Резонансно-подобное взаимодействие колебаний кровотока в микроциркуляторном русле кожи человека при контролируемом дыхании

7. Kulikov V.E., Mednikova E.Iu., Elikhina Iu.I., Miniaev S.S. An experiment in study the Felt Carpet from Noyon uul by the method of Polipolarization // Silk Road. 2010. Vol. 8. r. 63-68.

VIABILITY STUDIES OF THE POLIPOLYARIZATION IN BIOLOGY AND MEDICINE

V.N. KIDALOV, V.E. KULIKOV, A.A. KHADARTSEV Tula State University, Medical Institute

This article presents a new material on the possibilities of the polypolarization method of studying plant and animal bio-objects, including blood, thesio-gram biological fluids and proteins. Small labour-expense and large selfdescriptiveness of the polypolarization method as well as the prospects for its use in biology and medicine are emphasized.

Key words: polypolarization methods, thesiography, biological fluids.

УДК 612.13

РЕЗОНАНСНО-ПОДОБНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КОЛЕБАНИЙ КРОВОТОКА В МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОМ РУСЛЕ КОЖИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ КОНТРОЛИРУЕМОМ ДЫХАНИИ

Г.В. КРАСНИКОВ*, Г.М. ПИСКУНОВА*, А.В. ТАНКАНАГ**,

М.Й. ТЮРИНА*, Н.К.ЧЕМЕРИС

Методом лазерной допплеровской флоуметрии исследованы респираторно-зависимые осцилляции кровотока в системе микроциркуляции кожи человека при контролируемом по глубине (40% от максимального вдоха) и частоте (0.16, 0.11, 0.07, 0.05, 0.03 Гц) дыхании. На основе анализа амплитудно-частотных характеристик исходных сигналов на базе непрерывного адаптивного вейвлет-преобразования показаны частотно-зависимые особенности формирования респираторно-связанных компонентов спектров флоуграмм. Полученные результаты объясняются с позиции резонансноподобных механизмов при совпадении частоты контролируемого дыхания и собственных колебаний кровотока в системе микроциркуляции в диапазоне нейрогенной и миогенной активности. Ключевые слова: микроциркуляция, лазерная допплеровская фло-уметрия, респираторно-зависимые колебания кровотока, резонанс, вейвлет-анализ.

Функционирование сердечно-сосудистой системы определяется взаимодействием различных ритмических процессов, среди которых наиболее значимы: основной сердечный ритм, дыхание и барорефлекторная система регуляции сосудистого тонуса. Взаимодействие между этими ритмами проявляется в наличии частотной модуляции параметров гемодинамики: кровяного давления, тонуса сосудов, линейной и объемной скорости кровотока и других. Эти модуляции обнаруживаются в сосудах всех уровней системы кровообращения и, как показывают исследования, являются одним из механизмов адаптации гемодинамики к различным внешним условиям и внутренним потребностям организма [4].

Функциональное взаимодействие сердечно-сосудистой и дыхательной систем неоднократно становилось предметом физиологических исследований [2,5,6,10,11]. В настоящее время накоплена значительная информация о влиянии ритмических характеристик дыхания на проявления тонических и фазных сдвигов в сердечном ритме и центральной гемодинамике. Известно несколько механизмов, посредством которых дыхание может модулировать активность центров сердечно-сосудистой системы. К ним относятся: 1) механические влияния; 2) рефлекторные связи между периферическими рецепторами и центральной нервной системой; 3) единство механизма химической регуляции дыхания и кровообращения; 4) взаимосвязь внутрицен-тральных механизмов контроля деятельности сердца и дыхания. Вместе с тем установлено, что конечная реакция сердечнососудистой системы определяется взаимодействием вышеуказанных, а также и некоторых нереспираторных механизмов.

Осцилляции кровотока, имеющие респираторно-зависимый характер, были исследованы и на уровне микроциркуляторного русла [3,7,8,9], однако механизмы их формирования пока недостаточно ясны. В этой связи представляет интерес исследование воздействия управляемых респираторно-зависимых осцилляций на систему микроциркуляции, в особенности, в тех случаях, когда имеет место совпадение частот контролируемых воздействий и собственных колебаний кровотока в системе микроциркуляции [1].

* ГОУВПО Тульский государственный педагогический университет

им. Л.Н.Толстого, Тула, physiology@tspu.tula.ru Институт биофизики клетки РАН, Пущино, nkc@inbox.ru

Цель исследования - исследование взаимодействия респираторно-зависимых и спонтанных осцилляций кровотока в системе микроциркуляции кожи человека при контролируемом по частоте и глубине дыхании.

Материалы и методы исслеования. Исследование осцилляций кожного кровотока проводили методом лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ). Используя лазерный анализатор кожного кровотока ЛАКК-02 (НПП «ЛАЗМА», Россия, длина волны 0,63 мкм, мощность излучения 0.5 мВт), регистрировали показатель микроциркуляции (ПМ), характеризующий степень перфузии ткани кровью. ПМ измеряется в условных - перфузи-онных - единицах (пф.ед.). Частота дискретизации лазерной допплеровской флоуграммы (ЛДФ-граммы) составляла 16 Гц. Регистрацию ПМ осуществляли на наружной поверхности левого предплечья вблизи лучезапястного сустава. Одновременно осуществляли регистрацию дыхательных экскурсий (пневмография), используя ленточный потенциометрический датчик механического типа, закрепленный на грудной клетке испытуемых. Частота дискретизации пневмограммы составляла 10 Гц.

Исследование проведено на группе из 11 практически здоровых девушек-студенток 19-23 лет, нормального телосложения (вес 60±11 кг, рост 166±5 см, АД 119±7/69±7 мм рт. ст., пульс 73±11 уд/мин). Измерения проводили в изолированном помещении при температуре 22-24°С после предварительного 5-ти минутного периода адаптации к условиям помещения. Во время проведения эксперимента испытуемые находились в положении сидя. Испытуемые воздерживались от курения, приема вазоактивных препаратов, алкогольных и кофеиносодержащих напитков по крайней мере за 4 часа до исследования. Все испытуемые давали добровольное согласие на участие в эксперименте на основе полной информированности о методе и ходе проведения процедуры.

Для каждого испытуемого регистрировали 6 последовательных 5-минутных записей при естественной и заданной частотах дыхания. Частота и глубина контролируемого дыхания задавались визуально на мониторе компьютера посредством демонстрации синусоидальных колебаний, с которыми испытуемые синхронизировали собственные дыхательные движения. Частота эталонных колебаний задавала частоту управляемого дыхания, амплитуда -его глубину. Значения частот контролируемого дыхания были выбраны исходя из равномерности их распределения в логарифмическом масштабе частоты (0.16, 0.11, 0.07, 0.05, и 0.03 Гц) и попадали в диапазоны частот миогенной и нейрогенной активности. Задаваемая величина глубины дыхания была подобрана в результате предварительных экспериментов с учетом относительного комфорта испытуемых при всех указанных режимах дыхания на протяжении 5 минут. Глубина дыхания была фиксированной при всех используемых режимах контролируемого дыхания и составила 40% от величины индивидуального максимума, полученного при выполнении процедуры оценки жизненной емкости легких. Перед каждой записью испытуемым предоставлялся двухминутный период для адаптации к заданной частоте дыхания.

Анализировали амплитудно-частотные характеристики (спектры) оригинальных ЛДФ-грамм и пневмограмм, полученные на основе алгоритмов, реализующих непрерывное адаптивное вейвлет-преобразование [12]. Сравнительный анализ результатов проводили на основе однофакторного дисперсионного анализа для повторных измерений. Достоверность различий принималась при уровне значимости р<0.05.

Результаты и их обсуждение. Усредненные амплитудночастотные характеристики ЛДФ-грамм при естественном и трех из используемых режимов контролируемого дыхания представлены на рис. 1. При анализе ЛДФ-грамм, зарегистрированных в состоянии покоя при естественной частоте дыхания, амплитуда респираторно-зависимых осцилляций выражена слабо (рис. 1А). В нативном состоянии наиболее выражены осцилляции в диапазоне частот от 0,01 до 0,1 Гц. Как известно в указанном частотном диапазоне реализуются собственные колебания кровотока в микроциркуляторном русле обусловленные миогенной, нейрогенной и эндотелиальной активностью [3,4,12]. Кроме того, отчетливо выражены пульсовые колебания.

В условиях контролируемого дыхания амплитуда респираторно-связанных колебаний кровотока, по сравнению с естественным дыханием, значительно возрастает. В спектрах ЛДФ-грамм отчетливо выражены пики на частоте, соответствующей частоте контролируемого дыхания (рис. 1Б, В, Г).

частота

Рис. 1. Усредненные амплитудно-частотные характеристики ЛДФ-грамм при естественном (~ 0.25 Гц) (А) и контролируемом дыхании с частотой 0.16 (Б), 0.07 (В) и 0.03 Гц (Г). Указаны численные значения основных и дополнительных частот локальных максимумов амплитуд респираторнозависимых колебаний. Усреднено по данным 11 испытуемых.

На амплитудно-частотных характеристиках ЛДФ-грамм помимо пиков на частоте дыхания характерно появление дополнительных пиков на частотах, кратных частоте дыхания. Так при частоте дыхания 0.16 Гц (рис. 1Б) на спектре появляются дополнительные пики на частоте 0.08 Гц (хорошо выраженный) и 0.32 Гц (менее выраженный). Система, формирующая колебания кровотока в микроциркуля-торном русле, осуществляет операцию деления и умножения частоты вдвое. Так, в условиях контролируемого дыхания с частотой 0.03 Гц наблюдается пик на частоте, соответствующей только удвоению значения частоты дыхания - 0.06 Гц (рис. 1Г). Наличие аналогичных, удвоенных по частоте, пиков обнаруживается и в условиях контролируемого дыхания с частотами 0.11 и 0.05 Гц - 0.22 и 0.1 Гц соответственно. В случае дыхания с частотой 0.07 Гц обособленные пики, кратные частоте дыхания, не выражены (рис. 1В).

Статистические характеристики величины ПМ, а также амплитуд респираторных колебаний на основной частоте, пульсовых и эндотелий-зависимых колебаний кровотока представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатель микроциркуляции и амплитуда колебаний кровотока в условиях естественного и контролируемого дыхания

Частота дыхание

респираторно- зависимые пульсовые эндотелий- зависимые

естественная 4.05 ± 2.14 0.16±0.15 0.23±0.23 0.29±0.13

0.16 3.11±1.19* 0.31±0.13 0.14±0.10'' 0.19±0.10'

0.11 3.16±1.42* 0.44±0.26 0.14±0.10'' 0.19±0.10'

0.07 3.51±1.63' 0.70±0.48' 0.17±0.13 0.23±0.14'

0.05 4.07±2.24 0.64±0.45* '' 0.20±0.16 0.27±0.14

0.03 5.24±3.25 0.73±0.48* '' 0.26±0.23 0.33±0.21

Примечание: Усреднено по данным 11 испытуемых.

Представлены средние значения ± стандартные отклонения.

- различия достоверны по сравнению с дыханием на частоте 0.03 Гц,

- различия достоверны по сравнению с естественным дыханием.

По сравнению с естественным, при контролируемом дыхании с частотами от 0,16 до 0,07 Гц, спектральная амплитуда в диапазоне 0,01-0,02 Гц (эндотелий-зависимые колебания) оказывается достоверно ниже (табл. 1). При частоте дыхания 0,05 и 0,03 Гц спектральная амплитуда колебаний в указанном диапазоне частот контролируемого дыхания вновь достигает исходного уровня. Аналогичная динамика характерна и для амплитуды пика на частоте пульсовых колебаний. При естественном дыхании

величина усредненной амплитуды пульсовой волны составляет примерно 0,23 пф. ед. В режиме контролируемого дыхания с частотой 0,16 и 0,11 Гц она достоверно снижается до 0,14 пф. ед. Затем с дальнейшим уменьшением частоты дыхания, амплитуда пульсовых колебаний начинает возрастать и на частоте дыхания 0,03 Гц выходит на исходный уровень (0,26 пф. ед.).

Амплитуда респираторно-связанных осцилляций периферического кровотока при контролируемом дыхании с фиксированной глубиной дыхания меняется немонотонно. В диапазоне от 0,05 до

0,16 Гц наблюдается резкое увеличение значений амплитуды колебаний с максимумом на частоте 0,07 Гц. Затем на частоте 0,05 Гц амплитуда дыхательной волны несколько уменьшается, после чего при частоте 0,03 Гц вновь возрастает. Необходимо отметить, что значения амплитуды дыхательного компонента в спектрах ЛДФ-грамм характеризуются высокой индивидуальной вариабельностью, в особенности при частотах дыхания 0,03, 0,05 и 0,07 Гц.

Как известно, местом локализации респираторно-связанных осцилляций в системе микроциркуляции является венулярное звено микрососудистого русла. Выраженность этих колебаний в нативном состоянии определяется величиной градиента артерио-венозного давления, в норме - относительно высокого [3,4]. При естественной частоте и глубине дыхания, дыхательный компонент на амплитудно-частотных спектрах ЛДФ-грамм проявляется слабо. При используемых нами режимах контролируемого дыхания наблюдается значительная (в 2-5 раз большая) выраженность респираторно-связанных колебаний периферического кровотока. По-видимому, в первую очередь это обусловлено большей глубиной контролируемого дыхания, по сравнению с естественным. Как уже указывалось, нами была выбрана величина глубины дыхания, соответствующая 40% от индивидуального максимума, зафиксированного при выполнении процедуры оценки жизненной емкости легких, в то время как глубина естественного дыхания в покое составляет по нашим данным 5-15% от максимума. Основным механизмом формирования дыхательной волны на уровне микроциркуля-торного русла является динамика венозного давления вследствие присасывающего действия грудной клетки. Увеличение глубины дыхания приводит к возрастанию градиента венозного давления крови и, соответственно, появлению выраженной дыхательной волны. В этом случае, указанный механизм носит пассивный гидростатический характер, т.е. респираторно-зависимые колебания реализуются за счет распространения волны давления, не затрагивая собственные активные механизмы регуляции сосудистого тонуса. В отношении взаимосвязи дыхания и периферического кровотока известны и активные механизмы, например инспираторный вазомоторный рефлекс (в англоязычной литературе IGR - inspiratory gasp response), проявляющийся в снижении ПМ в ответ на резкий глубокий вдох. Однако, указанный механизм актуален для областей кожи, богатых артериовенозными анастомозами (кожа пальцев рук и стоп) и имеющих выраженную адренергическую иннервацию [4,7,8,9]. В настоящем исследовании регистрация ПМ осуществлялась в коже предплечья, где представительство анастомозов в составе микроциркуляторного русла незначительно, кроме того, развитие дыхательной волны происходило по типу вазодилатации и сопровождалось увеличением ПМ в фазу вдоха.

Описанные изменения амплитуд осцилляций кровотока в диапазоне эндотелий-зависимых и пульсовых колебаний, по нашему мнению, отражают реактивные изменения компенсаторного характера вследствие реализации высокоамплитудных дыхательных колебаний. По-видимому, возникающее при этом механическое напряжение сосудистой стенки активирует эндотелий-зависимые механизмы вазодилатации и, как следствие, возрастает амплитуда пульсовой волны.

Нами показано, что амплитуда респираторно-зависимых колебаний существенным образом зависит от частоты дыхания, причем зависимость имеет нелинейный характер. В диапазоне частот дыхания 0,07-0,03 Гц амплитуда дыхательной волны в периферическом кровотоке значительно превосходит таковую при дыхании с частотами более близкими к естественному дыханию. В настоящем исследовании контролируемое дыхание осуществлялось с фиксированной глубиной, поэтому можно с уверенностью говорить о частотно-зависимых механизмах формирования дыхательной волны. С учетом характера зависимости можно предположить, что в основе этого лежат резонансно-подобные механизмы. Выявленные особенности реакции могут быть обусловлены резонансным усилением амплитуды осцилляций при совпадении частоты респираторно-зависимых осцилляций, пас-

сивно распространяющихся продольно по оси сосудов в виде волны давления и частоты собственных флаксмоций периферического кровотока (в данном случае осцилляций кровотока в диапазоне нейрогенной и миогенной активности), формирующихся как поперечные колебания вследствие ритмических сокращений гладкомышечных клеток стенки сосудов. Этот эффект может иметь место не только для колебаний, непосредственно совпадающих с частотой дыхательного ритма, но и для колебаний кровотока, появляющихся на частотах, кратных частоте дыхания - их гармоник и субгармоник.

Наличие резонансных механизмов взаимодействия дыхательной и сердечно-сосудистой систем ранее было показано на уровне регуляции сердца и центральной гемодинамики [2,10]. Дыхание с увеличенным периодом дыхательного цикла создает условия для резонанса дыхательного ритма с другими физиологическими ритмами организма человека. Показано, что при этом «водителем ритма» является именно дыхательный центр, обладающий наиболее медленной ритмикой. Это явление наблюдается не только при взаимодействии центров, регулирующих вегетативные функции, но и при взаимодействии центров, регулирующих дыхательную (вегетативную) и соматические функции, а также при взаимодействии древних в эволюционном плане регуляторов вегетативных функций с высшими, наиболее молодыми и адаптивными регуляторами, находящимися в верхних отделах мозга, включая кору.

Выводы. В рамках исследования физиологических эффектов управляемого дыхания на уровне системы микроциркуляции выявлена возможность формирования колебаний кровотока, обусловленных дыханием, в широком диапазоне частот дыхательного ритма - 0,16-0,03 Гц. Продемонстрированы частотнозависимые особенности воздействия контролируемого по частоте и глубине дыхания на ритмическую структуру периферического кровотока кожи человека.

Предложена гипотеза резонансно-подобного взаимодействия респираторно-зависимых колебаний и собственных осцилляций кровотока в диапазонах миогенной и нейрогенной активности. Предположительно, эффект имеет место не только для колебаний, непосредственно совпадающих с частотой дыхательного ритма, но и для колебаний кровотока, кратных частоте дыхания (гармоник и субгармоник).

Выявленные особенности амплитудно-частотных характеристик респираторно-связанных колебаний кровотока в микро-циркуляторном русле могут быть обусловлены структурнофункциональными особенностями артериолярного и венулярного звеньев микроциркуляторного русла кожи.

Полученные результаты вносят вклад в понимание механизмов ряда терапевтических эффектов дыхательных упражнений, а также открывают новые возможности для разработки методов активации различных регуляторных механизмов в системе микроциркуляции.

Работа поддержана грантом РФФИ № 09-04-00902.

Литература

1. Кирилина Т.В. и др. // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2009.Т. 8. № 2. С. 58-62.

2. Киселев А. Р. и др. // Физиология человека. 2005. Т. 31. № 3. С. 76-83.

3. Крупаткин А. И. // Физиология человека. 2008. Т. 34. № 3. С. 70-76.

4. Лазерная доплеровская флоуметрия микроциркуляции крови. Руководство для врачей / Под. ред. А. И. Крупаткина, В. В. Сидорова. М.: Медицина, 2005. 256 с.

5. Прохоров М. Д. и др. // Биофизика. 2005. Т. 50 № 5. С. 914919.

6. Bernardi L. et al. // Am. J. Physiol. Heart. Circ. Physiol. 1997. V. 273. P. 1867-1878.

7.MayrovitzH.N. еt. al. // Clin. Physiol. Funct. Imaging. 2005. V. 25. P. 69-74.

8.Muck-Weymann M.E. et al. // Microvasc. Res. 1996. V. 52. P. 69-78.

9. Rauh R. et al. // Clin. Physiol. Funct. Imaging. 2003. V. 23. T.6. P. 344-348.

10. Stefanovska A. // Nonlinear Phenom. Complex. Syst. 2002. V. 5. P. 462-469.

11. Stefanovska A. // IEEE Eng. Med. Biol. Mag. 2007. V. 26. P. 25-29.

12. Tankanag A. V., Chemeris N. K. // Phys. Med. Biol. 2008. V. 53. № 21. P. 5967.

RESONANT-TYPE INTERACTION OF THE SKIN BLOOD FLOW OSCILLATIONS AT CONTROLLABLE BREATH IN HUMAN

G.V. KRASNIKOV, G.M. PISKUNOVA, A.V. TANKANAG,

M.Y. TYURINA, N.K. CHEMERIS

Tula State Pedagogical University after L.N. Tolstoy Pushchino Institute of Cell Biophysics of the Russian Academy of Sciences

Respiratory-dependent blood flow oscillations in human skin microcirculatory system at controllable breathing depth (40% from maximal inspiration) and rate (0,16, 0,11, 0,07, 0,05, 0,03 Hz) have been studied by laser Doppler flowmetry technique. Frequency-dependent features of respiratory-bound compositions of flowgram spectral components are shown with analysis of amplitude-frequency characteristics of initial signals using adaptive wavelet transform. The results obtained are explained with the position of the resonant-type mechanisms when breathing rates coincide with natural neurogenic and myogenic oscillations in microcirculatory system.

Keywords: microcirculation, laser Doppler flowmetry, respiratory-dependent blood flow oscillations, resonance, wavelet analysis.

УДК 613.2

МЕТОДЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА В ИЗУЧЕНИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО И БИОХИМИЧЕСКОГО СТАТУСА ДЕТЕЙ НЕКОРЕННОЙ НАЦИОНАЛЬНОСТИ ЮГРЫ

В.М.ЕСЬКОВ, Г.Л. ГОРЫНИН, А.Г. ПРИВАЛОВА,

А.А. ГОВОРУХИНА, О.И.ХИМИКОВА*

Метод и программный продукт для идентификации параметров квазиаттракторов вектора состояния детского организма (на примере состояния функционального и биохимического статуса детей некоренной национальности Севера), используется как эффективный показатель (маркер) напряжения адаптации и нарушения микронутри-ентного статуса. Последние, существенно влияют на качество жизни детского населения Ханты-Мансийского автономного округа - Юг-ры, что подтверждается количественно изменениями параметров квазиаттракторов. Главная задача настоящих исследований является изучение особенностей функционального и биохимического статуса детей, проживающих в северном регионе.

Ключевые слова: квазиаттракторы, биохимический статус, системный анализ, дети, некоренная национальность

В последние два десятилетия физическому развитию, функциональному состоянию и рациональному питанию населения посвящено много работ как в нашей стране, так и за рубежом. В современной литературе существенно повысился интерес к изучению веществ, не являющихся лекарственными средствами, но необходимых для поддержания на адекватном уровне обменных процессов и гомеостаза. К таким веществам относятся в первую очередь витамины и микроэлементы [1,2].

Массовые обследования, регулярно проводимые лабораторией витаминов и минеральных веществ НИИ питания РАМН, однозначно свидетельствуют, что в настоящее время наиболее распространенным и опасным отклонением питания от физиологических норм является дефицит витаминов и минеральных веществ среди взрослого и детского населения нашей страны [3,4,5]. Это связано как с низким уровнем их потребления, переходом к рафинированной, консервированной и термически обработанной пище, богатой углеводами и жирами, которая бедна витаминами и минеральными веществами, так и высоким расходованием в условиях хронического экологического стресса, что характерно для Югры.

Таким образом, недостаточность сведений о взаимосвязи показателей физического развития, функционального состояния и микронутриентного статуса детей Среднего Приобья, определяет значимость выбранного научного направления.

Цель исследования — системный анализ функционального и биохимического статуса детей некоренной национальности, проживающих в северном регионе.

Материалы и методы исследования. Для решения поставленной цели и задач было проведено комплексное изучение

* ГОУ ВПО «Сургутский государственный педагогический университет», 628400, г. Сургут, ул. Артема, 9, тел.: (3462) 35-75-27