Оксид азота (NO) играет важную роль в регуляции центральной и периферической циркуляции кровотока, контролирует расширение и расслабление гладких мышц стенок сосудов, оказывает стресс-лимитирующие эффекты, обеспечивает баланс вегетативных влияний на сердечно-сосудитую систему (ССС) [7, 9]. Недостаток NO приводит к развитию артериальной гипертонии [1, 2]. За последние годы было установлен широкий спектр биологического действия, которое оказывает молекула NO. Так, за открытие роли оксида азота как сигнальной молекулы в регуляции сердечно-сосудистой системы в 1998 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине.
По этой причине важное прогностическое и диагностическое значение могут иметь исследования, направленные на разработку эффективных диагностических маркеров состояния сердечно-сосудистой системы при разных физиологических состояниях организма в условиях изменения активности NO-синтазы.
Целью данной работы является исследование эффектов активности NO-синтазы на динамику кровяного давления у самок и самцов крыс на основе метода мультифрактального анализа, являющегося одним из наиболее эффективных математических инструментариев для статистического анализа сигналов сложной структуры [6]. В соответствии с результатами и выводами работ [3, 5], этот метод позволяет решать задачи ранней диагностики функциональных нарушений сердечно-сосудистой системы по сравнительно коротким сигналам и по своим потенциальным возможностям превосходит многие стандартные подходы. Применение вейвлет-преобразования в качестве составной части данного инструмента исследования позволяет игнорировать проблему нестационарности физиологических сигналов, регистрируемых во время переходных процессов [4].
Материалы и методы исследования
Эксперименты были выполнены на 23 белых крысах разного пола массой 250–300 г. Для прямого измерения кровяного давления (КД) животным были имплантированы внутрисосудистые катетеры под нембуталовым наркозом (45 мг/кг). Непрерывная регистрация частоты сердечных сокращений (ЧСС) и КД осуществлялась с помощью совместимого с компьютером многоканального измерительно-вычислительного комплекса PowerLab/400 ML401 и программного обеспечения Chart 4 (ADInstruments Ltd., Австралия). Блокада активности NO-синтазы осуществлялась путем введения NG-nitro-L-arginine-methyl-ester (L-NAME, 10 мг/кг, Sigma Chemical Co, iv). Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась с использованием пакета программ Matlab 7.1.
Более детальный анализ сигналов КД проводился с помощью метода мультифрактального анализа, основанного на вейвлет-преобразовании [6], который осуществляет количественное описание структуры физиологического процесса в терминах спектра сингулярностей. Расчет данного спектра осуществляется в два этапа. Вначале проводится вейвлет-преобразование анализируемого сигнала x(t)
(1)
где вейвлет-функция ψ подвергается масштабным преобразованиям и переносам, которые задаются параметрами a и b. В качестве x(t) рассматривается последовательность извлеченных в ходе предварительной обработки временных интервалов, определяющих текущие значения периода колебаний КД. При наличии особенностей (сингулярностей) сигнала x(t) в момент времени t = b* для коэффициентов вейвлет-преобразования W(a, b*) характерно наличие экспоненциального поведения следующего вида
W(a, b*) ~ ah, (2)
где величина h (показатель Гельдера) описывает локальную нерегулярность сигнала и характеризует его корреляционные свойства. Обычно дополнительно рассматривается зависимость h(q), где индекс q характеризует масштаб наблюдения – мелкомасштабная структура (отрицательные q) или крупномасштабная (положительные q). Более детальное описание метода приводится в статьях [3, 6].
Достоинством метода мультифрактального анализа является то, что его эффективность не зависит от свойства стационарности регистрируемых физиологических процессов. В частности, в работе П. Иванова с соавторами, опубликованной в журнале «Nature» [5], было показано, что физиологические процессы в динамике сердечно-сосудистой системы относятся к классу мультифрактальных процессов, и на основе расчета спектра сингулярностей D(h) можно диагностировать ранние этапы трансформации нормальных физиологических процессов в патологические. Аналогичный вывод при исследовании стресс-индуцированных реакций организма был сделан в наших исследованиях, проводившихся на крысах [3].
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты исследования показали, что блокада активности NO-синтазы при введении L-NAME приводила к уменьшению ЧСС, и эти изменения зависели от пола животного. Самки крыс демонстрировали более выраженные изменения в динамике ССС: увеличение среднего КД на 25 %, по сравнению с 17 % у самцов (p < 0,05), уменьшение ЧСС на 18 % по сравнению с 10 % у самцов (p < 0,05). При этом не наблюдалось значимых статистических отличий между самками и самцами по базовым уровням среднего КД и ЧСС.
Было обнаружено, что как самки, так и самцы крыс демонстрировали сходные реакции при блокаде активности NO-синтазы, характеризуемые с помощью количественных критериев мультифрактального анализа (ширины спектра сингулярностей Δh и количественной меры корреляционных свойств h(0), т.е. значением показателя Гельдера, соответствующим максимуму спектра D(h)). Для базового уровня были получены следующие значения Δh: 0,37 ± 0,11 (самцы) и 0,35 ± 0,10 (самки). Таким образом, сигналы КД характеризуются мультифрактальной структурой (Δh > 0), и при этом отсутствуют статистические различия в зависимости от пола животного. Положение максимума спектра сингулярностей h(0) для самцов (1,22 ± 0,23) и самок (1,14 ± 0,18) также свидетельствуют о недостоверных статистических различиях корреляционных свойств.
После введения L-NAME наблюдается уменьшение обоих количественных критериев Δh и h(0), что позволяет сделать вывод об уменьшении сложности динамики КД. Так, уменьшение Δh свидетельствует о более выраженной однородности сигнала (предел Δh = 0 соответствует моноскейлинговой структуре физиологического процесса), изменение h(0) можно интерпретировать как изменение «гладкости» анализируемого процесса. В результате проведенных расчетов были получены следующие значения рассматриваемых количественных критериев: Δh = 0,31 ± 0,10 (самцы) и Δh = 0,24 ± 0,11 (самки); h(0) = 1,13 ± 0,21 (самцы) и h(0) = 0,88 ± 0,23 (самки). Таким образом, для самцов наблюдалось уменьшение Δh в среднем на 16 % и снижение h(0) на 7 %, для самок соответствующее уменьшение характеристик составило 31 % (для Δh) и 24 % (для h(0)), то есть самки демонстрируют более чем в 2 раза выраженные реакции по критерию степени мультифрактальности и более чем в 3 раза – по корреляционным характеристикам. Данные результаты согласуются с выводами статьи [8], где аналогичный эффект исследовался другим методом, основанным на описании сложности мгновенных частот ритмических процессов в сигналах КД в низко- и высокочастотных областях.
Заключение
Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что блокада синтеза NO приводит к уменьшению сложности динамики КД у крыс, и данный эффект является более выраженным у самок, чем у самцов. Существование отличий в реакциях в зависимости от пола животного ассоциируется с более высокой кардиоваскулярной устойчивостью к развитию артериальной гипертонии у самок по сравнению с самцами.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что мультифрактальный анализ на основе вейвлет-преобразования представляет собой эффективный инструмент обработки физиологических сигналов, который может быть успешно применен для классификации состояний сердечно-сосудистой системы по сильно нестационарным экспериментальным данным. Этот инструмент, в частности, может быть полезен в качестве индикатора отклика организма на изменение уровня NO в крови.
Работа была поддержана Министерством образования и науки в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009?2013 годы (соглашение
№ 14.B37.21.0216).