Исследование особенностей протекания адаптационного синдрома в Антарктиде методом газоразрядной визуализации

Ом С.Н.*, Гурский В.В.**      
* Арктический и Антарктический НИИ, российская антарктическая экспедиция,
** Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (РАН)

Введение

   Адаптация – сложный социально-биологический процесс активного приспособления организма к изменяющимся условиям существования, имеющий фазовый характер, создающий  возможность проживания в суровых климатических условиях, является важнейшим свойством биологических  объектов.
   Комплекс факторов, определяющих  поведение  организма человека в  высоких широтах, состоит из целого ряда элементов, включающих климатогеографические, социально-экологические, производственные и другие  аспекты деятельности человека. Это и гелиомагнитные воздействия, изменение светопериодики, статическое электричество, нарушение вводно-солевого баланса, необходимость пребывания значительное количество времени в помещениях и как  вследствие этого – гиподинамия.
   В отдельную группу отрицательных факторов воздействия можно выделить труднодоступность и изоляцию в течение 10-ти месяцев в году, ослабление контактов с родными и близкими, отсутствие привычного рациона питания и естественных витаминов, недостаток визуальных раздражителей.
В экстремальных условиях климатических, географических и  социально-психологических  воздействий организм  человека находится в  состоянии  хронического  напряжения  всех  функциональных  систем. Это может рассматриваться  как один из главных факторов риска в возникновении и развитии  патологических  изменений в организме или  обострении ранее существовавших хронических  заболеваний. Наиболее  чутко на экстремальные  условия внешней среды реагирует центральная  нервная системы. Почти в каждой  экспедиции  отмечены  случаи развития адаптационного синдрома, нуждающиеся в амбулаторном и, нередко, стационарном лечении, а также развитие дистоний  и  неврозов, способствующих перестройке личности – вплоть до развития ипохондрических  и депрессивных тенденций, склонности к истерическим  проявлениям. Это зачастую проявляется  в период  полярной ночи в Антарктиде, когда эти формы дезадаптации у полярников наиболее  представлены. На основании имеющихся отчетов нами  сделан вывод о необходимости  усовершенствования тщательного  отбора в экспедиции наиболее полноценных по состоянию  здоровья людей, выявить возможные начальные стадии заболевания, а также формы заболеваний или преморбидные состояния, которые  могут проявить себя в экспедиции.
   Целью настоящего исследования является определение фактической длительности адаптационного периода у полярников – участников Российской антарктической экспедиции методом газоразрядной визуализации.
   В исследовании принимали участие 28 полярников – участников  48-ой Российской антарктической экспедиции станции «Новолазаревская».

Метод исследования

   Исследование периода адаптации полярников осуществлялось методом газоразрядной визуализации (ГРВ) в динамическом режиме [1]. Для 20 участников экспедиции, каждому из которых был присвоен номер от 1 до 20, были получены динамические ГРВ изображения (ГРВ-граммы) 10 пальцев в виде avi-файлов. Одна ГРВ-грамма содержала динамическое изображение одного пальца с длительностью 5 секунд и с частотой дискретизации 10 кадров в секунду. Эти данные снимались от одного до трех дней в месяц в течение 7 месяцев (с апреля по октябрь).
   Для дальнейших численных оценок динамические изображения обрабатывались с помощью программы GDV Video Analyzer [2]. В результате обработки динамической ГРВ-граммы получаются временные ряды следующих 10 параметров ГРВ-грамм: площадь засветки, коэффициент формы изображения, средний радиус изолинии изображения, нормализованное среднеквадратичное отклонение среднего радиуса изолинии, длина изолинии, энтропия по изолинии, средняя интенсивность засветки, количество фрагментов в изображении, фрактальность по изолинии и среднеквадратичное отклонение фрактальности по изолинии. Была исследована динамика по месяцам средних значений описанных параметров, причем усреднение бралось по времени (по всем точкам во временном ряду параметра) и по всем 10 пальцам.
   В качестве характеристики временных рядов параметров ГРВ-грамм выбрана максимальная энтропия временного ряда. Для отдельного параметра и одной ГРВ-граммы (для одного пальца) данная энтропия определяется следующим образом. Рассмотрим различные разбиения области значений параметра с временным рядом, содержащим M точек, на J (1 ≤ J ≤ M) интервалов.       Максимальная энтропия H вычисляется по формуле:
          (1)
где Pj = Nj / NM, Nj  — число точек во временном ряду, для которых значения параметра попадают в j-ый интервал разбиения (1 ≤ j ≤ J), NM  — число всех различных значений параметра во временном ряду длины M, и максимум в (1) берется по разбиениям различной длины J. Максимальная энтропия Hm для всех ГРВ-грамм, соответствующих 10-ти пальцам, получается усреднением Hm из (1) по всем ГРВ-граммам. Именно это значение Hm рассматривается далее.

Результаты

   Основной целью исследования являлось выявление особенностей поведения параметров ГРВ-грамм и их динамических характеристик у полярников на больших временных промежутках (месяцы). Характерной особенностью большинства параметров ГРВ-грамм является их вариабельность, то есть довольно большая изменчивость их значений во времени. Динамика средних значений параметров на временных интервалах порядка нескольких месяцев весьма различна для разных параметров. Однако динамические кривые максимальной энтропии Hm имеют одинаковую форму вне зависимости от того, по какому параметру ГРВ-граммы рассчитывалась Hm. Для примера на рис. 1 приведены все кривые для полярника с номером 18.

Рис.1. Кривые динамики (с апреля по октябрь) максимальной энтропии Hm временных рядов всех параметров ГРВ-грамм для №18.

   Величина отклонения кривых на рис.1 друг от друга находится в пределах среднеквадратичного отклонения функций Hm отдельных ГРВ-грамм от среднего значения Hm для каждого параметра. Данный факт свидетельствует о том, что функция Hm является робастной характеристикой исследуемого ГРВ изображения, т.е. не зависит от параметра, используемого для оцифровки этого изображения. Пользуясь этим, мы можем говорить о динамике Hm, не уточняя по какому параметру она считалась; то есть энтропия Hm инвариантна относительно выбора параметра для ее вычисления. В то же время из рисунка видно, что величина Hm может существенно меняться от месяца к месяцу, то есть энтропия несет некую информацию об изменениях в состоянии исследуемого объекта, происходящих на интервалах времени в несколько месяцев.
   Сравнение динамических кривых максимальной энтропии Hm у разных полярников выявило следующую общую особенность в динамике Hm. У 18-ти из 20-ти человек энтропия имеет минимум в июне, причем из них у 12-ти полярников данный минимум является глобальным, а у оставшихся 6-ти — локальным. На рис. 2 и 3 представлена типичная динамика энтропии Hm с глобальным минимумом в июне (для полярника №6; рис. 2) и с локальным минимумом в июне (для полярника №3; рис. 3).

Рис.2. Динамика максимальной энтропии Hm для №6. Значения энтропии в каждый месяц отложено на кривой вместе со среднеквадратичным отклонением. В июне Hm испытывает глобальный минимум.

Рис. 3. Динамика максимальной энтропии Hm для №3. Значения энтропии в каждый месяц отложено на кривой вместе со среднеквадратичным отклонением. Первые два значения соответствуют двум измерениям, проведенным в разные дни в апреле. В июне Hm испытывает локальный минимум.

   Исключением из "правила минимума" в июне для максимальной энтропии являются полярники с номерами 11 и 16. На рис. 4 и 5 показано поведение Hm для данных участников экспедиции.
Из этих рисунков видно, что характер почти монотонного убывания энтропии в первые месяцы экспедиции сохраняется и для данных полярников, однако минимум энтропии достигается позже — в июле для №11 и в августе для №16.

Рис.4. Динамика максимальной энтропии Hm для №11.

Рис.5. Динамика максимальной энтропии Hm для №16.

   Два периода времени — до июня и после июня — четко отделимы друг от друга в динамике средних значений трех параметров: площадь засветки, средний радиус изолинии изображения и длина изолинии. Для всех полярников средние значения данных параметров испытывают резкий скачок в июне. На рис. 6 представлена типичная динамика среднего значения площади засветки (для №6). Видно, что максимальное изменение значения параметра происходит именно в июне.

Рис.6. Динамика среднего значения площади засветки для №6.

Интерпретация результатов и выводы

   Первые несколько месяцев нахождения на арктической станции участники экспедиции проходят этап привыкания (адаптации) к обстановке и окружающей среде. Данный период адаптации характеризуется пониженным уровнем работоспособности и другими поведенческими особенностями полярников. Окончание периода адаптации происходит примерно в июне и сопровождается, а в определенной мере и обуславливается, наступлением полярной ночи, когда человек как бы замыкается и смиряется с окружающей обстановкой. Таким образом, период адаптации является достаточно длительным и явно выделенным отрезком времени.
   Описанные выше результаты позволяют нам сделать предположение о связи между адаптационным периодом у полярников с особенностями динамики энтропии Hm и параметров ГРВ-грамм. Обоснованность такого предположения в случае с энтропией (1) определяется двумя фактами: (а) функция Hm является робастной характеристикой состояния полярника, т.к. она не зависит от способа оцифровки ГРВ изображений (см. рис. 1); (б) функция Hm весьма вариабельна на отрезках времени порядка нескольких месяцев, и ее поведение в первые месяцы (в течение адаптационного периода) имеет общий характер для всех полярников. Последнее обстоятельство может означать, что в адаптационный период энтропия характеризует некие факторы в динамике состояния организма, являющиеся общими для всех полярников. На наш взгляд, наиболее вероятным кандидатом на роль такого фактора является адаптационный синдром.
   Окончание адаптационного периода в июне характеризуется минимумом (локальным или глобальным) максимальной энтропии для 90% полярников. В июне наступает полярная ночь, что, по-видимому, также сказывается на таком общем поведении энтропии в этот месяц. Для остальных 10% энтропия убывает монотонно в первые месяцы, достигая минимум на 1 или 2 месяца позже. Возможно, это связано с тем, что период адаптации у этих полярников длится дольше, чем у остальных. Учитывая информационный смысл понятия энтропии, мы можем интерпретировать минимум функции Hm как состояние наибольшего стресса. В этом смысле вполне логичным выглядит тот факт, что, как правило, максимальное значение энтропия имеет в самый первый месяц (см. рис. 1–5), когда экспедиция только начинается и полярник еще "не забыл" большую землю. Это значение уже практически не повторяется далее в течение экспедиции, то есть стресс является постоянным спутником полярника по ходу экспедиции.
   Для трех параметров (площадь засветки, средний радиус изолинии изображения и длина изолинии) июнь связан с самым большим скачком их средних значений, и это имеет место для всех рассмотренных участников экспедиции. Однако, связывать данный факт с окончанием адаптационного периода следует с большой осторожностью, т.к. данные скачки имеют место в июне и у полярников с номерами 11 и 16, для которых энтропия достигает минимума в июле и августе. В силу описанной робастности энтропия в данном случае является более надежной характеристикой.
Данный анализ позволяет говорить о возможности интерпретации максимальной энтропии Hm как критерия адаптации участников экспедиции. Возможное применение полученных результатов состоит в том, чтобы более точно оценивать длительность адаптационного синдрома у полярника. Для этого достаточно вычислять динамику энтропии ГРВ изображений более детально (на большем количестве дней) и выявлять момент, в который энтропия достигает первого минимума. Данный момент (день, неделя) может считаться окончанием адаптационного периода и, следовательно, может служить стартом для повышения нагрузок в работе полярника. Для контроля и более объективной оценки степени адаптации можно также использовать расчеты скачков средних значений описанных трех параметров ГРВ-грамм.
   Следует отметить, что принятый метод определения текущего психофизиологического состояния (CMS) не позволяет решить проблему определения длительности адаптационного периода. Исследования CMS полярников в течение семи месяцев (с апрель по октябрь) длительности экспедиции выявили, что данные CMS практически не меняются в течение этого времени.
Наличие глобальных минимумов энтропии Hm у полярников №11 и №16 не в июне, а, соответственно, в июле и августе возможно означает, что период адаптации для этих участников превысил обычные 3 месяца. Это в свою очередь свидетельствует, что длительность периода адаптации достаточно уникальна для каждого участника, и, в частности, с помощью описанной выше методики контроля энтропии можно выявлять возможные адаптационные аномалии, такие как затянувшийся адаптационный синдром. Наличие таких аномалий может быть связано с проблемами функционирования организма и, тем самым, описанные энтропийные оценки могут использоваться и в диагностических целях.
   В заключение необходимо отметить, что описанные результаты имеют скорее предварительный характер, а их интерпретацию следует рассматривать как научную гипотезу. Для более детального анализа безусловно необходимы дальнейшие исследования. В частности, следующим логическим шагом могут стать детальные сравнения предсказаний на основе значений энтропии (1) и параметров ГРВ-грамм с различными биофизиологическими параметрами.
   Авторы благодарны Р.Р.Юсубову и С.А.Короткиной за оказанную поддержку в организации и проведении настоящего исследования.

Список литературы
1.    К. Г. Коротков. Основы ГРВ биоэлектрографии, Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики (технический университет), 2001, 360 с.
2.    К.Г. Коротков, Э.В. Крыжановский, М.Б. Борисова. Методика исследования объектов методом динамической ГРВ-графии // Наука, Информация, Сознание: материалы 5-ого междунар. конгресса, г. С.-Петерб., 10-12 июля 2001 г. – СПб.: СПбИТМО, 2001. – С. 83-84