medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2021-100-11-1224-1228medlit-1838Research ArticleГИГИЕНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫENVIRONMENTAL HYGIENEВлияние дыма лесных пожаров на состояние центральной нервной системы крысImpact of forest fire smoke on the state of the central nervous system of ratshttps://orcid.org/0000-0003-1052-4601СоседоваЛ. М.SosedovaLarisa M.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8165-8052ВокинаВера АлександровнаVokinaVera A.

Канд. биол. наук, науч. сотр. лаб. биомоделирования и трансляционной медицины ФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований», 665827, Ангарск.

e-mail: vokina.vera@gmail.com

MD, PhD, Cand. Sci. Biol., researcher of bio-modeling and translational research laboratory of the East-Siberian Institution ofMedico-Ecological Researches, Angarsk, 665827, Russian Federation.

e-mail: vokina.vera@gmail.com

vokina.vera@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-6100-6292НовиковМ. А.NovikovMikhail A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3709-8676АндрееваЕ. С.AndreevaElizaveta S.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2536-1550РукавишниковВ. С.RukavishnikovViktor S.noemail@neicon.ruФГБНУ «Восточно-Сибирский институт медико-экологических исследований»РоссияEast-Siberian Institute of Medical and Ecological ResearchRussian Federation2021061220211001112241228Copyright © Соседова Л.М., Вокина В.А., Новиков М.А., Андреева Е.С., Рукавишников В.С., 20212021Соседова Л.М., Вокина В.А., Новиков М.А., Андреева Е.С., Рукавишников В.С.Sosedova L.M., Vokina V.A., Novikov M.A., Andreeva E.S., Rukavishnikov V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/1838Введение

Введение. Негативное воздействие дыма природных пожаров на здоровье человека представляет собой уникальную междисциплинарную проблему для современного научного сообщества. В работе представлены результаты исследования влияния дыма лесного пожара на двигательную активность, когнитивные показатели и параметры биоэлектрической активности головного мозга экспонированных крыс.

Материалы и методы

Материалы и методы. Экспериментальные исследования проведены на беспородных белых крысах-самцах. Животных опытной группы подвергали ингаляционному воздействию дыма лесного пожара в течение 1 сут. Сразу после окончания экспозиции проводили обследование животных, включающее в себя тестирование в открытом поле и водном лабиринте Морриса, а также проведение электроэнцефалографического обследования.

Результаты

Результаты. При круглосуточном воздействии дыма лесного пожара в модельных условиях выявлено повышение двигательной и исследовательской активности крыс-самцов на фоне повышения уровня тревожности. Нарушения показателей пространственной памяти и навигационного научения не выявлено. На энцефалограмме экспонированных животных по сравнению с группой контроля преобладал диапазон δ-ритма, более выраженный в отведениях правого полушария. Выявлено снижение мощности спектра и средней амплитуды β1-ритма, а также тенденция к снижению средней амплитуды θ-ритма. Индексы основных ритмов ЭЭГ не имели статистически значимых отличий при сравнении с контрольной группой.

Заключение

Заключение. Результаты настоящего исследования показали, что круглосуточное задымление дымом лесного пожара приводит к изменениям биоэлектрической активности головного мозга и дисрегуляции структуры индивидуального поведения у животных, что в совокупности может свидетельствовать о формировании повышенного уровня стрессированности, выходящего за рамки физиологической адаптации.

Участие авторов

Участие авторов: Соседова Л.М. — концепция, поиск литературы, написание, оформление статьи, ответственность за целостность всех частей статьи;Вокина В.А. — концепция, поиск литературы, проведение эксперимента, написание, оформление статьи;Новиков М.А. — поиск и перевод литературных источников, проведение эксперимента, написание текста;Андреева Е.С. — проведение эксперимента, обработка результатов;Рукавишников В.С. — руководство, аналитическая работа, обсуждение актуальности и результатов.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Работа выполнялась по плану НИР в рамках государственного задания. 

Заключение локального этического комитета ФГБНУ ВСИМЭИ: работа выполнена с соблюдением правил гуманного отношения к животным в соответствии с требованиями «Международных рекомендаций по проведению медико-биологических исследований с использованием животных» (ВОЗ, Женева, 1985) и «Правилами лабораторной практики» (Приказ Минздравсоцразвития России от 23 августа 2010 г. № 708н). На проведение экспериментов получено разрешение Локального этического комитета (Протокол ЛК ФГБНУ ВСИМЭИ № Е32/19 от 10.09.2019 г.).

Поступила

Поступила: 12.05.2021 / Принята к печати: 28.09.2021 / Опубликована: 30.11.2021

Introduction

Introduction. The adverse negative effect of forest fire smoke on human health represents a unique interdisciplinary challenge to the scientific community. The influence of forest fire smoke on locomotor activity, cognitive indices, and brain bioelectrical activity parameters in exposed rats is presented.

Materials and methods

Materials and methods. Experimental studies were carried out on outbred white male rats. The animals of the experimental group were exposed to smoke inhalation forest fire for one day. Immediately after the end of the exposure, the animals were examined, including testing in an open field and Morris water maze, as well as an electroencephalographic examination.

Results

Results. At twenty-four-hour exposure to wildfire smoke in the model, conditions showed increasing motor and research activity of male rats against the backdrop of growing anxiety. Disorders of indicators of spatial memory and navigation learning were not revealed. On the encephalogram of the exposed animals, in comparison with the control group, the δ-rhythm range predominated, more pronounced in the leads of the right hemisphere. A decrease in the power spectrum and the average amplitude β1-rhythm, as well as a tendency to decrease the average amplitude of θ-rhythm, were revealed. The indices of the primary EEG rhythms did not have statistically significant differences when compared with the control group.

Conclusion

Conclusion. The results showed that forest fire smoke leads to changes in the bioelectric activity of brain structures and dysregulation of individual behaviour in animals, all of which may indicate the formation of increased levels of stressing beyond physiological adaptation.

Contribution

Contribution:Sosedova L.M. — concept, literature search, writing, design of the article;Vokina V.A. — concept, literature search, conducting an experiment, writing, designing an article;Novikov M.A. — search and translation of literary sources, conducting an experiment, writing a text;Andreeva E.S. — conducting an experiment, processing the results;Rukavishnikov V.S. — leadership, analytical work, discussion of relevance and results.

Conflict of interest

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Acknowledgment

Acknowledgment. Financing was carried out at the expense of funds allocated for the implementation of the state task. 

The conclusion of the Local Ethical Committee  (LEC) of the East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research: the work was carried out in compliance with the rules of humane treatment of animals following the requirements of the International Recommendations for Biomedical Research Using Animals (WHO, Geneva, 1985) and the Rules of Laboratory Practice (Order of the Ministry of Health and Social Development of Russia dated August 23, 2010, No. 708n). Local Ethics Committee (Protocol of the LEC of the East-Siberian Institute of Medical and Ecological Research No. Е32 / 19 dated 09/10/2019) permitted to conduct experiments.

Received

Received: May 12, 2021 / Accepted: September 28, 2021 / Published: November 30, 2021

лесные пожарымоделированиекрысыповедениеЭЭГforest firesmodellingratsbehaviourEEGReferencesСуркова Г.В., Блинов Д.В., Кирсанов А.А., Ревокатова А.П., Ривин Г.С. Моделирование распространения шлейфов воздушных загрязнений от очагов лесных пожаров с использованием химико-транспортной модели COSMO-Ru7-ART. Оптика атмосферы и океана. 2014; 27(1): 75-81Surkova G.V., Blinov D.V., Kirsanov A.A., Revokatova A.P., Rivin G.S. Simulation of air pollution distribution from forest fires using the chemical-transport model COSMO-Ru7-art. Optika atmosfery i okeana. 2014; 27(1): 75–81. (in Russian)Global Forest Watch. 2015. New satellite data reveal massive tree cover loss in Russia and Canada. Available at: https://www.wri.org/news/release-new-satellite-data-reveal-massive-tree-cover-loss-russia-and-canadaGlobal Forest Watch. 2015. New satellite data reveal massive tree cover loss in Russia and Canada. Available at: https://www.wri.org/news/release-new-satellite-data-reveal-massive-tree-cover-loss-russia-and-canadaВолков С. Н., Борисов В.А., Фокина Е.А. Лесные пожары - глобальная мировая проблема. Int. J. Adv. Stud. Med. Biomed. Sci. 2018; (1): 69-76Volkov S.N., Borisov V.A., Fokina E.A. Forest fires - global problem. Int. J. Adv. Stud. Med. Biomed. Sci. 2018; (1): 69–76. (in Russian)Simoneit B.R.T., Rogge W.F., Mazurek M.A., Standley L.J., Hildemann L.M., Cass G.R. Lignin pyrolysis products, lignans, and resin acids as specific tracers of plant classes in emissions from biomass combustion. Environ. Sci. Technol. 1993; 27(12): 2533-41. https://doi.org/10.1021/es00048a034Simoneit B.R.T., Rogge W.F., Mazurek M.A., Standley L.J., Hildemann L.M., Cass G.R. Lignin pyrolysis products, lignans, and resin acids as specific tracers of plant classes in emissions from biomass combustion. Environ. Sci. Technol. 1993; 27(12): 2533–41. https://doi.org/10.1021/es00048a034Mazzoleni L.R., Zielinska B., Moosmüller H. Emissions of levoglucosan, methoxy phenols, and organic acids from prescribed burns, laboratory combustion of wildland fuels, and residential wood combustion. Environ. Sci. Technol. 2007; 41(7): 2115-22. https://doi.org/10.1021/es061702cMazzoleni L.R., Zielinska B., Moosmüller H. Emissions of levoglucosan, methoxy phenols, and organic acids from prescribed burns, laboratory combustion of wildland fuels, and residential wood combustion. Environ. Sci. Technol. 2007; 41(7): 2115–22. https://doi.org/10.1021/es061702cFreeborn P.H., Wooster M.J., Roy D.P., Cochrane M.A. Quantification of MODIS fire radiative power (FRP) measurement uncertainty for use in satellite-based active fire characterization and biomass burning estimation. Geophys. Res. Lett. 2014; 41: 1988-94. https://doi.org/10.1002/2013GL059086Freeborn P.H., Wooster M.J., Roy D.P., Cochrane M.A. Quantification of MODIS fire radiative power (FRP) measurement uncertainty for use in satellite-based active fire characterization and biomass burning estimation. Geophys. Res. Lett. 2014; 41: 1988–94. https://doi.org/10.1002/2013GL059086Виноградова А.А., Смирнов Н.С., Коротков В.Н. Аномальные пожары 2010 и 2012 гг. на территории России и поступление черного углерода в Арктику. Оптика атмосферы и океана. 2016; 29(6): 482-7. https://doi.org/10.15372/AOO20160606Vinogradova A.A., Smirnov N.S., Korotkov V.N. Anomalous wildfires in 2010 and 2012 on the territory of Russia and supply of black carbon to the Arctic. Optika atmosfery i okeana. 2016; 29(6): 545–50. https://doi.org/10.15372/AOO20160606 (in Russian)Wang X., Thai P.K., Mallet M., Desservettaz M., Hawker D.W., Keywood M. Emissions of selected semivolatile organic chemicals from forest and savannah fires. Environ. Sci. Technol. 2017; 51(3): 1293-302. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03503Wang X., Thai P.K., Mallet M., Desservettaz M., Hawker D.W., Keywood M. Emissions of selected semivolatile organic chemicals from forest and savannah fires. Environ. Sci. Technol. 2017; 51(3): 1293–302. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03503Горчаков Г.И., Ситнов С.А., Карпов А.В., Горчакова И.А., Гущин Р.А., Даценко О.И. Крупномасштабные дымки Евразии летом 2016 г. Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2019; 55(3): 41-51. https://doi.org/10.31857/S0002-351555341-51Gorchakov G.I., Sitnov S.A., Karpov A.V., Gorchakova I.A., Gushchin R.A., Datsenko O.I. Eurasian large-scale hazes in summer 2016. Izvestiya Rossiyskoy akademii nauk. Fizika atmosfery i okeana. 2019; 55(3): 41–51. https://doi.org/10.31857/S0002-351555341-51 (in Russian)Макоско А.А., Матешева А.В. Загрязнение атмосферы и качество жизни населения в XXI веке: угрозы и перспективы. М.; 2020.Makosko A.A., Matesheva A.V. Air Pollution and the Quality of Life in the XXI Century: Threats and Prospects [Zagryaznenie atmosfery i kachestvo zhizni naseleniya v XXI veke: ugrozy i perspektivy]. Moscow; 2020. (in Russian)Johnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120(5): 695-701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422Johnston F.H., Henderson S.B., Chen Y., Randerson J.T., Marlier M., DeFries R.S., et al. Estimated global mortality attributable to smoke from landscape fires. Environ. Health Perspect. 2012; 120(5): 695–701. https://doi.org/10.1289/ehp.1104422Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334-43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277Reid C.E., Brauer M., Johnston F.H., Jerrett M., Balmes J.R., Elliott C.T. Critical review of health impacts of wildfire smoke exposure. Environ. Health Perspect. 2016; 124(9): 1334–43. https://doi.org/10.1289/ehp.1409277Sun X., Luo X., Zhao C., Zhang B., Tao J., Yang Z., et al. The associations between birth weight and exposure to fine particulate matter (PM2.5) and its chemical constituents during pregnancy: A meta-analysis. Environ. Pollut. 2016; 21: 38-47. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.12.022Sun X., Luo X., Zhao C., Zhang B., Tao J., Yang Z., et al. The associations between birth weight and exposure to fine particulate matter (PM2.5) and its chemical constituents during pregnancy: A meta-analysis. Environ. Pollut. 2016; 21: 38–47. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2015.12.022Abdo M., Ward I., O’Dell K., Ford B., Pierce J.R., Fischer E.V., et al. Impact of Wildfire Smoke on Adverse Pregnancy Outcomes in Colorado, 2007-2015. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(19): 3720. https://doi.org/10.3390/ijerph16193720Abdo M., Ward I., O’Dell K., Ford B., Pierce J.R., Fischer E.V., et al. Impact of Wildfire Smoke on Adverse Pregnancy Outcomes in Colorado, 2007–2015. Int. J. Environ. Res. Public Health. 2019; 16(19): 3720. https://doi.org/10.3390/ijerph16193720Вокина В.А., Новиков М.А., Елфимова Т.А., Богомолова Е.С., Алексеенко А.Н., Соседова Л.М. Исследование воздействия эмиссии от лесных пожаров на морфофункциональное состояние центральной нервной системы белых крыс. Гигиена и санитария. 2019; 98(11): 1245-50. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-11-1245-1250Vokina V.A., Novikov M.A., Elfimova T.A., Bogomolova E.S., Alekseenko A.N., Sosedova L.M. Effects of wildfire emission on the morphofunctional state of the central nervous system in white rats. Gigiena i Sanitaria (Hygiene and Sanitation, Russian journal). 2019; 98(11): 1245–50. https://doi.org/10.18821/0016-9900-2019-98-11-1245-1250 (in Russian)Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of special preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Meth. 2008; 170(2): 345-51. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Kulikov A.V., Tikhonova M.A., Kulikov V.A. Automated measurement of special preference in the open field test with transmitted lighting. J. Neurosci. Meth. 2008; 170(2): 345–51. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2008.01.024Вокина В.А., Новиков М.А., Алексеенко А.Н., Соседова Л.М., Капустина Е.А., Богомолова Е.С. и соавт. Экспериментальная оценка влияния дыма лесных пожаров на репродуктивную функцию мелких млекопитающих и их потомство. Известия Иркутского государственного университета. Серия: Биология. Экология. 2019; 29: 88-98. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2019.29.88Vokina V.A., Novikov M.A., Alekseenko A.N., Sosedova L.M., Kapustina E.A., Bogomolova E.S., et al. Experimental evaluation of effect of wildfire smoke exposure on reproductive function of small mammals and their offspring. Izvestiya Irkutskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Biologiya. Ekologiya. 2019; 29: 88–98. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2019.29.88 (in Russian)Sosedova L.M., Vokina V.A., Novikov M.A., Rukavishnikov V.S., Andreeva E.S., Zhurba O.M., et al. Paternal biomass smoke exposure in rats produces behavioral and cognitive alterations in the offspring. Toxics. 2021; 9(1): 3. https://doi.org/10.3390/toxics9010003Sosedova L.M., Vokina V.A., Novikov M.A., Rukavishnikov V.S., Andreeva E.S., Zhurba O.M., et al. Paternal biomass smoke exposure in rats produces behavioral and cognitive alterations in the offspring. Toxics. 2021; 9(1): 3. https://doi.org/10.3390/toxics9010003Свидерская Н.Е. Синхронная электрическая активность мозга. М.: Наука; 1987Sviderskaya N.E. Synchronous Electrical Brain Activity [Sinkhronnaya elektricheskaya aktivnost’ mozga]. Moscow: Nauka; 1987. (in Russian)Pfurtscheller G., Neuper Ch. Simultaneous EEG 10 Hz desynchronization and 40 Hz synchronization during finger movements. Neuroreport. 1992; 3(12): 1057-60. https://doi.org/10.1097/00001756-199212000-00006Pfurtscheller G., Neuper Ch. Simultaneous EEG 10 Hz desynchronization and 40 Hz synchronization during finger movements. Neuroreport. 1992; 3(12): 1057–60. https://doi.org/10.1097/00001756-199212000-00006Desmedt J.D., Tomberg C. Transient phase-locking of 40 Hz oscillation in prefrontal and parietal human cortex reflects the process of conscious somatic perception. Neurocsi. Lett. 1994; 168(1-2): 126-9. https://doi.org/10.1016/0304-3940(94)90432-4Desmedt J.D., Tomberg C. Transient phase-locking of 40 Hz oscillation in prefrontal and parietal human cortex reflects the process of conscious somatic perception. Neurocsi. Lett. 1994; 168(1-2): 126–9. https://doi.org/10.1016/0304-3940(94)90432-4Кожечкин С.Н., Свидерская Н.Е., Коштоянц О.Х., Середенин С.Б. Влияние этанола в различных дозах на ЭЭГ крыс. Многопараметрический анализ. Экспериментальная и клиническая фармакология. 2004; 67(5): 46-50. https://doi.org/10.30906/0869-2092-2004-67-5-46-50Kozhechkin S.N., Sviderskaya N.E., Koshtoyants O.Kh., Seredenin S.B. Multiparametric analysis of the effect of ethanol in various doses on EEG in rats. Eksperimental’naya i klinicheskaya farmakologiya. 2004; 67(5): 46–50. https://doi.org/10.30906/0869-2092-2004-67-5-46-50 (in Russian)Woolcock T.E., Murkin Y.M., Farrar J.K., Tweed A., Guiraudon G.M., McKenzie F.N. Pharmacologic EEG suppression during cardiopulmonary bypass: cerebral hemodinamic and metabolic effects of thiopental or isoflurane during hypothermia and normothermia. Anesthesiology. 1987; 67(2): 218-24.Woolcock T.E., Murkin Y.M., Farrar J.K., Tweed A., Guiraudon G.M., McKenzie F.N. Pharmacologic EEG suppression during cardiopulmonary bypass: cerebral hemodinamic and metabolic effects of thiopental or isoflurane during hypothermia and normothermia. Anesthesiology. 1987; 67(2): 218–24.Hu H., Vervaeke K., Graham L.J., Storm J.F. Complementary theta resonance filtering by two spatially segregated mechanisms in CA1 hippocampal pyramidal neurons. J. Neuroscience. 2009; 29(46): 14472-83. https://doi.org/10.1523/jneurosci.0187-09.2009Hu H., Vervaeke K., Graham L.J., Storm J.F. Complementary theta resonance filtering by two spatially segregated mechanisms in CA1 hippocampal pyramidal neurons. J. Neuroscience. 2009; 29(46): 14472–83. https://doi.org/10.1523/jneurosci.0187-09.2009Каркищенко Н.Н. Через критерии подобия и аллометрии к валидации и экстраполяции в биомедицине. Биомедицина. 2007; (1): 5-28Karkishchenko N.N. Through the similarity criteria and allometry for validation and extrapolation in biomedicine. Biomeditsina. 2007; (1): 5–28. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.