Воздействие факторов межпланетного полета на функции центральной нервной системы: модельные эксперименты на приматах
DOI:
https://doi.org/10.33910/2687-1270-2023-4-4-401-414Ключевые слова:
межпланетные полеты, макаки-резус, когнитивные функции, ионизирующие излучения, антиортостатическая гипокинезия, обмен моноаминовАннотация
Подготовка к медико-биологическому обеспечению межпланетных полетов, связанных с выходом космического корабля за пределы защитного действия магнитосферы Земли, диктует необходимость пересмотра концепции радиационного риска: от оценки отдаленных стохастических последствий, принятой для орбитальных полетов, к оценке риска функциональных нарушений центральной нервной системы. В межпланетных миссиях на первый план выступает так называемый эргономический риск, связанный с угрозой нарушений операторской деятельности космонавтов непосредственно в полете. Это требует проведения комплекса нейробиологических исследований в наземных экспериментах как на мелких лабораторных животных, так и на приматах. Исследования на приматах, в частности, моделирование базовых элементов операторской деятельности, являются необходимым звеном для оценки риска их нарушений и экстраполяции полученных данных на человека. В статье приведен анализ проблематики в данной области и обзор экспериментальных работ авторов, посвященных модельным экспериментам на приматах, воспроизводящим условия радиационной обстановки межпланетного полета. Изучены когнитивные функции и обмен моноаминов в периферической крови при комплексном воздействии различных видов ионизирующих излучений и моделируемой невесомости. Показано, что существенные нарушения когнитивных функций вызывает комбинированное воздействие гамма-излучения и / или ионов углерода и моделируемой гипогравитации у животных с несбалансированными нервными процессами и превалированием возбуждения. Показана ведущая роль типологических характеристик высшей нервной деятельности обезьян в характере функциональной реакции центральной нервной системы на экспериментальные воздействия: обезьяна сильного уравновешенного типа высшей нервной деятельности успешно сохраняла когнитивные функции после всех экспериментальных воздействий. Нейрохимические исследования косвенно свидетельствуют о ведущей роли дофаминергической системы мозга в балансе нарушений обмена медиаторов в мозге.
Библиографические ссылки
ЛИТЕРАТУРА
Беляева, А. Г., Штемберг, А. С., Носовский, А. М. и др. (2017) Воздействие высокоэнергетических протонов и ионов углерода 12С на когнитивные функции обезьян и содержание моноаминов и их метаболитов в периферической крови. Нейрохимия, т. 34, № 2, с. 168–176. https://doi.org/10.7868/S1027813317010034
Большев, Л. Н., Смирнов, Н. В. (1983) Таблицы математической статистики. М.: Наука, 416 с.
Григорьев, А. И., Красавин, Е. А., Островский, М. А. (2013) К оценке риска биологического действия галактических тяжелых ионов в условиях межпланетного полета. Российский физиологический журнал им. И. М. Сеченова, т. 99, № 3, с. 273–280.
Лебединский, А. В., Нахильницкая, З. Н. (1960) Влияние ионизирующих излучений на нервную систему. М.: Атомиздат, 188 с.
Ливанов, М. Н. (1962) Некоторые проблемы действия ионизирующей радиации на нервную систему. М.: Медгиз, 196 с.
Лившиц, Н. Н. (1961) Влияние ионизирующих излучений на функции центральной нервной системы. М.: Изд-во АН СССР, 180 с.
Матвеева, М. И., Штемберг, А. С., Тимошенко, Г. Н. и др. (2013) Влияние облучения ионами углерода 12С на обмен моноаминов в некоторых структурах мозга крыс. Нейрохимия, т. 30, № 4, с. 343–348. https://doi.org/10.7868/s1027813313040067
Минаев, П. Ф. (1962) Влияние ионизирующих излучений на центральную нервную систему. М.: Изд-во АН СССР, 129 с.
Феллер, В. (1984) Введение в теорию вероятностей и ее приложения: В 2 т. М.: Мир.
Шеффе, Г. (1980) Дисперсионный анализ. М.: Наука, 512 с.
Штемберг, А. С. (1987) Роль индивидуальных типологических особенностей высшей нервной деятельности в формировании и радиационной устойчивости упроченных двигательно-оборонительных условных рефлексов у крыс. Известия АН СССР. Cерия биологическая, № 4, с. 547–557.
Belyaeva, A. G., Kudrin, V. S., Koshlan, I. V. et al. (2021) Effects of combined exposure to modeled radiation and gravitation factors of the interplanetary flight: Monkeys’ cognitive functions and the content of monoamines and their metabolites; cytogenetic changes in peripheral blood lymphocytes. Life Sciences in Space Research, vol. 30, pp. 45–54. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.05.004
Blair, W. C. (1958) The effects of cranial X radiation on maze acquisition in rats. Journal of Comparative and Physiological Psychology, vol. 51, no. 2, pp. 175–177. https://doi.org/10.1037/h0048604
Britten, R. A., Davis, L. K., Johnson, A. M. et al. (2012) Low (20 CGy) doses of 1 GeV/u 56Fe-particle radiation lead to a persistent reduction in the spatial learning ability of rats. Radiation Research, vol. 177, no. 2, pp. 146–151. https://doi.org/10.1667/RR2637.1
Harlow, H. F., Schrier, A. M., Simons, D. G. (1956) Exposure of primates to cosmic radiation above 90,000 feet. Journal of Comparative and Physiological Psychology, vol. 49, no. 2, pp. 195–200. https://doi.org/10.1037/h0041001
Kokhan, V. S., Matveeva, M. I., Bazyan, A. S. et al. (2017) Combined effects of antiorthostatic suspension and ionizing radiation on the behaviour and neurotransmitters changes in different brain structures of rats. Behavioural Brain Research, vol. 320, pp. 473–483. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2016.10.032
Machida, M., Lonart, G., Britten, R. A. (2010) Low (60 cGy) doses of 56Fe HZE-particle radiation lead to a persistent reduction in the glutamatergic readily releasable pool in rat hippocampal synaptosomes. Radiation Research, vol. 174, no. 5, pp. 618–623. https://doi.org/10.1667/RR1988.1
Rabin, B. M., Joseph, J. A., Shukitt-Hale, B. (2004) Heavy particle irradiation, neurochemistry and behavior: Thresholds, dose-response curves and recovery of function. Advances in Space Research, vol. 33, no. 8, pp. 1330– 1333. https://doi.org/10.1016/j.asr.2003.09.051
Rabin, B. M., Joseph, J. A., Shukitt-Hale, B. A. (2005) A longitudinal study of operant responding in rats irradiated when 2 months old. Radiation Research, vol. 164, no. 4, pp. 552–555. https://doi.org/10.1667/rr3349.1
Riopelle, A. J. (1982) Some behavioral effects of ionizing radiation on primates. In: T. J. Haley (ed.). Response of the nervous system to ionizing radiation. New York; London: Academic Press, pp. 719–728.
Shtemberg, A. S., Kokhan, V. S., Kudrin, V. S. et al. (2015) The effect of high-energy protons in Bragg Peak on the exchange of monoamines in some brain structures. Neurochemical Journal, vol. 9, no. 1, pp. 66–72. https://doi.org/10.1134/S1819712415010109
Shtemberg, A. S., Lebedeva-Georgievskaya, K. B., Matveeva, M. I. et al. (2014) Effect of space flight factors simulated in ground-bazed experiments on the behavior, discriminant learning, and exchange of monoamines in different brain structures of rats. Biology Bulletin, vol. 41, no. 2, pp. 161–167. https://doi.org/10.1134/S1062359014020095
Shukitt-Hale, B., Casadesus, G., McEwen, J. J. et al. (2000) Spatial learning and memory deficits induced by exposure to iron-56-particle radiation. Radiation Research, vol. 154, no. 1, pp. 28–33. https://doi.org/10.1667/0033-7587(2000)154[0028:slamdi]2.0.co;2
Washburn, D. A., Rumbaugh, D. M., Richardson, W. K. et al. (2000) PTS performance by flight- and control-group macaques. Journal of Gravitational Physiology, vol. 7, no. 1, pp. S89–S94. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11543471
REFERENCES
Belyaeva, A. G., Kudrin, V. S., Koshlan, I. V. et al. (2021) Effects of combined exposure to modeled radiation and gravitation factors of the interplanetary flight: Monkeys’ cognitive functions and the content of monoamines and their metabolites; cytogenetic changes in peripheral blood lymphocytes. Life Sciences in Space Research, vol. 30, pp. 45–54. https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.05.004 (In English)
Belyaeva, A. G., Shtemberg, A. S., Nosovskii, A. M. (2017) Vozdejstvie vysokoenergeticheskikh protonov i ionov ugleroda 12С na kognitivnye funktsii obez’yan i soderzhanie monoaminov i ikh metabolitov v perifericheskoj krovi [The effects of high-energy protons and carbon ions 12C on the cognitive function and the content of monoamines and their metabolites in peripheral blood in monkeys]. Nejrokhimiya — Neurochemical Journal, vol. 34, no. 2, pp. 168–176. https://doi.org/10.7868/S1027813317010034 (In Russian)
Blair, W. C. (1958) The effects of cranial X radiation on maze acquisition in rats. Journal of Comparative and Physiological Psychology, vol. 51, no. 2, pp. 175–177. https://doi.org/10.1037/h0048604 (In English)
Bol’shev, L. N., Smirnov, N. V. (1983) Tablitsy matematicheskoj statistiki [Mathematical statistics tables]. Moscow: Nauka Publ., 416 p. (In Russian)
Britten, R. A., Davis, L. K., Johnson, A. M. et al. (2012) Low (20 CGy) doses of 1 GeV/u 56Fe-particle radiation lead to a persistent reduction in the spatial learning ability of rats. Radiation Research, vol. 177, no. 2, pp. 146–151. https://doi.org/10.1667/RR2637.1 (In English)
Feller, W. (1984) Vvedenie v teoriyu veroyatnostej i ee prilozheniya: V 2 t. [An introduction to probability theory and its applications: In 2 vols.]. Moscow: Mir Publ. (In Russian)
Grigor’ev, A. I., Krasavin, E. A., Ostrovskij, M. A. (2013) K otsenke riska biologicheskogo dejstviya galakticheskikh tyazhelykh ionov v usloviyakh mezhplanetnogo poleta [Galactic heave charged particles damaging effect on biological structures]. Rossijskij fiziologicheskij zhurnal im. I. M. Sechenova — Russian Journal of Physiology, vol. 99, no. 3, pp. 273–280. (In Russian)
Harlow, H. F., Schrier, A. M., Simons, D. G. (1956) Exposure of primates to cosmic radiation above 90,000 feet. Journal of Comparative and Physiological Psychology, vol. 49, no. 2, pp. 195–200. https://doi.org/10.1037/h0041001 (In English)
Kokhan, V. S., Matveeva, M. I., Bazyan, A. S. et al. (2017) Combined effects of antiorthostatic suspension and ionizing radiation on the behaviour and neurotransmitters changes in different brain structures of rats. Behavioural Brain Research, vol. 320, pp. 473–483. https://doi.org/10.1016/j.bbr.2016.10.032 (In English)
Lebedinskij, A. V., Nakhil’nitskaya, Z. N. (1960) Vliyanie ioniziruyushchikh izluchenij na nervnuyu sistemu [Effects of ionizing radiation on the nervous system]. Moscow: Atomizdat Publ., 188 p. (In Russian)
Livanov, M. N. (1962) Nekotorye problemy dejstviya ioniziruyushchej radiatsii na nervnuyu sistemu [Some problems connected with the action of ionizing radiation on the nervous system]. Moscow: Medgiz Publ., 196 p. (In Russian)
Livshits, N. N. (1961) Vliyanie ioniziruyushchikh izluchenij na funktsii nervnoj sistemy [Effects of ionizing radiation on the functions of the central nervous system]. Moscow: Academy of Sciences of the USSR Publ., 180 p. (In Russian)
Machida, M., Lonart, G., Britten, R. A. (2010) Low (60 cGy) doses of 56Fe HZE-particle radiation lead to a persistent reduction in the glutamatergic readily releasable pool in rat hippocampal synaptosomes. Radiation Research, vol. 174, no. 5, pp. 618–623. https://doi.org/10.1667/RR1988.1 (In English)
Matveeva, M. I., Shtemberg, A. S., Timoshenko, G. N. (2013) Vliyanie oblucheniya ionami ugleroda 12С na obmen monoaminov v nekotorykh strukturakh mozga krysy [The effects of irradiation by 12С carbon ions on monoamine exchange in several rat brain structures]. Nejrokhimiya — Neurochemical Journal, vol. 30, no. 4, pp. 343–348. https://doi.org/10.7868/s1027813313040067 (In Russian)
Minaev, P. F. (1962) Vliyanie ioniziruyushchikh izluchenij na nervnuyu sistemu [Effects of ionizing radiation on the central nervous system]. Moscow: Academy of Sciences of the USSR Publ., 129 p. (In Russian)
Rabin, B. M., Joseph, J. A., Shukitt-Hale, B. (2004) Heavy particle irradiation, neurochemistry and behavior: Thresholds, dose-response curves and recovery of function. Advances in Space Research, vol. 33, no. 8, pp. 1330– 1333. https://doi.org/10.1016/j.asr.2003.09.051 (In English)
Rabin, B. M., Joseph, J. A., Shukitt-Hale, B. A. (2005) A longitudinal study of operant responding in rats irradiated when 2 months old. Radiation Research, vol. 164, no. 4, pp. 552–555. https://doi.org/10.1667/rr3349.1 (In English)
Riopelle, A. J. (1982) Some behavioral effects of ionizing radiation on primates. In: T. J. Haley (ed.). Response of the nervous system to ionizing radiation. New York; London: Academic Press, pp. 719–728. (In English)
Scheffe, H. (1980) Dispersionnij analiz [Dispersion analysis]. Moscow: Nauka Publ., 512 p. (In Russian)
Shtemberg, A. S. (1987) Rol’ individual’nykh tipologicheskikh osobennostej vysshej nervnoj deyatel’nosti v formirovanii i radiatsionnoj ustojchivosti uprochennykh dvigatel’no-oboronitel’nykh uslovnykh refleksov u krys [The role of the individual typological characteristics of rats higher nervous activity in the formation and radiation stability of strengthened motor-defensive conditional reflexes]. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Seriya biologicheskaya — Biology Bulletin, no. 4, pp. 547–557. (In Russian)
Shtemberg, A. S., Kokhan, V. S., Kudrin, V. S. et al. (2015) The effect of high-energy protons in Bragg Peak on the exchange of monoamines in some brain structures. Neurochemical Journal, vol. 9, no. 1, pp. 66–72. https://doi. org/10.1134/S1819712415010109 (In English)
Shtemberg, A. S., Lebedeva-Georgievskaya, K. B., Matveeva, M. I. et al. (2014) Effect of space flight factors simulated in ground-bazed experiments on the behavior, discriminant learning, and exchange of monoamines in different brain structures of rats. Biology Bulletin, vol. 41, no. 2, pp. 161–167. https://doi.org/10.1134/S1062359014020095 (In English)
Shukitt-Hale, B., Casadesus, G., McEwen, J. J. et al. (2000) Spatial learning and memory deficits induced by exposure to iron-56-particle radiation. Radiation Research, vol. 154, no. 1, pp. 28–33. https://doi.org/10.1667/0033-7587(2000)154[0028:slamdi]2.0.co;2 (In English)
Washburn, D. A., Rumbaugh, D. M., Richardson, W. K. et al. (2000) PTS performance by flight- and control-group macaques. Journal of Gravitational Physiology, vol. 7, no. 1, pp. S89–S94. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11543471 (In English)
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Андрей Сергеевич Штемберг, Александр Александрович Перевезенцев, Александра Григорьевна Беляева
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
Автор предоставляет материалы на условиях публичной оферты и лицензии CC BY-NC 4.0. Эта лицензия позволяет неограниченному кругу лиц копировать и распространять материал на любом носителе и в любом формате, но с обязательным указанием авторства и только в некоммерческих целях. После публикации все статьи находятся в открытом доступе.
Авторы сохраняют авторские права на статью и могут использовать материалы опубликованной статьи при подготовке других публикаций, а также пользоваться печатными или электронными копиями статьи в научных, образовательных и иных целях. Право на номер журнала как составное произведение принадлежит издателю.
