Физиология человека, 2019, T. 45, № 3, стр. 48-60

МЕТОДИКА

Смешанную выборку (СВ) практически здоровых испытуемых 18–22 лет (68 чел) разделили на 2 равные группы по 34 чел: спортивную (1) и неспортивную (2) молодежь по анамнестическому признаку отношения к систематическим физическим нагрузкам. Группу 1 (19 юношей, 15 девушек) подвергали систематическим физическим нагрузкам – тренировкам преимущественно на выносливость не реже 1, 2 раз в день по 90–120 мин, 5–6 раз в нед. Группу 2 (21 юноша, 13 девушек) занимали физической культурой только по плану учебного учреждения – не чаще 1, 2 раз в неделю по 90 мин. Максимальное велоэргометрическое тестирование осуществляли по индивидуальному протоколу. Мощность W1(Ватт) первой ступени длительностью 3 мин рассчитывали исходя из величины должного основного обмена (ДОО) в килокалориях по формуле W1(Вт) = ДОО × 0.1. В дальнейшем нагрузка ступенчато возрастает на 30 Вт каждую минуту до индивидуального максимума (Wmx) – снижения скорости педалирования ниже 30 оборотов в мин, обусловливающего конец нагрузки и начало восстановительного периода длительностью 7 мин [8–11].

Нагрузочные пробы проводили в первой половине дня с 8 до 12 ч на велоэргометре LodeCorival (диапазон нагрузки 7–1000 Вт). В течение всего времени тестирования посредством кардиоанализатора “ПолиСпектр-12” (Нейрософт, частота квантования 1000 Гц) записывали оцифрованную электрокардиограмму, из которой выделяли последовательный временнóй ряд RR-интервалов (R–R) – кардиоритмограмму и удаляли все эктопические сокращения.

Временны́е ряды КРГ нагрузочного периода анализировали как линейные (Лин) Y = aX + b и гиперболические (Гип) Y = a/X + b математические модели, где X – порядковый номер RR-интервала во временнóм ряду КРГ, Y – длительность RR-интервала, “a” – параметр модели наклон (Н), характеризующий (скорость для линейной модели) уровень изменчивости временнóго ряда и “b” – параметр модели отрезок (О), определяющий его постоянную составляющую. Оптимизацию моделей достигали методом наименьших квадратов. Математическому моделированию подвергали ВР КРГ раннего адаптационного периода (РАП): раздельно первой (1), второй (2), третьей (3) минуты нагрузки; попарно: 1, 2; 2, 3; 1, 3; всего раннего адаптационного периода: 1–3.

Обработку и математическое моделирование ЧСС всего нагрузочного (НП) и восстановительного (ВП) периодов осуществляли в виде гиперболической модели: Y = a/X + b, где X – время нагрузки или восстановления, Y – ЧСС в момент времени Х нагрузочного или восстановительного периода, “н” (НПн, ВПн) и “о” (НПо, ВПо) – параметры модели, определяющие уровень и постоянную составляющую изменчивости (в нагрузочный и восстановительный периоды соответственно). Оптимизацию моделей достигали методом наименьших квадратов.

Длительность восстановления определяли интегральным показателем (ИП), как сумму КИ за 7 мин восстановительного периода.

ЧСС нагрузочного периода учитывали по абсолютным показателям: ЧССmx, ЧСС1, ЧССср, где “mx” – максимальная (пиковая) ЧСС на высоте нагрузки, “1" – средняя ЧСС первой ступени нагрузки, "ср” – средняя ЧСС за весь нагрузочный период; относительный показатель – индекс хронотропного резерва (ИХР) рассчитывали по формуле: ((ЧССmx – ЧСС1)/ЧСС1) × 100. Все показатели ЧСС рассчитывали как 60/R–R (ударов в мин) исходя из временнóго ряда КРГ с использованием Microsoft Excel.

При анализе переносимости ФН учитывали абсолютные показатели: достигнутый максимум ФН (Wmx) в Ваттах; разницу между Wmx и мощностью первой ступени (W1): W = Wmx – W1; относительные показатели переносимости: производительность работы левого желудочка (ПРЛЖ), вычисляемые по формуле: (Wmx/ЧССmx) × 100, где ЧССmx – максимальная ЧСС на пике нагрузки; W/Ps – по формуле: W/ЧССmx.

Результаты исследования обрабатывали с помощью статистического пакета Statistica 6.0. Поскольку распределение полученных значений отличали от нормального, данные представляли в виде перцентильного (Пц) ряда (25–Ме–75), минимального (Мin) и максимального (Мх) значений. Для статистической обработки использовали непараметрические методы сравнения: Mann-Whitney и корреляционный анализ Spearman. Принятый уровень статистической существенности: p < 0.005 (если не указано иначе).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Смешанная выборка характеризуется существенным разнообразием показателей переносимости ФН с широким диапазоном колебаний (табл. 1). Их экстремальные значения могут различаться на 29% (ЧССmx), в 3 (ПРЛЖ) и даже в 6 раз (W). Ширина диапазона, вероятно, отражает неоднородность популяции, обусловленную уровнем переносимости ФН. Группы, выделенные с учетом настоящего признака характеризуются существенными различиями не только по всем показателям переносимости ФН, но и квартильному размаху (25–75 Пц) – объему изменчивости. При этом если абсолютный показатель переносимости ФН и хронотропных резервов существенно преобладает в группе спортсменов, то их квартильный размах – в группе сравнения. Те же закономерности характеризуют показатели относительной переносимости (ПРЛЖ, W/Ps). В свою очередь все маркеры ЧСС нагрузочного периода проявляются существенным доминированием, включая квартильный размах, в группе неспортивной молодежи. Восстановительный период обусловливается существенным преобладанием скорости изменения (урежения) ЧСС в группе спортсменов, а показателей длительности восстановления (ИП) и частотного уровня (ВПо) в группе сравнения, в ней же по всем показателям устойчиво доминирует и объем интерквартильной изменчивости.

Таким образом, наличие в группе спортсменов развитой аэробно-анаэробной выносливости – высокой физической работоспособности (ФР), проявляется не только преобладающим уровнем перенесенной нагрузки, но и максимумом хронотропных резервов. Последнее обстоятельство, кроме того, позволяет осуществлять больший объем адаптационных реакций на преобладающих скоростях хронотропной изменчивости. Следовательно, превалирующий уровень хронотропных резервов в нагрузочный период и скорость их изменчивости (в нагрузочный и восстановительный период) позволяют достичь больших максимальных нагрузок при меньших хронотропных затратах, а после прекращения нагрузки – быстрее восстановиться. Больший объем изменчивости показателей переносимости ФН в группе неспортивной молодежи свидетельствует о незавершенности системогенеза функциональной системы (ФС) отвечающей за формирование выносливости – высокого уровня переносимости ФН [23].

Взаимосвязи хронотропных маркеров переносимости с абсолютными и относительными показателями мощности ФН также имеют существенные различия в зависимости от уровня выносливости (табл. 2).

В смешанной выборке механизмы взаимосодействия обусловливаются достаточно сильной обратной закономерностью, когда большему значению любого из показателей мощности ФН (W, ПРЛЖ, W/Ps) соответствует меньшее значение всех проявлений нагрузочной (первой ступени, средней, максимальной, маркеров модели КРГ) и восстановительной (маркеров модели и ИП) ЧСС. Однако это связано с особенностью самой выборки объединяющей испытуемых с полярным уровнем развития выносливости, когда большая ФН у спортсмена обеспечивается меньшей нагрузочной ЧСС и быстрым восстановлением, в то время как представитель неспортивной молодежи переносит меньшую нагрузку при больших хронотропных затратах и длительном восстановлении. Естественно, что в относительно однородных группах возникают иные закономерности.

Характерными чертами нагрузочных показателей в группе спортсменов являются взаимосвязи с маркерами восстановления проявляющими необходимость в дополнительных хронотропных расходах (большей ЧСС, длительности периода и меньшей скорости увеличения КИ) возникающих в условиях предельных (для популяции) объемов перенесенных нагрузок. Нечеткая связь со скоростью изменения ЧСС в восстановительный период вероятно обусловливается взаимной компенсацией (максимально развитых у спортсменов) интенсивных тормозных вагусных модуляций, урежающих ЧСС и возросших хронотропных затрат из-за предельно высоких ФН – увеличивающих ЧСС периода [7, 10].

Утраченная связь с ИХР и ЧСС1 в нагрузочный период свидетельствует об исчерпанности хронотропных влияний на переносимость ФН, так как уровень этого резерва в данной группе максимальный и не может быть увеличен. При анализе W, W/Ps влияние иных нагрузочных маркеров также не выявляется. Тем не менее, изучение ПРЛЖ вскрыло участие маркеров модели, средних и максимальных значений ЧСС. При этом большему уровню ПРЛЖ соответствует преобладающая скорость изменчивости, НПо, рост максимальных и средних значений ЧСС нагрузочного периода. Следовательно, лучшей переносимости максимальной нагрузки способствует большая хронотропная реактивность (скорость изменения ЧСС) с учетом подключения всех имеющихся возможностей, приводящих как к достижению максимальных значений ЧСС, так и к соответствующему увеличению его средних значений. Однако здесь стоит отметить разницу показателей – ПРЛЖ, W/Ps. Если первый характеризует переносимость максимальной нагрузочной ступени, то второй – переносимость всего нагрузочного объема определяемого разностью максимальной и первой ступени нагрузки. Различие настоящих показателей заключается в учете первой ступени, которая зависит от ДОО и соответственно масса-ростовых и возрастных показателей. Чем больше по массе спортсмен, тем больше мощность первой ступени и тем выше вероятность достижения преобладающего относительно спортсменов с меньшей массой и ростом максимума нагрузки, в то время как количество нагрузочных ступеней и соответственно общий объем нагрузки может быть меньшим. Таким образом, показатель ПРЛЖ, отражая максимально достигнутую мощность нагрузки и игнорируя общий объем перенесенной ФН, вряд ли может быть использован для точного анализа переносимости ФН, в то время как показатель W/Ps – лишенный этого недостатка, является предпочтительным.

Группа неспортивной молодежи в нагрузочный период весьма требовательна к общему объему хронотропных резервов (за счет обеих границ): его левой границе – ЧСС первой ступени, так как эти резервы в настоящей группе далеки как от максимального объема, так и от оптимального использования, ЧССmx – правой границе, высокой скорости роста ЧСС и маркера математической модели НПо (физиологически соответствующее среднему значению ЧСС), что подтверждает необходимость большего объема хронотропных издержек при возрастании ФН. Последнее обстоятельство находит подтверждение и в восстановительный период, фактически лишенный рациональных регуляционных амбиций. При этом возрастание длительности восстановления (ИП) и увеличение скорости урежения КИ не отражающееся на ЧСС восстановительного периода в целом, вероятно, свидетельствует о напряженности и нехватке парасимпатического тормозного потенциала [7].

Таким образом, взаимосвязи маркеров переносимости с абсолютными и относительными показателями мощности нагрузки в смешанной выборке обусловливаются достаточно сильной обратной закономерностью, когда большему значению мощности соответствует меньшее значение средней, максимальной ЧСС. При этом относительные нагрузочные параметры переносимости демонстрируют больший уровень взаимосвязи с показателями ЧСС (ср, mx, 1) – ПРЛЖ > W/Ps > W, в то время как ИХР существенно доминирует для абсолютных значений мощности (W). Однако обращают на себя внимание еще несколько моментов. Во-первых, знак взаимосвязи ИХР отличается от остальных значений ЧСС. Во-вторых, значение связи ЧСС1 во всех случаях превосходит значения ЧСС (ср, mx), имеющие отношение ко всему массиву нагрузочного периода. В третьих, направление связи ЧСС1 и mx противоположны.

Действительно, чем более выражены хронотропные резервы, тем шире диапазон изменчивости ЧСС и тем большая нагрузка может быть достигнута. Однако достижения максимума диапазона, возможно как за счет снижения ЧСС1, так и повышения ЧССmx, что и происходит в группе неспортивной молодежи. При этом увеличение переносимости ФН требует не столько количественного увеличения хронотропных резервов сколько их качественного улучшения, которое бы позволило преодолевать ФН в режиме энерго- и хроносбережения. По данным исследования, во-первых, расширение ХР происходит преимущественно за счет низкого частотного диапазона, что определяется нижней границей – ЧСС1, во-вторых, рабочий диапазон ЧСС при этом уменьшается, что и доказывает его (сравнительно) меньший интерквартильный размах. Кроме того, в рамках сформированной у спортсмена функциональной системы и четко определенных ею оптимальных значений ЧСС (для преодоления предельно-возможных нагрузок), большой хронотропный диапазон не требуется. В условиях незавершенного системогенеза в группе неспортивной молодежи перебор возможных вариантов хронотропного обеспечения в рамках большого объема степеней свобод и приводит к максимальному расширению объема ХР за счет всех возможностей, тем более что увеличение ЧССmx достигается быстрее, хотя и энергозатратнее, нежели чем вагусное хроно- и энергосбережение, которое определяется частотой включения ФС (частотой в недельном микроцикле и качеством тренировок) по преодолению ФН – эффект которых, связанный с совершенствованием ФС и называется тренированностью, приводя к формированию выносливости.

В смешанной же выборке благодаря ее неоднородности, связанной с включением полярных (по уровню выносливости) групп, удается установить и показать преобладающее значение для улучшения переносимости ФН не верхней границы ХР, определяемой по ЧССmx, а нижней – ЧСС1, что подтверждается и ранее полученными данными [7, 10]. Настоящая закономерность подтверждается обратной связью и возрастанием роли средней ЧСС, которая и в данном случае в большей степени определяется уровнем ЧСС первой ступени, нежели, чем ее максимальным значением.

Когда речь идет об относительных показателях характеризующих хронотропную эффективность переносимости ФН, определяемую по затратам ЧСС на единицу достигнутой мощности, становятся понятными выявленные закономерности в группе неспортивной молодежи. Прямая связь со средней и максимальной ЧСС в ней указывает на несовершенство адаптационных процессов, когда уровень хронотропной стоимости возрастает не пропорционально нагрузке и настолько велик, что препятствует преодолению и абсолютному росту последней.

При этом, если ЧССmx в большей степени регламентирована возрастными и генетическими факторами, то ЧСС (ср, 1) определяются индивидуальным уровнем развития аэробно-анаэробной выносливости, что в существенной степени имеет отношение к спортивной тренировке, формирующей это качество. Кроме того развитие данного физического качества приводит и к снижению ЧССmx, что не только не позволяет достичь возрастного максимума, но и проводить у спортсменов циклических видов спорта пробу PWC170, так как значение ЧСС в 170 ударов в минуту у них вообще не достижимо [7]. При этом последнее обстоятельство не только не препятствует достижению в стресстесте сверхвысокой физической работоспособности (ФР), но и способствует этому. Иными словами максимальная ФР определяется объемом ХР (диапазоном ЧСС), оптимальный уровень которых достигается преимущественно за счет ЧСС первой ступени. При этом среднее значение ЧСС, кроме того, определяется низкой скоростью роста данного показателя при возрастании ФН.

Минимум зарегистрированных хронотропных влияний в группе спортсменов связан с предельным напряжением одноименных ресурсов – минимуме степеней свобод – исчерпанности резервов (но остаются варианты со специальными нагрузками), участие ЧСС1 также отсутствует (но это со ступенью в целом, возможно существуют связи с более короткими отрезками).

Выясненные закономерности, а именно существенное участие первой ступени в формировании нагрузочной переносимости, потребовало ее более детального изучения (табл. 3). Особого внимания заслуживают взаимосвязи предельных показателей переносимости ФН и изменчивости КРГ раннего адаптационного периода (табл. 4–6).

Известно, что изменчивость КРГ при ФН связана с увеличением ЧСС, т.е. поступательным уменьшением длительности КИ, кроме того этот процесс сопровождают затухающие колебания длительности КИ, которые в виде обертонов накладываются на основную тенденцию и полностью исчезают на 4–6 мин нагрузки, при этом дальнейшее увеличение ЧСС продолжается до 8–10 мин. В свою очередь восстановление СР после прекращения ФН сопровождается обратной динамикой – не только урежением ЧСС, но и появлением нарастающих, обертонных колебаний длительности КИ [9–11].

Максимум различий ко 2, а в парах на отрезке 2, 3 мин, определяют вероятностную тенденцию максимальных взаимосвязей с маркерами переносимости ФН. Настоящее предположение находит подтверждение как для абсолютных и относительных маркеров перенесенной нагрузки, нагрузочной ЧСС (НПо, ЧССmx), так и для маркеров КРГ восстановительного периода, так как их максимальные связи определяются на 2 и 2, 3 мин. При этом меньшей скорости изменения КИ РАП соответствует большая нагрузка, лучшая ее переносимость, меньшая нагрузочная средняя и максимальная ЧСС, большая скорость, меньшая длительность (показатель ИП) и ЧСС восстановления. Положительные значения линейных взаимосвязей на 1 мин свидетельствуют о необходимости большего объема хронотропных резервов, максимум которых обусловливается минимальным значением ЧСС в момент начала ФН, при этом большая возможность из расходования на 1 мин также будет способствовать лучшей переносимости ФН и раннему восстановлению.

Следует отметить, что никакая модель, тем более подчиненная строго определенному математическому закону, не может в точности соответствовать экспериментальной кривой. Поэтому интерес к моделируемому (экспериментальному) ВР не может быть утрачен полностью. Кроме того, основная тенденция изменчивости КРГ РАП весьма оригинальна и определяется выраженным снижением длительности КИ на первой минуте с дальнейшей вариативной одноименной и противоположной девиацией – на второй и третьей. При этом скорость изменения ЧСС на первой и второй минутах может различаться не только на порядок (в 10 раз), но и по знаку. Вероятно длительность, выраженность и качество изменчивости РАП обусловливаются уровнем развития аэробно-анаэробной выносливости.

Выявленная изменчивость СР – не что иное как перебор в рамках имеющихся степеней свободы адаптационных механизмов и определение оптимального уровня СР для обеспечения функциональной системы данной интенсивности нагрузки [10]. Так как весь пейзаж поиска наилучшего адаптационного результата разворачивается в РАП именно в это время и регистрируется как максимум изменчивости СР (1 мин), так и его связи с переносимостью ФН в целом (2–3 мин). Вероятно поэтому выявленная избыточная изменчивость на 1–2 мин не может нести точных прогностических маркеров переносимости ФН, что компенсируется их нарастанием на 2 и 3 мин, когда хронотропное поведение миокарда становится более упорядоченным и подчиненным регуляционным влияниям. Исчерпанность хронотропных резервов в группе спортсменов свидетельствует не о конечности (невозможности) дальнейшей адаптации, а о ее еще большей специфичности, когда перебор степеней свобод идет в пользу специальной адаптации, направленной на преодоление той соревновательной дистанции, которая для данного спортсмена на соответствующем этапе подготовки является главной.

Нет необходимости в противопоставлении гиперболических и линейных методов моделирования, так как каждый из них более применим там, где достигается наилучшее соответствие опытной кривой КРГ. Тем не менее, на коротких участках появление обоюдно высоких корреляционных коэффициентов, может свидетельствовать о наличии ранее не обнаруженной более сложной изменчивости, что и демонстрирует 2 мин РАП. Иными словами вид математического моделирования может быть использован как диагностический подход в рамках определения изменчивости КРГ на определенных, изучаемых или реперных участках КРГ.

ВЫВОДЫ

1. Изменчивость КРГ раннего адаптационного периода несет в себе характерные черты всего нагрузочного временнóго ряда и связана с индивидуальной нагрузочной переносимостью, уровнем развития аэробно-анаэробной выносливости.

2. Гиперболическая и линейная модели временнóго ряда КРГ РАП отражают его особенности и могут быть использованы для изучения его изменчивости и связей с иными адаптационными механизмами.

3. Минутные модели РАП выявили его критические этапы: максимальной изменчивости (1–2 мин), и стабильности (3 мин); максимальной скорости изменчивости (1 мин), выраженного снижения скорости (2 мин), минимальной скорости (3 мин). Последняя (3) мин РАП в смешанной выборке и 2 группе наилучшим образом отражает предел индивидуальной нагрузочной переносимости.

4. Однородные группы существенно отличаются друг от друга по максимальному уровню и хронотропным параметрам переносимости ФН, времени начала и скорости изменения ВР КРГ. При этом для смешанной выборки и группы неспортивной молодежи маркеры М РАП отражают индивидуальную переносимость ФН в неменьшей степени, чем средние и максимальные значения ЧСС определенные за весь нагрузочный период. Для группы спортсменов настоящие маркеры в меньшей степени определяют максимум переносимости, но свидетельствуют о качестве переносимости ФН.

5. Маркеры М РАП, выявляя характерные черты и особенности хронотропной адаптации, могут быть использованы: в смешанной популяции для скрининга; в спортивной группе для изучения и прогноза формирования выносливости, тренированности, контроля усвоения ФН в динамике, профилактики перегрузки, перетренировки; в группе неспортивной молодежи – объективно свидетельствовать о состоянии здоровья, существенности нарушений адаптационных процессов (переносимости ФН).

Этические нормы. Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г. и ее последующих обновлениях, и одобрены локальным биоэтическим комитетом Рязанский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова Министерства здравоохранения РФ.

Информированное согласие. Каждый участник исследования представил добровольное письменное информированное согласие, подписанное им после разъяснения ему потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящего исследования.

Благодарности. Благодарность сотрудникам кафедры нормальной физиологии с курсом психофизиологии Рязанского государственного медицинского университета им. акад. И.П. Павлова Министерства здравоохранения РФ; сотрудникам кафедры физической культуры и спорта Академии права и управления Федеральной службы исполнения наказаний (Рязань).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией данной статьи.