Сезонная ритмичность физиологических функций, по мнению исследователей, обусловлена динамикой множества экзогенных (температура и влажность воздуха, колебания атмосферного давления, экология окружающей среды, солнечная активность, длительность светового дня, сезонные особенности питания) и эндогенных (колебания выработки гормонов, ритмы активности вегетативной нервной системы) факторов [1, 2, 4-6, 9, 10]. Ведущую роль в адаптации организма к воздействию факторов внешней среды играет сердечно-сосудистая система, функциональное состояние которой является своего рода индикатором как срочной, так и долговременной адаптации [8]. Тем более, что в условиях средних широт сезонные изменения окружающей среды оказывают значимое влияние на регуляцию цирканнуальных ритмов организма [7].
Цель исследования - изучить цирканнуальные колебания показателей вариабельности сердечного ритма и их корреляционных взаимосвязей, обеспечивающих адаптацию к изменениям внешней среды в условиях обучения в вузе. Оценить степень зависимости показателей ВСР от метеофакторов в разные сезоны года.
Материал и методы исследования
Обследован 61 студент-медик (47 девушек и 14 юношей, относительно здоровых, 19-22 лет) в периоды семестровой учебной деятельности 2010-2012 гг. неоднократно в разные сезоны года. Отбирались они по официальному критерию ВОЗ, согласно которому здоровыми считаются те, кто не имеет хронических заболеваний, освобождений от работы или учебы по острому заболеванию и не предъявляет жалоб в день обследования [3]. Обследование студентов проводилось с соблюдением этических норм, изложенных в Хельсинкской декларации, и было одобрено локальным комитетом по этике ГБОУ ВПО СОГМА.
На протяжении каждого из сезонов для получения объективной картины состояния вегетативной регуляции проведена серия из 6-8 обследований каждого участника эксперимента, после чего результаты усреднялись. Оценку состояния регуляторных систем организма проводили по результатам анализа вариабельности сердечного ритма с использованием АПК «Варикард 2.51». 5-минутную запись кардиоритмограмм проводили в одно и то же время (12-15 ч) после обязательной адаптации к условиям обследования в течение 15 мин. Оценивали следующие показатели: ЧСС; SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов; RMSSD - квадратный корень суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов; pNN50 - число пар кардиоинтервалов с разностью более 50 мсв % к общему числу кардиоинтервалов в массиве; MxDMn - вариационный размах; Mo - мода; SI - стресс индекс; TP - суммарная мощность спектра вариабельности сердечного ритма; HF, [ %] - мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности в % от суммарной мощности колебаний; LF, (%) - мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности в % от суммарной мощности колебаний; VLF, (%) - мощность спектра сверхнизкочастотого компонента вариабельности в % от суммарной мощности колебаний; HFt - доминирующий период высокочастотного компонента спектра; LFt - доминирующий период низкочастотного компонента спектра; VLFt - доминирующий период сверхнизкочастотного компонента спектра; LF и HF в нормализованных единицах (LFnu, HF nu), представляющих собой отношение абсолютной мощности каждого спектрального компонента к общей мощности за вычетом сверхнизкочастотного компонента; LF/HF - отношение значений низкочастотного и высокочастотного компонента вариабельности сердечного ритма; VLF/HF - отношение значений сверхнизкочастотного и высокочастотного компонента вариабельности сердечного ритма; IC - индекс централизации; CC1 - значение первого коэффициента автокорреляционной функции; CC0 - число сдвигов автокорреляционной функции до получения значения коэффициента корреляции меньше нуля.
Статистическая обработка результатов проведена с помощью пакета программ Statistica 6.0. Полученные данные не подчинялись закону нормального распределения по критерию Шапиро-Уилка, поэтому все показатели представлены в виде медианы (Md) и интерквантильного размаха. Для анализа различий между показателями в разные сезоны года применяли Repeated Measures ANOVA после нормализации распределения путем логарифмирования (ln) исходных данных. Для анализа взаимосвязей показателей ВСР с метеофакторами применяли множественную нелинейную регрессию.Критическое значение уровня статистической значимости при проверке нулевых гипотез принималось равным 0,05.
Результаты исследования и их обсуждение
Установлены определенные колебания показателей вариабельности сердечного ритма у относительно здоровых студентов в разные сезоны года. При однофакторном дисперсионном анализе наблюдаются значимые межсезонные различия частоты сердечных сокращений, моды, доминирующего периода высокочастотного компонента спектра, соотношения низко- и высокочастотного компонентов спектра, индекса централизации и отличия в виде тенденции в проценте вклада высоко- и низкочастотного компонентов спектра, а также доминирующего периода сверхнизкочастотного компонента спектра (таблица).
Для детализации выявленных различий между группами при условии того, что нулевая гипотеза была отвергнута, проведен апостериорный анализ с использованием критерия Ньюмена-Кейлса. Выявлены статистически значимые различия ЧСС в зимний сезон года (85,00 (79,00; 92,00)), сравнительно с осенним (78,00 (72,77; 85,00), р = 0,035) и весенним сезонами (78,19 (72,04; 88,08), р = 0,033); pNN50 % в зимний сезон (9,70 (4,90; 17,60)), сравнительно с осенним (15,86 (8,67; 24,50), р = 0,044)и весенним (14,06 (5,78; 25,31), р = 0,048); и, напротив, мода в зимний период была ниже, чем в осенний (695,81 (651,49; 762,32) против 771,31 (698,45; 825,36) соответственно р = 0,034) и весенний сезоны (695,81 (651,49; 762,32) против 776,52 (671,19; 827,24) соответственно р = 0,028), что указывает на преобладание тонуса симпатической нервной системы в этот период года. Средний период дыхательного цикла (HFt) имел тенденцию к возрастанию в зимний сезон, сравнительно с осенним ((5,17 (3,58; 6,36) против 3,88 (3,18; 5,66) соответственно р = 0,082) и к снижению в весенний сезон, сравнительно с зимним (4,08 (3,18; 5,54) против 5,17 (3,58; 6,36) соответственно р = 0,053). Максимальные значения среднего периода рефлекторного ответа сердечно-сосудистого подкоркового центра (VLFt) установлены у студентов в весенний период и их отличия от аналогичного показателя в летний сезон были статистически значимы ((51,20 (42,67; 68,27) против 44,52 (31,03; 56,89) соответственно р = 0,034).
При анализе вклада волн различного порядка в суммарную мощность спектра также выявлены сезонные отличия. Вклад высокочастотного спектра (HF, %) в общую мощность в весенний сезон достоверно выше и составил 34,04 % (25,37; 45,59) против 25,11 (15,60; 35,10) зимой соответственно р = 0,026. Различия во вкладе низкочастотного спектра (LF, % в зимний сезон года были выше (49,94 (38,60; 62,34)), чем в весенний (40,44 (36,01; 53,14)), р = 0,039.
Сравнительный анализ показателей ВСР в разные сезоны года
|
|
Осень |
Зима |
Весна |
Лето |
р |
|
ЧСС |
78,00 (72,77; 85,00) |
85,00 (79,00; 92,00) |
78,19 (72,04; 88,08) |
84,06 (74,00; 91,98) |
0,013 |
|
RMSSD |
37,00 (29,56; 44,74) |
33,00 (27,00; 44,00) |
36,79 (26,35; 51,83) |
31,54 (25,00; 43,89) |
0,264 |
|
pNN50 % |
15,86 (8,67; 24,50) |
9,70 (4,90; 17,60) |
14,06 (5,78; 25,31) |
10,92 (4,23; 23,16) |
0,119 |
|
SDNN |
50,82 (38,00; 60,38) |
46,21 (42,47; 58,04) |
47,66 (38,86; 59,74) |
50,15 (37,24; 63,38) |
0,969 |
|
Мо |
771,31 (698,45; 825,36) |
695,81 (651,49; 762,32) |
776,52 (671,19; 827,24) |
720,12 (647,46; 811,78) |
0,010 |
|
CC1 |
0,66 (0,57; 0,74) |
0,73 (0,64; 0,79) |
0,65 (0,57; 0,73) |
0,68 (0,54; 0,77) |
0,178 |
|
CC0 |
3,56 (2,50; 6,44) |
4,12 (3,26; 5,60) |
4,34 (2,83; 8,44) |
4,10 (3,06; 4,61) |
0,194 |
|
SI |
102,13 (68,56;181,21) |
120,20 (102,36; 189,64) |
113,19 (67,57; 166,76) |
108,52 (75,28; 212,55) |
0,899 |
|
HFt |
3,88 (3,18; 5,66) |
5,17 (3,58; 6,36) |
4,08 (3,18; 5,54) |
4,32 (3,40; 6,13) |
0,042 |
|
LFt |
10,89 (9,39; 12,64) |
11,01 (9,14; 15,52) |
11,25 (9,06; 18,96) |
12,49 (9,66; 18,62) |
0,475 |
|
VLFt |
46,55 (37,93; 64,00) |
46,55 (36,57; 53,89) |
51,20 (42,67; 68,27) |
44,52 (31,03; 56,89) |
0,098 |
|
HFnu |
32,56 (25,27; 41,52) |
24,23 (18,36; 37,89) |
35,48 (27,88; 46,75) |
31,22 (22,69; 42,28) |
0,043 |
|
LFnu |
50,45 (37,84; 60,75) |
55,35 (40,27; 64,74) |
43,40 (31,48; 59,88) |
51,41 (39,77; 60,83) |
0,104 |
|
HF, % |
31,86 (23,70; 40,39) |
25,11 (15,60; 35,10) |
34,04 (25,37; 45,59) |
30,39 (21,48; 39,97) |
0,065 |
|
LF, % |
47,63 (38,20; 55,00) |
49,94 (38,60; 62,34) |
40,44 (36,01; 53,14) |
49,20 (38,31; 55,04) |
0,098 |
|
VLF, % |
18,92 (12,92; 26,00) |
19,37 (12,20; 28,30) |
17,20 (13,39; 27,13) |
20,32 (15,43; 23,90) |
0,844 |
|
LF/HF |
1,52 (1,04; 2,23) |
2,15 (1,32; 3,76) |
1,44 (0,77; 1,94) |
1,67 (1,04; 2,76) |
0,008 |
|
VLF/HF |
0,68 (0,40; 0,95) |
0,82 (0,38; 1,38) |
0,48 (0,35; 1,05) |
0,65 (0,44; 1,05) |
0,111 |
|
IC |
2,14 (1,48; 3,21) |
2,99 (1,85; 5,40) |
1,94 (1,19; 2,94) |
2,29 (1,50; 3,65) |
0,009 |
Примечания: результаты представлены в виде медианы, 25-й и 75-й перцентилей;
р - уровень значимости различий по результатам дисперсионного анализа.
Наряду с этим, анализ показал, что вклад сверхнизкочастотного компонента (VLF), отражающего уровень активности церебральных эрготропных структур в общую мощность спектра вариабельности, в разные сезоны года остается стабильным, а изменение спектральной структуры происходит за счет высокочастотного и низкочастотного компонентов, т.е. парасимпатического и симпатического отделов ВНС. Эта закономерность прослеживается и в динамике LF и HFв нормализованных единицах: величина HFn.u. в зимний сезон составила 24,23 (18,36; 37,89) против 35,48(27,88; 46,75) в весенний, р = 0,022; величина LFn.u. в зимний сезон составила 55,35(40,27; 64,74) против 43,40(31,48; 59,88) в весенний, р = 0,047. Соответственно логичным является и значимое различие отношения низкочастотного и высокочастотного компонентов вариабельности (LF/HF): выше в зимний сезон, чем в весенний (2,15 (1,32; 3,76) против 1,44 (0,77; 1,94) соответственно р = 0,006) и в осенний (2,15 (1,32; 3,76) против 1,52 (1,04; 2,23) соответственно р = 0,023.) Степень централизации управлением ритмом сердца (IC) в зимний сезон года (2,99 (1,85; 5,40)) статистически значимо выше, чем в весенний (1,94 (1,19; 2,94)), р = 0,026 и в осенний (2,14 (1,48; 3,21)) сезоны (р = 0,008).
Таким образом, результаты исследования показателей ВСР свидетельствуют о том, что в годовом цикле на фоне относительно постоянного состояния вегетативной регуляции сердечного ритма выделяются значимые ее изменения в зимний и весенний сезоны. В зимний сезон у студентов вегетативный баланс смещается в сторону симпатических влияний, в весенний сезон наиболее активен автономный контур вегетативной регуляции. Данные изменения могут быть связаны с разными сезонными особенностями механизмов адаптации студентов к изменяющимся условиям окружающей среды.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что уровень активности церебральных эрготропных структур относительно здоровых молодых людей остается стабильным на протяжении всего годового цикла в периоды семестровой учебной деятельности, не сопряженные с усиленной умственной и эмоциональной нагрузкой, характерных для периода зачетов и экзаменов. Колебания уровня вагосимпатического взаимодействия, вероятно, обусловлены сменой сезонов года и, очевидно, изменением комплекса метеофакторов.
Известно, что адаптация организма к воздействию внешних факторов обеспечивается скоординированными в пространстве и времени и соподчиненными между собой специализированными функциональными системами организма и определенным уровнем внутрисистемных корреляционных взаимосвязей для поддержания гомеостаза. Для оценки вегетативного обеспечения деятельности сердечно-сосудистой системы оценен вклад составляющих разного частотного спектра в общую вариабельность (рис. 1).
Рис. 1. Механизмы регуляции вегетативного тонуса в разные сезоны года. Примечание: - умеренная корреляционная связь (0,30 < r < 0,49); - средняя корреляционная связь (0,50 < r < 0,69);
- сильная корреляционная связь (r > 0,70)
Лишь корреляционную плеяду, наблюдаемую весной, можно рассматривать как ненапряженный вегетативный баланс, в остальные сезоны значительный вклад в общую вариабельность вносят церебральные эрготропные системы.
На следующем этапе исследования проведен регрессионный анализ зависимости показателей ВСР от метеофакторов в разные сезоны года. Регрессионные модели удалось построить для нормализованных показателей HFnuи LFnu. В весенний сезон выявлена квадратичная зависимость обоих показателей от температуры (R2 = 0,23-0,29) (рис. 2а, б); в летний - зависимость HFnu. от температуры была линейной (R2 = 0,25), для LFnu регрессионную модель получить не удалось; в зимний - зависимость обоих показателей от облачности описывалась линейной функцией (R2 = 0,22-0,23) (рис. 2в, г), в осенний - квадратичной (R2 = 0,20-0,23) (рис. 2д, е).
Полученные данные определённым образом перекликаются с результатами исследования [11], где показатели ВСР (SDNN, HF и LF) были ассоциированы с температурой окружающей среды в течение теплого времени года (май-сентябрь), но этой связи не прослеживалось в течение холодного периода (ноябрь-март).
Таким образом, среди показателей ВСР наиболее чувствительными к изменению метеофакторов являются нормализованные показатели высоко- и низкочастотной области спектра, где исключается влияние сверхнизкочастотного компонента, который, по полученным данным, оставался относительно стабильным на протяжении годового цикла. Выявленные зависимости могут быть как линейными, так и нелинейными (аппроксимируемыми полиномом второй степени), при этом вариабельность показателей сердечного ритма, отражающих состояние симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы, на 20-29 % может объясняться такими метеофакторами, как температура и облачность.
Рис. 2. Зависимость показателей ВСР от метеофакторов
Выводы
1. Выявлена цирканнуальная динамика показателей вариабельности сердечного ритма, обеспечивающая адаптацию студентов к изменяющимся условиям окружающей среды в процессе обучения в разные сезоны.
2. Более выраженные признаки напряжения механизмов адаптации вегетативной регуляции ритма сердца у студентов установлены в зимний сезон, что, по-видимому, отражает мобилизацию функциональных резервов организма для адаптации к изменяющимся условиям окружающей среды в этот период года. Наиболее чувствительными к сезонным изменениям окружающей среды являются ЧСС, мода, высоко- и низкочастотные составляющие спектра и их отношения.
3. Сила корреляционных связей между показателями мощности спектра и общей вариабельностью сердечного ритма только в весенний сезон можно рассматривать как показатель ненапряженного вегетативного баланса.
4. Выявлены линейные и нелинейные зависимости нормализованных показателей высоко- и низкочастотной области спектра (HFnuи LFnu) от температуры и облачности, зависящие от сезона года.
Рецензенты:
Чибисов С.М. д.м.н., профессор кафедры общей патологии и патологической физиологии медицинского факультета РУДН, г. Москва;
Джиоев И.Г., д.м.н., профессор, зав. ЦНИЛ ФГБОУ ВПО СОГМА, г. Владикавказ.
Гладилин Г.П., д.м.н., профессор, заведующий кафедрой клинической лабораторной диагностики, ГБОУ ВПО «Саратовский государственный медицинский университет им. В.И. Разумовского « Минздравсоцразвития РФ, г. Саратов.