CC BY
14
УДК 57.085 DOI: 10.24412/2071-6176-2021-4-36-46
ИССЛЕДОВАНИЕ РЕСПИРАТОРНОЙ МОДУЛЯЦИИ ПЕРИФЕРИЧЕСКОЙ ВАЗОКОНСТРИКЦИИ
Е.С. Новикова, Г.В. Красников
На основе данных фотоплетизмографии и лазерной допплеровской флоумет-рии исследованы реактивные изменения периферического кровотока на респираторный тест с резким глубоким вдохом в сосудистых регионах с различной выраженностью сосудистой симпатической иннервации. Параметры инспираторной вазоконстрикторной реакции периферического кровотока кожи зависят от регионарной специфики симпатической иннервации периферической сосудистой сети и структурно-функциональных особенностей микрососудистого русла. Наибольшая амплитуда вазоконстрикции выявлена для кровотока кожи пальца, наименьшая - для кровотока кожи предплечья и лба, что может свидетельствовать о более низком уровне активности симпатических механизмов регуляции сосудистого тонуса в коже данных регионов.
Ключевые слова: микроциркуляция, лазерная допплеровская флоуметрия, фотоплетизмография, колебания кровотока, инспираторный вазоконстрикторный рефлекс.
Введение
Динамическое взаимодействие нервных, механических и гуморальных факторов, влияющих на кардиоваскулярный гомеостаз, вызывает спонтанную вариабельность параметров сердечно-сосудистой системы, что наблюдается при измерениях частоты сердечных сокращений, давлении крови, скорости кровотока. Дыхательная система, в силу её близкой анатомической и функциональной связи с сердечнососудистой системой, оказывает большое влияние на наблюдаемую периодичность параметров кровотока, добавляя еще один уровень сложности. Компонент вариабельности сердечного ритма (ВСР), который может быть приписан дыханию, также известный, как респираторная синусовая аритмия, широко изучается в течение нескольких десятилетий [8, 11]. Большое внимание также уделяется взаимосвязи параметров легочной вентиляции и сердечной деятельности [8, 9], роли дыхания в вариабельности артериального и венозного давления [8, 9]. Однако исследований, посвященных респираторной модуляции кровотока на уровне периферических сосудов, особенно у людей, не много [7].
Наиболее эффективным подходом к изучению функционального взаимодействия кровеносной и дыхательной систем является применение функциональных дыхательных проб, что позволяет получить большой объем информации о характере микрогемодинамики и ее резервных возможностях, а также оценить функциональный вклад различных звеньев
модуляции микрокровотока [3, 6, 7, 10]. Величина снижения кровотока при дыхательных вазоконстрикторных пробах отражает как влияние со стороны симпатической иннервации, так и реактивность сосудистой стенки [1, 2, 7]. В этой связи целью данной работы являлось исследование реактивных изменений периферического кровотока на респираторные тесты в сосудистых регионах с различной выраженностью сосудистой симпатической иннервации.
Материалы и методы
В исследовании приняли участие 16 студентов обоего пола (4 юноши и 12 девушек), 18-22 лет, некурящих и не имеющих жалоб на здоровье. Все испытуемые перед началом эксперимента были полностью информированы о процедурах и методах исследования и дали добровольное согласие на участие в эксперименте.
В эксперименте осуществляли синхронную регистрацию внешнего дыхания, динамики кровенаполнения подушечки пальца, микроциркуляторного кровотока кожи и кардиоритма. Частоту, глубину и форму дыхательных движений регистрировали с использованием оригинального ленточного потенциометрического датчика, закрепленного на верней части грудной клетке испытуемых. Частота дискретизации пневмограммы (ПГ) составляла 10 Гц.
Регистрацию динамики микроциркуляторного кровотока проводили методом лазерной допплеровской флоуметрии (ЛДФ) с помощью флоуметра ЛАКК-ОП (ЛАЗМА, Россия) с инфракрасными каналами (мощность излучения 1,2 мВ, длина волны 1,06 мкм). Зонды флоуметра фиксировали на подушечке указательного пальца левой руки, волярной поверхности левого предплечья вблизи лучезапястного сустава и на коже центральной части лба испытуемых. Указанные области кожи были нами выбраны как зоны с различными доминирующими механизмами регуляции сосудистого тонуса. Кожа ладонной поверхности дистальной фаланги пальца кисти богата артериоло-венулярными анастомозами и имеет выраженную адренергическую иннервацию. Кожа наружной поверхности предплечья, напротив, характеризуется малым числом анастомозов и демонстрирует преимущественно нутритивный кровоток. Для кожи лба помимо адренергической иннервации характерно наличие парасимпатической периваскулярной иннервации. Регистрируемый сигнал - показатель микроциркуляции (ПМ), характеризует степень перфузии ткани кровью и измеряется в условных перфузионных единицах (пф. ед.). Частота дискретизации флоуграммы составляла 20 Гц.
Динамики кровенаполнения подушечки пальца регистрировали методом фотоплетизмографии (ФПГ) посредством компьютерного фотоплетизмографа ЭЛДАР («Новые медицинские приборы», Россия»).
Датчик прибора располагали на указательном пальце правой руки. Частота дискретизации сигнала - 100 Гц.
Регистрацию кардиоритма осуществляли с помощью компьютерного электрокардиографа ВНС-Микро («Нейрософт», Россия).
Исследования проводили в изолированном помещении в условиях психического и физического комфорта при температуре 20-25°С. Во время проведения эксперимента испытуемые находились в положении сидя. Для каждого испытуемого были проведены две последовательные 10-минутные регистрации сигналов: в нативном состоянии и при проведении дыхательного теста. В качестве функционального теста, провоцирующего инспираторный вазоконстрикторный рефлекс (ИВР), использовали резкий глубокий вдох с последующей задержкой дыхания на 5-6 с (гасп). Предварительно каждого испытуемого просили потренировать вдох, чтобы убедиться, что они понимают, что потребуется во время измерений. Испытуемых просили расслабиться и держать обе руки с закрепленными датчиками неподвижными на протяжении всей записи.
Методика оценки параметров реакции кровотока представлена на рис. 1 на примере анализа ЛДФ-граммы. Амплитуду ИВР (ЛИВР) оценивали как процентное изменение ПМ относительно пика на базовой линии: ЛИВР(%) = 100 х (ПМтах - ПМтт) / ПМтах. Время отклика (ШВР) измерялось как сумма времени достижения максимальной вазоконстрикции 0:констрикции) и времени достижения исходного уровня ПМ (^осстановл). Аналогично оценивали амплитуду и время реакции для сигналов ФПГ и ВСР.
Рис. 1. Схема оценки амплитуды и времени реакции периферического кровотока на дыхательные процедуры. Показано на примере оценки реакции на гасп для ЛДФ-граммы пальца. Линия «гасп» отмечает
момент начала вдоха.
В данной работе мы исходили из предположения соответствия полученных выборок нормальному распределению. В этой связи для анализа достоверности различий в группах использовали однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) для независимых выборок, с последующим попарным сравнением по критерию Ньюмена-Кейлса.
Спектральный анализ ЛДФ-грамм проводили посредством оригинального программного обеспечения, реализующего непрерывное адаптивное вейвлет-преобразование [4].
Результаты и обсуждение
Реакция сосуда на активацию адренергических волокон зависит как от влияний со стороны симпатической иннервации, так и от реактивности сосудистой стенки. Поэтому величина снижения кровотока при дыхательной пробе отражает результирующую этих двух процессов, которые трудно оценить изолированно. В связи с этим трактовку реактивных изменений кровотока целесообразно осуществлять не только по относительной величине снижения кровотока при дыхательной пробе, но и исходному состоянию кровотока в покое [2, 7]. Ниже представлены характеристики исходного (нативного) состояния ВСР и периферического кровотока в исследуемых регионах.
Усредненные параметры микроциркуляторного кровотока кожи пальца, предплечья и лба в нативном состоянии по данным ЛДФ представлены в табл. 1. Как известно, микроциркуляторный кровоток имеет значительные региональные отличия, обусловленные локальными структурно-функциональными особенностями микрососудистого русла и локальной спецификой регуляции тонуса сосудов [3]. В нашем случае базальный уровень кровотока (табл. 1, ПМ) достоверно различался во всех исследуемых регионах. Наиболее высокий уровень кровотока был характерен для кожи подушечки пальца, наименьший - для кожи предплечья. Абсолютные значения вариабельности кровотока (табл. 1, СКО) в нашем случае прямо пропорционально зависят от величины ПМ, при этом наибольшая вариабельность характерна для кровотока кожи пальца. Однако, относительная вариабельность кровотока, оцененная по коэффициенту вариабельности, (табл. 1, КВ) не обнаруживает достоверных отличий.
Особенности региональной специфики системы микроциркуляции кожи демонстрируют спектральные характеристики ЛДФ-грамм. В табл. 1 представлены усредненные амплитуды колебаний в стандартных частотных физиологических диапазонах в соответствии с классификацией предложенной А. Стефановской [4, 5]. Колебания в диапазоне E (0,00950,02 Гц) являются эндотелий-зависимыми и отражают активность эндотелия как местного регулятора кровотока. Колебания в диапазоне N (0,02-0,06 Гц) отражают нейрогенный контроль (преимущественно со
стороны симпатической адренергической активности) тонуса сосудов. Колебания в диапазоне М (0,06-0,15 Гц) имеют миогенную природу и обусловлены спонтанными сокращениями гладкомышечных клеток стенок сосудов. Колебания в диапазоне R (0,15-0,4 Гц) являются респираторно-зависимыми. Колебания в диапазоне С (0,4-1,6 Гц) отражают кардиоритм.
В наших условиях наибольшая амплитуда колебаний кровотока наблюдалась в коже пальца. Для всех колебаний, за исключением респираторно-зависимых, показаны достоверно более высокие значения амплитуды, по сравнению с кровотоком в коже предплечья и лба. Данный факт позволяет объяснить высокую абсолютную вариабельность ПМ (табл. 1, СКО). При этом необходимо отметить, что амплитуда эндотелий-зависимых (Е), нейрогенных (Ы), миогенных (М) и пульсовых (С) колебаний практически одинакова, без выраженной доминанты. Амплитуда респираторно-зависимых колебаний (К) в этом случае приблизительно в три раза меньше, чем в остальных диапазонах.
Таблица 1.
Усредненные показатели микроциркуляторного кровотока кожи пальца, предплечья и лба в нативном состоянии (M±m)
Параметр Кровоток кожи пальца Кровоток кожи пальца Кровоток кожи лба
ПМ, пф.ед. 15,64±1,31 4,77±0,14* 10,17±0,56***
СКОПМ, пф.ед. 1,97±0,22 0,75±0,06* 1,08±0,03*
КВпм, % 16,29±3,24 15,90±1,54 10,77±1,40
А(Е), пф.ед. 0,86±0,16 0,24±0,03* 0,22±0,01*
А(Ы), пф.ед. 0,88±0,16 0,28±0,04* 0,29±0,02*
А(М), пф.ед. 0,75±0,12 0,28±0,02* 0,62±0,06**
А(Л.), пф.ед. 0,31±0,04 0,23±0,03 0,24±0,02
А(С), пф.ед. 0,98±0,11 0,30±0,03* 0,64±0,05***
Примечание: СКО - среднее квадратическое отклонение, КВ - коэффициент вариации, А (...) - амплитуда колебаний в соответствующем частотном диапазоне (описание в тексте). * - различия достоверны по сравнению с кровотоком кожи пальца, ** - различия достоверны по сравнению с кровотоком кожи предплечья (Р < 0,05).
Для кровотока кожи пальца, напротив, характерны наименьшие значения амплитуды колебаний кровотока. При этом, также как и для кровотока кожи пальца, амплитуда всех колебаний (включая респираторно-зависимые) практически одинакова.
Для кровотока кожи лба амплитуда колебаний в диапазонах Е, N и R сходна с таковой для кровотока кожи предплечья. Однако миогенные (М) и пульсовые (С) колебания, в этом случае, достоверно выше (приблизительно вдвое) уровня остальных собственных колебаний и аналогичных колебаний кровотока кожи предплечья.
Как уже говорилось, вазомоторный рефлекс, запускаемый быстрым и глубоким вдохом, вызывает констрикцию артериол и кратковременное уменьшение кожного кровотока. Снижение перфузии при дыхательной пробе отражает симпатическую регуляцию, ограниченную преимущественно нейрососудистым синапсом. В участках кожи с высокой плотностью симпатической иннервации она обычно положительна у всех здоровых лиц [3].
В данной работе ИВР исследовали посредством ЛДФ в трёх регионах, отличающихся выраженность сосудистой симпатической иннервации. Кроме того, для оценки реакции в коже пальца дополнительно использовали метод ФПГ. Усредненные значения амплитуды и времени ИВР для периферического кровотока представлены в табл. 2. Для сравнения там же представлены амплитудные и временные параметры изменения пневмограммы и ВСР. Типичное проявление гасп-реакции в исследуемых сигналах с представлением статистики распределения групповых данных времени и амплитуды реакции продемонстрировано на рис. 2.
Таблица 2.
Усредненные значения амплитуды и времени реакции на гасп в исследуемых сигналах (M±m)
Параметр ПГ ВСР ЛДФпалец ЛДФпредпл. ЛДФлоб ФПГ
А, % 0,49+0,05 0,21+0,03 58,69+3,53 44,96+1,75* 37,68+3,44* 36,57+4,85*
t, с 7,67+0,51 9,88+1,03 18,30+1,80 16,74+1,47 11,28+1,30* 11,25+0,90*
Примечание: Для ПГ и ВСР в качестве амплитуды указаны абсолютные
значения в условных единицах. кожи пальца (P < 0,05).
различия достоверны по сравнению с кровотоком
В наших условиях среди исследованных сигналов периферического кровотока наиболее выраженная по амплитуде реакция наблюдалась в кровотоке кожи пальца, где амплитуда вазоконстрикции в среднем составила примерно 59 % от базального уровня кровотока. Для микроциркуляторного кровотока кожи предплечья и лба, а также для кровотока подушечки пальца по данным ФПГ, амплитуда реакции статистически не различалась между собой (45 - 37 %), но при этом была достоверно ниже амплитуды реакции для кожи пальца.
Среднее время дыхательного маневра (вдох - задержка дыхания -выдох) в наших условиях составило примерно 8 с. Индуцированные гаспом изменения частоты сердечного ритма развивались на протяжении приблизительно 10 с.
Время реакции для микроциркуляторного кровотока пальца и предплечья значимо превышало время дыхательного маневра и составило в среднем 18 и 17 с соответственно. Для кровотока кожи лба и кровотока
*
подушечки пальца по данным ФПГ время развития реакции также оказалось практически одинаковым (приблизительно 11 с), но при этом, достоверно ниже времени реакции для кровотока пальца и предплечья. В последнем случае время реакции статистически не отличалось от времени реакции для ВСР.
Рис. 2. Усредненные параметры амплитуды и времени ИВР для исследуемых сигналов: А - пневмограмма, Б - вариабельность сердечного ритма, В - ЛДФ-грамма кровотока кожи пальца, Г - ЛДФ-грамма кровотока кожи предплечья, Д - ЛДФ-грамма кровотока кожи лба, Е - фотоплетизмограмма. Представлены типичные фрагменты сигналов, демонстрирующие ИВР. Стрелками указаны ориентировочные границы амплитуды и времени развития реакции. Коробчатые графики демонстрируют медиану, среднее значение (жирная линия), первый, третий квартили (серые прямоугольники), 5, 95 перцентили (усы).
Данная работа посвящена исследованию респираторно-зависимой вазоконстрикциии на уровне периферического кровотока у человека. Основной задачей исследования являлось сравнительная оценка инспираторной вазоконстрикторной реакции в регионах кожи с различным типом вегетативной иннервации (в частности с различной выраженностью симпатической иннервации), а так же исследование взаимосвязи параметров вазоконстрикторной реакции и нативных параметров центрального и периферического кровотока. Исследование ИВР проведено для кровотока кожи пальца, кожи волярной поверхности предплечья и кожи лба.
Регуляция кровотока кожи акральных зон конечности, прежде всего, связана с терморегуляцией. Как известно, ведущую роль при этом играют симпатические адренергические вазоконстрикторные механизмы [3, 5]. В этой связи в коже пальца имеется большое число артериоло-венулярных анастомозов и характерна высокая плотность периваскулярной симпатической иннервации, что отражается в наличии высокоамплитудных колебаниях нейрогенного диапазона. Вегетативная иннервация сосудов кожи акральных зон представлена постганглионарными симпатическими адренергическими и холинергическими волокнам [3, 5].
Функция холинергических эфферентов значима только в неакральных зонах конечностей (в нашем случае, в предплечье) и на туловище. Количество имеющихся анастомозов в неакральных зонах существенно ниже [3].
Известно, что парасимпатическая нервная система не участвует в периваскулярной иннервации конечностей. Отчётливые морфологические доказательства наличия парасимпатической периваскулярной иннервации в коже человека имеются только для кожи лица, в том числе лба. Однако для орофациальной области показано наличие и симпатических постганглионарных волокон, но, предположительно, с меньшей плотностью, чем в коже пальцев. Данные свидетельствуют о том, что нервная регуляция кровотока в орофациальной области действительно варьирует от ткани к ткани несколькими важными способами. Считается, что в орофациальной области встречаются, по крайней мере, четыре различных вазомоторных ответа: (1) симпатическая вазоконстрикция, (2) симпатическая вазодилатация, (3) парасимпатическая вазодилатация и (4) тригеминальная ноцицептивная вазодилатация [3].
Продемонстрированные нами различия реакции на инспираторный гасп со стороны кровотока кожи пальца, предплечья и лба могут быть объяснены регионарной спецификой симпатического контроля периферической сосудистой сети. В нашем случае у большинства испытуемых инспираторный гасп вызывал значимое снижение кровотока во всех исследуемых регионах кожи (рис. 2 В-Е). Реакция кровотока была
отставлена по времени на 3-4 с относительно начала гаспа и проявлялась в виде вазоконстрикции, сопровождающейся снижением базального уровня кровотока на 37-59 % и восстановлением до исходного уровня в течение 11-18 с.
Наиболее выраженной по амплитуде и времени являлась реакция кровотока кожи пальца, оцененная посредством ЛДФ, что хорошо согласуется с известными данными и вышеописанными особенностями симпатической иннервации [2, 3, 7, 10]. Однако параметры реакции кровотока пальца по данным ФПГ оказались значимо ниже. Здесь реакция развивалась быстрее (11 и 18 с соответственно) и была менее выражена по амплитуде (37 и 59 % соответственно). Показанные различия, по-нашему мнению, обусловлены биофизическими и физиологическими особенностями формирования сигналов ЛДФ и ФПГ. В зону видимости ФПГ попадает гораздо больший объем ткани, глубина зондирования также больше, чем для ЛДФ. При этом существенная часть сигнала ФПГ формируется венозным кровотоком. В этой связи доля сосудов реагирующих на инспираторный гасп (артериолы и прекапиллярные сфинктеры), предположительно ниже по сравнению с ЛДФ.
Реакция кровотока предплечья, предсказуемо, достоверно ниже, по сравнению с кровоток пальца, что объясняется меньшим количеством артериоло-венулярных анастомозов.
Инспираторная вазоконстрикция для кровотока кожи лба в наших условиях также оказалась достоверно ниже реакции кровотока кожи пальца по данным ЛДФ (достоверно) и кровотока предплечья (предположительно). Амплитуда и время реакции в этом случае практически идентичны параметрам реакции кровотока пальца по данным ФПГ. Можно предположить, что в данном регионе сосудистая симпатическая адренергическая иннервация выражена даже в меньшей степени, чем в коже предплечья.
Таким образом, результаты проведенного исследования респираторной модуляции периферической вазоконстрикции позволяют сделать следующие выводы:
1. Параметры инспираторной вазоконстрикторной реакции периферического кровотока кожи зависят от регионарной специфики симпатической иннервации периферической сосудистой сети и структурно-функциональных особенностей микрососудистого русла. Наибольшая амплитуда вазоконстрикции выявлена для кровотока кожи пальца, наименьшая - для кровотока кожи предплечья и лба, что может свидетельствовать о более низком уровне активности симпатических механизмов регуляции сосудистого тонуса в коже данных регионов.
2. Параметры инспираторной вазоконстрикторной реакции периферического кровотока кожи зависят от метода регистрации кровотока. Для кровотока кожи пальца выраженность вазоконстрикторной
реакции зарегистрированной посредством ЛДФ достоверно выше, чем для реакции, зарегистрированной в подушечке пальца посредством ФПГ, что обусловлено особенностями формирования сигналов.
Список литературы
1. Крупаткин А.И. Влияние симпатической иннервации на тонус мик-рососудов и колебания кровотока кожи // Физиология человека. 2006. Т. 32. №5. С. 93-104.
2. Крупаткин А.И. Функциональная оценка периваскулярной иннервации кожи конечностей с помощью лазерной допплеровской флоуметрии // Физиология человека. 2004. Т. 30. № 1. С. 99-104.
3. Крупаткин А.И., Сидоров В.В. Функциональная диагностика состояния микроциркуляторно-тканевых систем: Колебания, информация, нелинейность (руководство для врачей). М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2013. 497 с.
4. Танканаг А.В., Чемерис Н.К. Адаптивный вейвлет-анализ колебаний периферического кровотока кожи человека // Биофизика. 2009. Т. 54. № 3. С. 538-546.
5. Cracowski JL., Roustit M. Human Skin Microcirculation // Compr Physiol. 2020. V. 10. P. 1105-1154.
6. Feger J., Braune S. Measurement of skin vasoconstrictor response in healthy subjects // Auton Neurosci. 2005. V. 120 (1-2). P. 88-96.
7. Khoo MCK., Chalacheva P. Respiratory modulation of peripheral vasoconstriction: a modeling perspective // J Appl Physiol. 2019. V. 127 (5). P. 1177-1186.
8. Magder S. Heart-Lung interaction in spontaneous breathing subjects: the basics // Ann Transl Med. 2018. V. 6 (18). P. 348.
9. Pinsky MR. Cardiopulmonary interactions: physiologic basis and clinical applications // Ann Am Thorac. 2018. V. 15. P. 45-48.
10. Rauh R., Posfay A., Muck-Weymann M. Quantification of inspiratory-induced vasoconstrictive episodes: a comparison of laser Doppler fluxmetry and photoplethysmography // Clin Physiol Funct Imaging. 2003. V. 23. P. 344-348.
11. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use / M. Malik, JT. Bigger, AJ. Camm [et al.] // Eur Heart. 1996. V. 17. P. 354-381.
Новикова Евгения Сергеевна, студент, novikova220299@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого,
Красников Геннадий Викторович, канд. биол. наук, доц., gvkrasnikov@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого
RESPIRATORY MODULATION OF PERIPHERAL VASOCONSTRICTION
E.S. Novikova, G.V. Krasnikov
Based on the data of photoplethysmography and laser Doppler flowmetry, reactive changes in peripheral blood flow were investigated on the respiratory test with a deep inspiratory gasp in vascular regions with different severity of vascular sympathetic innervation. The parameters of the inspiratory vasoconstrictor reaction of the peripheral blood flow of the skin depend on the regional specificity of the sympathetic innervation of the peripheral vascular network and the structural and functional features of the microvascular bed. The highest amplitude of vasoconstriction was foundfor the bloodflow of the skin of the finger, the lowest for the bloodflow of the forearm andforehead skin, which may indicate a lower level of activity of the sympathetic mechanisms of regulation of vascular tone in the skin of these regions.
Key words: microcirculation, laser Doppler flowmetry, photoplethysmography, blood flow fluctuations, inspiratory vasoconstrictor reflex.
Novikova Evgeniya Sergeevna, student, novikova220299@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University,
Krasnikov Gennady Viktorovich, candidate of biological sciences, docent, gvkrasnikov@gmail.com, Russia, Tula, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University
