MATHEMATICAL MODELING OF CEREBRAL CONSEQUENCES OF RADIATION ACCIDENTS

Abstract


It is shown that the dynamics of change indicators of neurons at low radiation effects are non-linear with moderate or weak correlation coefficient with the test arguments. By the end of post-radiation period, most indicators corresponds to the age control, but some are not up to it and may affect the functional activity of neurons.

Актуальность. В связи с возросшим радиационным фоном, его влияние на организм, и в частности на нервную систему, представляет значительный интерес. Последнее стало наиболее актуальным после катастрофы на Чернобыльской АЭС, и еще более проблема обострилась в связи с аварией на АЭС «Фукусима-1». При этом абсолютное большинство ликвидаторов аварии и населения подверглись облучению в малых дозах [1, 6, 8]. В последующем у них выявлен значительный рост психосоматических заболеваний даже при дозах ниже детерминированных [3, 10, 11]. Однако объективных данных, свидетельствующих о психоневрологических нарушениях явно недостаточно для постановки диагноза и установления инвалидности, а так же проведения организационных мероприятий по предупреждению заболеваемости. До настоящего времени нет точных сведений о патогенезе заболеваний нервной системы у ликвидаторов и не установлены их нейроморфологические корреляты. Тем не менее, нейропсихические заболевания у них являются ведущей причиной инвалидности [4, 14]. Поэтому необходимо использовать более объективные методики исследования, в том числе и экспериментальные, поддающиеся математическому моделированию и прогнозированию с последующей экстраполяцией полученных данных на человека [5]. Тенденция современной науки - это исследование системы как некоего целого, а не как конгломерат частей; не изолировать исследуемые явления в узкоограниченном контексте, а изучать, прежде всего, взаимодействия и исследовать все более и более различные аспекты их природы [15]. Одним из перспективных направлений является сочетание морфологических методов с математическим аппаратом системного анализа. Представляется, что математическое моделирование позволит более четко ответить на такой практический вопрос как «вредно-полезно». Важно это для пограничных состояний, когда затруднительно провести границу между еще нормой и уже патологией. Естественно, что проследить все стадии изменений в ранние и отдаленные сроки, выявить дозо-временные зависимости и наиболее критические мишени для ионизирующего излучения возможно только в эксперименте на животных, когда будут исключены все психогенные травмы, кроме радиационного и использованы методики, неприемлемые для человека. В связи с этим, целью исследования явилось установление в математической модели радиобиологического эксперимента нейроморфологических коррелят нарушения психоневрологического статуса и трудоспособности у лиц после выполнения работ на радиоационно загрязненной местности. Материал и методы исследования. Эксперимент выполнен на 270 беспородных крысах-самцах массой 210±10 г, в возрасте 4 месяца (к началу эксперимента), облученными γ-квантами 60Со спектр 1,2 МЭв в дозах 10, 20, 50 и 100 сЗв с мощностью дозы 50 сГр/ч. Для человека это соответствовало дозам облучения приблизительно от 5 до 50 сЗв. Исследование проведено на полную продолжительность жизни животных. Для исследования взяты нейроны мозжечка, который составляя 10 % массы головного мозга, включает в себя более половины нервных клеток. В радиобиологии эти нейроны, особенно клетки Пуркинье, считаются своеобразным индикатором чувствительности к ионизирующему излучению. При анализе основное внимание уделялось таким радиационным мишеням как белок и нуклеиновые кислоты. Оценивалась также и структурно-функциональная перестройка нейронов по тинкториальным и морфометрическим показателям [12,13]. Среди нейронов подсчитывали процент клеток с реактивными и деструктивными изменениями. Морфометрически определяли размеры нейронов, их цитоплазмы, ядер и ядрышек с последующим расчетом соответствующих индексов. Количественную оценку содержания белка и нуклеиновых кислот определяли по величине оптической плотности конечных продуктов гистохимических реакций в видимой части спектра с помощью компьютерной программы Image J. 36 b Wayne Rasband National Institutes of Health, USA. Статистическая обработка результатов исследований проводилась на ПЭВМ с процессором DucalCore AMD Athlon 64 X2, 2200 MHz, с помощью пакетов программ MS Excel 2003, MathCad 14 с использованием параметрических критериев и последующим математическим моделированием выявленных нейроморфологических показателей. Полученные результаты и их обсуждение. Проведенный нами ранее [2] ретроспективный анализ динамики заболеваний у ликвидаторов-вертолетчиков показал, что лица, получившие дозу облучения в среднем 22,6 сГр, в дальнейшем более подвержены различным заболеваниям. В частности, по отношению к доаварийным показателям заболеваемости, у облученных ликвидаторов до 4-х раз выросла частота хронической патологии. В контрольной группе процент ликвидаторов с установленными диагнозами вырос в 2,5 раза. Работа врачебно-летной экспертизы показала, что социально-гигиенические факторы, как причины внутреннего мотива к дисквалификации, у летчиков имеют более выраженный характер, чем соматические, связанные с радиационным фактором. Сразу после аварии в 1986 году средний возраст уволенных в запас чернобыльцев составил 37,2 лет. Дисквалифицированы молодые люди с отрицательной мотивацией на продление военной службы, что связано было с реорганизационными мероприятиями в армейской авиации. С 1991 г. профессиональное долголетие чернобыльцев возрастает и определилась четкая направленность на летную работу в условиях сложной и нестабильной обстановки в стране. В 1999 г. средний возраст дисквалификации чернобыльцев составил 39,6 лет и этот показатель превысил контроль, а списание ликвидаторов в запас в основном было связано с возрастом или заболеваемостью. Для контрольной группы за 15 лет наблюдения больший вес в распространении заболеваемости имели болезни опорно-двигательного аппарата, а для ликвидаторов характерен рост заболеваний нервной системы. В 1999 г. 35 % ликвидаторов с диагнозами подверглись дисквалификации в связи с изменениями в нервно-психической сфере (в контроле 14 %). Кроме того, нервно-психическая составляющая присутствовала при всех других соматических заболеваниях и даже у лиц признанных практически здоровыми. Риск утраты здоровья связан не только с объективными, но и субъективными критериями качества жизни. Анализ качества жизни ликвидаторов показал, что она далека от психологической комфортности в окружающей среде. Несмотря на это, 80% ликвидаторов состояло в первом браке и число разводов у них не менялось по сравнению с доаварийным, а с 1989 г. отмечен рост рождаемости детей. Естественно, что ликвидаторы рассчитывали, что навязанный государством риск, в том числе и радиационный, должен быть достойно компенсирован. На деле имелось явное несоответствие декларируемых льгот потребностям и реальному статусу ликвидаторов. И все же само пребывание в ситуации радиоактивного загрязнения является психической травмой. Однако объективных данных, свидетельствующих о изменениях психоневрологического статуса явно недостаточно для постановки диагноза и установления причинно-следственной связи по этой нозологии. Для этого необходимо использование более объективных критериев с проверкой в эксперименте на животных. Проведенные нейроморфологические исследования на полную продолжительность жизни животных, подвергнутых общему однократному гамма облучению в дозах, не вызывающих детерминированных последствий, показали, что нервная система обладает определенной чувствительностью к радиационному фактору. Выявленные изменения неспецифичны, протекают волнообразно и в исследованных параметрах не имеют линейной дозовой или временной зависимости. При всех дозах и сроках пострадиационного периода преобладают функциональные изменения, отражающие различные варианты активности нейронов. Такие изменения обратимы и в определенных условиях на их основе могут возникать различные формы альтеративных или адаптационных изменений. Все виды изменений встречаются как в контрольных, так и экспериментальных группах, отличаясь лишь процентным соотношением. Биофизической основой реакции нейрона на малое радиационное воздействие является изменение параметров и соотношения его основных структур (клеточного тела, цитоплазмы, ядра, ядрышка), а также тинкториальных свойств, связанных с изменениями содержания и структурной перестройкой пластических, метаболических и энергетических составляющих. Для более объективной оценки полученных нейроморфологических показателей проведено их математическое моделирование. Модель изменения показателей состояния нервных клеток в зависимости от дозы облучения и времени пострадиационного периода представляли в виде уравнения регрессии: ЗП=а0+а1х+а2у+а3ху+а4х2+а5у2+а6х3+а7у3 где ЗП - зависимый показатель, х - доза облучения; у - время, после облучения; ху, х2, у2, х3, у3 - взаимные влияния параметров х, у и нелинейное влияние каждого из этих параметров. При построении регрессионных моделей учитывались только параметры для коэффициентов с уравнением значимости Р<0,05. В результате получено семейство уравнений регрессии для нейроморфологических показателей облученных животных. Нормохромные нейроны = 0,90506-0,66303х-1,73242у+ +1,71947х2+ 4,04929у2-1,14296х3-2,37172у3. (r=0,5, R2=0,7) Деструктивные нейроны = 0,29878+0,35048х+2,24803у-0,23500х2-5,37695у2+3,44038у3. (r=0,55; R2=0,74). Гипохромные нейроциты = 0,790588-0,585932х+0,193911ху+ +0,373630х2-0,108419у2. (r=0,17; R2=0,41). Гиперхромные нейроны = 0,30352+1,32398х+0,51320у-3,68309х2-0,76213у2+2,52620х3. (r=0,36, R2=0,60). РНК цитоплазмы=0,92480-2,43778у+5,88057у2-3,74602у3. (r=0,55; R2=0,74). Размер ядра=0,74187-0,95411х+0,42688у+2,08336х2-1,64983у2- -1,24778х3+1,11916у3. (r=0,35; R2=0,59). Белок = 0,75657-1,25517х-0,54689у-0,17490ху+2,78129х2+1,56122у2- -1,472753-1,07753у3. (r=0,44; R2=0,66). ДНК ядра=0,87190-0,17891х-1,99379у+4,97985у2+0,14991х3-3,24084у3. (r=0,55; R2=0,74) Из уравнений регрессии видно, что динамика изменений всех показателей имеет нелинейный характер. К концу периода наблюдения большинство показателей соответствует возрастному контролю. Визуальная оценка функции моделей в виде графиков, выполненных методом наименьших квадратов, показана на примере белка и ДНК (рис. 1). Аналогичные данные получены и при исследование реакции нейронов на малые радиационные воздействия в сенсорной и моторной зонах коры больших полушарий головного мозга [7, 9]. Б А Рис. 1. График зависимости динамики содержания белка (А) в нейронах и ДНК (Б) в ядрах от дозы облучения (х), времени пострадиационного периода (у) и их сочетания (ху). Таким образом, проведенные исследования с последующим математическим моделированием выявили в нервной системе под влиянием малых доз ионизирующего излучения ряд изменений, которые являются неспецифическими, протекают волнообразно и не имеют линейной зависимости от дозы облучения. Изменения касаются части структур и не затрагивают клеточную популяцию в целом, однако не все изученные показатели соответствовали возрастному контролю. Наблюдаемые эффекты зависят в большей степени от времени пострадиационного периода и от рассматриваемого исследователем показателя. Выявленные изменения мало согласуются с данными о росте нейропсихических заболеваний у ликвидаторов аварии на ЧАЭС не получивших детерминированных доз облучения. Заболеваемость ликвидаторов, видимо, связана с комбинацией ионизирующего излучения с сопутствующими факторами полета (вибрация, измененная газовая среда, шум, электромагнитные излучения и т.д.), психотравмирующими факторами, обусловленными работой на радиационно-загрязненной территории, парциальной недостаточностью здоровья, профессиональными и бытовыми вредностями, радиофобией, а так же и эгоистически-рентными установками. Выводы. 1. Морфо-гигиенические исследования показали незначительные колебания структурно-функционального состояния нервной системы в различные сроки после облучения, их фазный характер, и в целом, достаточную устойчивость нейронной популяции, белка и нуклеиновых кислот к воздействию изученных доз ионизирующего излучения. Однако не все показатели соответствуют возрастному контролю, что может влиять на состояние функциональной активности нейронов. 2. Математическое моделирование радиационных эффектов в головном мозге адекватно отражает выявленные изменения, позволяет дифференцировать радиационно-индуцированные от возрастных изменений и может быть использовано для их прогнозирования при доза-временных параметрах, выходящих за рамки исследования и экстраполяции на человека. 3. Малые дозы ионизирующего излучения имеют нелинейный стохастический характер влияния на нейроны, не вызывают значимых органических изменений в нервной системе и в изученном диапазоне доз (10-100 сЗв), и не являются, видимо, ведущей причиной нарушения психоневрологического статуса ликвидаторов радиационных аварий. 4. Основными мерами профилактики нарушений психоневрологического статуса должны стать профессиональный отбор и обучение ликвидаторов, профессиональная медико-психологическая служба, создание соответствующих социально-гигиенических условий, пропорциональных риску, которому подвергаются ликвидаторы и их семьи, а также снижение уровня профессионально обусловленных вредных и опасных факторов.

O P Gundarova

Voronezh State Medical Academy

V P Fedorov

Voronezh State Medical Academy

A G Kvaratskheliya

Voronezh State Medical Academy

A M Karandeeva

Voronezh State Medical Academy

N V Sgibneva

Voronezh State Medical Academy

  1. Василенко И.Я. Малые дозы ионизирующей радиации / И.Я. Василенко // Медицинская радиология. - 1991. - № 1. - С. 48.
  2. Гундарова О.П. Оценка психоневрологического статуса ликвидаторов радиационных аварий / О.П. Гундарова, В.П. Федоров, Р.В. Афанасьев. - Воронеж : Научная книга, 2012. - 232 с.
  3. Гуськова А.К. Радиация и мозг человека / А.К. Гуськова // Актуальные и прогнозируемые нарушения психического здоровья после ядерной катастрофы в Чернобыле : материалы междунар. конф. - Киев, 1995. - С. 22.
  4. Гуськова А.К. Радиация и мозг человека / А.К. Гуськова // Медицинская радиология и радиационная безопасность - 2001. - Т. 46, № 5. - С. 47-55.
  5. Даренская Н.Г. Экстраполяция экспериментальных данных на человека: принципы, подходы, обоснование методов и их использование в физиологии и радиобиологии / Н.Г. Даренская, И.Б. Ушаков, И.В. Иванов. - Москва ; Воронеж : Истоки, 2004. - 232 с.
  6. Есауленко И.Э. Системный анализ в морфологии: направления и перспективы / И.Э. Есауленко, С.Н. Семенов // Однораловские морфологические чтения : сб. науч. тр. - Воронеж, 2008. - С. 3-8.
  7. Ильин Л.А. Реалии и мифы Чернобыля / Л.А. Ильин. - Москва : Alara Limited, 1994. - 124 с.
  8. Маслов Н.В. Морфофункциональное состояние теменной коры при действии малых доз ионизирующего излучения / Н.В. Маслов, В.П. Федоров, Р.В. Афанасьев. - Воронеж : Научная книга, 2012. - 228 с.
  9. Онищенко Г.Г. Радиационно-гигиенические последствия аварии на Чернобыльской АЭС и задачи по их минимизации / Г.Г. Онищенко // Радиационная гигиена. - 2009. - Т. 2, № 2. - С. 5-13.
  10. Сгибнева Н.В. Морфофункциональное состояние сенсомоторной коры после малых радиационных воздействий / Н.В. Сгибнева, В.П. Федоров. - Воронеж : Научная книга, 2013. - 252 с.
  11. Торубаров Ф.С. Психологические последствия аварии на ЧАЭС / Ф.С. Торубаров, О.В. Чинкина // Клиническая медицина. - 1991. - Т. 69, № 11. - C. 24-28.
  12. Ушаков И.Б. Нейроморфологические эффекты электромагнитных излучений / И.Б. Ушаков, В.П. Федоров, О.С. Саурина. - Воронеж : ОАО Центрально-Черноземное книжное издательство, 2007. - 287 с.
  13. Ушаков И.Б. Экология человека после Чернобыльской катастрофы: радиационный экологический стресс и здоровье человека / И.Б. Ушаков, Н.И. Арлащенко, С.К. Солдатов. - Москва ; Воронеж : Изд-во ВГУ, 2001. - 723 с.
  14. Федоров В.П. Экологическая нейроморфология. Классификация типовых форм морфологической изменчивости ЦНС при действии антропогенных факторов / В.П. Федоров, А.В. Петров, Н.А. Степанян // Журнал теоретической и практической медицины. - 2003. - Т. 1, № 1. - С. 62-66.
  15. Холодова Н.Б. Метаболические и дисциркуляторные изменения в головном мозге в отдаленные сроки после облучения малыми дозами ионизирующего излучения / Н.Б. Холодова // Журнал неврологии и психиатрии. - 2008. - № 6. - С. 70-71.

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 1

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies