Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ БИОУПРАВЛЕНИИ ПАРАМЕТРАМИ РИТМА СЕРДЦА У ПОДРОСТКОВ ПРИПОЛЯРНОГО РЕГИОНА

Поскотинова Л.В. 1, 2 Демин Д.Б. 1 Кривоногова Е.В. 1
1 Институт физиологии природных адаптаций Уральского отделения Российской академии наук, Архангельск
2 Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова
Целью исследования являлось изучение спектральных параметров электроэнцефалограммы в фоне и после однократного сеанса биоуправления с целью усиления вагусных влияний на ритм сердца у подростков 14 и 16–17 лет, проживающих в приполярных районах Архангельской области. Выявлены различные варианты изменений спектральных характеристик электроэнцефалограммы у подростков в активную фазу становления пубертата (14 лет) и наиболее однонаправленные изменения электроэнцефалограммы на завершающем этапе пубертата (16–17 лет). У подростков 16–17 лет после сеанса биоуправления увеличение суммарной мощности спектра вариабельности сердечного ритма сопровождалось повышением спектральной мощности альфа-активности в центральных, передних и височных областях мозга. При этом в правых центральной, лобной и височной областях регистрировали снижение тета-активности и повышение бета1-активности головного мозга. Полученные результаты рассматриваются с позиции оптимизации корково-подкорковых взаимоотношений при активизации вагусных резервов сердечной деятельности у подростков в дискомфортных условиях Севера.
электроэнцефалограмма
вариабельность сердечного ритма
биоуправление
подростки
Север
1. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации) / Р.М. Баевский, Г.Г. Иванов, Л.В. Чирейкин и др. // Вестник аритмологии. – 2001. –
№24. – С. 65–87.
2. Болдырева Г.Н. Электрическая активность мозга человека при поражении диэнцефальных и лимбических структур. – М.: Наука, 2000. – 181 с.
3. Дёмин Д.Б., Поскотинова Л.В., Кривоногова Е.В. Роль фонового тиреоидного статуса в изменении ЭЭГ подростков при биоуправлении параметрами сердечного ритма // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. – 2011. – Т. 97, № 11. – С. 1262–1269.
4. Кривоногова Е.В., Поскотинова Л.В., Дёмин Д.Б. Сравнительный анализ структуры ЭЭГ и параметров вариабельности сердечного ритма при БОС-тренинге в зависимости от уровня серотонина в сыворотке крови девушек 15–17 лет // Бюллетень сибирской медицины. – 2011. – Т. 10, № 4. – С. 21–26.
5. Кривоногова Е.В., Поскотинова Л.В., Дёмин Д.Б. Эффективность функционального биоуправления вегетативными параметрами и биоэлектрическая активность головного мозга у подростков // Экология человека. – 2009. – № 12. – С. 39–42.
6. Кривоногова Е.В., Поскотинова Л.В.Соотношение уровня тиреоидных гормонов и показателей вариабельности ритма сердца у подростков в контрастные сезоны года на Севере // Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. – 2008. – Т. 87, № 6. – С. 149–152.
7. Лапшина Т.Н. Психофизиологическая диагностика эмоций человека по показателям ЭЭГ: дис. … канд. психол. наук. – М., 2007. – 133 с.
8. Меньшикова Л.И., Макарова В.И. Основные проблемы здоровья детей на Севере России // Экология человека. – 2003. – №1. – С. 39–41.
9. Михайлов В.М. Вариабельность ритма сердца: опыт практического применения. – Иваново: Иван. гос. мед. академия, 2002. – 290 с.
10. Об этнической обусловленности значений артериального давления у детей, проживающих в регионах Крайнего Севера / В.Г. Часнык, О.А. Кононова, Е.В. Синельникова и др. // Якутский медицинский журнал. – 2005. – №4. – С. 8–10.
11. Поскотинова Л.В., Семенов Ю.Н. Способ коррекции вегетативных дисбалансов с помощью комплекса для обработки кардиоинтервалограмм и анализа вариабельности сердечного ритма «Варикард 2.51», работающего под управлением компьютерной программы ISCIM 6.1 (BUILD 2.8), с использованием биологической обратной связи // Патент России 2317771. Бюл. № 6.
12. Пятакович Ф.А., Якунченко Т.И. Разработка условно-вероятностных моделей паттернов вариативности межпульсовых интервалов для оптимизации диагностики успешности и эффективности проведенного биоуправляемого игрового тренинга // Успехи современного естествознания. – 2010 – № 10. – С. 68–71.
13. Токарев С.А., Буганов А.А., Уманская E.Л. Предикторы и пути профилактики сердечно-сосудистой патологии у подростков Крайнего Севера // Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. – 2005. – Т.4, №2. – С. 83–86.
14. Heart Rate Variability Biofeedback Increases Baroreflex Gain and Peak Expiratory Flow / Paul M. Lehrer, Evgeny Vaschillo, Bronya Vaschillo et al. // Psychosomatic Medicine – 2003. – Vol. 65. – P. 796–805.
15. The effect of lateral visual fixation and the direction of eye movements on heartbeat discrimination / J. Weisz, L. Balazs, E. Lang, G. Adam // Psychophysiology. – 1990. – Vol. 27, № 4. – P. 527–533.

Проблема коррекции вегетативных дисфункций у подростков циркумполярных территорий остается актуальной. Реактивность симпатического отдела вегетативной регуляции сердечной деятельности у подростков Севера достаточно высока и зависит от продолжительности светового дня, широты проживания и сезонных гормональных перестроек [8, 10, 13]. Одним из перспективных методов немедикаментозной коррекции сердечного ритма, при котором происходит усиление вагусных влияний на ритм сердца, сосудистой дистонии является метод биоуправления параметрами вариабельности снижения явлений симпатикотонии [12, 14]. При этом наблюдаются и различные варианты перестроек в амплитудно-частотной структуре биоэлектрической активности головного мозга, которые, в свою очередь, зависят от исходных уровней активности тиреоидной и серотонинергической систем [3, 4, 5, 6]. Учитывая разные уровни сформированности биоэлектрического паттерна головного мозга на различных возрастных этапах пубертата, представляется важным определить направленность изменений электрофизиологических свойств головного мозга при биоуправлении параметрами ритма сердца у подростков в зависимости от их возраста в условиях приполярного региона. В связи с вышеизложенным цель работы заключалась в выявлении изменений спектральной мощности электроэнцефалограммы (ЭЭГ) у подростков-северян 14 и 16-17 лет в результате однократного сеанса биоуправления с целью усиления вагусных влияний на ритм сердца.

Материалы и методы исследования

Обследованы 43 учащихся двух сельских общеобразовательных средних школ Приморского района Архангельской области - 20 учащихся 8 класса в возрасте 14 лет (12 мальчиков и 8 девочек) и 23 учащихся 11 класса в возрасте 16-17 лет (10 мальчиков и 13 девочек). Все обследованные лица не имели острых заболеваний на момент обследования, неврологических нарушений и кардинальной патологии в анамнезе. От всех учащихся и их родителей было получено информированное согласие на участие в исследовании, одобренном биоэтическим комитетом Института физиологии природных адаптаций УрО РАН. Регистрацию показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) проводили в положении сидя с помощью прибора «Варикард» («Рамена», Россия) [1]. Для реализации принципа биологической обратной связи (БОС) обследуемый получал на экране монитора информацию о состоянии суммарной мощности спектра ВСР - Total Power (TP, мс2) с обновлением показателя каждые 5 секунд. Формирование состояния, отражающего изменение выбранного параметра, производилось посредством стратегии «свободного поиска» - сочетание спокойного глубокого дыхания с эффективным плавным выдохом, мышечной расслабленности и создания положительно окрашенных мысленных образов [11]. Критерием эффективности БОС-тренинга считали повышение суммарной мощности спектра ВСР и снижение индекса напряжения регуляторных систем (ИН). В исследовании представлены данные тех учащихся, у которых исходные показатели ВСР свидетельствовали о нормо- и симпатикотонии (ИН > 50 усл. ед.). ЭЭГ регистрировали в состоянии спокойного бодрствования с закрытыми глазами на ЭЭГА-21/26 «Энцефалан-131-03» (НПКФ «Медиком МТД», Россия) монополярно от 16 стандартных отведений (О1, О2, Р3, Р4, С3, С4, F3, F4, Fp1, Fp2, F7, F8, Т3, Т4, Т5, Т6) с ушными референтными электродами (А1 слева, А2 справа), установленных по международной системе 10-20 в полосе 1-30 Гц. Схема сеанса включала следующие этапы:

  1. 5-минутная запись ЭЭГ с закрытыми глазами (регистрация фона, реакция активации) с одновременной регистрацией параметров ВСР;
  2. 5-минутная процедура БОС-тренинга, проводимая с открытыми глазами по вышеописанной методике без регистрации ЭЭГ;
  3. 5-минутная запись ЭЭГ с закрытыми глазами (реакция последействия) с одновременной регистрацией параметров ВСР.

При оценке ЭЭГ каждого испытуемого выделяли безартефактные отрезки записи, абсолютные значения мощностей спектра в мкВ2 анализировали по тета - (4-8 Гц), альфа - (8-13 Гц), бета1 - (13-24 Гц) диапазонам. Изменения дельта-активности (1-4 Гц) не рассматривались, так как дельта-волны были единичными, не превышающими амплитуды доминирующей активности головного мозга. Статистическую обработку полученных результатов проводили непараметрическими методами с помощью компьютерного пакета прикладных программ Statistica 5.5 («StatSoft», США). Учитывали медиану (Ме) и межквартильный размах при 25 и 75% уровнях значений выборки. Для проверки статистической гипотезы межгрупповой разности использовали для трех зависимых выборок критерий χ-квадрат при ранговом дисперсионном анализе (df = 2, p < 0,05) и для двух зависимых выборок критерий Вилкоксона (p < 0,05).

Результаты исследования и их обсуждение

Предварительно проведенный анализ не выявил выраженных половых различий при реактивности вегетативных и мозговых структур при сеансе биоуправления, что позволило объединить данные лиц мужского и женского пола. У подростков независимо от возраста при сеансе биоуправления происходило усиление вагусных влияний на ритм сердца - значимое повышение показателя ТР, у подростков 14 лет - показателя pNN50 (процент последовательных пар кардиоинтервалов, различающихся более, чем на 50 мсек за время записи), а также значимое снижение ИН (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Показатели ВСР у подростков 14 лет в динамике сеанса биоуправления параметрами ритма сердца (Me (25;75))

 

Фон (1)

БОС (2)

Последействие (3)

 

ЧСС, уд./мин

85,61

(79,30; 92,98)

85,94

(79,49; 92,27)

88,80

(82,88; 92,08)

p1-2 > 0,05;

p2-3 > 0,05

p1-3 > 0,05

pNN50,%

14,68

(9,11;30,04)

21,27

(13,34;33,42)

14,54

(4,59;25,06)

p1-2 = 0,045;

p2-3 < 0,001

p1-3 = 0,010

ТР, мс2

2015,52

(1454,11; 2745,81)

3937,45

(3167,92; 5268,57)

1924,16

(1413,06; 2722,94)

p1-2 < 0,001;

p2-3 < 0,001

p1-3 > 0,05

ИН, усл.ед.

133,24

(102,42; 173,55)

71,58

(65,58; 92,72)

141,57

(88,53; 220,14)

p1-2 < 0,001;

p2-3 < 0,001

p1-3 = 0 > 0,05

 

Таблица 2

Показатели ВСР у подростков 16-17 лет в динамике сеанса биоуправления параметрами ритма сердца (Me (25;75))

 

Фон

БОС

Последействие

 

ЧСС, уд./мин

77,64

(68,76;82,18)

78,58

(72,68;83,63)

78,88

(69,85;82,21)

p1-2 > 0,05;

p2-3 > 0,05

p1-3 > 0,05

pNN50, %

24,15

(13,27;42,51)

30,21

(17,59;37,36)

17,72

(11,17;35,31)

p1-2 > 0,05;

p2-3 > 0,05

p1-3 = 0,019

ТР, мс2

2477,63

(1593,80; 3409,33)

4936,74

(3006,36;5 622,66)

2341,92 (1742,77;3598,39)

p1-2 < 0,001;

p2-3 < 0,001

p1-3 = 0,223

ИН, усл.ед.

85,28 (59,40;147,11)

50,36

(37,94;93,99)

101,26 (65,76;166,28)

p1-2 < 0,001;

p2-3 < 0,001

p1-3 = 0,673

В ходе сеанса БОС-тренинга также наблюдали сдвиг доминирующего пика спектральной мощности ВСР в низкочастотный диапазон, что может указывать на активизацию барорефлекторных механизмов. Тем не менее детальный анализ изменений спектральных показателей различных частотных диапазонов при таком воздействии не представлялся возможным для однозначной интерпретации и нуждается в отдельном исследовании, так как все испытуемые стремились замедлить ритм дыхания менее 9 дыхательных циклов в минуту, особенно мальчики. На этапе последействия, когда обследуемый переходил в состояние, аналогичное исходному фону, показатели ВСР стремились к фоновым значениям.

Изменения биоэлектрической активности головного мозга у 14-летних подростков были разнонаправленные после сеанса БОС-тренинга. Общегрупповые изменения мощностей спектров ЭЭГ выражались лишь в значимом снижении тета-активности в префронтальной области справа (F4-A2, p = 0,035) и повышении бета1-активности в сенсомоторной зоне справа (С3-А1, p = 0,025). Повышение мощности спектра альфа-активности в затылочных областях (O1, O2) на этапе последействия выявлено у 10 человек, а понижение у 11 человек. Таким образом, у подростков 14 лет выявлены различные варианты реактивности мозговых структур на однократный сеанс биоуправляемого повышения вагусных влияний на ритм сердца [5].

У старших подростков 16-17 лет реакция на процедуру биоуправления была более определенной (табл. 3). Разнонаправленные изменения значений мощностей спектра ЭЭГ касались лишь затылочных и теменных областей (у 13 человек было здесь повышение, а у 10 человек снижение мощности альфа-активности), что не позволило получить здесь общегрупповых статистически значимых различий (значения в областях Р3-Р4 в табл. 3 опущены). В центральных, передних и височных областях мозга наблюдали повышение альфа-активности, а в правых центральной, лобной и височной областях регистрировали сдвиг частотных характеристик ЭЭГ в сторону более высоких частот. Так, в отведениях С4, F4 и T4 наблюдали значимое снижение тета-активности после БОС-тренинга, в то время как в С4, Т4 и F8 происходило значимое усиление бета1-активности.

Заключение

Достижение успеха в саморегуляции с целью усиления вагусных влияний на ритм сердца достигается различными стратегиями у подростков в активную фазу становления пубертата (14 лет) и наиболее однонаправленны на завершающем этапе пубертата (16-17 лет). При этом у одних индивидуумов происходит десинхронизация основного ритма в области зрительной коры, у других гиперсинхронизация данного вида ритма, что отражает доминирующую роль либо восходящих активирующих влияний ретикулярной формации либо таламических структур на кору больших полушарий. Сочетанное усиленное влияние таламических и стволовых структур на биоэлектрогенез коры обусловливает усиление альфа-активности в центральных и передних областях мозга [2]. Усиление бета1-активности в правой центрально-передневисочной области свидетельствует о вовлечении сенсо-моторной области коры и медио-базальных, возможно эмоциогенных структур [7] при реализации индивидуальной стратегии эффективности биоуправления как вида когнитивной деятельности. Более выраженные перестройки биоэлектрического паттерна в правых отделах головного мозга свидетельствуют также об активизации центральных мозговых структур, связанных с сердечно-сосудистой афферентацией [15], что может оптимизировать вегетативную регуляцию сердечной деятельности организма. Снижение выраженности медленно-волновых и повышение роли высокочастотных ритмов в центральных и передних отделах мозга после данного вида БОС-тренинга отражают процессы снижения активности глубинных структур и повышения активности коры мозга. Это также является фактором оптимизации возрастного становления нейрофизиологических функций у подростка, особенно в условиях дискомфортной среды Севера.

Таблица 3

Показатели ЭЭГ (в мкВ2) у подростков 16-17 лет до и после сеанса биоуправления параметрами ВСР (Me (25;75)), n = 23

 

тета 4-8 Гц

альфа 8-13 Гц

бета1 13-24 Гц

Фон

Последействие

 

Фон

Последействие

 

Фон

Последействие

 

О1-A1

13,10 (7,73;27,55)

13,17 (8,45;22,53)

 

73,89 (41,06;143,85)

99,30 (54,41;152,06)

 

17,20 (12,84;23,44)

18,68 (12,03;26,25)

 

O2-A2

15,06 (11,16;22,39)

12,77 (7,94;20,22)

 

99,37 (38,94;168,45)

101,12 (48,28;225,78)

 

18,94 (12,52;29,72)

17,97 (12,05;25,53)

 

C3-A1

18,64 (14,31;28,15)

18,59 (14,09;23,48)

 

30,50 (15,02;57,97)

30,93 (18,40;75,32)

p = 0,007

9,33 (6,84;13,10)

9,93 (7,05;13,41)

 

C4-A2

19,47 (12,21;25,21)

18,54 (12,05;22,53)

p = 0,04

35,85 (15,94;52,95)

36,49 (17,50;70,88)

p = 0,03

8,72 (6,13;13,77)

11,08 (6,48;14,32)

p = 0,025

F3-A1

19,18 (14,16;26,70)

18,57 (14,84;24,27)

 

27,75 (15,15;41,50)

29,83 (16,15;53,23)

p = 0,006

9,31 (6,50;14,39)

9,21 (6,49;15,00)

 

F4-A2

17,84 (14,67;21,38)

16,61 (13,84;22,27)

p = 0,032

26,39 (14,60;43,35)

29,96 (14,45;49,98)

p = 0,007

7,87 (5,95;14,45)

9,77 (5,76;15,40)

 

Fp1-A1

14,56 (10,88;19,58)

14,70 (11,12;18,54)

 

18,40 (11,77;30,54)

19,42 (12,37;30,87)

p = 0,007

8,18 (4,97;9,40)

7,46 (5,47;9,34)

 

Fp2-A2

16,58 (10,89;22,39)

16,09 (10,30;22,02)

 

21,36 (12,32;35,63)

26,57 (13,34;34,13)

p = 0,007

7,17 (5,47;11,01)

7,27 (5,59;11,47)

 

F7-A1

9,12 (6,91;11,60)

8,44 (5,88;10,58)

 

12,74 (7,59;20,36)

14,61 (8,73;22,85)

p = 0,005

5,49 (3,29;6,55)

5,79 (3,48;7,52)

 

F8-A2

8,91 (5,78;12,34)

8,78 (6,02;11,32)

 

14,00 (8,11;21,44)

16,21 (6,68;27,49)

p = 0,003

5,95 (3,44;8,61)

7,16 (4,19;9,41)

p = 0,010

T3-A1

8,92 (7,70;12,95)

8,57 (6,67;13,29)

 

16,13 (8,12;27,14)

15,88 (9,69;30,84)

 

6,08 (5,15;8,83)

6,61 (4,79;8,60)

 

T4-A2

9,25 (6,53;11,72)

8,61 (6,02;10,14)

p = 0,037

17,77 (7,02;25,72)

17,80 (7,91;27,26)

p = 0,045

5,89 (4,27;9,03)

6,65 (4,42;9,36)

p = 0,020

T5-A1

11,34 (6,64;17,34)

9,94 (6,13;14,99)

 

35,48 (13,98;60,03)

38,49 (14,25;62,39)

p = 0,015

9,61 (6,48;15,85)

10,85 (7,18;15,34)

 

T6-A2

9,39 (6,49;18,27)

9,73 (6,36;17,25)

 

49,38 (16,97;70,52)

50,50 (19,21;79,87)

p = 0,024

8,91 (4,98;14,98)

8,42 (5,00;16,33)

 

Работа поддержана грантом Президиума УрО РАН №12-У-4-1019.

Рецензенты:

  • Грибанов А.В., д.м.н., профессор, директор Института медико-биологических исследований Северного (Арктического) федерального университета им. М.В. Ломоносова, г. Архангельск;
  • Бебякова Н.А., д.б.н., профессор, заведующая кафедрой медицинской биологии и генетики Северного государственного медицинского университета, г. Архангельск.

Работа поступила в редакцию 06.04.2012.


Библиографическая ссылка

Поскотинова Л.В., Поскотинова Л.В., Демин Д.Б., Кривоногова Е.В. ВОЗРАСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ БИОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА ПРИ БИОУПРАВЛЕНИИ ПАРАМЕТРАМИ РИТМА СЕРДЦА У ПОДРОСТКОВ ПРИПОЛЯРНОГО РЕГИОНА // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 5-1. – С. 180-184;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29871 (дата обращения: 21.11.2017).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252