Влияние экспозиции слабого электромагнитного поля сверхнизкой частоты на структуру дневного сна

Нарушения сна различной степени тяжести наблюдаются у двух третей населения, и чаще всего при этом назначается фармакологическая терапия. Однако употребление фармакологических препаратов для терапии разных форм нарушений сна может приводить к привыканию или серьезным побочным эффектам, поэтому их длительное применение неприемлемо. В настоящее время ведутся поиски физиотерапевтических методов стимуляции мозга во время сна как альтернативы фармакологической терапии сна [1, 2].

Одним из эффективных нефармакологических методов воздействия на качество сна могут быть слабые электромагнитные поля сверхнизкой частоты (ЭМП СНЧ). Рядом авторов высказывается гипотеза, что ритмические процессы в живых организмах с момента зарождения жизни на Земле, наряду с освещенностью, определялись дополнительным суточным ритмом, определяемым электромагнитной составляющей гелио-геофизических факторов [3—5]. Особым преимуществом естественных ЭМП СНЧ как синхронизирующего фактора, по сравнению с освещенностью, является их всепроникающий характер. Основным источником естественных ЭМП СНЧ являются процессы в околоземном пространстве: 1) в полости Земля — ионосфера (шумановский резонанс на частотах 8, 14, 20 и 26 Гц); 2) взаимодействие магнитосферы Земли и солнечного ветра (геомагнитные вариации в диапазоне 0,05—4 Гц), так называемый альфвеновский резонанс. Весьма вероятно, что оба эти процесса могут быть дополнительным водителем циркадианного ритма. В любом случае вариации геомагнитного поля Земли являются важным экологическим фактором, в присутствии которого протекала эволюция органического мира [4, 5]. Анализ литературы показывает, что почти все биологические системы так или иначе реагируют на ЭМП СНЧ. Причем реагирует не только ЦНС, но и другие системы (сердечно-сосудистая, нейрогуморальная, иммунная и др.). Эти изменения, отличающиеся на 20—40% от уровня стационарного состояния, относят к классу адаптационно обратимых отклонений [6].

Обзор работ о магнитной чувствительности человека к ЭМП СНЧ по показателям электроэнцефалограммы (ЭЭГ) представлен в статье [7], а результаты недавней работы C. Wang и соавт. [8] позволили высказать гипотезу о природе магниточувствительности человека. Частоты естественных ЭМП СНЧ (0,5—26 ГЦ) представляют особый интерес тем, что они попадают в диапазон собственных колебаний спонтанной биоэлектрической активности мозга, в частности, с частотами, характерными для начальных и глубоких стадий сна: альфа-ритма (8—12 Гц), тета-ритма, дельта-ритма (0,5—4 Гц), и сонных веретен (12—15 Гц), и поэтому могут быть биологически значимыми. ЭМП с частотой 1Гц совпадают с частотным диапазоном дельта-ритма, характерным для глубоких стадий сна [9, 10]. В электромагнитной биологии слабыми обычно называют такие ЭМП СНЧ, величина которых сравнима со значениями геомагнитных вариаций, что существенно ниже установленного в России предельно допустимого уровня 100 мкТл для жилых и офисных помещений. Для сравнения: средняя напряженность постоянного магнитного поля Земли составляет приблизительно 50 мкТл, а амплитуда его медленных вариаций может достигать 1 мкТл. Биологические эффекты ЭМП СНЧ могут наблюдаться при очень низких значениях интенсивностей [11].

Первые результаты о позитивной экспозиции ЭМП СНЧ на ночной сон были получены в работе R. Wever в 1977 г. [12] и позднее подтверждены в других исследованиях [13, 14]. Также с практической точки зрения представляет интерес исследовать возможность воздействия ЭМП на кратковременный дневной сон, так как известно, что короткий дневной сон помогает восстановить силы, снизить негативное воздействие депривации сна и повысить работоспособность. J. Maas назвал его «энергетический сон» (ЭС) [15]. Положительное влияние такого короткого сна на здоровье, самочувствие и когнитивные функции показано многими авторами [16—18]. Оптимальная длительность ЭС составляет 10—30 мин, соответствует промежуточному состоянию между 1-й и 3-й стадиями медленного сна и характеризуется появлением сонных веретен, свойственных 2-й стадии сна. Причем показано, что короткого сна, содержащего только 1-ю стадию сна и небольшой участок 2-й стадии сна с одним сонным веретеном, недостаточно для получения положительного эффекта. Показано, что для этого требуется наличие не менее 3 мин 2-й стадии сна [19, 20]. Кроме того, оказалось, что если после 2-й стадии сна наблюдался переход к 3-й медленноволновой стадии сна, то эффект кратковременного сна на работоспособность был менее выражен, это, по-видимому, связано с инерцией сна, возникающей после эпизодов медленноволнового сна [21, 22].

Представляло интерес исследовать возможность улучшения качества дневного сна при экспозиции слабого ЭМП СНЧ, поэтому целью нашей работы было изучение воздействия слабого ЭМП с частотой 1 Гц на структуру дневного сна.

Испытуемые 22 человека (средний возраст 21,8 года, 19 женщин) были набраны из студентов московских вузов. Из числа испытуемых исключались: лица моложе 18 лет; беременные и кормящие матери; перенесшие острое респираторное заболевание в течение месяца перед экспериментом; занятые на сменной либо ночной работе; пересекавшие более двух меридианов на протяжении предыдущего месяца; имевшие нерегулярный график сна/бодрствования (более 1 ч в разбросе времени отхода ко сну и пробуждения) либо подверженные депривации сна на протяжении недели перед экспериментом. Все испытуемые сообщили об отсутствии психических заболеваний и расстройств сна, а также хронических заболеваний, влияющих на физическую форму и функциональное состояние.

Каждый испытуемый посещал лабораторию нейробиологии сна и бодрствования Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии дважды, как минимум с недельным перерывом между двумя экспериментами. Эксперименты проводились в послеобеденное время (в 13—15 ч дня). Контрольный эксперимент и эксперимент с воздействием ЭМП частотой 1 Гц проводились в случайном порядке. Испытуемым не сообщалось, какой эксперимент является контрольным, а в каком происходит экспозиция ЭМП СНЧ.

Перед экспериментом испытуемый проходил короткое интервью и заполнял опросник Эпвортская шкала сонливости. После этого устанавливались полисомнографические электроды и испытуемый располагался на кушетке в темном звукоизолированном помещении (освещенность менее 10 люкс). По инструкции ему предлагалось подремать после дистанционного выключения света в комнате, а после пробуждающего сигнала на 50-й минуте опыта оставаться в постели и бодрствовать в течение последних 10 мин эксперимента.

В опытах с воздействием ЭМП использовали генератор ECO Sleep (сертификат соответствия ГОСТ Р 0159555 от 15.12.17) производства ООО «ЦНСиБ» Сколково, формирующий прямоугольные импульсы тока, подаваемые на плоскую катушку индуктивности, играющую роль излучателя магнитного поля. Частота ЭМП СНЧ составляла 1 Гц. На поверхности прибора напряженность магнитного поля составляла 20 мкТл, а на расстоянии 70 см, в области головы испытуемого, — менее 0,004 мкТл. Прибор располагался под кушеткой, и испытуемый не мог увидеть, включен он или выключен. Прибор включался через 10 мин после того, как экспериментатор выключал свет, и длительность непрерывной экспозиции ЭМП была 40 мин.

Полисомнограмма регистрировалась посредством 16-канального беспроводного усилителя Neuropolygraph 24 («Нейротех», Таганрог, Россия). Использовался стандартный полисомнографический монтаж: один миографический электрод, расположенный на подбородке, два электроокулографических и электрокардиографический электроды. ЭЭГ регистрировалась с отведений C4, C3, O1, O2 в соответствии с международной системой 10-20, референтные электроды располагались билатерально на сосцевидных отростках. Частота опроса составляла 500 Гц. Производились удаление сетевой наводки (50 Гц) и фильтрация сигнала в диапазоне 0,5—35 Гц. После эксперимента двумя независимыми экспертами проводилось визуальное экспертное стадирование 30-секундных эпох всей 60-минутной записи, согласно стандартным критериям Американской академии медицины сна. Эпохи подразделялись на следующие стадии: W — бодрствование, N1—N3 — соответствующие стадии медленноволнового сна, R — сон с быстрыми движениями глаз. Для каждого испытуемого гипнограммы сна были приведены к бинарному виду: 0 — бодрствование и первая стадия сна, 1 — вторая и более глубокие стадии сна (рис. 1). На групповых графиках визуально заметны различия глубины сна в контроле и при воздействии. Для анализа данных такого рода в биологии применяют регрессионную логистическую модель [23]. В нашей работе был использован подход, описанный ранее в работе Д.Е. Шумова и соавт. [24] для анализа акустических бинауральных воздействий на дневной сон, с применением нелинейной логистической модели, определяемой уравнением Ферхюльста: P(t)=A/(1+exp(B–C*t)) (*), где P — количество заснувших испытуемых (находящихся на 2-й и 3-й стадиях сна) к моменту времени t; A — максимально возможное количество заснувших испытуемых в данных условиях опыта; C — скорость засыпания; B — уровень сонливости испытуемых в начале опыта. Для каждой 30-секундной эпохи эксперимента с 1-й по 50-ю минуту подсчитывали суммарное количество испытуемых P, находившихся на 2-й или 3-й стадиях сна (т.е. количество черных клеток в каждой строке рис. 1). Далее коэффициенты нелинейной регрессии A, B и C уравнения оценивали по методу наименьших квадратов Левенберга—Марквардта и вычислялась достоверность различий в контроле и при электромагнитном воздействии.

Рис. 1. Результаты стадирования сна испытуемых. Белые клетки означают бодрствование и 1-ю стадию сна, черные — 2-ю и 3-ю стадии сна.

Все испытуемые были ознакомлены с протоколом эксперимента и подписали информированное согласие перед участием в нем. Протокол исследования №2/19 одобрен этическим комитетом Института высшей нервной деятельности и нейрофизиологии. Исследование соответствует этическим стандартам Хельсинкской декларации.

Для статистической обработки данных использован пакет StatSoft Statistica 6.0.

На рис. 1 — гипнограммы дневного сна, приведенные к бинарному виду и ранжированные по увеличению доли сна в экспериментах со стимуляцией. Хорошо видно увеличение общей доли времени, проведенного испытуемыми во 2-й и 3-й стадиях сна (черные прямоугольники), в экспериментах со стимуляцией по сравнению с контролем. Однако средняя доля времени, проведенного испытуемыми в состоянии сна (2-я и 3-я стадии) в контроле — 0,26±0,05 и при стимуляции ЭМП СНЧ — 0,34±0,05, не достигала статистически значимого уровня (p=0,11, t-критерий Стьюдента для связанных выборок), что, по-видимому, связано с недостаточным количеством испытуемых. На рис. 2 для каждой эпохи представлены численные значения количества испытуемых, находящихся во 2-й и 3-й стадиях сна, и построенные по ним регрессионные кривые. Значения коэффициентов модели нелинейной регрессии и уровни достоверности различий приведены в таблице. При воздействии ЭМП СНЧ по сравнению с контролем достоверно улучшалось качество сна, оцениваемое по показателю непрерывности сна, а именно: наблюдалось меньше переходов от 2-й и более глубоких стадий сна к 1-й стадии и к состоянию бодрствования (интерпретация коэффициента A, p<0,0001). Несколько различается оцененная по модели сонливость испытуемых на момент начала опыта (коэффициент B, p=0,06), однако различия недостоверны и, скорее всего, связаны со случайными колебаниями в малой выборке (см. разброс экспериментальных точек в первые 10 мин эксперимента). Коэффициент С, отражающий скорость перехода от бодрствования ко сну, практически не меняется (p=0,48). Таким образом, по результатам моделирования в эксперименте со стимуляцией во 2-й и 3-й стадиях сна в среднем пребывали приблизительно 13 человек из 22 (а в контрольном эксперименте — 11 человек). С 20-й по 30-ю минуты опыта различия в числе спящих еще заметнее (в среднем 12 спящих в контроле и 15 спящих при стимуляции).

Рис. 2. Сравнение числа испытуемых, находившихся на 2-й и 3-й стадиях сна.

Таблица. Оценка коэффициентов регрессии уравнения Ферхюльста: P(t)=A/(1+exp(B–C*t)) — по методу наименьших квадратов Левенберга—Марквардта, для двух экспериментальных серий. Звездочкой обозначены статистически значимые различия

Примечание. t(A1-A2) — разность максимального возможного количества заснувших испытуемых при стимуляции и в контроле; t(B1-B2) — разность уровня сонливости испытуемых в начале опытов при стимуляции и в контроле; t(C1-C2) — разность скорости засыпания при стимуляции и в контроле.

Нами был применен метод анализа гипнограмм с использованием нелинейной регрессионной модели, позволяющий оценить непрерывность дневного сна [24, 25]. Было показано, что при воздействии ЭМП СНЧ по сравнению с контролем достоверно улучшалось качество сна, оцениваемое по показателю непрерывности сна, а именно: наблюдалось меньше переходов от 2-й и более глубоких стадий сна к 1-й стадии и к состоянию бодрствования. Этот показатель также можно определить как консолидированность сна. В ряде работ показано, что оценка показателей непрерывности и стабильности сна хорошо коррелирует с показателями качества сна и освежающим эффектом сна, оцениваемым другими методами [26, 27]. В нашей предыдущей статье [28] для анализа этих же экспериментальных данных был использован другой математический аппарат и было показано достоверное увеличение длительности 2-й стадии сна без особых изменений в 1-й и 3-й стадиях сна. Таким образом, применение двух независимых методов анализа дневного сна показало наличие положительных эффектов на качество дневного сна при воздействии слабого ЭМП с частотой 1 Гц и интенсивностью 0,004 μT. Полученный результат может быть использован для повышения качества короткого сна и его положительного эффекта на самочувствие, когнитивные функции и работоспособность. Для подтверждения полученных результатов планируется дальнейшее исследование на большем количестве испытуемых с экспозицией ЭМП СНЧ в более широком диапазоне частот (1—20 Гц).

Исследование частично поддержано грантом РФФИ (№20-013-00603а) и средствами государственного бюджета по госзаданию (№АААА-А17-117092040002-6).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.