Контроль дыхания как фактор модуляции колебаний микроциркуляторного кровотока кожи человека

УДК: 612.13

КОНТРОЛЬ ДЫХАНИЯ КАК ФАКТОР МОДУЛЯЦИИ КОЛЕБАНИЙ МИКРОЦИРКУЛЯТОРНОГО КРОВОТОКА

КОЖИ ЧЕЛОВЕКА

Г.В.Красников, Д.Ю.Ефимова, М.Й.Тюрина, Т.Н.Коняева, И.В.Красникова, Г.М.Пискунова

Цель работы - оценка значимости произвольного компонента регуляции дыхания в формировании модуляции периферического кровотока. Проведено сравнительное исследование произвольно контролируемого дыхания на ритмическую структуру кровотока кожи. Показано достоверное снижение амплитуды колебаний кровотока кожи пальца в условиях контролируемого дыхания по синусоидальному профилю в диапазонах эндотелий-зависимой, нейрогенной, миогенной и респираторно-зависимой активности по сравнению со спонтанным дыханием (в 1.7, 1.6, 1.7, и 1.3 раза соответственно). Полученные данные демонстрируют, что произвольный контроль дыхания может выступать как фактор модуляции микроциркуляторного кровотока через влияние на уровень активности симпатической регуляции сосудистого тонуса.

Ключевые слова: микроциркуляция, лазерная допплеровская флоуметрия, вариабельность сердечного ритма, колебания кровотока, спектральный анализ.

С современных позиций кортико-висцеральные отношения рассматриваются как механизмы модуляции корой больших полушарий деятельности подкорковых структур, имеющих непосредственное отношение к регуляции внутренней среды организма [1-4]. В основе кортико-висцеральных связей в сердечно-сосудистой системе может лежать функциональное взаимодействие осцилляторной активности мозга с волновыми модуляторами на уровне центрального и периферического кровотока [5, 6]. Ведущим условием в этом случае выступает произвольная активность и/или осознаваемость воздействия (сенсо-моторное внимание, мышечная активность, ментальная нагрузка и т.п.). Известно, что влияния коры больших полушарий на сердечно-сосудистую систему могут проявляться в форме «центральной команды» [7, 8]. В этой связи мы предполагаем, что кора больших полушарий может участвовать в частотно-зависимой вегетативной регуляции периферического кровотока и являться фактором формирования колебаний кровотока на уровне системы микроциркуляции. Наиболее «удобной» физиологической функцией для исследования механизмов влияния коры больших полушарий на ритмическую структуру колебаний кровотока, по-нашему мнению, является дыхание. Регуляция дыхания является многоуровневой и включает в себя, помимо автономного контура, возможность произвольного изменения параметров дыхания. Используя управляемое дыхание с изменяемыми параметрами частоты, глубины и паттерна, мы предполагаем оценить вклад произвольного контура регуляции дыхания в

формирование респираторных колебаний периферического кровотока и соответствующие возможности биоуправления кровотоком. Многочисленные исследования демонстрируют, что произвольная активность различного характера вызывает изменения осцилляторных процессов как на центральном, так и на периферическом уровнях сердечно-сосудистой системы [5, 9-15]. Цель данного исследования -оценка значимости произвольного компонента регуляции дыхания в формировании модуляции периферического кровотока.

Материалы и методы исследования

Исследование проведено на группе из 11 практически здоровых девушек-добровольцев 18-25-летнего возраста. В ходе эксперимента осуществляли синхронную регистрацию экскурсии грудной клетки, сердечного ритма и колебаний микроциркуляторного кровотока кожи испытуемых. Для регистрации дыхания использовали ленточный потенциометрический грудной датчик собственной конструкции. Аналоговый сигнал датчика оцифровывали счастотой дискретизации 10 Гц (АЦП Е154, Ь-Сагё,Россия) и демонстрировали на мониторе персонального компьютера. Испытуемые, управляяглубиной и частотой дыхания, визуально совмещали показания пневмографического датчика(собственную кривую дыхания) с эталонной кривой, демонстрируемой на мониторе. Регистрацию ритма сердца осуществляли на основе электрокардиографии с использованием компьютерного электрокардиографа «ВНС-Микро» («Нейрософт», Россия). Регистрацию уровня микроциркуляторного кровотока кожи осуществляли посредством двухканального лазерного допплеровского флоуметра ЛАКК-02 (ЛАЗМА, Россия). Для оценки роли симпатической нервной системы исследование микроциркуляторного кровотока кожи проведено в двух зонах с различной выраженностью симпатической иннервации: на ладоннойповерхности ногтевой фаланги указательногопальца - зоне с высокой плотностью симпатической иннервации и на наружной поверхности предплечьявблизи лучезапястного сустава левой руки- зоне с низкой плотностью симпатической иннервации. Регистрируемый параметр -показатель микроциркуляции (ПМ) - характеризует степень перфузии ткани кровью и измеряется в условных (перфузионных) единицах (пф.ед.).Частота дискретизации ЛДФграммы составляла16 Гц. Спектральный анализ исследуемых сигналов осуществляли на основе оригинальных алгоритмов непрерывного адаптивного вейвлет-преобразования [16-18].

Для каждого испытуемого было проведено три последовательных 5-минутных регистрации указанных сигналов при следующих условиях:

1. При спонтанном дыхании в условиях физического и психического покоя без акцентирования внимания на дыхании.

2. При контролируемом дыхании в режиме воспроизведения индивидуального паттерна спонтанного дыхания, записанного на предыдущем этапе. В этом случае испытуемый дышал в привычном для себя режиме, но при этом присутствовал некоторый уровень произвольного контроля дыхания.

3. При контролируемом дыхании в режиме синхронизации с эталонной синусоидальной кривой с параметрами, соответствующими средней частоте и амплитуде спонтанного дыхания испытуемого. В этих условиях параметры вентиляции легких будут соответствовать спонтанному дыханию испытуемого, однако уровень произвольного контроля дыхания со стороны коры больших полушарий будет существенно выше, чем в предыдущих условиях.

Таким образом, анализируя амплитудно-частотные характеристики ритмической структуры колебаний микроциркуляторного кровотока при различных уровнях произвольного контроля дыхания, мы предполагали выявить регулирующие влияния, опосредованные активностью коры больших полушарий.

В связи с тем, что распределение значенийнекоторых выборок данных не являлось нормальным (критерий Шапиро-Уилка), для анализа достоверности различий использовали непараметрический однофакторный дисперсионный анализдля повторных измерений (критерий Фридмана), споследующим множественным попарным сравнением по критерию Даннета. Статистически значимыми считались различия при р < 0.05.Данные втаблицах и на графиках представлены в виде средних значений и стандартной ошибки.

Результаты и обсуждение

На рис. 1 представлены усредненные амплитудные спектры пневмограмм испытуемых. Показано, что в режимах спонтанного и контролируемого дыхания значения пиковой частоты и амплитуды достоверно не различаются. Это свидетельствует об успешном контроле участниками исследования частоты и глубины задаваемого профиля дыхания и соответствии параметров вентиляции легких для спонтанного и контролируемого дыхания в наших экспериментах. Необходимо отметить, что в условиях контролируемого дыхания (в особенности для дыхания по синусоидальному профилю) наблюдается большая регулярность дыхания по сравнению со спонтанным дыханием, на что указывает значимо меньшая амплитуда низкочастотных колебаний.

спонтанное дыхание контролируемое дыхание контролируемое дыхание

частота, Гц

Рис. 1. Усредненные амплитудные спектры пневмограмм при различных условиях дыхания

На рис. 2 представлены усреднённые амплитудные спектры вариабельности сердечного ритма испытуемых. Показано, что используемые режимы контроля дыхания не вызывают значимых изменений структуры сердечного ритма. Также (табл. 1) в наших условиях, не выявлено значимого изменения частоты сердечных сокращений (ЧСС)и индекса вагосимпатического взаимодействия (ЬЕ/ИБ).

Таблица 1

ЧСС и индекса вагосимпатического взаимодействия (ЬЕ/ИЕ) испытуемых в условиях спонтанного и контролируемого дыхания

Параметры Спонтанное дыхание Контролируемое дыхание

ЧСС, уд/мин 75.3±2.2 75.0±2.0 76.0±2.2

ЬЕ/ОТ 0.99±0.19 0.75±0.18 1.06±0.32

Представленные данные свидетельствуют об отсутствии значимых изменений параметров центральной гемодинамики в условиях контролируемого дыхания.

спонтанное дыхание контролируемое дыхание контролируемое дыхание

частота, Гц

Рис. 2. Усредненные амплитудные спектры кардиоритмограмм при различных условиях дыхания

Усредненные данные базального уровня кровотока и пиковых амплитуд колебаний микроциркуляторного кровотока кожи предплечья и пальца представлены в табл. 2. На рис. 3 и 4 представлены усредненные амплитудные спектры ЛДФ-грамм испытуемых для предплечья и пальца.

Таблица 2

Параметры микроциркуляторного кровотока кожи предплечья и пальца в условиях спонтанного и контролируемого дыхания

Параметры Предплечье Палец

Спонтанное дыхание Контролируемое дыхание

ПМ, пф.ед. 3.13±0.25 3.41±0.47 3.71±0.72 22.67±1.6 7 21.45±2.0 0 21.14±2.1 8

Ам (Е), пф.ед. 0.17±0.02 0.19±0.05 0.17±0.02 0.34±0.04 0.37±0.05 0.57±0.06 *

Ам (К), пф.ед. 0.32±0.05 0.30±0.06 0.26±0.04 0.55±0.09 0.50±0.05 0.89±0.15 *

Ам (М), пф.ед. 0.35±0.06 0.31±0.06 0.33±0.06 0.54±0.07 0.57±0.07 0.90±0.12 *

Ам (Я), пф.ед. 0.11±0.02 0.11±0.01 0.13±0.01 0.35±0.04 0.32±0.04 0.46±0.07 *

Ам (С), пф.ед. 0.08±0.01 0.08±0.01 0.10±0.02 0.36±0.02 0.32±0.02 0.39±0.05

Примечание: ПМ - показатель микроциркуляции. Ам - пиковая амплитуда колебаний кровотока. Е, К, М, Я, С - соответственно частотные диапазоны колебаний кровотока: эндотелий-зависимые (0.009-0.02 Гц), нейрогенные (0.02-0.06 Гц), миогенные (0.06-0.15 Гц), респираторно-зависимые (0.15-0.4 Гц) и пульсовые (0.6-1.5 Гц) колебания. Символом «*» отмечены достоверные различия по сравнению со спонтанным дыханием (р < 0.05).

спонтанное дыхание

в с

I (О

ю

О)

с;

о

^

то

>.

Е

С С

ТО

0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

контролируемое дыхание контролируемое дыхание

0.8 т- 0.8

0.6 0.4 0,2 0,0

0.6 0.4

0.2 0.0

N (О Ю ^ о О т- ^

СО

см о

со ш

О т-

со

сч о

со ю о ч-

о

со

частота, Гц

Рис. 3. Усредненные амплитудные спектры ЛДФ-граммкровотока кожи предплечья при различных условиях дыхания

Рис. 4. Усредненные амплитудные спектры ЛДФ-граммкровотока кожи пальца при различных условиях дыхания

В условиях контролируемого дыхания не выявлено значимого изменения базального уровня и амплитудно-частотных характеристик колебаний кровотока кожи предплечья. Однако нами были обнаружены достоверные изменения амплитуды колебаний кровотока кожи пальца (табл. 2, рис. 4). В условиях контролируемого дыхания по

синусоидальному профилю амплитуда колебаний в диапазонах эндотелий-зависимой (0.001-0.02 Гц), нейрогенной (0.02-0.06 Гц), миогенной (0.060.15 Гц) и респираторно-зависимой (0.15-0.4 Гц) активности достоверно выше, чем при спонтанном дыхании (в 1.7, 1.6, 1.7, и 1.3 раза соответственно).

В данной работе предпринята попытка доказать значимость кортикальных влияний (в форме произвольно контролируемого дыхания) как фактора модуляции колебаний микроциркуляторного кровотока. Как известно, генерация дыхательных колебаний на уровне микроциркуляторного кровотока может осуществляться посредством пассивных (через динамику венозного давления)и активных (через дыхательную модуляцию тонуса симпатического отдела вегетативной нервной системы) механизмов [16, 19, 20]. Задачей исследования был подбор режима дыхания, который отличался существенной вовлеченностью коры больших полушарий, но при этом не значительно изменял параметры центральной гемодинамики и легочной вентиляции. Отсутствие значимых изменений пневмограммы и сердечного ритма демонстрирует успешность решения этой задачи и позволяет говорить, что показанные нами изменения ритмической структуры кровотока обусловлены деятельностью корковых структур. Продемонстрированное нами увеличение амплитуды колебаний кровотока в коже пальца - в зоне с высокой плотностью симпатической иннервации и отсутствие достоверных изменений в коже предплечья - зоне с относительно низкой плотностью симпатической иннервации, позволяет предположить, что основным механизмом, через который реализуется участие коры, является симпатический контроль тонуса микрососудов. Отсутствие значимых изменений амплитуды колебаний кровотока в условиях контролируемого дыхания по собственному паттерну может быть объяснено тем, что в этом случаен режим дыхания был более комфортным по сравнению с дыханием по синусоидальному профилю и не требовал от испытуемых высокой степени сосредоточенности при произвольном контроле дыхания.

Таким образом, полученные данные позволяют предположить, что произвольный контроль дыхания может выступать как фактор модуляции микроциркуляторного кровотока через влияние на уровень активности симпатической регуляции сосудистого тонуса.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Тульской области в рамках научного проекта 15-44-03260 р_центр.

Список литературы

1. Loewy, A. D. Forebrain nuclei involved in autonomic control // Prog. Brain Res. 1991. Vol. 87. P. 253-268.

2. Dampney R. A. L. Functional organization of central pathways regulating the cardiovascular system // Physiol. Rev. 1994. Vol. 74. P. 321-363.

3. Verberne A. J., Owens N. C. Cortical modulation of the cardiovascular system // Prog Neurobiol. 1998. Vol. 54. №2. P. 149-168.

4. Nagai M., Hoshide S., Kario K. J. The insular cortex and cardiovascular system: a new insight into the brain-heart axis // Am Soc Hypertens. 2010. Vol. 4. №4. P. 174-182.

5. ДаниловаН.Н., АстафьевС.В. ВниманиечеловекакакспецифическаясвязьритмовЭЭГсволновымимодулят орамисердечногоритма. // Журн. высш. нервн. деят. 2000. Т. 50. вып. 5. С. 791-804.

6. Zhang J, Yu X, Xie D. Effects of mental tasks on the cardiorespiratory synchronization. Respir Physiol Neurobiol. 2010. Vol. 170(1). P. 91-95.

7. Vissing S. F., Scherrer U., Victor R. G. Stimulation of skin sympathetic nerve discharge by central command. Differential control of sympathetic outflow to skin and skeletal muscle during static exercise // Circ. Res. 1991. Vol. 69. P. 228-238.

8. Williamson J.W. The relevance of central command for the neural cardiovascular control of exercise. ExpPhysiol. 2010. Vol.95(11). P.1043-1048.

9. МачинскаяР.И. Нейрофизиологическиемеханизмыпроизвольноговнимания (аналитическийобзор). // Журналвысшейнервнойдеятельностиим. И.П. Павлова. 2003. Т. 53. № 2. С. 133-150.

10. Critchley H.D. Neural mechanisms of autonomic, affective, and cognitive integration. // J Comp Neurol. 2005. Vol. 493. № 1. P. 154-166.

11. Vaschillo E. Characteristics of Resonance in Heart Rate Variability Stimulated by Biofeedback // Appl Psychophysiol Biofeedback. 2006. Vol. 31. №2. P. 129-142.

12. Tracy J., Goyal N., Flanders A. et al. Functional magnetic resonance imaging analysis of attention to one's heartbeat // Psychosom Med. 2007. Vol. 69. № 9. P. 952-960.

13. Bernardi L. Dynamic interactions between musical, cardiovascular, and cerebral rhythms in humans // Circulation. 2009. Vol. 30. P. 3171-3180.

14. Nakahara H. Emotion-related changes in heart rate and its variability during performance and perception of music // Ann NY Acad Sci. 2009. Vol. 1169. P. 359-362.

15. Cardiac vagal tone is correlated with selective attention to neutral distractors under load/G.Park, M.W.Vasey, J.J.Van Bavel et al // Psychophysiology. 2013. Vol. 50. №4. P. 398-406.

16. Stefanovska A., Bracic M., Kvernmo H. D. Wavelet analysis of oscillations in the peripheral blood circulation measured by laser Doppler technique // IEEE Trans. Biomed. Eng. 1999. Vol. 46. P. 1230-1239.

17. Tankanag A.V., Chemeris N.K. Application of the adaptive wavelet transform for analysis of blood flow oscillations in the human skin // Phys. Med. Biol. 2008. Vol. 53. P. 5967.

18. Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Адаптивный вейвлет-анализ колебаний периферического кровотока кожи человека // Биофизика. 2009. Т. 54. № 3. С. 537.

19. Respiratory-dependent laser-Doppler flux motion in different skin areas and its meaning to autonomic nervous control of the vessels of the skin / M.E.Muck-Weymann, H.P.Albrecht, D. Hageret al // Microvasc. Res. 1996. Vol. 52. P. 69-78.

20. Analysis of heart rate variability and skin blood flow oscillations under deep controlled breathing / G.V.Krasnikov, M.Y. Tyurina, A.V.Tankanag et al// Respir. Physiol. Neurobiol. 2013. Vol. 185. P. 562-570.

КрасниковГеннадийВикторович, канд. биол. наук, доц., gvkras-nikov@,gmail.com, Россия, Тула, Тульскийгосударственныйпедагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Ефимова Дарья Юрьевна, аспирант, phisiology@,tspu. tula. ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Тюрина Миглена Йорданова, канд. биол. наук, научный сотрудник, phisiology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л. Н. Толстого,

Коняева Татьяна Николаевна, канд. биол. наук, доц., phisiology@,tspu.tula.ru,, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Красникова Инна Владимировна, канд. биол. наук, доц., gvkrasnikov@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,

Пискунова Галина Михайловна, канд. биол. наук, доц., phisiology@tspu.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого

BREATHCONTROLASAFACTOROFMICROCIRCULATIONBLOODFLOW OSCILLATIONMODULATIONOFHUMANSKIN

G.V. Krasnikov, D.Y. Efimova, M.J.Tyurina, T.N.Konyaeva,I.V.Krasnikova,

G.M.Piskunova

Purpose - estimation of the importance of an arbitrary regulation of respiration component in the formation of the modulation of peripheral blood flow. A comparative study of voluntary breathing on the rhythmic structure of the skin blood flow.It showed a significant reduction of the amplitude fluctuations finger skin blood flow under conditions of controlled

breathing sinusoidal profile in the endothelium-dependent ranges , neurogenic , myogenic

and respiratory dependent activity when compared with the spontaneous breathing (1.7, 1.6, 1.7, and 1.3 times, respectively ). These data demonstratethat voluntary breath control can act as a modulation factor of microcirculatory blood flow through impact on the level of activity of sympathetic regulation of vascular tone.

Keywords: microcirculation, laser Doppler flowmetry, heart rate variability, blood flow oscillations, spectral analysis.

Krasnikov Gennady Viktorovich, candidate of biological science, docent, gvkras-nikov@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Efimova Darya Yurievna, aspirant, phisiology@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Tyurina Miglena Yordanova, candidate of biological science, researcher, phisiolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Konyaeva Tatiana Nikolaevna, candidate of biological science, docent, phisiolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Krasnikova Inna Vladimirovna, candidate of biological science, docent, gvkras-nikov@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,

Piskunova Galina Michaylovna, candidate of biological science, docent, phisiolo-gy@tspu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University