Analysis of the correlations between ECG components in adolescents both before and after exposure to different types of physical stress in the Subarctic winter conditions

Full Text

     

ВВЕДЕНИЕ

Республика Коми располагается на Европейском Севере и характеризуется уникальным и сложным климатом из-за географического положения: суровые, холодные зимы и недолгое прохладное лето, осадки равномерно распределены на протяжении всего года, сильные ветры круглый год, короткий световой день зимой и белые ночи летом. Это увеличивает нагрузку на все жизненно важные системы организма человека, что может приводить как к перевозбуждению, так и к переутомлению. Такой климат требует особой адаптации не только взрослых людей, но и детей и подростков. Предполагается, что организм человека адаптируется в таких условиях неодинаково и зависит от преобладания того или иного типа регуляции вегетативной нервной системы (ВНС) [1], которая представлена комплексом клеточных структур (центральных и периферических), регулирующих необходимый для адекватной реакции функциональный уровень внутренней среды организма.

Проблема зависимости физиологических функций человека от суровых условий Севера подробно обсуждается в отечественной литературе с первой половины XX в. [2]. Адаптация физиологических систем организма к функциональным нагрузкам в условиях северных территорий является одной из актуальных проблем в области экологической физиологии и биологической науки в целом. Особое внимание уделяется исследованию сердечно-сосудистой системы, которая является наиболее информативным показателем адаптационных перестроек функциональных систем организма человека и отличается высокой реактивностью [3].

Одним из наиболее популярных методов исследования сердечно-сосудистой системы является электрокардиография (ЭКГ), которая широко и прочно вошла в практику кардиофизиологического исследования, в связи с неинвазивностью и технической простотой метода. Важнейшими показателями ЭКГ, которые позволяют оценить функциональные и адаптационные возможности сердечно-сосудистой системы, являются такие элементы, как интервал РР, обозначающий полный кардиоцикл, и сегмент ТР, который соответствует электрической диастоле, фазе относительной рефрактерности.

Функциональные нагрузки имеют важное диагностическое значение для характеристики состояния сердечно-сосудистой деятельности, её резервных возможностей и пределов нормального реагирования кровообращения. Клиностатическая проба (КСП) и проба Мартине (ПМ) — это щадящие, простые и безопасные способы исследования состояния сердечно-сосудистой системы. В результате нагрузки на организм происходят изменения в сердечном ритме и длительности интервалов на ЭКГ. Эти пробы позволяют оценить не только резервные возможности сердечно-сосудистой системы и кровообращения, но и выявить динамику их развития, характерную для каждого возраста, а также получить информацию о функциональных резервах организма.

С учётом решающей роли миокарда и его электрических свойств при компенсаторно-приспособительных реакциях к условиям среды [4–10] мы сформулировали цель исследования.

Цель. Определение соотношений между показателями РР и ТР у подростков под воздействием КСП и ПМ в зимний период года.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Работа проведена в январе 2023 г. в научно-исследовательской лаборатории «Проблемы гипоксии» государственного университета им. Питирима Сорокина (Сыктывкар, 61° с.ш., 50° в.д.) при температуре воздуха в помещении +22–24 °С, в первой половине дня.Обследованы 22 подростка 15–16 лет, учащихся лицея (8 мальчиков и 14 девочек), на момент исследования по медицинским картам практически здоровых, которые родились и проживают в условиях Приарктического региона. Родители (законные представители) подписали информированное согласие на обследование, где были разъяснены цель, задачи и методы работы.

Измеряли длину (см) и массу (кг) тела подростков, после 20-минутного отдыха проводили запись ЭКГ с применением аппарата «Нейрософт» (Россия) во II стандартном отведении в положении обследуемых стоя в исходном состоянии и после функциональных проб, в качестве которых использовали КСП, то есть смену положения тела из ортостаза в клиноположение, и ПМ (20 приседаний за 30 с). КСП позволяет оценить реакцию ВНС, вызванную изменением гравитационного градиента под действием двух факторов: гидростатического и компенсаторного. ПМ используют для оценки реакции сердечно-сосудистой системы на стандартную физическую нагрузку и её способность к восстановлению. На основе записей 20 кардиоциклов каждого обследованного (n=440) на плёнках ЭКГ вручную измеряли длительность интервалов РР и сегментов ТР, исходя из того, что 50 мм соответствует 1 с (погрешность — 0,5 мм).

Тема работы одобрена комитетом по этике Института физиологии Коми научного центра УРО РАН 16.02.2020 г.

Статистическую обработку материала провели с помощью пакета программы Excel. Данные представлены в виде средних значений (М) и стандартного отклонения (SD). Уровень значимости р ≤0,05.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Антропометрические показатели волонтёров в среднем соответствуют стандартам для 15–16-летнего возраста. Индивидуальные данные между крайними значениями показателей различаются на 70% по массе тела и на 16% — по длине тела. Корреляция (r_s) между массой и длиной тела — 0,67 (при р ≤0,05). Ростовесовой индекс Кетле — около 21 кг/м², что соответствует нормативам [11, 12] (табл. 1).

 

Таблица 1. Антропометрические показатели подростков

Table 1. Anthropometric characteristics of adolescents

Пациенты Patients	Длина тела, см Height (cm)	Масса тела, кг Weight (kg)
1	175	73
2	174	59
3	170	72
4	178	68
5	173	50
6	162	47
7	169	59
8	166	68
9	164	51
10	161	57
11	167	66
12	163	59
13	154	43
14	160	44
15	166	49
16	154	54
17	169	69
18	157	47
19	162	50
20	172	55
21	166	54
22	174	59
М	166	57
SD	7	9
Min	154	43
Max	178	73
Счёт/check	22	22

 

Полученные данные о длительностях элементов ЭКГ до и после действия функциональных проб разных типов приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Длительность интервалов РР и сегментов ТР (с) в контроле и после функциональных проб

Table 2. Duration of RR intervals and TR segments (s) in control and after functional tests

Пациенты Patients	Пол Gender	PP/RR				TP/TR
		К/C	КСП/CSP	К/C	ПМ/PM	К/C	КСП/CSP	К/C	ПМ/PM
1	м /m	0,72	0,75	0,58	0,49	0,27	0,28	0,12	0,06
2	м /m	0,70	0,75	0,61	0,52	0,25	0,26	0,15	0,10
3	м /m	0,61	0,62	0,57	0,42	0,15	0,16	0,13	0,05
4	м /m	0,70	0,80	0,57	0,55	0,24	0,34	0,12	0,12
5	м /m	0,56	0,80	0,52	0,49	0,16	0,30	0,12	0,10
6	м /m	0,52	0,81	0,50	0,50	0,11	0,33	0,08	0,04
7	ж / f	0,54	0,64	0,58	0,44	0,12	0,20	0,17	0,06
8	ж / f	0,59	0,80	0,51	0,42	0,18	0,32	0,07	0,04
9	м /m	0,62	0,76	0,55	0,42	0,12	0,36	0,10	0,06
10	ж / f	0,43	0,52	0,40	0,39	0,05	0,11	0,04	0,04
11	ж / f	0,69	0,72	0,62	0,51	0,19	0,24	0,15	0,06
12	ж / f	0,51	0,68	0,51	0,43	0,15	0,29	0,13	0,06
13	ж / f	0,56	0,74	0,55	0,44	0,12	0,26	0,10	0,04
14	ж / f	0,71	0,67	0,52	0,46	0,23	0,23	0,07	0,07
15	ж / f	0,74	0,74	0,58	0,52	0,30	0,27	0,13	0,12
16	ж / f	0,54	0,80	0,54	0,42	0,10	0,31	0,10	0,06
17	ж / f	0,60	0,73	0,59	0,46	0,15	0,23	0,13	0,10
18	ж / f	0,61	0,78	0,49	0,42	0,18	0,36	0,07	0,04
19	ж / f	0,49	0,52	0,47	0,39	0,07	0,12	0,08	0,04
20	м /m	0,64	0,81	0,60	0,50	0,22	0,40	0,16	0,06
21	ж / f	0,57	0,95	0,59	0,51	0,14	0,39	0,15	0,10
22	ж / f	0,50	0,80	0,50	0,42	0,09	0,30	0,08	0,04
М		0,60	0,72	0,54	0,46	0,17	0,26	0,11	0,07
SD		0,09	0,10	0,05	0,05	0,07	0,08	0,03	0,03
Min		0,43	0,52	0,40	0,39	0,05	0,11	0,04	0,04
Max		0,74	0,95	0,62	0,55	0,30	0,40	0,17	0,12
Счёт/ check		22	22	22	22	22	22	22	22

Примечание. К — контроль; КСП — клиностатическая проба; ПМ — проба Мартине.

Note. C — control; CSP — clinostatic test; PM — Martinet test.

 

Как видно, индивидуальные результаты характеризуются значительной изменчивостью и в контроле, и под действием КСП и ПМ. Интервал РР втрое превышает по длительности сегмент ТР в контроле и после КСП. Разница между соотношениями обоих показателей (3,5 и 2,8) статистически незначима. В условиях действия ПМ соотношения между интервалом РР и сегментом ТР по длительности существенно меняются из-за снижения показателя ТР. Так, интервал РР в среднем в 5 раз превышает сегмент ТР. Оба показателя при действии ПМ уменьшаются.

 

Рис. 1. Корреляции между интервалами РР при клиностатической пробе (a) и пробе Мартине (b): по горизонтали — длительность интервалов (с) в контроле, по вертикали — длительность интервалов (с) после функциональной пробы.

Fig. 1. Correlation between RR intervals during the clinostatic test (a) and the Martinet test (b): horizontal axis — duration of the intervals (sec) in the control, vertical axis — duration of the intervals (sec) after the functional test.

 

Отмечены корреляции разного уровня между интервалами РР до и после функциональных проб двух типов (рис. 1): между РР до и после КСП — 0,43, до и после ПМ — 0,67 (при р ≤0,05).

Корреляции между сегментами ТР до и в ответ на функциональные пробы несколько отличаются от интервалов РР (рис. 2): между ТР до и после КСП — 0,33, до и после ПМ — 0,52 (при р ≤0,05).

 

Рис. 2. Корреляции между сегментами ТР при клиностатической пробе (а) и пробе Мартине (b): по горизонтали — длительность интервалов (с) в контроле, по вертикали — длительность интервалов (с) после функциональной пробы.

Fig. 2. Correlation between TR segments during the clinostatic test (a) and the Martinet test (b): horizontal axis — duration of the intervals (sec) in the control, vertical axis — duration of the intervals (sec) after the functional test.

 

Особый интерес представляют результаты относительных (%) изменений обоих показателей электрических свойств миокарда в результате действия КСП и ПМ (рис. 3).

 

Рис. 3. Изменения (в %) по сравнению с контролем (К) интервалов РР и сегментов ТР в ответ на клиностатическую пробу (КСП) и пробу Мартине (ПМ).

Fig. 3. Changes (in %) of PP intervals and TP segments compared to the control (С) in response to the clinostatic test (CSТ) and the Martinet test (PТ).

 

Под влиянием КСП интервал РР возрастает на 25%, а длительность сегмента ТР — на 85%. Под действием ПМ длительность интервала РР уменьшается на 15%, в то время как длительность сегмента ТР — на 38%.

ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе проведённой работы были изучены реакции сердечно-сосудистой системы подростков 15–16 лет, не имеющих специальной физической подготовки, на два щадящих вида физической нагрузки в условиях Приарктического региона Российской Федерации. Подростки получали физическое воспитание согласно учебной программе общеобразовательного учреждения. Полученные данные свидетельствуют о существенной зависимости взаимодействий между электрическими показателями миокарда даже при элементарных воздействиях на организм человека. По существу, соотношения между ЭКГ-элементами РР и ТР относят к таким понятиям, как функциональные корреляции, которые академик И.И. Шмальгаузен более полувека назад отметил в качестве одного из условий поддержания организма [13]. В наше время функциональные корреляции, относящиеся к работе миокарда, рассматриваются в ряде отечественных и зарубежных работ [14, 15]. Сегмент ТР содержит информацию о длительности фазы относительной рефрактерности и о состоянии возбудимости в миоцитах [16, 17]. Одновременно длительность сегмента ТР соответствует периоду диастолы, когда реализуется свободный поток крови через митральный клапан. Известно, что из всех элементов ЭКГ наиболее ярко на любые нагрузки реагирует сегмент ТР [4, 5], снижаясь в ответ на предельные нагрузки до нулевых отметок.

То обстоятельство, что КСП увеличивает длительность РР и ТР, указывает, по-видимому, на преимущественное влияние парасимпатических компонентов ВНС, а их уменьшение под действием ПМ — о преобладании действия симпатических факторов. Нервная система является одной из ключевых систем в организме, отвечающей за управление и контроль различных функций организма. Исследования показывают, что в зимние месяцы симпатическая активность резко возрастает, что может быть связано с повышенной потребностью организма в поддержании тепла и энергии. Весной и летом парасимпатическая активность становится более выраженной, что может быть связано с изменениями в обмене веществ и сезонной адаптацией организма. Ряд исследований указывает на связь между симпатической активностью и погодными условиями. Например, повышенную активность симпатической нервной системы можно наблюдать во время холодных и ветреных дней, с другой стороны, парасимпатическая активность может быть более выраженной в тёплые и солнечные дни, которые обусловливают более спокойное и расслабленное состояние организма. В зависимости от времени года может различаться и восприимчивость к физической активности: зимой симпатическая активность может стимулировать адаптацию организма к холоду и увеличивать энергетические затраты при физической активности, в то время как летом парасимпатическая активность может способствовать более эффективному восстановлению после физической нагрузки благодаря регуляции сердечно-сосудистой системы.

Следует учитывать, что выполненная работа проводилась в зимнее время, для которого характерно преобладание симпатических составляющих ВНС [2, 18–21], поэтому волонтёры получили двойную нагрузку с симпатическими влияниями — зима и ПМ, которая укорачивает длительность элементов ЭКГ: интервалов РР и сегмента ТР. Парасимпатические же влияния представлены только КСП. Поэтому целесообразно проведение подобных работ с учётом времени года. Зависимость симпатической и парасимпатической активности от времени года и сезонных изменений является интересной темой для исследования. Понимание этих взаимосвязей может помочь в более глубоком анализе физиологических изменений в организме и способствовать разработке индивидуализированных подходов в медицине и спорте. Дальнейшее исследование этой области может привести к разработке новых терапевтических методов и стратегий для регулирования и поддержания баланса между симпатическим и парасимпатическим влиянием на организм с целью обеспечения его оптимального функционирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В зимний период года у подростков 15–16 лет, жителей Приарктического региона, в ответ на действие КСП длительность РР и ТР увеличивается на 25 и 85% соответственно. После ПМ длительность показателей уменьшается соответственно на 15 и 38%. Можно предположить, что установленные изменения длительности интервала РР и сегмента ТР являются проявлением парасимпатических влияний на электрические свойства миокарда при действии КСП и симпатических при действии ПМ. В рамках экологической физиологии представляется целесообразным проведение подобных работ в другие сезоны, особенно в переходные: от холодного периода к тёплому (весной) и от тёплого к холодному (осенью).

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. Л.И. Иржак — написание всех разделов статьи, утверждение окончательного варианта; Н.Г. Русских — получение, анализ и интерпретация данных, написание первого варианта статьи; А.Б. Гудков — существенный вклад в концепцию и дизайн исследования, активное участие в окончательной формулировке целей и задач, редактировании работы, формулировании дальнейших перспектив исследований в соответствии с целями экологической физиологии.

Источники финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

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

Информированное согласие на участие в исследовании. Все участники до включения в исследование добровольно подписали форму информированного согласия, утверждённую в составе протокола исследования этическим комитетом.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors contribution. L.I. Irzhak — writing all sections of the article; N.G. Russkikh — acquisition, analysis and interpretation of the data, writing the first draft of the article; A.B. Gudkov — significant contribution to the concept and design of the study, formulation of objectives, editing and formulating further research perspectives.

Funding source. No external funding.

Competing interests. No competing interests.

Patients’ consent. Written consent was obtained from all the study participants prior to the study in accordance with the study protocol approved by the local ethic committee.      

About the authors

Lev I. Irzhak

Pitirim Sorokin Syktyvkar State University

Author for correspondence.
Email: irzhak31@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3459-7848
SPIN-code: 1156-8956

Chief research associate

Russian Federation, 55 Oktyabrsky ave, Syktyvkar, 167001, Komi Republic

Nadezhda G. Russkikh

Pitirim Sorokin Syktyvkar State University

Email: irzhak31@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4413-8258
SPIN-code: 1240-4336
Russian Federation, 55 Oktyabrsky ave, Syktyvkar, 167001, Komi Republic

Andrey B. Gudkov

Northern State Medical University

Email: gudkovab@nsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5923-0941
SPIN-code: 4369-3372

MD, Dr. Sci. (Medicine), Professor

Russian Federation, Arkhangelsk

References

Supplementary files