CC BY
47
УДК 61276; 616-009.2
СОСТОЯНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НЕПРОИЗВОЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЙ УЧАЩИХСЯ В УСЛОВИЯХ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ В РАЗНЫЕ СЕЗОНЫ ГОДА
М.Я. БРАГИНСКИЙ, Ю.Г. БУРЫКИН, Е.В. МАЙСТРЕНКО,
В.В. КОЗЛОВА*
К непроизвольным движениям относится и широко распространенные колебательные движения. Механическое колебание тканей является одной из важных характеристик двигательных функций функциональных систем организма (ФСО) человека. Этот факт наиболее очевиден для сердечно-сосудистой и опорнодвигательной систем, нарушения деятельности в которых приводит не только к снижению уровня качества жизни, но и провоцирует развитие более грубой патологии [1]. Правильная организация мышечной нагрузки у учащегося обеспечивает хорошее качество учебного процесса и гармоничное физическое развитие личности, физиологически обусловленное конституцией человека. Особое значение эта проблема имеет для Ханты-Мансийского автономного округа (ХМАО) - Югры. Онтогенез учащегося на Севере РФ сопровождается рядом неблагоприятных экофакторов, главным из которых является резкое снижение двигательной активности в зимний период (снежный покров лежит до мая и морозы длятся свыше двухсот суток). Дети, школьники лишены возможности длительно находиться на свежем воздухе и активно двигаться, вследствие чего возникают изменения со стороны ФСО. Все это требует организации мониторинга состояния ФСО человека и, в частности, состояния нейромышечной системы (НМС). Именно поэтому проводится разработка методов исследования и методов обработки информации с помощью программных устройств в рамках теории фазатона мозга (ФМ).
Поскольку непроизвольное движение является непременным спутником двигательной активности всех органов и систем и отражает колебания различной частоты, то оно (например, тремор) тоже описывается набором гармонических функций. Тремор (дрожание) является непроизвольными ритмическими колебательными движениями части тела (чаще всего конечностей и головы) или всего тела. «Нормальные» частоты тремора, отмеченные различными исследователями, укладываются в полосу от 2 до 23 Гц, а амплитуда колеблется от долей миллиметра до нескольких миллиметров. Колебания вблизи 10 Гц, которые мы регистрировали в своих испытаниях у лиц с фазическим типом регуляции ЦНС, могут быть напрямую связаны с адренергической нейротрансмиттерной системой (НТС) и симпатической вегетативной нервной системой (ВНС). Индексы СИМ, характеризующие состояние симпатической ВНС, всегда у таких лиц повышены. Особенно велики эти показатели после повышения активности нейромоторного системокомплекса (но только до периода утомления). Последнее наблюдать после выполнения физических упражнений (нагрузка должна быть активной -тяжелая атлетика, упражнения статического или динамического характера), при которой еще нет мышечного утомления [1-2].
Также определялась взаимосвязь между функциональным состоянием НМС и спектральной структурой микродвижений пальцев конечности. Были выявлены наиболее информативные составляющие спектра тремора при различных режимах мышечной активности. Соответственно этим и нашим данным в спектральной структуре тремора мы сейчас выделяем тоническую и фазическую составляющие (1-7,5 Гц и 7,5-12,5 Гц). В покое тоническая составляющая является доминирующей. Однако при незначительном напряжении мышц активизируется фазическая составляющая. При продолжительном или патологическом напряжении мышц увеличивается мощность спектра в диапазоне 12,5-22 Гц, что коррелирует с клиническими состояниями, сопровождающими формирование процессов. В условиях Севера РФ, в зимний период при сильном переохлаждении возникает характерный непроизвольный тремор, связанный с осциллятор-ным сокращением различных мышц (человека начинает трясти). С непроизвольным сокращением мышц связан и тремор, возникающий при удержании позы тела. Эти движения могут возникать в любой части тела, но обычно они отмечаются в шее, предплечьях и кистях рук. Это связано с влиянием ЦНС на возбуди-
Сургутский госуниверситет, 628400, г. Сургут, Энергетиков 14, СурГУ, (3462)524822, e-mail: evm@bf. surgu. ru
мость мотонеиронов и рецепторного звена, т.е. тоническими или фазическими эффектами ФМ на мышцы [3]...................
-¡— !"■ i"j— -і—і—і--і--і -
і- -і- - - і- - - і- - - -І - - і - - -І - - -і - - -і—
-i-L-i-i-j-j—¡~
::::::::::::::::::::::::
і І І І І і і
::::::::
::::::::
- -і—;— г—і— г--? —і—-і —і-
я. «г ч. JO. ч. jr. я. ‘я я. чг
--Н-
т_ О. 41
г:
О U). □. ч
1. J-LL-l In..
г)
Рис. 1 АЧХ тремора пальцев кисти мальчиков 15-16 лет (15 чел.) в состоянии покоя (а), после динамической нагрузки в 2 кг (б), после нагрузки в 3 кг (в), после нагрузки в 4 кг (г). По оси абсцисс - А (у.е.)
Исходя из ФСО человека, феноменологически выделяют различные виды тремора. Различают тремор покоя, возникающий в мышцах, находящихся в состоянии относительного покоя (паркинсонический тремор), и тремор действия (акционный
в)
тремор), возникающий при произвольном сокращении мышц. Тремор действия включает постуральный (позный) и кинетический тремор, появляющийся при движении. Одной из его разновидностей является мозжечковый, связанный с фазическим компонентом в работе ФМ. Этот тремор возникает и усиливается по мере приближения к цели. Постуральный тремор возникает при поддержании позы, например, это тремор в вытянутых конечностях (руках). Именно этот вид тремора в различных его модификациях мы исследовали в настоящей работе.
Одна из распространенных двигательных патологий - паркинсонизм (болезнь Паркинсона, дрожательный паралич) занимает особое место среди нейромоторных дискинезий. В основе этой патологии лежит дегенерация дофаминергических нейронов черной субстанции. Эта патология проявляется в нарушениях, связанных с дисбалансом в регуляции ФМ, в нейродинамическом аспекте, имеет нейротрансмиттерные (нейромедиаторные) корни и проявляется. Чаще всего она возникает в пожилом возрасте. Имеет значение и наследственная предрасположенность [5].
Вопрос о локализации генераторов тремора при обсуждении природы гиперкинезов, особенно при паркинсонизме, остается актуальным. Не вызывает сомнения влияние пирамидной и экстрапирамидной систем на всю двигательную активность. Более углубленное и детальное изучение тремора возможно при спектральном анализе амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) треморограмм. Информационная значимость различных видов спектрального анализа весьма велика. Это характеристика биомеханических свойств мышечной ткани, её вязко-упругих свойств, на которые влияет и степень свободы, и иные показатели биомеханики опорно-двигательного аппарата. Здесь сказывается проявление психоневрологических нарушений, при которых идет разбалансировка нейромышечной регуляции с изменением показателей двигательных функций. Это имеет отражение и в параметрах АЧХ [3] с возможностью перехода от стохастических
15-16 лет (15 чел.) в состоянии покоя (а) и после локальной динамической нагрузки (б). По оси абсцисс - А (у.е.)
Объект и методы исследования. Традиционно анализ треморограммы проводится по двум параметрам: амплитуде и частоте. Он может вестись как визуально, так и машинным способом. Амплитуда тремора может выражаться как в мм отклонения звена от заданного положения, так и в угловых величинах (первый способ более распространен). В процессе выполнения наших исследований тремора было установлено, что использова-
ние датчиков токовихревого типа совместно с разработанным автоматизированным комплексом (АК) гарантирует достаточно высокую точность измерений. Он обеспечивает широкий диапазон частот регистрируемого тремора и полную обработку информации. Для расширения диапазона измерения амплитуды произвольных и непроизвольных движений был разработан дифференциальный токовихревой датчик. Принцип его работы основан на использовании сигналов от двух датчиков, между которыми и помещается объект для измерения его микроперемещений [5].
Разработанная аппаратура и программное обеспечение были апробированы в биоисследованиях на учащихся МОУ гимназии №4 г. Сургута [5]. Для выявления возрастных различий в треморограммах обследовано 295 человек (145 девочек и 150 мальчиков 11-16 лет). Более яркие адаптивные проявления в работе нервно-мышечной системы можно проследить в условиях нагрузки, 30 из всех учащихся (15 девочек и 15 мальчиков) обследованы для изучения влияния статической и локальных динамических нагрузок на АЧХ треморограмм (рис. 1).
Результаты исследования. Практически во всех подгруппах при общих усреднениях четко наблюдался локальный максимум АЧХ в области 9-11 Гц, причем у девочек он был более выражен, чем у мальчиков в возрасте 11-12 и 13-14 лет в отличие от старшей группы школьников, где более был выражен 10 Гц компонент у мальчиков. Статистически достоверно установлено, что имеет место рост амплитуды колебаний с частотой около 10 Гц, как у мальчиков, так и у девочек с увеличением возраста испытуемых (особо это проявляется в пубертатный период). С увеличением возраста у девочек растет и низкочастотный компонент с 30 у.е. (в подгруппе 11-12 лет) до 38 у.е. (в подгруппе 1516 лет). Значения амплитуды характерных частот (10 Гц) могут служить количественными признаками, описывающими формирование системы регуляции двигательных функций у подростков на фоне характерной хаотической динамики тремора вообще [34]. Регистрация показателей треморограмм мышц верхней конечности человека в условиях нагрузки и без неё дает объективную информацию о состоянии ЦНС и её периферических отделов. В качестве такой нагрузки использовались упражнения с отягощениями (2-4 кг) до утомления. Нагрузка (упражнения на сгибание-разгибание кисти, предплечья и подъем-опускание рук с гантелями) локализовалась в зависимости от исследуемого звена биоки-немаї и ческой нем и кисіи. предплечья, плеча (рис. 2).
б)
Рис. 3. АЧХ микродвижений пальцев кисти с опорой в запястье мальчиков 15-16 лет (5 чел.) в состоянии покоя (а) и после локальной динамической нагрузки (б). По оси абсцисс - А (у.е.)
Измерения этой серии проводились с использованием АК для испытуемых одной возрастной группы (15-16 лет) средней физической подготовки. Все испытуемые были разбиты на под-
группы (по 15 чел.) по половому признаку, всего 30 учащихся.
Результаты исследования. В результате проведенных экспериментов были подтверждены закономерности, выявленные при исследованиях возрастных различий: выраженный максимум АЧХ вблизи 2-4 Гц; б) выраженный максимум вблизи 10 Гц.
После динамической нагрузки в 92±3,4% наблюдался сдвиг максимумов АЧХ треморограмм в окрестности 2 Гц в область низких частот. Усредненные показатели тремора всех групп мышц у мальчиков (до динамической нагрузки и после) дают в среднем на 27±3,1% большую амплитуду низкочастотных составляющих спектральных характеристик. У девочек увеличение амплитуды после нагрузки на частотах ниже 2 Гц меньше выражено, чем у мальчиков. У девочек после нагрузки высокочастотные составляющие на частоте 10 Гц возрастают с 9 до 12 у. е., а у мальчиков с частоты 10 Гц (10 у. е.) происходит смещение максимума на частоту 9 Гц с возрастанием амплитуды (на 13 у.е.). Видимо, это связано с зависимостью регуляторных механизмов от пола, которая проявляется различиями в нервно-мышечной регуляции тонуса мышц. Проводя исследования влияния локальных динамических нагрузок на группы мышц, участвующих в организации тремора, установили, что после такой нагрузки (упражнения с гантелей до утомления) характерные частоты треморограмм уменьшаются на 1-2 Гц, а амплитуда возрастает.
Все выполненные нами измерения АЧХ микроперемещений конечности человека позволили сделать вывод о значимости анализа треморограмм именно в области до 15 Гц. Тем самым измерения доказывают возможность выделения характерных частот в области низкочастотного диапазона, которые могут представлять физиологические характеристики человека и его реакцию на те или иные внешние воздействия (рис. 3).
Такой результат находится в противоречии с результатами других работ, в которых высказываются предположения о хаотическом характере возникновения и существования тремора у человека. Результаты наших исследований показывают, что тремор по своей природе действительно носит хаотический характер, однако суперпозиция ряда временных отрезков у одного и того же человека (при непрерывной регистрации тремора) и ее амплитудно-частотный анализ позволяет выделить определенные (характерные) частоты, которые свойственны именно данному человеку и в данных физических условиях среды. Такие характерные частоты для младших школьников (до 12 лет) находятся в области 1-4 Гц. Для средних и старших возрастных групп, кроме этого частотного диапазона, очень характерной является область частот вблизи 10 Гц. Амплитудно-частотные показатели вблизи 10 Гц существенно изменяются при изменении возраста испытуемых от 12-ти лет к 15-16-ти годам. В начале возрастает (среднестатистически) амплитуда и частота этих колебаний с последующим её снижением к концу пубертатного периода. Это характеризует и изменения в психо-эмоциональной сфере, и в механизмах регуляции НМС.
С использованием авторских методов регистрации непроизвольных движений человека выполнен анализ амплитудных микродвижений конечности. Применяя спектральный анализ Фурье, установили различия в АЧХ разных возрастных групп. Изучены закономерности влияния статической нагрузки на показатели треморограмм в области низких частот.
Выполненные исследования с использованием разработанного диагностического комплекса представляют данные массового обследования двигательных функций учащихся в норме и при патологии. Такие экспресс-исследования в ХМАО проводятся впервые. При этом выявлена закономерность, при которой непроизвольные движения кисти, предплечья и плеча имеют ряд характеристик, выраженных для всех возрастных групп, а именно: существуют максимумы АЧХ вблизи 2-4 Гц, характерные для кисти, предплечья и плеча; регистрируются гармоники низкочастотных компонент в области 0,5, 1, 1,5 и 2 Гц; отмечается на ряде гистограмм наличие максимумов в области 9-11 Гц, лучше выраженные на АЧХ старшеклассников и студентов.
Основываясь на развитии новых подходов к исследованию опорно-двигательной системы и возможностях применения датчиков токовихревого типа, а также измерительных систем на их основе, нами было изучено влияние статической нагрузки на тремор. Рост нагрузки ведет к спаду амплитуды колебаний в области 8-10 Гц, т.е. высокочастотных составляющих (по амплитуде <2,5-5 у.е.), вплоть до почти их полного нивелирования. Одновременно растет амплитуда колебаний в области низкочас-
тотного диапазона и происходит смещение с 3-4 Гц до 1-1,5 Гц. Эти данные совпадают с результатами других авторов. При усилении статической нагрузки растет иннервация у2 статических клеток и активизируется вторая группа афферентов, отходящих от вторичных окончаний. Преобладание активности именно второй группы должно вести к усилению низкочастотного компонента и ослаблению активности динамических клеток. Последнее обуславливает ослабление высокочастотных компонентов и увеличение амплитуды низкочастотных. Наблюдаемые биоэффекты могут быть теоретически объяснены с позиций регуляции нервно-мышечного аппарата как суперпозиция стохастических периодических процессов с хаотическими процессами в организации тремора. Мы рассматриваем тремор как комплекс хаотически организованных колебаний с наложением на этот процесс стохастических гармонических колебаний в области 10 или 24 Гц. Такая модель может объяснить организацию такого сложного движения, как тремор.
Литература
1. Гидиков А. Микроструктура произвольных движений человека.- София: Изд-во болгарской академии наук, 1970.- 196 с.
2. Гурфинкель В. С. // Физиол. чел-ка.- 1996.- № 6.- С. 124.
3. Еськов В.М. и др. // Мат-лы XI Междунар. симп. «Эколо-го-физиологические проблемы адаптации».- М.: Изд. РУДН, 2003.- C. 189-190.
4. Еськов В. М. и др. // ВНМТ.- 2002.- № 1.- С. 27.
5. Филатова О.Е. и др. / Сб. мат-лов междунар. научной конф.- Сургут: СурГУ, 2002.- С. 81-83.
УДК 615.831.2
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГЕЛИОГЕОФИЗИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НА ПРАКТИЧЕСКИ ЗДОРОВЫХ ЛЮДЕЙ, РАБОТАЮЩИХ В ПОЛЯРНОЙ ШАПКЕ (АРХ. ШПИЦБЕРГЕН)
А.В. ЕНИКЕЕВ*, Е.А. КАСАТКИНА**, А.В. ХРАМОВ***,
О.И. ШУМИЛОВ**
Исследование воздействия гелиогеофизических (или космофизических) факторов на организм человека проводилось в течение длительного времени. В работах основателя современной гелиобиологии А. Л. Чижевского показано, что во время солнечных вспышек и магнитных бурь резко возрастает количество инсультов, сердечно-сосудистых и психических заболеваний [1]. Другие биологические параметры (миграция рыбы, скорость воспроизводства бактерий, скорость роста деревьев и т.д.) также демонстрируют зависимость от вариаций солнечной активности. Влиянию гелиогеофизических факторов на биологические объекты посвящен целый ряд работ [2-11], в которых при анализе использовались различные индексы солнечной и магнитной активности (числа Вольфа, Кр, Ар и т.д.). По результатам не очень многочисленных исследований корреляция между магнитной активностью и заболеваниями не была обнаружена [2, 11]. Большинство указанных исследований проводилось в средних широтах, и лишь отдельные работы касались авроральной зоны и области полярной шапки [4, 8-11]. В силу специфики конфигурации силовых линий геомагнитного поля высокие широты по интенсивности и пространственно-временным характеристикам основных гелиогеофизических факторов существенно отличаются от средних и низких широт. Здесь резко возрастает интенсивность галактических и солнечных космических лучей (СКЛ), в том числе ОЬБ-типа (протоны с энергиями Е>450 МэВ) [12], которые способны достигать поверхности Земли, увеличивается интенсивность УФ-излучения. Увеличивается также интенсивность и количество геомагнитных возмущений и пульсаций в широком частотном диапазоне, появляются специфические «касповые» максимумы интенсивности космофизических агентов и т.д. В области полярной шапки, связанной геомагнитными силовыми линиями с открытым космосом, такие исследования, лишь за одним исключением [8], не проводились совсем.
**Апатитская центральная городская больница, Апатиты Институт проблем промышленной экологии Севера, Кольский научный центр РАЙ, 184209 Апатиты
Балтийский государственный технический университет, С-Петербург
