CC BY
13
сложности динамики ЭЭГ вследствие десинхрони-зации активности нейронов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вакар Биопотенциалы мозга человека /В. С. Русинов, О. М. Гриндель, Г. Н.Болдырева, Е. М.Математический анализ. - М.: Медицина, 1987. - 256 с.
2. Grassberger P. Characterization of strange at-
B. K. Koichubekov NONLINEAR ANALYSIS OF EEG
tractors /P. Grassberger, I. Procaccia //In: Physical Review Letters. - 1983. - V. 50. - P. 346 - 349. 3. Duke D. Dimensional Analysis of Topographic EEG: Some Methodological Considerations /D. Duke, W. S. Pritchard, K. L. Coburn //Chaos in the Human Brain. - 1991. - P. 181 - 198.
Поступила 05.03.09
Analysis of EEG from "determined chaos theory" positions was performed. In EEG structure except the regular components as the known rhythms determine a chaotical component, which reflects nonlinear dynamics of the functional state of the brain structures. At conversion from childhood to adult the growth of complexity was discovered, that presumably as far as new interneuronal interactions were settled.
Б. К. Койчубеков
ЭЭГ СЫЗЬЩТЬЩ ЕМЕС-ДИНАМИКАЛЬЩ ТАЛДАУ
«Детерминирленген аласапыран теориясы» тургысынан ЭЭГ талдау жYргiзiлдi. ЭЭГ к¥РЬ|лымында белг^ ритмдер туршдеп теракты кураушылармен катар, ми курылымдарыныч функционалды калпыныч сызыктык емес динамикасыныч сипаты болып табылатын аласапыран кураушыны аныктаура болатыны керсетшген. Шамамен жача нейрон аралык езара катынастар орнатылран сайын, балалык шактан ересек жаска ету кезiнде ЭЭГ динамикасыныч кYPделенуi аныкталды.
И. Р. Кулмагамбетов, Б. К. Койчубеков
ОЦЕНКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЕЗЕРВОВ ВЕГЕТАТИВНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НЕЛИНЕЙНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СЕРДЕЧНОГО РИТМА
Карагандинская государственная медицинская академия
Изучение процессов регуляции в биологических системах особенно эффективно при проведении различных нагрузочных тестов, поскольку они позволяют исследовать механизмы перехода на новый уровень функционирования и определить функциональный резерв организма. Известно, что ортостатическая проба является одним из информативных методов для выявления скрытых изменений со стороны сердечнососудистой системы, в частности со стороны механизмов регуляции [3]. Целью нашего исследования явилось изучение функциональных резервов вегетативной нервной системы на основе анализа нелинейных показателей сердечного ритма (СР).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
В исследовании приняли участие 40 молодых людей в возрасте 18-21 год. Ортопроба проводилась в виде перехода из горизонтального положения («лежа») в вертикальное положение («стоя») [3]. Оценка результатов ортостатиче-ской пробы осуществлялась на основе анализа традиционных линейных [1] и нелинейных показателей сердечного ритма: корреляционной размерности ^2), корреляционной энтропии (К2) [6], показателей скаттерограммы - SD1, SD2, SD1/SD2 [4], энтропийных характеристик матрицы вероятности переходов кардиоинтервалов - Н(М), Н(Д), Н(Т), Н(Э), Н(М/Д), Н(Т/Э) [4].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Так как корреляционная размерность имела достаточно большую вариабельность в пределах выборки, предварительно, до проведения теста, на основе кластерного анализа среди всех обследованных были выделены три группы. Средние значения корреляционной размерности и корреляционной энтропии приведены в табл. 1.
Если судить по линейным статистическим показателям, СР реакция на ортостатическую пробу во всех группах была однонаправлена -
Таблица 1.
Нелинейные показатели СР в выделенных группах
Показатель 1 группа (n=16) 2 группа (n=13) 3 группа (n=11)
D2 5,215±0,105 6,196±0,080* 4,396±0,208*
К 3,209±0,122 3,217±0,077 3,050±0,167
* достоверные отличия по сравнению с предыдущим кластером (р<0,05)
повышалась активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. На это указывают достоверное увеличение показателей АМО, ИН, ИЦ (табл. 2). В волновой структуре кардио-
Таблица 2.
Результаты ортостатической пробы
Первая группа (n=16)
Положение «лёжа» Положение «стоя»
СКО 0,048±0,003 0,045±0,004
ЧП 70,219±2,937 92,613±4,040*
V% 5,517±0,316 6,622±0,329*
МОДА 0,851±0,034 0,638±0,029*
АМО 40,085±2,078 46,075±3,425
DX 0,246±0,016 0,239±0,016
ИН 114,540±19,769 195,134±39,343
RMSSD 86,671±11,041 39,916±4,575*
ИФС 1,306±0,098 1,187±0,116
VLF% 10,661±0,889 14,933±0,636*
LF% 31,248±1,417 42,996±1,362*
HF% 46,167±3,008 28,571±1,742*
ИЦ 4,526±0,782 9,223±0,763*
Вторая группа (n = 13)
СКО 0,061±0,004 0,047±0,004*
ЧП 69,423±2,674 100,891±6,580*
V% 6,991±0,402 7,622±0,542
МОДА 0,858±0,033 0,587±0,036*
АМО 32,747±1,640 43,136±2,527*
DX 0,310±0,017 0,248±0,025*
ИН 67,622±8,165 197,086±42,348*
RMSSD 102,842±11,012 50,069±11,250*
ИФС 1,236±0,051 1,019±0,127
VLF% 11,286±0,565 15,127±1,547*
LF% 32,847±1,269 43,964±1,650*
HF% 44,138±1,795 30,414±2,696*
ИЦ 4,350±0,310 9,288±1,476*
Третья группа (n=11)
СКО 0,074±0,014 0,051±0,006
ЧП 67,056±3,515 85,844±4,575*
V% 8,229±1,650 7,052±0,665
МОДА 0,887±0,061 0,690±0,039*
АМО 34,789±4,156 40,841±5,912
DX 0,325±0,044 0,263±0,025
ИН 84,413±22,553 151,752±47,683
RMSSD 148,411±40,237 59,736±11,415*
ИФС 1,489±0,152 1,368±0,193
VLF% 9,760±1,150 14,103±1,275*
LF% 30,014±3,788 39,817±1,857*
HF% 50,809±4,793 33,284±2,962*
ИЦ 3,857±0,819 7,749у1,290*
* достоверные различия (р<0,05)
интервалограммы повышалась мощность медленных составляющих спектра - VLF%, LF%, которые характеризуют центральные механизмы регуляции СР. Одновременно снижалась активность парасимпатического отдела ВНС, выражавшаяся в уменьшении процентного содержания высокочастотного компонента HF%> в спектре кардиоин-тервалограммы и, согласно показателям RMSSD, DX, общей вариабельности кардиоритма. В результате этих изменений частота сердечных сокращений (ЧП) достоверно увеличивалась.
Наиболее интенсивные перестройки в системе регуляции СР наблюдались во второй группе. Частота пульса увеличилась более чем на 30 уд/мин, индекс напряжения вырос почти в три раза, индекс централизации - в два раза, RMSSD снизился. Все это указывает на значительное напряжение в механизмах регуляции сердечного ритма, направленное на мобилизацию энергетических и метаболических ресурсов организма.
В качестве нелинейных характеристик системы регуляции СР использовались энтропийные показатели матрицы взаимных переходов кардиоинтервалов, скаттерограммы, а также корреляционная размерность и корреляционная энтропия (табл. 3).
В целом реакция на ортопробу сопровождалась достоверным снижением энтропии матрицы H(M) во всех исследуемых группах. Снижение энтропии матрицы связано со снижением энтропии отдельных ее элементов. Так, в первой и второй группах в ответ на нагрузку произошло достоверное снижение энтропии матрицы ниже диагонали H(T) и энтропии матрицы выше диагонали H(E) Энтропия диагонали матрицы H(D) также уменьшалась. В третьей группе, несмотря на то, что изменения носили статистически недостоверный характер на уровне р>0,05, тенденции были аналогичными.
Снижение энтропии матрицы и отдельных ее элементов является результатом перестройки в последовательности кардиоинтервалов, когда вероятности одних возможных взаимных переходов R-R-интервалов превалируют над вероятностями других возможных переходов. Повышается вероятность того, что последующий и предыдущий кардиоинтервалы отличаются не более, чем на 50 мс (в пределах ширины канала), т.е. возрастает вероятность нулевых коррекций.
Выявленные изменения являются свиде-
Таблица 3.
Нелинейные показатели СР при ортостатической пробе
1 группа (п=16) 2 группа (п=13) 3 группа (п=11)
«лежа» «стоя» «лежа» «стоя» «лежа» «стоя»
Н(М) 3,69±0,27 2,80±0,26* 3,90±0,15 3,00±0,18* 4,29±0,38 3,55±0,29*
н(Е 2,49±0,25 1,74±0,21* 2,59±0,16 1,87±0,16* 3,03±0,42 2,42±0,21
Н(Т) 2,52±0,25 1,84±0,22* 2,56±0,16 1,98±0,16* 3,13±0,42 2,45±0,23
НЩ) 1,89±0,12 1,67±0,15 2,04±0,06 1,83±0,09* 2,06±0,17 2,08±0,13
н(М)/Нщ 1,93±0,05 1,66±0,04* 1,90±0,03 1,63±0,05* 2,08±0,07 1,69±0,05*
Н(Т)/Н(Е) 1,01±0,01 1,05±0,02* 0,99±0,01 1,06±0,01* 1,04±0,02 1,01±0,02
Щ2 4,98±0,08 5,54±0,30* 5,88±0,06 5,44±0,21 4,34±0,19 5,85±0,19*
К2 3,32±0,14 3,18±0,10 3,18±0,09 3,33±0,16 3,04±0,13 3,19±0,21
* достоверные различия, р<0,05
тельством стабилизации ритма на микроинтервалах времени. Учитывая факт снижения энтропии матрицы ниже диагонали и энтропии матрицы выше диагонали, можно утверждать о стабилизации как относительно коротких, так и относительно длительных кардиоритмов. Следовательно, по мере усиления напряженности функционального состояния отчетливо усиливается тенденция к стабилизации СР, при сравнительной сбалансированности как ускоряющих, так и замедляющих коррекций.
Нелинейная динамика кардиоритма наглядно демонстрируется с помощью скаттеро-грамм. Наиболее характерные из них для каждой из исследуемых групп представлены на рис. 1.
Для обследованного из первой группы в положении «лежа» сформировавшееся «облако» находится в центре фазовой плоскости и имеет вид вытянувшейся по биссектрисе траектории, т.е вариативность на длительных интервалах времени значительно превышала вариативность на коротких интервалах. При смене положения тела скаттерограмма сдвинулась в область коротких R-R-интервалов, при этом отношение SD1/ SD2 практически оставалось на прежнем уровне.
Скаттерограмма обследованного третьей группы занимала большую площадь. По сравнению с первой группой показатели SD1 и SD2 были выше, то есть динамика кардиоритма в этой группе более «хаотична». Реакция на ортопробу также выражалась в укорочении кардиоритмов, в снижении вариативности СР как на коротких, так и длительных интервалах времени.
Наиболее «хаотичная» динамика сердечного ритма наблюдалась во второй группе. Из рис. 1 видно, что скаттерограмма «размыта» по фазовой плоскости и занимает значительную площадь. Это является отражением значительной изменчивости длительности R-R-интервалов как на микро-, так и на макроуровне. Функциональная нагрузка привела к укорочению кардио-интервалов, «облако» переместилось ближе к
началу оси координат, площадь скаттерограммы значительно уменьшилась, снижение дисперсии SD1 и SD2 указывает на то, что ритм сердца стал более стабильным. Эта стабилизация больше выражена на микроинтервалах времени, т.е. изменения SD1 были интенсивнее, чем SD2.
Сложность нелинейной динамики сердечного ритма оценивалась по корреляционной размерности.
При переходе из состояния «лежа» в состояние «стоя» в первой и третьей группах показатель D2 повышался, то есть динамика сердечного ритма усложнялась, в третьей группе этот процесс происходил интенсивнее. Во второй группе наблюдалось недостоверное снижение D2 (рис. 2).
Выявлена определенная взаимосвязь между нелинейной динамикой сердечного ритма и функциональным резервом сердечно-сосудистой системы. Первая и третья группы демонстрировали умеренную реакцию на ортостатическую пробу, частота пульса при переходе из положения «лежа» в положение «стоя» изменялась в среднем менее, чем на 20 уд/мин. Это свидетельствует, что сердечно-сосудистая система, обладая определенным запасом резервов, реагирует на пробу с минимальным напряжением. При этом в динамике корреляционной размерности наблюдался рост, который был тем значительнее, чем меньше выражена реакция на выполнение заданной деятельности.
Во второй группе реакция на смену положения тела характеризовалась как избыточная. Этот вывод был сделан при наблюдении за частотой сердечных сокращений, которая возросла более чем на 30 ударов в мин, т.е. адекватное энергетическое обеспечение систем организма потребовало значительного напряжения регуля-торных систем, в частности, со стороны симпатического отдела ВНС. Усиление регулирующих влияний со стороны СНС приводило к упорядочению структуры вариационного ряда кардиоинтер-
1 группа
1000
900 800 700 600 500
500 700 900
600 800 1000
ЛЛ „ мс
2 группа
1000 900 800 700 600 500
500 700 900
600 800 1000
ЛЛ , МС
3 группа
1000 900 800 700 600 500
500 700 900
600 800 1000
ЛЛ „ мс
1000 900 800 700 600 500
500 700 900
600 800 1000
ЛЛ , мс
1000 900 800 700 600 500
1000 900 800 700 600 500
500 700 900
600 800 1000
500 700 900
600 800 1000
ЛЛ , мс
ЛЛ , мс
Рис. 1. Изменения скаттерограммы при ортостатической пробе
валов, что выразилось в уменьшении корреляционной размерности в данной группе (рис. 2).
Результаты проведенных исследований делают очевидным тот факт, что анализ только волновой структуры кардиоинтервалограммы не позвляет раскрыть всех процессов, происходящих в системе регуляции сердечного ритма, они характеризуют лишь периодические процессы на макроуровне. Согласно линейным показателям при ортостатической пробе возникает функциональное напряжение, которое выражается в повышении активности симпатического отдела ВНС при одновременном снижении вагусных влияний. Состояние обоих отделов ВНС оценивается по мощности отдельных компонентов спектра КИГ: высокочастотные волны характеризуют парасим-
патическую нервную систему, низкочастотные -симпатическую. Наряду с измнениями периодических составляющих в динамике сердечного ритма обнаруживаются и нерегулярные процессы, как результат сложного нелинейного взаимодействия сегментарных и надсегментарных уровней ВНС. Они проявляются как на микро-, так и на макроинтервалах времени. Под этим подразумеваются различия в соседних кардиоинтервалах и усредненных значений за длительный промежуток времени. Одновременно со снижением высокочастотных и усилением низкочастотных модуляций ритма сердца происходит уменьшение вероятности интенсивных изменений последующих кар-диоинтервалов по сравнению с предыдущими и увеличение вероятности сохранения или неболь-
1 группа
2 группа
3 группа
Q
8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5
"Лежа"
"Стоя"
"Лежа"
'Стоя'
'Лежа" "Стоя"
* достоверные изменения, р<0,05 Рис. 2. Изменения корреляционной размерности при ортостатической пробе
шого (в среднем на 50 мс) изменения длительности кардиоинтервалов, т. е. на микроуровне регуляция направлена на уменьшение числа степеней свободы, стабилизацию кардиоритма, предположительно, в результате взаимодействия экс-тракардиальных и интракардиальных механизмов регуляции [5]. Эти результаты были получены как при анализе энтропийных показателей матриц взаимных переходов кардиоритмов, так и при анализе скаттерограмм.
«Хаотическая» динамика ритма сердца снижается также и на длительных интервалах времени. Дисперсия при этом определяется, в основном, увеличением мощности периодических низкочастотных волн спектра КИГ, что приводит к уменьшениею нерегулярной составляющей. Это может быть объяснено с позиций иерархической организации вегетативной нервной системы. Повышение активности симпатического отдела ВНС рассматривается условно как усиление управляющих воздействий [2], которые «упорядочивают» динамику сердечного ритма, что и было продемонстрировано при анализе корреляционной размерности - ритм сердца становился менее хаотичным, энтропия уменьшалась.
Оказалось, что имеются индивидуальные особенности в нелинейной динамике СР и связаны они с функциональными возможностями сердечно-сосудистой системы, способностью адекватно обеспечивать энергетический и метаболический ресурс. Полученные результаты показывают, что лица с различным количеством степеней свободы в последовательности кардиоинтер-валов по-разному реагируют на внешние стимулы. Вегетативное обеспечение реакции зависит от исходного уровня «хаотичности» в регулируемой системе, этим также определяется и направленность регуляции. Оптимальное вегетативное обеспечение выявлено у лиц с некоторым средним значением корреляционной размерности, и управление со стороны ВНС в этом случае направлено на увеличение «разнообразия» в динамике сердечного ритма или сохранение ее на некотором среднем уровне, как это было выявлено в I и в III группах. Такая регуляция позволяет быстро противодействовать гравитацион-
ном фактору и предотвращать значительное снижение артериального давления. Однако колебательный характер переходного процесса снижает устойчивость в системе регуляции, поэтому во второй группе, с наибольшей исходной сложностью динамики СР, ответ на возмущающие стимулы выражается в появлении регулярного ритма в результате повышения активности симпатического отдела ВНС. Это в свою очередь приводит к инерционности компенсаторных механизмов и, соответствено, недостаточному вегетативному обеспечению реакции на ортостатическую пробу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных кардиографических систем (методические рекомендации) /Р. М. Баевский, Г. Г. Иванов, В. В. Чирейкин и др. // Вестник аритмологии, №24. - 2001. - С. 65 - 87.
2. Баевский Р. М. Оценка адаптационных возможностей организма и риска развития заболеваний /Р. М. Баевский, А. П. Берсенева. - М:, Медицина. - 1997. - 235 с.
3. Заболевания вегетативной нервной системы /А. М. Вейн, Т. Г. Вознесенская, В. Л. Голубев и др. - М.: Медицина, 1991. - 624 с.
4. Койчубеков Б.К . Энтропийные показатели кардиоинтервалограммы в различных возрастных группах //Известия НАН РК, Серия биологическая и медицинская. - 2006. - №3 (255). - С. 56 - 59.
5. Косицкий Г. И. Взаимодействие экстракар-диальных и интракардиальных нервных регуля-торных механизмов //Проблемы современной физиологии. Кишинев: Картемолдавеняскэ, 1969. - С. 161 - 170.
6. Эйдукайтис А. Применение теории хаоса для анализа сердечного ритма в различных стадиях сна у здоровых лиц /А. Эйдукайтис, Г. Варонец-кас, Д. Жемайтите //Физиология человека. -2004. - Т. 30. - №5. - С. 56 - 62.
7. Brennan M. Do Existing Measures of Poincare Plot Geometry Reflect Nonlinear Features of Heart Rate Variability? /M. Brennan, M. Palaniswami, P.Kamen //IEEE transactions on biomedical engineering. - 2001. - V. 48. - №11. - P. 1342 - 1347.
Поступила 05.03.09
I. R. Kulmagambetov, B. K. Koichubekov
ESTIMATION OF VEGETATIVE NERVOUS SYSTEM FUNCTIONAL RESERVE BASING ON NONLINEAR ANALYSIS OF CARDIAC RHYTHM PARAMETERS
Nonlinear mathematical parameters of cardiac rhythm at orthostatic test were analyzed. Vegetative maintenance for the reaction to gravity load depends on initial "causticity" level in the regulating system, that also determines direction of such reaction. Optimal vegetative maintenance discovered in persons with some middle value of correlation dimension and managing from VNS in that case turned to increase "variability" in cardiac rhythm dynamics or to stabilize it on the middle level.
И. Р. КYлмаFамбетов, Б. К. Койчубеков
ЖУРЕК ЫРРАРЫНЬЩ СЫЗЬЩТЬЩ ЕМЕС К6РСЕТК1ШТЕР1Н ТАЛДАУ НЕГ1З1НДЕ ВЕГЕТАТИВТ1К ЖУЙКЕ ЖУЙЕС1Н1Ц ФУНКЦИОНАЛДЫК КОРЛАРЫН БАРАЛАУ
Ортостатикалык сынамалар кезiндегi жYрек ыррарыньщ сызыктык емес математикалык керсет-кiштерiн зерттеу журпзшдк Гравитациялык жуктемеге реакцияны вегетативтi камтамасыз ету реттелетiн жYЙедегi «ретаздктщ» бастапкы дечгейше тэуелдi екендiгi керсетiлдi, осы аркылы реттелудщ барыты да аныкталады. Оптималды вегетативтi камтамасыз ету корреляциялык елшемдiлiгi кандай да бiр орташа мэнi бар адамдарда аныкталды жэне бул жардайда вегетативтiк жуйке жуйеа тарапынан баскару жYрек ыррарыньщ динамикасындары «эртурлшктщ» кебеюiне немесе оны кандай да бiр орташа дечгейде сактап калуга барытталран.
