Временные и спектральные показатели вариабельности ритма сердца курсантов института гражданской авиации с разным типом локомоторной двигательной активности

Полный текст

Введение

Профессиональная деятельность пилотов гражданской авиации подразумевает работу в тяжелых, порой экстремальных условиях, связанных с максимальным напряжением функциональных систем [1–3]. Эффекты срочной адаптации, повторяющиеся регулярно, должны приводить к развитию стойких структурно-­компенсаторных перестроек на клеточном и субклеточном уровнях, по-другому — к хронической адаптации [4, 5]. Однако проблема цены этой адаптации до сих пор обсуждается.

Реакция организма на изменение условий внешней среды будет зависеть от того насколько специфичен данный стресс, насколько он силен и насколько в организме сформированы адаптационные резервы [6]. Из последнего ясно, что адаптироваться к изменившимся средовым условиям будет лучше тот индивид, у которого больше адаптационный резерв. В таком свете морфофункциональная и психофизиологическая конституция, уровень физической, функциональной и психологической подготовленности курсантов институтов гражданской авиации, то есть будущих пилотов, будут играть одну из решающих ролей в профессиональном отборе и ориентации последних. С целью изучения адаптационного резерва и влияния разных физических упражнений на организм курсантов Ульяновского института гражданской авиации им. главного маршала авиации Б.П. Бугаева (УИГА) было организовано и проведено исследование отдельных показателей вариабельности ритма сердца.

Цель исследования — изучение спектральных и временных показателей вариабельности ритма сердца курсантов института гражданской авиации с разным типом локомоторной двигательной активности.

Методы и методы

Исследование проходило в феврале 2023 года на базе Ульяновского института гражданской авиации имени главного маршала авиации Б.П. Бугаева.

Было обследовано 96 практически здоровых курсантов УИГА мужского пола. Исследование проводилось в полном соответствии с Хельсинской декларацией Всемирной медицинской ассоциации. Протокол обследования был одобрен на научном совете кафедры теоретических основ физической культуры факультета физической культуры Новосибирского государственного педагогического университета. Перед началом обследования у всех курсантов были получены письменные согласия на проведение исследования и обработку персональных данных.

Среди участников исследования были выделены четыре когорты исходя из типа локомоторной двигательной активности: «не занимающиеся», «самостоятельно занимающиеся», «игровые виды спорта», «циклические виды спорта». Когорту «не занимающиеся» составил 41 курсант без внеурочной локомоторной двигательной активности. Когорту «самозанимающиеся» составили 20 курсантов, самостоятельно занимающихся общей физической подготовкой не менее 3 академических часов в неделю. В когорту «игровые виды спорта» вошло 14 курсантов, выступающих за сборную УИГА по волейболу, футболу или баскетболу (квалификация от II разряда до КМС) и регулярно занимающихся в профильных секциях с общей нагрузкой 6 академических часов в неделю. Когорта «циклические виды спорта» состояла из 21 курсанта, входящих в состав сборной института по плаванию, лыжным гонкам или легкой атлетике (беговые дисциплины) с квалификацией от II разряда до КМС — представители этой когорты посещали профильные секции с нагрузкой 6 академических часов в неделю.

Процедура исследования вариабельности ритма сердца (ВРС): запись ритмокардиограммы проводилась с использованием ритмокардиографа «ВедаПульс». Сначала испытуемому предлагался 5‑минутный отдых в положении лежа на спине без движения (для достижения уровня фона), после чего велась 5‑минутная запись ритмокардиограммы (РКГ) в том же положении, по истечении времени первой записи испытуемому предлагалось аккуратно встать, после чего начиналась запись РКГ в состоянии активной ортостатической пробы (АОП). На основе математической обработки РКГ были рассчитаны спектральные и временные показатели ВРС.

Математическая обработка и оформление результатов исследования осуществлялись с помощью использования полного пакета функций программ Word, Excel и Statistica for Windows. Метод математической статистики: t-критерий Стьюдента для независимых выборок. Нормальное распределение подтверждали правилом трех сигм.

Результаты и их обсуждение

В таблицах 1 и 2 представлены результаты исследования ВРС у курсантов УИГА с разным типом локомоторной двигательной активности. Анализ 96 результатов ритмокардиографии в фоновом состоянии в четырех когортах показал, что в процессе адаптации к учебной и тренировочной деятельности наблюдаются различные стратегии приспособления сердечной деятельности. Так, например, по ряду показателей временной области (R-R min, R-R max, RRNN) можно судить о более эффективном кровообращении у курсантов, занимающихся в профильных спортивных секциях, по отношению к курсантам, не занимающимся внеурочной локомоторной двигательной активностью, что показано наличием достоверных отличий (p ≤ 0,05). Относительно большие значения R-R min, R-R max, RRNN у курсантов-­спортсменов говорят об относительно меньшем ЧСС, что косвенно указывает либо на увеличение систолического объема крови, либо на увеличение кислородной емкости крови, либо на оба этих процесса сразу, что в любом случае будет являться повышением экономичности гемодинамических механизмов [7, 8].

Таблица 1 / Table 1
Временные показатели вариабельности ритма сердца курсантов института гражданской авиации /
Civil Aviation Institute cadet’s temporary indicators of heart rate variability

Показатель / Indicator	Когорты / Cohort				Достоверность результатов / Reliability of the results
	Н / N(n=41)	С / S(n=20)	И / P(n=14)	Ц / C(n=21)
Фон / Background values
R-R min, мс	747, 85 ± 12,54	754,80± 19,08	829,36 ± 27,38	791,95 ± 25,30	Н — И*, С — И*
R-R max, мс	1059,20 ± 20,94	1095,65 ± 42,82	1131,07 ± 53,81	1147,95 ± 39,10	Н — Ц*
RRNN, мс	903,46 ± 15,95	938,50 ± 32,61	1003,85 ± 40,11	972,86 ± 28,37	Н — И*, Н — Ц*
SDNN, мс	58,26 ± 3,71	71,09 ± 7,96	64,86 ± 6,86	87,05 ± 12,05	Н — Ц*
MxDMn, мс	290,82 ± 17,20	335,95± 29,86	301,56 ± 32,94	382,89 ± 40,54	Н — Ц*
MxRMn, у. е.	1,43 ± 0,03	1,44 ± 0,04	1,34 ± 0,07	1,47 ± 0,07	–
RMSSD, мс	59,97 ± 5,60	68,43 ± 10,78	67,04 ± 8,97	65,17 ± 6,80	–
CV, %	6,51 ± 0,41	7,34 ± 0,69	6,79 ± 0,48	9,18 ± 1,15	Н — Ц*
АОП / Active orthostatic test
R-R min, мс	556,02 ± 9,40	570,95 ± 13,33	590,21 ± 11,92	621,20 ± 18,23	Н — И*, Н — Ц*, С — Ц*
R-R max, мс	802,23 ± 15,34	834,05 ± 33,19	886,07 ± 31,28	894,14 ± 22,62	Н — И*, Н — Ц*
RRNN, мс	655,36 ± 10,38	686,70 ± 25,12	709,36 ± 18,75	733,71 ± 21,93	Н — И*, Н — Ц*
SDNN, мс	53,34 ± 2,83	55,05 ± 4,76	60,60 ± 5,18	58,77 ± 2,73	-
MxDMn, мс	259,29 ± 13,55	263,25 ± 22,83	296,35 ± 25,38	278,33 ± 14,23	-
MxRMn, у. е.	1,47 ± 0,03	1,45 ± 0,03	1,50 ± 0,04	1,46 ± 0,03	-
RMSSD, мс	21,44 ± 1,35	27,08 ± 2,95	29,03 ± 3,18	27,54 ± 2,19	Н — И*, Н — Ц*
CV, %	7,24 ± 0,37	7,01 ± 0,38	7,69 ± 0,54	7,28 ± 0,34	–

Примечание: * — результаты достоверны при p ≤ 0,05. Н — не занимающиеся, С — самозанимающиеся, И — игровые виды спорта, Ц — циклические виды спорта.
Note: * — the results are reliable at p ≤ 0.05. N — non-exercising, S — self-exercising, P — playing sports, C — cyclic sports.

Таблица 2 / Table 2
Спектральные показатели вариабельности ритма сердца курсантов института гражданской авиации /
Civil Aviation Institute cadet’s spectral indicators of heart rate variability

Показатель / Indicator	Когорты / Cohort				Достоверность результатов / Reliability of the results
	Н / N(n = 41)	С / S(n = 20)	И / P(n = 14)	Ц / C(n = 21)
Фон / Background values
TP, мс2	4652,10  ± 691,17	5651,20  ±  1786,34	3486,15 ± 591,61	8528,82 ± 2359,68	И — Ц*
VLF, мс2	1213,11  ± 184,06	1082,30 ± 324,40	643,07 ± 122,08	1512,05 ± 329,99	Н — И*, И — Ц*
LF, мс2	1609,08  ± 262,30	2061,90 ± 557,50	1130,79 ± 214,43	2377,57 ± 495,54	И — Ц*
HF, мс2	1831,03  ± 376,77	2506,10 ± 1001,73	2125,87 ± 545,46	3345,43 ± 1422,21	-
VLF %,  %	31,89  ± 2,60	21,77 ± 2,05	18,11 ± 2,43	24,08 ± 2,28	Н — С*, Н — И*, Н — Ц*
LF %,  %	35,06  ± 2,27	39,41 ± 3,39	34,89 ± 5,07	39,33 ± 3,38	-
HF %, %	35,51  ± 2,66	38,82 ± 3,38	49,02 ± 5,31	35,33 ± 3,76	Н — И*, И — Ц*
LF/HF, у. е.	1,37  ± 0,18	1,36  ± 0,26	1,06 ± 0,27	1,74 ± 0,38	-
АОП / Active orthostatic test
TP, мс2	2468,95 ± 315,72	2755,10 ± 475,04	3096,71 ± 413,97	2777,52 ± 277,93	-
VLF, мс2	809,88 ± 142,53	938,10 ± 195,69	1167,15 ± 172,00	719,62 ± 91,25	И — Ц*
LF, мс2	1403,94 ± 202,36	1462,15 ± 230,72	1704,71 ± 265,32	1757,38 ± 234,11	-
HF, мс2	256,10 ± 37,37	354,60 ± 81,89	302,93 ± 44,91	299,01 ± 46,26	-
VLF %, %	35,08 ± 2,48	32,36 ± 2,01	35,43 ± 2,92	26,78 ± 2,90	Н — Ц*, И — Ц*
LF %, %	54,10 ± 2,43	54,87 ± 2,89	52,27 ± 2,70	62,70 ± 2,89	Н — Ц*, И — Ц*
HF %, %	10,82 ± 1,05	12,77 ± 1,33	10,18 ± 1,10	10,63 ± 1,48	-
LF/HF, у. е.	6,67 ± 0,76	5,72 ± 0,94	6,40 ± 0,57	8,19 ± 1,28	-

Примечание: * — результаты достоверны при p ≤ 0,05. Н — не занимающиеся, С — самозанимающиеся, И — игровые виды спорта, Ц — циклические виды спорта.
Note: * — the results are reliable at p ≤ 0.05. N — non-exercising, S — self-exercising, P — playing sports, C — cyclic sports.

Показатели MxDMn и MxRMn отражают разницу и частное между максимальным и минимальным кардиоинтервалом, но с биологической точки зрения MxDMn и MxRMn являются индикаторами вклада парасимпатического отдела вегетативной нервной системы в обеспечение сердечной деятельности [9]. Также предполагается, что большая разница между максимальным и минимальным кардиоинтервалом является следствием наличия большого морфологического, а значит и функционального, резерва миокарда и нейроэндокринной системы. Показатель MxDMn достоверно больше у курсантов, занимающихся циклическими видами спорта, по отношению к курсантам, не занимающимся внеурочной локомоторной двигательной активностью, что подразумевает наличие большего адаптационного резерва у первых [10, 11]. Однако ряд авторов считает увеличение MxDMn до 500 мс и более развитием синоатриальной блокады и (или) смещением водителя ритма [12, 13].

С учетом анализа данных исследования SDNN и CV, показывающего наличие достоверных отличий между курсантами, не занимающимися внеурочной локомоторной двигательной активностью, и курсантами, занимающимися циклическими видами спорта в профильных секциях, можно говорить о том, что стратегия адаптации гемодинамики в когорте «циклические виды спорта» состоит в увеличении длительности R-R интервалов и увеличении вариабельности ритма сердца, что в свою очередь объясняется повышением вклада парасимпатической вегетативной нервной системы в регуляцию работы сердечно-­сосудистой системы [9, 14]. У когорты «игровые виды спорта» компенсаторно-­приспособительные перестройки состоят только в увеличении длительности кардиоинтервалов. У когорты «не занимающиеся» и «самозанимающиеся» наблюдается общая стратегия адаптации, заключающаяся в смешанном механизме управления ритмом сердца — по показателям временной области не было выявлено доминирующего звена регуляции (центрального или автономного контуров).

Анализ спектральных показателей вариабельности ритма сердца в фоновом состоянии также выявил ряд закономерностей в стратегии адаптации (табл. 2). Общая мощность спектра (TP или total power) была достоверно больше у курсантов, занимающихся циклическими видами спорта, по отношению к курсантам, не занимающимся внеурочной локомоторной двигательной активностью. Считается, что с ростом спортивного мастерства и уровня физической и функциональной подготовленности растет и значение TP [9, 15]. Большие значения общей мощности спектра у когорты «циклические виды спорта», вероятно, говорят о большем адаптационном резерве, формируемом за счет активации структурно-­компенсаторных процессов на клеточном и субклеточном уровнях. Но при этом изучение отдельных периодических составляющих колебаний ритма сердца показало, что у курсантов, занимающихся циклическими видами спорта, достоверно больше значение VLF (very low frequency или очень низкочастотные колебания) и LF (low frequency или низкочастотные колебания) по отношению к курсантам, занимающимся игровыми видами спорта. Данный феномен позволяет предполагать, что у курсантов, занимающихся циклическими видами спорта, в большей степени активны гипоталамический и лимбический отделы центральной нервной системы, и в большей степени реализуется ренин-­ангиотензиновая система, что связано с очень низкочастотными колебаниями; а также в большей степени увеличена активность паравентрикулярных ядер гипоталамической области, ростральных вентролатеральных ядер продолговатого мозга, участков гиппокампа, медиобазальных отделов виска, что связано с низкочастотными колебаниями [16, 17]. То есть системы нейровегетативного и нейрогормонального управления у когорты «циклические виды спорта» находятся в несколько большем напряжении, чем у других.

Однако при оценке относительных величин волновых показателей ВРС было обнаружено и статистически подтверждено, что курсанты УИГА, не занимающиеся внеурочной локомоторной двигательной активностью, имеют достоверно больший вклад очень низкочастотных колебаний в общую мощность спектра по отношению к курсантам, занимающимся в профильных спортивных секция и выступающих за сборную УИГА, и к курсантам, самостоятельно занимающимся внеурочной локомоторной двигательной активностью (рис. 1). Из чего можно сделать вывод, что, несмотря на средние величины площади спектра VLF, увеличенная доля очень низкочастотных колебаний в когорте «не занимающиеся» говорит о напряжении регуляторных систем и, возможно, развитии гиперадаптоза [9].

Наибольшей долей высокочастотных колебаний (HF, high frequency) обладают курсанты, занимающиеся игровыми видами спорта. Их показатель HF_% достоверно больше аналогичных значений курсантов, не занимающихся внеурочной локомоторной двигательной активностью, и курсантов, занимающихся циклическими видами спорта, что указывает на большую активность N. vagus и большую зависимость сердечного ритма от дыхательных изменений кровенаполнения сердечных полостей у первых по отношению ко вторым и третьим. 

Рис. 1. Соотношение спектров ВРС у курсантов института гражданской авиации в состоянии фона. Н — не занимающиеся, С — самозанимающиеся, И — игровые виды спорта, Ц — циклические виды спорта
Fig. 1. The ratio of HRV spectra among cadets of the Institute of Civil Aviation in the background state. N — non-exercising, S — self-exercising, P — playing sports, C — cyclic sports

Обобщив данные исследования волновой структуры сердечного ритма в фоновом состоянии, можно предположить наличие разных стратегий приспособления гемодинамики к учебной и физической нагрузкам у обследуемых когорт. Так наибольшей централизацией сердечного ритма по показателям спектрального анализа обладают курсанты, не занимающиеся внеурочной локомоторной двигательной активностью, у них в наибольшей степени активны кардиостимулирующие и вазоконстрикторные зоны головного мозга, а также напряжены механизмы нейроэндокринной стимуляции. Курсанты, занимающиеся циклическими видами спорта, также обладают повышенной активность центрального контура регуляции сердечного ритма, что, вероятно, связано с напряженным тренировочным процессом, однако учитывая высокие значения TP и площади спектра HF, можно предполагать наличие у них большого адаптационного, по-другому структурно-­функционального, резерва. Стратегия адаптации курсантов, занимающихся игровыми видами спорта, выглядит как увеличение влияния клеток синоатриального узла и блуждающего нерва на сердечный ритм, следствием чего является наличие респираторной синусовой аритмии [9, 10].

При переходе из положения лежа в вертикальное положение в среднем у курсантов всех когорт наблюдалась нормальная кардиоваскулярная реакция: длительность максимального и минимального кардиоинтервалов была снижена, уменьшена вариабельность ритма сердца. При наличии общего характера реакции на ортостатический стресс количественное изменение показателей временной и частотной областей вариабельности ритма сердца отличается. Например, в исследовании было показано, что когорта «не занимающиеся» обладает достоверно меньшими значениями R-R min, R-R max и RRNN, чем когорты «игровые виды спорта», «циклические виды спорта». Показатель вариабельности ритма сердца RMSSD также достоверно меньше у курсантов, не занимающихся внеурочной локомоторной двигательной активностью, по отношению к курсантам, занимающимся игровыми и циклическими видами спорта в профильных секциях.

Несмотря на примерно одинаковый уровень депрессии временных показателей ВРС относительно фоновых величин, особо низкие значения длительности кардиоинтервалов и вариабельности сердечного ритма указывают на высокую активность срочных механизмов гиперфункции миокарда у курсантов, не занимающихся внеурочной локомоторной двигательной активностью, первопричиной чего может являться малый структурно-­функциональный резерв миокарда, клеток нервной и эндокринной систем у последних.

Спектральный анализ ВРС при АОП показал снижение TP, HF-, LF- и VLF-колебаний у трех когорт: «не занимающиеся», «самозанимающиеся», «циклические виды спорта». В исследованиях Н.И. Шлык показано, что реакция на ортостатическую нагрузку зависит от типа регуляции сердечной деятельности [18]. При доминировании автономной регуляции ряд временных (R-R min, R-R max, RRNN, RMSSD, SDNN, MxDMn) и все частотные показатели ВРС должны депрессироваться на фоне активации как автономных, так и центральных систем управления. При исходном доминировании центрального контура регуляции (заведомо неблагоприятного) происходит увеличение TP за счет LF- и VLF-колебаний — данный тип реакции трактуется как парадоксальный и является нежелательным, свидетельствующим об утомлении организма. Повышение площади спектра низкочастотных и очень низкочастотных колебаний у когорты «игровые виды спорта» при АОП скорее всего связано с тяжелым течением тренировочного процесса и нарушением восстановления (рис. 2). 

Рис. 2. Парадоксальная реакция на АОП у курсантов института гражданской авиации, занимающихся игровми видам спорта
Fig. 2. Paradoxical reaction to active orthostatic test among cadets of the Institute of Civil Aviation engaged in playing sports

Наиболее благоприятной реакцией на АОП обладают курсанты, занимающиеся циклическими видами спорта в профильных секциях, их реакция на стресс заключалась в умеренном уменьшении HF-, LF- и VLF-колебаний, а также в увеличении доли низкочастотных колебаний за счет снижения доли высокочастотных и очень низкочастотных колебаний. Данная реакция реализовывалась за счет гетерохронного вовлечения в процесс регуляции сердечной деятельности симпатоадреналовой и ренин-­ангиотензин-альдостероновой систем [9].

Выводы

Проведенное исследование ряда временных и спектральных показателей вариабельности ритма сердца курсантов института гражданской авиации показало, что стратегия адаптации к учебной и физической нагрузкам будет отличаться в зависимости от типа и режима локомотрной двигательной активности. В фоновом состоянии наибольшей вариабельностью сердечного ритма по показателям RRNN, RMSSD, SDNN, MxDMn обладают курсанты, занимающиеся циклическими видами спорта в профильных секциях, у них же выявлена наибольшая длительность кардиоинтервалов. Наименьшими значениями в аналогичных показателях обладают курсанты, не занимающиеся внеурочной локомоторной двигательной активностью. Самостоятельно занимающиеся курсанты и курсанты, занимающиеся игровыми видами спорта, занимают промежуточную позицию, имея относительно средние величины длительности RR-интервалов и вариабельность ритма сердца.

Анализ показателей спектрального анализа выявил в некоторой степени противоречивую картину, с одной стороны в когорте «циклические виды спорта» были получены наибольшие значения TP, указывающие на высокий уровень развития структурно-­функциональных резервов, а с другой стороны в этой же когорте зафиксированы высокие значения VLF- и LF-колебаний, дающие право рассуждать о несколько повышенной централизации управления сердечным ритмом. Благоприятной стратегией адаптации обладали курсанты, занимающиеся игровыми видами спорта: несмотря на относительно сниженные величины TP, у этой когорты были высокие показатели площади спектра и доли дыхательных HF-колебаний.

Реакция на ортостаз у когорт «не занимающиеся», «самозанимающиеся» и «циклические виды спорта» была благоприятна и заключалась в умеренном снижении как общей мощности спектра, так и всех ее компонентов. Когорта «игровые виды спорта» продемонстрировала парадоксальную реакцию: при незначительном снижении TP было получено увеличение VLF- и LF-колебаний, что указывает на гиперреакцию кардиостимулирующих и вазоконстрикторных отделов головного мозга, вероятно связанную с периодом напряженных тренировок и утомлением.

Таким образом, итоги исследования указывают на развитие общей стратегии адаптации у курсантов, занимающихся игровыми и циклическими видами спорта в профильных секциях, и у не занимающихся и самозанимающихся курсантов. У первых в наибольшей степени сформирован адаптационный структурно-­функциональный резерв сердечно-­сосудистой и нейроэндокринной систем, хотя и выявлены признаки развивающегося утомления. Вторые же обладают меньшим резервом к адаптации, а значит и меньшим потенциальным уровнем работоспособности, физического и функционального состояния.

Результаты, полученные по итогам исследования, могут быть использованы для дифференцирования учебной и физической нагрузки и модернизации системы физического воспитания в высших учебных заведениях у летных специальностей.

Об авторах

А. И. Рязанцев

Новосибирский государственный педагогический университет; Спортивная школа олимпийского резерва «Центр водных видов спорта»

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4441-4793
SPIN-код: 5801-4238
Новосибирск, Российская Федерация

Е. К. Гребенников

Новосибирский государственный педагогический университет

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0000-5495-7922
SPIN-код: 5283-5396
Новосибирск, Российская Федерация

И. Н. Гребенникова

Новосибирский государственный педагогический университет

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0002-7466-3651
SPIN-код: 7369-2925
Новосибирск, Российская Федерация

О. В. Сорокин

ООО «Биоквант»

Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-7227-4471
SPIN-код: 2124-4186
Новосибирск, Российская Федерация

М. А. Суботялов

Новосибирский государственный педагогический университет; Новосибирский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: subotyalov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-8633-1254
SPIN-код: 9170-4604
Новосибирск, Российская Федерация

Список литературы

Дополнительные файлы