Особенности инфракрасного температурного портрета детей младшего и старшего школьного возраста

ОСОБЕННОСТИ ИНФРАКРАСНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОРТРЕТА ДЕТЕЙ МЛАДШЕГО И СТАРШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА

Е.Б. Акимов**, Р.С. Андреев*, Ю.Н. Каленов*, В.Д. Сонькин***1 * Институт возрастной физиологии РАО, Москва **Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодежи и туризма, Москва

На основании данных инфракрасной термографии сопоставляли представленность бурой жировой ткани (БЖТ) у детей младшего и старшего школьного возраста и взрослых. Показано, что средне-взвешенная температура поверхности кожи с возрастом немного снижается, и существенно отрицательно зависит от индекса массы тела во всех возрастных группах. У молодых мужчин выявлены достоверные корреляции характеристик термопортрета с максимальным потреблением кислорода, анаэробным порогом и (отрицательные) с содержанием лактата в периферической крови после выполнения предельной нагрузки. У детей старшего школьного возраста отмечены умеренной силы корреляции характеристик термопортрета с эргометрическими показателями аэробной и анаэробной производительности. У детей младшего школьного возраста соответствующие корреляции не достоверны. Все это может говорить об изменении с возрастом функциональной ответственности бурой жировой ткани. Для проверки этого предположения требуются дальнейшие исследования.

Ключевые слова: бурая жировая ткань; инфракрасная термограмма; аэробная и анаэробная производительность; индекс массы тела; дети младшего и старшего школьного возраста.

On the basis of the data of infrared thermography comparing the representation of brown adipose tissue (BAT) in young children and senior school age and adults. It is shown that the average temperature of the skin surface is slightly reduced with age, and significantly negatively depends on body mass index in all age groups. Young men identified reliable correlation of thermogramm characteristics with a maximum oxygen intake, anaerobic threshold and (negative) with the content of lactate in the peripheral blood after the maximal aerobic test. Children of senior school age marked by moderate correlation characteristics of thermogramm with ergometric indicators of aerobic and anaerobic performance. For children of primary school age appropriate correlation is not reliable. All of this can speak about a change with age offunctional responsibility of brown adipose tissue. To check this assumption further investigation are required.

Key words: brown adipose tissue; infrared thermogram; aerobic and anaerobic performance; body mass index; children of Junior and senior school age.

В последние 5-7 лет в мировой науке резко повысился интерес к анатомии и физиологии бурой жировой ткани (БЖТ) - особому образованию в составе жировой ткани организма плацентарных млекопитающих, которое обладает необычайно

Контакты:1 Сонькин В.Д., E-mail: <sonkin@mail.ru>

высокой метаболической активностью и участвует в поддержании температуры тела и гомеостатических реакциях [7; 10; 13-15]. Для изучения распределения БЖТ по различным звеньям организма наиболее надежным считается метод позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) в сочетании с компьютерной томографией (КТ) [14]. Однако применять ПЭТ можно только изредка (обычно не чаще 1 раза в год) и только по императивным медицинским показаниям - например, для диагностики онкологических заболеваний. Очевидно, что такие методы мало пригодны для популяционных исследований, тем более на детском контингенте.

В то же время, современная матричная тепловизионная техника позволяет абсолютно безвредно и неинвазивно изучать распределение тепловых полей на поверхности тела человека, и такого рода термограммы (температурные портреты) могут быть использованы для выявления активного бурого жира [1, 2, 5, 7]. Сейчас эти подходы стали активно использоваться в педиатрической практике [10]. Для активации БЖТ используют в этом случае либо пищевую нагрузку, либо региональное холодовое воздействие (например, опускание рук в ванночку с холодной водой [10]), что позволяет интерпретировать наиболее яркие пятна на термограмме как проекцию мест локализации фрагментов БЖТ.

Работы этого направления только начинаются, поэтому любая информация, полученная на здоровых детях, представляет несомненный интерес и новизну. Задачей нашего исследования было сопоставить характеристики термопортрета младших и старших школьников между собой, а также с аналогичными измерениями у молодых мужчин. Одновременно мы оценивали взаимосвязи характеристик термопортрета с показателями физического развития и двигательной подготовленности наших испытуемых.

ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В качестве испытуемых в исследовании принимали участие 29 мальчиков и 22 девочки 8-10 лет, 165 мальчиков 15-18 лет и 53 молодых взрослых мужчины в возрасте от 22 до 32 лет. Все испытуемые, а также родители несовершеннолетних, были проинформированы о целях и методах исследования и дали письменное согласие на участие в нем. Работа проводилась либо в школе, где обучаются испытуемые, либо в Центре тестирования спортсменов Москомспорта. Все испытуемые проходили антропометрическое обследование, которое позволяло оценить состав тела и его жировую массу, а также физическое развитие в целом. Школьники выполняли стандартные двигательные тесты, эргометрические результаты которых сопоставляли с характеристиками термопортрета. Взрослые выполняли беговой рамп-тест под контролем кардиографии и газоанализа, в ходе которого определяли максимальное потребление кислорода (МПК), анаэробный порог (АнП), содержание лактата и другие показатели аэробной и анаэробной производительности.

На основании данных о массе (М) и длине тела (Ь) рассчитывали индекс массы тела (ИМТ) Кетле-2 (М/Ь2). Перед термографированием испытуемые проходили температурную адаптацию в течение 15 минут в изолированном помещении с температурой 21-22° С и влажностью 45%-50 % в состоянии мышечного покоя, раздетые по пояс, в положении стоя или сидя. Эта схема проведения исследования была призвана обеспечить умеренную активацию БЖТ. После 15-минутной экспозиции с помощью тепловизора МЕС ТН 9100SL проводилась термография поверхности

спины и/или груди. Тепловизор располагался на расстоянии 3 м от испытуемого на высоте 140 см от пола. Полученные термограммы обрабатывались с помощью специализированной программы Image Processor. Для количественного анализа на каждой термограмме вручную выделяли зону, в пределах которой с помощью программных средств автоматически определяли с точностью до 0,1°С максимальную (МкТ), минимальную (МнТ) и средне-взвешенную (СвТ) температуру, а также температурный градиент (ТГ).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В младшем школьном возрасте мы не выявили статистических различий по антропометрическим показателям между мальчиками и девочками (табл.1). С возрастом у представителей мужского пола достоверно увеличиваются не только абсолютные размеры тела, но также индекс Кетле2, что отражает увеличение доли жировой массы в составе тела.

Таблица 1

Антропометрические характеристики испытуемых

Пол Возраст, лет Длина тела, см Масса тела, кг ИМТ, кг/ м2

Мальчики, n=29 8,8±0,8 132,7±7,7 32,9±9,7 18,4±4,2

Девочки, n=22 8,5±0,9 131,5±6,3 30,9±5,5 17,8±2,4

Юноши, n=165 16,4±0,07 176,6±0,54 68,4±0,92 21,9±0,29

Мужчины, n=53 23,5±0,67 174±0,96 70±1,58 22,8±0,38

Вполне вероятно, что именно с этим связаны возрастные изменения типичного термопортрета, на котором горячих зон с возрастом становится меньше, а средняя температура поверхности тела снижается (рис. 1; таб. 2). Существенно снижается с возрастом также корреляционная взаимосвязь между тепловым состоянием кожи груди и спины (таб. 3). Возможно, это - результат накопления подкожного жира, экранирующего тепловые потоки.

Рис. 1. Примеры инфракрасных термопортретов взрослого (первый и второй слева) и ребенка младшего школьного возраста (третий и четвертый слева). Видно расположение наиболее крупных и ярких пятен на поверхности груди (первый и третий слева) и спины (второй и четвертый). Все термопортреты зафиксированы в единой температурной шкале

Таблица 2

Температура кожной поверхности через 15 минут адаптации к условиям комнатной температуры в положении стоя без одежды на верхней половине тела

Пол и возраст, число испытуемых МнТ, С° МкТ, С° СвТ, С°

Поверхность груди

Мальчики, п=29 29,5±0,8 35,3±1,8 32,2±2,1

Девочки, п=22 29,4±1,4 35,3±0,8 31,9±1,1

Подростки, п=145 29,79±0,096 34,04±0,044 32,07±0,07

Поверхность спины

Мальчики, п=29 29,2±1,3 34,2±0,9 32,3±1,0

Девочки, п=22 28,8±2,1 33,9±1,5 32,1±1,9

Подростки, п=145 29,34±0,12 33,90±0,055 31,94±0,081

Взрослые мужчины, п=53 29,0±0,22 33,7±0,19 31,7±0,12

Коэффициенты корреляции температуры кожной поверхности груди и спины

Возраст МНТ МКТ СВТ

Взрослые 0,59 0,38 0,79

Дети 8-10 лет 0,87 0,75 0,95

Многими авторами, использовавшими в качестве инструмента ПЭТ, выявлено снижение с возрастом активности БЖТ [14, 15]. Неоднократно в литературе показана высокая отрицательная корреляция между наличием БЖТ и величиной ИМТ [13, 15]. С этим хорошо согласуются наши данные о наличии высоких отрицательных коэффициентов корреляции абсолютных характеристик термопортрета и положительной - температурного градиента - с ИМТ во всех возрастных группах (таб.4).

Таблица 4

Корреляции характеристик термопортрета спины с ИМТ

Пол и возраст СВТ МкТ МнТ ТГ

Девочки 8-10 лет -0,75 -0,73 -0,52 0,56

Мальчики 8-10 лет -0,78 -0,74 -0,73 0,54

Юноши 15-18 лет -0,63 -0,47 -0,62 0,59

Взрослые мужчины -0,73 -0,58 -0,67 0,52

Наряду с очевидной тенденцией снижения температуры кожи с возрастом, необходимо отметить очень большое индивидуальное разнообразие термопортретов. Вероятно, это связано с генетически предопределенными свойствами организма, к которым может относиться и анатомическое распределение БЖТ [10]. В пользу такого предположения свидетельствует сходство термопортретов однояйцевых близнецов, зафиксированное нами у подростков (рис. 2). Их термограммы не идентичны, но производят впечатление одного и того же термопортрета, полученного в немного различающихся температурных условиях.

Аэробная и анаэробная производительность В 2010г. нами было показано, что характеристики термопортрета поверхности спины молодых мужчин, полученные в условиях мышечного покоя и минимальной активации несократительного термогенеза (температура помещения - 21-22 градуса Цельсия, что на 6-8 градусов ниже термонейтральной для взрослого человека), демонстрируют тесную корреляцию (таб. 5) с показателями аэробной производительности (уровень МПК и АнП), а также с содержанием лактата в периферической крови после нагрузки в рамп-тесте до отказа [1, 2]. Это обстоятельство, а также результаты наших опытов с региональным охлаждением, которое в подавляющем большинстве случаев приводит к уменьшению уровня лактата в крови за 1 минуту экспозиции, позволили нам предположить, что БЖТ имеет самое прямое отношение к утилизации молочной кислоты при мышечной нагрузке и благодаря этому является мощным фактором увеличения физической работоспособности [1, 3].

Рис. 2. Инфракрасные термопортреты двух братьев-близнецов. Верхний ряд -грудь; нижний ряд - спина. Левый ряд - испытуемый Ч.В. ; правый ряд - испытуемый Ч.Н. Возраст - 15 лет.

Это предположение находит свое подтверждение в работах последних двух лет, в которых показано, что скелетные мышцы при нагрузке вырабатывают специфический пептид «ирисин», обладающий гормональным воздействием на клетки белого жира, благодаря которому они «буреют» и приобретают многие (но не все!) свойства исконной БЖТ [6, 9, 11, 13, 16]. Это открытие было удостоено престижной международной премии в 2012г. Еще более четко, фактически напрямую, это наше предположение о способности БЖТ утилизировать лактат подкрепляется данными группы европейских исследователей, которые обнаружили резкий рост активности специфического переносчика лактата через клеточную мембрану МСТ1 в клетках БЖТ под воздействием физической тренировки [8]. Один из выводов их статьи почти дословно воспроизводит нашу гипотезу [3], высказанную за 2 года до этой публикации.

Таблица 5

Величины коэффициентов корреляции между показателями аэробной производительности и показателями термопортрета поверхности спины

взрослых мужчин

Показатели МнТ МкТ СвТ ТГ

МПК 0,683427 0,38879 0,608357 -0,61443

АнП 0,689912 0,533256 0,72459 -0,54847

В связи с этим, мы считали важным проверить, будут ли обнаружены какие-либо корреляционные связи между характеристиками термопортрета и результатами двигательных тестов у детей школьного возраста, в том числе - с данными эргометрического анализа беговых тестов. Как известно, эргометрические коэффициенты, вычисленные на основании уравнения Мюллера, обладают практически не меньшей информативностью, чем газометрические показатели аэробной и анаэробной производительности [4; 12].

У детей младшего школьного возраста мы не выявили достоверных корреляций показателей термопортрета с эргометрическими результатами беговых тестов: величина коэффициента корреляции не превышала 0,22, что не соответствует критериям достоверности при данной численности выборки. Однако у школьников 1518 лет такие корреляции обнаружились, хотя сила связи у них не столь велика, как у взрослых мужчин (таб. 6). Можно предположить, что эти результаты отражают изменение с возрастом функциональной нагрузки на БЖТ. В детском возрасте, вплоть до младшего школьного, значительную часть БЖТ в организме представляет так называемый «iBAT», сходный по своим свойствам с межлопаточным бурым жиром грызунов и зимоспящих млекопитающих, основной функцией которого является терморегуляторная. У взрослых людей большая часть БЖТ представлена так называемыми «beige» клетками, которые образуются из общих с белым жиром клеток-предшественниц под воздействием пептида ирисина [16]. Основная функция этих клеток - субстратный гомеостаз, в том числе, по-видимому - уборка лактата при физической работе [8]. До полового созревания, когда происходит бурное

развитие анаэробной мышечной энергетики [4], эта функция БЖТ не является столь существенной, как в юношеском возрасте, а полного расцвета она достигает уже в зрелом возрасте на фоне активных физических тренировок, что и проявилось у наших испытуемых - взрослых мужчин, контингент которых состоял из спортсменов различной специализации и квалификации.

Таблица 6

Коэффициенты корреляции антропометрических показателей и характеристик термопортрета с эргометрическими показателями аэробной и анаэробной производительности у детей старшего школьного возраста

Показатели W40 W240 W900

Возраст 0,281835 0,227170 0,186264

Масса тела -0,170536 -0,228017 -0,258986

ИМТ (Кетле 2) -0,219689 -0,249482 -0,257657

Средняя кожножировая складка -0,381991 -0,400569 -0,396441

МнТ, грудь 0,253675 0,233573 0,213909

МкТ, грудь 0,171448 0,107211 0,056610

СвТ, грудь 0,321701 0,293540 0,261769

ТГ, грудь -0,231337 -0,238239 -0,236172

МнТ, спина 0,364732 0,344076 0,305952

МкТ, спина 0,287316 0,252978 0,211173

СвТ, спина 0,344229 0,321783 0,287883

ТГ, спина -0,346750 -0,342843 -0,310043

Примечание: выделены недостоверные значения

Как видно из приведенных в таб. 6 результатов, эргометрические показатели аэробной и анаэробной производительности у детей старшего школьного возраста демонстрируют не очень высокие, но достоверные корреляции с морфометрическими данными и характеристиками термопортрета.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что бурая жировая ткань в старшем школьном возрасте вовлечена в системные реакции организма, составляющие основу работоспособности, хотя и в несколько меньшей степени, чем у взрослых тренированных мужчин.

В младшем школьном возрасте участие БЖТ в нормализации внутренней среды при физической нагрузке представляется менее вероятным. Эти результаты еще раз подчеркивают принципиальную значимость передифференцировки мышц в пубертатном периоде под воздействием половых гормонов, существенно меняющей их качество [4]. Вполне вероятно, что выработка ирисина мышцами детей до полового созревания происходит в меньшей степени или даже вообще БЖТ до полового созревания не принимает участие в утилизации лактата. Для проверки этих предположений нужны дальнейшие специальные исследования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Акимов Е.Б. Температурный портрет человека и его связь с аэробной поиз-водительностью и уровнем лактата в крови / Е.Б. Акимов, Р.С. Андреев, Ю.Н. Ка-ленов, В.Д. Сонькин, А.Г. Тоневицкий // Физиология человека. - 2010. - т. 36, № 4. - С. 89-101.

2. Сонькин В.Д. Динамическая инфракрасная термография как метод изучения теплового состояния организма человека при различных функциональных пробах / В.Д. Сонькин, Е.Б. Акимов, Р.С. Андреев, Ю.Н. Каленов, А.В. Якушкин // 2011 / http://phmag.imbp.ru/articles/Sonkin.pdf

3. Сонькин В.Д. Гомеостатический несократительный термогенез у человека: факты и гипотезы / В.Д. Сонькин, А.А. Кирдин, Р.С. Андреев, Е.Б. Акимов // Физиология человека. - 2010. - т. 36, № 5. - С. 121-139.

4. Сонькин В.Д., Тамбовцева Р.В. Развитие мышечной энергетики и работоспособности в онтогенезе. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. - 368 с.

5. Akimov E.B. Thermal “portrait” of sportsmen with different aerobic capacity / E.B. Akimov, R.S. Andreev, V.V. Ar’kov, A.A. Kirdin, V.V. Saryanc, V.D. Son’kin // Acta Kinesiologiae Universitatis Tartuensis. - 2009. - v. 14, - p. 7-16.

6. Bostrom P, Wu J, Jedrychowski MP, et al. A PGC1-a-dependent myokine that drives brown-fat-like development of white fat and thermogenesis // Nature. - 2012; v. 481: pp. 463-468

7. Cypess AM, Lehman S, Williams G, et al. Identification and importance of brown adipose tissue in adult humans // N Engl J Med. - 2009. - v. 360. - pp. 1509-1517.

8. De Matteis R, et al., Exercise as a new physiological stimulus for brown adipose tissue activity // Nutrition, Metabolism & Cardiovascular Diseases. - 2012. - doi:10.1016 / j.numecd.2012.01.013

9. Lee Yun-Hee, Mottillo E.P., Granneman J.G., Adipose tissue plasticity from WAT to BAT and in between, BBA - Molecular Basis of Disease (2013), doi: 10.1016 / j.bbadis. 2013.05.011

10. Sacks H. and Symonds M.E. Anatomical Locations of Human Brown Adipose Tissue Functional Relevance and Implications in Obesity and Type 2 Diabetes // Diabetes. - 2013. - v. 62. - pp. 1783-1790.

11. Seale P, Bjork B, Yang W, et al. PRDM16 controls a brown fat/skeletal muscle switch // Nature. - 2008. - v. 454: - pp. 961-967.

12. Son’kin V.D., Gutnik B.J., Tambovtseva R.V., Nash D. Chapter 4. Ergometric Investigation of Work Capacity Ontogeny: Influence of Exogenic and Endogenic Factors // Advances in Medicine and Biology. Volume 1 / Ed.: Leon V. Berhardt. - N.Y.: NOVA PUBLISHERS, 2010. - pp. 129-164.

13. Spiegelman B.M. Regulation of Adipogenesis: Toward New Therapeutics for Metabolic Disease // Diabetes. - 2013. - v. 62. - pp. 1774-1782.

14. van Marken Lichtenbelt WD, Vanhommerig JW, Smulders NM, et al. Coldac-tivated brown adipose tissue in healthy men. N Engl J Med 2009;v.360: pp.1500-1508

15. Virtanen KA, Lidell ME, Orava J, et al. Functional brown adipose tissue in healthy adults // N Engl J Med. - 2009. - v. 360. - pp. 1518-1525.

16. Wu J, Bostrom P, Sparks LM, et al. Beige adipocytes are a distinct type of thermogenic fat cell in mouse and human // Cell. - 2012. - v. 150. - pp. 366-376.