HUMAN CARDIAC BIOELECTRIC ACTIVITY TYPES AND VARIATIONS IN ACUTE HYPOXIC EXPOSURE



Cite item

Abstract

The aim is to study the types of reactions and variability of the heart bioelectrical activity and its dependence on the initial level in mild and moderate acute hypoxia (AH). The reactions of men (18–26 years old) were studied by ECG, oxyhemometry (SрO2) and hemodynamics. The reactions of men of different groups (n1 = 30, n2 = 29) in response to “mild” (14.5% O2) and “medium” AH (12.3% O2) degree for 20 min. Typological features of the ECG were determined using automatic division into 2 clusters. Results. The types of reactions differed in total BAL and RR. With an increase in the duration of light AH, the number of different ECG parameters in clusters increased, with an average AH, only one parameter. With mild AH, the initial type of reaction was maintained in 60% of cases, with a medium degree – in 55.2%. Accordingly, 40 and 44.8% of individuals differed in the type of reaction with the effect of AH. Shifts in cardiac output and SрO2 did not affect cluster differentiation. It was shown that types of reactions and individual variability of ECG parameters correlate with their basal levels at all periods of light AH, and with an average AH – only at certain periods. Conclusion. It is assumed that the main component of the ECG for differentiation by types of reaction is the total BAL of the heart. For individual ECG parameters at rest, it is possible to predict their deviations depending on the period, duration and degree of AH. Possible physiological mechanisms that determine the individual variation and types of ECG reactions at different degrees of AH are indicated.

Full Text

Одной из важных проблем, занимающей особое место в экологической физиологии и медицине, является изучение влияния на организм человека экзогенной гипоксии, которая, в зависимости от экспрессии комплекса HIF-I-регулируемых генов может вызывать компенсаторные механизмы адаптации или развитие патологии [6, 21, 23]. За последние десятилетия все больше стало уделяться внимание изучению действия экспериментальной острой нормобарической гипоксии на разные физиологические системы организма, среди которых особое место отводится сердечно-сосудистой системе и, в частности, сердцу, как второму по чувствительности к гипоксемии органу, после головного мозга [6]. Здесь, наибольшее количество работ посвящено характеру изменения вегетативной регуляции деятельности сердца человека при гипоксии. Так, установлено, что при нормобарической гипоксии (дыхание смесью 8 % О2 в азоте, в теч. 15 мин) у испытуемых отмечается одновременное усиление симпатического и ослабление парасимпатического влияния на сердце и в большинстве случаев это сопровождается снижением вариабельности сердечного ритма (ВСР) [8] Это не подтверждается в одних исследованиях [27] и подтверждается в большинстве работ [12, 16, 19], когда с увеличением степени гипоксического воздействия и её длительности, судя по спектральной мощности и другим параметрам ВСР, происходит снижение вегетативной модуляции сердца. Такие изменения вегетативного контроля особенно выражены при острой гипоксии (ОГ) между 14,5 % и 9,8 % О2,и зависят от средств, вызывающих гипоксию, и индивидуальной реакции [16]. Замечено также, что каких либо значимых отличий направленности изменений параметров ВСР при кратковременном пребывании в условиях гипоксической гипоксии (на высотах 3619 м, 4600 м и 5140 м) [12] и при острой нормобарической гипоксии [8] между мужчинами и женщинами не выявлены.

Одним из примеров индивидуальных особенностей механизмов межсистемной интеграции при ОГ может являться оценка сопряженности временных рядов частоты дыхания с частотой сердечных сокращений (HR) на основе спектрального анализа. Показано, что у спортсменов-бегунов высокой квалификации в отличие от средней, обнаружено достоверное увеличение кардиореспираторной когерентности в ответ на ОГ (10 мин при 10 об. % О2) в диапазоне частот 0,07 – 0,08 Гц, свидетельствуя о повышении «точности» настройки межсистемной регуляции у более тренированных спортсменов [24]. Также, предполагается, что в покое при гипоксии (дыхание газовой смесью с 10 % О2 в азоте) и в сочетании с ортостатической нагрузкой (ОН) величина изменения общего периферического сопротивления сосудов (SVR) является определяющим фактором гемодинамику [5]. Так, у лиц с увеличением SVR на ОГ в ответ на ОН значительно увеличивалась HR и уменьшались систолический объем (SV) и минутный объем кровообращения (СО); у лиц с уменьшением SVR – незначительно увеличивалась HR, не изменялся SV и увеличивался СО; у лиц не реагирующих изменением SVR – величины SV и СО существенно не изменялись, соответственно. Экспериментальными исследования на кошках и крысах установлено, что при ОГ (10 %, 7,5 %, 5 % и 3 % О2 в азоте) при незначительных изменениях SV происходит перераспределение СО между разными органами, в малом круге повышается легочное артериальное давление и сосудистое сопротивление на фоне стабильного кровотока в легочных сосудах, способствуя сохранению баланса между выбросом правого и левого желудочков сердца [10]. Замечено, что только при ОГ (3 % О2) изменения гемодинамики зависели от разной устойчивости животных к гипоксии.

Особый интерес представляют результаты ЭКГ исследований при кратковременной ОГ, соответствующей высоте 4800 м над ур. моря, с участием 456 испытуемых, из которых 21 % имели кардиоваскулярные заболевания [15]. Оказалось, что ОГ не вызывала нарушения проводимости, аритмии, изменений оси QRS. При этом, уменьшались амплитуды зубцов Р в V1, R, S и T в пределах физиологической нормы. Также, было показано, что при кратковременной адаптации (не менее 3-х дней) к высоте более 4000 м с ночным сном выше 3500 м ни один параметр ЭКГ в покое и при двигательном тесте не достиг статистической значимости для прогнозирования возникновения горной болезни, отека легких и мозга. B. Coustet c совт. [15], анализируя материалы многих исследований, приходят к заключению, что наблюдаемые вариации параметров ЭКГ могут быть связаны с переменной реакцией сердца на гипоксию в зависимости от возраста, физической тренированности, но не опосредованы симпатической активностью.

Последний обзор значения стресс-реакции в интегрированном ответе организма на гипоксию у лиц с разным уровнем гипоксической устойчивости свидетельствует о том, что выраженность дефицита кислорода имеет индивидуальную зависимость не столько от адаптационных возможностей и устойчивости к гипоксии организма, сколько от общей реактивности и чувствительности центральных механизмов регуляции [9].

Таким образом, анализ литературы указывает на еще недостаточную изученность индивидуальных особенностей реагирования сердца и его биоэлектрических процессов, в частности, в ответ на разную степень нормобарической гипоксии, и практически на отсутствие сведений о периодизации и индивидуальной изменчивости параметров ЭКГ в зависимости от силы и длительности действия экзогенной гипоксии, а также данных о возможной прогностической ценности параметров, характеризующих инотропные и хронотропные процессы сердца в период де- и реполяризации при гипоксии. В этой связи очевидно, что для индивидуально-типологической оценки изменений множества параметров ЭКГ особое значение может приобретать множественный их анализ при развивающейся гипоксемии в условиях острого гипоксического воздействия.

Цель исследования – изучение вариации изменений биоэлектрической активности сердца и её зависимости от исходного уровня при легкой и средней степени острой гипоксии.

Методы

 

Экспериментальные исследования выполнены на базе кафедры физиологии спорта и физической реабилитации Сыктывкарского госуниверситета (СыктГУ) в зимний (январь – февраль) сезон год, с участием двух групп физически здоровых мужчин 18–26 лет (студенты факультета физической культуры). Исследования проведены в две серии с интервалом 1 год, сначала на одной группе (n1 = 30), а затем – на другой (n2 = 29). Испытуемые обеих групп статистически не отличались (р > 0,05) по общим признакам: возраст, длина и масса тела, систолическое и диастолическое артериальное давление крови [2].

Исследования проводили с 08.30 до 12.00 часов в помещении при термонейтральной температуре воздуха 21–23 оС. Предварительно испытуемые были ознакомлены с протоколом исследования, процедура которого соответствовала этическим медико-биологических нормам, изложенным в Хельсинкской декларации и локальным актам биоэтического комитетом ФИЦ Коми НЦ УрО РАН.

Испытуемые в положении лежа на кушетке, после стабилизации артериального давления подвергались острой гипоксии (ОГ) в течение 20 мин. В первой серии исследования испытуемые дышали воздухом обедненным кислородом (14,5 ± 0,16) %, во второй серии – (12,3 ± 0,14) %. Применяемые воздействия считались [6] в первом случае как «легкая», во втором – «средняя» степени ОГ.

Дыхание осуществлялось через маску, соединенную с газовым мешком ёмкостью 50 л, в который поступал воздух обедненный кислородом с помощью модифицированного кислородного концентратора Onyx PSA Oxygen Generator (AirSer Corporation, США). Процентное содержание О2 в газом мешке контролировали анализатором «OxiQuant B» (фирма «EnviteC», Германия), снабженного датчиком О2 «Goel 369» (фирма «Greisinger Electronic», Германия).

До и период воздействия ОГ измеряли оксигенацию крови (SрO2 %) и частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд. · мин-1) при помощи пульсоксиметра «NONIN8500» (фирма «NONIN Medical, Inc.», США»). Расчетным методом [3] определяли минутный объем кровообращения (СО, мл/кг · мин-1).

Электрокардиограмму регистрировали в покое, на 5, 10 и 20-й мин ОГ. Регистрацию  ЭКГ проводили на компьютеризованном комплексе «Кардиометр-МТ» (производитель ТОО «Микард», Санкт-Петербург) с автоматической обработкой и усреднением за 24-секундный период измерения в трех  стандартных – I, II, III, трех усиленных – aVR, aVL, aVF и шести грудных – V1, V2, V3, V4, V5, V6 отведениях. Анализ ЭКГ осуществляли по следующим параметрам – амплитудные: P1II, RII, T1II в мВ; временные: RR, QT в мс. Дополнительно рассчитывали суммарную биоэлектрическую активность левого (BAL, = Rv6 + Savf + Sv2) и правого (BAR, = Sv6 + Ravf + Rv2) отделов сердца в мВ [11].

Определяя по формуле [4] репрезентативность наблюдаемых выборок (n1= 30 и n2 = 29) была установлена достаточность их объема,  что превышает расчетные показатели n (лежащих в пределах от 11 до 24) для отклонений параметров ЭКГ.

Статистический анализ материала проведен с помощью пакета программы Statistica 10.0 (StatSoft, Inc., США). Рассматриваемые параметры имели нормальное распределение, подтвержденное тестом Колмогорова – Смирнова и Лиллифорса и значениями коэффициентов асимметрии. Рассчитывали среднюю арифметическую величину (М), её ошибку (m), стандартное отклонение (SD), дисперсию (S2), разность отклонений (d), доверительный интервал (tmd) при р = 0,05. В тексте численные значения представлены как М ± m. Достоверность различий для независимых переменных определяли методом сравнения средних, а для зависимых – методом разности отклонений по критерию t-Стьюдента; различия дисперсий оценивали по критерию F-Фишера; значимость отличий принималась при р < 0,05. Для установления связи между переменными применяли графический метод (2D Scatterplots) парной линейной регрессии с отражением численных значений коэффициента корреляции (r), коэффициента регрессии (b) и уровня значимости (р). С целью определения индивидуально-типологических особенностей отклонения параметров ЭКГ при ОГ использован кластерный анализ с автоматическим разбиением на 2 кластера.

Предваряя изложение результатов исследования важно отметить, что только часть первичного материала была заимствована их нашей ранней работы [2], необходимого для решения принципиально новых методологических задач, которые в значительной степени позволят расширить уже имеющиеся представления и факты в рамках изучаемой проблемы.

 

Результаты

 

Установлено, что в состоянии покоя измеряемые параметры ЭКГ и расчетные величины (см. табл. 1), судя по средним значениям и дисперсиям в исследуемых группах статистически не различались (р > 0,05). Это свидетельствует об относительной однородности групп по изучаемым признакам и, следовательно, их сопоставимости по характеру реакций на ОГ разной степени выраженности.

                                                                                                                 Табл. 1

Проведенный кластерный анализ разности отклонений параметров ЭКГ относительно исходного уровня позволил автоматически разбить наблюдаемые выборки на два кластера, которые можно было описывать по характерным типам реакций на разных периодах воздействия легкой (14,5 % О2) и средней (12,3 % О2) степени ОГ. Также, представлялась возможность наблюдать изменения количества лиц, входящих в 1-й и 2-й кластеры, или подгруппы, а также «трансформации» отдельных лиц из одного в другой кластер по типу реакции в процессе действия гипоксии. Следует отметить, что при анализе материала было принято условие, что 1-й кластер должен отличаться наименьшими отклонениями суммарной биоэлектрической активности левого отдела сердца (BAL) и хронотропного эффекта (RR или QT).

                                                                                                                 Рис. 1

Как видно из рисунка 1, на 5-й мин легкой степени ОГ доминирует количество лиц (25 из 30 чел., или 83 %), входящих в 1-й кластер (рис. 1). В этой подгруппе не отмечалось (р > 0,05) изменений зубца T1II и интервала RR, но статистически значимо увеличивался зубец P1II (р = 0,048), уменьшались RII (р = 0,033), суммарные значения BAL  (р = 0,021), BAR (р = 0,007) отделов сердца и интервал QT (р = 0,039). В более малочисленном (5 чел., или 17 %) 2-ом кластере значимых отклонений P1II, RII, T1II, BAR от исходных величин не наблюдалось (р > 0,05). Существенно уменьшались суммарная BAL отдела сердца (р = 0,002), интервалы RR (р = 0,02) и QT (р = 0,016). Величины СО значимо (р = 0,017) увеличивалась (на 3,1 ± 1,23) мл/кг · мин-1 только в подгруппе 1-го кластера. Замечено, что на 5 мин легкой степени ОГ оксигенация крови (SрO2 %) в подгруппах 1-го и 2-го кластеров статистически значимо уменьшалась на практически одинаковую величину (-4,8 ± 0,61) % и (-5,0 ± 0,63) % при р < 0,001 соответственно.

К 10 мин воздействия легкой степени ОГ часть лиц 1-го кластера, по характеру реакции трансформировалась во 2-ой, тем самым образуя два равных по численности кластера. В обеих подгруппах SрO2 крови статистически значимо (р < 0,001) уменьшалась: в 1-ом кластере на (-5,9 ± 1,22) %, во 2-ом – на (-6,1 ± 0,93) %. Анализ ЭКГ показал, что в подгруппе 1-го кластера заметных изменений наблюдаемых параметров не наблюдалось (см. рис. 1). Во 2-ом кластере отмечалось существенное уменьшение суммарной BAL отдела сердца (р < 0,001), интервалов RR (р = 0,009) и QT (р = 0,022). Значимых изменений СО относительно исходных величин в обеих подгруппах не обнаруживалось (р > 0,05).

С нарастанием длительности действия легкой степени ОГ до 20 мин подгруппа 1-го кластера стала составлять 22 чел., или 73 %, а 2-го – 8 чел., или 27 %. В этих условиях SрO2 крови статистически значимо уменьшалась (р < 0,001) относительно исходного уровня в подгруппе 1-го кластера на (-5,0 ± 0,73) % и в подгруппе 2-го кластера на (-10,0 ± 1,13) %. Характерно, что в 1-ом кластере статистически значимо уменьшалась суммарная BAR отдела сердца (р = 0,020) и увеличивался интервал QT (р = 0,002), а остальные параметры ЭКГ (P1II, RII, T1II, BAL, RR) статистически не изменялись (см. рис. 1). В подгруппе 2-го кластера значительно уменьшались лишь зубец T1II (р = 0,007) и суммарная BAL отдела сердца (р < 0,001). Величина СО статистически не отличалась от исходного уровня (р > 0,05) в обоих кластерах.

Установлено, что статистически значимые различия средних величин отклонений параметров ЭКГ между кластерами обнаруживались: на 5 мин легкой степени ОГ – суммарная BAL отдела сердца (р < 0,001); на 10 мин – суммарная BAL отдела сердца (р < 0,001) и интервал QT (р = 0,031); на 20 мин – зубцы RII (р = 0,047), T1II (р = 0,016), суммарная BAL отдела сердца (р < 0,001), интервалы RR (р = 0,035) и QT (р = 0,008). Это свидетельствует об увеличении числа отличающихся по величине реакции параметров ЭКГ между двумя подгруппами кластеров по мере нарастания длительности действия острой гипоксии (14,5 % О2). Индивидуальный анализ показал, что из наблюдаемой выборки (n1 = 30) 18 чел. (60 %) на всех периодах действия легкой степени ОГ имели стабильно определенный (тот или иной) тип реакции, а 12 чел. (40 %) отличались изменчивостью типа реакции, что и обусловливало изменение численности лиц в кластерах в динамике гипоксического воздействия.

                                                                                                                 Рис. 2

На 5 мин действия средней степени ОГ (12,3 % О2) SрO2 крови статистически значимо уменьшалась (р < 0,001) относительно исходного уровня в подгруппах 1-го (18 чел., или 62 %) и 2-го (11 чел., или 38 %) кластеров на практически одинаковую величину (-11,4 ± 0,96) % и (-11,3 ± 1,23) %. При этом, только в подгруппе 1-го кластера статистически значимо (р = 0,029) увеличивался зубец P1II (см. рис. 2). Замечено также, что в подгруппах 1-го и 2-го кластеров с высокой степенью статистической значимости уменьшались зубцы RII (р < 0,001 и р < 0,001), T1II (р < 0,001 и р < 0,001), суммарная BAL (р = 0,004 и р < 0,001), BAR (р < 0,001 и р = 0,002 и ) отделов сердца, интервалы RR (р < 0,001 и < 0,001) и QT (р < 0,001 и р = 0,001) соответственно. Производительность сердца (СО) статистически значимо увеличивалась в подгруппе 1-го кластера на (7,4 ± 2,04) мл/кг · мин-1 (р = 0,002) и значимо не изменялась во 2-ом кластере на (4,8 ± 4,07) мл/кг · мин-1 (р > 0,05), но эти разности не различались.

На 10 мин воздействия средней степени ОГ уменьшалось количество  лиц, входящих в 1-й кластер (8 чел, или 27,6 %) и увеличивалось – во 2-ом кластере (21 чел, или 72,4 %). Статистически значимо (р < 0,001) уменьшалась SрO2 в 1-ом (-16,9 ± 1,28) % и во 2-ом (-14,7 ± 0,98) % кластерах. В этих условиях (см. рис. 2) в подгруппе 1-го кластера существенно не изменялись (р > 0,05) параметры ЭКГ – P1II, BAL, RR и QT относительно исходных величин, но статистически значимо уменьшались зубцы RII (р = 0,006), T1II (р = 0,006) и суммарная BAR отдела сердца  (р < 0,009). В подгруппе 2-го кластера заметно не изменялась (р > 0,05) амплитуда зубца P1II, а остальные параметры ЭКГ (RII, T1II, BAL, BAR, RR, QT) уменьшались с высокой степенью вероятности (р < 0,001). Величина СО существенно увеличивалась в 1-ом кластере на (11,2 ± 3,15) мл/кг · мин-1 (р = 0,009) и 2-ом кластере на (13,3 ± 2,87) мл/кг · мин-1 (р < 0,001).

На 20 мин средней степени ОГ несколько изменялось количество лиц, входящих в 1-ый (9 чел., или 31 %) и 2-ой (20 чел., или 69 %) кластеры. Оксигенация крови (SрO2) статистически значимо еще больше уменьшалась (р < 0,001) в соответствующих кластерах (-20,0 ± 2,04) % и (-19,6 ± 1,08) %, но на мало отличающуюся величину. Как видно из рисунка 2, в подгруппе 1-го кластера заметных изменений отдельных параметров ЭКГ (P1II, BAL, QT) не отмечалось (р > 0,05), но существенно уменьшались RII (р = 0,010), T1II (р < 0,001), BAR (р = 0,020) и RR (р = 0,017). Во 2-ом кластере, дополнительно к таким же изменениям параметров ЭКГ, статистически значимо уменьшались суммарная BAL отдела сердца (р < 0,001) и интервал QT (р = 0,005). Минутный объем кровообращения прирастал в 1-ом кластере на (11,8 ± 3,91) мл/кг · мин-1 (р = 0,016), а во 2-ом кластере на (8,4 ± 2,70) мл/кг · мин-1 (р = 0,034).

Определение различий между кластерами показало, что при средней степени ОГ статистически значимые различия наблюдались только по амплитуде суммарной BAL отдела сердца (р < 0,001) на всех периодах действия гипоксии (12,3 % О2). Установлено, что из общего объема наблюдаемой выборки (n2 = 29) только 16 чел (55,2 %) отличались стабильно определенным типом реакции на всем протяжении действия средней степени ОГ, а 13 чел. (44,8 %) изменяли свою принадлежность к той или иной подгруппе кластера в динамике гипоксического воздействия.

                                                                                                                 Табл. 2

Особое значение имела оценка зависимости отклонений параметров ЭКГ от их исходных величин при разной длительности легкой (n1 = 30) и средней (n2 = 30) степени ОГ (см. табл. 2). Оказалось, что разность отклонений зубца T1II и суммарная BAL отдела сердца слабо зависят (р > 0,05) от их исходных значений при обоих воздействиях ОГ. Также, не обнаруживались статистически значимые связи (р > 0,05) для интервала QT при легкой степени ОГ (14,5 % О2). Для этих же условий, как видно из таблицы 2, на всех периодах ОГ корреляции и регрессии отклонений зубцов P1II, RII, суммарной BAR отдела сердца и интервала RR от исходных значений имели статистически высокие уровни значимости связей. Для условий средней степени ОГ (12,3 % О2) такие связи обнаруживались только на отдельных периодах гипоксического воздействия. Так, отклонение зубца P1II в зависимости от исходной величины значимо коррелировало к концу (20 мин), а зубца RII – к середине (10 мин) и к концу (20 мин) действия ОГ. При этом, отклонения интервалов RR и QT статистически значимо коррелировали только в начале (5 мин) и в середине (10) действия средней степени ОГ (см. табл. 2).

 

Обсуждение результатов

 

Применяя множественный кластерный анализ было показано, что исследуемые группы (n1 = 30 и n2 = 29) по характеру сопряженности (в силу данного метода анализа) отклонений наблюдаемых параметров ЭКГ в ответ на ОГ легкой (14,5 % О2) и средней (12,3 % О2) степени выраженности, разбиваются, как минимум, на две подгруппы, или 2 кластера, которые по начальной (5 мин ОГ) реакции дифференцируются как подгруппа (1-ый кластер) с низкой реактивностью уменьшения суммарной ВА левого отдела сердца, кардиоинтервала (RR) и электрической систолы желудочков (QT), а другая подгруппа (2-ой кластер) – с высокой реактивностью. Видимо, такая вариативность индивидуальной типизации изменения биоэлектрических процессов сердца при разной степени ОГ может являться одним из стратегических признаков приспособительных механизмов ауто- и нейрогуморальной регуляции деятельности миокарда [7]. Как показывают исследования [9], индивидуальная зависимость интегративного ответа организма и сердечно-сосудистой системы, в частности, на острую гипоксию определяется не столько гипоксической устойчивостью, сколько общей реактивностью и чувствительностью центральных механизмов регуляции к пониженному парциальному напряжению кислорода в крови.

Установлено, что в процессе действия легкой и средней степени ОГ изменяется количественный состав наблюдаемых подгрупп (кластеров). Так, при легкой степени ОГ принадлежность лиц к подгруппе 1-го кластера составляла 83 – 50 % от общей выборки (n1 = 30), остальные – к подгруппе 2-го кластера. При средней степени ОГ (n2 = 29) количество лиц подгруппы 1-го кластера уменьшалось (62 – 28 %), а 2-го кластера соответственно увеличивалось (72 – 38 %). Общая картина таких изменений показала, что за весь период ОГ легкой степени у 60 % лиц от общей выборки (n1 = 30) был стабильно определенный тип реакции, остальные 40 % – отличались изменчивостью типа реакции. При средней степени ОГ 55,2 % лиц отличались стабильным типом реакции, а изменчивым типом – 44,8 % от общей численности (n2 = 29). Эти данные указывает на то, что вне зависимости от степени ОГ внутри каждой группы представительство лиц с разными типами реакции относительно одинаковое. При этом, характерно относительно большее количество лиц с четко детерминированным типом реакции параметров ЭКГ, чем лиц с изменяющимся типом реакции, как признак проявления высокой вариативности биоэлектрической активности миокарда в процессе острого гипоксического воздействия. Когда, в 40 – 44,8 % случаях лица с начально низким уровнем реактивности изменения параметров ЭКГ при увеличении длительности действия ОГ реагируют высокой реактивностью, и редко наоборот.

Как показали исследования, между подгруппами лиц (кластерами) по мере действия легкой степени ОГ постепенно увеличивается количество статистически отличающихся по отклонению параметров ЭКГ: от 1-го (BAL) на 5 мин, до 5-ти (RII, T1II, BAL, RR, QT) на 20 мин гипоксического воздействия. В условиях средней степени ОГ такие различия ограничивались только одним параметром (BAL). Ряд авторов отмечает, что с увеличением степени экзогенной гипоксии общая спектральная мощность вариабельности сердечного ритма направлена к уменьшению [16, 20, 26]. Причем, судя по увеличению кратковременной фрактальной компоненты, или самоподобия (DFA-α1) и уменьшению параметра выборочной энтропии (SampEn), существенное уменьшение вегетативной модуляции ритма сердца и поддержание относительно высокого уровня её индивидуального проявления происходит при ОГ 9,8 % О2 относительно нормоксии (20,3 % О2) [16]. Видимо, индивидуальный характер пара- симпатических отношений и её изменчивости по мере действия легкой и средней степени ОГ может являться одной из причин установленных нами межгрупповых различий (кластеров) отклонений параметров ЭКГ.

В этой связи, наблюдаемый нами более выраженный отрицательный инотропный и положительный хронотропный эффекты сердца в ответ на ОГ 14,5 % О2 и 12,3 % О2 в подгруппе лиц, входящих во 2-ой кластер, может быть связано с их низкой устойчивостью (НУ) к гипоксии. Как показывают исследования [6], для НУ к гипоксии животных характерны выраженная экспрессия фактора HIF-1α в миокарде, переключение на сукцинатоксидазное окисление, понижение электрон-транспортной функции МФК I и регуляторного влияния отношения АТФ/АДФ, увеличение внутриклеточного уровня АМФ. Замечено также, что во время ишемии (гипоксии) сердца уровень АТФ падает, открываются каналы KATФ, чтобы уменьшить АДФ и предотвратить чрезмерную деполяризацию миокарда [18], сокращая продолжительность потенциала действия, поддерживая возбудимость кардиомиоцитов [17].

Индивидуальные особенности отклонений параметров ЭКГ при наблюдаемых гипоксических воздействиях могут быть также связаны с разной активностью регуляторных каналов сердца, которые находится под контролем симпатических и парасимпатических нервов, обладающих совместной секрецией норадреналина, ацетилхолина и АТФ из нервных окончаний, модулируя нервную передачу и автономный нервный контроль сердечных функций [1, 13, 14, 22]. Как известно [25], у человека таким афферентным звеном являются Р2-пуринорецепторы, наиболее чувствительные к АТФ, и присутствующие на поверхности кардиомиоцитов в правом и левом предсердиях, в желудочках и проводящей системе сердца [1].

Установлено, что практически во всех случаях ОГ отклонения от исходной СО и SрO2 не отличались между подгруппами лиц, входящих в разные кластеры с характерными изменениями параметров ЭКГ. Это позволяет предполагать, что отклонения минутного объема кровообращения и оксигенации крови, являясь системными показателями, не могут быть индикаторами сопряженности комплекса параметров ЭКГ по типам реагирования на ОГ. А сама дифференциация различий отклонений параметров ЭКГ между кластерами на высоко- и низкоустойчивые к гипоксии, в данном случае, весьма относительна.

Важно заметить, что наблюдаемые физиологические изменения ЭКГ при легкой и средней степени ОГ, хотя и не выходят за пределы нормы, но могут предсказывать возможные события развития патологических явлений сердца, связанных с нарушением ритма, сердечной недостаточности, гипертрофии и ишемии [15]. При этом, наиболее чувствительными параметрам ЭКГ в исследуемом диапазоне гипоксических воздействий можно считать суммарную биоэлектрическую активность левого и правого отделов сердца, интервалы RR и электрической систолы желудочков.

Одним из прогностических признаков возможных отклонений параметров ЭКГ при ОГ могут служить их закономерные отрицательные связи и регрессии с исходными уровнями. Оказалось, что для условий легкой степени ОГ (14,5 % О2) такими параметрами на всех периодах гипоксического воздействия являются: деполяризация правого предсердия (Р1II) и желудочков (RII), суммарная электрическая активность правого отдела сердца (BAR) и интервал (RR). Для средней степени ОГ (12,3 % О2) такие связи ограничиваются отдельными периодами: на 20 мин – деполяризация правого предсердия, на 10 и 20 мин – деполяризация желудочков, на 5 и 10 мин –интервалы RR и электрической систолы желудочков (QT). Очевидно, абсолютные исходные значения указанных параметров ЭКГ могут использоваться для предсказания их количественных изменений у здорового человека при легкой и средней степени ОГ, что может иметь особое значение, в частности, для оптимизации планирования индивидуального протокола профилактического или тренирующего режимов нормобарических гипоксических воздействий.

Очевидно, индивидуальная дифференциация по типам реагирования комплекса параметров ЭКГ в ответ на легкую и среднюю степень ОГ и «трансформация» лиц в 40 – 44,8 % случаях с одного типа реакции в другой, по-видимому, обусловлена, с одной стороны, разным соотношением пара- симпатической регуляции деятельности сердца, а с другой – его функциональной изменчивостью, или вариацией, соответственно, с нарастанием длительности гипоксического воздействия.

Заключение

Таким образом, разбиение (методом кластеризации) отклонений комплекса параметров ЭКГ при легкой (14,5 % О2) и средней (12,3 % О2) степени ОГ позволило дифференцировать 2-е подгруппы лиц, входящих в соответствующие кластеры, отличающихся, как минимум, по реактивности уменьшения суммарной ВА левого отдела сердца и кардиоинтервала RR. По мере действия легкой степени гипоксии ОГ увеличивается количество (до 5-ти из 7-ми) параметров ЭКГ, отличающихся по реактивности изменения в подгруппах (кластерах), а при средней степени ОГ – ограничивается одним параметром. Судя по общей картине, за период действия легкой степени ОГ 60 % лиц от всей выборки (n1 = 30) характеризуются стабильным типом реагирования, а при действии средней степени ОГ – 55,2 % лиц от выборки (n1 = 29). Очевидным является, что с увеличением длительности действия применяемых гипоксических воздействий у 40 – 44,8 % лиц изменяется тип реагирования биоэлектрической активности сердца относительно начального (на 5 мин) типа, как признак высокой вариации изменения параметров ЭКГ. Почти всегда изменения СО и SрO2 в подгруппах (кластерах) не отличались, свидетельствуя о независимости дифференциации наблюдаемых отклонений сопряженного комплекса параметров ЭКГ в подгруппах (кластерах) от производительности сердца и насыщения крови кислородом. Установление прогностического значения зависимости отклонений отдельных параметров ЭКГ от их исходных значений показало, что на всех периодах легкой степени ОГ обнаруживаются достоверные отрицательные связи, а при средней степени ОГ они проявляются только на отдельных периодах гипоксического воздействия.

Предполагается, что полученные данные могут использоваться в качестве количественных критериев индивидуальной комплексной оценки реактивности отдельных параметров ЭКГ у здорового человека в процессе действия легкой и средней степени ОГ; выбора индивидуальных режимов и протокола прикладного (профилактического, тренирующего) применения нормобарических гипоксических воздействий; а также предсказания возможных отклонений отдельных параметров ЭКГ при гипоксии по их исходным значениям.

×

About the authors

Michael Bocharov

Federal Research Centre “Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences”

Author for correspondence.
Email: bocha48@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6918-5523
SPIN-code: 7435-1550
Scopus Author ID: SC 6701595765

доктор биологических наук, профессор, старший научный сотрудник отдела сравнительной кардиологии

Russian Federation, 167982, Республика Коми, г. Сыктывкар, ГСП-2, ул. Коммунистическая, 24

Alexander Sergeevich Shilov

Federal Research Centre “Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences”.

Email: shelove@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-0520-581X
SPIN-code: 9039-4883
Scopus Author ID: SC 57221337737
ResearcherId: H-1420-2016

PhD in Biology, Researcher, Department of Comparative Cardiology

Russian Federation, 167982, Russia, Republic of Komi, Syktyvkar, GSP-2, st. Communist, 24.

References

  1. Anikina T. A., Sitdikov F. G. Purinoreceptors of the heart in ontogenesis. Kazan: Printing house of TGSPU. 2011, p. 166. [In Russian].
  2. Bocharov M. I., Shilov A. S. Cardiac bioelectric processing at different degrees of acute normobaric hypoxia in healthy individuals. Human Ecology. 2020, 12, pp. 28-36. [In Russian].
  3. Instrumental methods of studying the cardiovascular system: ref. / ed. T. S. Vinogradova. M . : Medicine, 1986, p. 416. [In Russian].
  4. Koichubekov B. K., Sorokina M. A., Mkhitaryan K. E. Determination of the sample size in planning a scientific research. International Journal of Applied and Fundamental Research. Medical sciences. 2014, 4, pp. 71-74. [In Russian].
  5. Lesova E. M., Samoilov V. O., Filippova E. B., Savokina O. V. Individual differences in hemodynamic parameters with a combination of hypoxic and orthostatic loads. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2015, 49(1), pp. 157-163. [In Russian].
  6. Lukyanova L. D. Signaling mechanisms of hypoxia: monograph. Moscow : RAS, 2019, p. 215. [In Russian].
  7. Malkin V. B., Gippenreiter E. B. Acute and chronic hypoxia. Moscow : Nauka, 1977, p. 315. [In Russian].
  8. Nesterov S. V. Features of autonomic regulation of heart rate in conditions of acute experimental hypoxia. Human Physiology. 2005, 31(1), pp. 82-87. [In Russian].
  9. Novikov V. S., Soroko S. I., Shustov E. B. Deadaptation state of a person under extreme influences and their correction. SPb. : Politekhnika-print, 2018, p. 548. [In Russian].
  10. Sanotskaya N. V., Matsievsky D. D., Lebedeva M. A. Influence of acute hypoxia on pulmonary and systemic circulation. Pathogenesis. 2012, 10(4), pp. 56-59. [In Russian].
  11. Turbasov V. D., Artamonova N. P., Nechaeva E. I. Assessment of the bioelectrical activity of the heart in conditions of antiorthostatic hypokinesia using conventional and corrected orthogonal ECG leads. Space biology and aerospace medicine. 1990, 24(1). pp. 42–44. [In Russian].
  12. Boos C. J, Vincent E., Mellor A. (7 more authors). The effect of sex on heart rate variability at high altitude. Medicine & science in sports & exercise. 2017, 49(12), pp. 2562-2569.
  13. Burnstock G., Kind B. F. Numbering of cloned P2 purinoceptors. Drug. Dev. Res. 1996, 38, p. 67-71.
  14. Burnstock G. Purinergic signaling. Brit. J. Pharmacol. 2006, 147. pp. 172-187. doi: 10.1038/sj.bjp.0706429.
  15. Coustet B., Lhuissier F. J., Vincent R., Richalet J.-P. Electrocardiographic changes during exercise in acute hypoxia and susceptibility to severe high-altitude Illnesses. Circulation. 2015, 131. pp. 786-794. dol: 10.1161/CIRCULATIONAHA.114.013144.
  16. Giles D., Kelly J., Draper N. Alterations in autonomic cardiac modulation in response to normobaric hypoxia. European journal of sport science. 2016, 16(8), pp. 1023-1031.
  17. Kane G. C, Liu X. K, Yamada S. et al. (5 more authors). Cardiac KATP channels in health and disease. J. Mol. Cell. Cardiol. 2005, 38(6), pp. 937-943.
  18. Li Y., Gao J., Lu Z. et al. (8 more authors). Intracellular ATP binding is required to activate the slowly activating K+ channel IKs. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013, 110. pp. 18922-18927.
  19. Li Y., Li J., Liu J. et al. (6 more authors). Variations of Time Irreversibility of Heart Rate Variability Under Normobaric Hypoxic Exposure. Front. Physiol. 2021, 12. doi: 10.3389/fphys.2021.607356.
  20. Millet G. P., Faiss R., Pialoux V. Point: Counterpoint: hypobaric hypoxia induces/does not Induce different responses from normobaric hypoxia. J. of applied physiology. 2012, 112, 10, pp. 1783–1784.
  21. Newsholme P., De Bittencourt P. I., O'Hagan C. et al. (6 more authors). Exercise and possible molecular mechanisms of protection from vascular disease and diabetes: the central role of ROS and nitric oxide. Clin. Sci. (Lond). 2009, 118(5), pp. 341-349.
  22. Pelleg A., Katchanov G., Xu J. Autonomic neural control of cardiac function: modulation by adenosine and adenosine 5`-triphosphate. Am. J. Cardiol. 1997, 79, 12A, pp. 11-14.
  23. Semenza G. L. Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell. Physiol. Biochem. 2012, 148(3), pp. 399-408.
  24. Uryumtsev D. Y., Gultyaeva V. V., Zinchenko M. I. et al. (7 more authors). Effect of acute hypoxia on cardiorespiratory coherence in male runners. Front. Physiol. 2020. doi: 10.3389/fphys.2020.00630.
  25. Vassort G. Adenosine 5'-triphosphate: a P2-purinergic agonist in the myocardium. Physiol. Rev. 2001, 81(20), pp. 767-806.
  26. Vigo D. E., Lloret S. P., Videla A. J. et al. (7 more authors). Heart rate nonlinear dynamics during sudden hypoxia at 8230 m simulated altitude. Wilderness & environmental medicine. 2010, 21(1), pp. 4-10.
  27. Zhang D., She J., Zhang Z., Yu M. Effects of acute hypoxia on heart rate variability, sample entropy and cardiorespiratory phase synchronization. Biomed. Eng. Online. 2014. doi: 10.1186/1475-925X-13-73.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.


Copyright (c) Bocharov M., Shilov A.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies