Новые методы функциональной диагностики для оценки состояния сердечно-сосудистой системы в условиях "сухой" иммерсии

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

новые методы функциональной диагностики для оценки состояния сердечно-сосудистой системы в условиях «сухой» иммерсии

14.03.08 - авиационная, космическая и морская медицина

14.01.05 - кардиология

Сун Илсе

Москва-2015

Оглавление

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Методы функциональной диагностики состояния органов сердечно-сосудистой системы у летчиков и космонавтов

1.2 Метод «сухая» иммерсия - как модель искусственной невесомости

1.3 Функциональное состояние органов сердечно-сосудистой системы при эксперименте «сухой» иммерсии

1.4 Анализ вариабельности сердечного ритма

1.5 Дисперсионное картирование ЭКГ

1.6 Основные понятия о болевым синдроме в спине во время космического полета

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Общая характеристика обследованных лиц

2.2 Методы обследования

2.3 Статистическая обработка результатов и дизайн исследования

ГЛАВА 3. КЛИНИКО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ И ПОЯСНИЧНОГО ОТДЕЛА ПОЗВОНОЧНИКА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ «СУХОЙ» ИММЕРСИИ

3.1 Эксперимент с 3-суточной «сухой» иммерсией

3.1.1 Исследование вариабельности сердечного ритма

3.1.2 Исследование дисперсионного картирования ЭКГ

3.1.3Исследование некоторых параметров гемодинамики

3.1.4 Оценка болевого синдрома в поясничном отделе позвоночника

3.1.5 Рентгенографическое исследование поясничного отдела позвоночника

3.1.5.1 Измерение высоты межпозвонковых дисков

3.1.5.2 Измерение межпозвонковых углов

3.1.6 Анализ корреляционных связей

3.2 Эксперимент с 5-суточной «сухой» иммерсией

3.2.1 Исследование вариабельности сердечного ритма

3.2.2 Исследование дисперсионного картирования ЭКГ

3.2.3 Исследование некоторых параметров гемодинамики

3.2.4 Оценка болевого синдрома в поясничном отделе позвоночника

ГЛАВА 4. КЛИНИКО-ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ЛЕЧЕНИЕ БОЛЬНЫХ С РАСПРОСТРАНЕННЫМ ОСТЕОХОНДРОЗОМ

4.1 Болевой синдром у пациентов с распространенным остеохондрозом межпозвонковых суставов

4.2 Метод «радиочастотная денервация межпозвонковых суставов»

4.3 Результаты клинического этапа исследования

4.4 Сопоставление результатов экспериментального этапа исследования и клинических наблюдений

4.5 Корреляционный анализ результатов дисперсионного картирования ЭКГ

4.6 Использование полученных результатов в клинической, авиационной и космической медицине

ГЛАВА 5. ОБСУЖДЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЫВОДЫ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Список основных сокращений

АД - артериальное давление

АНОГ - антиортостатическая гипокинезия

ВНС - вегетативная нервная система

ВСР - вариабельность сердечного ритма

ГНЦ РФ ИМБП РАН - Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук

ГД- гидростатическое давление

ГИТ - гидростатическая индифферентная точка

ДАД - диастолическое артериальное давление

ДК ЭКГ - дисперсионное картирование ЭКГ

ЖС - жидкие среды

ИБС - ишемическая болезнь сердца

КДО - конечно-диастолический объем

КП - космический полет

МК - медицинский контроль

МКС - международная космическая станция

МОК - минутный объем крови

ОДНТ- отрицательное давление на нижнюю половину тела

ПАРС - показатель активности регуляторных систем

РЧД - радиочастотная денервация

СА - синусовая аритмия

САД - систолическое артериальное давление

СИ - «сухая» иммерсия

СН - степень напряжения

СР - сердечный ритм

СУ - синусовый узел

ССС - сердечно-сосудистая система

УО - ударный объем

ЧСС - частота сердечных сокращений

ФР - функциональные резервы

ФС - функциональное состояние

ЭКГ - электрокардиограмма

ЭО - орбитальная экспедиция

АМо - амплитуда моды массива кардиоинтервалов

CV - коэффициент вариации полного массива кардиоинтервалов

HF(high frequency) - высокочастотный компонент спектра ВСР

LF(low frequency) - низкочастотный компонент спектра ВСР

LF/HF - соотношение мощности LF и HF компонентов спектра ВСР

MxdMn - разность меду максимальным и минимальным значениями кардиоинтервалов

pNN50 - число пар кардиоинтервалов с разностью более 50 мс в процентах к общему числу кардиоинтервалов в массиве

RMSSD - квадратный корень из суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов

R-R-интервалы - временные интервалов между R-зубцами ЭКГ

SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов

SI - индекс напряжения регуляторных систем, стресс-индекс

ТР - суммарная мощность спектра ВСР

VLF(very low frequency) - сверх-низкочастотный компонент спектра ВСР

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основное отличие космической медицины от земной заключается в том, что в центре ее внимания стоит здоровый человек и ее главной задачей является не распознавание болезней и их лечение, а оценка уровня здоровья и разработка мероприятий по его укреплению и сохранению. Прогресс в области космонавтики стимулировал развитие многих наук, в том числе космической биологии и медицины. В настоящее время успехи пилотируемой космонавтики возможны благодаря интенсивному развитию космической медицины, которая на основе использования новейших достижений науки и техники создала свои собственные оригинальные теоретические и практические разработки [А.И. Григорьев, P.M. Баевский, 2007].

Несмотря на успехи, достигнутые в области профилактики неблагоприятных реакций организма человека под воздействием факторов космического полета, в практике медицинского обеспечения космического полета имеют место случаи развития заболеваний или функциональных нарушений со стороны различных органов и систем [А.И. Григорьев, Л.Ф. Дитлайн, И.Б. Козловская, Ч.Ф. Соуин, 2001; И.Б. Ушаков и др., 2013; Ю.И. Воронков, 2013].

Наиболее часто у космонавтов выявляются изменения со стороны сердечно-сосудистой, костно-мышечной, нейро-эндокринной и других систем [О.Г. Газенко, А.И. Григорьев, С.А. Бугров, 1990; В.В. Богомолов, 2014]. Большинство космонавтов отмечают наличие болевого синдрома в спине на различных этапах космического полета [J.R. Styf et al., 2001; W.E. Thornton et al., 1977]. Приблизительно от 68 до 80% космонавтов отмечают различного рода проявления болевого синдрома в поясничном отделе позвоночника. Длительность болевого синдрома варьирует от 14 до 100%, выраженность и длительность болевого синдрома значительно снижает работоспособность и качество жизни экипажа на орбите [P.C.Wing et al., 1991]. В условиях космического полета в структуре позвоночника происходят изменения, которые сводятся к его удлинению за счет увеличения объема межпозвонковых дисков и изменению физиологического кифоза и лордоза. При этом рост человека увеличивается на 4-6 см [A.R. Hargens, J.V. Sayson, 2008; J.R. Styf, P. Kalebo, 1994].

В связи с этим возникает объективная необходимость разработки методов и средств раннего выявления доклинических форм заболеваний органов сердечно-сосудистой системы (ССС) и изменений позвоночника у космонавтов, прежде всего на этапе подготовки к полету космонавтов [Ю.И. Воронков и др., 1994].

В настоящее время наилучшей моделью невесомости является «сухая» иммерсия. Она, как один из методов моделирования эффектов невесомости, давно используется для изучения различных аспектов космической медицины, включая испытания новых средств профилактики неблагоприятного действия факторов космического полета и исследование ряда фундаментальных проблем гравитационной физиологии [И.Б. Козловская, 2008; Е.Б. Шульженко, И.Ф. Виль-Вильямс, 1976]. Значительное внимание при этом уделяется изучению функции органов ССС, играющей ведущую роль в обеспечении адаптации организма к новым, необычным условиям.

Использование вариабельности сердечного ритма в сочетании с дисперсионном картированием электрокардиограммы (ЭКГ) в условиях «сухой» иммерсии успешно разработаны в исследованиях Р.М. Баевского (1980-2015г.), А.К. Ешмановой (2009г.), в которых выявлена связь гиподинамии с изменением органов ССС. Однако, сопоставление их изменений в условиях микрогравитации с изменениями в позвоночнике не проводились. Этому нерешенному вопросу космической медицины и посвящено настоящее исследование. Кроме того, в нашей работе проводится обсуждение эффективности применения новых методов функциональной диагностики для экспертной оценки состояния органов ССС в условиях «сухой» иммерсии.

Цель работы. Исследовать клиническое состояние и функции органов сердечно-сосудистой системы в условиях «сухой» иммерсии с использованием вариабельности сердечного ритма, дисперсионного картирования ЭКГ и связь их с оценкой выраженности болевого синдрома в спине, высотой межпозвонковых дисков у здоровых испытателей-добровольцев и больных с заболеваниями позвочника.

Задачи исследования.

1. Изучить взаимосвязь регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы и состояние позвоночника в условиях моделирования невесомости.

2. Исследовать в условиях «сухой» иммерсии диагностическую значимость, информативность и прогностическую надежность современных методов диагностики (вариабельность сердечного ритма, дисперсионное картирование ЭКГ) в оценке состояния ССС.

3. Исследовать в практике космической медицины оценку болевого синдрома в спине с применением цифровой рейтинговой шкалы и ее связь с регуляторными механизмами ССС.

4. Исследовать высоту межпозвонковых дисков и межпозвонковых углов при рентгенографическом обследовании и их влияние на регуляторные механизмы ССС.

5. Исследовать клиническую значимость интегральных показателей активности регуляторных систем (ПАРС) и интегральный индикатор изменений электрических характеристик ионных каналов кардиомиоцитов «миокард» в комплексной оценке состояния органов ССС.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование состояния ССС, с использованием современных электрокардиографических методов - вариабельность сердечного ритма, дисперсионное картирование ЭКГ и рентгенографического измерения характеристик поясничного отдела позвоночника в условиях моделировании микрогравитации. Проведена оценка их связи с болевым синдромом. Выявлены фазные изменения регуляторных механизмов ССС связаны с выраженностью болевого синдрома в спине и высотой межпозвонковых дисков.

Практическая значимость. В эксперименте «сухая» иммерсия выполнена оценка динамики изменений органов ССС у испытателей-добровольцев, выраженности и переносимости болей в спине, что может служить поводом для более тщательного исследования состояния здоровья кандидата и критической оценки определения годности к космическому полету. Закономерность экспериментального этапа исследования имеет подтверждение в клинике остеохондроза позвоночника у больных людей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Сухая иммерсия в сочетании с исследованием вариабельности сердечного ритма, дисперсионного картирования ЭКГ и измерением высоты межпозвонковых дисков и оценкой болевого синдрома в спине позволяет оценить особенности регуляции сердечно-сосудистой системы на различных этапах эксперимента и выявить лиц с предрасположенностью к возникновению выраженного болевого синдрома в позвоночнике.

2. В условиях трехсуточной и пятисуточной иммерсии, у здоровых людей выявлены фазные изменения вариабельности сердечного ритма, выражающиеся в снижении показателей, характеризующих тонус симпатической нервной системы (SI, ЧСС), увеличение парасимпатических влияний (RMSSD, SDNN) в первые двое суток сухой иммерсии, которые связаны с максимальной выраженностью болевого синдрома и высотой межпозвонковых дисков. В последующем происходит увеличение симпатической регуляции ритма сердца.

3. С использованием регрессионного анализа оценена связь изменений позвоночника с выраженностью болевого синдрома и состоянием регуляторных механизмов сердечно-сосудистой системы у испытателей в условиях «сухой» иммерсии. Выявленное снижение симпатической активности регуляторных механизмов является одним из звеньев патогенеза боли в спине. У больных с распространенным остеохондрозом позвоночника после купирования болевого синдрома радиочастотной денервацией межпозвонковых дисков отмечается увеличения симпатической и снижение парасимпатической активности регуляторных механизмов.

Апробация диссертации. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 12-й конференции молодых ученых, специалистов и студентов (г. Москва, 2013 г.), 85-й ежегодной научной конференции Аэрокосмической медицинской ассоциации (AsMA, г. Сан Диего, США, 2014г.).

Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая медицина» Ученого Совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН 25 июня 2015 г (протокол № 2).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 работа в зарубежной печати, 4 - в отечественных рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах машинописного текста, иллюстрирована 12 таблицами и 28 рисунками. Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов исследования, результатов собственных исследований: экспериментального и клинического исследований, обсуждения полученных результатов, выводов и практических рекомендаций.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Методы функциональной диагностики состояния органов сердечно-сосудистой системы у летчиков и космонавтов

Факторы космического полета (КП) являются для человека стрессогенным воздействием [107] и вызывают, наряду с неспецифической реакцией типа общего адаптационного синдрома, ряд специфических изменений практически во всех системах и органах [30]. Первичное звено в механизме влияния одного из факторов КП -- невесомости, состоит в устранении массы тела и, как следствие, появление гравитационно-зависимых деформаций и механического напряжения структур организма. Это первичное звено вовлекает в процесс вторичные механизмы. В дальнейшем происходит включение всей цепи причинно-следственных отношений, приводящих к изменению физиологических функций [23, 24, 29, 30, 31, 38, 57, 133, 141, 153, 155, 156].

Устранение гидростатического давления (ГД) в условиях невесомости сопровождается перераспределением жидких сред (ЖС)организма, прежде всего потерявшей массу крови, в верхнюю часть тела. Первоначально устранение ГД вызывает противоположные изменения деформации сосудов и окружающих их тканей, соотношения капиллярной фильтрации и абсорбции в областях, расположенных выше и ниже гидростатической индифферентной точки (ГИТ). Эта точка расположена в горизонтальной плоскости на 5-10 см ниже диафрагмы и характеризуется постоянным уровнем гидростатического давления крови, не зависящем от положения тела в пространстве [152].

В условиях гравитационного поля Земли, при вертикальном положении тела, в сосудах, расположенных выше ГИТ, гидростатическое давление будет отрицательным, а на более низком уровне - положительным и возрастающим по направлению к ступням. Под влиянием гидростатического давления при вертикальном положении тела возникают градиенты давления в артериальной и венозной системах. В условиях Земли стенки вен нижних конечностей, растянутые кровью, имеют более высокое напряжение, чем стенки вен шеи и головы, находящихся в спавшемся состоянии. Этот градиент эластических сил стенок вен, расположенных выше и ниже ГИТ, вызывает при микрогравитации выталкивание и перемещение крови из вен нижних конечностей в верхнюю часть тела. В свою очередь, изменения равновесия Старлинга, характеризующиеся уменьшением трансмурального капиллярного давления и увеличением перехода интерстициальной жидкости во внутрисосудистое пространство в областях ниже ГИТ и противоположными изменениями в вышележащих областях, также приводит к перемещению ЖС из нижних конечностей в верхние части тела [24, 32, 57, 153]. Вызываемые этим перемещением ЖС увеличение объема внутрисосудистой жидкости и увеличение объемов сердца, выявленные в полетах, воспринимаются организмом как увеличение эффективного объема циркулирующей крови и сопровождаются включением срочных адаптивных механизмов [24]. Смещение крови в верхнюю часть тела приводит к определенному усилению сигнализации с артериальных барорецепторных рефлексогенных зон и вовлечению депрессорных и разгрузочных рефлексов, а также рефлекса Генри-Гауэра с механорецепторов системы низкого давления. Перераспределение ЖС вызывает торможение ренин-ангиотензин-альдостероновой системы [156]. Под влиянием этих регуляторных механизмов уменьшается объем плазмы крови и межклеточной жидкости, происходит частичная потеря ряда электролитов, развивается тенденция к снижению сосудистого тонуса и диастолического артериального давления [24, 38, 153].

В исследованиях И.В. Алферовой, В.Ф. Турчаниновой и соавторов были проанализированы и обобщены результаты наблюдения за космонавтами, выполнявших КП. По их данным, во время полета у космонавтов наиболее часто отмечались усиление хронотропной функции сердца, увеличение минутного объема крови (МОК), повышение конечного систолического АД. Проведенные исследования в условиях покоя до и во время полета позволили авторам классифицировать функциональное состояние органов (ССС) в соответствии с величиной сердечного индекса (СИ) по трем типам кровообращения. Для гипокинетического типа у группы космонавтов были характерны низкие значения ударного объема (УО) и частоты сердечных сокращений (ЧСС); для гиперкинетического типа - более высокие их значения. Эукинетический тип по обоим показателям занимал промежуточное положение [1]. В этой работе авторы также указывают на функциональные различия в состоянии системы кровообращения космонавтов, обусловленные генетическими факторами, возрастом и условиями проведения обследований. Нужно отметить, что диапазон компенсаторных возможностей органов ССС в зависимости от типа кровообращения, по мнению многих исследователей, оценивается по-разному. Одни авторы считают, что при гиперкинетическом типе сердце работает в менее экономичном режиме, так как высокая активность симпатико-адреналовой системы ограничивает компенсаторные возможности организма. Другие авторы придерживаются противоположного мнения [35].

В условиях микрогравитации изменяется и системное АД, однако результаты наблюдений также неоднозначны. Отмечается повышение систолического АД за счет увеличения ударного объема крови и снижение диастолического АД -- за счет падения общего периферического сопротивления сосудов (ОПСС). В первые несколько дней космического полета отмечается, что АД снижается, а затем приближается к предполетному уровню. По мнению многих исследователей, при различных типах кровообращения различны и механизмы поддержания уровня АД [35], в то же время, существенной разницы в его величинах между типами кровообращения не отмечено [1]. Одним из ведущих механизмов гемодинамических расстройств в условиях гипокинезии и микрогравитации является гиповолемия [24, 32, 77, 82, 110, 153, 162, 176].

В работах Г.А. Фоминой и А.Р. Котовской (2005 г.) по результатам многочисленных исследований гемодинамики ультразвуковыми методами во время и после КП различной длительности в состоянии покоя, установлены изменения, которые расценивались как косвенные признаки гиповолемии. К ним относятся: уменьшение конечно-диастолического объема (КДО) и УО левого желудочка, снижение резистентности почечных артерий. Такая интерпретация была основана авторами на результатах исследований не только во время КП, но и в наземных экспериментах, моделирующих некоторые эффекты невесомости, в которых одновременно выполнялись исследования гемодинамики и гидратации тела человека [110]. Установлено, что в наземных исследованиях изменения гемодинамики на фоне гиповолемии были аналогичны зарегистрированным в ходе КП. В состоянии покоя в условиях невесомости формировалось отличающееся от земного состояние гемодинамики, стабилизировавшееся к 3-у месяцу полета. При увеличении времени пребывания в невесомости прогрессирование изменений гемодинамики не выявлялось [110].

Считается, что благодаря действию этих указанных механизмов наступает период стабилизации реакций организма, который характеризуется относительно постоянным уровнем функционирования основных систем и (при отсутствии чрезмерных воздействий) может сохраняться на протяжении длительного времени. В свою очередь, для практики медицинского контроля и прогнозирования функционального состояния членов экипажа важное значение имеет информация о степени адаптации организма к условиям невесомости [7, 30].

Известно, что адаптация органов ССС к условиям невесомости протекает в несколько периодов: острый, переходный (неустойчивая адаптация) и относительно устойчивый. Острый период, связанный с включением механизмов срочной адаптации, начинается сразу после выхода корабля на орбиту и продолжается от нескольких дней до 3 недель. Период неустойчивой адаптации продолжается от 1 до 3 месяцев, когда организм осуществляет активный поиск устойчивого состояния, соответствующего новым условиям. После 3-месячного пребывания в невесомости формируются новые регуляторные механизмы, обеспечивающие относительно устойчивую адаптацию к условиям невесомости [9, 23]. В период неустойчивой адаптации особенно велика роль вегетативной нервной системы (ВНС), которая обеспечивает настройку организма на новый уровень функционирования [93].

В дальнейшем результаты исследований членов космических экипажей позволили развить концепцию о сердечно-сосудистой системе как индикаторе адаптационных реакций всего организма и разработать математические модели, описывающие процессы вегетативной регуляции в процессе адаптации организма к условиям невесомости [10, 11, 30, 38, 93].

В работах P.M. Баевского, Г.А. Никулиной, И.И. Фунтовой, А.Г. Черниковой представлены результаты многолетних исследований вегетативной регуляции кровообращения проведенных на разных этапах длительных КП на орбитальной станции «Мир» [11, 13, 125]. Авторы показали, что в первые два месяца полета отмечается достоверный рост показателей HF со снижением 1С, которое указывает на активацию парасимпатического отдела ВНС. На 3-4 месяцах полета наблюдается одновременное усиление активности симпатической системы, с отчетливым смещением вегетативного баланса в сторону роста тонуса симпатической нервной системы на 6-м месяце полета. Отмечено достоверное снижение VLF, начиная со 2-го месяца полета. Авторы объясняют это преобладанием активности автономного контура регуляции над активностью центрального, что подтверждается достоверным снижением 1С, начиная со 2-го месяца полета. В последующем, на 7-м и 8-м месяцах пребывания в условиях невесомости, наблюдалась новая динамика изменений вегетативной регуляции - активация надсегментарных отделов ВНС. По мнению авторов, это означает, что длительная невесомость требует мобилизации дополнительных функциональных резервов организма. Если в течение первых 6 месяцев полета сохранение сердечно-сосудистого гомеостаза обеспечивали внутрисистемные механизмы регуляции кровообращения, то при более длительном действии невесомости потребовалось активное «вмешательство» межсистемного уровня управления (высших вегетативных центров регуляции). Авторы считают, что деятельность этого механизма, также как и на предыдущих этапах полета, направлена на сохранение и поддержание сердечно-сосудистого гомеостаза в условиях продолжающегося воздействия невесомости [13]. Высшие вегетативные центры как уровень межсистемной координации физиологических функций активно включаются в процесс управления, когда автономное управление на уровне внутрисистемного взаимодействия оказывается недостаточным для сохранения устойчивости сердечнососудистого гомеостаза [9].

Группой указанных авторов также проведен анализ данных с оценкой ВСР, полученных на борту международной космической станции (МКС). Сравнение исходных предполетных данных с полетными показало, что в ходе полета формируется новый тип вегетативного гомеостаза, который отличается более высоким уровнем активности парасимпатического отдела ВНС и более высокой активностью регуляторных механизмов в целом. Наблюдается рост общей активности регуляторных систем на 2-4-м месяцах полета. При этом, в наибольшей мере растет активность энергометаболического звена регуляции (VLF), затем увеличивается активность звена сосудистой регуляции (LF) [126, 127].

Исследованиями А.Г. Черниковой (2010 г.), полученными во время длительных космических полетов на орбитальной станции«Мир», было показано наличие различных типов вегетативной регуляции. Ею был проведен кластерный анализ полетных данных у 45 космонавтов, совершивших длительные полеты. Были выделены четыре типа вегетативной регуляции во время космического полета. Они различаются не только по вегетативному балансу и уровню сердечно-сосудистого гомеостаза, но и времени адаптации организма к условиям невесомости, механизму адаптации, устойчивости адаптационных реакций [13, 127, 173]. Для первого, ваготонического, типа регуляции характерна более быстрая, но менее устойчивая адаптация. Второй и третий типы могут быть названы нормотоническими. Они встречаются наиболее часто и характеризуются оптимальностью адаптационных реакций при том, что третий тип отличается от второго более высокой устойчивостью. Четвертый - симпатотонический тип, характеризуется более медленной адаптацией к новым условиям, активной мобилизацией функциональных резервов и невысокой лабильностью. Отмечено, что присущий каждому космонавту тип регуляции в условиях невесомости сохраняется и в последующих полетах.

Таким образом, пребывание в условиях КП ведет к перестройке системы вегетативной регуляции физиологических функций: в процессе адаптации к действию невесомости растет активность регуляторных систем, вегетативный баланс постепенно смещается в сторону усиления тонуса симпатической нервной системы. Особенности адаптационной реакции существенно зависят от индивидуального типа регуляции [13, 30]. Следует отметить, что для практики медицинского контроля и прогнозирования функционального состояния членов экипажа имеет значение оценки степени адаптации организма к условиям невесомости, которая в значительной мере связана с реакциями органов ССС и ее регуляторных механизмов [30].

Особое значение для оценки функционального состояния органов ССС при воздействии факторов космического полета имеют изменения состояния миокарда. Многочисленные электрокардиографические исследования выявили некоторые закономерные изменения, которые авторы связывали с особенностями процесса адаптации к воздействию невесомости и гипокинезии [38, 57, 92]. В целом исследователями отмечено, что длительная невесомость в большинстве случаев вызывает увеличение частоты сердечных сокращений (ЧСС) и в некоторых случаях вызывает возникновение сердечных аритмий. Вероятность нарушений ритма сердечной деятельности у космонавтов в условиях невесомости определяется сочетанием значительного количества факторов, в том числе, изменениями состояния системы регуляции кровообращения [7, 9, 11, 30, 125], изменениями водного и электролитного статуса организма [23, 153], индивидуальными особенностями регуляции сердечной деятельности. Все это, в свою очередь, может привести к изменению уровня метаболических процессов в миокарде [108].

В литературе имеются сообщения, где исследователями во время полетов у большинства космонавтов наблюдались изменения ЭКГ, отражающие неустойчивость желудочковой реполяризации [27, 38, 108]. Статистически значимое снижение амплитуды зубцов Т наблюдалось с 1-го месяца полета и в основном носило диффузный характер с преобладанием изменений в отведениях, отражающих потенциалы заднебоковых отделов левого желудочка. Вариабельность конечной части желудочкового комплекса ЭКГ проявлялась значительными колебаниями как величины, формы и направления зубцов Т (двугорбые, двухфазные и инвертированные), так и количеством отведений, в которых обнаруживались эти изменения. Считается, что описанные изменения конечной части желудочкового комплекса являются типичными при нарушениях метаболизма. Интерпретация изменений ЭКГ в фазе реполяризации всегда затруднена и часто противоречива. В отличие от вольтажа комплекса QRS (фаза деполяризации), как показателя общей тканевой структуры мышечной массы сердца, конечная часть желудочкового комплекса ST-T (фаза реполяризации) рассматривается как электрофизиологический показатель функционального состояния миокарда на уровне метаболизма [27]. Показатель ST-T формируется в результате сложного взаимодействия химических превращений в течение окислительно-восстановительных процессов в миокарде сердца с его ферментными, медиаторными и другими системами и нейрогуморальными влияниями. Любые сдвиги этих факторов могут привести к изменению характеристик ST-T [114]. Исходя из изложенного, важность изучения состояния миокарда в условиях КП является несомненной, поэтому одной из актуальных проблем диагностики в космической кардиологии остается получение информации о ранних изменениях в миокарде. Как известно, изменения на традиционной ЭКГ являются результатом уже возникших в миокарде ишемических и метаболических сдвигов, и информация, полученная с помощью традиционного исследования, основана на описании контурного анализа и оценки нарушений ритма (характера ишемических изменений, нарушений ритма и проводимости, гипертрофии и т.д.). В то же время, установлено, что ЭКГ- сигнал, отражая функцию или дисфункцию специфических ионных каналов и являясь интеграцией электрофизиологического феномена миллионов кардиомиоцитов, содержит дополнительную информацию, не видимую на традиционной ЭКГ [29, 42]. Современная электрокардиология располагает новыми технологиями, позволяющими на основе применения специальных методов анализа электрокардиосигнала судить об энергетических и обменных процессах в миокарде на молекулярно-клеточном уровне [43]. Особый интерес представляет применение этих новых технологий в космической медицине в целях раннего выявления электрофизиологических изменений в миокарде при воздействии комплекса факторов космического полета.

Не менее важным представляется выяснение связи электрофизиологических изменений в миокарде с изменениями нейрогуморальной регуляции органов ССС при воздействии комплекса факторов КП, поскольку эти процессы взаимозависимы.

1.2 Метод «сухая» иммерсия - как модель искусственной невесомости

Развитие космических исследований и переход к практическому космоплаванию показали, что невесомость приводит к развитию состояния «детренированностю» организма, которое проявляется в потере способности адекватно реагировать на гравитационную нагрузку. Этот факт обусловливает необходимость экспериментального моделирования невесомости для решения многих прикладных вопросов.

Наиболее перспективными моделями для исследований двигательных эффектов гипогравитации оказались иммерсия (погружение в жидкую среду, равную по плотности тканям человеческого организма) и антиортостатическая гипокинезия (АНОГ) [26, 118]. Близость ее к условиям невесомости была очевидной еще К.Э. Циолковскому, который в своем труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами» писал: «При купаньи на Земле вес нашего тела также почти парализуется противоположным действием воды. Такое отсутствие веса может уже продолжаться неопределенно долгое время, лишь бы вода была довольно тепла» [113]. Безопорность, снятие локальных весовых нагрузок, близость биомеханических условий организации двигательной деятельности к таковой в невесомости, определили выбор иммерсии в качестве практически единственной модели для отработки и обучения выполнению рабочих операций в невесомости.

В начале 60-х годов ХХ в. исследователи приступили к изучению физиологических эффектов иммерсии для определения возможности использования ее для наземной имитации эффектов невесомости [140]. При этом было показано, что иммерсия достаточно точно воспроизводит в организме человека изменения двигательных [87], сердечно-сосудистых [119] и других вызванных невесомостью физиологических функций. Возможности использования иммерсии в качестве полноценной модели ограничивались лишь некомфортностью и возможной небезопасностью длительного контакта кожных покровов человека с жидкой средой.

В начале 1970-х годов сотрудники Института медико-биологических проблем (ИМБП) К.Б. Шульженко и И.Ф. Виль-Вильямс разработали метод длительного проведения иммерсионных исследований, основанный на принципе «сухого» погружения, создаваемого специальной водонепроницаемой и высокоэластичной тканью [118, 120]. Испытатель, одетый в майку и плавки, в положении лежа укладывался на гидроизолирующую ткань и погружался в иммерсионную среду до уровня шеи. Площадь поверхности используемой ткани значительно превышала площадь водной поверхности. При этом складки гидроизолирующего материала вместе с иммерсионной средой, заключенной в них, смыкались по средней линии тела испытателя, свободно облегая его со всех сторон. Никакие ложементы, которые могли бы служить опорой для тела испытателя в иммерсионной среде, не применялись. Высокоэластичные свойства ткани искусственно повышали плотность жидкости, создавая практически условия нулевой плавучести. С момента появления новой модели она стала основной для изучения эффектов невесомости при воздействиях длительностью 5-7 дней, равной длительности так называемых коротких полетов на космических станциях.

Большинство рассматриваемых далее результатов экспериментов с «сухой» иммерсией были получены в исследованиях, выполненных в стандартных конвенционных условиях, в ходе которых испытатели-добровольцы находились по одному (или по двое) в ванне размером 200х100х100 (300х300х200) см, наполненном водой, в горизонтальном положении, температура воды в ванне поддерживалась постоянной на уровне 33±0,5 °С. Режим дня в эксперименте регламентировали временными интервалами, отобранными для проведения обследований, профилактических мероприятий (если таковые были), приема пищи и санитарно-гигиенических процедур. Распорядок дня по возможности был близок бортовому, включая 8-часовой сон, 3-разовое питание, программу медицинского контроля и экспериментальные исследования. Для проведения санитарно-гигиенических мероприятий один раз в сутки испытателей извлекали из ванны на 15-20 мин с помощью специального подъемника. Таким образом, СИ объединяла три эффекта невесомости: гиподинамию, снятие опорных нагрузок и вертикального сосудистого градиента [105].

В 1974 г. Е.Б. Шульженко и И.Ф. Виль-Вильямс провели с участием двух испытателей-добровольцев рекордный по длительности 56-суточный эксперимент с СИ, который убедительно доказал применимость и безопасность модели для воспроизведения эффектов длительных воздействий. Результаты исследования показали, что 56-суточная СИ снижала резервные возможности аппарата кровообращения, вызывая состояние «детренированности» организма в целом. Изменения функционального состояния системы кровообращения в условиях СИ выявляли, с одной стороны, черты адаптивного характера с преобладанием парасимпатического тонуса, с другой - признаки снижения резервных возможностей и устойчивости организма к воздействию перегрузок «голова - таз» и отрицательного давления на нижнюю половину тела (ОДНТ) [19, 119].

В течение последующих 40 лет СИ являлась центральной моделью в изучении острых эффектов невесомости. В первые годы использования модели основной направленностью этих исследований было описание изменений в состоянии различных функций организма. В первую очередь внимание было сосредоточено на исследованиях жизненно важных функций организма-работы органов сердечно-сосудистой системы и регуляции метаболизма. В этих исследованиях выявилось сходство эффектов СИ по направленности эффектов, скорости их развития и глубине с таковыми в космическом полете (КП) [26, 53, 58, 78, 89, 123].

Было показано, что по субъективным ощущениям пребывание в СИ в начале воздействия воспринимается как комфортное и приятное состояние расслабленности [119]. Однако позже в отдельных случаях отмечаются тяжесть в голове и небольшая заложенность носа (по-видимому, вследствие перераспределения жидкости в краниальном направлении). В первые двое суток большинство испытателей жалуются на боли в спине различной выраженности (предположительно связанные с резким падением мышечного тонуса; выраженность болей коррелирует при этом с уровнем тренированности испытателей); к 3-м суткам воздействия все эти признаки исчезают. В редких случаях наблюдаются расстройства сна, потеря аппетита и расстройства пищеварения [118, 120]. В «двухместных» ваннах некоторые испытатели при движениях другого испытателя отмечали появление признаков болезни движения [167], подобных отмечаемым в первые дни КП [147] и АНОГ [130].

С конца 1970-х годов модель СИ стала центром исследований, направленных на изучение влияний микрогравитации на двигательную систему. Двигательная система считается наиболее гравитационно-зависимой системой организма. Одной из главных гравитационно-обусловленных функций двигательной системы является поддержание в гравитационном поле вертикальной стойки и положения отдельных частей тела. Эти функции обеспечиваются тонической мышечной системой. Очевидно, что отсутствие или резкое снижение гравитации, устраняющее необходимость этой деятельности в невесомости, должно оказывать глубокое влияние на функциональные и структурные свойства тонических мышц. Космические полеты подтвердили это предположение и выявили основные факторы, опосредующие эти влияния микрогравитации [61]. К таким факторам относятся снижение осевых и опорных нагрузок, изменение биомеханики движений и изменения в деятельности сенсорных систем. Модель СИ четко и в полном объеме воспроизводит снижение осевых и опорных нагрузок, а также существенно изменяет деятельность сенсорных систем. Устраняя фактор опоры, иммерсионное воздействие не затрагивает напрямую другие сенсорные системы, что дает модели безусловное преимущество перед другими и позволяет в ее рамках изучать роль опорной афферентации в деятельности различных систем организма.

Исследования в условиях СИ открыли новую главу в физиологии движений, которая по праву может называться гравитационной физиологией движений. Изучение последовательно всех функций и частей двигательного аппарата как на системном, так и на клеточном уровне показало, что в двигательную систему гравитация встроена так глубоко, что нельзя найти ни одной части, где бы не наблюдалось изменений после воздействия невесомости. Прежде всего, это мышечная, т.е. эффекторная система. Мышечные эффекты, в частности снижение скоростно-силовых свойств, были известны с самых коротких полетов [17, 150], однако метрика этих изменений и их временной ход детально были изучены только в условиях СИ. Сравнение глубины изменений после 7-суточной СИ и 7-суточного космического полета показало полную их идентичность [34]. Эксперименты с СИ позволили не только описать эти явления, но и подойти к пониманию природы этого раннего снижения мышечных свойств (глубокого, до 30 %), которое, безусловно, не могло быть связано с развитием атрофических процессов, требующих достаточного времени.

Подтверждение этому было получено в работах Ю.А. Коряка, который изучал характеристики вызванных и произвольных максимальных ответов мышц голени [64, 148]. Результаты исследований показали, что после 7 суток исследования СИ амплитуда произвольных ответов уменьшается в тех же пределах, как и после 7-суточного полета, и близка к изменению, происходящему после 4-месячной гипокинезии. Однако амплитуда вызванных ответов при этом снижалась незначимо, свидетельствуя о том, что снижение ответа связано со снижением интенсивности управляющего сигнала.

Одной из немедленных реакций, регистрируемых у человека при переходе к невесомости, является флексорно снижение активности мышц-разгибателей, обеспечивающих на Земле прямостояние [174]. Неврологические обследования, выполнявшиеся тотчас после завершения КП длительностью в несколько часов у членов первых космических экипажей, содержали указания на отчетливую экстензорную гипотонию [17].

Детально это явление было исследовано в экспериментах с СИ, которые показали, что в этих условиях наблюдается стремительное снижение показателей поперечной жесткости всех трех головок разгибателя голени - латеральной, медиальной икроножной и камбаловидной мышц. Показатели достигают максимальных значений (40- 50 % от исходных) уже к 6-у часу воздействия и сохраняются существенно сниженными в течение всего последующего периода нахождения в иммерсии. При этом наибольшим изменениям подвергалась камбаловидная мышца. Исследования поперечной жесткости мышцы-сгибателя голени (передней большеберцовой) не выявили существенных изменений данного показателя в ходе иммерсионного воздействия. Результаты исследований поперечной жесткости мышц голени, выполненные с участием шести человек на 2-е сутки после окончания 7-суточного КП, выявили в трех головках (латеральной, медиальной и камбаловидной) трехглавой мышцы снижение поперечной жесткости на 15- 20 % [150].

На основании полученных данных было сделано предположение, что снижение тонуса имеет рефлекторную природу и связано с изменениями в деятельности тонических двигательных единиц. Это предположение получило подтверждение А.В. Киренской и соавторы [55] в исследованиях порядка рекрутирования двигательных единиц при выполнении задачи удержания небольшого усилия (10-12 % от максимальной произвольной силы) в условиях 7-суточной СИ и 120-суточной АНОГ [55, 111, 112, 150]. Результаты этого исследования позволили заключить, что снижение опорных нагрузок обусловливает изменение порядка рекрутирования двигательных единиц в мышцах-разгибателях голени, супрессируя вовлечение единиц малых (тонических) и облегчая вовлечение единиц больших (фазических).

Нельзя не отметить, что открытие этого феномена ознаменовало некие изменения и в классической физиологии. Он указывал на то, что закон Хеннсмана о порядке рекрутирования может нарушаться в условиях микрогравитации и что чисто морфологический признак - величина мотонейрона не является единственным фактором, определяющим порядок его вовлечения в нормальных условиях.

Параллельно с нейрофизиологическими проводились и широкие клеточные исследования мышечного аппарата в условиях СИ. Впервые Б.С . Шенкман и соавторы [115] выявили изменения размеров мышечных волокон у человека после кратковременного (3 и 7 суток) пребывания в СИ. За трое суток СИ уменьшение размеров волокон как медленного, так и быстрого типа составило 5-9 %, а к 7-м суткам воздействия - 15-18 %. Уменьшение размеров волокон той же мышцы к 60-м суткам АНОГ, по данным тех же авторов [116], составляло 14,2 и 12,4 % (медленных и быстрых соответственно). Таким образом, глубина редукции размеров мышечных волокон в условиях кратковременной СИ оказалась сопоставимой с таковой в условиях достаточно длительной АНОГ. Этот факт свидетельствует о важной роли безопорности в генезе гипогравитационной атрофии. Здесь следует отмстить, что возможность опорно-зависимой регуляции атрофических процессов обсуждалась в работах ряда авторов [50]. Однако в прямых экспериментах со стимуляцией опорного входа у человека эта гипотеза проверена не была. В работах В.С. Оганова и соавторы [88] впервые был обнаружен сдвиг соотношения медленных и быстрых изоформ миозина в быструю сторону при гравитационной разгрузке; в модельных экспериментах подобные изменения были незначительными [50, 69, 128].

Данные, полученные в клеточных исследованиях, в совокупности с нейрофизиологическими позволили сформулировать положение о природе двигательных расстройств в невесомости. Согласно этому положению гравитация как фактор, под влиянием которого происходило развитие позно-тонической системы, встроилась в систему управления позно-тонических мышц. Триггером этой системы, сигнализирующей о наличии микрогравитации, является глубокая кожная чувствительность, представленная скоплениями телец Фатера-Пачини, - опорная афферентация [91].

Поскольку никаких других прямых афферентных изменений в СИ нет, именно устранение опорной афферентации способствует быстрому развитию изменений как системных, так и клеточных.

Для подтверждения положения о пусковой роли опорной афферентации в регуляции стуктурно-функциональных свойств тонической мышечной системы была начата серия исследований в условиях СИ с применением механической стимуляции опорных зон стоп в режиме естественных локомоций (75 и 120 шагов в минуту, давление 40 кПа). Стимуляцию проводили с помощью разработанного совместно сотрудниками ИМБП и Научно-производственного объединения «Звезда» устройства «Компенсатор опорной разгрузки», обеспечивающего попеременное давление силой 0,5 кг/см2 на опорные зоны стоп - пяточную и плюсневую.

Результаты этих исследований подтвердили гипотезу о триггерной роли опорной афферентации в системе позно-тонических регуляций. У испытателей, которым в ходе СИ проводили механическую стимуляцию опорных зон стопы, описанные изменения функции мышц голени не выявлялись вовсе или были существенно меньшими: снижение жесткости m. soleus в этой группе достигало значений достоверности лишь к 6-м суткам воздействия СИ, а уменьшение амплитуды ее электромиограммы покоя в ходе СИ и максимальной изокинетической силы трехглавой мышцы голени после ее завершения не наблюдались вовсе [31, 146, 160]. Не изменялись в группе со стимуляцией также показатели жесткости и электромиографической активности мышц-сгибателей (m. tibialis) [31, 76, 156]. Аналогичными были эффекты механической стимуляции и в структуре мышечного аппарата: у испытателей, применяющих стимуляционные воздействия в ходе СИ, не наблюдалось снижения чувствительности миофибрилл к свободным ионам кальция, как правило, наблюдаемого при разгрузке; отсутствовали изменения площади поперечного сечения волокон; не наблюдалось уменьшения доли волокон, содержащих медленные изоформы тяжелых цепей миозина [31, 158].

Естественным следствием результатов описанных исследований было предложение о включении компенсатора опорной разгрузки в систему профилактики для коррекции первых, острых изменений в двигательной системе, наблюдаемых в невесомости. В дальнейшем такое средство было адаптировано к требованиям космической станции и в настоящее время планируется к поставке на борт.

Очевидно, что изменения в одной системе организма неизбежно влекут за собой изменения во всех системах в целом. Особенно это справедливо для мышечной системы, которая определяет требования к работе органов сердечно-сосудистой и дыхательной систем, задает уровень обмена и уровень работы других органов. Многочисленные исследования в иммерсионных экспериментах был и направлены также на то, чтобы определить, какова значимость первичных эффектов, вызываемых СИ в мышечной системе, в определении состояния и уровня активности других систем. Основное внимание было отдано системам управления движениями, сенсорная организация которых в СИ, несомненно, претерпевала изменения в первую очередь в связи с выпадением столь важного канала, несущего информацию о гравитации. Первые исследования в СИ показали, что системы управления движениями в этих условиях существенно страдают. Прежде всего, снижается точность управления [55, 65, 98]. Было показано, что меняется корковая организация контроля этих движений [55], существенно страдают системы управления позой и локомоциями [75, 100, 117]. Справедливость этого предположения была подтверждена тем, что в условиях СИ с предъявлением опорной стимуляции эти изменения также корригировались, хотя в меньшей степени, чем периферические. Полученные данные позволили построить гипотетическую схему природы изменений, связанных с изменением в деятельности системы моторного контроля в условиях безопорности.

Исследования активности вестибулярной системы позволили предположить, что зарегистрированные изменения в системе регуляции позы и локомоций являются ответом на сенсорные изменения, поскольку исследования вестибуло-глазодвигательных реакций показали, что в СИ, не оказывающей прямого воздействия на вестибулярный аппарат, тем не менее существенно изменяется его активность [41,65, 98, 129]. При этом резко увеличивается чувствительность к вестибулярным сигналам [28, 98]. Аналогичные данные были получены в иммерсионных экспериментах, проведенных на обезьянах [6, 121]. Необходимо отметить, что признаков болезни движения в условиях классической постановки СИ не отмечалось.

В последние годы модель СИ становится все более популярной. В иммерсионных экспериментах, проводимых ГНЦ РФ-ИМБП РАН на регулярной основе, участвует все большее число исследователей как российских, так и зарубежных. Исследования новых функций и систем подтвердило предположение о влиянии безопорности на деятельность практически всех систем организма.

В исследованиях функций органов дыхательной системы показано, что вентиляционная функция легких в СИ не изменяется, однако наблюдается тенденция к увеличению вклада абдоминального компонента в дыхательные движения при спокойном дыхании и увеличение этого параметра при маневре определения жизненной емкости легких; отмечается повышение точности произвольного управления дыханием, а также изменение состава выдыхаемого воздуха [73, 79, 96].

В исследованиях функций органов сердечно-сосудистой системы выявлена картина последовательного включения в реакцию на иммерсионное воздействие электрических, а затем энергометаболических процессов в миокарде; наиболее выраженные изменения в 5-суточной СИ отмечались на 5-е сутки воздействия [44]. В ходе 7-суточного воздействия СИ механизмы вегетативной регуляции работают в направлении активации симпатического звена регуляции [39, 40, 51].

В исследовании функций пищеварительной системы показано, что в ходе 5-суточного воздействия СИ происходит уменьшение времени транзита химуса по тонкому кишечнику, замедление эвакуации содержимого толстого кишечника, что является основной причиной снижения эвакуаторной активности органов желудочно-кишечного тракта [5]. Также проводились исследования выявленного в условиях СИ дисбиоза и возможностей его коррекции [49].

В исследованиях экскреторной функции почек последних лет наряду с увеличением диуреза отмечено увеличение экскреции белка и глюкозы, остающейся, однако, в пределах физиологической нормы, а также показано отсутствие сдвигов гломерулярной фильтрации и тубулярной реабсорбции [84]. При этом метод импедансометрического исследования выявил снижение общего количества жидкости организма и объема внеклеточной жидкости, а также объема циркулирующей плазмы [70, 86].

Были обнаружены изменения белкового состава плазмы крови и мочи и других компонентов крови, а именно: снижение активности ферментов мышечной и миокардиальной констелляции, сдвиги в содержании электролитов (Са, Na, Mg), увеличение концентрации показателей липидного обмена (что повышает риск повреждения сосудов), увеличение количества эритроцитов в крови [48, 74].