CC BY
58
YAK 612.2 ББК 28.707.3
O.A. ВЕДЯСОВА, С.И. ПАВЛЕНКО
ИЗМЕНЕНИЯ ПАТТЕРНА ДЫХАНИЯ ПРИ УМСТВЕННОЙ НАГРУЗКЕ У СТУДЕНТОВ С РАЗНЫМИ ОКОАОСУТОЧНЫМИ БИОРИТМАМИ
O.A. VEDYASOVA, S.I. PAVLENKO
CHANGES OF BREATHING PATTERN UNDER THE INFLUENCE OF MENTAL WORK LOAD OF STUDENTS OF DIFFERENT ORCADIAN BIORHYTHMS
В статье рассмотрены особенности паттерна внешнего дыхания у студентов с разными биоритмологическими типами при выполнении дозированной умственной нагрузки. Установлены различия в изменениях ёмкости вдоха, резервного объёма выдоха, дыхательного объёма, частоты дыхания и лёгочной вентиляции у студентов с утренним, дневным и вечерним пиками активности при работе в разное время суток.
In the article particularities of external respiration pattern of students of different bio-rhythmological types during mental work load realization are considered. The distinctions in changes of inspiration capacity, expiratory reserve volume, tidal volume, respiratory frequency and lungs ventilation of students with «early», «intermediate» and «late» types of circadian activity during their work at different time of a day are discussed.
Ключевые слова: паттерн дыхания, околосуточные биоритмы, время суток, умственная нагрузка.
Key words: breathing pattern, circadian biorhythms, time of day, mental work load.
Биоритмологический тип является важной индивидуальной особенностью человека, определяющей его адаптационный потенциал, продуктивность трудовой деятельности и характер вегетативных функций организма во временной шкале, в том числе, в течение суток [1, с. 57; 6, с. 12; 15, с. 36; 20, с. 68].
На современном этапе, характеризующемся заметным увеличением количества и усилением выраженности стрессовых состояний организма за счёт информационных перегрузок, закономерно возрастает интерес исследователей к циркадианным (околосуточным) ритмам физиологических показателей у лиц, занятых умственным трудом [8, с. 137; 11, с. 80; 16, с. 51]. Недостаточно изученными в этом плане являются биоритмологические особенности внешнего дыхания у современных студентов, учебная деятельность которых отличается высокой степенью эмоционального напряжения в силу постоянного роста информационных потоков и неравномерного распределения умственной нагрузки на протяжении суток [14, с. 14]. В этом аспекте весьма важные сведения может дать паттерн внешнего дыхания, в известной мере отражающий общую активность центральной нервной системы и уровень бодрствования в течение дня [4, а 69; 23, с. 683]. Изучение данного вопроса представляет интерес как в плане теоретической хронобиологии, так и в прикладном отношении, например, для рационализации учебного процесса в вузе и для разработки способов управления параметрами дыхания с целью оптимизации процесса адаптации к стресс-факторам.
Цель настоящего исследования состояла в анализе изменений ряда объёмных и временных параметров паттерна внешнего дыхания при выполнении дозированной умственной нагрузки в течение учебного дня у студентов с разными околосуточными биоритмами.
Методика исследования
Исследование проведено на 100 студентах после получения их добровольного письменно оформленного согласия. Все испытуемые по итогам выполнения теста А.А. Путилова [11, с. 255] на определение биоритмологического типа были разделены на три группы с учётом среднесуточного пика активности: с утренним - «жаворонки» (26 человек), дневным - «голуби» (33 человека) и вечерним - «совы» (41 человек). Внешнее дыхание у каждого студента регистрировали на спирографе СМП-21/01-«Р-Д» до и сразу после дозированной умственной нагрузки трижды в день: утром с 7.30 до 9.00 часов, днём с 13.00 до 15.00 часов и вечером с 18.00 до 19.00 часов. Спиро-граммы обрабатывали в автоматическом режиме с определением таких параметров паттерна дыхания как дыхательный объем (ДО, л), ёмкость вдоха (Е, л), резервный объем выдоха (Р , л), частота дыхания (ЧД, мин-1), минутный объём дыхания (МОД, л/мин). Дозированная умственная нагрузка заключалась в выполнении корректурной пробы Бурдона - Анфимова в течение 5 минут и теста «Расстановка чисел» в течение 2 минут. Статистическую обработку результатов исследования проводили с помощью программного пакета SigmaStat 3.5 (Jandel Scientific, USA). Определяли достоверность изменений параметров паттерна дыхания на дозированную умственную нагрузку относительно исходного фона в каждой группе испытуемых, а также выявляли статистически значимые различия между респираторными реакциями у представителей с разными околосуточными биоритмами. Достоверными считали различия при р<0,05.
Результаты исследования
В ходе исследования установлено, что реакции дыхания на дозированную умственную нагрузку зависели от времени дня и типа биоритмов студентов. Интегрально картина внешнего дыхания проявлялась динамикой лёгочной вентиляции, изменения которой у представителей с разными цирка-дианными биоритмами характеризовались неоднозначными тенденциями и определялись направленностью отклонений отдельных амплитудных и временных показателей паттерна дыхания от исходных величин.
Так, в изменениях Евд (рис. 1А) при умственной нагрузке у испытуемых независимо от типа биоритмов, в целом, доминировала тенденция снижения, однако её достоверный характер был выявлен только у представителей с утренним и вечерним типами активности, причём у первых в дневное и вечернее время, а у вторых только вечером. Как видно из рис. 1А, у «жаворонков» Евд днём уменьшалась на 10,3% (р<0,05) в диапазоне от 1,46±0,14 л (в исходном состоянии) до 1,31±0,13 л (при умственной нагрузке), а при нагрузке вечером уменьшение параметра было несколько сильнее - на 16,6% (р<0,01) относительно состояния покоя. У «сов» в изменениях Евд при нагрузках в утреннее и дневное время отмечалась зависимость в виде слабо выраженной тенденции к росту. Вечером данный параметр спирограммы, как и у «жаворонков», при работе уменьшался в интервале от 1,49±0,10 л до 1,32±0,10 л, что составляло 11,4% (р<0,05). Следует также добавить, что при нагрузках, выполняемых днём и вечером, были выявлены достоверные различия в изменениях Евд между представителя определённых биоритмов, а именно в парах «жаворонки» - «голуби» и «голуби» - «совы».
Что касается ДО (рис. 1Б), то его величина при умственных нагрузках у большинства студентов также, как и Евд, снижалась, причём наиболее выражено этот эффект проявлялся у «жаворонков» утром и вечером. ДО у этих представителей в среднем снижался от 0,62±0,03 л до 0,56±0,03 л (9,6%, р<0,05). У «голубей» уменьшение ДО было слабее и отмечалось только при
работе днём в интервале от 0,70±0,05 л до 0,65±0,04 л (7,1%, р<0,05). У «сов» изменения ДО не достигали границы статистической значимости. Вместе с тем, биоритмологические особенности в изменениях ДО проявились в большей степени, о чем можно судить по числу достоверных межгрупповых различий в динамике данного показателя. Эти различия отмечались между представителями всех трёх типов биоритмов, в том числе между «жаворонками» и «голубями» при работе утром и днём, «голубями» и «совами» днём, а также в парах «жаворонки» - «совы» утром и вечером (рис. 1Б).
Рис. 1. Изменение (в % от исходного уровня) ёмкости вдоха (А) и дыхательного объёма (Б) у студентов с разными биоритмами после выполнения умственной нагрузки Обозначения: * - статистически достоверные отличия от исходного уровня: * - p<0,05, ** - p<0,01 (Paired t-test) # - статистически значимые различия между представителями разных типов: # - p<0,05 (t-test)
Иллюстрацией данного эффекта служат оригинальные спирограммы, отражающие особенности паттерна дыхания в процессе выполнения тестовых заданий у представителя с утренним типом активности (рис. 2).
Рис. 2. Спирограммы, зарегистрированные у представителя с утренним типом активности до (1) и после (2) выполнения умственной нагрузки в утреннее (У), дневное (Д) и вечернее (В) время
Наряду с изменением объёмных параметров паттерна внешнего дыхания, отражающих его инспираторную составляющую, при умственных нагрузках у студентов «жаворонков», «голубей» и «сов» отмечались также определённые особенности экспираторной составляющей, на что указывает динамика Р (рис. 3). Наиболее заметно Р изменялся у «жаворонков»
выд 41 ' выд ^ 1
при работе утром в диапазоне от 1,65±0,57 л до 1,31±0,15 л (уменьшение на 20,6%) и вечером в диапазоне от 1,33±0,16 л до 1,65±0,22 л (увеличение на 24,1%; р<0,01). У студентов «голубей» данный параметр менялся только при работе днём, увеличиваясь от 1,31±0,10 л до 1,44±0,14 л, что равнялось 8,4% (р<0,05). В отличие от этих представителей, у лиц с вечерним типом активности интеллектуальные задачи, предлагаемые в различное время суток, каких-либо существенных изменений в величине Р не вызывали.
^ ^ выд
Межгрупповые различия величины Рвыд проявились в реакциях у представителей с двумя типами циркадианных ритмов, а именно между «жаворонками» и «голубями» (рис. 3).
Рис. 3. Изменение (в % от исходного уровня) резервного объёма выдоха у студентов с разными биоритмами после выполнения умственной нагрузки
Обозначения: * - статистически достоверные отличия от исходного уровня: * - p<0,05, ** - p<0,01 (Paired t-test) # - статистически значимые различия между представителями разных типов: # - p<0,05 (t-test)
Отражением влияния умственной нагрузки на временные параметры паттерна дыхания являются изменения его частоты. Анализ спирограмм показал, что изменения ЧД у студентов в меньшей степени, чем сдвиги объёмных параметров, зависели от времени суток и биоритмов испытуемых и преимущественно проявлялись уменьшением относительно исходного уровня. Вместе с тем, нельзя не отметить некоторую отличительную особенность в отклонениях ЧД у «жаворонков». Как видно из рис. 4А, у данной категории испытуемых выполнение тестовых заданий в дневные часы вызывало существенное увеличение ЧД в среднем на 22,6% (р<0,01). В связи с эффектом увеличения ЧД, отмечаемым у «жаворонков» днём, в указанное время формировались достоверные различия респираторного ритма в парах «жаворонки» - «голуби» и «жаворонки» - «совы». Не исключено, что такая дневная реакция у «жаворонков» может быть обусловлена как спецификой циркади-анной периодики дыхательной функции, так и особенностями эмоционального статуса студентов на момент обследования. Есть основания считать, что период времени от 13.00 часов до 15.00 часов, характеризующийся резким снижением среднесуточного уровня внимания и работоспособности [7, с. 31; 10, с. 32], для «жаворонков» может являться менее благоприятным в плане умственной деятельности, чем для «голубей» и «сов», вызывая в деятельности центральных механизмов генерации респираторного ритма процесс активации психогенного происхождения [4, с. 71; 5, с. 46].
Рис. 4. Изменения (в % от исходного уровня) частоты дыхания (А) и минутного объёма дыхания (Б) после выполнения умственной нагрузки у студентов с разными биоритмами Обозначения: * - статистически достоверные отличия от исходного уровня: * - p<0,05; ** - p<0,01 (Paired t-test) # - статистически значимые различия между представителями разных типов (# - p<0,05; t-test)
Именно за счёт увеличения ЧД у студентов с ранним пиком активности при работе в дневное время отмечался рост МОД в диапазоне от 10,86± ±0,80 л/мин до 14,46±2,35 л/мин (р<0,01). В отличие от этого при работе в утренние и вечерние часы у лиц данной категории наблюдалось уменьшение МОД на 14,3% и 10,1% (р<0,05) соответственно, что происходило, главным образом, за счёт снижения ДО. У «голубей» МОД при тестировании снижался независимо от времени суток, однако этот эффект носил достоверный характер только при работе в дневные часы и также был связан с преимущественным уменьшением ДО (рис. 4Б). Что касается «сов», то каких-либо существенных изменений МОД при дозированной умственной нагрузке в течение дня у них не выявлено, что коррелировало с отсутствием изменений таких параметров паттерна дыхания как ЧД и ДО (рис. 4 и рис. 1Б). Из гистограмм, представленных на рис. 4Б, видно также, что легочная вентиляция, как наиболее интегральный параметр паттерна внешнего дыхания, в ответ на умственную нагрузку демонстрировала наибольшее число межгрупповых различий биоритмологического характера. Так, в изменениях МОД были отмечены различия утром между «жаворонками» и «совами», днем в парах «жаворонки» - «голуби» и «голуби» - «совы», а вечером между «жаворонками» и «совами».
Обсуждение результатов
Результаты проведённого исследования свидетельствуют о различиях в реакциях отдельных параметров паттерна внешнего дыхания у студентов с разными околосуточными биоритмами на информационную нагрузку, выполняемую в скоростном режиме утром, днём и вечером. Наблюдаемая зависимость респираторных эффектов от типа биоритмов проявлялась как для объёмных, так и временных параметров спирограмм. Обращает внимание тот факт, что статистически значимые изменения изученных показателей спи-рограмм при умственной нагрузке формировались у «жаворонков» несколько чаще, чем у «голубей» и «сов», что, по нашему мнению, позволяет говорить о неодинаковой степени стабильности базальных паттернов дыхания у представителей с разными типами циркадианных биоритмов. Сравнение ре-
акций внешнего дыхания на дозированную умственную нагрузку у представителей с разными биоритмологическими типам показало также, что наибольшая встречаемость достоверных различий в изменениях изученных параметров паттерна дыхания отмечалась в парах «жаворонки» - «голуби». Достоверная разница у представителей с крайними типами биоритмов, то есть в парах «жаворонки» - «совы», а также в парах «голуби» - «совы» проявлялась гораздо реже. Последний факт, на наш взгляд, может быть отчасти обусловлен тем, что в группу «сов» вошли не только студенты с генетически детерминированным вечерним типом активности, но и лица (в том числе и «жаворонки»), которые приобрели данный тип биоритмов в ходе учебной деятельности, начиная со средней школы.
Характер респираторных реакций, наблюдаемых у студентов в условиях дозированной умственной нагрузки, с одной стороны, допустимо связывать с разной выраженностью активации корковых и подкорковых эмоциогенных зон [10, с. 83] и соответствующей этому степенью модуляции ритмики дыхания [4, с. 48; 5, с. 55]. С другой стороны, особенности дыхательных реакций, наблюдаемых у представителей с разными околосуточными ритмами, могут быть обусловлены неоднозначным характером влияний, оказываемых на центральные механизмы регуляции дыхания эндогенными и экзогенными задавателями биоритмов. К экзогенным задавателям биоритмов, в первую очередь, следует относить смену времени суток, от которой зависит уровень бодрствования человека и активность функциональных систем его организма [1, с. 59; 2, с. 123; 13, с. 19].
Эндогенные ритмозадаватели представлены совокупностью структур головного мозга, где роль главного циркадианного осциллятора отводится нейронам супрахиазматического ядра гипоталамуса [9, с. 150; 19, с. 705; 23, с. 681; 24, с. 237]. Согласно мультиосцилляторной модели биоритмов, допускается существование нескольких независимых пейсмекеров, подчинённых ведущему ритмозадавателю в порядке субординации. Этот главный пейс-мекер (супрахиазматическое ядро) навязывает свой ритм всем остальным структурам, неспособным к ритмогенезу [2, с. 126; 3, с. 40]. Влияния су-прахиазматического ядра на дыхательный центр, обладающий собственной ритмической активностью, скорее всего носят модулирующий характер и, по нашему мнению, могут опосредоваться, по крайней мере частично, нейронами паравентрикулярного ядра гипоталамуса, которое направляет окситоци-нергические проекции в комплекс пре-Бетцингера [21, с. 826]. В современной нейрофизиологии дыхания комплекс пре-Бетцингера, расположенный в ростро-вентральной медуллярной области и представленный популяциями инспираторных нейронов с различными паттернами активности, в том числе преинспираторными клетками с пейсмекерными свойствами, рассматривается как важнейший отдел дыхательного центра, являющийся наиболее вероятным местом генерации респираторного ритма [12, с. 624; 18, с. 237; 22, с. 25].
В свою очередь, ритмогенная активность супрахиазматического ядра контролируется афферентными входами, в том числе серотонинергически-ми от нейронов ядер шва, норадренергическими от других гипоталамических ядер и голубого пятна, дофаминергическими из среднего мозга [3, с. 42; 17, с. 538], а также зависит от содержания в мозге некоторых нейропептидов [19, с. 706]. Уровень указанных нейрохимических механизмов меняется в зависимости от функционального состояния центральной нервной системы, накладывая свой отпечаток на биоритмологические особенности физиологических функций организма человека в условиях трудовой, в том числе умственной, деятельности. Это относится и к динамике параметров внешнего дыхания у студентов с разными циркадианными биоритмами на фоне образовательного процесса и сопряжённого с этим психоэмоционального напряжения.
Таким образом, хронобиологические особенности студентов в значительной степени определяют у них динамику частотных и объёмных параметров паттерна внешнего дыхания и характер его изменений в условиях ум-
ственной деятельности на протяжении дня. Полученные в работе данные о респираторных эффектах у лиц с разными типами циркадианных ритмов дополняют представления о ритмике физиологических функций человека, вовлечённого в современный образовательный процесс, и могут быть полезными при разработке режимов умственных нагрузок.
Литература
1. Агаджанян, Н.А. Десинхроноз: механизмы развития от молекулярно-генетического до организменного уровня [Текст] / Н.А. Агаджанян, Д.Г. Гу-бин // Успехи физиологических наук. - 2004. - Т. 35. - № 2. - С. 57-72.
2. Агаджанян, Н.А. Экологическая физиология человека [Текст] / Н.А. Агаджанян, А.Г. Марачев, Г.А. Бобков. - М. : Издательская фирма «КРУК», 1998. -416 с.
3. Арушанян, Э.Б. Современные представления о роли супрахиазматических ядер гипоталамуса в организации суточного периодизма физиологических функций [Текст] / Б.Э. Арушанян, А.В. Попов // Успехи физиологических наук. - 2011. - Т. 42. - № 4. - С. 39-58.
4. Бреслав, И.С. Паттерны дыхания. Физиология, экстремальные состояния, патология [Текст] / И.С. Бреслав. - Л. : Наука, 1984. - 206 с.
5. Гришин, О.В. Психогенная одышка и гипервентиляционный синдром [Текст] / О.В. Гришин. - Новосибирск : Изд-во «Манускрипт», 2012. - 224 с.
6. Долгушин, А.Е. Сравнительный системный анализ околосуточных ритмов показателей кардиореспираторной системы и биологического возраста жителей Югры и Тюменской области [Текст] : автореф. дис. ... канд. мед. наук /
A.Е. Долгушин. - Сургут, 2009. - 22 с.
7. Егоров, А.С. Психофизиология умственного труда [Текст] / А.С. Егоров,
B.П. Загрядский. - Л. : Наука, 1973. - 132 с.
8. Зависимость состояния здоровья студентов от биоритмологических особенностей организма [Текст] / Л.М. Матюхина [и др.] // Современные проблемы физического воспитания и формирования здорового образа жизни студенческой молодёжи : материалы Республиканской науч.-практ. конф. -Минск, 2012. - С. 137-142.
9. Инюшкин, А.Н. Особенности спайковой активности нейронов супрахиазма-тического ядра [Текст] / А.Н. Инюшкин, К.А. Мистрюгов // Вестник Самарского гос. ун-та. Естественнонаучная серия. - 2013.- № 3 (104). - С. 146-152.
10. Киколов, А.А. Умственный труд и эмоции [Текст] / А.А. Кикилов. - М. : Медицина, 1978. - 368 с.
11. Путилов, А.А. «Совы», «жаворонки» и другие. О наших внутренних часах и их влиянии на здоровье и характер [Текст] / А.А. Путилов. - М. : Совершенство ; Новосибирск : Изд-во НГУ, 1997. - 264 с.
12. Респираторные реакции при микроинъекциях ГАМК и баклофена в комплекс Бетцингера и комплекс пре-Бетцингера у крыс [Текст] / О.А. Ведя-сова [и др.] // Российский физиологический журнал им. И.М. Сеченова. -2012. - Т. 98. - № 5. - С. 618-626.
13. Семак, И.В. Физиологические и биохимические механизмы регуляции цир-кадных ритмов [Текст] / И.В. Семак, В.А. Кульчицкий // Научный журнал «Труды Белорусского гос. ун-та». - 2007. - Т. 2. - № 1. - С. 17-37.
14. Соловьёв, В.Н. Адаптация студентов к учебному процессу в высшей школе [Текст] : автореф. дис. ... д-ра пед. наук / В.Н. Соловьёв. - Ижевск, 2003. -
C. 52.
15. Цибульская, Н.Ю. Клинико-гемодинамическая характеристика больных гипертонической болезнью с различными суточными биоритмами [Текст] / Н.Ю. Цибульская, Л.С. Поликарпов, М.М. Петрова // Сибирский медицинский журнал. - 2013. - Т. 28. - № 1. - С. 34-38.
16. Does the biorhythm of morningness or eveningness predict the arterial pressure [Text] / A. Uusitalo [et al.] // Ann. Clin. Res. - 1988. - V 48. - P. 51-53.
17. Dopamine receptor-mediated regulation on neuronal «clock» gene expression [Text] / M. Imbesi [et al.] // J. Neuroscience. - 2009. - V 158. - P. 537-544.
18. Feldman, J.L. Looking for inspiration: new perspectives on respiratory rhythm [Text] / J.L. Feldman, C.A. Del Negro // Nat. Rev. Neurosci. - 2006. - V 7. -Р. 232-242.
19. Inyushkin, A.N. Leptin modulates spike coding in the rat suprachiasmatic nucleus [Text] / A.N. Inyushkin, G.S. Blumbra, R.E. Dyball // J. Neuroendocrinology. -2009. - V. 21. - P. 705-714.
20. Paine, S.J. The epidemiology of morningness/eveningness: influence of age, gender, ethnicity and socioeconomic factor in adult (30-49 years) [Text] / S.J. Paine, P.H. Gander, N. Travier // J. Biol. Rhythms. - 2006. - V 21. - № 1. - P. 68-76.
21. Paraventricular oxytocin neurons are involved in neuronal modulation of breathing [Text] / S.O. Mack [et al.] // J. Appl. Physiol. - 2002. - V 92. - № 2. - P. 826-834.
22. Schwarzacher, S.W. Neuroanatomical characteristics of the human pre-B^zinger complex and its involvement in neurodegenerative brainstem diseases [Text] / S.W. Schwarzacher, U. Rueb, T. Deller // Brain. - 2011. - V. 134. - P. 24-35.
23. Stephenson, R. Circadian rhythms and sleep-related breathing disorders [Text] / R. Stephenson // Sleep Med. - 2007. - V. 8. - № 6. - P. 681-687.
24. Watanabe, A. Circadian rhythm of spontaneous neuronal activity in the suprachiasmatic nucleus of old hamster in vitro [Text] / A. Watanabe, S. Shibata, S. Watanabe // Brain Res. - 1995. - V 695. - P. 237-239.
