закаливанием и находятся в той же ситуации приспособления организма (акклиматизации) к климатогеографическим условиям Западной Сибири.