Произвольное формирование гиповентиляционного дыхания на фоне физических упражнений как средство повышения выносливости человека к интенсивной физической нагрузке

ПРОИЗВОЛЬНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ГИПОВЕНТИЛЯЦИОННОГО ДЫХАНИЯ

НА ФОНЕ ФИЗИЧЕСКИХ УПРАЖНЕНИЙ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ ВЫНОСЛИВОСТИ ЧЕЛОВЕКА К ИНТЕНСИВНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКЕ

Н.А. ФУДИН, С.Я. КЛАССИНА С.Н. ПИГАРЕВА, НИИ нормальной физиологии им. П.К. АНОХИНА РАМН, Москва, Россия;

Ю.Е. ВАГИН,

Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России, Москва, Россия

Аннотация

Целью данного исследования являлось изучение влияния гиповентиляционных тренировок, проводимых на фоне физических упражнений, на функциональное состояние и выносливость человека при физической работе до отказа. В обследовании приняли участие 18 молодых мужчин-добровольцев, которые выполняли физическую работу на велоэргометре до отказа. Испытуемые были разделены на 2 группы: основную и контрольную. Обучение методике гиповентиляционного дыхания на фоне физических упражнений проводили в лаборатории только у испытуемых основной группы 1 раз в неделю по 60 мин в течение 5 недель. До и после обучения методике гиповентиляционного дыхания все испытуемые принимали участие в 2-х однотипных обследованиях, где им было предложено выполнить нагрузочное тестирование на велоэргометре до отказа. Функциональное состояние испытуемых исследовали в покое и при нагрузочном тестировании. При этом регистрировали ЭКГ, пневмограмму и ЭМГ с четырехглавой мышцы правого бедра. Измеряли время физической работы до отказа. До и после обследования оценивали длительность задержек дыхания на вдохе. Показано, что гиповентиляционное дыхание на фоне физических упражнений вдвое повышает физическую работоспособность испытуемых, однако это повышение требует от организма значимого увеличения «физиологической цены». В момент отказа от выполнения интенсивной физической работы отмечена выраженная тенденция к снижению мышечного усилия и слабая тенденция к снижению частоты разрядов альфа-мотонейронов. Полагаем, это связано с развитием охранительного торможения коры, присущего крайней степени утомления. Гиповентиляционное дыхание на фоне физических упражнений способствует повышению гипоксической

устойчивости к двигательной гипоксии.

Ключевые слова: спорт, работа до отказа, гиповентиляционные тренировки, физическая работоспособность,

«физиологическая цена», функциональное состояние.

VOLUNTARY FORMATIONING OF THE HYPOVENTILATION RESPIRATION CONDUCTED AGAINST THE BACKGROUND OF PHYSICAL EXERCISES AS MEAN OF IMPROVING OF THE PERSON'S FUNCTIONAL STATE AND IT ENDURANCE AT PHYSICAL WORK TO FAILURE

N.A. FUDIN, S.YA. KLASSINA, S.N. PIGAREVA, P.K. Anokhin Research Institute of Normal physiology RAMS, Moscow, Russia

YU.E. VAGIN,

Sechenov First Moscow State Medical University, Moscow, Russia

Abstract

The purpose of this research was to study of the influence of hypoventilation training conducted against the background of physical exercises on the person's functional state and their endurance at physical work to failure. In the survey 18 young volunteers took part in performing physical work on the bicycle ergometer to the point of refusal. Subjects were divided into 2 groups: the main group and the control group. Training in hypoventilation breathing in combination with physical exercises was carried out only for subjects of the main group, in the laboratory, once a week for 60 minutes for 5 weeks. Before and after training in the hypoventilation breathing technique, all subjects took part in 2 similar examinations, where they were asked to perform stress testing on a bicycle ergometer to failure. The subjects' condition was examined at rest and under load testing. During load testing ECG, pneumogram and EMG from the quadriceps muscle of the right thigh were recorded. The time of physical work to failure was measured. Before and after the examination, the duration of breath holding on inspiration was assessed. It is shown that the hypoventilation training conducted against the background of physical exercises doubles the subject's physical performance; however this increase requires from the body to significantly increase the "physiological price". Into time of refusal to perform intensive physical work, there was a marked tendency to decrease muscular effort against the background of a decrease in the frequency of the alpha-motoneurons discharges. We believe that it's due to the development of protective inhibition of the cortex, inherent in extreme fatigue. The hypoventilation breathing on the background of physical exercises contributes to increasing the hypoxic resistance to motor hypoxia.

Keywords: sports, work to failure, hypoventilation training, endurance, "physiological price", functional state.

Введение

Известно, что мышечная система человека тесно сопряжена с работой дыхательной системы, и в частности, с работой вентиляторного аппарата. На всякое изменение легочной вентиляции организм человека реагирует изменением параметров внутренней среды [1, 6, 8]. В связи с этим проблема произвольного формирования гиповентиляционного дыхания, направленного на формирование новых вентиляторно-газообменных отношений, становится особенно актуальной.

В настоящее время установлено, что обучение произвольному гиповентиляционному дыханию (ГВД) посредством изменения его паттерна, формирует у человека новый динамический стереотип дыхания, приводящий

к изменению газового состава альвеолярного воздуха и артериальной крови. Обучение гиповентиляционному дыханию не только формирует стереотип уреженного дыхания, но и повышает гипоксическую устойчивость человека [9-11]. Однако можно предположить, что эффективность обучения ГВД повысится, если процедура обучения ГВД будет происходить на фоне физических упражнений.

Цель данного исследования: изучить влияние гипо вентиляционных тренировок, проводимых на фоне физических упражнений, на функциональное состояние и выносливость человека при физической работе до отказа.

Методы исследования

В обследовании приняли участие 18 практически здоровых добровольцев (мужчины 18-19 лет), регулярно занимающихся физической культурой. Все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере предлагаемого эксперимента и дали письменное согласие на участие в исследованиях. Программа эксперимента была одобрена Комиссией по биомедицинской этике НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина.

Испытуемые были разделены на 2 группы: основную (ОГ) - 12 человек, которые в течение 5 недель обучались ГВД на фоне физических упражнений, и контрольную (КГ) - 6 человек, которые не обучались этой методике вовсе. Обучение методике ГВД проводили в лаборатории на фоне физических упражнений у испытуемых ОГ

2 раза в неделю по 60 мин в течение 5 недель. Суть этой новой комплексной методики состояла в следующем: сначала на фоне задержки дыхания на вдохе испытуемые выполняли приседания до отказа, после чего следовало 15-минутное обучение самой методике ГВД. После 2-минутного отдыха - приседания до отказа, и 15-минутное обучение ГВД повторяли снова (рис. 1). В основе обучения ГВД лежали дыхательные тренинги по схеме: вдох - 1,2 с, выдох - 1,5 с, пауза после выдоха -(7-10 с), направленные на формирование у испытуемого уреженного дыхания. Обучение происходило на основе словесной инструкции. В остальные дни испытуемые закрепляли навыки ГВД самостоятельно, выполняя задержки дыхания на вдохе 3 раза в день.

Приседания до отказа на фоне задержки дыхания на вдохе

Обучение

ГВД

I s 5 Приседания

см _ до отказа

X на фоне задержки

ъ s дыхания

н О на вдохе

Обучение

ГВД

ё

Рис. 1. Схема обучения испытуемых основной группы методике гиповентиляционного дыхания, проводимой на фоне физических упражнений

До и после обучения ГВД, проводимого на фоне физических упражнений, испытуемые обеих групп принимали участие в 2-х однотипных обследованиях, где им было предложено выполнить нагрузочное тестирование на велоэргометре до отказа (мощность нагрузки 160 Вт). Скорость вращения педалей была постоянной и составляла 1 об./с (прибор '^ЮМА-Ьс-509", датчик которого крепился к педали велоэргометра). 1-е обследование проводилось до обучения ГВД на фоне физических упражнений, 2-е обследование - после обучения. В процессе обследований испытуемые пребывали в следующих состояниях: «исходный фон» (2,5 мин), «разминка - 60 Вт» (2 мин), «тестовая физическая нагрузка до отказа» при мощности 160 Вт на фоне постоянной скорости вращения педалей - 1 об./с, «восстановление» (6 мин). Длительность нагрузочного тестирования определялась отказом

самого испытуемого от продолжения физической работы (Тотк., с) и определена нами как выносливость к физической нагрузке.

Для нагрузочного тестирования был использован велоэргометр "Sports Art 5005", а само тестирование велось под контролем электрокардиографии (ЭКГ) и пневмографии (компьютерный электрокардиограф «Поли-Спектр-8», «Нейрософт», Иваново), а также электромиографии (ЭМГ) с помощью компьютерного электромиографа («Синапс» - «Нейротех», Таганрог). ЭКГ регистрировали в I стандартном отведении и грудном отведении «V5». На основе ЭКГ в исходном фоне и в процессе выполнения тестовой физической нагрузки оценивали частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд./мин) и частоту дыхания (ЧД, 1/мин), оценивали время выполнения тестовой физической работы до отказа

É*)

(Тотк, с). В процессе выполнения тестовой нагрузки производилась также регистрация суммарной ЭМГ с четырехглавой мышцы правого бедра, на основе которой оценивали среднюю амплитуду ЭМГ (Аср, мВ) и число турнов (число колебаний потенциала ЭМГ с амплитудой более 100 мкВ) [4]. Кроме того, в исходном состоянии и после восстановления у испытуемых измеряли задержки дыхания на вдохе (з/д, с).

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием непараметрических критериев. Достоверность различия одноименных показателей определяли на основе критерия Вилкоксона и Манна-Уитни.

Результаты исследования и их обсуждение

У спортсмена при интенсивной мышечной нагрузке потребность мышц в кислороде резко повышается, что сопровождается ростом нарастающей гипоксии. В связи с этим проблема устойчивости испытуемых к гипоксии становится особенно актуальной и требует использования различных дыхательных практик, как, например, обучение произвольному гиповентиляционному дыханию.

На рис. 2 представлены гистограммы задержек дыхания на вдохе у лиц основной и контрольной групп до и после обучения ГВД, проводимого на фоне физических упражнений.

Из рисунка видно, что после обучения ГВД на фоне физических упражнений у лиц ОГ отмечается значимое увеличение задержек дыхания на вдохе ^ < 0,05), в то время как у лиц КГ, не обучавшихся методике ГВД, величина задержек дыхания сохраняется на исходном уровне. Отсюда следует, что испытуемые основной группы после обучения ГВД на фоне физических упражнений обладают большей устойчивостью к гипоксии. Именно обуче-

ние гиповентиляционному дыханию способно повысить гипоксическую устойчивость человека при физической нагрузке, поскольку оно модифицирует физиологический механизм дыхания, снижает чувствительность хемо-рецепторов дыхательного центра и рефлексогенных зон периферических сосудов к высокому уровню СО2.

О выносливости испытуемых следует судить не только по тому, как долго испытуемый может выполнять физическую работу до отказа, но и какова «физиологическая цена» этой работы [3, 5]. В таблице представлены средние значения времени физической работы до отказа (Тотк, с) и «физиологической цены» (р, %) этой работы у испытуемых до и после обучения ГВД на фоне физических упражнений.

160 140 120 100 80 60 40

Т

ОГ

До обучения

КГ

После обучения

Рис. 2. Средние значения величин задержек дыхания на вдохе (з/д, с) у испытуемых основной (ОГ) и контрольной (КГ) групп до и после обучения ГВД на фоне физических упражнений

* P < 0,05 - достоверность различия показателя у испытуемых основной и контрольной групп до и после обучения ГВД на фоне физических упражнений

Таблица

Средние значения времени физической работы до отказа и «физиологической цены» этой работы в 1-м и во 2-м обследовании у испытуемых основной и контрольной групп

Показатель Группа 1-е обследование 2-е обследование

Тотк. (с) Основная 165,1 ± 25,6 307,3 ± 52,0*

Контрольная 132,0 ± 28,0 158,2 ± 19,9**

р (%) Основная 118,9 ± 8,0 307,3 ± 52,0*

Контрольная 117,9 ± 10,7 123,8 ± 10,1

* Р < 0,05 - уровень значимости различия показателя в 1-м и 2-м обследовании.

** Р < 0,05 - уровень значимости межгруппового различия показателя во 2-м обследовании.

Видно, что ГВД на фоне физических упражнений почти вдвое повышает выносливость испытуемых ОГ -с 165,1 ± 25,6 с до 307,3 ± 52,0 с ^ < 0,05), в то время как выносливость лиц КГ повышается незначительно. «Физиологическая цена» также повысилась, причем у испытуемых ОГ это повышение было статистически значимо ф < 0,05). Необходимо отметить, что существенный вклад в повышение «физиологической цены» внесла функция дыхания. Так, если у лиц ОГ в 1-м обследовании сдвиг частоты дыхания по отношению к исходному фону в момент отказа от тестовой физической нагрузки составил

48,5 ± 6,6%, то во 2-м обследовании (после обучения ГВД на фоне физических упражнений) этот сдвиг повысился до 104,7 ± 24,6% статистически значимо ^ < 0,05). Испытуемые при этом жаловались на одышку. Таким образом, обучение ГВД, проводимое на фоне физических упражнений, способствовало достоверному повышению выносливости испытуемых основной группы, однако это повышение потребовало от их организма достоверного увеличения «физиологической цены». «Физиологическая цена» у лиц контрольной группы практически не менялась.

Медико-биологические проблемы спорта

В соответствии с результатами исследования И.С. Бре-слава и Н.И. Волкова (2002) феномен отказа от выполнения интенсивной физической работы - это мотивируемая непереносимость предложенной физической нагрузки. Отказ определяется уровнем тренированности спортсмена, интенсивностью нагрузки и др. факторами, однако это всегда результат индивидуальной самооценки уровня физической нагрузки и возможностей собственного организма. В основе механизма отказа лежит афферентная импульсация, несущая информацию о мышечных усилиях и напряжении функции дыхания [2].

Динамика амплитуды ЭМГ в момент отказа от интенсивной физической работы представлена на рис. 3.

Ш 2.5 2

а 2

о

< 1,5 1

1

ОГ

1 -е обследование

КГ

2-е обследование

Рис. 3. Средние значения амплитуды ЭМГ (Аср, мВ) в момент отказа от тестовой нагрузки в 1-м и 2-м обследованиях у лиц основной и контрольной групп

Из рис. 3 видно, что во 2-м обследовании у лиц обеих групп средняя амплитуда ЭМГ имеет тенденцию к снижению по сравнению с 1-м обследованием. Учитывая, что после обучения ГВД, проводимого на фоне физических упражнений, испытуемые ОГ «работали до отказа» почти вдвое дольше, чем испытуемые КГ, то и сдвиг показателя Аср у них был больше и составил (-26,3%) против (-17,8%) соответственно. Отсюда следует, что в момент отказа от физической работы снижение мышечного усилия у лиц ОГ было более выражено. Число турнов в обеих группах имело лишь слабую тенденцию к снижению и составило (-1,15%) для ОГ и (-1,8%) для КГ.

Известно, что в основе развития утомления лежит снижение возбудимости коры больших полушарий из-за длительного действия проприоцептивной импульсации, которая тормозит спинальные альфа-мотонейроны и тем самым блокирует действие корковой двигательной им-пульсации. Если утомление не столь велико и еще может быть преодолено волевым усилием человека, то такие параметры ЭМГ, как амплитуда и частота, продолжают расти. Однако, «...при крайнем утомлении мыщц амплитуда и частота ЭМГ снижаются» [7, с. 339], что в конечном итоге ведет к снижению мышечного усилия. Тогда с учетом сказанного, можно предположить, что снижение мышечного усилия при нажатии на педаль велоэрго-метра в момент отказа обусловлено именно развитием утомления мышц. Таким образом, после обучения ГВД, проводимого на фоне физических упражнений, у лиц основной группы в момент отказа от нагрузки отмечалась одышка и выраженная тенденция к снижению мышечного усилия и слабая тенденция к снижению частоты разрядов альфа-мотонейронов (числа турнов), что характерно для крайней степени утомления. Полагаем, это связано с изменениями в состоянии корковых нервных центров и развитием охранительного торможения коры.

Выводы

1. Показано, что гиповентиляционное дыхание, формируемое на фоне физических упражнений, почти вдвое повышает выносливость испытуемых, однако это повышение требует от организма статистически значимого увеличения «физиологической цены».

2. В момент отказа от интенсивной физической работы отмечена выраженная тенденция к снижению мышечного усилия и слабая тенденция к снижению частоты разрядов альфа-мотонейронов. Полагаем, это связано с развитием охранительного торможения коры, присущего крайней степени утомления.

3. Испытуемые основной группы по сравнению с контрольной после обучения гиповентиляционному дыханию, проводимого на фоне физических упражнений, обладают большей устойчивостью к двигательной гипоксии.

Литература

1. Бреслав, И.С. Произвольное управление дыханием у человека. - Л.: Наука, 1975. - 152 с.

2. Бреслав, И.С., Волков, Н.И. Феномен отказа в мышечной деятельности. Роль системы дыхания // Физиология человека, 2002. - Т. 28. - № 1. - С. 121-129.

3. Классина, С.Я. Физиологическая модель социального взаимодействия тренер - спортсмен в процессе тренировки на велоэргометре // Вестник новых медицинских технологий. - 2014. - Т. 21. - № 3. - С. 122-126.

4. Прянишникова, О.А., Городничев, Р.М., Городни-чева, Л.Р., Ткаченко, А.В. Спортивная электронейромио-графия // Теория и практика физической культуры. -2005. - № 9. - С. 6-11.

5. Рыжиков, Г.В., Классина, С.Я. Пространственно-временная структура «кванта» производственной деятельности контролера и его физиологическое обеспечение // Физиология человека, 1984. - Т. 10. - № 1. - С. 144-152.

6. Солопов, И.Н. Воздействие на эффективность вентиляции и газовый гомеостаз посредством произвольного управления дыханием при мышечной работе // Системные механизмы и управление специальной работоспособностью спортсменов. - Волгоград, 1984. - С. 126138.

7. Физиология мышечной деятельности, труда и спорта / в серии «Руководство по физиологии» / ред. К.М. Смирнов. - Л.: Наука, 1969. - 585 с.

8. Фудин, Н.А. Физиологическая целесообразность произвольной регуляции дыхания у спортсменов // Теория и практика физической культуры. - 1983. - № 2. -С. 21-22.

9. Фудин, Н.А. Газовый гомеостазис (произвольное формирование нового стереотипа дыхания). - Тула: «Тульский полиграфист», 2004. - 216 с.

С*)

10. Фудин, Н.А, Классина, С.Я., Вагин, Ю.Е., Пига-рева, С.Н. Физиологические эффекты влияния гиповен-тиляционного дыхания на кардиореспираторную и мышечную систему человека при физической работе до отказа // Спортивная медицина: наука и практика. - 2016. -Т. 6. - № 3. - С. 22-28.

11. Фудин, НА,, Классина, С.Я., Вагин Ю.Е. Гиповенти-ляционное дыхание как средство повышения физической работоспособности человека при физической работе до отказа // Теория и практика физической культуры. -2016. - № 12. - С. 55-57.

References

1. Breslav, I.S. (1975), Voluntary breath regulation in human, Leningrad, Nauka, 152 p.

2. Breslav, I.S. and Volkov, N.I. (2002), The phenomenon of failure in muscle activity. The role of the respiratory system, Fiziologiya cheloveka (Human physiology), vol. 28, no. 1, pp. 121-129

3. Klassina, S.Ya. (2014), Physiological model of social interaction coach-sportsman in the process of training on a veloergometer, Vestnik novych meditsynkich nechnologiy, vol. 21, no. 3, pp. 122-126.

4. Pryanishnikova, O.A., Gorodnichev, R.M., Gorod-nicheva, L.R. and Tkachenko, A.V. (2005), Sport electroneu-romyography, Teoria i Praktika Fizicheskoy kultury (Theory and Practice of Physical Culture), no. 9, pp. 6-11.

5. Ryzhikov, G.V. and Klassina, S.Ya. (1984), Spatial -temporal structure of the "quantum" of the production activity of the controller and his physiological support, Fiziolo-giya cheloveka (Human physiology), vol. 10, no. 1, pp. 144152.

6. Solopov, I.N. (1984), Influence upon ventilation efficiency and gas homeostasis by voluntary breath regulation during muscle work, In: Sistemnye mechanizmy i upravlenie

spetsial'noy rabotosposobnost'yu sportsmenov, Volgograd, pp. 126-138.

7. Smirnov, K.M. (ed). (1969), Fiziologiya myshechnoi deyatel'nosti, truda i sporta. Seriya «Rukovodstvo po fiziolo-gii», Leningrad, Nauka, 585 p.

8. Fudin, N.A. (1983), Physiological feasibility of arbitary regulation of breathing in athletes, Teoria i Praktika Fiziches-koy kul'tury (Theory and Practice of Physical Culture), vol. 2, pp. 21-22.

9. Fudin, N.A. (2004), Gas homeostasis (voluntary formation of new breath), Tula, Tul'skiy poligrafist, 216 pp.

10. Fudin, N.A., Klassina, S.Ya., Vagin, Yu.E. and Piga-reva, S.N. (2016), Physiological effects of the influence of hypoventilation breathing on the cardiorespiratory and muscular system of a person in physical work to failure, Sportivnaya meditsina: nauka i praktika (Sports Medicine: Research and Practice), vol. 6, no. 3, pp. 22-28.

11. Fudin, N.A., Klassina, S.Ya. and Vagin, Yu.E. (2016), Hypoventilation breathing as a means of increasing the person's physical performance in physical work to failure, Teoria i Praktika Fizicheskoy kul'tury (Theory and Practice of Physical Culture), no. 12, pp. 55-57.

e*)