Воздействие фрактальной зрительной стимуляции на здоровую сетчатку кролика: функциональные, морфометрические и биохимические исследования

Цель работы — изучить динамику электрофизиологической активности сетчатки здоровых кроликов при различной длительности курсов фрактальной стимуляции (ФС) для получения новых научных данных о характере воздействия на сетчатку низкоинтенсивных зрительных фрактальных сигналов, самоподобных во временном масштабе.

Материал и методы. Двенадцать здоровых кроликов (24 глаза) породы шиншилла обследованы до и после курсов ФС, длящихся 1, 4 и 12 нед, с помощью электроретинографических (ЭРГ), морфометрических (оптической когерентной томографии) и биохимических (определение дофамина в слезе) методов. Для ФС кроликов разработан прибор со светодиодным излучателем, формирующим нелинейную флуктуацию яркости на основе фрактальных функций Вейерштрасса — Мандельброта. Обоснован выбор используемых в работе параметров фрактального сигнала. Регистрировали паттерн-ЭРГ и ганцфельд-ЭРГ по стандартам ISCEV и фотопическую ритмическую ЭРГ на 8,3, 10, 12 и 24 Гц.

Результаты. Отрицательного воздействия 12-недельного курса ФС на активность и морфологию сетчатки и на дофаминергические процессы в глазу здорового животного не обнаружено, что говорит о безопасности применения низкоинтенсивной ФС в клинике. Отмечено значимое увеличение амплитуды низкочастотных ритмических ЭРГ, укорочение пиковой латентности и возрастание амплитуды b-волны скотопической и фотопической ЭРГ.

Заключение. Для оценки возможных терапевтических эффектов ФС необходимо продолжение исследований на животных моделях и у пациентов с патологией сетчатки. С учетом динамики активности сетчатки в данной работе в дальнейших исследованиях рекомендована продолжительность курсов ФС от недели до месяца.

1. Serruya M.D., Kahana M.J. Techniques and devices to restore cognition. Behav. Brain Res. 2008; 192 (2): 149. doi: 10.1016/j.bbr.2008.04.007

2. Krawinkel L.A., Engel A.K., Hummel F.C. Modulating pathological oscillations by rhythmic non-invasive brain stimulation — a therapeutic concept? Front. Syst. Neurosci. 2015; 9; Art 33. doi:10.3389/fnsys.2015.00033

3. Sabel B.A., Flammer J., Merabet L.B. Residual vision activation and the brain-eyevascular triad: dysregulation, plasticity and restoration in low vision and blindness — a review. Restor. Neurol. Neurosci. 2018 36: 767–91. doi: 10.3233/RNN-180880

4. Lipsitz L.A., Goldberger A.L. Loss of “complexity” and aging. Potential applications of fractals and chaos theory to senescence. JAMA. 1992 Apr 1; 267 (13): 1806–9. PMID: 1482430.

5. Hausdorff J.M., Peng C.K., Ladin Z., Wei J.Y., Goldberger A.L. Is walking a random walk? Evidence for long-range correlations in stride interval of human gait. J. Appl Physiol. 1995; 78: 349. doi: 10.1152/jappl.1995.78.1.349

6. Hausdorff J.M., Mitchell S.L., Firtion R., et al. Altered fractal dynamics of gait: reduced stride-interval correlations with aging and Huntington’s disease. J Applied Physiol. 1997; 82 (1): 262–9. doi: 10.1152/jappl.1997.82.1.262

7. Goldberger A.L., Amaral L.A.N., Hausdorff J.M., et al. Fractal dynamics in physiology: Alterations with disease and aging. Proc Nat Acad Sci USA. 2002; 99: 2466–72. https://doi.org/10.1073/pnas.012579499

8. Peng C.K., Mietus J.E., Liu Y., et al. Quantifying fractal dynamics of human respiration: age and gender effects. Ann Biomed Eng. 2002; 30: 683–692. doi: 10.1114/1.1481053

9. Dauwels J., Srinivasan K., Reddy M.R., et al. Slowing and loss of complexity in Alzheimer’s EEG: Two sides of the same coin? Int. J. Alzheim Dis. 2011; 2011, Art ID 539621. https://doi.org/10.4061/2011/539621

10. Takahashi A.C., Porta A., Melo R.C., et al. Aging reduces complexity of heart rate variability assessed by conditional entropy and symbolic analysis. Intern. Emerg. Med. 2012; 7: 229–35. doi: 10.1007/s11739-011-0512-z

11. Sleimen-Malkoun R., Temprado J.J., Hong S.L. Aging induced loss of complexity and dedifferentiation: consequences for coordination dynamics within and between brain, muscular and behavioral levels. Front. Aging Neurosci. 2014; 27; 6: 140. doi: 10.3389/fnagi.2014.00140

12. Gilbert C.D., Li W. Adult visual cortical plasticity. Neuron. 2012; 75 (2): 250–64. doi:10.1016/j.neuron.2012.06.030

13. Zueva M.V. Dynamic fractal flickering as a tool in research of non-linear dynamics of the evoked activity of a visual system and the possible basis for new diagnostics and treatment of neurodegenerative diseases of the retina and brain. World Appl. Sci. J. 2013; 27 (4): 462–8. doi: 10.5829/idosi.wasj.2013.27.04.13657

14. Zueva M.V. Fractality of sensations and the brain health: the theory linking neurodegenerative disorder with distortion of spatial and temporal scaleinvariance and fractal complexity of the visible world. Front. Aging Neurosci. 2015; 7: 135. https://doi.org/10.3389/fnagi.2015.00135

15. Зуева М.В. Технологии нелинейной стимуляции: роль в терапии заболеваний головного мозга и потенциал применения у здоровых лиц. Физиология человека. 2018; 44 (3): 62–73. doi:10.7868/S0131164618030074

16. Зуева М.В., Ковалевская М.А., Донкарева О.В. и др. Фрактальная фототерапия в нейропротекции глаукомы. Офтальмология. 2019; 16 (3): 317–28. https://doi.org/10.18008/1816-5095-2019-3-317-328

17. Francardo V., Schmitz Y., Sulzer D., Cenci M.A. Neuroprotection and neurorestoration as experimental therapeutics for Parkinson's disease. Exp Neurol. 2017; 298: 137–47. https://doi.org/10.1016/j.expneurol.2017.10.001

18. Gidday J.M. Adaptive plasticity in the retina: Protection against acute injury and neurodegenerative disease by conditioning stimuli. Cond. Med. 2018; 1 (2): 85–97. PMID: 31423482

19. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы (The Fractal Geometry of Nature). Перевод на русский язык. Москва: Институт компьютерных исследований; 2002.

20. Field D.J. Relationships between the statistics of natural images and the response properties of cortical cells. J. Opt. Soc. Am. 1987; 4: 2379–94.

21. Bassingthwaighte J.B., Liebovitch L.S., West B.J. Fractal Physiology. Oxford, N.Y.; 1994.

22. Field D.J., Brady N. Visual sensitivity, blur and the sources of variability in the amplitude spectra of natural scenes. Vis Res. 1997; 37: 3367–83. doi: 10.1016/s0042-6989(97)00181-8

23. Crownover R.M. Introduction to Fractals and Chaos. Jones and Bartlett Publishers: Boston–London, 1995.

24. Hagerhall C.M., Laike T., Küller M., et al. Human physiological benefits of viewing nature: EEG responses to exact and statistical fractal patterns. Nonlinear Dynamics Psychol Life Sci. 2015; 19 (1): 1–12.

25. Hagerhall C.M., Laike T., Taylor R.P., et al. Investigation of EEG response to viewing fractal patterns. Percept. 2008; 37: 1488–94. doi: 10.1068/p5918

26. Taylor R.P., Spehar B., Wise J.A., et al. Perceptual and physiological responses to the visual complexity of fractal patterns. Nonlinear Dynamics Psychol Life Sci. 2005; 9 (1): 89–114. doi: 10.1007/978-3-322-83487-4_4

27. Belair J., Glass L., van der Heiden U., Milton J. Dynamical disease: mathematical analysis of human illness. New York: American Institute of Physics Press, 1995.

28. Beuter A., Glass L., Mackey M., Titcombe M.S. Nonlinear dynamics in physiology and medicine. New York: Springer-Verlag, 2003.

29. Namazi H., Kulish V., Akrami A. The analysis of the influence of fractal structure of stimuli on fractal dynamics in fixational eye movements and EEG signal. Scientific Res. 2016; 6: 26639. https://doi.org/10.1038/srep26639

30. Sejdić E., Fu Y., Pak A., Fairley J.A., Chau T. The effects of rhythmic sensory cues on the temporal dynamics of human gait. PLoS One. 2012; 7 (8): e43104. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0043104

31. Hunt N., McGrath D., Stergiou N. The influence of auditory-motor coupling on fractal dynamics in human gait. Sci. Rep. 2014; 4: 5879. https://doi.org/10.1038/srep05879

32. Hove M.J., Suzuki K., Uchitomi H., Orimo S., Miyake Y. Interactive rhythmic auditory stimulation reinstates natural 1/f timing in gait of Parkinson’s patients. PLoS One. 2012; 7 (3): e32600. doi: 10.1371/journal.pone.0032600

33. Зуева М.В., Каранкевич А.И. Стимулятор сложноструктурированными оптическими сигналами и способ его использования. Евразийский Патент № 035247, 20.05.2020.

34. Principles on Good Laboratory Practice. OECD series on principles of Good Laboratory Practice and Compliance Monitoring. No 1 Available 27 November 2021 at https://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/oecdseriesonprinciplesofgoodlaboratorypracticeglpandcompliancemonitoring.htm

35. Srinivasan K., Tikoo K., Jena G.B. Good Laboratory Practice (GLP) Requirements for Preclinical Animal Studies, in the Book: Nagarajan P., Gudde R., Srinivasan R., eds. Essentials of Laboratory Animal Science: Principles and Practices. Springer, Singapore; 2021.

36. ARVO Statement for the Use of Animals in Ophthalmic and Visual Research. http://www.arvo.org/about_arvo/policies/statement_for_the_use_of_animals_in_ophthalmic_and_visual_research/ Accessed 30 Oct 2016

37. WS2812B Datasheet and Specifications (2016). Intelligent control LED integrated light source. WORLDSEMI CO., LIMITED, Jan, 2016, V1.0. Available 13 January 2022 at https://voltiq.ru/datasheets/WS2812B_datasheet_EN.pdf

38. Williams J. Frequency-specific effects of flicker on recognition memory. Neuroscience. 2001; 104: 283. doi: 10.1016/s0306-4522(00)00579-0

39. Williams J., Ramaswamy D., Oulhaj A. 10 Hz flicker improves recognition memory in older people. BMC Neurosci. 2006; 7 (5): 21. doi: 10.1186/14712202-7-21

40. СП 52.13330.2016 Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СНиП 23-05-95.SR 52.13330.2016 Natural and artificial lighting. Updated edition of SRR 23-05-95 (in Russian). Available at: http://docs.cntd.ru/document/456054197

41. Пьянкова С.Д. Фрактально-аналитические исследования в психологии: особенности восприятия самоподобных объектов. Психологические исследования. 2019; 9 (46): 12. http://psystudy.ru/index.php/eng/v9n46e/1278-pyankova46.html

42. Famiglietti E.V., Sharpe S.J. Regional topography of rod and immunocytochemically characterized “blue” and “green” cone photoreceptors in rabbit retina. Vis. Neurosci. 1995; 12 (6), 1151–75. doi: 10.1017/s0952523800006799

43. McCulloch D.L., Marmor M.F., Brigell M.G., et al. ISCEV Standard for fullfield clinical electroretinography (2015 update). Doc. Ophthalmol. 2015; 130 (1): 1–12. https://doi.org/10.1007/s10633-014-9473-7

44. Gjörloff K., Andréasson S., Ehinger B. Standardized full-field electroretinography in rabbits. Doc. Ophthalmol. 2004; 109 (2): 163–8. doi: 10.1007/s10633-0043924-5

45. Bach M., Brigell M.G., Hawlina M., et al. ISCEV standard for clinical pattern electroretinography (PERG). Doc. Ophthalmol. 2013; 126: 1–7. https://doi.org/10.1007/s10633-012-9353-y

46. Зуева М.В., Нероев В.В., Цапенко И.В. и др. Топографическая диагностика нарушений ретинальной функции при регматогенной отслойке сетчатки методом ритмической ЭРГ широкого спектра частот. Российский офтальмологический журнал. 2009; 1 (2): 18–23.

47. Rockhill R.L., Daly F.J., MacNeil M.A., Brown S.P., Masland R.H. The diversity of ganglion cells in a mammalian retina. J. Neurosci. 2002; 22 (9), 3831–43. doi: 10.1523/JNEUROSCI.22-09-03831.2002

48. Muraoka Y., Ikeda H.O., Nakano N., Hangai M., Toda Y. Real-time imaging of rabbit retina with retinal degeneration by using Spectral-Domain Optical Coherence Tomography. PloS One. 2012; 7 (4):e36135. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0036135

49. Чеснокова Н.Б. Клиническое значение биохимического исследования слезной жидкости. МРЖ. 1986; VIII (3): 7–11.

50. Петрович Ю.А., Терехина Н.А. Биохимия слезы и ее изменение при патологии. Вопросы медицинской химии. 1990; 3: 13–9.

51. Веселова И.А., Сергеева Е.А., Македонская М.И. и др. Методы определения маркеров нейромедиаторного обмена в целях клинической диагностики. Журнал аналитической химии. 2016; 71 (12): 1235–149.

52. Чеснокова Н.Б., Павленко Т.А., Угрюмов М.В. Патология органа зрения как одно из проявлений болезни Паркинсона. Журнал неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова. 2017; 117 (9): 124–31.

53. Marzo A., Bai J., Otani S. Neuroplasticity regulation by noradrenaline in mammalian brain. Curr. Neuropharmacol. 2009 Dec; 7 (4): 286–95. doi: 10.2174/157015909790031193

54. Peichl L. Alpha ganglion cells in mammalian retinae: common properties, species differences, and some comments on other ganglion cells. Vis. Neurosci. 1991; 7 (1–2):155–69. doi: 10.1017/s0952523800011020

55. Famiglietti E.V. Class I and class II ganglion cells of rabbit retina: A structural basis for X and Y (brisk) cells. J. Comp. Neurol. 2004; 478: 323–346. https://doi.org/10.1002/cne.20268

56. Spehar B., Clifford C., Newell B., Taylor R.P. Universal aesthetic of fractals. Copmuters & Graphics. 2003; 27 (5): 813–20. https://doi.org/10.1016/S00978493(03)00154-7

57. Taylor R.P., Spehar B., von Donkelaar P., Hagerhall C.M. Perceptual and physiological responses to Jackson Pollock’s fractals. Front. Hum. Neurosci. 2011; 5: 1–13. https://doi.org/10.3389/fnhum.2011.00060

58. Aks D., Sprott J. Quantifying aesthetic preference for chaotic patterns. Empir. Stud. Arts. 1996; 14 (1): 1–16. https://doi.org/10.2190/6V31-7M9R-T9L5CDG9

59. Hazard C., Kimport C., Johnson D. Fractal Music. Research Project. 1998–1999. Available August 2015 at http://www.tursiops.cc/fm and January 2022 at https://ru.scribd.com/document/309739163/Fractal-Music

60. Pyankova S.D., Chertkova Y.D., Scobeyeva V.A., Chertkova E.R. Influence of genetic factors on perception of self-similar objects. Psychol. Subculture Phenomenol. Contemp. Tendencies Dev. 2019; doi:10.15405/epsbs.2019.07.69.

61. Taylor R.P. Reduction of physiological stress using fractal art and architecture. Leonardo. 2006; 39 (3): 245–51. doi:10.1162/leon.2006.39.3.245

62. Salingaros N.A. Fractal art and architecture reduce physiological stress. J. Biourbanism. 2012; 2: 11–28. https://patterns.architexturez.net/system/files/jbu-ii-2012-2_nikos-a-salingaros.pdf

63. Teich M.C., Heneghan C., Lowen S.B., Ozaki T., Kaplan E. Fractal character of the neural spike train in the visual system of the cat. J. Opt. Soc. Am. A. 1997; 14 (3): 529–46. doi:10.1364/josaa.14.000529

64. Lowen S.B., Ozaki T., Kaplan E., Saleh B.E.A., Teich M.C. Fractal features of dark, maintained, and driven neural discharges in the cat visual system. Methods. 2001; 24: 377–94. doi: 10.1006/meth.2001.1207

65. Cheung N., Donaghue K.C., Liew G., et al. Quantitative assessment of early diabetic retinopathy using fractal analysis. Diabetes Care. 2009; 32 (1): 106–10. doi: 10.2337/dc08-1233

66. Ly T., Gupta N., Weinreb R.N., Kaufman P.L., Yücel Y.H. Dendrite plasticity in the lateral geniculate nucleus in primate glaucoma. Vis Res. 2011; 51 (2): 243–50. https://doi.org/10.1016/j.visres.2010.08.003

67. Liu M., Duggan J., Salt T.E., Cordeiro M.F. Dendritic changes in visual pathways in glaucoma and other neurodegenerative conditions. Exp. Eye Res. 2011; 92: 244–50. doi: 10.1016/j.exer.2011.01.014

68. Strettoi E., Porciatti V., Falsini B., Pignatelli V., Rossi Ch. Morphological and functional abnormalities in the inner retina of the rd/rd mouse. J. Neurosci. 2002; 22 (13): 5492–504. doi:10.1523/jneurosci.22-13-05492.2002

69. Ivanova E., Yee C.W., Baldoni R., Sagdullaev B.T. Aberrant activity in retinal degeneration impairs central visual processing and relies on Cx36- containing gap junctions. Exp. Eye Res. 2016; 150: 81–9. doi: 10.1016/j.exer.2015.05.013

70. Zeck G. Aberrant activity in degenerated retinas revealed by electrical imaging. Front. Cell Neurosci. 2016; 10: 25. https://doi.org/10.3389/fncel.2016.00025

71. Cheng W., Law P.K., Kwan H.C., Cheng R.S. Stimulation therapies and the relevance of fractal dynamics to the treatment of diseases. Open J. Regenerative Medicine. 2014; 3 (4): 73–94. doi:10.4236/ojrm.2014.34009

72. Hebb D.O. The Organization of Behavior. New York: Wiley & Sons, 1949. https://doi.org/10.1002/1097-4679(195007)6:3<307::AIDJCLP2270060338>3.0.CO;2-K

73. Löwel S., Singer W. Selection of intrinsic horizontal connections in the visual cortex by correlated neuronal activity. Science. 1992; 255 (5041): 209–12. doi: 10.1126/science.1372754

74. Sehic A., Guo Sh., Cho K.-S., et al. Electrical stimulation as a means for improving vision. Am. J. Pathol. 2016; 186:2783e2797. doi:10.1016/j.ajpath.2016.07.017