EFFECTS OF HEART RATE VARIABILITY BIOFEEDBACK SESSIONS ON THE DYNAMICS OF THE EEG SPECTRAL POWER DURING EXPERIMENTAL HYPOTHERMIA

Full Text

Введение Существенным фактором окружающей среды, определяющим как физиологические, так и патологические реакции организма человека в Арктике, является низкая температура воздуха [1]. Известно, что холод, как один из основных адаптогенных факторов может запускать приспособительные реакции даже после однократного кратковременного воздействия, при этом изменения, как правило, затрагивают весь организм [3]. Однако ключевыми звеньями, обеспечивающими адекватное функционирование организма в условиях гипотермии, являются нервная и сердечно-сосудистая системы. Эффекты общего охлаждения, приводящего к гипотермии, представлены достаточно широко как в экспериментах на животных, так и с участием людей [7, 11]. Показаны особенности биоэлектрической активности головного мозга в эксперименте при общей гипотермии [5], проводились лонгитюдные изучения индивидуальной чувствительности мозговой активности при воздействии низких температур в естественных условиях Арктики и Антарктики [1]. Весьма подробно описаны эффекты локального кратковременного охлаждения (погружение конечностей в холодную воду) на тонус сосудов и активность головного мозга [17, 18, 22]. Остаётся открытым вопрос о возможностях саморегуляции организма в условиях холода. Известно, что холод провоцирует активизацию симпатического отдела вегетативной нервной системы (ВНС), направленной на усиление термогенеза и сохранение адекватного кровообращения в жизненно важных органах [11]. Однако реакция симпатического отдела ВНС обеспечивает катаболизм и расход метаболических ресурсов, в то время как сохранение ресурсов парасимпатического отдела ВНС призвано поддерживать анаболические процессы организма. То есть сохранение адекватных резервов парасимпатической регуляции сердечной деятельности обеспечивает долговременную адаптацию в дискомфортных условиях среды обитания. Одним из перспективных методов оптимизации функции как сердечно-сосудистой, так и центральной нервной (ЦНС) систем является метод адаптивного биоуправления параметрами вариабельности сердечного ритма (ВСР), при котором происходит усиление вагусных влияний на ритм сердца и снижение явлений симпатикотонии [2, 12]. Установлено, что сеансы кардиобиоуправлении (КБУ) с целью повышения общей ВСР вызывают не только снижение артериального давления, но и оптимизацию работы высших нервных центров [15, 16], а в целом однократный сеанс биоуправления расценивается как тест для определения адаптивных возможностей человека [8]. Однако индивидуальные реакции ЦНС человека при попытке саморегуляции в экспериментальных условиях, моделирующих климатические условия Арктики, требуют дополнительного осмысления. Цель исследования заключалась в изучении динамики спектральных показателей биоэлектрической активности головного мозга человека при кардиобиоуправлении с учётом условий экспериментального общего охлаждения организма. Методы Проведено рандомизированное контролируемое экспериментальное исследование, в котором приняли участие 30 здоровых мужчин в возрасте 18-20 лет, проживающих с рождения в г. Архангельске. Испытуемых выбирали на добровольной основе, от них было получено письменное информированное согласие на участие в эксперименте, одобренном Комиссией по биомедицинской этике ФИЦКИА УрО РАН (протокол № 2 от 28.03.2018). Исследование проводили с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации и директивах Европейского сообщества (8/609ЕС). Критерием исключения было наличие в анамнезе травм головного мозга, неврологических и сердечно-сосудистых нарушений. Добровольцы случайным образом были разделены на две равные по количеству группы: «КБУ» (15 человек, 18,8 ± 0,9 года) и «Контроль» (15 человек, 19,2 ± 0,8 года). Эксперимент включал пять этапов, в течение которых испытуемые мужчины располагались в положении сидя, в состоянии спокойного бодрствования. На I этапе (5 мин) регистрировали фоновые показатели электроэнцефалограммы (ЭЭГ), ВСР и температуры тела обследуемых - при температуре воздуха +20 °С. На II этапе (5 мин), также при комнатной температуре, испытуемые группы КБУ проходили однократный сеанс КБУ по авторской методике Л. В. Поскотино-вой, Ю. Н. Семенова [4]. Для реализации принципа биоуправления в процессе регистрации электрокардиограммы во втором стандартном отведении на аппаратно-программном комплексе «Варикард» («Рамена», г. Рязань) обследуемый получал на экране 38 Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 10, pp. 37-43 Original Articles монитора информацию о состоянии общей мощности спектра ВСР (дисперсии кардиоинтервалов) [2] в виде линейного графика и цифровых показателей. В динамике сеанса обновление указанных показателей происходило каждые 4 сек. по принципу скользящего окна. Перед началом исследования испытуемого инструктировали о том, что изменение графика на экране монитора зависит от его внутреннего состояния, цель тренинга - увеличение общей мощности спектра ВСР (повышение графика). Состояние, отражающее изменение выбранного параметра, формировалось посредством стратегии «свободного поиска» - создания положительно окрашенных мысленных образов в сочетании со спокойным глубоким дыханием с эффективным плавным выдохом и мышечной расслабленностью. При последующей обработке результатов успешность выполнения процедуры биоуправления оценивали по динамике общей мощности спектра ВСР (Total Power, мс2). Испытуемые из группы контроля вместо прохождения сеанса КБУ в течение 5 мин оставались в состоянии спокойного бодрствования. На III этапе изучаемые показатели добровольцев регистрировали в условиях холодовой камеры «УШЗ-25Н» («Ксирон-Холод», Москва) при температуре -20 °С. Продолжительность охлаждения составляла 10 мин, при этом все испытуемые мужчины были одеты в однотипные легкие хлопчатобумажные костюмы, без верхней одежды, головных уборов и перчаток. IV и V этапы для обеих групп обследуемых были аналогичны I и II этапам, они проводились после выхода из холодовой камеры, при этом изучаемые показатели регистрировали во время согревания при температуре воздуха +20 °С. Электроэнцефалограмму регистрировали с закрытыми глазами, на портативном электроэнцефалографе «Нейрон-Спектр-СМ» («Нейрософт», г. Иваново) монополярно от 16 стандартных отведений, электроды устанавливали по международной системе «10-20», относительно ушных референтных электродов. При оценке ЭЭГ выделяли безарте-фактные отрезки записи длительностью 60 сек. из заключительных 2 мин каждого этапа исследования, спектр анализировали по тета- (4,0-6,9 Гц) и альфа- (7,0-12,9 Гц) диапазонам. Для количественной оценки спектра ЭЭГ в каждом частотном диапазоне проводили усредненную для каждого испытуемого оценку значений полной мощности (мкВ2). Бета- и дельта-диапазоны ЭЭГ в данной работе не анализировали, поскольку была невозможна программная фильтрация физиологических артефактов, вызванных воздействием холода (миограммы, кожно-гальванической реакции, движений глаз, непроизвольных холодовых движений головы). Измерение температуры тела добровольцев осуществляли в правом слуховом проходе при помощи медицинского электронного инфракрасного термометра B. Well WF-1000 (Швейцария) [18]. Полученные результаты обрабатывали при помощи компьютерного пакета прикладных программ Statistica v. 10.0 (StatSoft Inc., США). В связи с тем, что в большинстве случаев распределение признаков в выборках не подчинялось закону нормального распределения (оценка по критерию Шапиро - Уилка), статистическую обработку проводили непараметрическими методами, учитывали медиану (Ме) и её процентное изменение между этапами. Для проверки статистической гипотезы разности значений использовали критерии Вилкоксона для двух зависимых выборок, Манна - Уитни и критерий х2 (сравнение процентных долей) для двух независимых групп, Краскела - Уоллиса для нескольких независимых групп. Критическим уровнем значимости при проверке статистических гипотез принимали p < 0,05. Сбор и дальнейшее использование первичного материала в рамках данной работы проводили совместно с сотрудниками лаборатории биоритмологии ФИЦКИА УрО РАН д. б. н., доц. Л. В. Поскотиновой, к. б. н. Е. В. Кривоноговой и О. В. Кривоноговой. Результаты За время холодового воздействия (к окончанию III этапа) температура в слуховом проходе испытуемых значимо снижалась в группе КБУ в среднем с (36,3 + 0,2) до (33,6 + 1,1) °С (p < 0,001) и в группе контроля с (36,3 + 0,3) до (34,1 + 1,3) °С (p < 0,001). При согревании (на IV и V этапах) температура в слуховом проходе испытуемых в обеих группах значимо возрастала, однако и через 10 мин после окончания холодового воздействия не достигала исходного уровня: (35,7 + 0,4) °С в группе КБУ (p < 0,001) и (35,7 + 0,7) °С в группе контроля (p < 0,001). Динамика общей мощности спектра ВСР (Total Power) ожидаемо была разнонаправленной и значимо отличалась на II и V этапах у испытуемых из групп КБУ и контроля (p < 0,001). Total Power, как управляемый показатель, у лиц из группы КБУ значимо повышалась (p < 0,001) в ходе обоих сеансов биоуправления в сравнении с исходными показателями: 3 625-6 788 мс2 (I-II этап), 5 356-8 197 мс2 (IV-V этап), достигая к V этапу максимума от исходных значений I этапа (p < 0,001). У испытуемых из группы контроля значимых изменений данного показателя не происходило: 3 120-2 842 мс2 (III этап), 4 332-3 306 мс2 (IV-V этап). Процентное изменение спектральной мощности тета-диапазона ЭЭГ в динамике исследования при сравнении фоновых значений и показателей этапа биоуправления / спокойного бодрствования, а также до и после общего охлаждения представлено на рис. 1. У испытуемых из группы КБУ отмечена тенденция к повышению тета-активности в динамике сеанса биоуправления, проводимого до охлаждения, а наиболее значимые приросты происходят уже после охлаждения преимущественно за счёт левых лобных (p < 0,01), центральных (p < 0,05) и височных областей мозга (p < 0,01). При этом после охлаждения данное повышение было более активным, чем до охлаждения, билатерально во всех отделах мозга (p < 0,05-0,01) 39 Оригинальные статьи Рис. 1. Изменение (в процентах) спектральной мощности тета-диапазона ЭЭГ у мужчин в динамике эксперимента Примечания для рис. 1 и 2: F3, F4, С3, С4, Т3, Т4, O1, O2 -левые и правые лобные, центральные, височные и затылочные отведения ЭЭГ. Белые столбики - группа КБУ до охлаждения; белые заштрихованные столбики - группа КБУ после охлаждения; серые столбики - группа контроля до охлаждения; серые заштрихованные столбики - группа контроля после охлаждения. Статистически значимое отличие между показателями фонового состояния и БОС-тренинга: * - p < 0,05; ** - p < 0,01; # - между группами КБУ и контроля на одном этапе исследования; © - между этапами до и после охлаждения у одной группы. кроме затылочных. Наименьшие изменения мощности тета-активности в динамике эксперимента наблюдались у представителей группы контроля (p > 0,05) с тенденцией к снижению показателя, особенно после охлаждения. Наиболее значимая разница в изменениях мощности тета-диапазона ЭЭГ у группы контроля в сравнении с группой КБУ отмечена в левых лобных (p < 0,01), центральных (p < 0,05) и височных (p < 0,01) областях мозга на этапе после охлаждения. Динамика изменения спектральной мощности альфа-диапазона ЭЭГ в целом повторяет таковую для тета-диапазона (рис. 2). Значимые приросты показателя преимущественно в левой гемисфере происходят у испытуемых группы КБУ в ходе сеанса биоуправления, проводимого после охлаждения. Следует отметить определённые топические особенности, указывающие на то, что данные приросты происходят не столько за счёт затылочных областей (p < 0,05), где градиент представленности альфа-ритма в норме должен быть максимальным, сколько более активно показатель прирастает за счёт левых лобно-центральных (p < 0,01) и височной (p < 0,05) областей, где максимальные приросты достигают 30 %. Значимые изменения между этапами до и по- 40 Экология человека 2021, № 10, с. 37-43 Рис. 2. Изменение (в процентах) спектральной мощности альфа-диапазона ЭЭГ у мужчин в динамике эксперимента. Обозначения - см. рис. 1. сле охлаждения в группе КБУ отмечены в лобных, центральных и височных областях обоих полушарий мозга (p < 0,05-0,01). У представителей группы контроля изменения между I и II этапами до охлаждения проявлялись преимущественно в десинхронизации альфа-ритма с наиболее значимым его снижением в правых лобно-центральных областях (p < 0,05). Изменения мощности альфа-активности между IV и V этапами после охлаждения были разнонаправленными, и проявлялись незначительным повышением в затылочных и левых лобно-центральных областях (p < 0,05 в сравнении с динамикой до охлаждения), а в правых центральных и височных областях отмечено незначительное снижение показателя. Значимые различия в изменениях мощности альфа-диапазона ЭЭГ у группы контроля в сравнении с группой КБУ до охлаждения отмечены в обеих лобных (p < 0,05), левой центральной (p < 0,05) и правой затылочной (p < 0,05) областях, а после охлаждения билатерально в центральных (p < 0,05) и височных (p < 0,05) областях мозга. Обсуждение результатов Гипотермия является состоянием организма, при котором температура тела падает ниже, чем необходимо для поддержания нормального обмена веществ и функционирования организма. По степени снижения температуры тела на этапе общего охлаждения (33,6-34,1 °С) гипотермию, экспериментально созданную у испытуемых, можно отнести к мягкой, а по длительности воздействия - к кратковременной [13]. Ekologiya cheloveka (Human Ecology) 2021, 10, pp. 37-43 Original Articles Возбуждение кожных холодовых рецепторов активирует центры терморегуляции, расположенные в гипоталамусе. При охлаждении увеличение притока нервных импульсов от холодовых рецепторов кожи в гипоталамус индуцирует высвобождение нора-дреналина из нервных окончаний, а также рост его концентрации в крови за счёт увеличения секреции надпочечниками и вызывает активизацию симпатического отдела ВНС [3]. Показано, что возбуждение симпатического отдела с последующей гипоактивацией префронтальной коры мозга способствует рас-тормаживанию функции миндалины и, как следствие, повышению церебральных влияний на регуляцию сердечной деятельности и снижению ВСР [21]. Низкая ВСР является предвестником внезапной сердечной (коронарной) смерти, при которой нарушаются регуляторные связи в системе «мозг - сердце» [6]. Обучение саморегуляции на основе биоуправления параметрами ВСР с целью поддержания вагусных влияний на ритм сердца при охлаждении позволяет снизить катаболическое действие симпатического отдела ВНС на функции сердечно-сосудистой и центральной нервной систем, что повышает адаптивные возможности организма в условиях холода [11]. В рамках текущего исследования все представители группы КБУ смогли успешно выполнить оба сеанса биоуправления. В ходе этих сеансов происходило изменение амплитуды и частоты волн кардиоинтер-валограммы и увеличение общей мощности спектра ВСР. Учитывая, что Total Power, в отличие от стандартного отклонения кардиоинтервалов (SDNN), при коротких записях содержит минимальный вклад непериодических (недыхательных) волн, можно полагать, что эффект биоуправления достигается за счёт увеличения вклада в первую очередь дыхательной и барорефлекторной составляющих спектра ВСР, что свидетельствует об усилении влияния парасимпатического отдела ВНС на ритм сердца [2, 12]. У лиц из группы контроля ожидаемо не происходило каких-либо значимых изменений показателей ВСР в динамике I-II и IV-V этапов. Одним из факторов, обеспечивающих снижение теплопотерь при адаптации человека к холоду, является уменьшение частоты дыхания и объёма легочной вентиляции при повышении утилизации кислорода из вдыхаемого воздуха [3]. Заложенное в реализации принципа кардиобиоуправления уменьшение частоты дыхания, сопровождаемое увеличением продолжительности выдоха [4], обеспечивает более длительный контакт тёплого влажного альвеолярного воздуха с охлаждённой при вдохе слизистой верхних дыхательных путей и способствует более эффективному возврату тепла и влаги, затраченных на кондиционирование воздуха. Показано, что у адаптированных к полярным широтам людей увеличены просветы мелких бронхов и бронхиол, а также альвеолярная поверхность и количество сурфактанта на поверхности альвеол, что способствует улучшению диффузии кислорода [1, 3]. В литературе существует множество доказательств того, что релаксация и медитация, сопутствующие биоуправлению, могут оказывать выраженные эффекты на ВНС и ЦНС [2, 12]. Увеличение мощности тета- и альфа-активности над всеми точками конвекситальной поверхности скальпа у представителей группы КБУ в ходе биоуправления отражает доминирующую роль восходящих активирующих влияний ретикулярной формации, либо таламических структур на всю кору больших полушарий. Нейроны таламуса, в частности медиа-дорзальное ядро таламуса, не только участвуют в генерации тета- и альфа-колебаний [10], но и вовлечены в нейронные сети, обеспечивающие кортиковисцеральные связи, в свою очередь обеспечивающие функцию проводящей системы сердца [9]. Сочетанное усиленное влияние таламических и стволовых структур на биоэлектрогенез коры обусловливает усиление тета- и альфа-активности в центральных и передних областях мозга [14]. При этом прослеживается асимметрия кардиоваскулярных эффектов: симпатические обусловлены правосторонней, а парасимпатические левосторонней доминантой мозговой активностью [19]. В целом это свидетельствует об оптимизации корково-подкорковых взаимоотношений, способствующих уменьшению активности симпатического отдела ВНС, и отражает процесс относительного снижения уровня напряжения и психофизиологической активности. В работе [20] было показано, что внутренняя направленность внимания, усиленная инструкцией по подсчёту вдохов, активирует медленный альфа-ритм в лобных долях и ингибирует симпатическую активность. В нашей работе мы также можем говорить о состоянии, сопровождающемся определённой внутренней сосредоточенностью, на основании данной испытуемому инструкции по контролю дыхания и мышечного тонуса. Испытуемые из группы КБУ подвергались охлаждению с уже модифицированным вегетативным статусом и балансом периферических и центральных структур нервной регуляции сердечной деятельности. Охлаждение организма вызывает дополнительную активизацию прежде всего диэнцефальных структур мозга, где сосредоточены центры терморегуляции, вегетативной регуляции внутренних органов и т. д. [17], этим, возможно, обусловлено более значимое повышение тета-активности у представителей группы КБУ при биоуправлении после воздействия холода, а также дополнительная синхронизация альфа-ритма, сопровождающая процесс согревания. Стоит отметить, что мощность бета-диапазона ЭЭГ значимо повышалась у наших испытуемых при холодовом воздействии, но в большинстве случаев это происходило за счёт присоединения артефакта миограммы, сопутствующего холодовому дрожанию, поэтому динамические изменения высокочастотной ЭЭГ в условиях нашего эксперимента нуждаются в отдельном последующем рассмотрении. Исходя из классификации поверхностной электромиограммы 41 Оригинальные статьи Экология человека 2021, № 10, с. 37-43 Ю. С. Юсевича (1972), частота колебаний большинства её типов укладывается в 21-100 Гц, что частично совпадает с бета-активностью ЭЭГ. Существуют несколько механизмов повышения теплопродукции мышечной системой [3], один из них - терморегуляторный мышечный тонус. Он представляет собой нерегулярные частые сокращения отдельных пучков мышечных волокон внешне покоящихся скелетных мышц. Обычно в его создании участвуют мышцы головы и шеи. На электромиограмме это выглядит как непрерывная последовательность биопотенциалов от 10 до 50 мкВ. Этот тип мышечной активности увеличивает теплопродукцию целого организма на 15-50 %, всегда приводит к увеличению потребления кислорода и не сопровождается увеличением периферического кровотока, что позволяет избежать потерь сгенерированного тепла. Таким образом, показано повышение мощности тета- и альфа-активности ЭЭГ у испытуемых в ходе сеансов кардиобиоуправления, однако наибольшие изменения церебральной активности достигнуты в динамике сеанса, проведенного после экспериментального кратковременного воздушного общего охлаждения, вызывающего дополнительную активизацию прежде всего диэнцефальных структур мозга. Наибольшие приросты медленных волн при выполнении кардиобиоуправления после охлаждения отмечены в левых лобно-центрально-височных отделах, что детерминировано усилением активности подкорковых регуляторных механизмов с ростом доминирования лимбико-ретикулярных влияний и усилением парасимпатических кардиоваскулярных эффектов в ходе сеанса. Формирование церебральных ответов в альфа-диапазоне у испытуемых выражается в генерализованном усилении активности над всеми участками коры мозга с некоторым смещением градиента также в левые передние, центральные и височные его отделы, что отражает сочетанное усиленное влияние таламических и стволовых структур на биоэлектрогенез коры. У представителей группы контроля этап продолжающегося спокойного бодрствования до охлаждения сопровождался преимущественно десинхронизацией альфа-ритма с наибольшим его снижением в правых лобно-центральных отделах, а этап согревания демонстрировал относительную стабильность тета- и альфа-активности. Способность обследованных мужчин изменять активность параметров ритма сердца в ходе кардиобиоуправления также определяет степень его воздействия и на функции центральных структур вегетативной регуляции. В целом проведение предварительного обучающего сеанса биоуправления параметрами ВСР активно стимулирует вагусные влияния на ритм сердца при воздействии холода и, по-видимому, в дальнейшем позволит нивелировать возможные проявления излишней симпатикотонии, возникающие при более продолжительном общем охлаждении организма.

About the authors

D. B. Demin

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: denisdemin@mail.ru
Arkhangelsk, Russia

References

Supplementary files