CC BY
111
ВОЗРАСТНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ РИТМОВ СЕРДЦА, АРТЕРИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ И ДЫХАНИЯ У ДЕВОЧЕК ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА ПРИ УМСТВЕННОЙ НАГРУЗКЕ ПО ДАННЫМ ВРЕМЕННОГО И СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
О.В. Кузнецова, Ю.Н. Комкова1 ФГНУ "Институт возрастной физиологии" Российской академии образования, Москва
Изучены особенности вариабельности сердечного ритма, систолического и диастолического артериального давлении и объема дыхания у девочек школьного возраста при умственной нагрузке. Методом спектрального и временного анализа определялись особенности колебательных процессов в системе автономной нервной регуляции дыхания и гемодинамики в состоянии спокойного бодрствования, при функциональной нагрузке и в восстановительном периоде. Выявлено, что умственная нагрузка разного характера у девочек 8-11 и 15-16 лет сопровождается сходной ответной реакцией автономной нервной системы, которая выражается активизацией симпатического отдела. Отмечено увеличение доли очень медленных волн в структуре спектра сердечного ритма у девочек от 8 к 16 годам, что связанно с усилением гуморально-метаболических влияний.
Ключевые слова: вариабельность сердечного ритма, вариабельность ритма артериального давления и ритма дыхания, умственная нагрузка, младшие и старшие школьницы.
Heart rate, blood pressure and respiration variability in school-aged girls during mental work according to time and spectral analysis. The article presents the study of heart rate variability, systolic and diastolic blood pressure and respiratory volume in school-age girls during mental work. The method of spectral and temporal analysis was used to study process variation in the autonomic nervous system regulation of breathing in the state of quiet wakefulness, functional load and recovery period. It was shown that the performance of different mental work by 8-11 and 15-16-year-old girls is accompanied by similar responses of the autonomic nervous system, which is expressed in sympathetic activation. The increase of very slow heart rate waves in girls from 8 to 16 years old was connected with the strong humoral and metabolic influences.
Keywords: heart rate variability, blood pressure and breathing rate variability, mental work, junior and senior school girls.
Показатели колебаний параметров респираторно-гемодинамической системы имеют большое прогностическое значение, отражая энергетические и регуляторные процессы в организме [2, 7, 9, 23, 27, 28, 29, 30, 32].
Контакты: 1 Комкова Ю.Н., E-mail: <[email protected]>
В настоящее время наиболее изученным является вариабельность сердечного ритма [9, 16, 21, 29, 31]. Периодические колебания гемодинамики ранее уже иссле-довались,в силу технических и методических сложностей, они не получили широкого развития.
Однако исследований одновременно ритмов всех трех параметров практически не проводилось. Учитывая тесную взаимосвязь дыхания и гемодинамики в процессе адаптации к меняющимся условиям внешней среды и регуляторную роль непрерывных влияний вегетативной нервной системы, представляется интересным исследование колебаний не только сердечного ритма, но и дыхания и артериального давления, и их взаимосвязи. Изучение этого вопроса актуально в разные возрастные периоды, особенно на этапе формирования молодого организма при непосредственном воздействии окружающей среды.
Одним из важнейших факторов внешней среды для формирующегося организма ребенка является умственные нагрузки в школе. Доказано, что умственные нагрузки, как и физические, вызывают существенные изменения в регуляции висцеральных функций у детей разного возраста [3, 8, 12,2 0, 22, 28, 32], при этом механизм воздействия остается мало изученным.
Физиологический ответ на эти нагрузки реализуется через структуры ЦНС и включение информационных и метаболических процессов деятельности организма. Метаболическое и нейровегетативное равновесие организма включает ряд долгосрочных, конституциональных или динамических состояний.
Значительные морфологические и функциональные перестройки в механизмах регуляции кровообращения и дыхания обнаружены в период, предшествующий пубертатным процессам. В различных исследованиях отмечается чередование периодов усиления активности симпатического или парасимпатического отделов АНС на протяжении детского и подросткового возраста [11, 12, 19, 26].
Выявлено, что к 15-летнему возрасту происходит усиление тонуса парасимпатической нервной системы в сочетании с относительным снижением тонуса симпатической регуляции, а к 16-17 годам автономная регуляция сердечно-сосудистой системы у подростков характеризуется переходом от преобладания парасимпатических влияний к сбалансированному функционированию звеньев вегетативной нервной системы [10]. Есть исследования, свидетельствующие о преобладании активности парасимпатической нервной системы у девочек 15-16 лет. У них отмечены большие абсолютные значения очень низкочастотного (VLF) и высокочастотного (ИР) показателей спектра, а также выявлен высокий показатель максимальной продолжительности ЯЯ-интервалов (КЯтах), по сравнению с мальчиками [26].
Целью настоящей работы было выявить особенности вариабельности ритмов артериального давления, ритма сердца и ритма дыхания у девочек младшего и старшего школьного возраста в покое и при различных умственных нагрузках.
ОРГАНИЗАЦИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для изучения автономной нервной регуляции дыхания и гемодинамики использовались методы временного и спектрального анализа [14, 23, 27, 30, 31]. Временной метод анализа ВРС включал измерение следующих показателей:
КЯЫЫ, мс - средняя длительность интервалов RR, которая отражает результат регуляторных влияний на синусовый ритм, сложившегося баланса между парасимпатическим и симпатическим отделами автономной нервной системы [2, 9];
8БЫЫ, мс - стандартное отклонение величин нормальных интервалов RR за рассматриваемый временной отрезок. Показатель является интегральным показателем ВРС, зависит от влияния на синусовый узел симпатического и парасимпатического отделов автономной нервной системы. Уменьшение или увеличение этого показателя свидетельствует о смещении вегетативного баланса в сторону преобладания одного из отделов [2, 9];
ЯМ88Б, мс - квадратный корень из суммы квадратов разностей величин последовательных интервалов NN [2, 9];
рЫЫ50, % - процент ЫЫ50 (ЫЫ50- количество пар последовательных интервалов ЫЫ, различающихся более, чем на 50 мс в течение всей записи) от общего количества последовательных пар интервалов, полученное за весь период записи. Значения показателей ЯМ88Б и рЫЫ50 определяются преимущественно влиянием парасимпатического отдела автономной нервной системы и являются отражением синусовой аритмии, связанной с дыханием [2];
СУ, % - коэффициент вариации (СУ=8ВЫЫ/КЯЫЫ*100 %), отражающий смещение вегетативного баланса в сторону преобладания одного из отделов вегетативной нервной системы [2];
Спектральный метод анализа вариабельности ритмов сердца (ВРС), объема дыхания (ВРД), систолического и диастолического артериального давления (ВР АДС и АДД) позволяет обнаружить различные частотные составляющие спектра исследуемых ритмов и количественно оценить динамику его структуры. В норме у человека в спектре ритмов (при анализе 5 минутных записей ЭКГ) присутствуют три основных спектральных составляющих, или пика [5]:
Высокочастотные колебания (НР (мс2, %)) - мощность спектра в диапазоне
0,15-0,4 Гц, которые сопряжены с дыханием и отражают модулирующее влияние парасимпатического отдела нервной системы на пейсмекерную активность синусового узла [2, 21];
Низкочастотные колебания - (ЬР (мс2, %)) - мощность спектра в диапазоне
0,04-0,15Гц, которые могут быть обусловлены как периодически возникающими вспышками симпатической вазомоторной активности (собственный ритм сосудви-гательного центра), так и колебания ритма АД, реализуемого через барорефлекторные механизмы [2, 21];
Очень низкочастотные колебания - (VLF (мс2, %)) - мощность спектра в диапазоне 0,003-0,04 Гц, которые характеризуют влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр [16, 17].
Общая мощность спектра в диапазоне от 0,003 до 0,4 Гц или полный спектр частот (ТР(мс2)), отражает суммарную активность воздействия АНС на вариабельность ритмов различных показателей легочного дыхания и гемодинамики [2, 5, 16, 17].
Для оценки баланса симпатических и парасимпатических влияний на вариабельность ритмов (вегетативный баланс) использовалось отношение низкочастотной составляющей спектра к высокочастотной (LF/HF) [2, 21].
В дальнейшем исследуемые показатели мы будем обозначать следующим образом: временные - 8БЫЫ, ЯМ88Б, рЫЫ50, СУ; спектральные - НР тБ2, НР %, ЬР тБ2, ЬР %, УЬР тБ2, УЬР %, ТР.
В эксперименте использованы приборы, разработанный ООО «Интокс» (С.-Петербург) - спироартериокардиоритмограф (САКР) и "Поли-Спектр-12" фирмы НЕЙРОСОФТ (Иваново).
В настоящей работе приведены результаты по двум сериям эксперимента. В первой серии проведено исследование вегетативной регуляции респираторно-гемо-динамической системы у 120 здоровых девочек 8-11 лет. Регистрация показателей кардиоритма, артериального давления и дыхания (дыхательного объема и времени вдоха и выдоха) велась в момент выполнения задания и в восстановительном периоде.
В качестве умственной нагрузки использован "счет в уме", описанная в различных руководствах по клинической нейрофизиологии и психологии [1, 18] как функциональная проба, которая моделирует психо-эмоциональное напряжение и является своеобразным "стресс-тестом".
В процессе выполнения пробы все дети выполняли следующее задание - последовательное вычитание из определенной суммы одного числа в течение 5 минут (для детей 8-9 лет из 100 вычитать 7, для детей 10-11 лет из 500 вычитать 7). Заранее оговаривалось условие, что если ребенок за установленное время успевал досчитать до конца, счет велся в обратном направлении - прибавление цифры на 1 больше до первоначально заданного числа. Таким образом, уравнивалась нагрузка для детей с разными навыками счета.
Во второй серии эксперимента участвовали 62 девочки 15-16 лет. Регистрация ЭКГ проводилась во втором стандартном отведении, запись осуществлялась в состоянии покоя, в процессе нагрузки и восстановительном периоде, как в первой серии эксперимента. В качестве умственной нагрузки использован компьютеризированный буквенный тест (Сонькин В.В.,2009).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты исследования автономной нервной регуляции ВРС, ВРД, ВР АДС и АДД у девочек младшего школьного возраста в покое выявили, что для них характерно наличие хорошо выраженных волн сердечного ритма во всех трех диапазонах частот. В спектрах ритмов артериального давления и дыхания, как и в спектре ВРС, присутствуют быстрые, медленные и очень медленные волны. При этом выявляется разница в структуре этих спектров. О чем более подробно описано ранее [7].
В спектре сердечного ритма преобладают быстрые (НР) и медленные волны (ЬР) их доля составляет в среднем 60 % и 25 % соответственно. Доля очень медленных волн (УЬР) в спектре ВРС в среднем не превышает 15 %.
В спектре артериального давления превалируют очень медленные волны. От 46 % в спектре систолического до 65 % в спектре диастолического давления. Примерно одинаковые доли имеют высокочастотные и медленночастотные волны.
В спектрах дыхания и артериального давления доля очень медленных волн, почти 50 %, также довольно значительна, доля быстрых волн - 40 %, в то время как доля медленных колебаний не превышает 10 %.
Результаты эксперимента с функциональной пробой «счет в уме» показали, что в ходе нагрузки частота сердечных сокращений (ЧСС) увеличивалась незначительно (в среднем на 4 уд/мин), однако через 10 минут после нагрузки снижалась (в среднем на 10 уд/мин) у девочек всех исследуемых возрастных групп (таблица 1).
Таблица 1
Показатели частоты сердечных сокращений (ЧСС), артериального давления (систолического,АДС и диастолического, АДД), дыхательного объема (ДО) и длины дыхательного цикла (ДЦЦ) у девочек младшего школьного возраста (М±т)
Показа- тели Г руппа/ период исследования
8 лет (п=20) 9 лет (п=20) 10 лет (п=20) 11 лет (п=20)
Исх. сост. Нагр. По- сле нагр узки Исх. сост. Нагр По- сле нагр узки Исх. сост. Нагр По- сле нагр узки Исх. сост. Нагр По- сле нагр узки
ЧСС, уд/мин 93 +2,4 96 +2,7 86 +2,2 88 +2,7 94 +3,2 85 +3,2 94 +2,7 99 +3 89 +2,8 91 +2,3 94 +2,2 86 +2,2
АДС, тшН£ 111 +2,1 110 +2,8 105 +3,1 109 +1,7 109 +3 103 +3,9 110 +2,2 108 +2,4 108 +2,3 112 +2,1 110 +2,7 107 +2,8
АДД, ттН^ 68 +1,5 64 +2,1 66 +1,2 63 +1,2 63 +2,9 61 +2,9 64 +1,5 61 +2 62 +1,3 65 +1,5 64 +1,9 62 +1,4
ДО, л/мин 0,175 +0,01 0,190 +0,02 0,150 +0,01 0,170 +0,01 0,190 +0,01 0,160 +0,01 0,200 +0,02 0,190 +0,01 0,180 +0,02 0,270 +0,1 0,225 +0,03 0,180 +0,02
ДДЦ, с 4,0 +0,7 4,0 +0,8 4,2 +0,6 3,0 +0,3 2,9 +0,2 3,3 +0,3 3,0 +0,2 3,1 +0,5 3,2 +0,5 4,0 +0,7 4,9 +0,9 4,6 +0,8
Примечания: исх.сост. - исходное состояние, нагр. - нагрузка ("счет в уме").
Общая мощность спектра сердечного ритма (ТР РС) во время счета менялась незначительно у школьниц всех возрастных групп. Однако после 10 минут отдыха этот показатель увеличивался по сравнению с нагрузкой почти в 2 раза только у восьмилетних и одиннадцатилетних девочек, а у 9-10 летних - возвращался к исходному уровню (рис. 1а).
Значение артериального давления в процессе нагрузки и после нее значимо не менялось у всех испытуемых в отличие от показателя общей мощностью спектра (ТР) артериального давления (рис. 2б).
ТР систолического АД (ТРС) у школьниц 8 лет увеличивалась на 17 % во время нагрузки, а в процессе восстановления, достигнув исходного уровня, продолжало снижаться далее. ТР диастоличекого АД (ТРД) напротив, в ходе нагрузки начинало снижаться сразу, однако после 10 минут отдыха, в отличие от ТРС, не возвращается к прежнему уровню, а продолжает снижаться еще на 15 %.
Показатели вариабельности сердечного ритма у девочек 15-16 лет (Ы±т)
Показатели Группа/ период исследования
15 лет (п=40) 16 лет (п=16)
Исх.сост. Нагр. После нагрузки Исх. сост. Нагр. После нагрузки
Временные характ-ки ЯЯШ 735.09 ±16.33 689.88* ±14.65 711.47*# ±14.68 744.07 ±18.30 715.87* ±16.23 743.73# ±17.49
8БШ 62.50 ±3.55 55.41 ±4.52 66.47 ±6.43 58.73 ±4.64 61.33 ±6.49 60.90 ±5.82
ЯМ88Б 50.38 ±4.03 46.76 ±6.22 44.18 ±3.16 48.47 ±6.24 57.27 ±9.90 51.93 ±8.72
рШ50 24.86 ±3.17 16.94* ±2.68 20.03* ±2.71 20.25 ±4.19 15.37 ±2.91 19.25 ±3.33
СУ 8.44 ±0.41 7.92 ±0.62 8.44 ±0.34 7.73 ±0.47 8.50 ±0.94 7.96 ±0.69
Спектральные характеристики LF/HF 1.49 ±0.18 2.19* ±0.37 1.96* ±0.23 1.60 ±0.17 1.56 ±0.18 1.92 ±0.27
ТР 5375.97 ±579.44 4486.00 ±661.75 6687.50 ±1506.89 4803.50 ±670.70 5279.97 ±1010.0 5205.83 ±943.82
VLF тс2 1720.26 ±237.64 1169.79* ±141.50 1614.76# ±202.49 1639.13 ±151.08 1575.00 ±183.55 1504.00 ±190.35
LF тс2 1865.82 ±230.17 1737.35 ±232.83 2716.76 ±480.20 1474.30 198.26 1624.60 277.81 1803.77 ±246.27
ОТ тс2 1789.76 ±251.01 1578.97 ±364.64 2356.03 ±885.84 1690.03 ±401.63 2080.27 ±633.30 1898.07 ±604.56
VLF % 32.65 ±2.269 29.44 ±1.979 29.21 ±1.903 39.53 ±2.01 37.73 ±2.61 32.80* ±2.16
LF % 36.00 ±1.94 41.50* ±2.43 42.26* ±2.22 32.97 ±1.82 33.97 ±2.02 39.73*# ±1.91
ОТ % 31.15 ±2.28 29.03 ±2.29 28.35 ±2.13 27.53 ±2.54 28.40 ±2.61 27.37 ±2.32
Примечания: исх.сост. - исходное состояние, нагр. - умственная нагрузка (компьютеризированный буквенный тест), * - значимые различия показателей по сравнению с исходным состоянием, # - по сравнению с нагрузкой (при р< 0,05) по икритерию Стъюдента.
У 9 и 11-летних учениц ТРС незначительно повышается во время счета и возвращается к прежнему уровню после 10 минут отдыха. ТРД незначительно меняется, но противофазно. И только у 10-летних девочек вектор изменений общей мощности спектров и систолического и диастолического давления в динамике по-кой-нагрузка-восстановление имеет одинаковую направленность (рис. 1б. III).
-3000,0 7000,0 -3000,0* -3000,0| -4000,0 -3000,0 -2000,0 -1000,0 ----Огв-
8000,0
7000.0
6000.0
5000.0
4000.0
3000.0
2000.0 1000,0
0,0
5000.0
4000.0
3000.0
2000.0 1000,0
0,0
350.0
300.0
250.0
200.0
150.0
100.0 50,0 0,0
покои счет вос-е
1.а.Общая мощность спектра ритма сердца и ритма дыхания.
ТР,тэ2 -
-ТРвР,1/т2
-Г 250,0 30,0 л
25,0 -
• • 200,0
20,0 -
•• 150,0
15,0 -
•• 100,0 10,0 -
•• 50,0 5,0 -
-• 0,0 0,0 -
ІІ.а.Общая мощность спектра ритма сердца и ритма дыхания.
40.0
35.0
30.0
25.0
20.0
15.0
10.0 5,0 0,0
і.б.Общая мощность спектра артериального давления.
-ЇРв,ттНд2
-ЇРР,ттНд2
іі.б.Общая мощность спектра артериального давления.
-ЇРв,ттНд2
ТРЭ,ттНд2
350,0 30,0 л
300.0 250.0 200.0 25.0 • 20.0 •
150,0 15,0 •
100,0 10,0 •
50,0 5,0 •
0,0 0,0 •
Ш.а.Общая мощность спектра ритма сердца и ритма дыхания.
ііі.б.Общая мощность спектра артериального давления.
4500.0
4000.0
3500.0
3000.0
2500.0
2000.0
1500.0
1000.0 500,0
0,0
400,0 30,0 -і
—--♦«ч 350,0 25,0 •
300.0 250.0 20,0 •
\ 200,0 15,0 •
150,0 10,0 •
100,0 50,0 5,0 •
1 1 0,0 0,0 •
-ЇРв,ттНд2
-ЇРР,ттНд2
Ма.Общая мощность спектра ритма сердца и ритма дыхания.
іУ.б.Общая мощность спектра артериального давления.
Рисунок 1. Динамика общей мощности вариабельности ритмов сердца и дыхания (а); ритмов систолического и диастолического давления (б) у девочек младшего школьного возраста. I. дети 8 лет; II. дети 9 лет; III. дети 10 лет;
IV. дети 11 лет.
вос-е
вос-е
вос-е
вос-е
вос-е
вос-е
вос-е
В процессе счета наблюдались изменения и в характере дыхания. Менялась глубина и ритм дыхания, длительность вдоха и выдоха. Однако, общая длительность дыхательного цикла оставалась прежней (таблице 1). Общая мощность спектра ритма дыхания (ТР РД) увеличивается от 10 %-15 % у 8-9-летних девочек до 25 % у 11-летних в процессе счета. После 10 минут отдыха данный показатель резко снижается (на 40 %) у 8 и 11-летних детей, за счет очень медленных волн.
Таким образом, результаты исследований показали, что в автономной нервной регуляции сердечного ритма, у детей 8-11 лет идет снижение активности парасимпатического отдела, при этом у 8-летних девочек снижается активность симпатического отдела, тогда как у 9-11 -летних - не изменяется и, как следствие, снижается общая мощность спектра в процессе выполнения счета у всех испытуемых (рис. 2а). Однако полного восстановления не происходит даже после восстановительного периода, по времени вдвое превышающего саму нагрузку.
В ритме артериального давления и дыхания, напротив, изменения более выражены именно после 10 минут восстановления по сравнению с самой нагрузкой (рис. 2 а-г).
По данным проведенного исследования, характер реагирования спектра сердечного ритма и ритма дыхания, выраженный в амплитуде и векторе изменений тотальной мощности и его структурных частей при функциональной пробе и в восстановительном периоде примерно одинаков во всех возрастных группах. В спектре ритма артериального давления изменения, как общей мощности, так и спектральных составляющих неодинаковы и по направленности и по амплитуде во всех исследуемых возрастных группах. По-видимому, это обусловлено определенными индивидуальными особенностями испытуемых разных групп, по которым группы оказались неоднородны.
Обращают на себя внимание реципрокные (противофазные) и синфазные взаимоотношения показателей ритмов сердца, дыхания, систолического и диастолического давления. Синфазные между ТР ритма дыхания и ЧСС, между дыхательным объемом и ТР сердечного ритма. Волны быстрого диапазона (ИР) в спектрах ритмов сердца дыхания изменяются противофазно. Направленность изменений в УЬБ диапазоне практически всегда одинаковая в спектрах ритмов систолического давления и дыхания.
Доминирующими или наиболее лабильными в процессе реагирования спектров на нагрузку и в восстановительный период в спектре сердечного ритма являются ИБ (у девочек 8 лет ИБ и ЬБ). В спектре ритма дыхания - УЪБ у 8-летних детей, а у более старших - УЬБ и ИБ. В спектре артериального давления также, как и в спектре дыхания - УЬБ.
Таким образом, результаты проведенного исследования выявили комплексный характер изменений в респираторно-гемодинамической системе, показывающий чувствительность всех звеньев системы к воздействию умственных нагрузок, предъявляемых младшим школьникам. Однако, разные параметры респираторно-гемодинамической системы при предъявлении функциональной пробы "счет в уме", реагируют неодинаково как по вектору изменений, так и по амплитуде отклонений от первоначального уровня покоя. Такое разнообразие вегетативной реакции на умственную нагрузку, на наш взгляд, говорит о высокой степени индивидуальности реагирования механизмов регуляции на внешние возмущающие воздействия.
ms2
7QQQ
6QQQ
5QQQ
4QQQ
2QQQ
Ш
Q
II.a
I
счет вос-е
□ VLFS,mmHg2 □ LFS.mmHg^ □HFS,mmHg2 []VLFS,mmHg2 □ LFS,mmHg2 []HFS,mmHg2
Счет
И.б
45QQ
4QQQ
35QQ
3QQQ
25QQ
2QQQ
15QQ
1QQQ
5QQ
Q
III.a
■ ■ I
счет вос-е
□ VLFS,mmHg2 □ LFS,mmHg2 DHFS,mmHg2
25 2Q ■ 15Ю 5 Q
В
4QQQ 35QQ 3QQQ 25QQ 2QQQ 15QQ 1QQQ 5QQ Q
IV.a покой
H H N
■VLFS,mmHg2 ■LFS,mmHg2 []HFS,mmHg2
вос-е
.a
вос-е
вос-е
б
В
покои счет вос-е
II.в
III.в
1\ЛР5Р,1/т21 1_Р5Р,1/т2П НР5Р,1/т2
□У1_Р8Р,!/т2 И1Р8Р,!/т2 □НР8Р,!/т2
350
300
250
200
150
100
50
О
200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 60 40 20 -0
покои счет вос-е
покои счет вос-е
1.г
□ У1.Р8Р,!/т2П 1.Р8Р,!/т2П НР8Р,!/т2
Рис. 2. Изменение структуры спектров. а )сердечного ритма; б) ритма систолического АД; в) ритма диастолического АД; г) ритма дыхания (ДО) у девочек 8-11 лет в покое, при умственной нагрузке и через 10 минут отдыха; _____________________________________I- IV возрастные группы детей от 8-11 лет._____________________________________
.в
г
Наименее изменчивыми величинами оказались артериальное давление и частота дыхания, а наиболее чувствительными к воздействию оказались изменение объема дыхания и вариабельность сердечного ритма. Интересно, что, несмотря на небольшую реактивность показателя артериального давления и общей мощности вариабельности этого показателя, внутри спектра артериального давления (как систолического, так и диастолического) наблюдались активные структурные перестройки. Это наблюдалось как в процессе нагрузки, так и в восстановительном периоде. По-видимому, эти изменения являются отражением работы компенсаторных механизмов, направленных на поддержание давления на постоянном уровне. Очевидно, изучение вариабельности ритма артериального давления, как более инертной системы, будет полезно для оценки длительной адаптации и адаптационных резервов, в то время как вариабельность сердечного ритма и ритма дыхания, как параметры гибко и быстро реагирующие на воздействие внешней и внутренней среды, больше отражают срочную адаптацию и напряжение механизмов ее регулирующих.
Таким образом, эксперимент первой серии исследования показал выраженное влияние ментальной нагрузки на висцеральные функции, что согласуется с литературными данными [8, 12, 20, 22, 28, 32]. Однако, механизм этого влияния неясен, поскольку воздействие умственной нагрузки, в отличие от физической, имеет опосредованный характер.
В литературе подробно описаны особенности варибельности сердечного ритма и ритма дыхания, в частности частоты дыхания, в условиях психо-эмоционального стресса [16, 20], чем является в данном случае умственная нагрузка для младших школьников.
Есть мнение, что общей закономерностью, отражающей характер влияния умственной нагрузки на организм, является повышение активности симпатического и снижение влияния парасимпатического отдела вегетативной нервной системы [25].
В связи с этим нам представляется интересным проследить характер автономной нервной регуляции СР при других более сложных видах умственной деятельности. Многие исследователи к такой деятельности относят работу на компьютере как особый вид умственной нагрузки [3, 24], требующий вовлечения значительных интеллектуальных и физических ресурсов организма. Учитывая, что в последние годы компьютерные технологии все более активно используются в процессе школьного обучения, изучение этого вопроса становится особенно актуальным.
Исходя из результатов эксперимента 1 -й серии, следует, что наиболее устойчивая реакция у девочек на умственную нагрузку наблюдалась в ритме сердца. В связи с этим нам представляется целесообразным исследование автономной регуляции ритма сердца при более сложной умственной нагрузке, которой является работа на компьютере.
Во второй серии эксперимента было выявлено следующее.
Обращает внимание на себя изменение структуры спектра ВРС в состоянии покоя от 8 к 16 годам. У старших девочек в спектре ВРС практически одинаково представлены волны быстрого, медленного и очень медленного диапазона (рис. 3).
80%
60%
40%
20%
0%
10 11 15 16
□ УЬР
іьр пир
Рис. 3. Структура спектров сердечного ритма у школьниц 8-11 и 15-16 лет в покое: на оси абсцисс - возраст, на оси ординат - значения частотных составляющих спектра.
8
9
На основании полученных данных можно предположить, что это связано с адаптационными перестройками в регуляции сердечного ритма к этому этапу онтогенеза, что согласуется с мнением и других авторов [4, 10, 11]. У девочек 15 лет в процессе умственной нагрузки отмечается снижение очень низкочастотного показателя и повышение — низкочастотного компонента спектра, что закономерно отражается на вегетативном балансе, повышая долю симпатических влияний.
Снижение низкочастотной составляющей спектра у девочек 15 лет, возможно, связано с состоянием внутренней сосредоточенности, направленной на переработку имеющейся информации, что отмечается и другими исследователями [6].
Однако природа УЪБ колебаний остаётся дискуссионной. По мнению ряда исследователей, сверхнизкочасточные колебания характеризуют влияние высших вегетативных центров на сердечно-сосудистый подкорковый центр и отражают состояние нейрогуморального и метаболического уровня регуляции [2 ,9, 16, 17].
Поэтому отмеченные в наших исследованиях изменения, по нашему мнению, могут быть следствием возрастных перестроек, связанных с усилением гуморально-метаболических влияний. Это согласуется с другими научными данными. Так, М.В. Никулиной (2005) [10] получены результаты, где показано усиление такой активности у девочек от 10 к 17 годам.
По данным временного анализа в процессе выполнения умственной нагрузки данных ВРС у девочек 15 и 16 лет также наблюдается снижение активности парасимпатической и повышение активности симпатической нервной системы, что отражается в снижении показателей ЯЛМЫ и рМ^с) (табл. 1). Подобная реакция на нагрузку отмечается и другими исследователями [21]. У девочек 16 лет выявлена менее выраженная вегетативная реакция на умственную нагрузку, по сравнению с 15-летними. Возможно, это связано с завершением активных пубертатных перестроек.
Наблюдаемый рост влияния симпатической нервной системы у девочек 15-16 лет в процессе выполнения компьютеризированного буквенного теста сходен с характером реакции АНС на "счет в уме", выявленный нами у девочек 8-11 лет.
Повышение активности симпатической и снижение - парасимпатической нервной системы в процессе выполнения умственной нагрузки можно рассматривать как проявление адекватной реакции на нагрузку
После выполнения нагрузки у 15-16-летних девочек, как и у 8-11-летних школьниц, не все показатели ВРС возвращаются к исходному уровню активации как при умственной нагрузке "счет в уме", так и при выполнении компьютеризированного буквенного теста. Даже у детей, у которых в процессе нагрузки не было значимых изменений, реакция проявлялась в восстановительном периоде. Видимо, умственная нагрузка вызывает "напряжение" регуляторных систем, которое при выполнении самой нагрузки может явно не проявляться, но вызывает "отставленную" реакцию, напоминая тем самым работу "в долг" при физической нагрузке.
ВЫВОДЫ
1. У детей в возрасте 8-11 лет, при умственной нагрузке, как и в покое, в спектре волн ритмов артериального давления и дыхания, как и в сердечном ритме, выделяются быстрые, медленные и очень медленные волны.
2. Структура спектра сердечного ритма в состоянии покоя у девочек от 8 к 16 годам меняется в сторону увеличение доли очень медленных волн и связанна с усилением гуморально-метаболических влияний.
3. Умственная нагрузка "счет в уме" показала, что вариабельность сердечного ритма и ритма дыхания, как параметры, более гибко реагирующие на действия внешней и внутренней среды, отражают срочную адаптацию, а вариабельность ритма АД, как показателя более инертной сосудистой системы, могут позволить оценить характер длительной адаптации.
4. Умственная нагрузка у девочек 8-11 и 15-16 лет сопровождается активизацией симпатического отдела автономной нервной системы и проявляется в форме "отставленной " реакции, сходной с работой "в долг" при физической нагрузке, как при нагрузке счет в уме, так и при выполнении буквенного теста.
5. Характер изменения параметров ВРС у девочек 8-11 и 15-16 лет при выполнении различных умственных нагрузок позволяет предложить о единой стратегии автономного нервного регулирования висцеральных функций при ментальных нагрузках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аладжалова Н.А. Психофизиологические аспекты сверхмедленной ритмической активности головного мога. - М.: Наука, 1979;
2. Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокадиографических систем (методические рекомендации) /Р.М. Баевский, Г.Г. Иванов. А.В. Чирейкин и др. // Вестник аритмологии. - 2001.
- № 24. - С. 65.
3. Безруких М.М., Комкова Ю.Н. Функциональное состояние организма детей 15-16 лет в зависимости от возраста начала работы за компьютером // Альманах «Новые исследования» - 2012. - № 3. - С. 21-30.
4. Галлеев А.Р. ВРС у здоровых детей в возрасте 6-16 лет / А.Р. Галлеев, Л.Н. Игишева, Э.М. Казин // Физиология человека. - 2002. - Т. 28., № 4. - С. 54
5. Комаров Г.Д., Кучма В.Р, Носкин Л.А. Полисистемный саногенетический мониторинг. - М.: изд-во МИПКРО, 2001.
6. Конева Л.В., Плотников Д.В. Соотношение показателей свойств зрительного внимания и состояния вегетативной нервной системы // Университетская наука: теория, практика, инновации: Сб. трудов 73 -й научной конференции КГМУ сессии Центрально-Черноземного научного центра РАМН. Т. I. - Курск. 2008. -С. 54.
7. Кузнецова О.В., Сонькин В.Д. Спектральный анализ вариабельности ритмов сердца, артериального давления и дыхания у детей 8-11 лет в покое // Физиология человека. - 2005. - том 31, № 1. - С. 39-45.
8. Мекешкин Е.А. Особенности адаптации к умственным нагрузкам учащихся младших классов с различным уровнем тревожности: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Челябинск, 2010. - 23 с
9. Михайлов В.М. Вариабельность ритма сердца: опыт практического применения / В.М. Михайлов. - Иваново: Иван. гос. мед. академия, 2002. - 290 с.
10. Никулина М.В. Вегетативная регуляция сердечной деятельности у детей и подростков: Дис. ... канд. биол. наук. - Архангельск, 2005. - 210 с.
11. Плышевская Е.В. Функциональные особенности сердечной деятельности школьников 15 - 16 лет: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Ярославль, 2003. -23 с.
12. Пономарева Т.А. Срочная адаптация системы кровообращения детей младшего школьного возраста к работе на компьютере: Автореф. дис. . канд. биол. наук. - М., 2005. - С. 20
13. Похачевский, А.Л. Функциональное состояние и адаптационные резервы организма / А.Л. Похачевский, В.М. Михайлов, А.А. Груздев и др. // Вестник Новгород. Госуд. ун-та. - 2006. - № 35. - С. 12-15.
14. Станкерс А., Алондерис А. Спектрально-когерентный состав взаимосвязи между формой пульсовой волны сонной артерии и сердечным ритмом // Физиология человека. - 2003. - Т. 29. № 3. - С. 76
15. Сонькин В.В. Компьютерная система оценки умственной работоспособности // Мат-лы межд. конф. "Физиология развития человека". Секция 4. - М.: Вер-дана, 2009. - С. 101-102.
16. Флейшман А.Н. Медленные колебания гемодинамики. Теория, практическое применение в клинической медицине и профилактике. - Новосибирск: Наука, 1999. - 264 с.
17. Хаспекова Н.Б. Диагностическая информативность мониторирования вариабельности ритма сердца // Вестник аритмологии. - 2003. - № 32. - С. 15.
18. Хэссет Дж. Введение в психофизиологию: Пер.сангл. - М.: Мир, 1981. -249 с.
19. Ширяева И.С., Савельев Б.П. Методологические аспекты оценки параметров функциональных систем у детей и подростков // Физиология роста и развития детей и подростков (теоретические и клинические вопросы) / Под. ред. А.А. Баранова, Л.А. Щеплягиной. - М., 2000. - С. 315-326.
20. Щербатых Ю.В. Саморегуляция вегетативного гомеостаза при эмоциональном стрессе // Физиология человека. - 2000. - Т. 26, № 5. - С. 151.
21. Berntson G. G., Bigger J. T., Eckberg, D. L., Grossman, P., Kaufmann, P. G., Malik, M., et al. Heart rate variability: Origins, methods, and interpretive caveats. // Psychophysiology. - 1999. - V. 34. - P. 623-648
22. Cinaz B., La Marca R., Arnrich B., Troster G. Montoring of mental workload levels // IADIS International Conference e-Health 2010. - P. 189-193.
23. Fritsch J.M., Smith M.L., Simmons D.T. Differential baroreflex modulation vagal and sympathetic activity. Am. J. Physiol. 260 (Regulatory Integrative Comp. Phisil.29): R635-641, 1991.
24. Ivarsson M., Anderson M., Akerstedt T., Lindblad F., Playing a violent television game affects heart rate variability // Foundation Acta Psdiatrica. - 2008.
25. Kamada T., Sato N., Miyake S. et al. Power spectral analysis of heart rate variability in Type As during solo and competitive mental arithmetic task // Journal of Psychosomatic Research. - 1992. - V. 36. № 6. - P. 543.
26. Kepezenas A., Vilkas A., Varoneckas G. Influence of different-type physical loads on adolescents’ autonomic heart rate control // Journal of human kinetics. -2003. -V 9. - P. 73.
27. Papaioannou V.Heart Rate Variability, Baroreflex Function and Heart Rate Turbulence: Possible Origin and Implications//Hellenic J Cardiol. - 2007. - V. 48. - P. 278289.
28. Ryu K., Myung R. Evaluation of mental workload with a combined measure based on physiological indices during a dual task of tracking and mental arithmetic // International Journal of Industrial Ergonomics. - 2005. - V. 35. - P. 991-1009.
29. Sandercock G. Normative values, reliability and sample size estimates in heart rate variability / G. Sandercock // Clinical Science (London). - 2007. - Vol.113. - № 3.
- P. 129-130.
30. Taylor E.W., Jordan D., Coote J.N. Central control of the cardiovascular and respiratory systems and their interaction in vertebrates // Physiol. Rev. - 1999. - V. 79. -№ 3. - P. 855.
31. Task Force of The European Society of Cardiology, The North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability. // Eur. Heart Journal. - 1996.
- V. 17. - P. 354.
32. Thayer J., Ahs F., Fredrikson M. et al. A meta-analysis of heart rate variability and neuroimaging studies: Implications for heart rate variability as a marker of stress and health // Neuroscience and Biobehavioral Reviews. - 2012. - V. 36. - P. 747-756.
