Бравин, Эккерман, Гименес: Поведенческая токсикология
По мотивам главы «Toxicologia Comportamental: Da pesquisa básica à questões de saúde pública» Андрэ Амарала Бравина, Дэвида Экре Эккермана и Линкольна де Сильвы Гименеса из второй части сборника «Experimentos Clássicos em Análise do Comportamento» про классические эксперименты поведенческих аналитиков.
Поведенческая токсикология возникла в 1970-х годах как слияние анализа поведения, поведенческой фармакологии, традиционной токсикологии и промышленной гигиены. Первые две дисциплины изучают поведение отдельных людей. Последние носят прикладной характер и оптимизируют процессы общественного здравоохранения с помощью групповых исследований и индуктивной статистики. В 1972 году в Рочестерском университете в США состоялась первая конференция по этой теме, по итогом которой опубликовали книгу «Поведенческая токсикология» Бернарда Вайса и Виктора Латиса, положившую начало этой области исследований.
Поведенческая фармакология посвящена описанию поведенческих эффектов (положительных и негативных) лекарств (терапевтических или злоупотребляемых) и как лекарства влияют на физиологию и средовые эффекты, контролирующие поведение. Поведенческая токсикология, в свою очередь, посвящена описанию негативного воздействия химических веществ, радиации и других агентов. Поведенческая фармакология делает акцент на полезных эффектах лекарств, а поведенческая токсикология — на опасностях воздействия химических агентов, например, острого воздействия высоких и почти смертельных концентраций или хроническое воздействие низких концентраций. С точки зрения применения, одна из причин разницы между этими областями исследований заключается в том, что поведенческая фармакология изучает в основном добровольное воздействие лекарств, а поведенческая токсикология — нежелательное воздействие токсических агентов. Таким образом, поведенческая токсикология пересекается с традиционной токсикологией и промышленной гигиеной, ее интересует защита людей от отравлений.
Традиционная токсикология — это наука о вредном воздействии физико-химических агентов на живые биологические системы, начиная от клеточных препаратов и заканчивая органами и организмами в целом. Особое внимание уделяется изучению развития заболеваний или органических повреждений. Токсический эффект, таким образом, — это вредное воздействие, которое какое-то вещество вызывает в органах, системах или — в случае поведенческой токсикологии — в поведении организма.
Промышленная гигиена возникла и начала быстро развиваться во время интенсивной индустриализации 30-х годов XX века. В это время были разработаны и вошли в обиход многие химически опасные продукты, например, пестициды. Помимо проблем общественного здравоохранения, исследователей интересовала безопасность профессиональной деятельности. Промышленная гигиена появилась, чтобы помочь определить стандарты безопасности труда. Фармакология и поведенческая токсикология, в свою очередь, предложили объективные поведенческие показатели токсичности, которые можно было бы использовать для более глубокого понимания эффектов различных агентов.
Главное достоинство процедур экспериментального анализа поведения для токсикологии — их способность создавать стабильное поведение, которое может служить основой для оценки поведенческих эффектов воздействия токсичных веществ. Такие поведенческие эффекты могут появляться при дозах, даже меньших, чем те, которые необходимы, чтобы вызвать заметные биологические эффекты, и раньше, чем органические изменения станут очевидными, то есть поведение может служить доклиническим биомаркером интоксикации.
На момент проведения Рочестерской конференции 1972 года изучение поведенческих эффектов токсических веществ находилось в зачаточном состоянии. Первый официальный отчёт о поведенческом воздействии токсичных веществ традиционно приписывается скандинавским промышленным психологам Хелене Ханнинен, Лине Эскелинен, Каи Хуман и Маркку Нурминен. В статье 1976 года они зафиксировали, что длительное воздействие растворителей, даже на низком уровне, приводит ко вредным последствиям для работников. Помимо этого, они зафиксировали эффекты угарного газа и тяжелых металлов, таких как ртуть и свинец.
Чтобы проиллюстрировать логику и результаты поведенческой токсикологии, мы выбрали две статьи из разных исследовательских традиций. Одна из них представляет собой тщательное лабораторное исследование влияния воздействия свинца на поведение, контролируемое режимом подкрепления. Другое — углубленная оценка здоровья и поведения учеников бостонской школы. Каждое исследование по-своему представляет проделанную работу, направленную на прояснение вопросов, связанных с общественным здоровьем. Вместе они послужили доказательством опасности отравления свинцом, что побудило государство вмешаться и работать над качеством водопроводной воды.
Дебора Кори-Слехт и Трэвис Томпсон, 1979
Цель и метод
Авторы провели исследование, чтобы выяснить, может ли воздействие свинца на крыс вскоре после отлучения от матери изменить их паттерн поведения в контексте режима подкрепления с фиксированным интервалом (FI) в 30 секунд. Как правило, в условиях FI частота реакции крысы близка к нулю после подкрепления и начинает возрастать примерно через 10 секунд. Частота активности растет вплоть до момента получения следующего подкрепления, после чего вновь падает до нуля. Эксперимент проводился с самцами крыс-альбиносов Спрег-Доули, которые содержались парами или тройками. С 20–22-дневного возраста крысы подвергались воздействию растворов ацетата свинца в концентрации 50, 300 или 1000 ppm (милионных доль). Обучение поведению начиналось, когда крысам было 55–60 дней. Дополнительный корм, который крысы получали во время экспериментальных часовых сессий, предоставляли так, чтобы крысы набирали от 1 до 3 грамм веса в день с учётом их возраста.
Во время обучения в качестве подкрепления за нажатие на рычаг испытуемые получали пищевые гранулы по 45 мг. В первые пять сессий крысы получали по грануле за каждое нажатие на рычаг. Далее происходил переход на режим с 30-секундным интервалом (FI): первое нажатие на рычаг через 30 сек. приводило к выдаче пищевой гранулы, нажатия на рычаг до конца интервала игнорировались. Экспериментаторы варьировали концентрацию свинца в воде, либо в принципе удаляли загрязненную воду и заменяли её очищенной.
Крысы в разных группах подвергались воздействию различных концентраций ацетата свинца. Группа с концентрацией 50 ppm прошла 90 сеансов. Группа 300 ppm — 60 сеансов, а группа 1000 ppm — 80 сеансов. Для групп 300 и 1000 ppm, а также для некоторых крыс из группы 50 ppm, загрязненная вода продолжала поступать в течение всех сеансов. Для остальных крыс в группе 50 ppm вода через 30 сеансов вода заменялась на незагрязненную. Помимо экспериментальных групп, исследователи подготовили и тестировали контрольную группу, на которую не воздействовали свинцом.
Результаты и обсуждение
Когда крысам исполнилось 150 дней, ученые замерили количество свинца в их крови. Концентрация свинца была одинаковой между контрольной группой (0 ppm) и всеми крысами, получавшими 50 ppm, независимо от того, было воздействие приостановлено или нет. У крыс в группах 300 ppm и 1000 ppm концентрация свинца в крови увеличивалась вместе со значением ppm, т.е. чем выше концентрация ацетата свинца в воде, тем выше концентрация свинца в крови (т.е. концентрация ацетата свинца в крови была дозозависимой).
Поведенческий анализ паттерна реакций показал, что крысы в группах 50 ppm и 300 ppm демонстрировали отличную от ожидаемой паузу после подкрепления. У крыс обеих групп пауза уменьшалась в первые 15–28 сеансов, а затем постепенно возвращалась к значениям контрольной группы в оставшееся время воздействия FI — они демонстрировали меньшую паузу после подкрепления (если анализировать первые 10 секунд) и более высокую частоту реакции в оставшиеся 20 секунд интервала между подкреплениями.
Для крыс из группы 1000 ppm эффект оказался иным. Если брать групповой показатель, то свинец не повлиял на паузу после подкрепления (но она была немного выше контрольной группы), а частота реакций с 10 по 30 секунду интервала немного снижалась по сравнению с контролем к 35–40 сеансам. Это снижение частоты реакции постепенно исчезало и группа сравнивалась с контрольной. Когда авторы проанализировали данные по каждой крысе, то выяснилось, что возвращение частоты реакции к исходному уровню в течение последних 40 сеансов воздействия FI максировало два различных паттерна: некоторые крысы показывали высокую частоту реакций в течение этих 40 сеансов, а другие резко снижали уровень активности (например, они не реагировали в течение последних 30 минут сеанса). Можно сказать, что эффект, наблюдаемый при рассмотрении только групповых данных, возник в результате усреднения данных по испытуемым, демонстрирующим различные паттерны (т. е. высокую и низкую частоты реакций). В этом случае среднее значение не отражало паттерн поведения отдельных особей. Кроме того, снижение количества реакций, наблюдавшееся у некоторых крыс в группе 1000 ppm, сопровождалось потерей веса, что свидетельствует о сильной интоксикации.
Одно из преимуществ использования режимов подкрепления заключается в том, что они позволяют получить стабильные поведенческие показатели. Внутрисубъектный дизайн (или дизайн с одним испытуемым) предполагает сравнение поведения организма с поведением этого же организма в разные моменты времени и/или под влиянием разных условий окружающей среды. Это сочетание благоприятствует поведенческой токсикологии, так как позволяет оценить влияние независимых переменных во времени, а также контролировать биологические переменные (например, возраст, пол, история до эксперимента). В данном случае влияние воздействия ацетата свинца, растворенного в воде, на поведение можно было оценить как функцию времени, что позволило проанализировать прогрессирование интоксикации, её течение и возможное обратное развитие.
Одновременно в эксперименте Кори-Слехта и Томпсона также использовался групповой анализ. Обычно групповые или смешанные модели используются в исследованиях поведенческой токсикологии, когда исследуемые переменные не являются обратимыми, например, хроническое воздействие свинца создает накопительный эффект, из-за чего он свинец может сохраняться в органах и тканях. Это ограничивает эксперимент, делает невозможным использовать только односубъектный дизайн.
Использование экспериментального анализа может быть полезным для ответа на теоретические вопросы, но его результаты будут поддерживать прикладное применение только по мере проведения систематических повторений в различных практических условиях. Без дополнительных исследований утверждение, что воздействие свинца уменьшает паузу в поведении животных (в группах 50 и 300 ppm), подвергшихся воздействию FI 30 сек., не говорит, что это значит на практике.
Иногда результаты в лаборатории можно рассматривать как частичную репрезентацию (т. е. моделирование) поведения вне лаборатории. Например, уменьшение паузы после подкрепления рассматривается как аналог гиперактивного поведения. Однако валидность подобной аналогии можно и нужно ставить под сомнение. Чтобы можно было утверждать, что процессы схожи, необходимы репликации и систематические анализы влияния тех же переменных в других контекстах и с другими видами животных. Именно по этой причине, а также учитывая валидность лабораторных методов для представления человеческого поведения, важно проводить токсикологические исследования с участием людей, даже если в итоге будут использованы другие методы, отличные от оперантных.
Герберт Нидлман и соавторы, 1979
Цель и метод
Авторы провели квазиэксперимент, чтобы изучить связь между концентрацией свинца в организме школьников и классическими психологическими показателями (например, тестами интеллекта, тестами Пиаже), поведенческими показателями (например, временем реакции, двигательной координацией) и отчётами учителей о поведении детей в классе. Определение квазиэксперимента не является универсальным. Согласно Кантовицу и соавторами, в квазиэксперименте исследователь характеризует одну из переменных, рассматривая её так, как если бы она была независимой переменной (той, которой манипулируют в экспериментах), но эта переменная, как правило, не поддается манипулированию. Далее анализируются изменения других переменных в зависимости от наличия или отсутствия переменной, которая рассматривалась как независимая (в отличие от эксперимента, исследователи не манипулируют переменными напрямую; они лишь описывают отношения между переменными, которые возникают в окружающей среде). Резюмируя, квазиэксперимент «представляет собой корреляцию, хотя и очень контролируемую». В случае Нидлмана и соавторов переменной характеристикой была степень интоксикации у детей (они не манипулировали этой переменной, а выделили две группы — детей, подвергшихся низкой или высокой степени воздействия). Результаты психологических тестов, другие поведенческие показатели и отчёты учителей сравнивались между группами.
Свинец, как правило, оседает в костях. Зубы — это кости, поэтому анализ выпавших зубов (молочных) у развивающихся детей может дать достоверный показатель уровня свинца в костях. Следуя этой логике, в 1975–1978 годах Нидлман с соавторами собирали зубы у детей из школы в Бостоне (США). Они проанализировали зубы 3221 ребёнка, используя не менее двух образцов зубов для каждого ребенка. Для 2146 из этих детей получилось собрать отчёты учителей (11 пунктов с вариантами ответов «да/нет») о поведении детей в классе.
Из 3221 ребёнка 524 отобрали для дальнейшего исследования. Критерием включения для этих оценок был низкий или высокий показатель концентрации свинца в зубах. Показатели концентрации свинца в зубах были распределены по процентилям. Были отобраны дети, которые находились в самом низком (10 ppm или меньше) или самом высоком (20 ppm или больше) десятом процентиле этого распределения. Участие в исследовании подразумевало нейропсихологическую оценку с помощью набора поведенческих или психометрических тестов, а именно: пересмотренного теста интеллекта Векслера для детей (12 субтестов), тесты Пиаже (3 теста), тест академической успеваемости Пибоди (3 шкалы), тесты слуховой обработки (4 теста), время реакции на визуальные стимулы с задержкой, тесты поведения и двигательной координации (3 теста). Учителя и эксперты не знали о концентрации свинца в организме детей, которых они оценивали. Только 158 из 524 детей получилось включить в исследование (100 из нижнего перцентиля, 58 из верхнего перцентиля) — остальные были исключены, поскольку не владели английским языком как родным, были недоступны для оценки, имели низкий вес при рождении, травму головы, отравление свинцом в анамнезе или не прошли последующие тесты для подтверждения концентрации свинца в их зубах.
Результаты и обсуждение
Сравнение детей с высокой и низкой концентрацией свинца в зубах показало, что дети с более высокой концентрацией свинца имели проблемы с вербальной успеваемостью (по шкале Векслера), слуховым восприятием (следование инструкциям, восприятие последовательности звуков) и временем реакции на стимулы. Эти дети также показали более низкие результаты при оценке поведении в классе по 9 из 11 видов поведения, зафиксированных учителями. По одному из пунктов, по которому не было выявлено статистически значимой разницы, требовалось записать ребенка как «гиперактивного», что учителя делают неохотно; по другому пункту требовалось записать ребенка как «отвлекающегося», и записи учителей были очень похожи между группами.
Кроме того, поскольку записи учителей велись по всей выборке обследованных учащихся (N = 2146), можно было увидеть, что в целом существует прямая связь между концентрацией свинца в зубах детей и поведенческими проблемами в школе. То есть, по всем 11 шкалам наблюдался непрерывный рост поведенческих проблем по мере увеличения концентрации свинца в зубах детей (хотя эффект был слабее для шкал «гиперактивность» и «неспособность выполнять простые указания»). Полученные данные свидетельствуют о том, что повышенная концентрация свинца в зубах была сильно связана с академической успеваемостью по многим тестам, зафиксированным учителями.
Нидлман и соавторы провели квазиэксперимент по изучению связи между воздействием свинца и нарушениями поведения у школьников. В полевом исследовании такого рода исследователи скорее характеризуют (т. е. описывают), чем определяют (т. е. непосредственно манипулируют) концентрацию свинца в организме детей. В отличие от Кори-Слехт и Томпсона, которые провели эксперимент и фактически манипулировали концентрацией свинца, которую получали крысы, Нидлман и соавторы измеряли влияние естественной концентрации свинца в зубах. Таким образом, необходимо учитывать другие факторы, которые могли повлиять как на концентрацию свинца, так и на поведение детей, чтобы не делать ложных выводов о том, что высокая концентрация свинца приводит к поведенческим нарушениям. По этой причине, как уже упоминалось ранее, исследователи исключили из исследования детей, для которых английский язык не был родным, у которых был низкий вес при рождении, которые имели в анамнезе травмы головы и отравления свинцом. Кроме того, авторы сопоставляли 10 процентов детей, у которых концентрация свинца была самой низкой, и 10 процентами детей с самой высокой концентрацией свинца. Это было сделано для того, чтобы дать более точное описание (т.е. без вмешательства других переменных) возможной связи между концентрацией свинца в крови и поведением.
Нидлман с соавторами попытались убедиться в достоверности оценок концентрации свинца, протестировав несколько зубов каждого из детей. Они выбрали группы по минимальной и максимальной концентрации свинца в зубе и постарались, чтобы группы минимально отличались по другим значимым параметрам нарушений поведения. Многие поведенческие показатели в полевых исследованиях (например, психометрические тесты, такие как тесты интеллекта), не анализируются непосредственно как поведенческие показатели (интеллект — гипотетический конструкт и не может быть измерен напрямую), но ответы в психометрических тестах предположительно отравленных людей, если их сравнить с ответами другой группы, могут служить важным маркером токсичности какого-либо вещества (хотя всегда есть риск злоупотребления результатами и определения популяции как «более или менее умной»). Психометрические показатели не измеряют поведение напрямую и могут замаскировать реальность его поведенческого происхождения, используя психологические ярлыки (например, интеллекта). Тем не менее, «ответы на тест» — это поведение, и главный вопрос здесь заключается в том, что аналитик поведения делает с этими показателями.
Дальнейшее развитие
Дебора Кори-Слехт продолжает изучать влияние свинца, используя стратегии лабораторных исследований. Исследование опубликованной литературы выявило, что к 2015 году она является автором 71 публикации, оценивающей влияние свинца на различные виды оперантного поведения и животные модели на крысах (например, поведение выбора, повторное обучение, модели депрессии). Её работа широко обсуждается, на её исследования с 1979 по 2015 год ссылались 2114 раз (без учёта самоцитирований). Четырнадцать из этих статей со ссылками на её работу были написаны Нидлманом, автором второго исследования, описанного в этой главе, и автором в общей сложности 170 статей, свидетельствующих о длительной исследовании темы. Количество цитирований работы Кори-Слехт неуклонно росло с 1979 по 2015 год с среднем на 100 цитирований каждый год.
Статью Нидлмана и соавторов можно назвать основополагающей работой. С 1979 по 2015 год статья ее процитировали 1112 раз (без учёта самоцитирований). Тринадцать из этих статей, в которых цитировалась работа, были написаны Кори-Слехт. Опять же, количество цитирований статьи Нидлмана и соавторов неуклонно росло с 1979 по 2015 год, в среднем по 24 цитирования в год. Когда мы расширили поиск до всех статей Нидлмана, связанных со вредом свинца (170 статей), мы нашли 4422 цитирования с 1979 по 2015 год (без учета самоцитирований): тридцать восемь из этих статей были написаны Кори-Слехт, а среднее количество цитирований составило 198 в год с 2000 по 2015 год. Из этих наблюдений можно сделать вывод, что эти два исследования оказали значительное влияние на научную литературу, а перекрестные ссылки еще раз подтверждают близость поведенческой токсикологии и промышленной гигиены.
Лабораторные и полевые исследования поведенческой токсикологии продолжаются. Были проведены полевые исследования с пестицидами, органическими растворителями, толуолом; лабораторные исследования, оценивающие двигательное поведение крыс, отравившихся органическими растворителями в рамках стандартных функциональных оценок, а также исследования, оценивающие влияние н-гексана в простых режимах подкрепления или более сложных поведенческих условиях, например, поведение выбора.
Поведенческая токсикология изучает влияние токсичных агентов на поведение. В значительной мере, возможность подобного исследования появилась благодаря оперантной парадигме. В рамках экспериментального анализа поведения было открыто, что в лаборатории осуществимо сформировать стабильное поведение, которое не появится у исследуемого животного случайно. Этот оперантный фон, установленный определенным режимом подкрепления, можно использовать для демонстрации эффектов различных веществ, не только лекарственных, но и вредных.
Дебора Кори-Слехт и Трэвис Томпсон продемонстрировали, что отравление свинцом до наступления интоксикации вызывает у животных поведение, которое можно описать как «гиперактивность» — меньшие паузы после подкрепления и в целом повышенную частоту реакций в контексте режима подкрепления с фиксированным интервалом. Независимый квазиэксперимент Герберта Нидлмана и соавторов подтвердил проведенный лабораторный анализ. Спустя годы, оперантный подход стал стандартным в поведенческой фармакологии и токсикологии.
Переводил Артем Ефремов, редактировал Иван Чистяков, иллюстрации Вероники Романовой. Подписывайтесь на не.психологию, чтобы не пропустить новые материалы!