Человек редко пребывает в термонейтральной среде - на него в каждый данный момент действует либо охлаждение, либо согревание. Для неодетого человека термонейтральные условия составляют ~ 28 °С, а для легко одетого (офисный костюм, 1 CLO) - ~ 21-22 °С [9]. За пределами этой температуры возникают физиологические реакции, которые поддерживают тепловой баланс человека. Человек получает холодовую нагрузку обычно вне дома и работы, в холодный сезон (зима, частично осень и весна). Наиболее экстремальным видом холодового влияния является зимнее плавание (холодовая иммерсия), когда человек погружается в воду при температуре, близкой к точке замерзания. Также, в последнее время получает популярность такой вид лечебно-косметической процедуры, как криосауна (WBC, whole body cryotherapy) [15]. Чутким индикатором длительных и острых сенсорных воздействий является двигательная система и ее двигательные единицы (ДЕ).
Двигательная система, попадая под влияние холода, неизбежно адаптируется к нему [7]. В соответствии с недавно предложенной парадигмой об однонаправленности действия гравитации/невесомости и некоторых других сенсорных модальностей (холод, согревание, гипоксия) в онтогенезе человека [2, 3] было бы интересно исследовать изменения нейромышечного статуса в ответ на экстремально сильное острое и хроническое действие холода на организм человека, каким является зимнее плавание в холодной воде. Это могло бы стать частью профилактических мероприятий в практике космических полетов [10].
В этой связи цель настоящего исследования заключалась в том, чтобы на основе электромиографических параметров, в том числе и новых нелинейных параметров на основе фрактального анализа [11, 14], дать описание нейромышечного статуса у любителей зимнего плавания в течение всего года, начале и конце сезона зимнего плавания, а также при остром погружении в ледяную воду.
Материалы и методы исследования
Проведено 3 серии исследований с двумя группами испытуемых:
1) любителей зимнего плавания (далее - «моржей»);
2) «не-моржей».
В первом исследовании проведено сравнение параметров интерференционной электромиограммы (иЭМГ) и двигательных единиц (ДЕ) в группах «не-моржей» (М0) и «моржей» до начала сезона зимнего плавания в конце лета (конец августа 2012 г., М1А), осенью (октябрь-декабрь 2010 г., М1Б) в лабораторных условиях. Второе исследование заключалась в сравнении параметров иЭМГ в конце сезона зимнего плавания до погружения в ледяную воду (М2) и сразу после выхода из нее (М3).
Исследовано 13 здоровых любителей спортивного зимнего плавания (КРО общероссийской общественной организации «Федерация закаливания и спортивного зимнего плавания» (клуб «Виктория», г. Петрозаводск, наб. Варкауса, предс. И.Н.Жолудева, 7 мужчин и 6 женщин). Средний стаж занятий зимним плаванием составил 4,4 года (1-12 лет), среднее время экспозиции в воде в неделю ~5 мин (2-15 мин). Среди испытуемых 2 мастера спорта, чемпион России по зимнему плаванию, 2 разрядника по разным видам спорта. Все испытуемые некурящие, не страдают неврологическими заболеваниями.
В контрольную группу отобрано 14 человек («не-моржи», 5 мужчин и 9 женщин). Обе группы примерно одинаковы по возрасту, полу и антропометрическим данным. У испытуемых собиралось информированное согласие на участие в исследовании. Исследование групп М1Б и М0 проведено примерно в одно время года (с 21 октября по 21 декабря 2010 г.), группы М1А - 15-25 августа 2012 г. в условиях лаборатории на базе кафедры физиологии человека и животных ПетрГУ. Группа «моржей» также была обследована на берегу Онежского озера, в обогреваемом здании (М2) в марте-апреле 2011 года при температуре воздуха в здании клуба 24-25 °С. Группу М3 сформировали те же испытуемые сразу после иммерсии в холодной воде. Температура воды составила 1-4 °С, температура воздуха в марте 2011 г. составила -6-2 °С, в апреле от -1 до +10 °С. Время иммерсии (погружения) - 60-80 с. Испытуемые также получали дополнительную холодовую экспозицию примерно 2-3 мин при подходе к проруби и выходе из нее. Измеряли средневзвешенную температуру кожи (СВТК) по методу Раманатана [13] до и после погружения в холодную воду:
СВТК = 0,3Т1 + 0,2Т2 + 0,3Т3 + 0,2Т4,
где Т1 - температура кожи под ключицей, Т2 - передней поверхности плеча, Т3 - передней поверхности бедра, Т4 - задней поверхности голени.
Поверхностную иЭМГ регистрировали с двуглавой м. плеча (m. biceps br.) справа, в позе стоя, плечо было опущено вниз, предплечье удерживалось в положении локтевого сгибания. Запись иЭМГ делали при нагрузках 0 (без нагрузки), 1, 2 и 3 кг. Использовали электромиограф Нейро-МВП-8 c программной средой «Нейрософт» (ООО «Нейрософт», г. Иваново, Россия). Отводящие электроды укрепляли лейкопластырем над основной массой мышцы. Кожу предварительно обрабатывали абразивной пастой и 70 %-м этанолом, на электрод наносили электродный гель. Полоса пропускания ЭМГ составила 50-500 Гц. Регистрировали отрезки ЭМГ длительностью 1 с. Аппарат Нейро-МВП-8 позволяет получать такие линейные параметры, как среднюю амплитуду (А, мкВ) и среднюю частоту (MNF, Гц) иЭМГ. Нами также применена программа FRACTAN 4.4 © для характеристики аттрактора иЭМГ, который описывается несколькими нелинейными параметрами: фрактальной размерностью (D), корреляционной размерностью (Dc) и корреляционной энтропией (К2) и [3]. Также регистрировали параметры импульсации двигательных единиц (ДЕ) трехглавой мышцы плеча (m. triceps br.) билатерально по методу, примененному нами ранее [4]. Испытуемых просили напрягать мышцу до появления спонтанно импульсирующих ДЕ. Анализировали до 70-100 межимпульсных интервалов, рассчитывали средний межимпульсный интервал (МИИ, мс), среднюю частоту импульсации (f, имп/с), вариабельность (среднеквадратическое отклонение от среднего межимпульсного интервала). Таким образом, всего для характеристики нейромышечного статуса учитывалось 7 электромиографических параметров. Статистический анализ проведен в программной среде SPSS 12.0TM. Корреляционный анализ между параметрами производили с помощью критериев Спирмена и Пирсона, сравнение средних значений производили с помощью t-теста Стьюдента. Нормальность распределения данных определяли по методу Шапиро-Уилка.
Результаты исследования и их обсуждение
Значения параметров иЭМГ групп «моржей» (М1А и М1Б) до сезона зимнего плавания и «не-моржей» приведены в таблице. Достоверные различия были характерны только для f и D. f была меньше, а D больше в группе «не-моржей». Это может свидетельствовать о наличии бόльшей предопределенности в сигнале ЭМГ. Наблюдалась отчетливая тенденция к увеличению межимпульсного интервала ДЕ в группе «моржей», характерная как для мужчин, так и для женщин. Частота импульсации ДЕ была в целом на ~0,5 имп./с больше в группе «не-моржей», однако это различие не было статистически значимым (p = 0,099). Частота импульсации ДЕ была больше на 0,5-1,0 имп./с у мужчин в обеих группах, чем у женщин.
Повторное исследование, проведенное в комнатных условиях на той же группе «моржей» спустя 3,5-4 месяца занятий зимним плаванием (М2, иммерсия в среднем 5 мин в неделю), показало, что исследованные параметры иЭМГ и параметры активности ДЕ практически не изменились (см. таблицу). Сразу после 60-80-секундного погружения в ледяную воду (М3) СВТК снижалась с 30,9 ± 2,1 до 14,6 ± 1,5 °С, частота импульсации ДЕ достоверно снижалась как у мужчин, так и у женщин, увеличивался межимпульсный интервал, а также снижались все нелинейные параметры иЭМГ (рис. 1), что можно считать специфическим влиянием острого охлаждения организма. Пример импульсации ДЕ до и после погружения представлен на рис. 2.
Параметры суммарной ЭМГ двуглавой мышцы плеча в разных группах
|
Параметр иЭМГ |
Группа М0 |
Группа М1Б |
Группа М2 |
Группа М3 |
|
Средняя амплитуда иЭМГ (мкВ) |
||||
|
Без нагрузки 1 кг 2 кг 3 кг |
76,98 ± 37,05 112,81 ± 30,10 127,51 ± 35,58 151,11 ± 40,84 |
90,05 ± 38,76 121,58 ± 33,38 131,64 ± 40,64 152,31 ± 35,11 |
65,92 ± 38,90 97,26 ± 49,21 126,61 ± 56,05 142,63 ± 55,14 |
74,59 ± 41,43 99,81 ± 44,50 130,07 ± 57,79 144,00 ± 54,16 |
|
Средняя частота иЭМГ (Гц) |
127,81 ± 18,25 |
135,90 ± 14,33* |
134,96 ± 25,13 |
132,46 ± 24,09 |
|
Фрактальная размерность (D) |
1,7629 ± 0,046 |
1,7512 ± 0,041* |
1,7511 ± 0,038 |
1,7412 ± 0,059 * |
|
Корреляционная размерность (Dc) |
4,253 ± 0,336 |
4,380 ± 0,366 |
4,464 ± 0,570 |
4,355 ± 0,436 * |
|
Корреляционная энтропия (K2) |
5,397 ± 2,72 |
5,921 ± 2,906 |
4,752 ± 1,63 |
4,610 ± 1,746 * |
Примечание: * - p < 0,05 между группами М1 и М0.
Рис. 1. Средняя частота импульсации (имп/с) двигательных единиц в четырех исследованных состояниях группы «моржей» и «не-моржей». Примечание: график средних значений и среднеквадратического отклонения (межгрупповое различие P = 0,0015, критерий Крускалл-Уоллиса): 1 - М0, 2 - М1А, 3 - М1Б, 4 - М2, 5 - М3
Таким образом, почти 4-месячный сезон зимнего плавания практически не изменил параметры иЭМГ в группе «моржей». Можно сделать вывод о том, что у человека, в отличие от лабораторных и свободно живущих в природе видов, длительное и сильное температурное влияние оказывают минимальное воздействие на нейромышечный статус. Это может быть связано с тем, что, несмотря на длительность сезона зимнего плавания, это воздействие является все-таки кратковременным (всего 4-5 мин в неделю). Все остальное время любители зимнего плавания проводили в термонейтральных комфортных температурных условиях, в отличие от лабораторных животных, которые находились в более жестких температурных условиях [5, 6]. Можно также предположить, что в группе «моржей» 4-месячное воздействие холодной иммерсии «камуфлируется» уже имеющейся «аккумулированной» адаптацией скелетных мышц к холоду, поскольку у большинства любителей зимнего плавания стаж погружений в ледяную воду составляет более 2 лет.
Таким образом, наиболее сильное влияние на нейромышечный статус оказало острое охлаждение в ледяной воде, на фоне более чем 2-кратного снижения кожной температуры. Погружение в ледяную воду (иммерсия) оказало достоверное и предсказуемое влияние на ДЕ, снижая их частоту, что совпадает с ранее полученными данными о влиянии умеренного воздушного охлаждения (экспозиции) на ДЕ человека. Таким образом, в континууме состояний М0-М1А-М1Б-М2-М3 два крайних состояния - М0 («не моржи») и М3 («моржи» после иммерсии) - оказались наиболее различными с точки зрения нейромышечного статуса (см. рис. 1). Физиологический смысл этих изменений заключается в т.н. «интерполяции» скорости сокращения мышечных волокон и частоты импульсации ДЕ для того, чтобы поддерживался примерно одинаковый режим зубчатого тетануса [8, 12]. Снижение скорости сокращения при охлаждении требует снижения частоты импульсации ДЕ. Также снижение частоты импульсации имеет калоригенный эффект [1].
Рис. 2. Примеры импульсной активности двигательных единиц трехглавой мышцы плеча мужчины-любителя зимнего плавания до (верхняя запись) и после (три нижние записи) погружения в холодную воду. Примечание: калибровка времени 50 мс, амплитуды 50 мкВ
Новые нелинейные параметры ЭМГ, характеризующие нейромышечный статус, оказались достаточно стабильными в разных состояниях. Но после иммерсии в ледяной воде D и Dc были достоверно ниже по сравнению с группой «не-моржей». Снижение размерности сигнала свидетельствует об уменьшении его сложности и, соответственно о повышении его предсказуемости. Это, в свою очередь, является признаком повышенного количества одинаковых фрагментов сигнала, то есть появления ритмичности и синхронизации ДЕ [11, 14]. Поэтому снижение нелинейных параметров после иммерсии в ледяной воде может быть признаком неявной холодовой дрожи, которая визуально имела место у двоих из 13 испытуемых.
Таким образом, занятия зимним плаванием оказывают минимальный адаптационный эффект на нейромышечный статус «моржей». Наибольшее влияние оказывает острое сильное охлаждение - погружение в ледяную воду (иммерсия).
Рецензенты:
Виноградова И.А., д.м.н., профессор, зав. кафедрой фармакологии, организации и экономики фармации с курсами микробиологии и гигиены Петрозаводского государственного университета, г. Петрозаводск;
Илюха В.А., д.б.н., зав. лабораторией экологической физиологии животных ИБ КарНЦ РАН, г. Петрозаводск.