Исследование действия ослабленного магнитного поля на функционирование нервной клетки

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛомоносоваФизический факультетНа правах рукописиНовиков Сергей МихайловичИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВИЯ ОСЛАБЛЕННОГО МАГНИТНОГОПОЛЯ НА ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ НЕРВНОЙ КЛЕТКИСпециальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква 2007 г.Работа выполнена на кафедре магнетизма физического факультетаи кафедре биофизики биологического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. ЛомоносоваНаучные руководители:доктор физико-математических наук, доцентШалыгин Александр Николаевичдоктор биологических наук, профессорМаксимов Георгий ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук, профессорТвердислов Всеволод Александровичдоктор физико-математических наук, в.н.с.Иванов Валерий АлександровичВедущая организация:ГУП Институт Медико-Биологических ПроблемРАН, г.

МоскваЗащита состоится “ 24 “ мая 2007 года в 16-30 часов на заседании диссертационногосовета К 501.001.02 физического факультета Московского государственногоуниверситета им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2, г. Москва, Ленинскиегоры, МГУ, физический факультет, аудитория ЮФА .С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУим. М.

В. Ломоносова.Автореферат разослан “” апреля 2007 года.Ученый секретарьДиссертационного Совета К 501.001.02,кандидат физико-математических наукИ. А. Никанорова2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыМагнитобиологияизучаетвлияниевнешнихискусственныхиестественных 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 биологическогообъекта [Холодов, 1991; Шакура 1987]. При исследовании действия СМП набиологический объект используют различные конфигурации и диапазонымагнитныхполей(ослабленноегеомагнитноеполе,постоянноеМП,переменное МП, комбинированные МП).

Интерес к воздействию ослабленногогеомагнитного поля (ОМП) обусловлен важной ролью геомагнитных полей вжизнедеятельности биосистем, популяций, а так же с коррекцией магнитныхсанитарных норм. Известно, что ослабление МП в три-четыре раза вызываетнарушение функции нервной деятельности человека и животных [Дубров,1974;Бинги,2002].Однакосистематическихисследованийдействияослабленного ГМП на разных уровнях организации биологических систем приодной и той же степени воздействия мало.

В настоящее время не ясенклеточныйимолекулярныймеханизмдействияМП.Существуютпредположения, что действие МП на биологический объект связанно сизменениемсостоянияконформацииотдельныхмолекул,содержащихпарамагнитные атомы (кислород, оксид азота, гемопорфирин, каротин,цитохромы и т.д.), а так же, транспортом электронов или ионов (переносэлектронов в органеллах (митохондрия), транспорт ионов в биологическихмембранах и т.д.).Актуальность темы обусловлена, как необходимостью исследованиякомплекснойзависимостифункционированиявозбудимыхклетокпридействии ослабленного геомагнитного поля, так и перспективами применениярезультатов в практике.3Целью данной работы являлось:1.исследование изменения возбудимости нервного волокна (амплитуда,порог, скорость проведения потенциала действия, форма импульса) вусловиях ослабленного в ~250 раз геомагнитного поля;2.исследование действия ослабленного в ~200 раз геомагнитного поля наконформацию молекул каротиноидов, как выделенных из клеток, так илокализованных в субклеточных органеллах нейронов и плазматическоймембране нервного волокна;3.

исследование действия ослабленного в ~200 раз геомагнитного поля нарегулярныеизменениякоэффициентапреломленияструктур,локализованных в примембранной и цитоплазматической областяхнейрона.Научная новизна работы заключается в следующем: впервые дляисследования действия ослабленного геомагнитного поля, были выбранынаиболеечувствительныефункционирующиебиологическиесистемы(полиеновая молекула каротина, нейрон и нерв).Впервые применялись спектральные методы, не меняющие характерфункционирования объекта (метод спектроскопии комбинационного рассеяния(КР), метод динамической фазовой микроскопии (ДФМ) в сочетании сметодами Фурье-анализа).Впервые проведены системные исследования действия ослабленногогеомагнитного поля на функционирование нейрона (амплитуда и скоростьпроведения возбуждения, порог возбуждения), конформацию полиеновыхмолекул каротиноидов, локализованных в различных областях нервной клетки(в липидах плазматической мембраны или субклеточных органелл), а так жеструктурные изменения различных отделов цитоплазмы клетки.Предложена схема, объясняющая выявленные эффекты (изменениевозбудимости,измененияплазматическойиконформациисубклеточныхмембран,4молекулкаротиноидовсостоянияцитоплазмы),обусловленные действием ослабленного магнитного поля навозбудимуюклетку, с позиций перераспределения молекул кислорода.Научная и практическая ценностьДанные,полученныеприисследованиидействияослабленногогеомагнитного поля на нервные клетки, проясняют и дополняют современноепонимание процессов, связанных с функционированием нервной системы приослаблении естественного геомагнитного поля.

Выявленные изменения намолекулярномиклеточномуровне(возбудимостьнерва,измененияконформации молекул каротиноидов плазматической мембраны и мембрансубклеточных органелл, а также структурной организации цитоплазмы)позволят охарактеризовать состояния клеток, тканей и органов в условияхослабления естественного геомагнитного фона.Полученные данные, могут быть использованы при анализе условийэлектромагнитной безопасности в ходе космического полета, а так же могутбыть учтены при корректировке магнитных санитарных норм.Основные результаты диссертации,которые выносятся на защиту,можно сформулировать следующим образом:1.Ослаблениегеомагнитногополяприводиткувеличениюпорогавозбуждения потенциала действия для чувствительных нервных волокон.2.

Действие ослабленного геомагнитного поля приводит к изменениюконформации молекул каротиноидов, локализованных в мембраненервного волокна и цитосомах нервных клеток.3.Ослабление геомагнитного поля приводит к изменению ритмическихпроцессов движения цитоплазматических структур клетки (митохондрии,цитосомы, нейрофибриллы и т.д.).Апробация работы. Основные результаты работы докладывались иобсуждались на российских и международных конференциях и симпозиумах:Magnetiс International Symposium, (Москва, 1999 г.), Третий Европейскийбиофизический конгресс (Мюнхен, 2000 г.), Третья Всероссийская научнаяконференция “Физические проблемы экологии (Экологическая физика)”5(Москва,2001г.),ЧетвертыйМеждународныйконгресс«Слабыеисверхслабые поля и излучения в биологии и медицине » (Санкт - Петербург,2006 г.). А так же, на научных семинарах кафедры биофизики биологическогофакультета МГУ им.

М.В. Ломоносова.Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 4статьях (одна в печати) и 5 тезисах докладов, список которых приведен вконце автореферата.Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трехглав, заключения и списка литературы. Полный объем диссертации 121страниц машинописного текста, включая 44 рисунка и библиографии из 124наименований.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,научная новизна и практическая ценность работы, сформулирована цельработы, излагаются выносимые на защиту положения.Первая глава содержит обзор результатов исследований воздействияОМП на биологические объекты, а так же теоретических работ, объясняющихдействия ОМП. В обзоре показано, что ослабление геомагнитного поля влияетв первую очередь на процессы, связанные с функционированием нервнойсистемы.Вторая глава содержит описание объектов, и методов исследованияприменявшихся в данной работе, а так же способов получения и контроляослабленного магнитного поля.Объектами исследования служили изолированные пейсмекерные нейроны(Ретциус (Rz)-клетки) медицинской пиявки (Hirudo medicinalis) и мотонейроныпедального ганглия прудовика (Lymnaea stagnalis), окологлоточные нервныекольца улиток - катушек (Planorbis carinatus), седалищный нерв травянойлягушки (Rana temporaria), раствор β-каротина (40 мМ).6В работе использовались следующие методы:- метод экстраклеточной регистрации мембранного потенциала [Тасаки,1958],дляисследованияизмененийвозбудимостинервноговолокна(амплитуда, порог, форма импульса, скорость передачи потенциала действия) вОМП (H=0,17±0,02);- метод резонансного комбинационного рассеяния (РКР) для исследованиявыделенного β-каротина и β-каротиноидов нервной клетки, с возбуждением оттвердотельного Nd-лазера (473 нм, мощность 17 мВт) [Maxwell & Caughey,1976; Соловьев и др., 1985; Maksimov et al., 1900; Максимов и др.

2000];-методмодуляционно-интерференционноймикроскопиидляисследования регулярных изменений локального показателя преломленияцитоплазмы и плазматической мембраны нейронов [Тычинский, 2001]. Дляобработки результатов было использовано программное обеспечение Matlab сприменением стандартных процедур быстрого Фурье-преобразования споследующей нормировкой амплитуды.ОМПформировалиспомощьюэкранировкиикомпенсациигеомагнитного поля Земли.

Для экранирования использовалась система камер.Каждая камера (2 шт.) была сделана из переплетенных полос аморфногопермаллоя К74 (Fe 50%, Ni 50%), и имела 8 слоев. Каркасом камер служилкартон. Размеры камер 485х195х205 и 475х106х180 мм соответственно,меньшая камера располагалась в большей, в промежутке между камераминаходилсяпенопласт.использовалосьтриДляпарыкомпенсациикатушекпостояннойГельмгольца,составляющейрасположенныхперпендикулярно друг к другу.

Внешний диаметр 35 мм, внутренний 20 мм,соответственно. Для контроля, за величиной ослабленного МП использовалисьмагнитометры HB 0204, HB 0599A.Третья глава cодержит результаты исследования и их обсуждение.1.Исследованиеизмененийвозбудимостинервногостволаприисследовалиприослаблении МП в 250 раз.Изменениявозбудимостинервного7волокнаэкранированиигеомагнитногополяв~250раз(H=0,17±0,02мкТл),относительно лабораторного значения (H=42,3±0,4 мкТл), используя системукамер из пермаллоя.