WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова Физический факультет

На правах рукописи

Новиков Сергей Михайлович ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ОСЛАБЛЕННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ НЕРВНОЙ КЛЕТКИ Специальность 01.04.11 – физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2007 г.

Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультета и кафедре биофизики биологического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Научные руководители: доктор физико-математических наук, доцент Шалыгин Александр Николаевич доктор биологических наук, профессор Максимов Георгий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Твердислов Всеволод Александрович доктор физико-математических наук, в.н.с.

Иванов Валерий Александрович

Ведущая организация: ГУП Институт Медико-Биологических Проблем РАН, г. Москва

Защита состоится “ 24 “ мая 2007 года в 16-30 часов на заседании диссертационного совета К 501.001.02 физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан “ ” апреля 2007 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета К 501.001.02, кандидат физико-математических наук И. А. Никанорова 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Магнитобиология изучает влияние внешних искусственных и естественных магнитных полей (МП) на биологические системы (клетка, организм, популяция и т.д.). Известно, что слабые магнитные поля (СМП, 10210-3 мкТл) способны менять функциональное состояние биологического объекта [Холодов, 1991; Шакура 1987]. При исследовании действия СМП на биологический объект используют различные конфигурации и диапазоны магнитных полей (ослабленное геомагнитное поле, постоянное МП, переменное МП, комбинированные МП). Интерес к воздействию ослабленного геомагнитного поля (ОМП) обусловлен важной ролью геомагнитных полей в жизнедеятельности биосистем, популяций, а так же с коррекцией магнитных санитарных норм. Известно, что ослабление МП в три-четыре раза вызывает нарушение функции нервной деятельности человека и животных [Дубров, 1974; Бинги, 2002]. Однако систематических исследований действия ослабленного ГМП на разных уровнях организации биологических систем при одной и той же степени воздействия мало. В настоящее время не ясен клеточный и молекулярный механизм действия МП. Существуют предположения, что действие МП на биологический объект связанно с изменением состояния конформации отдельных молекул, содержащих парамагнитные атомы (кислород, оксид азота, гемопорфирин, каротин, цитохромы и т.д.), а так же, транспортом электронов или ионов (перенос электронов в органеллах (митохондрия), транспорт ионов в биологических мембранах и т.д.).

Актуальность темы обусловлена, как необходимостью исследования комплексной зависимости функционирования возбудимых клеток при действии ослабленного геомагнитного поля, так и перспективами применения результатов в практике.

Целью данной работы являлось:

1. исследование изменения возбудимости нервного волокна (амплитуда, порог, скорость проведения потенциала действия, форма импульса) в условиях ослабленного в ~250 раз геомагнитного поля;

2. исследование действия ослабленного в ~200 раз геомагнитного поля на конформацию молекул каротиноидов, как выделенных из клеток, так и локализованных в субклеточных органеллах нейронов и плазматической мембране нервного волокна;

3. исследование действия ослабленного в ~200 раз геомагнитного поля на регулярные изменения коэффициента преломления структур, локализованных в примембранной и цитоплазматической областях нейрона.

Научная новизна работы заключается в следующем: впервые для исследования действия ослабленного геомагнитного поля, были выбраны наиболее чувствительные функционирующие биологические системы (полиеновая молекула каротина, нейрон и нерв).

Впервые применялись спектральные методы, не меняющие характер функционирования объекта (метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР), метод динамической фазовой микроскопии (ДФМ) в сочетании с методами Фурье-анализа).

Впервые проведены системные исследования действия ослабленного геомагнитного поля на функционирование нейрона (амплитуда и скорость проведения возбуждения, порог возбуждения), конформацию полиеновых молекул каротиноидов, локализованных в различных областях нервной клетки (в липидах плазматической мембраны или субклеточных органелл), а так же структурные изменения различных отделов цитоплазмы клетки.

Предложена схема, объясняющая выявленные эффекты (изменение возбудимости, изменения конформации молекул каротиноидов плазматической и субклеточных мембран, состояния цитоплазмы), обусловленные действием ослабленного магнитного поля на возбудимую клетку, с позиций перераспределения молекул кислорода.

Научная и практическая ценность Данные, полученные при исследовании действия ослабленного геомагнитного поля на нервные клетки, проясняют и дополняют современное понимание процессов, связанных с функционированием нервной системы при ослаблении естественного геомагнитного поля. Выявленные изменения на молекулярном и клеточном уровне (возбудимость нерва, изменения конформации молекул каротиноидов плазматической мембраны и мембран субклеточных органелл, а также структурной организации цитоплазмы) позволят охарактеризовать состояния клеток, тканей и органов в условиях ослабления естественного геомагнитного фона.

Полученные данные, могут быть использованы при анализе условий электромагнитной безопасности в ходе космического полета, а так же могут быть учтены при корректировке магнитных санитарных норм.

Основные результаты диссертации, которые выносятся на защиту, можно сформулировать следующим образом:

1. Ослабление геомагнитного поля приводит к увеличению порога возбуждения потенциала действия для чувствительных нервных волокон.

2. Действие ослабленного геомагнитного поля приводит к изменению конформации молекул каротиноидов, локализованных в мембране нервного волокна и цитосомах нервных клеток.

3. Ослабление геомагнитного поля приводит к изменению ритмических процессов движения цитоплазматических структур клетки (митохондрии, цитосомы, нейрофибриллы и т.д.).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:

Magnetiс International Symposium, (Москва, 1999 г.), Третий Европейский биофизический конгресс (Мюнхен, 2000 г.), Третья Всероссийская научная конференция “Физические проблемы экологии (Экологическая физика)” (Москва, 2001 г.), Четвертый Международный конгресс «Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине » (Санкт - Петербург, 2006 г.). А так же, на научных семинарах кафедры биофизики биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях (одна в печати) и 5 тезисах докладов, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и библиографии из наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность работы, сформулирована цель работы, излагаются выносимые на защиту положения.

Первая глава содержит обзор результатов исследований воздействия ОМП на биологические объекты, а так же теоретических работ, объясняющих действия ОМП. В обзоре показано, что ослабление геомагнитного поля влияет в первую очередь на процессы, связанные с функционированием нервной системы.

Вторая глава содержит описание объектов, и методов исследования применявшихся в данной работе, а так же способов получения и контроля ослабленного магнитного поля.

Объектами исследования служили изолированные пейсмекерные нейроны (Ретциус (Rz)-клетки) медицинской пиявки (Hirudo medicinalis) и мотонейроны педального ганглия прудовика (Lymnaea stagnalis), окологлоточные нервные кольца улиток - катушек (Planorbis carinatus), седалищный нерв травяной лягушки (Rana temporaria), раствор -каротина (40 мМ).

В работе использовались следующие методы:

- метод экстраклеточной регистрации мембранного потенциала [Тасаки, 1958], для исследования изменений возбудимости нервного волокна (амплитуда, порог, форма импульса, скорость передачи потенциала действия) в ОМП (H=0,17±0,02);

- метод резонансного комбинационного рассеяния (РКР) для исследования выделенного -каротина и -каротиноидов нервной клетки, с возбуждением от твердотельного Nd-лазера (473 нм, мощность 17 мВт) [Maxwell & Caughey, 1976; Соловьев и др., 1985; Maksimov et al., 1900; Максимов и др. 2000];

- метод модуляционно-интерференционной микроскопии для исследования регулярных изменений локального показателя преломления цитоплазмы и плазматической мембраны нейронов [Тычинский, 2001]. Для обработки результатов было использовано программное обеспечение Matlab с применением стандартных процедур быстрого Фурье-преобразования с последующей нормировкой амплитуды.

ОМП формировали с помощью экранировки и компенсации геомагнитного поля Земли. Для экранирования использовалась система камер.

Каждая камера (2 шт.) была сделана из переплетенных полос аморфного пермаллоя К74 (Fe 50%, Ni 50%), и имела 8 слоев. Каркасом камер служил картон. Размеры камер 485х195х205 и 475х106х180 мм соответственно, меньшая камера располагалась в большей, в промежутке между камерами находился пенопласт. Для компенсации постоянной составляющей использовалось три пары катушек Гельмгольца, расположенных перпендикулярно друг к другу. Внешний диаметр 35 мм, внутренний 20 мм, соответственно. Для контроля, за величиной ослабленного МП использовались магнитометры HB 0204, HB 0599A.

Третья глава cодержит результаты исследования и их обсуждение.

1.Исследование изменений возбудимости нервного ствола при ослаблении МП в 250 раз.

Изменения возбудимости нервного волокна исследовали при экранировании геомагнитного поля в ~250 раз (H=0,17±0,02 мкТл), относительно лабораторного значения (H=42,3±0,4 мкТл), используя систему камер из пермаллоя. Фиксируемые параметры: амплитуда потенциала действия (ПД), скорость прохождения ПД, форма импульса. Параметры стимуляции были следующими: электрические прямоугольные импульсы амплитудой 300 мВ для одной группы нервов и 800 мВ для другой соответственно, с частотой 115 Гц, длительностью 0,3 мс. Результаты регистрировали в течение 30 сек. через каждые 5 мин. Стимуляция была двух видов: непрерывная в течение всего времени измерений и подаваемая, только в момент регистрации, т.е. через каждые 5 мин. Время в течение которого осуществляли контроль за работой нервных волокон составляло 50 мин.

Стимуляция нерва и запись данных осуществлялась с помощью ПК.

Статистика набиралась на 10 парах нервных волокон для каждого типа измерений.

Установлено, что при непрерывной стимуляции импульсами с амплитудой 300 мВ, амплитуда ПД нервного волокна находящегося под действием ОМП, снижается на ~30% (рис. 1(б)).

б а лаборатоное поле (42,3±0,4 мкТл) лабораторное поле (42,3±0,4 мкТл) ослабленное МП (0,17±0,02 мкТл) ослабленное МП (0,17±0,02 мкТЛ) 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 t, мин t, мин Рис 1. (а). Изменения амплитуды потенциала действия нервного волокна при непрерывной стимуляции с амплитудой 800 мВ в контроле и при действии ослабленного в ~250 раз ГМП. (б). Изменения амплитуды потенциала действия нервного волокна при непрерывной стимуляции с амплитудой 300 мВ в контроле и при действии ослабленного в ~250 раз ГМП.

, % А, % При непрерывной стимуляции нерва электрическими импульсами с амплитудой 800 мВ, достоверных отличий от контроля, амплитуды ПД, в ОМП не обнаружили (рис. 1(а)). Отметим, что при этом скорости проведения ПД и форма ПД не отличались от контроля.

В случаях, когда стимуляция нерва осуществлялась раз в 5 мин, достоверных отличий от контроля (при амплитудах стимулирующего импульса- 300 и 800 мВ) так же, обнаружено не было.

Отметим, что стимуляции нерва с амплитудой импульса 800 мВ является режимом максимального порога возбуждения, в котором работают все волокна нервного ствола, тогда как при 300 мВ – функционируют только наиболее чувствительные волокна. Уменьшение амплитуды ПД вероятно свидетельствует о том, что только для этих волокон при действии ослабленного МП повышается порог возбуждения.

Для определения порога генерации ПД, нерв раздражали электрическими прямоугольные импульсами с амплитудами от 100 до 500 мВ (шаг - 10 мВ, время регистрации в точке - 1 сек, пауза между точками 2 сек). Интервал между измерениями составлял 8 мин. В одной серии экспериментов нерв непрерывно раздражали током с частотой 115 Гц и амплитудой 300 мВ для одной группы и 800 мВ для другой. В контроле в промежутках между измерениями нерв не стимулировали.

В случае стимуляции нерва прямоугольными импульсами тока с амплитудой 800 мВ, достоверного изменения величины порога не обнаружено (данные не представлены).

При стимуляции нерва током с амплитудой 300 мВ, было показано, что в контроле амплитуда ПД через 50 мин начинает возрастать при 270 мВ (рис.

2(а)), тогда как, для волокна находящегося в ОМП уже при 330 мВ (рис. 2(б)).

Полученный результат свидетельствует об увеличении порога возбуждения нерва в ОМП. В случае, когда в интервалах между измерениями стимуляция нерва не осуществлялась, изменений порога не выявлено.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»