Физиология человека, 2019, T. 45, № 2, стр. 78-86

МЕТОДИКА

Экспериментальную работу проводили на базе ГКУ “ЦСТиСК” Москомспорта. В исследованиях приняли участие 46 спортсменов (2 р., 1 р., КМС): 32 бегуна, лыжника и биатлониста (средний возраст 20.8 ± 4.0 г., масса тела 68.3 ± 10.4 кг) и 14 велосипедистов (средний возраст 19.3 ± 2.6 г., масса тела 68.0 ± 9.6 кг). Каждый из испытуемых дал письменное информированное согласие на участие в исследовании. Все исследования выполнены с соблюдением норм биомедицинской этики, а протоколы тестирования одобрены Локальным биоэтическим комитетом ЦСТиСК.

Бегунов, лыжников и биатлонистов подвергали нагрузке на беговом тредбане Woodway Pro XL (США). Начальная скорость составляла 7 км/ч. Скорость плавно повышалась на 0.1 км/ч каждые 10 с (на 0.6 км/ч в мин). Велосипедисты выполняли ступенчато повышающуюся нагрузку на велоэргометре Lode Excalibur sport (Нидерланды). Начальная мощность составляла 60 Вт, далее мощность ступенчато повышали каждые 2 мин на 30 Вт. Во всех случаях работу продолжали до отказа. Отказ фиксировали индивидуально по заявлению испытуемого или при явной невозможности поддерживать заданную интенсивность нагрузки.

В процессе исследования регистрировали потребление кислорода, выделение углекислого газа и легочную вентиляцию с помощью газоанализатора Cortex Metalyzer 3B (Германия), который калибровали непосредственно перед проведением каждого исследования. ЧСС регистрировали по 5-секундным интервалам времени с помощью кардиомонитора POLAR RS800 (Финляндия). Измерения вели на протяжении всей процедуры нагрузочного тестирования и 10 мин после нагрузки в положении стоя в беговом тестировании и в положении сидя в тестировании на велоэргометре. Кровь для определения концентрации лактата брали из дистальной фаланги безымянного или среднего пальца кисти непосредственно перед каждым тестированием и сразу после его завершения. Во время тестирования на беговом тредбане кровь брали каждые 3 мин, во время тестирования на велоэргометре – каждые 2 мин, в конце каждой ступени нагрузки. Концентрацию лактата в отобранных пробах капиллярной крови определяли на автоматическом анализаторе Biosen C-Line (EKF-diagnostic GmbH., Германия).

Статистический анализ данных проводился с помощью программы R (версия 3.5.1) и MS Excel. Для исследования силы связи между показателями использовали корреляционный анализ методом Спирмена. Для сравнения значений показателей АнП, определенных методами газоанализа, динамики концентрации лактата, со значениями показателей АнП, полученного графическим методом, использовали парный двухвыборочный t-тест для средних. Нормальность распределения проверяли методом Шапиро−Уилка и с помощью визуальной оценки гистограмм распределения и их квантиль-квантиль графиков. В случаях ненормального распределения, для сравнения значений показателей АнП был использован Т-критерий Вилкоксона.

Определение значений времени достижения АнП. Определяли значения времени от начала тестирования, соответствующие возникновению признаков АнП, по резкому возрастанию уровня легочной вентиляции $(V_{E}^{'})$ и неметаболического излишка углекислого газа (ExсСО₂= $V_{{{\text{C}}{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}}}^{'}$ – ‒ RER_покоя× $V_{{{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}}}}^{'}$) [17], и ускоренного накопления лактата в капиллярной крови. Значение времени, соответствующее ускоренному накоплению лактата (La) в капиллярной крови, определяли методом D-max [18].

Расчет значений времени достижения АнП по параметрам пульсограммы графическим методом. Предлагаемый графический метод является эмпирическим. Построения проводили с использованием MS Excel. Пример расчета представлен на рис. 1, на котором по шкале абсцисс отложено время от начала процедуры тестирования, а на шкале ординат – величина ЧСС в данный момент времени. На графике, отражающем фактическую динамику ЧСС во время работы и 10 мин восстановления, необходимо провести две прямые пересекающиеся линии. На рис. 1 этими линиями являются прямые 1 и 2.

Рис. 1.

Пример определения АнП графическим методом по динамике ЧСС испытуемого во время выполнения физической работы и восстановления. Черной линией отмечено время отказа спортсмена от продолжения работы (t_max). Пояснение в тексте.

Прямая 1 соединяет точки P1 (0; 201) и P2 (14.25; 0). Значение по оси Y в точке P1 (0; 201) соответствует ЧСС_max (в нашем примере – 201 уд./мин). Значение по оси X в точке P2 (14.25; 0) соответствует времени прекращения работы в нагрузочном тесте t_max (в нашем примере 14.25 мин).

Прямая 2 проводится между точками P3 (0; 0) и P4 (16.92; 122) – цифры в скобках являются координатами этих точек для конкретного примера. Точка P3 (0; 0) – это точка начала отсчета в использованной системе координат, т.е. начальный момент проводимого теста. Точка P4 (16.92; 122) соответствует моменту времени (tр4 = 16.92 мин), когда график динамики ЧСС во время восстановления проходит через точку перегиба и таким образом переходит из быстрой экспоненциальной фазы в медленную, после чего приобретает практически линейный характер (при этом ЧСС_р4 = = 122 уд./мин). Для более точного нахождения точки P4 можно построить еще одну прямую (Прямая 3), совпадающую с линейным трендом той части пульсовой кривой восстановления, которая относится к медленной фазе восстановительного периода.

Точка перекреста прямых 1 и 2 (Pcr) соответствует 9.38 мин (tcr) и 183 уд./мин (ЧСС, соответствующей этому значению времени – ЧСС_cr). Перпендикуляр, опущенный из точки пересечения Прямой 1 и Прямой 2 на ось абсцисс указывает ВРЕМЯ достижения АнП в данном протоколе нагрузочного тестирования. Все точки на графике (рис. 1) отмечены кружками и вкладками с координатами.

Таким образом, параметрами этого графического построения являются: 1) время от начала процедуры тестирования до наступления отказа от продолжения работы; 2) время (момент) прохождения пульсовой кривой точки перегиба в период перехода из быстрой в медленную фазу восстановления; 3) максимальная величина ЧСС, достигнутая в тесте; 4) величина ЧСС в момент прохождения пульсовой кривой точки перегиба в восстановительном периоде.

Именно эти четыре параметра (два временных и два пульсовых) позволяют построить на графике две пересекающиеся прямые, точка пересечения которых, по нашему мнению, соответствует времени (а следовательно – величине мощности (интенсивности) нагрузки) и частоте пульса в момент достижения АнП данным испытуемым.

Как показывает рис. 1, координаты точки P1 и точки P2 определяют на плоскости ординат положение Прямой 1, т.е. положение Прямой 1 зависит от значений времени отказа от продолжения работы в тестировании (t_max) и наивысшего значения частоты пульса в тесте (ЧСС_max). Координаты точки перегиба P4 определяют на плоскости ординат положение Прямой 2 относительно точки P3 (0; 0), т.е. положение Прямой 2 зависит от значений времени и ЧСС, когда график динамики ЧСС во время восстановления переходит из быстрой фазы в медленную и приобретает линейный характер.

В результате пересечения прямых 1 и 2 определяется точка перекреста (Рcr) – точка, которая предположительно соответствует времени достижения АнП. Экспериментальное исследование было призвано проверить это предположение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ходе обследования части спортсменов были получены максимальные показатели нагрузочного тестирования на беговом тредбане, рассчитаны значения времени достижения вентиляторного, газометрического и лактатного АнП и его физиологические характеристики, а также параметры АнП, определенные графическим методом по пульсограмме. Результаты представлены в табл. 1, 2, 3.

Средние значения эргометрических и физиологических показателей на уровне АнП, полученном с помощью графического метода по параметрам пульсограммы, были сопоставлены с показателями на уровне АнП, полученном с помощью анализа динамики легочной вентиляции $(V_{E}^{'}),$ неметаболического излишка углекислого газа (ExсСО₂) и концентрации лактата (La) (табл. 2).

Методы парных сравнений не выявили статистически значимых различий между вариантами сопряженных рядов по представленным показателям (табл. 2) на АнП, установленном с помощью графического метода, и на АнП, полученных по анализу динамики легочной вентиляции $(V_{E}^{'}),$ неметаболического излишка углекислого газа (ExсСО₂) и концентрации лактата (La).

Показатели на уровне АнП, полученного графическим методом по параметрам пульсограммы, сильно коррелируют с показателями на других АнП, полученных с помощью анализа динамики легочной вентиляции, неметаболического излишка углекислого газа и концентрации лактата (табл. 3).

Далее было необходимо выяснить, зависит ли точность графического метода от протокола нагрузки и типа нагрузки. Для этого провели исследование с участием велосипедистов на велоэргометре, используя протокол не непрерывно, а ступенчато повышающейся нагрузки до отказа.

Результаты этого исследования представлены в табл. 4, 5, 6.

Как видно в табл. 5, показатели на уровне АнП, полученного с помощью графического метода, у спортсменов, прошедших тестирование на велоэргометре, так же как и у спортсменов, прошедших тестирование на беговом тредбане, практически не отличаются от показателей на уровне АнП, полученного с помощью других методов.

В тестировании со ступенчато повышающейся нагрузкой на велоэргометре, так же как и в тестировании с плавно повышающейся нагрузкой на беговом тредбане, показатели на уровне АнП, полученном с помощью графического метода, сильно коррелируют с показателями на уровне АнП, полученном с помощью анализа динамики легочной вентиляции, неметаболического излишка углекислого газа и концентрации лактата, при p < < 0.05 (табл. 6).

В тестировании со ступенчато повышающейся нагрузкой на велоэргометре, так же, как и в тестировании с плавно повышающейся нагрузкой на беговом тредбане, методы парных сравнений не выявили статистически значимых различий между вариантами сопряженных рядов по представленным показателям (табл. 2, 5) на уровне АнП, установленном с помощью графического метода, и показателями на АнП, установленных по анализу динамики легочной вентиляции $(V_{E}^{'}),$ неметаболического излишка углекислого газа (ExсСО₂) и концентрации лактата, при p < 0.05.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Частота сокращений сердца – наиболее легко регистрируемый физиологический показатель при мышечной работе, несущий обширную информацию о состоянии и функциональных возможностях организма. На анализе динамики ЧСС во время работы и восстановления базируются весьма популярные тесты для оценки различных сторон работоспособности организма – такие как PWC₁₇₀, Гарвардский степ-тест, проба Летунова, проба Мастера, ИНПД и другие [19–21]. При этом для характеристики аэробных возможностей обычно используется линейная зависимость динамики ЧСС от мощности (интенсивности) нагрузки в процессе работы, а для характеристики анаэробных возможностей используют нелинейную динамику ЧСС в восстановительном периоде. Крайне редко анализируется весь ход пульсовой кривой – как в работе, так и в восстановительном периоде.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что эмпирически разработанный графический метод определения АнП по динамике ЧСС в процессе предельной работы и восстановления открывает хорошие возможности его практического применения. Между тем, остаются вопросы теоретического плана – каковы физиологические механизмы, лежащие в основе данной эмпирической конструкции?

Функциональный смысл Прямой 1 состоит, вероятно, в том, что она позволяет наглядно увидеть объем затраченных организмом функциональных ресурсов. Отсекаемый ею на графике (рис. 1) треугольник Р1, Р2, Р3 служит (с известной долей допущения) графическим выражением суммарных затрат организма на выполнение предельной физической нагрузки, и его площадь может быть вычислена в единицах “удар”, т.е. числа систол, произведенных за время работы. В конкретном примере, приведенном на рис. 1, площадь этого треугольника составляет:

В зависимости от индивидуальной специфики, этот показатель может варьироваться из-за изменений максимальной достигнутой величины ЧСС и благодаря изменениям в длительности выполнения теста. И тот, и другой фактор может значимо влиять на суммарные энергозатраты организма при выполнении напряженной работы.

Функциональный смысл Прямой 2, заключен в том, что она характеризует величину анаэробных сдвигов за время предельной нагрузки, вернее эту величину характеризует точка перегиба (P4), которая определяет угол наклона Прямой 2, и положение которой зависит от соотношения величин быстрой (БФ) и медленной фракций пульсового долга: значение точки перегиба по оси Y (значение ЧСС_р4) тесно коррелирует с объемом общего пульсового долга за 10 мин (0.95, p < 0.05), а время погашения БФ пульсового долга (от которой зависит значение точки перегиба по оси Х) тесно коррелирует с объемом БФ пульсового долга (0.94, p < 0.05).

Использованные для графического построения Прямой 1 характеристики пульсовой кривой работы, так же, как и динамика ЧСС в тесте Конкони, характеризуют скорость нарастания ЧСС по мере увеличения нагрузки, а значит и скорость повышения интенсивности окислительных процессов во время выполнения работы нарастающей мощности. Разница методов заключается в том, что мы не ищем небольшие отклонения от линейности этой зависимости, которые трудно выделяются и недостаточно наглядны для того, чтобы быть надежным ориентиром в оценке АнП. Мы используем совершенно другой критерий – момент времени, когда на смену первой, “быстрой” фазе восстановления ЧСС, приходит вторая, “медленная”. На наш взгляд, это – одна из наиболее важных характеристических точек пульсовой кривой “работа–восстановление”.

В далеком 1933 г., когда еще не были известны функции аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и почти ничего не знали о креатинфосфате (КрФ) и его метаболизме, R. Margaria et al. показали, что именно медленная фаза восстановления после предельной нагрузки сопряжена с погашением той части кислородного долга, которая определяется наличием в организме продуктов анаэробного гликолиза, а точнее – молочной кислоты [22]. Опираясь на это открытие, в 1963 г. R. Margaria выдвинул концепцию трех источников энергии для мышечной деятельности, впервые обратив внимание на “алактатный” процесс, более всего связанный с метаболизмом КрФ в мышцах [23, 24].

Сегодня эта концепция общепризнана, хотя успехи современной молекулярной биологии далеко перешагнули когда-то пионерские взгляды R. Margaria и его последователей. Известно, что активация работы митохондрий зависит от так называемого “энергетического потенциала клетки” – отношения фосфорилированных макроэргов к общему количеству потенциально макроэргических молекул [25, 26]. Понижение содержания КрФ и одновременное повышение концентрации креатина являются непременным условием для активации гликолиза и окислительного фосфорилирования [27–29], соотношение активности которых зависит от мощности нагрузки.

По мнению авторов [30], скорость ресинтеза КрФ после сокращения является показателем окислительной способности скелетных мышц, а связь между КрФ и лактатом в сокращающейся мышце может быть использована в качестве показателя гликолитической способности. R. Harris et al. показали, что при интенсивных истощающих нагрузках в мышце имеется линейная зависимость между отношением АТФ/АДФ и содержанием лактата [31].

С ресинтезом КрФ, по мнению ряда авторов [32, 33], связан объем БФ кислородного долга. Чем больше относительная доля быстрого компонента кислородного долга – тем, вероятно, выше достижимый энергетический потенциал клеток. При таком взгляде, роль КрФ становится ключевой с точки зрения регуляции митохондриальной активности. Общепризнано, что относительный объем быстрой и медленной фракций кислородного долга, а также его дериватов в виде пульсовых кривых восстановления, имеет важное значение для прогноза работоспособности, т.к. соотношение их величин зависит от степени вовлеченности в работу разных механизмов энергообеспечения (т.е. от индивидуальных физиологических особенностей работоспособности спортсмена).

По этой причине, по-видимому, точка перегиба, отображающая условную границу быстрой и медленной фаз восстановительного периода, имеет прогностическое значение. Используемые для графического построения прямые 1 и 2, отражают качество энерговегетативной регуляции на уровне организма, выражающееся в скорости нарастания ЧСС, и качество метаболической регуляции на уровне клеток и тканей, проявляющееся в величине и соотношении параметров быстрой и медленной фаз восстановления после предельной работы.

При таком подходе, положение точки перекреста прямых 1 и 2 на графике динамики ЧСС спортсмена во время работы нарастающей мощности и последующего восстановления, так же как и величина АнП, отражает соотношение вкладов аэробного и анаэробного процессов энергопродукции в обеспечение предельной работы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен графический метод определения АнП в тестировании с повышающейся циклической нагрузкой до отказа по динамике ЧСС при выполнении физической нагрузки и в процессе восстановления. Применение метода позволяет обходиться без газоанализа или инвазивных процедур для определения одного из важнейших показателей физического состояния – индивидуального уровня АнП.

Статистический анализ не выявил значимых различий между результатами измерения АнП у одних и тех же спортсменов по показателям газообмена, динамике лактата, и результатам оценки АнП, установленного графическим методом по параметрам пульсограммы, независимо от протокола нагрузки и нагрузочного устройства, на котором выполнялась работа.

В тестировании со ступенчато повышающейся нагрузкой на велоэргометре, так же как и в тестировании с плавно повышающейся нагрузкой на беговом тредбане, показатели на уровне АнП, полученном с помощью графического метода, сильно коррелируют с показателями на уровне АнП, полученного с помощью анализа динамики легочной вентиляции, неметаболического излишка углекислого газа или концентрации лактата.

Предлагаемый эмпирический метод точен, прост, не нуждается в использовании дорогостоящей и сложной газометрической аппаратуры и высококвалифицированном персонале, его точность не зависит от параметров протокола нагрузки и выбора нагрузочного оборудования. Все это открывает широкие перспективы использования метода на практике; в подготовке спортсменов и в фитнесе.