В процессе приспособления организма человека к факторам внутренней и внешней среды идет постоянный процесс саморегуляции, направленный на поддержание основных физиологических констант. При этом для многих биологических объектов характерно «хаотическое» поведение, ситуации неопределенности как результат поиска состояния уравновешивания с окружающей средой. В связи с этим в последнее время нарастает интерес исследователей к нелинейным математическим методам анализа, проводимым в рамках так называемой «теории детерминированного хаоса».
Целью исследования явилось изучение процессов вегетативной регуляции кардиоритма на основе линейных и нелинейных показателей при состояниях, характеризующихся нервно-эмоциональными нагрузками. Для этого использовались элементы теста РДО – реакция на движущийся объект.
Материалы и методы
В сеансах РДО длительностью 25 минут приняли участие 40 юношей в возрасте 18-21 год. В течение теста записывалась кардиоинтервалограмма, по которой рассчитывались линейные (спектральные) [1] и нелинейные показатели: корреляционная размерность (D2) и корреляционная энтропия (К2) [4], показатели скаттерограммы - SD1, SD2, SD1/SD2 [5], энтропийные характеристики матрицы вероятности переходов кардиоинтервалов [2].
Так как показатель корреляционной размерности D2 имел достаточно большую вариабельность в пределах выборки, предварительно, до проведения теста, на основе кластерного анализа среди всех обследованных были выделены три группы. Средние значения корреляционной размерности и корреляционной энтропии приведены в таблице 1.
Таблица 1
Нелинейные показатели сердечного ритма
| Показатель | 1 группа (n = 16) | 2 группа (n = 13) | 3 группа (n = 11) |
| D2 | 5,215±0,105 | 6,196±0,080* | 4,396±0,208* |
| К2 | 3,209±0,122 | 3,217±0,077 | 3,050±0,167 |
* - достоверные отличия по сравнению с предыдущим кластером (р<0,05)
Результаты и их обсуждение
Во всех трех исследованных группах в сеансах работы условно были выделены два этапа: в течение первого этапа (Р1) количество ошибок возрастало (фаза врабатывания), в течение второго (Р2) – снижалось (фаза стабильной работоспособности).
Изменения линейных характеристик сердечного ритма в течение теста анализировались по спектральной характеристике кардиоинтервалограммы – процентному содержанию высоко- и низкочастотных составляющих – HF%, LF%, VLF%. Как видно из рис. 1, в исходном состоянии (ИС) в спектре КИГ лиц первой и второй групп выраженность волн диапазона HF% и LF% примерно одинакова, т.е. наблюдался баланс в активности симпатического (СНС) и парасимпатического (ПСНС) отделов ВНС. В третьей группе этот баланс сдвинут в сторону ПСНС, на что указывает максимум в области высокочастотных волн HF%.
На первом этапе (Р1) проведения теста РДО происходила перестройка структурно-функциональной организации процессов регуляции сердечного ритма. Если судить по спектральным характеристикам, то можно отметить снижение процентного содержания высокочастотной составляющей HF% и увеличение процентного содержания низкочастотной составляющей LF% у лиц первой и второй групп. В третьей группе снижение показателя HF% сопровождалось достоверным увеличением процентного содержания VLF% - очень медленных волн. Эти изменения показывают, что на первом этапе теста РДО происходил сдвиг вегетативного баланса в сторону симпатического отдела ВНС как результат снижения активности ПСНС и повышения активности СНС. Фаза врабатывания характеризовалась напряжением в системе регуляции сердечного ритма, которое более выражено в третьей группе, поскольку в процесс регуляции включаются высшие вегетативные центры, что выразилось в виде увеличения показателя VLF% спектра КИГ.
.
ИС – исходное состояние, Р1 – первый этап теста РДО, Р2-второй этап теста РДО
Рис. 1. Изменения спектральной характеристики СР в течение теста РДО
На втором этапе (Р2) теста происходил дальнейший сдвиг вегетативного баланса, однако преимущественно за счет снижения активности парасимпатического отдела. Как видно из рис. 1, в фазе стабильной работоспособности мощность LF% во всех трех группах не изменялась, а достоверно уменьшалось процентное содержание высокочастотного компонента спектра (HF%). При этом у лиц третьей группы наблюдалось дальнейшее увеличение показателя VLF%.
Таким образом, спектральные характеристики кардиоинтервалограммы показывают, что общая тенденция при прохождении всех этапов теста РДО - исходного состояния покоя и двух этапов слежения – выражается в последовательном смещении вегетативного баланса в сторону СНС за счет изменений в обоих отделах на первом этапе и преимущественно за счет снижения тонуса ПСНС – на втором этапе.
В матрицах вероятностей взаимных переходов были выявлены достоверные изменения энтропии диагонали H(D) на первом этапе проведенного теста, что привело к снижению энтропии всей матрицы H(М). На втором этапе тестирования, по сравнению с предыдущим, энтропийные показатели существенных изменений не претерпевали (таблица 2).
Таблица 2
Изменения энтропийных показателей в течение теста РДО
| Показатель | N | Сравнение исходного состояния с первым этапом РДО | Сравнение первого и второго этапов РДО | ||
| Z | p-уровень | Z | p-уровень | ||
| H(M) | 40 | 2,131 | 0,033* | 0,064 | 0,948 |
| H(D) | 40 | 2,823 | 0,004* | 0,464 | 0,642 |
| H(T) | 40 | 1,514 | 0,129 | 0,746 | 0,455 |
| H(E) | 40 | 1,103 | 0,269 | 0,821 | 0,411 |
| H(M/D) | 40 | 1,954 | 0,050* | 1,104 | 0,269 |
| H(T/E) | 40 | 0,284 | 0,776 | 0,068 | 0,945 |
| SD1 | 40 | 4,335 | 0,000* | 0,097 | 0,922 |
| SD2 | 40 | 2,929 | 0,003* | 0,227 | 0,820 |
| SD1/SD2 | 40 | 4,2705 | 0,000* | 1,113 | 0,265 |
* - достоверные различия зависимых выборок (p<0,05)
Приведенные в таблице данные отражают изменения по обследованной группе в целом. При выяснении индивидуальных особенностей по каждой из групп оказалось, что они наиболее характерны для первой группы, поскольку во второй и третьей группах достоверных отличий на различных этапах теста не выявлялось вовсе.
Наличие таких особенностей нелинейной динамики демонстрируют показатели скаттерограммы. На рис. 2 представлена скаттерограмма обследованного из первой группы. На первом этапе РДО произошло небольшое смещение «облака» в область более коротких кардиоритмов, на втором этапе значительных изменений не наблюдалось, отношение SD1/SD2 сохранилось на прежнем уровне.
.
ИС – исходное состояние, Р1 – первый этап теста РДО, Р2-второй этап теста РДО
Рис. 2. Скаттерограмма обследованного из первой группы
Во второй группе, где в исходном состоянии отношение SD1/SD2 имело самые низкие значения, кривая динамики имела сходство с динамикой совершаемых ошибок. На первом этапе показатель возрастал (рис. 3), это произошло за счет возрастания стандартного отклонения SD1 и снижения стандартного отклонения SD2.
Графически такие изменения отображаются в виде преобразования «облака» скаттерограммы из «торпедовидной» в «шарообразную» форму. То есть более быстрые изменения кардиоритма превосходят по интенсивности низкочастотные модуляции.
.
ИС – исходное состояние, Р1 – первый этап теста РДО, Р2-второй этап теста РДО
Рис. 3. Скаттерограмма обследованного из второй группы
На втором этапе, в период стабильной работоспособности, когда количество совершаемых ошибок уменьшалось, наблюдалась тенденция к снижению SD1/SD2.
В третьей группе в состоянии покоя наблюдались самые высокие значения SD1/SD2. У лиц данной группы, в отличие от предыдущих, происходило снижение этого показателя в течение всего сеанса РДО. Как видно из скаттерограмм на рис. 4, «шарообразная» форма в исходном состоянии «вытягивалась» вдоль биссектрисы на втором этапе теста.
.
ИС – исходное состояние, Р1 – первый этап теста РДО, Р2 – второй этап теста РДО
Рис. 4. Скаттерограмма обследованного из третьей группы
Особенности динамики корреляционной размерности заключались в следующем. В первой группе на этапе врабатывания происходило увеличение среднего значения показателя D2 с4,989±0,081 до 6,272±0,173 и недостоверное снижение на этапе оптимальной работоспособности до 5,774±0,216. Во второй группе изменения выявлены только на этапе Р2 - произошло снижение исследуемого показателя с 6,151±0,185 до 5,983±0,179. В третьей группе наблюдалось повышение D2 с 4,346±0,199 до 5,687±0,525 и последующее снижение сложности в организации сердечного ритма.
Корреляционная энтропия (K2) имела иную динамику. В первой группе этот показатель возрастал в фазе врабатывания и снижался в фазе стабильной работоспособности. Во второй группе происходило лишь снижение энтропии на втором этапе РДО, а в третьей группе K2 достоверных изменений не претерпевал.
Таким образом, применение элементов операторского слежения позволило отслеживать процессы регуляции сердечного ритма при состоянии нервно-эмоционального напряжения. Подобно тому, как периодические изменения СР наблюдаются в низко- и высокочастотном диапазонах, в нерегулярной динамике можно выделить колебания на коротких (микроинтервалах) и длительных (макроинтервалах) временных отрезках. Изменения СР на микроинтервалах времени отражаются на структуре матрицы взаимных переходов кардиоритмов и характеризуются ее энтропийными показателями. Также они могут быть описаны на основе анализа показателя SD1 скаттерограммы. В течение всего теста РДО наблюдалось повышение активности симпатического и снижение активности парасимпатического отдела ВНС. Эти влияния привели к изменению всей последовательности R-R-интервалов. Так, увеличение энтропии диагонали матрицы H(D) и снижение стандартного отклонения SD1 указывают на стабилизацию ритма в микроинтервалах времени.
Нелинейные показатели являются количественным выражением «хаотичности» динамики сердечного ритма и в отличие от линейных спектральных характеристик выявляют особенности регуляции СР на каждом из этапов проведенного теста. Так, наблюдались изменения сложности динамики СР, которая оценивалась по корреляционной размерности и имела индивидуальные особенности в каждой из исследуемых групп. Если в исходном состоянии управляемый орган, в данном случае синусовый узел, имеет недостаточное число степеней свободы, то в ответ на функциональную нагрузку регуляция со стороны вегетативной нервной системы направлена на увеличение вариативности сердечного ритма. В последующем происходит выход на «рабочий» уровень напряжения симпатической нервной системы, и ритм становится более регулярным (первая и третья группы). В случае, если корреляционная размерность до проведения теста была высокой (лица второй группы), переходной этап проходил без существенных изменений с последующим упорядочением последовательности R-R-интервалов на этапе «стабильной работоспособности».
Полученные данные позволяют сделать некоторые предположения относительно механизмов, приводящих к нерегулярной динамике сердечного ритма. Известно, что структура регуляции сердечного ритма достаточно сложна, в нее помимо сегментарных отделов ВНС вовлечены целый ряд мозговых образований – эрготропные и трофотропные центры, осуществляющие специализированные и интегративные функции и, возможно, имеющие отношение к выработке VLF-колебаний сердечного ритма [6]. Учитывая повышение мощности VLF% на протяжении теста, можно предположить, что в третьей группе перестройки в динамике СР связаны с активностью как эрготропной, так и трофотропной надсегментарной системами, соотношение между которыми определяет различную нелинейную динамику сердечного ритма при переходе от одного этапа РДО к другому.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин В.В. [и др.]. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных кардиографических систем (методические рекомендации) / Вестник аритмологии. – 2001. – №24. – С. 65 – 87.
2. Зингерман А.М., Константинов М.А., Логвинов В.С., Меницкий Д.Н., Ващилло Е.Г. Энтропийно-статистические, спектральные, условно-вероятностные и детерминированные характеристики сердечного ритма в различных функциональных состояниях человека // Успехи физиологических наук. – Т. 19. – 1988. – №1. – С. 1 – 19.
3. Заболевания вегетативной нервной системы [текст] / А.М. Вейн, Т.Г. Вознесенская, В.Л. Голубев [и др.]. – М.: Медицина, 1991. – 624 с.
4. Grassberger P., Procaccia I., Characterization of strange attractors // Physical Review Letters, 1983. – V. 50. – P. 346 – 349.
5. Brennan M., Palaniswami M., Kamen P. Do Existing Measures of Poincaré Plot Geometry Reflect Nonlinear Features of Heart Rate Variability? // IEEE transactions on biomedical engineering. – 2001. – V. 48, № 11. – P. 1342 – 1347.