BIOFEEDBACK CORRECTION FOR OPTIMIZATION OF FUNCTIONAL STATE OF HUMAN ORGANISM DURING HIGH-ALTITUDE CLIMBING

Full Text

Стремления человека покорять горные вершины не могут остановить ни перспектива развития горной болезни, ни тяжелейшие испытания на прочность собственного организма в разреженной атмосфере при низких температурах, штормовых ветрах и прин ципиально большей солнечной инсоляции. На высокогорье, в условиях естественной гипобарической гипоксии, в организме спортсменов наблюдается снижение сатурации крови кислородом, что вызывает соответствующие сдвиги в функциональном состоянии 22 Экология человека 2018.04 Экологическая физиология спортсменов. Так, известно, что в условиях высокогорья происходят изменения в сердечно-сосудистой системе и в системах автономной регуляции [7]. Кроме того, высокогорная гипоксия является причиной нарушений функционального состояния головного мозга, что отражается в характерных сдвигах ЭЭГ во время сна и бодрствования [2]. При этом степень снижения сатурации находится в корреляционной связи с изменениями показателей вариабельности сердечного ритма (СР), отражающих уровень симпатической активности, в частности с мощностью диапазона низких частот (LF) [20]. Вариабельность СР является удобным показателем оценки активности автономной регуляции [1, 4, 8], который успешно применяется в биомедицинских исследованиях на высокогорье [12, 18]. Важно, что точность оценки данной группы показателей оказалась близка при использовании разных приборов, в том числе портативной техники с длительность регистрации ЭКГ от 55 секунд. Возможность использования коротких записей для получения валидных результатов в условиях реального восхождения имеет принципиальное значение, хотя и ограничивает список оцениваемых параметров (становится ненадёжной оценка мощности диапазона очень низких частот - VLF). Целью настоящего исследования стала апробация метода коррекции функционального состояния участников высокогорной экспедиции при помощи технологии биологической обратной связи (БОС). Планировалось, что данный подход окажется полезным для облегчения и ускорения процессов адаптации спортсменов, в частности для нормализации частоты сердечных сокращений (ЧСС). Непрерывная регистрация СР во время сеансов БОС-коррекции предполагала также возможность оценки состояния систем автономной регуляции по показателям вариабельности СР для изучения физиологических механизмов происходящих сдвигов базовых параметров (ЧСС). Методы Данное исследование относится к обсервационному описательному типу, в котором на малой выборке испытуемых показана принципиальная возможность использования метода БОС-коррекции для нормализации ЧСС в условиях высокогорья. Исследование проведено во время экспедиции Ф. Ф. Конюхова на Эверест [9]. В исследовании добровольно, на основе принципов информированного согласия, приняли участие два человека (испытуемый 1 и испытуемый 2), мужчины близкого возраста, телосложения и спортивной квалификации. Каждый испытуемый провёл по несколько сеансов БОС-тренингов на разной высоте над уровнем моря перед экспедицией и во время акклиматизации (табл. 1). Тренинг проводили с помощью программно-аппаратного комплекса «БОСЛАБ-профессиональный», ООО «Компьютерные системы биоуправления», Новосибирск, вариант тренинга - игра «Вира». Игра представляют собой психофизиологическую модель Таблица 1 Результаты оценки нормальности распределения длительности кардиоинтервалов по критерию Шапиро - Уилка Дата, сеанс Высота над уровнем моря, место Результаты статистической оценки вероятности Н0-гипотезы о распределении длительностей кардиоинтервалов по закону нормального распределения (по критерию Шапиро - Уилка) Испытуемый 1 Испытуемый 2 31.03.2012 (сеанс 1) 200 м (Москва) n = 2029 W = 0,980 p < 0,001 14.04.2012 (сеанс 1) 3900 м (Шигатце) n = 1848 W = 0,957 p < 0,001 29.04.2012 (сеанс 2) 6400 м (передовой базовый лагерь) n = 686 W = 0,982 p < 0,001 n = 928 W = 0,879 p < 0,001 07.05.2012 (сеанс 3) 5300 м (базовый лагерь) n = 612 W = 0,985 p < 0,001 n = 397 W = 0,987 p < 0,001 стрессовой ситуации: два водолаза погружаются в водоём, за одного водолаза «играет» компьютер, за второго - участник эксперимента. По алгоритму игры чем медленнее пульс, тем быстрее двигается водолаз. Задачей испытуемых было достичь цели первым, то есть с помощью игры «Вира» снизить свою ЧСС. Каждая попытка длилась 80-105 секунд, количество попыток за сеанс не ограничивалось. Все сеансы проведены в позднее вечернее время (22.00-24.00). Сеанс 1 проведён до начала восхождения, 31-го марта (в Москве) участником 1 и 14-го апреля участником 2 (в городе Шигатце, Тибет). Во время акклиматизации, перед подъёмом на Эверест, в передовом базовом лагере на высоте 6 400 м (29-го апреля) проведён сеанс 2, в базовом лагере на высоте 5 300 м (7-го мая) проведён сеанс 3. Непрерывную регистрацию СР проводили методом пальцевой фотоплетизмографии, фиксировали текущие значения длительности кардиоинтервалов. По результатам каждой попытки по массивам кардиоинтервалов рассчитывали статистические показатели вариабельности СР (стресс-индекс, SDNN, pNN50), спектральные показатели (общая мощность спектра - TP, мощность отдельных диапазонов VLF, LF и высоких частот - HF), а также расчётные индексы на их основе (LF/HF, индекс централизации). Оценку вероятности ^-гипотезы о распределении полученных массивов длительностей кардиоинтервалов по закону нормального распределения проводили по критерию Шапиро - Уилка, рекомендуемого для ситуаций, когда отсутствует априорная информация о типе отклонения от нормального распределения [10]. В использованном нами пакете статистических программ Statistica 7.0 применяется модифицированный вариант критерия Шапиро - Уилка [19], пригодный для оценки больших выборок объёмом до 2 000 элементов. Поскольку распределение длительности кардиоинтервалов во всех выборках не соответствовало закону нормального распределения (см. табл. 1), для 23 Экологическая физиология Экология человека 2018.04 описания результатов нами использованы медиана (Me) и квартили (Q1 и Q3). Динамику показателей в сеансе БОС-тренинга по совершённым попыткам оценивали с использованием уравнения линейной регрессии, статистическую значимость такой динамики рассчитывали по алгоритму One-way ANOVA. Результаты Как показали результаты обработки непрерывных записей СР, оба участника эксперимента смогли эффективно управлять своей ЧСС. В сеансах, проведённых до восхождения, и в период акклиматизации выявлен статистически значимый тренд к возрастанию длительности кардиоинтервалов по мере выполнения попыток (рис. 1, табл. 2). Малая выборка испытуемых не позволяет провести корректный статистический анализ показателей, рассчитываемых на основе массива длительностей кардиоинтервалов за каждую попытку в сеансе БОС-коррекции. Поэтому для статистических и спектральных показателей мы приводим лишь индивидуальные результаты. Так, в отношении TP - общей мощности спектра вариабельности СР - обнаружено, что данный показатель у обоих испытуемых в большинстве попыток был ниже нормальных величин (ниже 800 мс2) [13]. В сеансе до восхождения показатель TP у обоих участников эксперимента в динамике попыток снижался. В период акклиматизации (сеансы 2 и 3) динамика TP у испытуемых оказалась различной, Рис. 1. Длительность кардиоинтервалов в Б - в передовом базовом лагере (6 400 тренда, отраженного линейной функцией попытках сеансов БОС-коррекции: А - до подъёма на высокогорье; м); В - в базовом лагере (5 300 м). Пунктиром обозначена линия 24 Экология человека 2018.04 Экологическая физиология Таблица 2 Динамика длительности кардиоинтервалов в сеансах БОС-коррекции (уравнение линейной регрессии и результаты оценки статистической значимости влияния фактора «попытка» с использованием метода дисперсионного факторного анализа One-way ANOVA) Сеанс Испытуемый 1 Испытуемый 2 1 Y = 679,522+1,586*x Y = 636,377+2,054*x F(16, 2012) = 93,624, F(16, 1831) = 21,746, p < 0,001 p < 0,001 2 Y = 945,821 + 11,679*x Y = 895,600+0,973*x F(7, 678) = 59,681, F(9, 918) = 82,946, p < 0,001 p < 0,001 3 Y = 824,333+3,071*x Y = 762,000 + 16,160*x F(5, 606) = 26,825, F(3, 393) = 82,919, p < 0,001 p < 0,001 Примечание. Y - длительность кардиоинтервала, x - номер попытки. хотя в сеансе 3 отмечены однонаправленные сдвиги в сторону возрастания (рис. 2). Близкий по физиологическому смыслу статисти ческий показатель SDNN (стандартное отклонение всех интервалов за оцениваемый период времени) у участника 1 был близок к 20 мс, у участника 2 - к 30 мс, что так же, как и в случае с TP, ниже нижней границы зоны нормальных величин в 100 мс [13]. Динамика данного показателя в попытках сеансов БОС-коррекции оказалась разнонаправленной. Соотношение абсолютных мощностей LF и HF диапазонов спектра вариабельности СР (отношение LF/HF), используемое как показатель автономного баланса [13, 15, 18], у обоих испытуемых до восхождения было в пределах нормальных величин (1,5-2) и возрастало за период акклиматизации. Во время сеансов БОС-тренингов динамика данного показателя у участников эксперимента оказалась различной (рис. 3): возрастание в сеансах 1 и 2, и разнонаправленные изменения у испытуемых в сеансе 3. Расчётный индекс централизации ((VLF + LF)/HF) за время экспедиции также был в допустимых пределах (2-16 у. е.), а его динамика была неодинаковой как на протяжении восхождения, так и у разных людей. Рис. 2. Общая мощность спектра вариабельности сердечного ритма (TP) в попытках сеансов БОС-коррекции, Линиями показан тренд, отраженный линейной функцией 25 Экологическая физиология Экология человека 2018.04 Рис. 3. Отношение LF/HF спектра вариабельности сердечного ритма в попытках сеансов БОС-коррекции. Линиями показан тренд, отраженный линейной функцией Стресс-индекс, статистический показатель вариабельности СР, у обоих участников эксперимента имел очень высокие величины, в основном в диапазоне 400-1 200 у. е. при норме до 150 у. е. (рис. 4). Удивительно, но самые низкие значения стресс-индекса у обоих альпинистов зафиксированы на самой высокой точке в 6 400 м (29-го апреля). Во время сеансов БОС-коррекции динамика данного показателя была различной на разных стадиях экспедиции и у разных людей, лишь в сеансе 3 выявлено снижение данного показателя у обоих участников. Статистический показатель pNN50 (доля последовательных кардиоинтервалов, различающихся более чем на 50 мс, от общего количества последовательных пар интервалов) оказался наиболее консервативен: его величина составляла 10-15 % у обоих участников эксперимента во всех сеансах БОС-коррекции (норма - 5-7 %). Обсуждение результатов Методология БОС-коррекции предполагает выработку вегетативных условных рефлексов, способствующих достижению контрольных величин различных показателей состояния организма. При этом способ достижения результата не всегда поддаётся вербальному описанию. В данном контексте хорошим методом изменения функционального состояния собственного организма является использование виртуального мира, в частности - компьютерных игр. Подтверждением задействованности головного мозга в достижении нового уровня вегетативных показателей являются данные о том, что методы БОС-коррекции, направленной на нормализацию СР, способны изменить характер электрической активности головного мозга [3]. Поэтому при интерпретации получаемых результатов нельзя игнорировать наличие процесса обучения / адаптации к процедуре тестирования [6]. В проведённом исследовании оказалось, что оба частника эксперимента успешно справились с задачей 26 Экология человека 2018.04 Экологическая физиология Рис. 4. Стресс-индекс в попытках сессий БОС-коррекции. Линиями показан тренд, отраженный линейной функцией нормализации ЧСС уже с сеанса 1 (до подъёма на высокогорье). В процессе акклиматизации, в сеансах 2 и 3, также отмечены статистически значимые тренды к снижению ЧСС у обоих участников. Однако изучение динамики показателей вариабельности СР в попытках каждого сеанса БОС-тренинга не позволяет сделать однозначных выводов о направленности изменений в состоянии систем автономной регуляции. Известно, что срочная адаптация к гипобарической гипоксии, в частности к условиям 4 500 м над уровнем моря, вызывает преходящее (первые 3 дня) снижение показателей вариабельности СР (TP, мощности отдельных диапазонов), величины чувствительности артериального барорефлекса, снижение содержания катехоламинов в плазме крови и снижение реактивности (степени изменения) уровня артериального давления на ментальный стресс [21]. Механизмы срочной адаптации включают активацию каротидных телец, усиливающих афферентную импульсацию к витальным центрам головного мозга, и молекулярные перестройки, в частности, на уровне реакций окис лительного фосфорилирования в митохондриях [22]. Предполагается, что чувствительными к содержанию кислорода являются также и молекулярные механизмы ионной проводимости, что определяет развитие функциональных сдвигов в таких условиях среды во всех возбудимых тканях [22]. При переходе адаптивных процессов в долгосрочную стадию изменения в каротидных тельцах прогрессируют, включая изменения энергетического обеспечения клеточного метаболизма, с участием индуцируемого гипоксией фактора HIF1 а. Длительное воздействие гипобарической гипоксии сопровождается морфологическими и биохимическими изменениями - увеличением размеров клеток каротидных телец и повышением уровня катехоламинов [22]. Эти изменения являются обратимыми и нивелируются при возвращении нормального уровня кислорода в воздухе. Однако длительная адаптация к высокогорью может закрепиться на генетическом уровне. Так, у коренных жителей Тибета описана мутация индуцируемого гипоксией фактора HIF2a, позволяющая его 27 Экологическая физиология Экология человека 2018.04 носителям иметь нормальный уровень гемоглобина в условиях высокогорья [16]. В нашей работе оказалось, что исходные величины показателей общей вариабельности СР были ниже нормы (TP, SDNN), соотношение LH/HF и индекс централизации - в пределах нормы, а стресс-индекс - выше нормы. В последующие дни, как описано нами ранее, наблюдалось возрастание показателей общей мощности TP и мощности диапазона LF при снижении мощности диапазона HF (с соответствующим возрастанием отношения LH/HF), возрастание SDNN и pNN50 при снижении стресс-индекса [5]. Другие исследователи также описали постепенное возрастание величины TP по мере восхождения на Эверест при регистрации параметров СР во время ночного отдыха [7]. Возрастание TP, SDNN, LF и pNN50 также описано при имитации подъёма на незначительные высоты [14] и свидетельствует об активации симпатической активности. Исследования, проведённые с участием жителей Кавказа и шерпов, показали, что в условиях высокогорья гипобариче-ская гипоксия вызывает сдвиг автономного баланса в сторону доминирования симпатических влияний, который сохраняется на всём протяжении периода акклиматизации [17]. По динамике попыток сеанса 1 БОС-коррекции обоих участников эксперимента можно предположить, что до восхождения цель тренинга в виде снижения ЧСС достигалась за счёт возрастания симпатической активности (возрастание LF/HF) при снижении общего уровня вегетативной активности (TP). По мере обучения (упрочения нового навыка), к сеансу 3, снижение ЧСС происходило при возрастании общего уровня вегетативной активности (TP) и снижении стресс-индекса. Изменения в автономном балансе (LF/HF) в сеансе 3 у испытуемых оказались разнонаправленными. Отношение LH/HF активно используется в биомедицинских исследованиях как показатель вегетативного баланса [13, 15]. Однако, согласно современным представлениям, мощность диапазона LF отражает барорефлекторную активность (её вклад составляет примерно 25 %), парасимпатические (50 %) и симпатические (25 %) влияния на сердечный ритм [11]. В мощность диапазона HF преимущественный вклад вносят вагусные влияния (до 90 %). В этом контексте отношение LH/HF можно рассматривать как отражение соотношения активности двух звеньев автономной регуляции лишь достаточно условно: прогностической ценностью обладает не величина этого индекса сама по себе, а её динамика или изменчивость в нагрузочных пробах. Представленные нами результаты позволяют предположить, что достижение конечной цели в сеансах БОС-коррекции (снижение ЧСС) у обоих участников эксперимента сопровождалось сдвигами в уровне активности систем автономной регуляции. При этом направленность сдвигов зависела от стадии формирования навыка и была специфичная для каж дого испытуемого. Вероятно также, что свой вклад в индивидуальные различия динамики автономной активности могли внести различия в скорости акклиматизации каждого участника - скорости формирования адаптивного ответа организма на комплекс климатогеографических условий высокогорья. Данные аспекты нуждаются в дальнейшем изучении.

About the authors

A V Latanov

M. V. Lomonosov Moscow State University

Department of Higher Nervous Activity, Biological Faculty Moscow, Russia

N B Pankova

Research Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com
Laboratory of Physical, Chemical and Ecological Pathophysiology Moscow, Russia

References

Supplementary files