THE INFLUENCE OF LOCAL COLD

Full Text

Еськов В.В., Белощенко Д.В., Баженова А.Е., Живаева Н.В. Влияние локального холодового воздействия на параметры электромиограмм у женщин // Экология человека. 2018. № 9. С. 42-47. Eskov V.V., Beloshchenko D.V., Bazhenova A.E., Zhivaeva N.V. The Influence of Local Cold Effects on Electromyogram Parameters in Women. Ekologiya cheloveka [Human Ecology]. 2018, 9, pp. 42-47. Организм человека постоянно находится в тесной взаимосвязи с окружающей средой, которая оказывает непосредственное влияние на его регуляторные системы. В условиях Севера человек вынужден прежде всего адаптироваться к холоду, особенно в холодный период года, когда организм находится в состоянии напряжения [1, 11, 13, 14]. Это связано с необходимостью поддерживать биохимический и температурный гомеостаз на должном уровне [3, 4, 12]. В связи с этим изменения, возникающие в различных системах 42 Экология человека 2018.09 Экологическая физиология организма, так или иначе сказываются на деятельности двигательной системы, которая отражает поведение организма как единого целого. Именно поэтому, например, одним из обязательных признаков утомления является дискоординация движений. И следовательно, использование методов, которые бы позволяли обнаруживать такого рода изменения, может способствовать более объективной оценке функционального состояния организма человека [2, 5, 7]. В исследованиях нервно-мышечной системы (НМС) применяют разнообразные методы - динамометрию, тонусометрию, хронаксиметрию, электромиографию и др. Сейчас в экологии человека для этой цели активно используют и электромиографию (ЭМГ), которая широко распространена в самых различных областях медицины и биологии. С помощью ЭМГ изучается структурная и функциональная организация нервно-мышечного аппарата человека в различных экологических условиях [6, 8-10, 15]. Как правило, при этом основное внимание уделяется рассмотрению биоэлектрической активности мышечных групп или отдельных мышц. Вместе с тем суждение о механизмах центральной нервной регуляции может складываться на основании исследования не только деятельности отдельно взятых мышц, но и их взаимодействия в различных условиях [16-19]. Исходя из этого вопросы влияния холода на организм человека и особенно его функциональные системы остаются актуальными не только для территорий Крайнего Севера, но и для любых климатических условий жизни. В данной работе используются новые подходы и методы анализа НМС человека (ЭМГ) с позиций теории хаоса - самоорганизации [15-17]. Методы Объектом для наблюдения явились молодые девушки в возрасте 22 лет, проживающие на Севере Российской Федерации более 20 лет, которые подвергались локальному холодовому воздействию по стандартной методике [5-7]. Изначально испытуемые находились в положении сидя с вытянутыми вдоль туловища руками в относительно комфортных условиях при полном отсутствии какой-либо нагрузки на мускулатуру. Испытуемым закрепляли два электрода: к мышце (передних пучков дельтовидной правой руки), отводящей мизинец (musculus abductor digiti minimi) кисти правой верхней конечности, - вилочковый электрод с постоянным межэлектродным расстоянием (1 см), а к самой кисти, где находится лучезапястный сустав, - заземляющий. В комфортном (сидячем) положении девушкам необходимо было сжимать рабочую часть динамометра ДК мышечной силой 50 (Н) кистью правой верхней конечности, вытянутой в горизонтальном положении до и после гипотермического (локального холодового) воздействия (верхняя конечность (правая кисть руки) испытуемого помещалась в емкость с талой водой при t » +3 0С на 1 минуту, после чего снимались показатели). Всего на предмет состояния НМС в условиях гипотермии было обследовано 15 человек. В течение 5 секунд по 15 раз записывались показания ЭМГ в режиме биполярного отведения с последующей регистрацией в памяти ЭВМ [8-10]. Обследование производилось неинвазивными методами и соответствовало этическим нормам Хельсинкской декларации (2000). Работа выполнялась в рамках плана научных исследований лаборатории «Функциональные системы организма человека на Севере» при Сургутском государственном университете. Критерии включения в исследование: возраст 20-22 года; отсутствие жалоб на состояние здоровья в период обследований; наличие информированного согласия на участие в исследовании. Критерии исключения: болезнь учащегося в период обследования. Во всех случаях у испытуемых регистрировались электромиограммы с частотой дискретизации 4 000 Гц. Записи электромиограмм мышцы обрабатывались программным комплексом для формирования вектора X = (х, х2)Т, где xt = x(t) - абсолютное значение биопотенциалов мышцы (БПМ) на некотором интервале времени Дt, а х2 - скорость изменения X, т. е. х2 = dx/dt. На основе полученного вектора x(t) = (х, х2)Т строились квазиаттракторы (КА) динамики поведения вектора состояния системы и рассчитывались площади КА для всех многократных повторов у испытуемых до и после локального холодового воздействия. Расчет площади (а в общем случае - объема VG, так как х3 = dxjdt) произвот дился на основе общей формулы: vf = Df, где Dk представляли вариационные размахи по каждой х^координате. Любой динамический отрезок для координат x(t) и x2(t) в фазовом пространстве неповторим и невоспроизводим [2, 6, 16, 19]. Это движение хаотическое, но в пределах ограниченных объёмов фазового пространства состояний (ФПС) -квазиаттракторов, динамику которых можно изучать в рамках теории хаоса - самоорганизации [17-19]. Статистическая обработка данных осуществлялась при помощи программного пакета «Statisttea 10». Проверка данных на соответствие закону нормального распределения оценивалась на основе вычисления критерия Шапиро - Уилка. Дальнейшие исследования производились методами непараметрической статистики (критерий Вилкоксона). Систематизация материала и представленных результатов расчетов выполнялась с применением программного пакета электронных таблиц Microsoft EXCEL. Результаты В результате статистической обработки временной развертки сигнала электромиограмм (анализ спектра периодических биомеханических показателей человека) с помощью программы «Mio Ecg 2» были получены 4 000 дискретных значений x(t) электроми-ограмм мышцы при каждом из многократных повторов до и после локального холодового воздействия. Все повторы были направлены на разработку методов индивидуальной медицины, в которой необходимо учитывать эффект Еськова - Зинченко [7-10]. 43 Экологическая физиология Экология человека 2018.09 а) б) Рис. 1. Динамика параметров электромиограмм у испытуемой А. Ю. И.: а) до локального холодового воздействия, б) после локального холодового воздействия. По оси y - амплитуда напряжения (абсолютное значение биопотенциалов мышцы, мкВ); по оси х - время (0,125 сек) Для визуальной оценки данных, полученных с электромиографа, строилась временная развертка сигнала (рис. 1), которая преобразовывалась его дискретизацией в некоторые числовые ряды (выборки электромиограмм). Выбраны первые 500 значений электромиограмм в течение 0,125 сек. При анализе полученных временных рядов по данным ЭМГ видно, что получаемый сигнал уникален. Это проявляется в хаотической динамике статистических функций распределения электромиограмм получаемых выборок. Невозможно произвольно получить две одинаковые подряд f(x) (fj (x) Ф fj+l (x) ). Это и есть эффект Еськова - Зинченко [7-10, 17]. На рис. 1 представлен характерный пример сокращений мышцы, отводящей мизинец, у испытуемых до и после локального холодового воздействия (регистрация в течение 0,125 сек). Была отмечена различная динамика параметров электромиограмм при анализе 0,125-секундной вре менной развертки сигнала. Выявлено существенное различие в поведении значений амплитуд параметров биоэлектрической активности мышцы (ЭМГ) во времени до и после локального холодового воздействия у испытуемой А. Ю. И. Наблюдается увеличение амплитуды параметров сокращения мышцы, отводящей мизинец, кисти правой верхней конечности испытуемой, находящейся в условиях физической нагрузки после локального холодового воздействия. Напряжение мышцы до локального холодового воздействия варьирует в пределах 472-561 мкВ, после локального холодового воздействия 474-613 мкВ, причем у девушек увеличение параметров ЭМГ после гипотермического воздействия наблюдалось практически во всей группе, это подтверждается данными рис. 1 и табл. 1, 2. Была произведена статистическая обработка динамики параметров электромиограмм (анализ 4 000 значений сокращений мышцы в каждой вы- Таблица І Результаты статистической проверки на соответствие закону нормального распределения (по критерию Шапиро - Уилка) значений параметров электромиограмм у группы девушек до и после локального холодового воздействия N До локального холодового воздействия После локального холодового воздействия Х ср W Р Процентиль, % Х ср W Р Процентиль, % 50, Ме 5-й 95-й 50, Ме 5-й 95-й 1 519 0,99 0,00 518 487 553 538 0,98 0,00 537 514 563 2 525 0,97 0,00 542 331 663 512 1,00 0,00 511 414 615 3 549 0,88 0,00 560 459 691 531 0,93 0,00 549 423 604 4 529 0,91 0,00 529 522 535 549 0,99 0,00 550 524 570 5 486 0,92 0,00 479 295 610 568 0,99 0,00 571 314 895 6 540 0,90 0,00 532 423 723 535 0,99 0,00 535 456 612 7 533 0,91 0,00 555 430 602 533 0,91 0,00 555 430 602 8 530 0,99 0,00 530 523 537 530 0,99 0,00 530 523 537 9 537 0,92 0,00 545 437 600 523 0,99 0,00 526 153 867 10 495 0,97 0,00 494 371 599 545 0,91 0,00 549 436 606 11 527 1,00 0,00 530 434 615 539 0,98 0,00 540 425 646 12 483 0,99 0,00 487 411 549 534 0,99 0,00 536 496 563 13 525 0,98 0,00 526 503 547 530 0,96 0,00 536 484 562 14 528 0,99 0,00 528 491 567 473 0,98 0,00 470 368 604 15 446 0,98 0,00 456 257 606 533 0,99 0,00 535 387 673 Х ср 517 0,95 0,00 521 425 600 532 0,97 0,00 535 423 635 Примечание: W - критерий Шапиро - Уилка (Shapiro-Wilk) для проверки типа распределения признака; р - достигнутый уровень значимости, полученный в результате проверки типа распределения по критерию Шапиро - Уилка (критическим уровнем значимости принят р < 0,05); Хср - средние арифметические значения; Ме - медиана (5 %; 95 %), для описания асимметричных распределений использована медиана, а в качестве мер рассеяния - процентили (5-й и 95-й). 44 Экология человека 2018.09 Экологическая физиология Таблица 2 Результаты значений площадей КА (S104 у. е.) параметров электромиограмм у группы девушек до (Sj) и после (S2) локального холодового воздействия № S; S2 1 6,62 5,92 2 10,2 7,31 3 4,81 8,44 4 4,52 8,29 5 13,6 15,8 6 7,68 5,71 7 5,73 5,82 8 4,81 4,94 9 0,39 4,21 10 2,43 0,36 11 7,24 17,1 12 2,26 0,83 13 8,31 4,09 14 1,61 9,47 15 17,4 18,1 <S> 6,51 7,76 борке электромиограмм) у испытуемых до и после локального холодового воздействия. Результаты проверки на нормальность распределения параметров электромиограмм по критерию Шапиро - Уилка показали, что значения параметров биоэлектрической активности мышцы имеют непараметрический тип распределения (распределение, отличное от нормального, имеет р < 0,05), следовательно, значения электромиограмм представлялись медианами и процентилями (5-й и 95-й). В табл. 1 представлена динамика параметров электромиограмм у 15 девушек до и после локального холодового воздействия (1-й из серии 15 экспериментов). Их средние значения и значения медиан в большинстве случаев увеличиваются после локального холодового воздействия. При сравнении выборок электромиограмм до и после охлаждения с помощью критерия Вилкоксона статистически значимых различий в оценке ответной реакции НМС человека на внешнее неблагоприятное воздействие выявлено не было (при критическом уровне значимости р < 0,10). Иными словами, традиционная статистика дает низкую эффективность в оценке электромиограмм при локальной гипотермии [2, 4-10]. Далее представлен сравнительный анализ поведения системы регуляции сокращений мышцы, отводящей мизинец, в режиме покоя и при локальном холодовом воздействии на фазовой плоскости методом многомерных фазовых пространств. Таким образом, была получена табл. 2 площадей КА (S) до и после локального холодового воздействия. Два столбца образовывали параметры вектора состояния x = (x;, x2)T, который характеризовал группу из 15 человек с позиций хаоса электромиограмм (сокращений мышцы, отводящей мизинец), до и после локального холодового воздействия. Динамика значений S площадей КА параметров электромиограмм группы девушек для одной из серий экспериментов показывает, что средние значения площадей КА увеличиваются после воздействия холодом на 1,25 у. е. Для наглядной оценки хаотической динамики параметров электромиограмм были построены фазовые портреты их КА у группы испытуемых. Нами была установлена разнонаправленная реакция у всех девушек на действие локального охлаждения. Значения площадей КА как уменьшались, так и увеличивались после локального холодового воздействия. Показатель х; (динамика абсолютного значения БПМ) изменялся в диапазонах от 450 до 750 мкВ, а скорость х2 (изменение сигнала БПМ) варьировала от ±10 до ±500 мкВ/сек. На рис. 2 представлен характерный пример фазовых портретов сокращений мышцы, отводящей мизинец, в координатах xt (xi = Xi(t), т. е. динамика абсолютного значения БПМ и х2 = dx;/dt (скорость изменения х;) для полученных электромиограмм группы девушек до и после локального холодового воздействия. Этот пример фазового портрета для испытуемой А. Ю. И. показывает увеличение S2 относительно S1. Площадь КА у испытуемой выросла в 6 раз после локального холодового воздействия (с S1RÆ = а) б) Рис. 2. Фазовый портрет параметров электромиограмм испытуемой А. Ю. И. с координатами xpx2 = dx/dt: а) конфигурация квазиаттрактора до локального холодового воздействия S1KA = 2,19*104 у. е.; б) изменения конфигурации квазиаттрактора после локального холодового воздействия S2^ = 12,84*104 у. е. 45 Экологическая физиология Экология человека 2018.09 а) б) Рис. 3. Фазовый портрет параметров электромиограмм испытуемой К. В. И. с координатами xpx2 = dx^dt: а) конфигурация квазиаттрактора до локального холодового воздействия ^3ка = 2,26* 104 у. е.; б) изменения конфигурации квазиаттрактора после локального холодового воздействия S4KA = 0,83*104 у. е. 1,61 • 104 у. е. до S2KA= 9,47 • 104 у. е.), при этом напряжение х1 (динамика абсолютного значения БПМ) доходило до 730 мкВ, а скорость х2 (изменение сигнала БПМ) колебалась в пределах от -60 до 60 мкВ/ сек, что говорит об индивидуальных особенностях организма человека и слабой его адаптации к воздействию холодом [4 - 7, 10, 12]. В большинстве случаев в группе девушек после локального холодового воздействия значения площадей КА увеличивались, однако имеется пример, когда у испытуемой К. В. И. значение площади КА уменьшилось в 2,7 раза (с S3KA = 2,26 • 104 у. е. до S4KA = 0,83 • 104 у. е.), при этом напряжение х1 доходило до 570 мкВ, а скорость х2 варьировала в пределах от -15 до 15 мкВ/сек, что свидетельствовало об адаптации организма к воздействию холодом [12] (рис. 3). Обсуждение результатов Электромиограммы являются характерным примером хаотической динамики поведения параметров любой сложной биосистемы. Параметры электро-миограмм (биоэлектрическая активность мышцы демонстрируют неповторимую динамику, которую невозможно изучать в рамках традиционной науки, т. е. детерминизма или стохастики. Функции распределения у испытуемых непрерывно изменяются при повторных экспериментах, а значит, любые статистические результаты имеют ежесекундный (для электромиограмм) характер изменения (хаотического). Статистический анализ параметров электромиограмм (при повторных экспериментах) до и после локального холодового воздействия демонстрирует определенную закономерность: образуются выборки с непараметрическим типом распределения, которые существенно отличаются до и после гипотермического воздействия. Электромиография у напряженной мышцы до локального холодового воздействия отличается от биоэлектрической активности после него. Также исследование подтвердило эффективность применения методов многомерных фазовых пространств в качестве меры оценки динамики изменения электромиограмм. Любое направленное холодовое воздействие изменяет значения параметров электромиограмм НМС человека, о чем свидетельствует изменение значений площадей КА. Методы математического моделирования параметров электромиограмм у испытуемых в многомерном фазовом пространстве состояний (в сочетании с традиционными детерминистско-стохастическими методами) обеспечивают получение объективной информации о функциональном состоянии организма человека и степени адекватности его реакций на холод. Установленные в значениях КА различия параметров электромиограмм у группы девушек демонстрируют в большинстве случаев увеличение значения площадей КА. Это является маркером изменения хаотической динамики статистических функций распределения f(x). Подводя итог вышесказанному, отметим, что новые методы расчета электромиограмм на основе стохастики реально могут характеризовать интегральные значения их параметров при разных состояниях мышц. Изучение состояния механизмов регуляции, определение степени напряжения регуляторных систем имеют большое значение для оценки особенностей адаптации организма человека к холоду

About the authors

V V Eskov

Surgut State Universit

Email: firing.squad@mail.ru

D V Beloshchenko

Surgut State Universit

A E Bazhenova

Surgut State Universit

N V Zhivaeva

Surgut State Universit

References

Supplementary files