Физиология человека, 2019, T. 45, № 3, стр. 61-69

МЕТОДИКА

Для поставленной цели обследовали 71 юношу в возрасте от 17 до 19 лет из числа европеоидов уроженцев региона в 1–2 поколении и являющихся студентами Северо-Восточного государственного университета. Обследование проводили на занятиях физической культуры до нагрузки, что подразумевает наличие медицинского допуска и отсутствие хронических заболеваний в стадии обострения и жалоб на состояние здоровья, что и являлось непосредственным критерием включения в исследования. Все обследуемые характеризовались одинаковым уровнем физической активности, предусматривающим занятия физической культуры в рамках учебного плана университета.

Все испытуемые выполняли нагрузку мощностью 900 кгм/мин (150 Вт) темпом педалирования 60 об./мин и продолжительностью 6 мин, что по реакции сердечно-сосудистой системы близко к функциональному ответу при PWC₁₇₀ у молодых лиц в возрасте 18–21 г. [7]. До нагрузки (фон), на ее пике (конец 6 мин) и в процессе восстановления (3, 6 мин) измеряли систолическое (САД, мм рт.ст.) и диастолическое (ДАД, мм рт.ст.) артериальное давление с использованием автоматического тонометра Nessei DS–1862.

Запись ЭКГ проводили как в состоянии покоя, так и во время велоэргометрии с помощью прибора “Варикард” и программного обеспечения VARICARD-KARDi [8] и с учетом методических рекомендаций группы Российских экспертов [9]. В дальнейшем анализировали следующие показатели ВСР: частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд./мин); число пар кардиоинтервалов с разницей более 50 мс в % к общему числу кардиоинтервалов (pNN50, мс); квадратный корень из суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов (RMSSD, мс); индекс напряжения регуляторных систем (SI, усл. ед.); суммарная мощность спектра сердечного ритма (TP, мс²), мощность спектра высокочастотного компонента ВСР в диапазоне 0.4–0.15 Гц (дыхательные волны) (HF, мс²); мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности сердечного ритма в диапазоне 0.15–0.04 Гц (LF, мс²); мощность спектра очень низкочастотного компонента вариабельности ритма сердца в диапазоне 0.04–0.015 Гц (VLF, мс²). Общую суммарную мощность спектра кардиоритма (ТР) в процессе ререспирации рассчитывали без учета ультра низкочастотной составляющей (ULF) исходя из требований корректности применения анализа коротких временных рядов с использованием метода Фурье преобразования [10]. Для анализа спектральных характеристик ВСР при выполнении велоэргометрической нагрузки использовали 2-х минутные отрезки записи, что позволяло иметь в анализируемом участке более 200 кардиоинтервалов, что является необходимым критерием анализа спектра кардиоритма [9].

Тип исходного вегетативного тонуса определяли на основании значений ЧСС, SI, TP, где диапазон эйтонии для для SI – от 70 до 140 усл. ед., для TP – от 1000 до 2000 мс² [11]. Если исследуемые показатели TP находились ниже данных диапазонов, то вегетативный баланс был оценен как симпатотонический, при повышении величин данного коридора – как ваготонический. Напротив, относительно показателей SI, при повышении его значений более 140 усл. ед. (с учетом 2-х других показателей) вегетативный баланс оценивался как с симпатикотонческой направленностью, а понижение менее 70 усл. ед. – ваготонической.

Во время велоэргометрической нагрузки запись ВСР проводили непрерывно в течение всех 6 мин. Обследования юношей проводили в помещении с температурой 19–21°С, преимущественно в первой половине дня.

Исследование выполнили в соответствии с принципами Хельсинкской Декларации (2008). Протокол исследования был одобрен Этическим комитетом медико-биологических исследований при СВНЦ ДВО РАН (этический протокол № 004/013, от 10.12.2013). Все обследуемые были проинформированы о характере, цели исследования и дали письменное согласие на участие в нем.

Обработка данных. Полученные результаты подвергли статистической обработке с применением пакета прикладных программ “Statistica 7.0” Проверку на нормальность распределения измеренных переменных осуществляли на основе теста Шапиро–Уилка. Результаты непараметрических методов обработки представлены в виде медианы (Me) и интерквартильного размаха в виде 25 и 75 процентилей (С25 и С75), а параметрических – среднего значения (М) и ошибки средней арифметической (±m). При независимых выборках уровень значимости различий для выборок с распределением, не отличающимся от нормального, определяли с помощью t-критерия Стьюдента для независимых выборок и в случае выборок с распределением, отличающимся от нормального – использовали критерий Манна–Уитни. При зависимых выборках статистическую значимость различий определяли с помощью t-критерия Стьюдента с параметрическим распределением и непараметрического критерия Вилконсона для связанных выборок с распределением, отличающимся от нормального. Критический уровень значимости (p) в работе принимали равным 0.05 [12].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Полученные результаты показали, что на пике нагрузки ЧСС варьировала в широком диапазоне значений (от 135 до 170 уд./мин), что позволило выделить две репрезентативные выборки: в группу 1 (n = 42) вошли лица с ЧСС более 150 уд./мин, а в группу 2 (n = 29) – с ЧСС менее 150 уд./мин. При этом в группе 1 с учетом 25–75 процентилей значения ЧСС находились в диапазоне 65–80 уд./мин, и в основном могут быть охарактеризованы как нормосимпатотоники, а во 2-й группе – 58–68 уд./мин, что позволят рассматривать их как нормоваготоников. Можно отметить, что лица с выраженной симпатикотонией и ваготонией, в обследуемой выборке студентов, практически отсутствовали. Обследуемые, вошедшие в группу 1 имели массу тела 66.8 ± 1.0 кг, длину тела 178.4 ± ± 0.08 см, а во второй группе – 72.1 ± 1.1 кг и 180.1 ± 0.09 см соответственно. В табл. 1 представлены основные показатели гемодинамики у юношей двух групп, различающихся по исходному типу вегетативной регуляции и пиковому ответу ЧСС на физическую нагрузку. Из приведенных данных видно, что между обследуемыми группами в состоянии покоя (фон) и на пике пробы статистически значимых различий в показателях артериального давления не отмечалось, при этом прирост систолического АД в группе 1 и 2 составлял равную величину – 80 мм рт.ст., а диастолического – 52 и 45 мм рт.ст. соответственно.

В процессе восстановления (3-я и 6-я мин) относительно фона, были отмечены статистически более высокие значения по всем изучаемым показателям в группе 1.

В табл. 2 представлены основные показатели статистических значений ВСР на каждом этапе велоэргометрической нагрузки. В табл. 3 отмечены уровни достигнутых значимостей статистических различий между изучаемыми показателями. Анализ поминутного прироста динамики ЧСС выявил ряд существенных различий: так юноши 1-й группы характеризовались статистически значимо более высокими показателями на каждой минуте, при этом различия на пике нагрузки достигали 23 уд./мин относительно обследуемых 2-й группы. Однако вектор изменения структуры ВСР в процессе велоэргометрии не зависел от исходного типа вегетативной нервной регуляции, а различия касались только абсолютных величин показателей. При этом у представителей группы нормосимпатотоников с 4 мин нагрузки отмечались значимо более высокие показатели SI, которые возрастали с каждой последующей минутой относительно предыдущей. Анализ динамики мощности спектральных характеристик ВСР также указывает на сопоставимые векторы изменений в обеих группах, при этом наибольшее число значимых различий начинало регистрироваться с 3-й мин нагрузки (табл. 4).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Увеличение ЧСС и АД в ответ на физическую нагрузку – типичные приспособительные реакции организма, определяющие его резервные возможности, направленные на выполнение заданной работы [13]. Статистически значимо более низкие показатели ЧСС на всех этапах тестирования были отмечены в группе 2. Известно, что в норме у практически здоровых людей фоновые значения ЧСС находятся под ведущим влиянием парасимпатического звена ВНС, активность которого обеспечивает после физической нагрузки быстрый восстановительный процесс при достаточных функциональных резервах организма, что и отмечалось в большей степени у юношей 2 группы. Исследования показали, что ЧСС в состоянии фона и восстановительного периода, можно рассматривать в качестве маркеров кардиального вегетативного баланса отражающего состояние симпатического и парасимпатического влияния на регуляторные процессы после прекращения физических нагрузок [14–16].

Имеются современные исследования о том, что занятия физическими нагрузками, особенно аэробной направленности, влияют на баланс вегетативной нервной системы, путем повышения парасимпатического тонуса и уменьшением симпатической активности [17], а динамика значений ЧСС фонового, нагрузочного и восстановительного периода, при прочих равных условиях, могут выступать прогностическими критериями оценки возможного уровня физической работоспособности [14, 15]. Учитывая, что в группе нормоваготоников в состоянии фона, на пике нагрузки и в восстановительном периоде ЧСС было значимо ниже, чем у нормосимпатотоников, можно говорить об их больших функциональных резервах и физической работоспособности, что согласуется с результатами исследований А.Л. Похачевского [13, 18]. При этом мы принимали во внимание, что в обеих группах величина ЧСС на пике нагрузки не достигала своих критических величин, исходя из расчета зависимости следующего вида: 208−0.7 × (возраст) [19]. Однако можно подчеркнуть, что в 1-й группе она значительно ближе приближалась к критическим значениям, достигая 85% от расчетного значения, в то время как во 2-й группе оно было меньше 75%.

Известно, что артериальное давление увеличивается во время нагрузочной пробы, обеспечивая, наряду с ЧСС, адекватный приток крови к работающим мышцам и уровень поступления к ним кислорода [20], при этом степень его увеличения пропорциональна интенсивности и тяжести выполняемой работы [21]. Однако выраженная и чрезмерная реакция артериального давления при физических нагрузках может свидетельствовать о формирующейся сердечно-сосудистой патологии [22], развитии артериальной гипертензии и высоком риске сердечно-сосудистых катастроф, включая риск внезапной смерти [23]. Таким образом, тестирование с физическими нагрузками близкими к субмаксимальной мощности для практически здоровых молодых людей является более информативным, чем любое обследование в состоянии покоя, так как позволяет выявлять не только скрытые дефекты регуляции в системе кардиогемодинамики, но и формирующуюся патологию, что было показано в исследовании ряда авторов [24].

В настоящее время не существует консенсуса относительно определения нормального повышения АД в процессе выполнения нагрузочного теста [25]. В ряде исследований используется пик систолического АД или абсолютный прирост от состояния покоя до пиковых значений, а также разница САД_проба – САД_фон на основании которой, проводятся попытки прогнозирования развития гипертензии [26] и возможных сердечно-сосудистых катастроф [27]. В работе M. Macek et al. для определение аномальной реакции артериального давления на физическую нагрузку используется показатель увеличение САД более чем на 30 мм рт. ст. на 1.0 Вт/кг нагрузки [28]. Исходя из того, что средняя масса тела у испытуемых 1-й группы была равна 66.8 кг, индекс нагрузки составлял 2.24 Вт/кг и, соответственно, нормальный уровень увеличении САД не должен был превышать 67.2 мм рт.ст. Для второй группы, представители которой имели массу тела 72.1 кг, данный индекс составил 2.05 ВТ/кг, в соответствии с которым нормальный прирост САД не должен превышать 62.4 мм рт.ст. Таким образом, исходя из полученных результатов, можно говорить о том, что у представителей двух групп реакция САД на велоэргометрическую пробу была избыточна и характеризовалась гипертензивными проявлениями. Также необходимо отметить, что прирост САД, отмеченный в наших исследованиях, не входил в нормативный диапазон, указанный в работе S. Gläser et al. [29], где для обследуемых данной возрастной группы и с ИМТ от 21 до 25 кг/м², показатель САД в нагрузке не должен был превышать величины 165 мм рт.ст. Для диастолического АД увеличение показателя в 1-й группе до 124 мм рт.ст. и во 2-й группе до 115 мм рт.ст. в ответ на велоэргометрическую нагрузку так же превышает нормативный коридор (61–109 мм рт.ст.), приведенный в работе S. Gläser et al. [29]. Таким образом, полученные результаты отражают выраженную повышенную гипертензивную реакцию показателей артериального давления в двух обследованных группах, но степень их различий указывает на то, что уровень функциональных резервов в значительной степени зависит от исходного типа вегетативной нервной регуляции.

В настоящее время физические нагрузки мощностью более 100 Вт/мин рассматриваются как достаточно высокие, приводящие к физиологическому стрессу и возможной полной депрессии парасимпатической модуляции на фоне существенной активации симпатического звена [30]. При этом изменения структуры ВСР в период велоэргометрического тестирования позволяют определить не только степень вклада различных звеньев ВНС, но и состояние функциональных резервов организма в целом [9, 31, 32]. Анализ поминутного прироста ЧСС (табл. 2, 3) в ответ на велоэргометрический тест показал более выраженную интенсивность увеличения показателей в группе 1. Так, в этой группе значения ЧСС равные 140 уд./мин регистрировались уже на 2-й мин велоэргометрического теста, тогда как в группе 2 аналогичные величины этого показателя наблюдались только в конце нагрузочного теста. Имеются данные, что быстрый прирост ЧCC в начале нагрузки является результатом резкого снижения вклада парасимпатической регуляции, тогда как активация симпатического звена вызывает сравнительно более медленное увеличение ЧСС в процессе нарастающей нагрузки [33]. В связи с этим можно предположить, что изменение темпа динамики ряда показателей ВСР и гемодинамики могут выступать маркером вклада того или иного регуляторного звена ВНС в эффективное обеспечение физической работоспособности. Это необходимо учитывать при необходимости выполнения достаточно тяжелых и интенсивных физических нагрузок молодыми людьми в условиях специальной деятельности или занятиями спортом, особенно если они проходят в экстремальных природно-климатических условиях Севера.

Анализ спектральных характеристик кардиоритма (табл. 4) в ответ на нагрузочный тест также выявил в исследуемой популяции наличие единого вектора изменений в динамике показателей, но при этом имелись значимые различия по времени выполнения нагрузки. Оказалось, что показатели TP, HF, LF, VLF снижались по мере увеличения времени велоэргометрического теста. При этом в состоянии фона между обследуемыми группами статистической разницы в показателях не отмечалось, но уже с 1 мин нагрузки и до ее окончания значимые различия наблюдались по большинству спектральных показателей ВСР.

Резкое снижение в нагрузочной кардиоритмограмме общей мощности спектра высоко- и низкочастотных волн свидетельствует о реципрокном уменьшении парасимпатического и увеличении симпатического влияния на структуру кардиоритма, при этом на последних минутах нагрузки значение TP в группе 1 более чем в 2 раза было меньше, чем у обследуемых второй группы.

Известно, что симпатическая активация, индуцированная физической нагрузкой, зависит в большей мере от ее тяжести, интенсивности и длительности физических упражнений и не связано с количеством мышц, задействованных в ее выполнении [34]. При этом минимизация тонуса парасимпатической модуляции в регуляции сердечного ритма и снижение тормозящих влияний, наблюдаемых в исчезновении дыхательного тренда и стабилизации длительности R-R интервалов, будет проявляться в кардиоритмограмме выраженным снижением высоко- (HF) и низкочастотных (LF) составляющих. Исследования показали, что при крайне высоких физических нагрузках может наблюдаться полное исчезновение низкочастотной волны (LF) в общей мощности спектра кардиоритма [13, 18]. В нашем случае у обследуемых 1-й группы мощность в сумме высоко- и низкочастотных составляющих была менее 50%, а в группе 2 – около 80%. Некоторые исследователи считают, что снижение или исчезновение волновой структуры сердечного ритма, соответствующее уровню 75–85% максимальной ЧСС, может определять зону аэробно-анаэробного перехода [13, 18], что в наших исследованиях наблюдается на 5–6-й мин нагрузки.

Важно отметить увеличение вклада VLF-компонента в общую мощность спектра относительно фоновых значений в группе 1, тогда как в группе 2 данный процентный показатель в процессе выполнения нагрузки статистически значимо не изменялся. Однако на последних минутах нагрузки его абсолютное значение более чем в 2 раза превышало показатель в группе 1, свидетельствуя о включении надсегментарных и центральных механизмов регуляции сердечной деятельности, что является необходимой условием активации функциональных и адаптационных резервов при действии выраженных стрессирующих факторов [9].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования показали, что юноши призывного возраста с нормоваготоническим типом вегетативной регуляции обладают большими функциональными резервами и меньшим напряжением при выполнении физической нагрузки значительной по тяжести и интенсивности.

Проведенный анализ данных ВСР показывает, что, несмотря на различную исходную ЧСС, структура основных статистических и спектрально-волновых характеристик кардиоритма в состоянии фона не различается и они не могут выступать информативными критериями для прогноза функциональных резервов кардиореспираторной системы у лиц с нормосимпатотоническим и нормоваготоническим типами исходной вегетативной регуляции. Однако в процессе велоэргометрии информативность показателей ВСР для оценки тонких перестроек вегетативной регуляции проявляется достаточно ярко. Так, снижение (относительно фона) общей мощности спектра на первых двух минутах нагрузки более чем в 14 раз, у обследуемых 1-й группы, а у обследуемых 2-й группы в 7 раз, позволяет говорить о более высоких у них функциональных резервах системы кардиогемодинамики и более легкой переносимости нормоваготониками физической нагрузки.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН “Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития Арктической зоны Российской Федерации” (проект “Разработка унифицированных социально-экономических и медико-биологических критериев оценки дискомфортности окружающей среды и состояния адаптированности жителей циркумполярных и арктических регионов”).