Seasonal and secular variations in selected indicators of the cardiovascular system among 7-11 years old children

Full Text

Многолетние мониторинговые исследования, проводимые нами в детских коллективах, показывают наличие выраженной годовой динамики большинства изучаемых показателей - психологических, психофизиологических, соматических. По показателям сердечно-сосудистой системы (ССС) сезонная изменчивость описана достаточно давно как для людей [11], так и для животных [6]. При этом вариабельность артериального давления (АД), имеющего прогностическую клиническую значи 37 Экологическая физиология Экология человека 2020.12 мость, изучается широко и подробно [18, 22]. Меньше известно о сезонной изменчивости показателей вариабельности сердечного ритма (СР), оцениваемой на основании анализа многолетних наблюдений за цикличностью процесса. Однако именно показатели вариабельности СР широко используются для оценки функционального состояния разных групп населения, включая детские коллективы. Для последних наличие сезонных колебаний измеряемых показателей критично в плане интерпретации получаемых результатов: с чем связано изменение различных параметров за учебный год? Это естественные хронобиологические закономерности, как считает ряд авторов [3], или влияние школьных нагрузок? Проведённые нами ранее исследования с разным дизайном (одномоментное тестирование разных выборок, полугодовая динамика, многолетний мониторинг) выявили обратимость описываемых изменений, что предполагает ведущую роль естественных сезонных колебаний показателей ССС [7]. Участие в реализации научной программы региональной инновационной площадки «Создание системы физкультурно-оздоровительной работы в школе в рамках внедрения комплекса “Готов к труду и обороне” (ГТО)» (Московская область, 2016-2019 гг.) предоставило нам уникальную возможность оценить динамику различных показателей физического здоровья детей на протяжении 4 лет - от 1-го к 4-му и от 4-го к 5-му классам (одновременный мониторинг двух разных школьных параллелей). Причём в качестве оцениваемых показателей использовать не только собственно величины разных параметров, но и степень их изменения за полугодие. Такой подход в отношении антропометрии показал наличие выраженной сезонной изменчивости массы тела и индекса массы тела (ИМТ) [9] - относительное возрастание этих показателей за зимний период. Задачей настоящего исследования стало изучение сезонной изменчивости показателей ССС у учащихся начальной школы. Ранее [7] по результатам исследований с аналогичным дизайном (2002-2009) мы сообщали о возрастании за учебный год отношения LF/HF, считающегося коррелятом автономного баланса в регуляции ССС, у учащихся 6-10-х классов. Поэтому второй задачей мы поставили сравнение текущих результатов с аналогичными данными 2004-2007 годов. Методы В исследовании проведён анализ динамики полугодовых изменений («дельты») показателей ССС школьников. Для минимизации влияния индивидуальной изменчивости самих показателей «дельту» считали в процентах от исходного уровня. Тестирования проводили в конце марта - начале апреля и в конце сентября - начале октября. Оценивали степень изменения параметров за временной интервал: от весны (в) к осени (о) - при переходе к следующему классу (учебному году) или от осени к весне - в пределах одного учебного года. Наблюдения выполнены на двух различных выборках: 1. Мониторинг двух параллелей общеобразовательной школы с конца первого класса (в1) до конца 4-го класса (в4) и с конца 4-го класса (в4) по конец 5-го класса (в5) в 2016-2019 годах (на каждом интервале наблюдений была только одна параллель). Объём выборки составил 214 человек (в динамике), всего 701 повторное измерение, состав отдельных групп представлен в табл. 1 и 2. Таблица 1 Численность групп детей разного возраста в выборке 2016-2019 годов Интервал наблюдения, годы Девочки Мальчики 7,1-7,5 17 15 7,6-8,0 48 33 8,1-8,5 56 43 8,6-9,0 59 50 9,1-9,5 59 51 9,6-10,0 53 47 10,1-10,5 40 34 О 05 1 О 15 21 11,1-11,5 6 11 Таблица 2 Численность групп детей в разные интервалы наблюдения в выборке 2016-2019 годов (цифрами обозначен класс) Интервал наблюдения Девочки Мальчики Весна 1 - осень 2 53 41 Осень 2 - весна 2 57 43 Весна 2 - осень 3 56 46 Осень 3 - весна 3 63 51 Весна 3 - осень 4 55 49 Осень 4 - весна 4 59 49 Весна 4 - осень 5 9 15 Осень 5 - весна 5 10 16 2. Трёхлетний мониторинг всей школы в 2004 - 2007 годах (на каждом интервале наблюдений было по три параллели). Объём выборки составил 317 человек, всего 810 повторных измерений, состав отдельных групп представлен в табл. 3. Таблица 3 Численность групп детей в разные интервалы наблюдения в выборке 2004-2007 годов (цифрами обозначен класс) Интервал наблюдения Девочки Мальчики Осень 1 - весна 1 70 51 Весна 1 - осень 2 40 33 Осень 2 - весна 2 54 50 Весна 2 - осень 3 30 44 Осень 3 - весна 3 38 72 Весна 3 - осень 4 28 47 Осень 4 - весна 4 45 65 Весна 4 - осень 5 38 42 Осень 5 - весна 5 33 30 38 Экология человека 2020.12 Экологическая физиология Школы, принимавшие участие в исследованиях в 2016-2019 и в 2004-2007 годах, - разные, но обе являются общеобразовательными, расположены на окраинах Москвы. Этнический состав в обоих случаях смешанный, с преобладанием (85-90 %) коренного населения (как русские, так и представители других национальностей). Остальные учащиеся до поступления в школы прожили в Москве несколько лет, русским языком владеют в совершенстве. Все дети были отнесены к 1-й и 2-й группам здоровья и к основной физкультурной группе. Однако между учащимися из разных выборок были и различия. Как уже описано нами ранее, у учащихся начальной школы Москвы в 2016-2019 годах по сравнению с их сверстниками 12 лет назад произошли статистически значимые изменения в показателях физического развития: дети стали выше, но возрастание массы тела и ИМТ уровня статистической значимости не достигли [10]. Поскольку ранее мы описали сезонные изменения у учащихся основной школы [7], в данном исследовании мы расширили возрастной диапазон групп сравнения и использовали результаты сезонных тестирований взрослых - женщин, педагогов и сотрудников общеобразовательных и средне-специальных образовательных учреждений. Измерения проведены в 2002-2012 годах, объём выборки - 285 человек, состав отдельных групп представлен в табл. 4. Таблица 4 Численность групп взрослых женщин разного возраста Возраст, лет Весна Осень 20-29 27 17 30-39 33 14 40-49 60 23 50-59 57 25 60-69 19 10 Все участники всех серий эксперимента приняли в нём участие на основе информированного согласия. Соблюдение международных и российских законодательных актов о юридических и этических принципах проведения научных работ с участием человека подтверждено решением Этического комитета ФГБНУ «Научно-исследовательский исследовательский институт общей патологии и патофизиологии» (протокол № 1 от 22.01.2019). Изучение показателей ССС проводили с помощью прибора «спироартериокардиоритмограф» (ООО «ИНТОКС», г. Санкт-Петербург, Россия). Комплекс разрешён к применению Росздравнадзором и Минздравом РФ, сертифицирован и рекомендован к работе в детских коллективах ЦГСЭН в г. Москве: № МОС. МУ 2.4.8.002-01. Прибор позволяет проводить одновременную непрерывную регистрацию ЭКГ в 1-м стандартном отведении (с последующей оценкой вариабельности СР), пальцевого АД методом фотоплетизмографии с последующей оценкой вариабельности систолического (АДс) и диастолического (АДд) АД, а также показателей дыхания с использованием ультразвукового датчика регистрации воздушного потока (при надетой спирометрической маске, опционно, в данной работе не использовано). Длительная непрерывная регистрация показателей СР и АД помимо максимальных, минимальных и средних величин позволяет оценить спектральные показатели их вариабельности: общую мощность спектра (Total Power - TP), абсолютную и относительную мощность стандартных диапазонов (High Frequencies - HF, Low Frequencies - LF, Very Low Frequencies - VLF). Также есть возможность оценить стрессиндекс и расчётные индексы на основе спектральных показателей вариабельности: отношение LF/HF и индекс централизации (VLF+LF) / HF спектра СР, альфа-ицдекс (LF(CT) / LF(АДс))1/2. Помимо этого предусмотрена прямая оценка величины чувствительности спонтанного артериального барорефлекса (ЧБР) в моменты когерентности СР и АД (в мс / мм рт. ст.) и показателей сердечной производительности (ударный и минутный объёмы крови). Измерения проводили в положении сидя, длительность регистрации составляла 2 минуты. Оценка соответствия закону нормального распределения полученных массивов данных с использованием критерия Шапиро - Уилка показала, что критерию нормальности (р > 0.05) соответствовали только данные по возрасту. Соответственно межгрупповые сравнения проводили с использованием непараметрических критериев: для независимых выборок - U-критерий Манна - Уитни, для связанных переменных - парный критерий Вилкоксона. Данные на рисунках представлены в виде медианы и меж-квартильного размаха. Результаты В изученной нами выборке в 2016-2019 годах при оценке возрастной динамики по полугодовым интервалам без учёта сезонности измерений большинство показателей ССС не показали значимых возрастных изменений. Приросты с уровнями значимости за полугодовые интервалы в каждой возрастной группе представлены на рис. 1. Мы можем лишь отметить постоянный прирост ударного объёма сердца (УО) как у девочек, так и у мальчиков с некоторой приостановкой в возрасте 9 лет (рис. 1, А). В возрасте 9- 11 лет отмечено постепенное снижение частоты сердечных сокращений (ЧСС) (рис. 1, Б). Уровень АДс значимо возрастал у девочек в интервале 10,0- 10,5 года, у мальчиков - на полгода позже (рис. 1, В). В спектральных показателях вариабельности СР, АДс и АДд, а также производных индексах на их основе (в частности, отношения LF/HF - рис. 1, Г) динамика отсутствовала. Учёт сезонности проводимых тестирований показал несколько иную картину. Мы также отмечаем постоянный прирост сердечной производительности, снижение ЧСС в 4-м и 5-м классах (рис. 2, А). Однако, как 39 Экологическая физиология Экология человека 2020.12 Рис. 1. Динамика прироста (в %) ударного объёма сердца (А), ЧСС (Б), систолического АД (В) и отношения LF/HF спектра вариабельности сердечного ритма (Г) за полугодовые интервалы времени (возраст указан на оси) в выборке 2016-2019 годов. Данные представлены в виде медианы и межквартильного размаха. Статистически значимые изменения за интервал времени (по парному критерию Вилкоксона) обозначены #. Статистически значимые различия между девочками и мальчиками (по критерию Манна - Уитни) обозначены *. оказалось, ряд показателей имеет «пилообразную» динамику: мы отмечаем (рис. 2, Б) снижение за учебный год (от осени к весне, диапазоны «о-в») отношения LF/HF (диапазоны «о2-в2», «о3-в3», «о4-в4»), сменяющееся противоположным сдвигом за период от весны к осени (диапазоны «в-о»: «в2-о3», «в3-о4»). И наоборот - возрастание за учебный год АДс («о3-в3», «о4-в4») (рис. 2, В), сменяющееся снижением данного показателя за летний период («в2-о3», «в3-о4»). Учёт статистической значимости не только изменений показателей за оцениваемый период, но и отличий от показателей предыдущего периода (на рисунках отмечены значком $), позволяет говорить о наличии «пилообразной» динамики этих показателей со 2-го по 5-й класс. Вместе с тем мы особо отмечаем, что для большинства показателей ССС сезонная вариабельность не выявлена. (В) по сезонам в выборке 2016-2019 годов (данные представлены в виде медианы и межквартильного размаха). Обозначения периодов времени: «о» - осень, «в» - весна, цифрами обозначен класс. Обозначения статистической достоверности - как на рис. 1. Знаком «$» обозначены статистически значимые отличия от предыдущего интервала в своей группе (по критерию Манна - Уитни). Аналогичный подход, учитывающий сезонность проводимых измерений, был использован при анализе архивных данных за 2004-2007 годы. Оказалось, что 15 лет назад у большинства показателей ССС, включая ЧСС (рис. 3, А), также отсутствовала сезонная вариабельность. Для отношения LF/HF также была характерна «пилообразная» динамика, но с противоположным знаком - с возрастанием за учебный год и снижением за летний период (рис. 3, Б), по крайней мере, для мальчиков (диапазоны «о3-в3» и «о4-в4»). Уровень АДс также менялся в противоположном направлении - снижение за учебный год ( « о 1 - в 1 », «о2-2», «о3-в3», «о5-в5») и возрастание за лето («в1-о2») (рис. 3, В). Учёт статистической значимости отличий от показателей предыдущего периода ($) выявил наличие «пилообразной» динамики АДс на протяжении всего периода наблюдения. Максимальные изменения АДс отмечены за 1-й и 5-й классы. Результаты измерения тех же показателей у взрослых испытуемых показали, что направленность сезонных сдвигов (в динамике) у детей в 2004-2007 годы и сезонные различия у взрослых в 2002-2012 (независимые выборки) совпадают, достигая уровня 40 Экология человека 2020.12 Экологическая физиология Рис. 3. Динамика прироста (в %) ЧСС (А), отношения LF/HF спектра вариабельности сердечного ритма (Б) и систолического АД (В) по сезонам в выборке 2004-2007 годов (данные представлены в виде медианы и межквартильного размаха). Обозначения периодов времени: «о» - осень, «в» - весна, цифрами обозначен класс. Обозначения статистической достоверности - как на рис. 1. Знаком «$» обозначены статистически значимые отличия от предыдущего интервала в своей группе (по критерию Манна - Уитни). статистической значимости в некоторых возрастных интервалах (рис. 4). Обсуждение результатов Как показывают наши данные по результатам тестирования взрослых и детей в 2004 - 2007 годах, а также данные других исследователей [5], сезонные колебания свойственны не слишком большому числу показателей ССС. К таковым относятся: более высокие величины отношения LF/HF спектра вариабельности СР и более низкие значения АДс в весенних тестированиях по сравнению с осенью. Это согласуется с наблюдениями клиницистов: известно, что уровень АД зависит от времени дня, дня недели и сезона [18]. При этом более вариативными являются результаты женщин, со значимым повышением в рабочие дни. Клиницисты обращают внимание на то, что в зимние месяцы вариабельность АД выше, чем летом [22]. Стоит также учесть данные о том, что сезонная вариабельность более выражена у представителей эмоционально и физически напряжённых профессий, в частности у работников МЧС [20], - в сравнении с научными сотрудниками. Для них характерно повышение параметров симпатической Рис. 4. Величины отношения LF/HF спектра вариабельности сердечного ритма (А) и систолического АД (Б) по сезонам у взрослых женщин разного возраста (данные представлены в виде медианы и межквартильного размаха). Статистически значимые различия между сезонами (по критерию Манна - Уитни) обозначены *. активности (стресс-индекса и отношения LF/HF) зимой по сравнению с летом. Ранее (2002-2009) по результатам многолетнего мониторинга одних и тех же детей с 6-го по 10-й класс мы выявили повышение за учебный год отношения LF/HF и снижение АДс. В данной работе в те же годы выявлена аналогичная сезонная вариабельность этих же показателей ССС и у учащихся начальной школы. Анализ сезонных различий в показателях взрослых также выявил схожие тенденции. Однако у взрослых мы анализировали независимые выборки, а не динамику изменения параметров у одних и тех же людей. Соответственно индивидуальная изменчивость показателей не позволила достичь уровня статистической значимости различий на большинстве возрастных интервалов. Однако, как оказалось, за последние годы описанные выше сезонные изменения у учащихся начальной школы поменяли знак на противоположный: мы выявили снижение величины LF/HF и возрастание АДс за учебный год, по крайней мере - со 2-го по 4-й классы. В качестве основной причины мы предполагаем изменение образа и стиля жизни современных школьников, включая учащихся начальных классов, - компьютеризацию всех сторон жизни, в том числе и школьного образования. Во-первых, результатом этого процесса стало значительное возрастание времени, проводимого за компьютером или иным устройством с выходом в Интернет (в том числе - для выполнения домашнего 41 Экологическая физиология Экология человека 2020.12 задания), в ущерб времени, которое можно было бы посвятить физической активности. Инструментальная оценка уровня двигательной активности показала, что уже в 2008-2010 годах у детей 7-8 лет отмечалось снижение двигательной активности осенью и зимой по сравнению с весной [13]. В течение недели у учащихся начальной школы обнаружено снижение двигательной активности в выходные дни [2], когда даже в школу ходить не нужно. Косвенным свидетельством в пользу этого предположения можно считать наши данные, полученные на этой же выборке детей и опубликованные ранее [10]: мы отмечаем скрытые (латентые) сдвиги в виде перераспределения детей внутри диапазона «норма» в сторону более высоких значений ИМТ, причём более выраженные у девочек. Важно, что степень изменения динамики ИМТ оказалась корреляционно связанной с уровнем физической нагрузки и содержанием урока физического воспитания. Показано, что сидячий образ жизни оказывает негативное влияние на вариабельность СР, снижая амплитуду колебаний длительности межсистолических интервалов и, более того, ослабляя их циркадную вариабельность [21]. У детей и подростков низкий уровень двигательной активности негативно сказывается на эффективности автономной регуляции ССС [14, 23, 25]. Однако умеренные физические нагрузки даже в рамках школьной программы могут смягчить, вплоть до полной компенсации, данную проблему [14, 24]. Во-вторых, тотальная компьютеризация всей жизни, и образовательной среды в частности, предъявляет новые требования к организму ребёнка [1]. По сути этот процесс является стрессорным фактором, индуцирующим адаптивный ответ организма детей [16], «след» которого может изменять программу развития мозга ребёнка вплоть до морфологических изменений [17]. Пока не выявлено прямых следствий высоких (но не экстремальных) компьютерных нагрузок на базовые показатели ССС [16]. Однако показано, что дополнительные информационные (и связанные с работой на компьютере) нагрузки у детей 6-7 лет вызывают существенную активацию автономной регуляции ССС со сдвигом баланса в сторону симпатикотонии [4]. Аналогичные сдвиги описаны другими авторами у мальчиков 9 лет [5] и у учащихся 5-х классов [12]. Увеличение уровня компьютерной нагрузки до экстремального/субэкстремального (у детей с развившейся зависимостью от Интернета) коррелирует с наличием автономной дисфункция (симпатикотонии) центрального генеза [19]. Как показано нами ранее, за 12-летний период (2002-2014) у московских первоклассников произошло снижение показателей сердечной производительности при постоянстве ЧСС. Оценка параметров вариабельности СР показала, что, хотя общая мощность спектра не изменилась, отмечено возрастание индекса LF/HF. Проведённая одновременно прямая и непрямая оценка величины ЧБР не выявила дина мики данного показателя [8]. Полученные результаты предполагают усиление симпатической составляющей в регуляции ССС. По результатам данного исследования мы можем предположить, что возросшие школьные нагрузки, включая пролонгацию времени общения с компьютерами и/или их аналогами, вызвали адаптивные сдвиги в динамике функционального созревания систем автономной регуляции детей. В частности, характерная для прошлых лет и для взрослых людей сезонная активация симпатического звена у современных школьников, по-видимому, усилилась. Так, если раньше всё ограничивалось возрастанием за учебный год отношения LF/HF, то в реалиях сегодняшних дней уже возрастает и само АД, напрямую зависящее от тонуса симпатической нервной системы. Тем более что АД очень вариативно именно зимой [22], на которую приходится большая часть учебного года. Следует, однако, признать, что предположение о влиянии компьютеризации на функциональное состояние ССС детей младшего школьного возраста, её возрастную динамику и сезонные колебания нуждаются в прямой проверке - проведении сравнительных исследований этих показателей у детей с разным уровнем компьютерной нагрузки, поскольку это лишь один из факторов, которые могли оказать влияние на функциональные показатели здоровья детей. Проведённые исследования выявили наличие сезонной вариабельности АДс и отношения LF/ HF спектра вариабельности сердечного ритма, отражающего уровень автономной регуляции ССС. В настоящее время (2016-2019) в выборке учащихся начальной школы это возрастание за учебный год АДс и снижение LF/HF. Однако в более ранних исследованиях детей того же возраста (2004-2007) сезонные изменения имели противоположную направленность - снижение за учебный год АДс и возрастание LF/HF, что соответствует сезонной вариации данных показателей у взрослых людей. Причины такого изменения нуждаются в дальнейшем изучении.

About the authors

N. B. Pankova

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com
Moscow, Russia

M. Yu. Karganov

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Moscow, Russia

References

Supplementary files