Взаимодействие центральных и периферических механизмов формирования респираторно-зависимых колебаний в сердечно-сосудистой системе человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Взаимодействие центральных и периферических механизмов формирования респираторно-зависимых колебаний в сердечно-сосудистой системе человека

03.03.01 - физиология

Тюрина Миглена Йорданова

Москва - 2012

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования

Колебательный (пульсирующий) режим работы системы кровообращения, обеспечиваемый сократительной деятельностью сердца, является естественным, непрерывно действующим фактором функционирования кровеносной системы. Волновой характер проявляется в различных аспектах процессов регуляции сердечно-сосудистой системы: от реологических свойств крови до особенностей работы высших нервных регуляторных центров (Малкин В.Б., Гора Е.П., 1996; Баевский Р.М., 2000; Ткаченко Б.И., Поясов И.З., 2000, 2010; Котельников С.А., Ноздрачев А.Д. и др. 2000, 2002). Однако, вопросы функциональной значимости волновых характеристик (амплитуды, частоты, фазы, скорости изменения и т.д.) процессов гемодинамики остаются малоизученными.

Существенным аспектом функционирования сердечно-сосудистой системы является взаимодействие различных ритмических процессов, которое проявляется как амплитудно-частотная модуляция параметров гемодинамики: сердечного ритма, артериального и венозного давления, сосудистого тонуса, линейной и объемной скорости кровотока, и т.д. Эти модуляции обнаруживаются в сосудах всех типов и являются одним из механизмов адаптации гемодинамики к различным внешним условиям и нутритивным потребностям организма (Хаютин В.М. 1999; Баевский Р.М., 2000; Ткаченко Б.И., Поясов И.З., 2000, 2010; Vashilo E., 2003; Yasuma F., 2004; Eckberg D.L., 2003, 2009; Taylor et al. 2001, 2009; Кирилина Т.В., 2009; Крупаткин А.И, 2009, 2011).

Примером такого взаимодействия служит тесная функциональная взаимосвязь систем дыхания и кровообращения. Режим дыхания, как и режим работы сердечно-сосудистой системы, является колебательным. На уровне сердца взаимодействие проявляется как вариабельность частоты сердечных сокращений (ЧСС), обусловленная дыхательным циклом, известная как респираторная синусовая аритмия (РСА). Особенностью РСА является то, что ее амплитуда в значительной степени определяется частотой дыхания (Angelone & Coulter, 1964; Hayano et al. 1994; Eckberg, 2003; Song & Lehrer, 2003; Vaschillo et al. 2006). Частотно-зависимый феномен РСА демонстрирует резонансные свойства и, предположительно, обусловлен взаимодействием механизмов контроля ЧСС и частоты дыхания (Angelone & Coulter, 1964; Vaschillo et al., 2006).

Дыхательные колебания регистрируются и на уровне периферического кровотока (Bolton et al. 1936; Khan et al. 1991; Macefield & Wallin, 1999; Mayrovitz & Groseclose, 2002; Mueck-Weymann &, Rauh, 2002, 2003, Крупаткин А.И., 2008). Однако, механизмы формирования и физиологическое значение этих колебаний у человека пока окончательно невыяснены.

Механизмы взаимодействия механических колебаний кровотока различного генеза на уровне микроциркуляции остаются одной из проблем физиологии кровообращения. В зависимости от локализации источника модулирующих влияний, различают пассивные и активные колебания (Stefanovska et al. 1999; Крупаткин А.И, Сидоров В.В., 2005). Осцилляции первого типа генерируются за пределами системы микроциркуляции и распространяются в микроциркуляторное русло пассивно посредством гидродинамических механизмов. К таким колебаниям относят пульсовые (0.8-1.4 Гц) и дыхательные (0.2-0.4 Гц) волны. К активным относят колебания, непосредственно модулирующие кровоток на уровне микроциркуляторного русла, которые реализуются за счет сокращения гладкомышечных клеток сосудистой стенки. Это собственно миогенные (0.06-0.2 Гц), нейрогенные (0.02-0.06 Гц) и эндотелий-зависимые (0.009-0.02 Гц) колебания (Stefanovska et al. 1999; Kvernmo et al. 1999; Soderstorm et al. 2003; Крупаткин А.И, Сидоров В.В., 2005).

Изменение частоты дыхания в условиях взаимодействия работающих в колебательном режиме сердечно-сосудистой и дыхательной систем может создавать условия для резонансного отклика параметров сердечного ритма и артериального давления у человека (Angelone & Coulter, 1964; Vaschillo et al., 2006). В этой связи вызывают интерес исследования амплитудно-частотных особенностей дыхательной модуляции периферического кровотока в зависимости от частоты дыхательного ритма и возможных резонансно-подобных взаимодействий колебаний кровотока на уровне микроциркуляторного русла.

Цель и задачи исследования

Целью работы является исследование механизмов функционального взаимодействия сердечно-сосудистой и дыхательной систем при контролируемом по частоте и глубине дыхании.

1. определить характер зависимости амплитуды дыхательных колебаний сердечного ритма от частоты контролируемого дыхания в условиях фиксированной глубины дыхания.

2. изучить особенности формирования дыхательных осцилляций кровотока в системе микроциркуляции кожи человека в зонах с различной степенью выраженности симпатической иннервации в условиях контролируемой частоты и глубины дыхания;

3. изучить влияние автономной нервной системы на формирование респираторно-зависимых колебаний в сердечно-сосудистой системе человека при контролируемом по частоте и глубине дыхании.

Положения, выносимые на защиту

1. В условиях фиксированной глубины дыхания амплитуда респираторно-связанных колебаний частоты сердечных сокращений зависит от частоты дыхания, что может быть обусловлено резонансным взаимодействием кардиальных и респираторных регуляторных механизмов;

2. Респираторно-зависимые колебания микроциркуляторного кровотока кожи имеют центральное происхождение и в условиях фиксированной глубины дыхания не зависят от частоты дыхательного ритма;

3. Формирование респираторно-зависимых колебаний микроциркуляторного кровотока кожи зависит от локальных особенностей симпатической иннервации сосудов и соотношения активности симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы.

Научная новизна исследования

Впервые проведены комплексные исследования связи параметров вариабельности сердечного ритма, кислородной сатурации крови и респираторно-зависимых колебаний скорости кожного кровотока в зонах с различной степенью выраженности симпатической иннервации с параметрами контролируемого в широком диапазоне частот (от 0,03 до 0,25 Гц) дыхания.

Показаны нелинейные свойства и многокомпонентность системы генерации респираторно-зависимых осцилляций на уровне сердечного ритма и продемонстрированы резонансные характеристики её амплитудно-частотной зависимости.

Проведена оценка влияния баланса активности отделов автономной нервной системы на амплитуду РСА и респираторно-зависимых колебаний скорости кровотока кожи при контролируемом дыхании. Показано различие в механизмах формирования респираторных колебаний ВСР и скорости микроциркуляторного кровотока в зависимости от соотношения активности отделов автономной нервной системы испытуемых и региональных особенностей симпатической сосудистой иннервации.

Теоретическая и практическая значимость работы

Полученные данные вносят вклад в разработку теории волновой регуляции физиологических функций сердца и тонуса сосудов посредством резонансного взаимодействия ритмических процессов дыхания и кровообращения. Результаты исследований расширяют представление о роли регуляторных механизмов центрального и местного генеза в формировании респираторно-зависимых осцилляций кровотока на уровне микроциркуляторного русла. Полученные данные открывают новые возможности для разработки методов активации различных регуляторных процессов в сердечнососудистой системе. Результаты работы углубляют существующие представления о специфике респираторно-зависимых механизмов модуляции кровотока на центральном (регуляция ритма сердца) и периферическом (кровоток в системе микроциркуляции кожи) уровнях сердечно-сосудистой системы человека.

Результаты исследований могут быть использованы в курсе лекций по проблемам физиологии для студентов медицинских, биологических, педагогических и психологических специальностей.

Результаты работы были представлены на заседании секции XXXV научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ТГПУ им. Л.Н. Толстого (Тула, 2008), 14-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2010), XXI Съезде физиологического общества им. И.П. Павлова (Калуга, 2010), III Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика - 2010» (Москва, 2010), 6 региональной научно-практической конференции молодых ученых (Тула, 2010), Международной конференции «Здоровье в XXI веке» (Тула, 2010), 8-й международной конференции «Системное кровообращение, микроциркуляция и гемореология» симпозиум «Методы исследования и регистрация параметров микроциркуляции и гемореологии» (Ярославль, 2011), 16-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2012).

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ изданий, и 11 тезисов докладов.

2. Организация и методы исследования

В исследовании принимали участие 160 нормотензивных некурящих девушек 18-25 лет нормального телосложения без выявленных патологий сердечно-сосудистой, дыхательной систем и кожи. Все испытуемые давали добровольное согласие на участие в эксперименте на основе полной информированности о методе и ходе проведения процедуры. Испытуемые воздерживались от приема вазоактивных препаратов, алкогольных и кофеинсодержащих напитков, по меньшей мере, за 4 часа до исследования.

Для исследования воздействия контролируемого по частоте и глубине дыхания на сердечно-сосудистую систему проводили одновременную регистрацию параметров периферического кровотока, вариабельности сердечного ритма, дыхательных экскурсий и показателя оксигенации ткани.

Глубину, форму и частоту дыхательных движений регистрировали с использованием ленточного потенциометрического датчика, закрепленного на грудной клетке испытуемых. Аналоговый сигнал датчика подвергался оцифровке с частотой дискретизации 10 Гц и выводился на монитор персонального компьютера. Испытуемые, управляя глубиной, формой и частотой экскурсий грудной клетки, визуально совмещали собственную кривую дыхания (показания с грудного пневмографического датчика) с эталонной кривой, демонстрируемой на мониторе персонального компьютера. В качестве эталона использовали синусоидальную кривую с задаваемыми амплитудой и периодом. Были использованы следующие частоты контролируемого дыхательного ритма: 0.25 Гц (15 раз/мин), 0.16 Гц (?10 раз/мин), 0.10 Гц (6 раз/мин), 0.07 Гц (?4 раз/мин), 0.05Гц (3 раз/мин), и 0.03 Гц (?2 раз/мин). Указанные значения частоты дыхательного ритма выбирались, исходя из равномерности распределения значений в логарифмическом масштабе частоты, что обусловлено необходимостью анализа колебаний кровотока и сердечного ритма в широком диапазоне частот. Для исследования частотно-зависимых эффектов дыхания испытуемые дышали с фиксированной глубиной. Задаваемая глубина дыхания была постоянной для всех используемых частот дыхания и индивидуально подбиралась в предварительных экспериментах, исходя из условий относительного комфорта испытуемых во всех указанных режимах дыхания и, соответственно, возможности поддерживать заданные параметры дыхания на протяжении 5 минут. В условиях наших экспериментов она составила 40% от максимальной величины экскурсии грудной клетки измеренной в ходе процедуры оценки жизненной ёмкости легких испытуемых (ЖЕЛ). Данные ЖЕЛ были получены при использовании спирографа MIR Spirobank II (MIR, Италия). Для исследования эффекта глубины дыхания испытуемые дышали с фиксированной частотой дыхательного ритма 0.1 и 0.25 Гц. Для каждой из указанных частот дыхания были использованы следующие величины глубины контролируемого дыхательного ритма (экскурсии грудной клетки): 10, 20, 30 и 40% от максимальной величины экскурсии грудной клетки измеренной в ходе процедуры оценки ЖЕЛ испытуемых.

Для исследования вариабельности сердечного ритма (ВСР) проводилась регистрация электрокардиограммы во II стандартном отведении посредством полиграфа CONAN-m (InCo, Россия). Частота дискретизации сигнала - 300 Гц. Полученные электрокардиограммы подвергали математической обработке в программе CОNAN4.1 (InCo, Россия) с целью обнаружения QRS-комплексов и преобразования в последовательности RR-интервалов.

Для оценки возможных эффектов гипо- и гипервентиляции регистрировали уровень кислородной сатурации крови (SpO₂) посредством пульсоксиметрического датчика спирографа MIR Spirobank II (MIR, Италия), размещаемого на II пальце правой руки испытуемых.

Регистрацию колебаний микроциркуляторного кровотока осуществляли в коже руки с помощью двухканального лазерного флоуметра ЛАКК-02 (ЛАЗМА, Россия) с двумя идентичными каналами (длина волны 0.63 мкм, мощность излучения 0.5 мВт). Зонды флоуметра располагали на ладонной поверхности дистальной фаланги II пальца левой кисти и наружной поверхности левого предплечья вблизи лучезапястного сустава. Указанные области кожи были выбраны, как зоны с различными доминирующими механизмами регуляции сосудистого тонуса. Кожа ладонной поверхности дистальной фаланги пальца кисти богата артериоло-венулярными анастомозами и имеет выраженную адренергическую иннервацию. Кожа наружной поверхности предплечья, напротив, характеризуется малым числом анастомозов и демонстрирует преимущественно нутритивный кровоток. Регистрируемый сигнал - показатель микроциркуляции (ПМ), характеризует степень перфузии ткани кровью и измеряется в условных (перфузионных) единицах (пф.ед.). Частота дискретизации лазерной допплеровской флоуграммы (ЛДФ-граммы) составляла 16 Гц.

Исследование проводили в помещении при температуре 20-24°С. Во время эксперимента испытуемые находились в положении сидя. После предварительной адаптации испытуемых к условиям помещения для каждого испытуемого определяли величину жизненной емкости легких и рассчитывали индивидуальную величину глубины дыхания. В экспериментах по исследованию частотной зависимости осуществляли синхронную регистрацию дыхания, ЭКГ, оксигенации и ЛДФ на протяжении 7 последовательных 5-минутных периодов, первый - при естественном ритме дыхания, последующие шесть - в режиме контролируемого дыхания с частотами 0.25, 0.16, 0.1, 0.07, 0.05 и 0.03 Гц. Для исследования эффектов глубины дыхания было проведено 2 серии экспериментов с фиксированной частотой дыхания 0.1 и 0.25 Гц. В каждой серии осуществляли синхронную регистрацию дыхания и ЛДФ на протяжении 4 последовательных 5-минутных периодов с контролируемой глубиной дыхания: 10, 20, 30 и 40% от индивидуального максимума. Между записями испытуемый в течение 2-3 минут тренировался и настраивался на каждый из режимов контролируемого дыхания. Испытуемые, которые испытывали трудности в контроле заданных режимов дыхания или отмечали симптомы ухудшения самочувствия на любом из его этапов, немедленно прекращали дальнейшее участие в исследовании.

Для всех зарегистрированных сигналов рассчитывали амплитудно-частотные спектры на основе непрерывного адаптивного вейвлет-преобразования (Tankanag & Chemeris, 2008, 2009). Анализировали максимальные амплитуды пиков спектров на частоте навязанного дыхательного ритма. Для оценки баланса активности симпатической/парасимпатической систем использовали показатель отношения мощности спектральных компонентов LF/HF, полученное на основе стандартных методик посредством Фурье-преобразования (Camm et al. 1996). Анализ параметров частотной области ВСР выполняли в программе Kubios HRV v. 2.0 (BSAMIG, University of Kuopio, Finland).

Статистический анализ результатов исследования выполняли при помощи пакета SigmaPlot11.0 (Systat Software, Inc., 2008). В связи с тем, что распределение значений некоторых выборок данных не являлось нормальным (критерий Шапиро-Уилка), для анализа достоверности различий использовали непараметрический однофакторный дисперсионный анализ для повторных измерений (критерий Фридмана), с последующим множественным попарным сравнением по методу Тьюки. Статистически значимыми считались различия при р<0.05.

3. Основные результаты исследования

Исследование вариабельности сердечного ритма в условиях контролируемого дыхания

Глубокое дыхание с навязываемой частотой в наших экспериментах оказывало значимое влияние на среднее значение RR-интервала и, соответственно, на ЧСС (табл. 1). Максимальное значение ЧСС наблюдалось при дыхании с частотой 0.25Гц. При этом ЧСС достоверно увеличивалось примерно на 20% по сравнению с ЧСС при спонтанном дыхании. Минимальные значения ЧСС наблюдались при частотах дыхания 0.07 и 0.05 Гц, где эти показатели достоверно снижались на 5% относительно спонтанного дыхания. Для режимов дыхания с частотами 0.16, 0.1 и 0.03 Гц достоверных отличий величин ЧСС по сравнению со спонтанным дыханием не выявлено.

Таблица 1. Показатели ЧСС при спонтанном и контролируемом дыхании (М ± m, n 29)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению со спонтанным дыханием (p < 0.05)

Усредненный спектр пневмограмм спонтанного дыхания характеризовался пологим пиком с широким основанием, что, очевидно, обусловлено индивидуальными вариациями частоты дыхания испытуемых. При контролируемом дыхании для всех используемых частот дыхательного ритма спектры пневмограмм были представлены единственным пиком с частотой, соответствующей частоте эталонного сигнала, что свидетельствует об успешном контроле частоты задаваемого профиля дыхания участниками исследования.

Спектры ВСР в условиях контролируемого дыхания отличались от спектров при спонтанном дыхании наличием доминирующих по амплитуде пиков на частоте, совпадающей с частотой пиков в спектрах пневмограмм и соответствующих задаваемой частоте дыхания.

При контролируемом дыхании амплитуда респираторно-связанного компонента амплитудных спектров ВСР была значительно выше соответствующей амплитуды при спонтанном дыхании, что очевидно обусловлено большей глубиной контролируемого дыхания. Этот вывод подтверждается исследованиями Hirsch & Bishop (1981) и Taylor et al. (2001), в которых показана прямая зависимость амплитуды РСА от величины дыхательного объема.

Рис. 1. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика амплитудного спектра ВСР в зависимости от частоты контролируемого дыхания (М ± m, n 29).

Амплитуда респираторно-связанного компонента в спектрах сигналов имела выраженную нелинейную зависимость (рис. 1) от частоты контролируемого дыхания, которая хорошо аппроксимируется log-нормальной кривой с максимумом на частоте 0.07-0.1 Гц (4-6 дыханий в минуту). Подобный характер частотной зависимости амплитуды респираторно-связанного отклика в спектрах сердечного ритма демонстрируют резонансно-подобные свойства с резонансной частотой в области 0.1 Гц. Продемонстрированная нами колоколообразная зависимость согласуется с результатами, полученными ранее другими исследователями (Angelone & Coulter, 1964; Taylor et al. 2001; Song & Lehrer, 2003; Vaschillo et al. 2006).

Исследование осцилляций кровотока в системе микроциркуляции кожи в условиях контролируемого дыхания

В условиях спонтанного дыхания ПМ в коже пальца достоверно выше по сравнению с предплечьем в 10.7 раз (табл. 2). При контролируемом дыхании усредненный ПМ кожи предплечья не обнаруживает достоверных изменений по сравнению со спонтанным дыханием. Перфузия ткани кровью на подушечке пальца достоверно снижается для частот дыхания 0.25 и 0.16 Гц на 16 и 24% соответственно по сравнению со спонтанным дыханием.

Таблица 2. ПМ при спонтанном и контролируемом дыхании (М ± m, n 29)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению со спонтанным дыханием (p < 0.05)

Спектры ЛДФ-грамм и средняя величина ПМ, в условиях спонтанного дыхания были различны для сигналов, зарегистрированных на коже пальца и предплечья. Для кровотока кожи пальца наиболее выражены осцилляции в диапазоне 0.02-0.07 Гц, а для кровотока кожи предплечья - в диапазоне 0.07-0.15 Гц. При естественном дыхании респираторно-зависимые колебания в обоих участках кожи выражены слабо. Для всех используемых режимов контролируемого дыхания на спектрах сигналов кровотока кожи и пальца и предплечья выражены пики, совпадающие с частотой пиков на спектрах пневмограмм и соответствующие заданной частоте дыхания, что дает основание считать их респираторно-обусловленными. При частотах дыхания 0.03, 0.05, 0.07 и 0.1 Гц респираторно-зависимые пики на спектрах ЛДФ-грамм доминировали по амплитуде.

Амплитуда респираторно-зависимых колебаний существенным образом зависела от частоты дыхания, причем зависимость имеет нелинейный характер (рис. 2). В обоих случаях наблюдается колоколообразный характер нарастания амплитуды в зависимости от частоты дыхательного ритма. Однако, частота дыхания, соответствующая максимальной амплитуде респираторно-зависимых колебаний различна. Для кровотока кожи пальца максимум соответствует частоте в области 0.05-0.07 Гц (рис. 2), в то время как для кровотока кожи предплечья максимум наблюдается на частоте 0.10 Гц (рис. 2).

Рис. 2. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика амплитудного спектра ПМ кожи предплечья и пальца в зависимости от частоты контролируемого дыхания (М ± m, n 29).

Для сравнительного анализа изменений респираторно-связанного компонента спектров ВСР и ЛДФ-грамм при контролируемом и спонтанном дыхании была проделана следующая процедура. На спектрах сигналов ВСР, кровотока кожи пальца и предплечья, зарегистрированных при спонтанном дыхании, были выделены значения амплитуд колебаний, соответствующие частотам контролируемого дыхания. Затем максимальные пиковые амплитуды при контролируемом дыхании были разделены на соответствующие значения при спонтанном дыхании. Полученные относительные изменения амплитуд респираторно-связанного компонента спектров ВСР и кровотока кожи представлены в таблице 3.

Таблица 3. Относительные изменения амплитуд респираторно-связанного компонента амплитудных спектров ВСР и кровотока кожи предплечья и пальца (М ± m, n 29)

Примечание: * - различия достоверны по сравнению к контролируемому дыханию с частотой 0.25 Гц, - к дыханию с частотой 0.16 Гц, - к дыханию с частотой 0.03 Гц (p < 0.05)

Сравнение амплитуд дыхательных колебаний кровотока кожи при контролируемом дыхании с таковыми при спонтанном дыхании показало, что увеличение амплитуды респираторно-зависимого пика в коже пальца и предплечья происходит пропорционально исходной амплитуде спектра. Таким образом, при контролируемом дыхании с фиксированной глубиной, увеличение амплитуды респираторно-зависимого пика в спектрах ЛДФ-грамм по отношению к амплитуде спектра при естественном дыхании на соответствующей частоте практически постоянно и не зависит от частоты дыхания. В этой связи гипотеза резонансного взаимодействия колебаний на уровне микроциркуляторного кровотока вызывает сомнения.

Как известно, формирование респираторно-зависимых колебаний в микроциркуляторном кровотоке обусловлено, по меньшей мере, двумя механизмами: дыхательной модуляцией венозного давления (механизм «дыхательного насоса») и посредством вазомоторных рефлексов, обусловленных респираторной модуляцией симпатической активности, в частности известный инспираторный дыхательный сосудистый ответ (Bolton et al. 1936; Khan et al. 1991; Macefield & Wallin, 1999; Mayrovitz & Groseclose, 2002; Mueck-Weymann &, Rauh, 2002). Очевидно, что в первом случае амплитудный эффект будет определяться глубиной дыхания. Это подтверждается исследованиями с использованием механической вентиляции легких. Увеличение объема вентиляции приводит к пропорциональному увеличению респираторно-зависимых колебаний давления крови и, как следствие, к увеличению амплитуды дыхательных колебаний в микроциркуляторном кровотоке (Michard 2005; Landsverk et al. 2007). Во втором случае инспираторный сосудистый ответ прямо пропорционально зависит как от дыхательного объема, так и от скорости воздушного потока при вдохе (Wilder-Smith et al. 2005).

Выявленное нами пропорциональное увеличение амплитуды дыхательных колебаний кровотока по отношению к исходному «фоновому» уровню колебаний позволяет предположить, что дыхательные колебания в микроциркуляторном кровотоке преимущественно формируются за счет динамики аретриального давления и в большей степени определяются глубиной дыхания. С другой стороны, в наших экспериментах глубина дыхания оставалась постоянной при всех частотах контролируемого дыхания, однако скорость нарастания фаз вдоха и выдоха менялась в зависимости от частоты дыхательного ритма (увеличивалась с увеличением частоты дыхания). В этой связи можно предположить, что при относительно высокой частоте дыхания (0.25 и, возможно, при 0.16 Гц) могут проявляться вазоконстрикторные эффекты, способствующие увеличению респираторно-зависимых колебаний. Однако при указанных частотах дыхания амплитуда респираторно-обусловленных колебаний оказывается значительно ниже по сравнению с более низкими частотами дыхания. Это может быть объяснено за счет общей периферической вазоконстрикции, вызванной описанными выше гипокапническими эффектами, которая таким образом снижает выраженность инспираторного сосудистого ответа.

Влияние глубины контролируемого дыхания на осцилляции кровотока в системе микроциркуляции кожи

Известно, что амплитуда РСА зависит не только от частоты дыхательного ритма, но и от величины дыхательного объема (Hirsch & Bishop, 1981; Kobayashi, 1998). Однако, данные зависимости амплитуды респираторно-связанных колебаний кровотока кожи от величины дыхательного объема в доступной нам литературе отсутствуют. В этой связи нами проведены эксперименты по исследованию влияния глубины контролируемого дыхания на осцилляции кожного кровотока при различной частоте дыхательного ритма. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика спектра ПМ кожи предплечья и пальца в зависимости от глубины контролируемого дыхания при частоте дыхательного ритма 0.1 и 0.25 Гц (М ± m, n 25). - достоверные различия по сравнению с глубиной дыхания уровня 10% от макс. (p < 0.05).

Достоверные различия максимальных амплитуд дыхательных колебаний в спектрах ЛДФ-грамм в зависимости от глубины дыхания обнаружены для кровотока кожи предплечья. При частоте дыхания 0.25 Гц, что соответствует частоте спонтанного дыхательного ритма, амплитуда колебаний линейно нарастает пропорционально увеличению глубины дыхания. При глубине дыхания, соответствующей 40% от индивидуального максимума, амплитуда дыхательных колебаний возрастала приблизительно в 2.1 раза по отношению к величине соответствующей 10%. При частоте дыхания 0.1 Гц (соответствовало максимуму амплитуды для РСА) амплитуда респираторно-зависимых колебаний характеризовалась колоколообразной динамикой: наибольшая амплитуда соответствовала глубине дыхания в диапазоне 20-30% от индивидуального максимума, при этом амплитуда увеличилась примерно в 1.3 раза по отношению к величине соответствующей 10%. Для кровотока кожи пальца достоверных изменений амплитуды дыхательных колебаний не выявлено.

Таким образом, зависимость амплитуды дыхательных колебаний микроциркуляторного кровотока кожи от глубины дыхания носит более сложный характер, чем для амплитуды РСА. В этом случае важную роль, предположительно, играют локальные особенности иннервации сосудов. В то же время, для кожного кровотока эффект частоты дыхания, очевидно, так же как и для РСА, практически не зависит от глубины дыхания. В условиях наших экспериментов при всех значениях глубины дыхания сохраняется достоверная разница в амплитуде дыхательных колебаний для различных частот дыхательного ритма.

Кислородная сатурация крови при контролируемом дыхании

Для оценки возможных эффектов влияния контролируемого дыхания на оксигенацию крови осуществлялся контроль кислородной сатурации крови (SpO₂). Усредненные за время регистрации данные SpO₂ для различных частот дыхательного ритма представлены в табл. 4. При частотах дыхательного ритма 0.1, 0.16 и 0.25 Гц величина SpO₂ достоверно увеличивалась по сравнению с дыханием с частотами 0.03, 0.05 и 0.07 Гц. При этом уровень кислородной сатурации крови был достоверно выше и по сравнению со спонтанным дыханием. При частотах дыхания 0.03, 0.05 и 0.07 Гц величина SpO₂ значимо не отличалась от таковой при спонтанном дыхании.

Таблица 4. Кислородная сатурация крови (SpO₂) при спонтанном и контролируемом дыхании (М ± m, n 29)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению со спонтанным дыханием (p < 0.05)

В работах с контролируемым по частоте дыханием (Cooke et al. 1998; Taylor et al. 2001, Pinna et al. 2006) было показано, что частота дыхания значимо не влияет на усредненную ЧСС, которая остается практически постоянной в широком диапазоне частот дыхания. Однако, в наших условиях, изменение частоты дыхания вызывает достоверные изменения усредненной ЧСС (табл. 1). Так, при дыхании с частотой 0.05 и 0.07 Гц ЧСС оказывается достоверно ниже на 4 уд/мин (5%), а при частоте дыхания 0.25 Гц достоверно выше на 15 уд/мин (20%) по сравнению с ЧСС при спонтанном дыхании. Столь значительное увеличение ЧСС сопровождается зарегистрированным в этих условиях повышением сатурации крови кислородом (98.8% против 97.3%) (табл. 4). Достоверное увеличение уровня кислородной сатурации крови по сравнению со спонтанным дыханием также наблюдается и при частотах дыхания 0.1 и 0.16 Гц (98.5 и 98.8% соответственно). Однако при снижении частоты контролируемого дыхания с 0.25 до 0.16 Гц, ЧСС снижается до величины спонтанного дыхания (табл.1). В то же время перфузия кровью кожи пальца при контролируемом дыхании с частотой 0.25 Гц снижается на 18%, а при дыхании с частотой 0.16 Гц - на 24%, по сравнению с естественным дыханием. При этом в коже предплечья ПМ при контролируемом дыхании, напротив, достоверно не отличается от такового при спонтанном дыхании. Мы предполагаем, что обнаруженные особенности реакции со стороны ЧСС и периферического кровотока при частоте глубокого контролируемого дыхания 0.25 Гц, и, возможно, при более низких частотах, обусловлены гипокапническим эффектом гипервентиляции. Сочетание относительно высокой частоты дыхания и большой величины дыхательного объема (40% от максимальной экскурсии грудной клетки), очевидно, приводит к гипервентиляции. В результате увеличения дыхательного объема происходит снижение концентрации выдыхаемого СО₂, и увеличение кислородной сатурации (Bernardi et al. 1998, 2001; Badra et al. 2001; Pinna et al. 2006). Подтверждением этому в наших условиях является достоверное увеличение величины SpO₂. Увеличение концентрации О₂ в крови при произвольной гипервентиляции сопровождается гипокапнией, которая оказывает на сердечно-сосудистую систему более значимые физиологические эффекты, чем гипероксия. Снижение концентрации СО₂ и развивающийся алкалоз оказывают прямое и опосредованное влияние на сердце (тахикардия) и сосудистую систему (снижение артериального давления, скорости кровотока и увеличение общего периферического сопротивления) (Onrot et al. 1991; Pinna et al. 2006; Thijs et al. 2008). Таким образом, продемонстрированное нами изменение ЧСС и снижение скорости кровотока в коже может быть обусловлено указанными эффектами гипокапнии вследствие гипервентиляции.

Исследование зависимости амплитуды РСА и респираторно-связанных колебаний кровотока кожи от соотношения активности отделов автономной нервной системы испытуемых

Для исследования влияния симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы испытуемых на амплитуду РСА и респираторно-зависимых колебаний скорости кровотока кожи при контролируемом дыхании исходная группа испытуемых исследования были разделена на две группы. Формальным критерием разделения служила медиана отношения LF/HF при спонтанном ритме дыхания (Ме 0.997). В первую группу (15 человек) были отнесены испытуемые с условно низкими значениями LF/HF ( 0.997), во вторую группу (14 человек) - испытуемые с условно высокими значениями LF/HF ( 0.997). Таким образом, испытуемые 1-й группы с низкими значениями LF/HF характеризовались формально высоким парасимпатическим, а испытуемые 2-й группы с высокими значениями LF/HF - формально высоким симпатическим тонусом (табл. 5).

Таблица 5. Параметры испытуемых в группах (М ± m)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению с группой I (p < 0.05)

На рисунке 4 представлены результаты для амплитуды РСА в зависимости от соотношения активности отделов автономной нервной системы испытуемых. Достоверные различия в амплитуде РСА по группам проявляются при частотах контролируемого дыхания 0.03, 0.05 и 0.07 Гц. В этих случаях для группы испытуемых с низкими значениями LF/HF («условная» ваготония) наблюдаются достоверно более высокие значения амплитуды дыхательных колебаний, что может свидетельствовать о преимуществе вагусной активности в формировании РСА при частотах дыхательного ритма ниже 0.1 Гц. В группе «условных» симпатотоников более низкие значения РСА могут отражать антагонистические влияния симпатической нервной системы по отношению к парасимпатической. Наличие контроля РСА со стороны симпатического отдела автономной нервной системы подтверждается исследованиями Taylor et al. (2001).

Для периферического кровотока (рис. 5) амплитудно-частотные особенности респираторно-связанных колебаний определяются локальными особенностями сосудистой регуляции. Так, для микроциркуляторного кровотока кожи пальца при частоте дыхания 0.05 и 0.07 Гц амплитуда дыхательных колебаний, также как и для ВСР, достоверно выше у испытуемых с низкими значениями LF/HF (рис. 5). Однако при дыхании с частотой 0.25 Гц дыхательная волна, напротив, оказывается достоверно выше у испытуемых с высокими значениями LF/HF.

Рис. 4. Максимальные амплитуды респираторно-связанного компонента амплитудного спектра ВСР в зависимости от частоты контролируемого дыхания в группах испытуемых с различной преобладающей активностью отделов автономной нервной системы (М ± m). Символом * указаны достоверные различия между группами (p < 0.05).

Кроме того, обращает на себя внимание и различный характер зависимости амплитуды дыхательных колебаний кровотока от частоты дыхания. Для группы испытуемых с низкими значениями LF/HF характерна колоколообразная зависимость с максимумом в районе 0.05-0.07 Гц. Для испытуемых с высокими значениями LF/HF амплитуда дыхательных колебаний кровотока в зависимости от частоты дыхания практически не меняется, за исключением частоты 0.25 Гц, где она достоверно снижена. В микроциркуляторном кровотоке кожи предплечья достоверных различий в выраженности дыхательных осцилляций кровотока у исследуемых групп испытуемых не выявлено (рис. 5).

Учитывая специфику иннервации микрососудов кожи пальца и предплечья, указанные особенности формирования дыхательных осцилляций в микроциркуляторном кровотоке, в отличие от ВСР, будут определяться преимущественно симпатической нервной системой. Как известно, для микрососудов кожи акральных зон конечностей характерен больший симпатический тонус по сравнению с проксимальными отделами конечности (Mьck-Weymann 1996; Крупаткин А.И., Сидоров В.В., 2005).

Рис. 5. Максимальные амплитуды респираторно-связанного компонента спектра ПМ кожи пальца и предплечья в зависимости от частоты контролируемого дыхания в группах испытуемых с различной преобладающей активностью отделов автономной нервной системы (М ± m). Символом * указаны достоверные различия между группами (p < 0.05).

Для кровотока кожи предплечья достоверная разница отсутствует в связи с относительно слабой симпатической иннервацией, и здесь преимущественную роль играют пассивные механизмы передачи дыхательной волны (гидростатические механизмы распространения волн давления). Для кровотока кожи пальца существенную роль помимо пассивных механизмов играет нейрогенный компонент регуляции. Различия, наблюдаемые в группах с различными значениями LF/HF, в этом случае, по-видимому, отражают различную выраженность симпатического тонуса. В группе с высокими значениями LF/HF сильнее выражены вазоконстрикторные дыхательно-модулированные влияния со стороны симпатической нервной системы, которые, очевидно, в большей степени определяются не частотой, а глубиной дыхания. Поэтому амплитуда дыхательных осцилляций кровотока практически не зависит от частоты дыхания. Для испытуемых в группе с низкими значениями LF/HF симпатический тонус выражен в меньшей степени и не маскирует частотную зависимость, обусловленную пассивными механизмами передачи дыхательной волны.

Таким образом, в результате проведенного исследования продемонстрировано различие механизмов формирования дыхательных колебаний на уровне вариабельности сердечного ритма и микроциркуляторного кровотока. Респираторно-зависимые осцилляции сердечного ритма формируются предположительно на основе резонансного взаимодействия механизмов контроля ЧСС и артериального давления, что отражается в специфике зависимости амплитуды РСА от частоты дыхания. Формирование респираторно-зависимых колебаний в кровотоке кожи обусловлено нерезонансными механизмами, преимущественно респираторной модуляции артериального и венозного давления. Кроме того, для дыхательных колебаний периферического кровотока значимую роль играют вазомоторные рефлексы, контролируемые симпатическим отделом автономной нервной системы.

дыхание кровоток респираторный микроциркуляция

Выводы

1. Показано, что в условиях контролируемого дыхания зависимость амплитуды дыхательной модуляции сердечного ритма от частоты дыхания имеет колоколообразный характер с максимумом в диапазоне 0.07-0.1 Гц и демонстрирует резонансные свойства.

2. Выявлено, что при контролируемом дыхании с фиксированной глубиной отношение амплитуды респираторно-зависимых колебаний кровотока кожи к амплитуде колебаний кровотока на соответствующей частоте при спонтанном дыхании постоянно и не зависит от частоты дыхания. Это указывает на то, что в формировании дыхательных колебаний кровотока кожи отсутствуют резонансные механизмы.

3. Показано влияние автономной нервной системы на выраженность дыхательной модуляции сердечного ритма. В группе испытуемых с преобладанием активности парасимпатического отдела автономной нервной системы при частоте дыхательного ритма в диапазоне 0.03-0.07 Гц амплитуда дыхательной модуляции сердечного ритма выше, чем в группе испытуемых с преобладанием симпатической активности.

4. Выявлено, что выраженность респираторно-зависимых колебаний микроциркуляторного кровотока кожи зависит от локальных особенностей симпатической иннервации сосудов и активности отделов автономной нервной системы. Для кровотока кожи пальца, характеризующегося высокой плотностью симпатической иннервации, амплитуда дыхательных колебаний при частоте дыхания 0.05 и 0.07 Гц выше у лиц с преобладанием активности парасимпатического отдела автономной нервной системы. Для кровотока кожи предплечья, характеризующегося низкой плотностью симпатической иннервации, не выявлено различий в амплитуде дыхательных колебаний кровотока в зависимости от преобладающей активности отделов автономной нервной системы.

Основные положения диссертации опубликованы в изданиях

I. Рекомендованных ВАК РФ:

1. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Пискунова Г.М., Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Резонансно-подобное взаимодействие колебаний кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека при контролируемом дыхании // Вестник новых медицинских технологий. -2010. -Т.ХVII. -№4. -С.15-17.

2. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Спектры девиации частоты сердечных сокращений человека при контролируемом дыхании // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. -2011. -№2(38). -С. 64-70.

3. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Формирование респираторно-зависимых колебаний скорости кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека в условиях контролируемого дыхания // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. -2011. -№3(39). -С.31-37.

II. В других изданиях:

1. Кирилина, Т.В., Тюрина, М.Й., Красников, Г.В. Синхронизация колебаний кровотока как показатель баланса центральных и локальных механизмов регуляции в системе микроциркуляции кожи человека // Введение инновационных технологий в деятельность университета: Материалы XXXV научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ТГПУ им. Л.Н. Толстого: В 2 ч. - Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л.Н. Толстого, 2008. - Ч.1. -С.241-243.

2. Тюрина М.Й. Эффекты управляемого дыхания на уровне системы микроциркуляции в коже человека // Исследовательский потенциал молодых ученых: взгляд в будущее: Сборник материалов VI региональной научно-практической конференции аспирантов, соискателей и молодых ученых. - Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та им. Л.Н. Толстого, 2010. -С. 363-365.

3. Тюрина М.Й., Красников Г.В. Респираторно-зависимые колебания микроциркуляторного кровотока кожи человека при произвольном дыхании // Биология - наука XXI века: Сборник тезисов 14-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых в 2-х томах. - Пущино: М. типография «ИП Скороходов В.А.», 2010. -Т.1. -С. 186.

4. Алексеев В.С., Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Частотно-зависимые эффекты произвольного дыхания на уровне микроциркуляторного кровотока кожи и регуляции ритма сердца у человека // Тезисы докладов XXI Съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. -М. -Калуга: Изд-во «БЭСТ-принт», 2010. -С.19.

5. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Резонансное взаимодействие колебаний кровотока в системе микроциркуляции кожи у человека при управляемом дыхании // Тезисы докладов XXI Съезда физиологического общества им. И.П. Павлова. -М. -Калуга: Изд-во «БЭСТ-принт», 2010. -С. 627-628.

6. Красников Г.В., Пискунова Г.М., Танканаг А.В., Тюрина М.Й., Чемерис Н.К. Резонансное взаимодействие респираторно-зависимых и спонтанных осцилляций кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека при контролируемом дыхании // Медицинская физика - 2010: Сборник материалов III Евразийского конгресса по медицинской физике и инженерии. -Москва, типография МГУ, -2010.-С.271-273.

7. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Исследование влияния контролируемого дыхания на частоту сердечных сокращений человека // Здоровье в XXI веке: Материалы международной конференции. -Тула: Изд-во «Тульский полиграфист», -2010. -С. 180-181

8. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А.В., Пискунова Г.М., Чемерис Н.К. Амплитудно-частотный анализ респираторно-зависимых осцилляций микроциркуляторного кровотока кожи человека при управляемом дыхании // Здоровье в XXI веке: Материалы международной конференции. -Тула: Изд-во «Тульский полиграфист», -2010. -С. 178-179.

9. Красников Г.В., Тюрина М.Й., Пискунова Г.М., Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Частотно-зависимые эффекты управляемого дыхания на уровне микроциркуляторного кровотока кожи у человека // Материалы VIII международной конференции «Системное кровообращение, микроциркуляция и гемореология (от ангиогенеза до центрального кровообращения)», 10-14 июня 2011 г., г. Ярославль, -С. 182.

10. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Пискунова Г.М., Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Влияние управляемого дыхания на вариабельность сердечного ритма человека // Материалы VIII международной конференции «Системное кровообращение, микроциркуляция и гемореология (от ангиогенеза до центрального кровообращения)», 10-14 июня 2011 г., г. Ярославль, -С. 199.

11. Тюрина М.Й., Красников Г.В., Танканаг А. В., Пискунова Г. М., Чемерис Н. К. Влияние вегетативного статуса испытуемых на амплитуду респираторно-связанных колебаний кровотока кожи в условиях контролируемого дыхания // Биология - наука XXI века: Сборник тезисов 16-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученых. -Пущино, -2012. -С. 448.

Размещено на Allbest.ru