Мозг в электромагнитных полях

Рис. 16. Вызванный потенциал сенсомоторной коры больших полушарий мозга (I) крысы и потенциал действия икроножной мышцы (II) лягушки на электрическую стимуляцию седалищного нерва в фоне (1) и после 10—20-минутного воздействия постоянным магнитным нолем с индукцией 400 мТ (2)

Продолжая перечисление возможных механизмов действия ЭМП на мозг, следует обратить внимание на межцентральные отношения. Наиболее чувствительным к ЭМП многие исследователи считают гипоталамус, где сосредоточены высшие вегетативные центры (рис. 17). Но имеется мнение, что гиппокамп может брать на себя ведущую роль в организации реакции мозга на ЭМП. Конечно, важную роль в осуществлении этой реакции играет кора больших полушарий мозга и другие его ведущие отделы.

Иерархия межцентральных отношений в мозге при действии ЭМП меняется в зависимости от исходного функционального соотношения отдельных центров, а для детального анализа этого соотношения необходимо знать, что происходит на клеточном уровне.

Не разбирая подробно роль нейрона и глии в реакции мозга на ЭМП (чему посвящена отдельная глава), мы должны основное внимание уделить мембранным процессам, функция которых окончательно не выяснена.

Выдвигаемые гипотезы о молекулярных механизмах функционирования биологических мембран должны удовлетворять принципу реципрокности протекания в мембране сопряженных молекулярных процессов, что обусловливает совершенно необычные с позиций классических представлений конкурентные взаимоотношения поглощения Са и фосфорилирования АДФ, переноса электронов и активации АТФазы в митохондриях, а в плазматических мембранах приводит к реципрокным соотношениям электрогенного натриевого насоса и аккумуляции К⁺, активности холино- и адренорецепторов.

Рис. 17. Реакции разных отделов мозга кролика на ЭМП в норме (А), а также после введения кофеина (Б) или адреналина (В)

Ордината — интенсивность реакции (%); 1 — гипоталамус; 2 — сензомоторная кора; 3 — зрительная кора; 4 — специфические ядра таламуса; 5 — неспецифические ядра таламуса; 6 — гиппокамп; 7 — ретикулярная формация

Этому требованию удовлетворяет гипотеза М. А. Шишло, согласно которой в мембране митохондрий происходит переход разности электрических потенциалов в скачок концентрации ионов водорода на границе раздела двух сред, который используется для синтеза АТФ (рис. 18). Система включает два основных элемента, работающих на основе электронно-колебательных взаимодействий, которые в соответствии с пространственно-зарядовой асимметрией мембраны, определяемой разностью pH по обе стороны и гидрофобными взаимодействиями белков и липидов, должны иметь положительную кооперативную связь рН с виброном, участвующим в синтезе АТФ, и отрицательную кооперативную связь с вибронным возбуждением, осуществляющим выброс Н⁺ за пределы митохондрий и участвующим в транспорте кальция.

Из анализа модели вытекает важнейший вывод о том, что система, управляемая скачком концентрации протонов, не может быть системой с дипольными искажениями и должна обладать свойствами кристаллов, в которых параметром порядка служит деформация. Только в этом случае сброс протона по его электрохимическому градиенту может сопровождаться эффективной утилизацией энергии этого перехода в синтезе АТФ.

Если управление посредством изменения разности потенциалов вибронной неустойчивостью системы с дипольным искажением является общепризнанным и физически ясным процессом, то управление посредством рН требует пояснения и доказательств.

Рис. 18. Схема механизма биологического действия ЭМП

Оно становится возможным лишь в том случае, если деформационная система стационарно находится в искаженном состоянии в результате химических гидрофобных взаимодействий. Быстрое появление скачка протонов на границе липид—белок нейтрализует гидрофобный градиент системы с деформационным искажением, что приводит к ее вибронному возбуждению, и протоны стекают по градиенту, участвуя в синтезе АТФ. Такой механизм обеспечивает суммацию в акте синтеза АТФ энергии деформационного искажения с энергией, выделяемой в ходе сбрасывания Н⁺ по их электрохимическому градиенту. Ни одна равновесная искаженная ян-теллеровская система без механизма поддержания искаженной конфигурации не может обеспечить такой суммации двух вкладов при активации эндергонической химической реакции синтеза АТФ. Из этого вытекает фундаментальное значение гидрофобных взаимодействий в мембранах.

Исходя из изложенного, ограничение процессов переокисления липидов становится особо необходимым для нормального функционирования АТФ-синтетазы и любого другого механизма, построенного на использовании энергии деформационного искажения кооперативных электронно-колебательных систем.

Становится очевидным, что гипероксия может избирательно повреждать функционирование этих деформационных кооперативных систем ослаблением гидрофобных взаимодействий при усилении перекисного окисления липидов.

В рассматриваемой системе изменение пространственно-зарядовой асимметрии мембраны изменяет вклад деформационной и электрической составляющих в элементарный акт синтеза АТФ, но не изменяет стехиометрию: один квант вибронного возбуждения системы с деформационным искажением — один элементарный акт синтеза АТФ. Изменяется при этом лишь форма и высота потенциальных барьеров для туннелирования протона и время протекания элементарного акта синтеза АТФ.

Интересно, что изменение трансмембранной рН принципиально обращает пространственно-зарядово-временную симметрию системы с дипольными искажениями. Повышение pH закономерно приводит в такой системе к переключению от механизма поглощения К⁺ в обмен на Н⁺ к механизму электронного переноса К⁺, активируемого туннельным переносом электрона в данной структуре.

На этом мы закончим описание модели и покажем далее ее адекватность в описании эффектов ЭМП в митохондриях.

В рассматриваемой системе при воздействии ЭМП можно ожидать взаимодействия электрической составляющей с дипольной кооперативной системой мембран митохондрий. При этом ЭМП может инициировать ток деполяризации в сегнетоэлектрике, что должно активировать дыхательную цепь митохондрий и приводить в конечном итоге к диссипации поглощенной энергии в тепло. Система поддержания асимметрии мембраны за счет окислительно-восстановительного потенциала должна быть при этом активирована, и после выключения поля должен остаться «след» от компенсации деэнергизующего действия ЭМП.

Исследования показали, что в момент действия высокочастотного ЭМП происходит вибронное возбуждение дипольной кооперативной системы, осуществляющей сброс протона за пределы митохондрий. Поэтому после прекращения действия ЭМП можно ожидать появления неравновесного распределения зарядов на мембране (либо протонов, либо катионов), которое должно приходить к равновесию в ближайшем периоде последействия.

Как мы описывали ранее, ЭМП при действии на нервную систему может вызвать появление и развитие комплекса функциональных сдвигов. В основе этих сдвигов лежат разнообразные биофизические процессы, суть которых остается еще неизученной. Таких процессов одновременно происходит несколько, и мы не беремся здесь перечислять их все. Упомянем только, что МП могут индуцировать электрический ток (некоторые исследователи только этот механизм и признают), а поля СВЧ большой интенсивности могут вызывать нагревание (на чем основаны многие исследования в США). Воздействие ЭМП на возбудимые структуры можно связать с изменением калий-натриевого градиента в клетке за счет колебаний молекул воды, гидратирующих ионы и белковые молекулы, поверхностного слоя мембраны клетки.

Возможность влияния ЭМП на свойства водных растворов показана при техническом использовании так называемой магнитной обработки воды, в результате чего уменьшается осаждение на стенках котлов растворенных в ней солей, понижается смачиваемость поверхностей твердых тел, повышается скорость процессов сгущения суспензий, фильтрации, твердения цемента и т. д., а также изменяются ее биологические свойства.

ЭМП могут поляризовать боковые цепи белковой молекулы, вызывая разрывы водородных связей и изменяя зону гидратации молекул. Существует предположение, что сильные ПМП могут влиять на ориентацию макромолекул, в частности РНК и ДНК, и тем самым изменять биологические процессы. Увеличение активности ферментов трипсина и карбоксидисмутазы под влиянием ПМП позволяет предполагать, что химические изменения играют важную роль в первичных механизмах действия ЭМП. Поглощение переменных полей может происходить за счет ионной проводимости среды, релаксационных колебаний дипольных молекул и резонансных процессов. ЭМП, таким образом, нарушает структуру водных систем, изменяет активность ферментов и влияет на проницаемость биологических мембран.