SEASONAL CHANGES OF INTERRELATIONS BETWEEN CARDIORESPIRATORY SYSTEM CHARACTERISTICS OF YOUTHS IN CONDITIONS OF CIRCUMPOLAR REGION

Full Text

Климатические условия полярных и приполярных регионов, где дискомфортность проживания определяется холодом, резкими колебаниями атмосферного давления и температурного спектра, повышенной влажностью, высокой активностью гелиокосмических факторов, резким нарушением фотопериодичности, частыми значительными возмущениями в ионосфере, возрастающей к северу напряженности и изменчивости магнитного поля Земли, оказывают свое негативное влияние на состояние физиологических систем организма и способствуют их перестройке [1—3, 8, 10, 14—18]. Очевидно, дополнительным фактором, вызывающим определенные изменения в компенсаторно-приспособительной деятельности кардиореспираторной системы человека, являются циклы естественной сезонной акклиматизации, которые человек проходит на протяжении года. Однако до сих пор остается практически неосвещенным вопрос о сезонных изменениях показателей функционального состояния системы потребления и транспорта кислорода, об особенностях их взаимоотношений. Исходя из этого целью исследования было изучение взаимоотношений показателей кардиореспираторной системы и их изменение в различные сезоны года в условиях приполярного региона. Методы Исследование функционального состояния кардиореспираторной системы было проведено у практически здоровых молодых людей (19,26 ± 0,18) года, родившихся и проживающих в условиях северного региона (г. Архангельск, Архангельская область) и являющихся студентами высшего учебного заведения, в первой половине дня, через 1,5—2 часа после приема пищи, 15-минутного отдыха в условиях относительного покоя в осенний (октябрь), зимний (декабрь), весенний (апрель) и летний (июнь) сезоны года. Вариабельность сердечного ритма изучали с использованием программно-аппаратного диагностического комплекса «Варикард-1.0». Оценивались параметры ритма сердца: RMSSD, мс — квадратный корень суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов; SDNN, мc — среднеквадратичное отклонение динамического ряда R—R-интервалов; АМо, % — амплитуда моды, число значений интервалов, равных Мо в процентах к общему числу зарегистрированных кардиоциклов; МхDMn, мс — разница наибольшего и наименьшего значений динамического ряда R—R-интервалов, вариационный размах; рNN50, % — число пар кардиоинтервалов с разностью более 50 мс к общему числу кардиоинтервалов в массиве; CV, % — коэффициент вариации; SI, усл. ед. — индекс напряжения регуляторных систем (Stress index); ТР, с2 х 1000 — суммарная мощности спектра на всех частотных диапазонах. Функцию внешнего дыхания исследовали на автоматическом спирометре «СпироС-100» в положении сидя. Регистрировали показатели: ЖЕЛ, л — жизненная емкость легких; ОФВ05, л — объем форсированного выдоха за первые 26 Экология человека 2012.09 Экологическая физиология 0,5 секунды; ОФВр л — объем форсированного выдоха за первую секунду; ПОС, л/с — пиковая объемная скорость выдоха; МОС25, МОС50, МОС75, л/с — мгновенная объемная скорость на 25, 50 и 75 % от ФЖЕЛ; СОС25-75, л/с — средняя объемная скорость в диапазоне 25—75 %; оФв/ФЖЕЛ, % — индекс Генслера (ИГ). С помощью медицинского диагностического автоматизированного комбинированного комплекса «Сфера-4» определяли гемодинамические показатели. Синхронно с реографией проводилась регистрация электрокардиограммы во II стандартном отведении. На основании интегральной реограммы по методике М. И. Тищенко [13] у молодых людей были исследованы характеристики центральной гемодинамики: ОПСС, дин*с-1см-5 — общее периферическое сопротивление сосудов; УОК, мл — ударный объем крови; УИ, мл/мин — ударный индекс; СИ, л/мин*м2 — сердечный индекс; МЛЖ, Вт — мощность левого желудочка; ИМРС, кг*м/мин/м2 — индекс минутной работы сердца; ИУРС, кг*м/м/м2 — индекс ударной работы сердца; ОСИ, мл/с — общая скорость изгнания. Реоэнцефалограмму регистрировали в бассейне внутренней сонной артерии во фронтомастоидальном отведении с правой (п) и левой (л) сторон: Т, сек. — время распространения пульсовой волны от сердца до исследуемого участка; ТИ, сек. — период изгнания; РИ, 1/Ом — соотношение амплитуды реографической волны в мм с калибровочным сигналом (К) в мм; АЧП, усл. ед. — амплитудно-частотный показатель (вычисляли как РИ/Т ); А/С, % — показатель тонуса артерий всех калибров; А2/С, % — показатель тонуса артерий среднего и мелкого калибра; Vs, мл — систолический объем кровотока; Vm, мл — минутный объем кровотока; Vmax, Ом/сек. — максимальная скорость быстрого кровенаполнения; Vmin, Ом/сек. — средняя скорость медленного кровенаполнения. Математическая обработка результатов исследования проводилась с помощью статистического пакета SPSS 15.0. Проверка на нормальность распределения измеренных переменных осуществлялась по критерию Shapiro-Wilk. В случае нормального распределения переменных применялись параметрические методы (Т-Стьюдента) для зависимых выборок, при ненормальном распределении — непараметрические (Вилкоксона). Корреляционный анализ выполнен с использованием ранговой корреляции по Spearmen (rs). Учитывали только значимые коэффициенты корреляции. Критический уровень значимости (р) при проверке статистических гипотез принимался за 0,05. Факторный анализ проводили в среде программы SPSS. Использовался метод главных компонент с вращением Varimax с нормализацией Кайзера. Для интерпретации брались только информативные (кумулятивный процент от общей дисперсии выборки 70 и выше) и адекватные модели для данных выборок с мерой выборочной адекватности Кайзера — Мейера — Олкина более 0,5. С целью повышения информативности в факторных моделях использовались показатели, участвующие в статистически значимых корреляциях в конкретных выборках (p < 0,050-0,001) [9]. Результаты Анализ взаимоотношений показателей кардиоре-спираторной системы у юношей свидетельствует, что в разные сезоны года ее функциональная организация имеет свои особенности. Факторный анализ выявил в осенний период наличие 5 генеральных совокупностей с суммарным весом 77,5 % дисперсии (табл. 1). К 1-му фактору отнесены 8 показателей, которые можно обозначить как «центральная гемодинамика» с общей долей в суммарной дисперсии 21,34 %. Вторую матрицу, включающую 8 показателей (17,94 %), возможно интерпретировать как «интенсивность мозгового кровотока». Третий фактор определяем как «респираторный блок». В данную матрицу с суммарным весом 14,99 % вошли 7 показателей, отражающих, в первую очередь, бронхиальную проводимость в системе мелких, средних и крупных бронхов и скоростные величины, характеризующие выдох. В 4-й фактор «вариабельность» были включены значения, отражающие парасимпатическую активность в управлении сердечным ритмом. Суммарный вклад Таблица 1 Межсистемные связи функциональных систем у юношей в осенний период года n=170 Показатель 1-й фактор 2-й фактор 3-й фактор 4-й фактор 5-й фактор СИ, л/мин*м2 0,919 УИ, мл/мин 0,914 ОСИ, мл/с 0,909 ИУРС, кг*м/мин/м2 0,895 ИМРС, кг*м/мин/м2 0,893 УОК, мл 0,890 МЛЖ, Вт 0,879 ОПСС, дин*с-1см-5 -0,817 Vmax (л), Ом/сек. 0,906 РИ (л), 1/Ом 0,885 АЧП (л), усл. ед. 0,873 Vmax (п), Ом/сек. 0,859 Vmin (п), Ом/сек. 0,857 Vmin (л), Ом/сек. 0,842 РИ (п), 1/Ом 0,821 АЧП (п), усл. ед. 0,796 с л/ С О С 0,936 МОС50, л/с 0,889 МОС25, л/с 0,889 ОФВ,, л 0,825 ПОС, л/с 0,814 ОФВ05, л 0,795 МОС75, л/с 0,714 CV, % 0,970 SDNN, мс 0,956 RMSSD, мс 0,936 MxDMn, мс 0,926 Vs (л), мл 0,846 Vs (п), мл 0,820 Vm (л), мл 0,776 Vm (п), мл 0,718 Кумулятивный % 21,3 17,9 14,9 12,6 10,6 2 квадратов нагрузок вращения 77,5% 27 Экологическая физиология Экология человека 2012.09 4 показателей в общую матрицу составил 12,59 %. К 5-му блоку, определяемому как «объемный мозговой кровоток», были отнесены 4 показателя с общей суммой 10,64 %. К зимнему периоду года происходит «сжатие» матрицы с 5 до 4 факторов (табл. 2) с уменьшением относительно осени ее кумулятивного веса до 63,07 % и изменением общей структуры. Блок «вариабельность» с 8 показателями переходит из 4-го фактора (4-го показателя) в 1-й с суммарным весом 17,08 %. Расширение матрицы произошло за счет величин, отражающих симпатическую активность вегетативной нервной системы (ВНС) в управлении сердечным ритмом и имеющих отрицательную зависимость. Зимой увеличивается важность респираторного блока, который определяет 2-й фактор (15,53 %). Респираторный блок поднимается во 2-й фактор, а также наблюдается рост показателей с 7 до 9 относительно осеннего сезона. К 3-му фактору был отнесен блок «интенсивность мозгового кровотока». Вес 8 показателей, вошедших в данный фактор, практически соответствует вкладу, Таблица 2 Межсистемные связи функциональных систем у юношей в зимний период года n=170 Показатель 1-й фактор 2-й фактор 3-й фактор 4-й фактор SDNN, мс 0,939 CV, % 0,923 RMSSD, мл 0,879 AMo, % -0,872 ТР, мс2х1000 0,857 pNN50, % 0,835 SI, усл. ед. -0,789 MxDMn, мс 0,703 СОС25-75, л/с 0,933 МОС,0, л/с 0,889 МОС25, л/с 0,864 ПОС, л/с 0,848 ОФВ,, л 0,807 ОФВ05, л 0,786 ИГ, усл. ед. 0,732 с л/ С О М 0,729 АЧП (л), усл. ед. 0,852 Vmax (л), Ом/сек. 0,849 АЧП (п), усл. ед. 0,825 Vmin (л), Ом/сек. 0,823 Vmax (п), Ом/сек. 0,822 Vmin (п), Ом/сек. 0,819 РИ (л), 1/Ом 0,779 РИ (п), 1/Ом 0,760 ИУРС, кг*м/мин/м2 0,889 УОК, мл 0,884 УИ, мл/мин 0,880 ИМРС, кг*м/мин/м2 0,767 ОСИ, мл/с 0,767 СИ, л/мин*м2 0,765 МЛЖ, Вт 0,755 Кумулятивный % 17,1 15,5 15,3 15,1 2 квадратов нагрузок вращения 63,1% который вносит в общую сумму 2-й блок — 15,36 %. Причем в зимний период большее значение приобретает кровенаполнение крупных артерий слева. Блок «системная гемодинамика», находившийся в 1-м факторе осенью, зимой сместился в заключительный 4-й фактор с суммарным весом 15,10 %. Весной внутренняя организация кардиореспиратор-ной системы вновь меняется, расширяясь до 5 факторов с кумулятивной суммой 72,30 % (табл. 3). Тем не менее важность контроля за ее состоянием со стороны ВНС остается высокой. Как и в зимний сезон, в 1-м факторе остается блок «вариабельность» с вкладом в общую дисперсию 16,13 %. Во 2-й фактор вошел блок «мозговой кровоток» с суммарным вкладом 15,55 %. Можно отметить активацию мозгового кровотока с правой стороны и его зависимость от эластических свойств сосудов. После зимы нарастает напряжение в системной гемодинамике — ее блок переходит из 4-го в Таблица 3 Межсистемные связи функциональных систем у юношей в весенний период года n = 170 Показатель 1-й фактор 2-й фактор 3-й фактор 4-й фактор 5-й фактор SDNN, мс 0,964 RMSSD, мс 0,918 ТР, мс2х1000 0,897 CV, % 0,876 AMo, % -0,858 PNN50, % 0,812 SI, усл. ед. -0,731 ТИ (п), сек. 0,856 А/С (п), % 0,805 А/С (п), % 0,799 А/С (л), % 0,799 А/С (л), % 0,798 Vs (п), мл 0,790 Vm (п), мл 0,781 ТИ (л), сек. 0,723 СИ, л/мин*м2 0,926 ИУРС, кг*м/мин/м2 0,889 ИМРС, кг*м/мин/м2 0,885 ОСИ, мл/с 0,879 УОК, мл 0,863 УИ, мл/мин 0,840 ОПСС, дин*с-1см-5 -0,839 МЛЖ, Вт 0,826 РИ (п), 1/Ом 0,907 Vmax (п), Ом/сек. 0,893 Vmax (л), Ом/сек. 0,883 АЧП (л), усл. ед. 0,867 РИ (л), 1/с 0,854 АЧП (п), усл. ед. 0,814 ОФВ05, л 0,816 ОФВ|, л 0,813 ЖЕЛ, л 0,805 ПОС, л/с 0,783 с л/ С О М 0,719 Кумулятивный % 16,1 15,6 15,1 13,1 12,4 2 квадратов нагрузок вращения 72,3% 28 Экология человека 2012.09 Экологическая физиология 3-й фактор с вкладом в общую дисперсию 15,10 %. В 4-й фактор вошел блок «мозговой кровоток» с суммой 13,13 %. Респираторный блок весной перемещается из 2-й матрицы в 5-й фактор с суммой в 12,38 %. Летом значительно усиливается нагрузка на мозговую гемодинамику (табл. 4). На фоне уменьшения общей кумулятивной суммы до 67,77 % относительно весны, а также снижения факторов до 4 наблюдается увеличение вклада 1-й матрицы (20,60 %), куда вошел блок «мозговой кровоток». Отметим, что в этот фактор вошли 10 показателей, характеризующих как интенсивность кровотока, так и его скоростные и объемные функции. Отмечается более значительное напряжение кровотока с правой стороны. Во 2-й фактор вошел блок «вариабельность» (18,23 %). Респираторный блок смещается в 3-й фактор, что указывает на более значительное напряжение адаптивных механизмов респираторной системы летом по сравнению с весной. Суммарный вклад 3-го фактора составил 14,50 %. В 4-й фактор вошел блок «центральная гемодинамика» с суммарным вкладом 14,44 %. Таблица 4 Межсистемные связи функциональных систем у юношей в летний период года n=170 Показатель 1-й фактор 2-й фактор 3-й фактор 4-й фактор Vmax (п), Ом/сек. 0,943 РИ (п), 1/Ом 0,935 Vmax (л), Ом/сек. 0,891 РИ (л), 1/Ом 0,886 АЧП (п), усл. ед. 0,877 АЧП (л), усл. ед. 0,871 Vs (л), мл 0,748 Vmin (п), Ом/сек. 0,744 Vm (л), мл 0,739 Vmin (л), Ом/сек. 0,707 SDNN, мл 0,965 RMSSD, мл 0,954 CV, % 0,909 ТР, мс2х1000 0,852 pNNm, % 0,850 AMo, % -0,838 MxDMn, мс 0,820 SI, усл. ед. -0,793 ОФВ,, л 0,936 МОС25, л/с 0,928 ПОС, л/с 0,900 с л/ С О С 0,846 CQC Ф О 0,800 М О p л/ с 0,785 УИ, мл/мин 0,929 ИУРС, кг*м/мин/м2 0,927 УО, мл 0,915 СИ, л/мин*м2 0,823 ИМРС, кг*м/мин/м2 0,805 МЛЖ, Вт 0,758 ОПСС, дин*с-1см-5 -0,733 Кумулятивный % 20,6 18,2 14,5 14,4 ^ квадратов нагрузок вращения 67,8% Обсуждение результатов Изучение системных взаимосвязей дает возможность оценить степень сформированности функциональных отношений [4], раскрыть организацию биоэнергетического состояния организма и ее изменение в зависимости от уровня стрессовых воздействий [7], получить информацию об алгоритмах перестройки сердечно-сосудистой системы [6, 11, 12]. Владение данной информацией позволяет управлять адаптационным потенциалом организма, а следовательно, и сохранять здоровье человека. Анализ сезонных адаптационных изменений в меж-системных отношениях в проведенном исследовании указывает, что в осенний период года функциональное состояние у здоровых молодых людей связано прежде всего с потенциальными возможностями сердечнососудистой системы в целом с преобладанием ее центрального компонента. Наиболее значимую роль играют показатели контрактильности и сократимости миокарда. Дыхательный паттерн обусловливает адаптивные возможности организма в первую очередь за счет бронхиальной проводимости крупных и средних бронхов. Возможно, данный факт указывает на начальный этап акклиматизации к холодному времени года. Отнесение блока «вариабельность» к 4-му фактору осенью может информировать об оптимальностабильном функциональном состоянии молодых людей относительно других сезонов года, так как наблюдается снижение контроля со стороны ВНС. Кроме того, ни один показатель, отражающий симпатическую активность ВНС, не вошел в эту матрицу осенью. Отнесенный к 5-му фактору блок «мозговая гемодинамика» косвенно подтверждает факт стабильного функционального состояния своими низкими связями с центральным кровотоком. Увеличение напряжения адаптивных резервов организма наблюдается в зимний период, что приводит к переходу в 1-й фактор блока «вариабельность» и усилению его показателями, отвечающими за симпатическую активность ВНС. Эти изменения указывают на расширение контроля мозга за функциональным состоянием организма со стороны высших отделов. Холодовой стресс и нарастающее функциональное напряжение вызывают активизацию респираторного блока — он переходит во 2-й фактор, увеличивается количество показателей, значимость которых не меняется — нагрузка приходится в первую очередь на бронхи крупного и среднего калибра. Данный факт подтверждает приведенную выше информацию о том, что адаптивные изменения в респираторной системе, связанные с первыми холодовыми стрессами в осенний сезон, прежде всего происходят в бронхах данного калибра. Блок «мозговая гемодинамика», смещаясь в 3-й фактор, свою внутреннюю структуру не меняет — зимой остается высоким контроль за интенсивностью кровотока и его скоростным потенциалом. Блок «центральная гемодинамика» переходит в 4-й фактор, показывая тем самым, что высшие отделы головного мозга при дестабильной среде, характерной для приполярного региона в это время года (перепады температур, снижение солнечной инсоляции, 29 Экологическая физиология Экология человека 2012.09 изменение влажности), отчего страдает мозговой кровоток, при конкурентных запросах выбирают зону, в большей степени подвергающуюся нагрузке. Вклад в кумулятивную сумму всех блоков при незначительном лидерстве 1-го фактора практически равнозначен. Это еще раз указывает на значительное напряжение адаптивных резервов организма в зимний период года и на тот факт, что, согласно принципу самоорганизации, система защищает тот блок, который может пострадать в первую очередь, несмотря на важность для нее каждого. В весенний сезон адаптивное напряжение в функциональных системах сохраняется. Блок «вариабельность» остается в 1-м факторе, усиливается роль симпатической компоненты (величина SI становится более значимой). Значительные колебания метеорологических факторов в северном регионе вызывают напряжение мозгового кровотока. Наблюдается смещение блока «мозговой кровоток» во 2-й фактор на фоне увеличения показателей, вошедших в него, и изменения структуры самой матрицы. Если зимой в этот блок входили величины, отражающие активность мозгового кровотока, то в весенний период года -данные, указывающие на его зависимость от объемных параметров и эластических свойств сосудов. Весной усиливается зависимость церебрального кровотока от центрального, что указывает на рост напряжения в сердечно-сосудистой системе. Это подтверждается и переходом блока «центральная гемодинамика» в 3-й фактор, и делением блока «мозговая гемодинамика» на две составляющие. Одна - объемный кровоток - формирует 2-й фактор, а другая - интенсивность кровотока - 4-й. Смещение респираторного блока в 5-й фактор, скорее всего, указывает не на снижение функциональной нагрузки на респираторную систему, а на усиление напряжения в системе гемодинамики. Вошедшие в респираторную матрицу показатели свидетельствуют о том, что для весны не характерна зависимость от состояния бронхиальной проводимости на различных уровнях бронхиального дерева - важность приобретают проходимость воздухоносных путей в целом и механические свойства дыхательной системы. Данный факт как раз и может информировать об имеющемся функциональном напряжении в системе внешнего дыхания, где в первую очередь могут страдать функциональные возможности и способности респираторной системы в целом. Структура матрицы в летний сезон указывает: нагрузка падает на мозговой кровоток. Блок «мозговой кровоток» не только смещается в 1-й фактор, но и вновь объединяется в одну матрицу. Данные изменения указывают на важность всей спектральной составляющей кровотока для сохранения адаптивных резервов в системе. Происходящие во внутрисистемных связях изменения свидетельствуют о том, что в летний период года в приполярном регионе наибольшая функциональная нагрузка падает на систему мозгового кровотока, и в первую очередь это может быть связано с повышением температуры воздуха, снижением влажности и активизацией солнечной инсоляции [5]. Блок «вариабельность» смещается во 2-й фактор, что говорит о сохраняющемся в сердечно-сосудистой системе напряжении, требующем контроля со стороны ВНС. Переход блока «центральная гемодинамика» в 4-й фактор, а респираторного блока - в 3-й с изменением внутрисистемного распределения показателей внешнего дыхания вновь информирует об усилении нагрузки на газотранспортную систему. Возможно, данная реорганизация связана с адаптацией к теплому времени года, что проявляется увеличением нагрузки на бронхи всех калибров, зависимостью общего функционального состояния от скоростных показателей выдоха. Таким образом, сезонные флуктуации в условиях приполярного региона, характеризующиеся высоким уровнем стохастичности, вызывают внутрисистемную перестройку кардиореспираторной системы. Наибольшей внутренней структурно-функциональной вариабельностью обладают системы мозгового кровотока и внешнего дыхания. В системе управления сердечным ритмом при напряжении адаптивных механизмов организма происходит увеличение доли симпатического спектра в факторной матрице. Усиление давления со стороны внешней среды, что отмечено в зимневесенний период, способствует ужесточению контроля за функциональными системами организма молодых людей со стороны вегетативной нервной системы.

About the authors

V N Pushkina

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Email: kfk@narfu.ru; kfk@agtu.ru; taiss43@yandex.ru
Arkhangelsk, Russia

A V Gribanov

Northern (Arctic) Federal University named after M. V. Lomonosov

Arkhangelsk, Russia

References

Supplementary files