№ 1 (2024)
Статьи
Частотно-зависимые изменения активности ферментов крови под действием модулированного ультразвука
Аннотация
Предметом исследования являются частотно зависимые изменения активности ферментов крови лабораторных животных (крыс) при воздействии модулированного ультразвука терапевтического диапазона интенсивностей. При равноэнергетическом воздействии на исследуемые ферментные системы показаны спектры действия для ферментов: креатинкиназы, щелочной фосфатазы, лактатдегидрогеназы, аспартатаминотрансферазы, холинэстеразы, говорящие о возможности частотного управления функциональным состоянием ферментов, активации и ингибировании активности ферментов на определённых для каждого фермента частотах. Управление активностью всех ферментов осуществляется двумя путями: а) за счет изменения частоты воздействующего сигнала и б) за счет изменения энергии (или амплитуды) воздействующего сигнала на биологически активной частоте. Получение подробных спектров действия является необходимым условием разработки теоретических основ определения биологически активных частот и механизмов частотно-зависимых ответов конкретных биологических систем на внешние воздействия модулированных волн. Основными выводами проведенного исследования являются:Основной подход к исследованию модулированных волн состоит в получении и использовании спектров действия для различных биологических систем.Используя воздействие на активной частоте можно, изменяя энергию воздействующего ультразвука, получить разнонаправленные эффекты. Таким образом, как частота модуляции, так и энергия воздействия могут быть факторами управления функциональным состоянием ферментных систем с помощью модулированных ультразвуковых волн. Задача статьи показать наличие частотно-зависимых ответов различных ферментных систем при воздействии модулированных ультразвуковых волн терапевтического диапазона интенсивностей – выполнена на примере пяти ферментных систем. Приведены спектры действия для этих систем и возможность трансформации этих спектров при изменении интенсивности ультразвука. Показана возможность управления величиной и знаком ответов исследованных ферментных систем, как частотой модуляции, так и энергией ультразвукового воздействия.
Физика биологии и медицины. 2024;(1):1-23
1-23
Влияние гипомагнитных условий на размер зрачка человека
Аннотация
Ранее сообщалось, что гипомагнитные условия, полученные в результате 100-кратного уменьшения индукции геомагнитного поля, влияют на когнитивные процессы человека, что оценивалось в нескольких компьютерных тестах. Экспозиция в гипомагнитных условиях в течение 40 минут приводила к статистически значимому увеличению как времени выполнения, так и количества ошибок в заданиях. Величина этого магнитного эффекта, усредненная по 40 здоровым испытуемым в 80 околочасовых экспериментах, составила около 1.7 процента. В настоящей работе описаны результаты исследования, в котором характеристики состояния правого глаза каждого испытуемого записывались на видео, в то время как испытуемый выполнял когнитивные тесты. Оказалось, что в гипомагнитных условиях размер зрачка увеличивается. Этот эффект был рассчитан на основе обработки большого массива данных, включающего более миллиона видеокадров. Усредненный магнитный эффект составил около 1.6 процента. С учетом гетерогенности уровень значимости эффекта близок к значимому (0.07, АНОВА, фактор испытуемые — случайный). Магнитные реакции, зафиксированные как для различных когнитивых тестов, так и для размера зрачка, наблюдаемые одновременно, не коррелируют. Приблизительно равное число испытателей показывали положительные и отрицательные эффекты в каждом тесте. Неспецифические реакции на магнитное поле, по-видимому, являются случайными.
Физика биологии и медицины. 2024;(1):24-40
24-40
Действие непрерывного и модулированного ультразвука на нейроны рыб
Аннотация
В настоящее время интенсивно развивается транскраниальная ультразвуковая стимуляция (ТУС) как новый неинвазивный метод нейромодуляции. Удобной моделью демонстрации ультразвуковой нейромодуляции является нервная система рыб, имеющая парные идентифицированные Маутнеровские нейроны, отвечающие за поворотную реакцию рыб. Предметом статьи является сравнение эффектов, вызванных действием непрерывного и модулированного ультразвука на нейроны золотых рыбок. В качестве регистрируемых параметров использованы общая двигательная реакция и поворотная реакция рыб, так как эти реакции отражают функциональное состояние нейронов и его изменение под действием ультразвука с различными энергетическими параметрами при воздействии непрерывного ультразвука, и изменение их функционального состояния при равноэнергетическом воздействии модулированного ультразвука, зависящего от частоты модуляции. Целью работы является исследование действия непрерывного и импульсно модулированного ультразвука на морфофункциональное состояние нейронов головного мозга и идентифицированных центральных нейронов позвоночных – маутнеровских нейронов золотых рыбок. Эксперименты были проведены на золотых рыбках (Goldfish) с регистрацией общей двигательной и поворотной реакций рыб в специальной камере, дно которой было разделено на сектора. Ультразвуковое воздействие проводилось с использованием терапевтического генератора УЗТ 1.01Ф, работающего на частоте 0.88 МГц и фокусирующего излучателя. При действии непрерывных ультразвуковых волн терапевтического диапазона интенсивностей (f = 0.88 МГц) на ткани мозга рыб наблюдается подавление общей двигательной активности и поворотных реакций при увеличении интенсивности ультразвука (более 0.7 Вт/см2) и их активация при интенсивностях менее 0.1 Вт/см2. Используя амплитудную модуляцию низкой частоты, были получены спектры действия, отражающие как работу целого мозга, так и работу идентифицированного Маутнеровского нейрона, ответственного за поворотную реакцию рыб. Спектр действия для Маутнеровского нейрона более выражен и содержит три вида частот: активирующие (8 Гц), частично подавляющие активность рыб (6, 10 Гц) и нейтральные (3, 7, 9 Гц). Из спектра действия видно, что на одних частотах модуляции эффекты несущей частоты ослабляются, а на других усиливаются. Такой подход может найти применение в ультразвуковой терапии, когда необходимо увеличить эффективность ультразвукового воздействия при уменьшении потенциального риска воздействия.
Физика биологии и медицины. 2024;(1):41-54
41-54
Математическое моделирование газообмена человека для исследования регуляции вентиляции легких
Аннотация
Хеморефлекторная регуляция дыхания играет основную роль в изменениях вентиляции легких человека в ответ на метаболические запросы и изменения парциального давления углексислого газа (CO2) и кислорода (O2) во вдыхаемом воздухе. Влияние экстремальных условий, таких как при аварийных работах в шахтах или при глубоководных погружениях, во время космических полетов, могут изменить реакцию системы дыхания на CO2 и O2. Исследование соответствующих характеристик системы дыхания и является важной фундаментальной и практической задачей. Одним из удобных способов исследований является математическое моделирование, которое позволяет снизить количество экспериментов в экстремальных условиях или при испытании средств индивидуальной защиты, а также оценивать предположительность времени эффективной работы человека в таких условиях. Модель описывает динамику содержания газов в 3-х компартментах биологической системы и внешней среде, представленной 4-ым компартментом. Внешняя среда может быть ограничена объемом устройства, к которому подключен человек, или объемом закрытого гермообъекта или представлена достаточно большим объемом, условно являющимся атмосферой с соответствующими параметрами температуры, давления, влажности, содержанием газов. Использована математическая модель газообмена кардиореспираторной системы человека с внешней средой – атмосферой или любого другого ограниченного пространства, в том числе устройств, предназначенных для исследования регуляции дыхания или средств индивидуальной защиты дыхания. Впервые получены результаты имитационного моделирования дыхания во время тестов с возвратным дыханием не только в легочном и тканевом компартментах, но и в мозговом компартменте. Представлены вентиляционные реакции на гиперкапнию при возвратном дыхании гипероксической дыхательной газовой смесью. В рамках исследования были промоделированы возвратное дыхание при различных начальных условиях и стационарный метод исследования регуляции вентиляции. Верификация модели путем сопоставления результатов моделирования с литературными данными показала ее адекватность. В рамках исследования представлена таблица чувствительности поведения математической модели к ее параметрам.
Физика биологии и медицины. 2024;(1):55-76
55-76
Связано ли ослабление магнитного поля в космосе с риском ошибок в деятельности космонавтов?
Аннотация
Число биомедицинских исследований, в которых наблюдаемые эффекты определяются законами квантовой физики, постоянно растет. К ним относятся дыхание, зрение, обоняние, фотосинтез, мутации и др., объединенные единым названием «квантовая биология». Действие на организмы магнитных полей, – в т.ч. ослабленных по сравнению с геомагнитным полем, – одно из таких направлений. Магнитное поле может действовать только на магнитные моменты, важнейшим представителем которых является электрон. Магнитное поле меняет квантовую динамику электронов в организме, что, в конечном счете, приводит к наблюдаемым реакциям на биохимическом и поведенческом уровнях. Организмы на Земле эволюционировали в геомагнитном поле, – значит, его отсутствие может вызвать нарушения в нормальном функционировании организмов. Действительно, на эту тему имеется более двухсот научных публикаций. На сегодня надежно установлено, что гипомагнитное поле может изменять функционирование организмов от бактерий и грибов до млекопитающих и человека. В дальнем космическом полете и в будущих миссиях на Луну и Марс космонавты будут находиться в условиях гипомагнитного поля, – это меньше естественного геомагнитного поля более чем в сто раз. Такое ослабление магнитного поля сопряжено с дополнительным риском. В настоящем миниобзоре дана начальная информация об уровнях магнитного поля на Земле, в ближнем и дальнем космическом пространстве, а также на поверхности Луны и Марса. Приведены сведения о влиянии гипомагнитного поля на характеристики организма человека и о механизмах такого влияния. Сообщается об особенностях исследований в области магнитобиологии, требующих специальных статистических методов обработки результатов. Обсуждается сложность создания гипомагнитного поля в объемах, достаточных для размещения организма человека. Сформулированы первоочередные задачи в этом сравнительно новом направлении магнитобиологии.
Физика биологии и медицины. 2024;(1):77-90
77-90