CC BY
56
УДК: 612.017 DOI: 10.12737/13313
СОСТОЯНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ И ВЕГЕТАТИВНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМ ЧЕЛОВЕКА В ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД ПОСЛЕ ОТКАЗА ОТ ИНТЕНСИВНОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
С.Я. КЛАССИНА, Н.А. ФУДИН
ФГБУ НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина, Моховая ул., 11, строение 4, Москва, Россия, 125009,
e-mail: klassina @mail.ru
Аннотация. Статья посвящена изучению состояния центральной и вегетативной нервной систем человека в восстановительный период после отказа от интенсивной физической нагрузки. В обследовании приняли участие 25 юношей-добровольцев в возрасте 18-19 лет, занимающихся физической культурой. Каждому из них предлагалась возрастающая по интенсивности ступенчато-дозированная физическая нагрузка на велоэргометре до отказа.
Для тестирования был использован велоэргометр «Спорт-Арт», а само тестирование проводилось под контролем ЭКГ и ЭЭГ. Проводили спектральный анализ ЭКГ и анализ вариабельности сердечного ритма. Расчетным путем оценивали ЧСС, вегетативный индекс Кердо, ударный объем крови, минутный объем кровотока. Оценивали полную спектральную мощность ЭЭГ и спектральные мощности отдельных ритмов. АД измеряли в фоне, в момент отказа от нагрузки и на этапах восстановления. Оценивали уровень субъективного самочувствия, фиксировали субъективные жалобы
Показано, что в момент отказа от интенсивной физической нагрузки испытуемые достигают предельного уровня своих физических возможностей, что отражается в усилении симпатических влияний на сердце, выраженном росте ЧСС и гемодинамических показателей. Завершение испытуемыми двигательной программы и переход в состояние восстановления сопровождался достоверным повышением спектральной мощности дельта-волн в префронтальных и затылочных отделах коры левого и правого полушария в 1-ю минуту восстановления. Появление дельта-волн обусловлено нарастанием процессов торможения в коре вследствие утомления и носило защитный характер. Процесс восстановления характеризовался выраженными перестройками вегетативных механизмов регуляции. Отмечено резкое увеличение спектральной мощности VLF - волн на 3-ей минуте восстановления и снижение показателя вариабельности сердечного ритма к 6-ой минуте восстановления. Таким образом, восстановление испытуемого после интенсивной физической нагрузки характеризуется выраженными перестройками в состоянии центральной и вегетативной нервных систем.
Ключевые слова: отказ от интенсивной физической нагрузки, восстановление, центральная нервная система, вегетативная нервная система
THE CONDITION OF CENTRAL AND AUTONOMIC NERVOUS SYSTEMS IN THE RECOVERY PERIOD AFTER THE REFUSAL OF INTENSIVE PHYSICAL LOAD
S.YA. KLASSINA, N.A. FUDIN
Scientific Research P.K. Anokhin Institute of Normal Physiology, Moss Street., 11, building 4, Moscow, Russia, 125009,
e-mail: klassina@mail.ru
Abstract. The article is devoted to studying the condition of central and autonomic nervous systems in the recovery period after the refusal of intensive physical load. The study involved 25 young men aged 18, 4 ± 0, 3 year. Each of them, it was offered a test with increasing in intensity step-dosed physical load on the cycle ergometer.
"Sports Art 5005" ergometer was used for load testing, and the testing itself was conducted under ECG and EEG control. A spectral analysis of ECG and analysis of heart rate variability were conducted. The heart rate, Kerdo index, stroke volume, cardiac output blood flow were calculated. The full EEG spectral power and spectral powers of separate rhythms were evaluated. Blood pressure was measured in the «background» status, at the moment of failure to take the load and after the recovery. The authors evaluated the level of self-feeling and fixed subjective complaints.
It is shown, that at the time of failure of intense load subjects reach of the limit of their physical capacity level, which is reflected in the increasing of sympathetic effects. It's marked in increase in heart rate and hemodynamic parameters. At time when the motoric program was stopped, the subjects were begun to the recovery. It was accompanied by a significant increase in spectral power of delta waves in the prefrontal and occipital cortex of the left and right hemispheres in the 1st minute of recovery. The appearance of delta waves was due to the increasing of inhibitory processes in the cerebral cortex as a result of fatigue and they have of defensive nature. The recovery process is characterized by significant reorganizations of vegetative regulation mechanisms. It was marked a sharp increase in spectral power of VLF -waves on the third minute of recovery and a reducing of heart rate variability to the 6-th minute of recovery. Thus, the
recovery process after intense physical load is characterized by significant reorganizations in condition of central nervous system and autonomic nervous system.
Key words: refusal of intense physical load, recovery, central nervous system, autonomic nervous system.
Известно, что рост интенсивности физической нагрузки сопровождается повышением мощности функционирования всех физиологических систем организма человека, включая нервную, эндокринную, кардиореспираторную и мышечную системы. При этом особая роль отводится нервной системе, объединяющей все функциональные системы в единое целое. При этом высшим центром интеграции является кора больших полушарий головного мозга, координирующая работу всех функций организма [1].
Показано, что физические нагрузки поддерживают работу механизма, ответственного за возбудимость коры головного мозга. Так, минимальные физические нагрузки повышают возбудимость коры, а длительная и интенсивная физическая работа, наоборот, вызывает резкое снижение возбудимости и углубление тормозных процессов [3]. Однако, до сих пор отсутствует информация об изменении состояния центральной и вегетативной нервной систем человека в первые минуты восстановления после отказа от интенсивной физической нагрузки.
Цель исследования - изучение состояния центральной и вегетативной нервной систем человека в восстановительный период после отказа от интенсивной физической нагрузки.
Материалы и методы исследования. В обследовании приняли участие 25 добровольцев мужского пола в возрасте 18-19 лет, занимающихся физической культурой. Каждому из них предлагалась возрастающая по интенсивности ступенчато-дозированная физическая нагрузка на велоэргометре в работе до отказа. В процессе обследования испытуемые пребывали в следующих состояниях: «фон» (2,5 мин); «раз-минка-60 Вт» (2 мин), «возрастающая по интенсивности этапно-дозированная нагрузка с шагом 20 Вт от 80 Вт до 120 Вт « на фоне постоянной скорости вращения педалей - 60 об / мин (по 1 мин для каждой ступени нагрузки); физическая нагрузка на ступени мощности 140 Вт до отказа на фоне той же постоянной скорости вращения педалей; «восстановление» (6 мин), причем изменения состояния обследуемых на этапе восстановления регистрировали на 1-ой («в1»), 3-ей («в3») и 6-ой («в6») минутах. Программа обследования соответствовала стандартам и была одобрена Комиссией по биомедицинской этике НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина.
Для нагрузочного тестирования был использован велоэргометр «Sports Art 5005», а само тестирование проводилось под контролем электрокардиограммы (ЭКГ, компьютерный электрокардиограф «Поли-Спектр-8» - «Нейрософт», Иваново) и энцефалограммы (ЭЭГ, компьютерный энцефалограф «Нейрон-Спектр-3 - «Нейрософт», Иваново). ЭКГ
регистрировали в I стандартном отведении и отведении V5. На основе анализа ЭКГ в фоне, при нагрузке и на этапах восстановления («в1», «в3», «в6») оценивали частоту сердечных сокращений (ЧСС) уд/мин. Спектральный анализ ЭКГ (HF-, LF-, VLF-волны ЭКГ и полная спектральная мощность ТР, мс2) и анализ вариабельности сердечного ритма (параметр SDNN, мс) проводили в исходном состоянии (фон) и на 3-ей и 6-ой минутах восстановления [10]. Расчетным путем оценивали вегетативный индекс Кердо (ВИК %), ударный объем крови (УОК, мл), минутный объем кровотока (МОК, л/мин) [6].
ЭЭГ регистрировали в фоне и на этапах восстановления (в1, в3, в6) в соответствии с международной системой «10-20», монополярно в 10 стандартных отведениях - F1A1, F2A2, C3A1, C4A2, P3A1, P4A2, O1A1, O2A2, T3A1, T4A2. При этом испытуемый находился в седле велоэргометра с закрытыми глазами. Индифферентные электроды располагались на мочках ушей. Продолжительность эпох анализа составляла 4 с. На основе спектрального анализа ЭЭГ оценивали спектральную мощность сигнала (S мкВ2 ) как суммарно для каждого из отведений, так и в диапазоне Л-, в-, а-, вн -, вв-ритмов [5].
Для регистрации реальной скорости вращения педалей был использован прибор «SIGMA - bc-509" (Germany), датчик которого крепился к педали вело-эргометра. АД измеряли в фоне, в момент отказа от нагрузки и на этапах восстановления («в1», «в3», «в6»), оценивали уровень субъективного самочувствия в пятибалльной шкале, фиксировали субъективные жалобы.
Статистическая обработка полученного материала проводилась с использованием пакета программ «Statistica-6.0». Достоверность различия одноименных показателей осуществлялась на основе непараметрического критерия Вилкоксона. Критический уровень значимости при проверке статистических гипотез в данном исследовании принимали равным 0,05.
Результаты и их обсуждение. Тот факт, что каждый испытуемый отказался от продолжения работы исходя из возможностей его собственного организма, делает факт отказа от нагрузки равноценным для всех испытуемых. Именно в этот момент их организм оказался на «пределе» физиологических возможностей, и это позволяет расценивать их функциональное состояние как предельное, отраженное в значениях показателей физиологических функций.
При напряженной мышечной деятельности происходят значительные изменения практически во всех системах организма. Так, изменение функционального состояния человека в момент отказа от интенсивной физической нагрузки находит свое отра-
жение в изменении ЧСС и гемодинамических показателей. При этом отмечено резкое усиление симпатических влияний на сердце по сравнению с фоном, что находит свое отражение в выраженном росте ЧСС с 85,1±2,07 до 173,4±3,1 уд/мин (р<0,05) и увеличении ВИК с 13,1±2,6 до 58,4±2,4% (р<0,05). Отмечено значимое повышение АДС с 122,6±2,2 до 150,7±3,9 мм рт. ст. (р<0,05) и тенденция к повышению АДД. Достоверно повысились ударный объем крови УОК с 69,7±2,1 до 82,2±5,1 мл (р<0,05) и минутный объем кровотока МОК с 5,9±0,2 до 14,8±1,1 л/мин (р<0,05). При этом испытуемые отмечали повышенное сердцебиение, одышку и боли в мышцах, что вероятно, обусловлено снижением уровня кислорода в крови и развитием мышечного утомления. Показатель их субъективного самочувствия достоверно снизился с 4,6±0,1 до 3,8±0,2 балла (р<0,05). Все это свидетельствует в пользу достижения испытуемыми уровня своих предельных возможностей.
Восстановительный период после интенсивной физической нагрузки до отказа также указывает на достижение предела физиологических возможностей испытуемых.
Известно, что сердечный ритм человека находится под контролем регуляторных систем различного уровня (кора, гипоталамус, жизненные центры продолговатого мозга), которые зачастую оказывают разнонаправленные модулирующие влияния на ритм сердца. На рис.1 представлены гистограммы, отражающие соотношение спектральных мощностей УЬГ-, ЬГ- и НГ-волн ЭКГ по отношению к полной спектральной мощности ТР в фоне, на третьей (в3) и шестой (в6) минутах восстановления после отказа от выполнения интенсивной физической работы, где нормы для вышеперечисленных спектральных составляющих имеют вид: НГ%=15-23, ЬГ%=35-40, УЬГ=15-30 от полной спектральной мощности ТР [10].
Соотношение спектральных мощностей ЭКГ
100% --- | | ---
l&Sjj ' i.i '
i0% ~~ m —■— Il~~
80%--g!-H-il —
Ш ГП
40% -Б'Ш-™--
- -1 " —
...
фон вЗ
Рис. 1. Соотношение спектральных мощностей VLF-, LF- и HF-волн ЭКГ по отношению к полной спектральной мощности ТР (%) в фоне (фон), на третьей (в3) и шестой (в6) минутах восстановления после отказа от выполнения предельной физической нагрузки (%HF - светлые столбики, %LF -узорчатые столбики, %VLF - темные столбики)
Видно, что в исходном состоянии соотношение спектральных составляющих находится в диапазоне
нормы. Интенсивная физическая нагрузка до отказа изменила соотношение спектральных компонентов сердечного ритма, причем столь радикально, что даже на 3-ей минуте восстановления соотношение ритмов имеет следующий вид: УЬГ-волны составили 84%, ЬГ - 10%, НГ - 6%. Установлено, что повышение мощности УЬГ-волн связано с активностью гипоталамуса и отражает активацию метаболических процессов, температурного центра, усиление симпатических влияний на сердце [10]. С учетом сказанного можно предположить, что повышение спектральной мощности УЬГ-волн и снижение мощностей остальных спектральных составляющих обусловлены увеличением активности подкорковых структур вследствие чрезмерности интенсивной физической нагрузки. Это подтверждается тем, что в момент отказа от нагрузки у испытуемых отмечалась одышка, сердцебиение и боли в мышцах ног. Вероятно, при восстановлении происходит дополнительная мобилизация метаболических резервов организма, что подтверждается резким повышением УЬГ-волн (третья минута восстановления - «в3»), в основе которого лежат процессы газообмена и биохимические процессы в мышцах. К 6-ой минуте восстановления («в6») мощность УЬГ-волн начинает снижаться, а мощность НГ-волн повышается и достигает нормы. Это однозначно свидетельствует в пользу ослабления симпатических влияний на сердце, хотя механизм регуляции сердечного ритма полностью еще не восстановлен. Все это позволяет говорить о чрезмерно высоком напряжении регуляторных систем сердечной деятельности на пике интенсивной физической нагрузки и последующем восстановлении.
Показатель БОЫЫ, мс - наиболее чувствительный из временных показателей ВСР-анализа. Он снижается при усилении симпатических влияний и, наоборот, повышается при усилении парасимпатических влияний на сердце. БОЫЫ= вцг - М)2 /п -стандартное отклонение величин кардиоинтервалов на эпохе наблюдения. Диапазон нормы БЮЫЫ имеет вид - (100-180 мс). На рис. 2 представлены изменения показателя БЮЫЫ в фоне и в период восстановления. Видно, что исходно у испытуемых преобладали симпатические влияния на сердце, а в процессе восстановления после предельной физической нагрузки показатель БЮЫЫ не только не повышался, а, наоборот, продолжал значимо снижаться вплоть до 6-ой минуты восстановления (р<0,05). По-мнению Г.В. Ря-быкиной и А.В. Соболева (1998) при выраженном снижении БЮЫЫ происходит стабилизация сердечного ритма, в результате чего ритм становится ригидным [8]. Таким образом, период восстановления после интенсивной физической нагрузки характеризуется резкими изменениями механизмов регуляции сердечного ритма, что проявляется в перестройках соотношений спектральных компонентов сердечного ритма, а также снижении вариабельности самого сердечного
ритма. Отмечено резкое повышение УЬГ% на третьей минуте восстановления и снижение БОММ к 6-ой минуте восстановления.
SDNN. мс
70 60 50 40 30 20 10 О
Г-Н 53,6
*
39,8
* г-Н
U и 21,5
фон
63
еб
Рис. 2. Показатель БОММ (мс) в фоне (фон), на третьей (в3) и шестой (в6) минутах восстановления после отказа от выполнения предельной физической нагрузки.
Обозначения: * - Р<0,05
Коре больших полушарий принадлежит ведущая роль в регуляции произвольных движений. В коре происходит выработка цели двигательной программы, построение программы конкретных действий, согласование моторных и вегетативных компонентов. Под влиянием коры перед началом движения повышается активность именно тех нейронов, которым предстоит участвовать в обеспечении движения, а постороннюю афферентную информацию кора тормозит, чем облегчает получение сигналов от рецепторов локомоторного аппарата [4]. Так, завершение двигательной программы и переход в состояние восстановления (в1, в3, в6) немедленно сказывается на состоянии коры больших полушарий. В пре-фронтальных и передне-лобных отделах мозга, а также в затылке и височных долях, отмечалось выраженное повышение полной спектральной мощности ЭЭГ (Бполн, р<0,05) (рис. 3).
Рис. 3. Сдвиги S полн. (%) ЭЭГ по отношению к фону в первую (в1), в третью (в3) и шестую минуты (в6) восстановления
По мнению Н.Н. Даниловой (2001) префрон-тальная кора корректирует внутреннюю модель
внешнего мира в соответствии с поступающей извне сенсорной информацией, в том числе и от выполняемого движения. Префронтальная кора извлекает информацию из долговременной памяти и при «участии» гипокампа осуществляет коррекцию поведенческой программы [4]. Полагаем, что наблюдаемые нами изменения биоэлектрической активности префронтальной коры и затылка обусловлены «срывом» двигательной программы в мозге вследствие прекращения двигательной активности испытуемого. Заметим, что наиболее выраженные изменения на ЭЭГ происходили именно в первую минуту восстановления («в1»), в пользу чего свидетельствовало резкое усиление дельта волн в префронтальной коре левого и правого полушария.
Известно, что дельта ритм проявляется при тормозных состояниях коры, в состоянии утомления [7], а, по мнению Н.П. Бехтеревой (1994), это является защитным механизмом мозга [2]. В соответствии с Н.Н. Даниловой (2001) именно правое полушарие в большей степени связано с вегетативными реакциями и негативными эмоциями [4]. Это подтверждается тем, что уже в первую минуту восстановления (в1) на фоне усиления дельта-волн в правом полушарии отмечалось ослабление симпатических влияний, что отразилось в снижении ЧСС с 173,4±3,1 до 128,8±3,8 уд/мин (p<0,05). При этом отмечалось подавление мощности альфа-ритма в обоих полушариях мозга, что согласуется с результатами Федотче-ва А.И., Бондарь А.Т., Акоевой И.Г. (2000), наблюдавшими появление медленных волн и подавление альфа-ритма в момент релаксации [9]. Таким образом, на исчезновение столь интенсивного внешнего воздействия как физическая нагрузка целостный организм испытуемых дает системный ответ, включая центральные и периферические механизмы.
■ догъта Drara □ альфа
I
, I I , I 11
"kL^i, к
Рис. 4. Сдвиги полной спектральной мощности (%) дельта-, тета- и альфа-ритмов ЭЭГ в первую минуту восстановления
С целью поиска прогностических фоновых критериев состояния отказа от физической нагрузки, проведен корреляционный анализ. Выявлено, что показатель УОК в момент отказа от интенсивной физической нагрузки коррелирует с гемодинамически-ми показателями в исходном состоянии - пульсовым
давлением (г=0,67, р<0,05) и ЧСС (г=-0,69, р<0,05). Отсюда следует, что чем ниже ЧСС и выше пульсовое давление в фоне, тем больше будет величина УОК в момент отказа. Кроме того, выявлена корреляционная связь показателя БОММ-в6 на шестой минуте восстановления с величиной спектральной мощности %УЬР-в3 на третьей минуте восстановления (г=- 0,57, р<0,05). Поскольку показатель %УЬГ на третьей минуте восстановления отражает уровень симпатических влияний на сердце, то наличие отрицательной связи позволяет ожидать, что показатель БОММ на шестой минуте восстановления будет достоверно снижаться (рис. 2).
Заключение. В момент отказа от выполнения интенсивной физической нагрузки испытуемые достигают предельного уровня своих физических возможностей, что отражается в усилении симпатических влияний на сердце, выраженном росте ЧСС и гемодинамических показателей. Завершение испытуемыми двигательной программы и переход в состояние восстановления (покоя) сопровождался достоверным повышением спектральной мощности дельта-волн в префронтальных и затылочных отделах коры левого и правого полушария в 1-ю минуту восстановления. Появление дельта-волн обусловлено нарастанием процессов торможения в коре вследствие утомления и носило защитный характер. Тот факт, что правое полушарие мозга ответственно за вегетативные реакции и негативные эмоции, то его активация обусловила компенсаторное включение вегетативных механизмов регуляции, работа которых протекала уже на фоне ослабления симпатических влияний. При этом процесс восстановления характеризовался перестройками ритма сердца, выражавшимися в изменении соотношения его спектральных компонентов. Это проявилось в выраженном увеличении спектральной мощности УЬГ-волн на 3-ей минуте восстановления и снижении показателя вариабельности сердечного ритма к 6-ой минуте восстановления по сравнению с фоном. Следовательно, восстановление испытуемого после интенсивной физической нагрузки характеризуется выраженными перестройками в состоянии ЦНС и ВНС.
Проведенное исследование может быть положено в основу разработки индивидуальных критериев оценки физических возможностей спортсменов, а, следовательно, позволит правильно спланировать их тренировочную и соревновательную деятельность.
Литература
1. Анохин П.К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Медицина, 1975. 448 с.
2. Бехтерева Н.П. О мозге человека. размышления о главном. СПб, 1994.
3. Высочин Ю.В., Денисенко Ю.П. Факторы, лимитирующие прогресс спортивных результатов и квалификации футболистов // Теория и практика
физической культуры. 2001. № 2. С. 17-21.
4. Данилова Н.Н. Психофизиология: Учебник для вузов. М.: Аспект Пресс, 2001. 373 с.
5. Зенков Л.Р. Клиническая энцефалография (с элементами эпилептологии). М.: МЕДпресс-информ, 2001. 368 с.
6. Карпман В.Л., Любина Б.Г. Динамика кровообращения у спортсменов. М.: Физическая культура и спорт, 1982. 135 с.
7. Марютина Т.М., Ермолаев О.Ю. Введение в психофизиологию. М.: Московский психолого-социальный институт: Флинта, 2001. 400 с.
8. Рябыкина Г.В., Соболев А.В. Вариабельность ритма сердца. Монография. М: Изд-во «Оверлей», 2001. 200 с.
9. Федотчев А.И., Бондарь А.Т., Акоева И.Г. Ритмическая структура ЭЭГ человека: современное состояние и тенденции исследований // Успехи физиологических наук. 2000. Т.31, N3. С. 39.
10. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Elec-trophysiology. Heart Rate Variability. Standards of Measurements, Physiological Interpretation, and Clinical Use // Circulation. 1996. V.87. P. 1043.
References
1. Anokhin PK. Ocherki po fiziologii funktsion-al'nykh sistem. Moscow: Meditsina; 1975. Russian.
2. Bekhtereva NP. O mozge cheloveka. razmysh-leniya o glavnom. SPb; 1994. Russian.
3. Vysochin YuV, Denisenko YuP. Faktory, limiti-ruyushchie progress sportivnykh rezul'tatov i kvalifikat-sii futbolistov. Teoriya i praktika fizicheskoy kul'tury. 2001;2:17-21. Russian.
4. Danilova NN. Psikhofiziologiya: Uchebnik dlya vuzov. Moscow: Aspekt Press; 2001. Russian.
5. Zenkov LR. Klinicheskaya entsefalografiya (s elementami epileptologii). Moscow: MEDpress-inform; 2001. Russian.
6. Karpman VL, Lyubina BG. Dinamika krovoo-brashcheniya u sportsmenov. Moscow: Fizicheskaya kul'tura i sport; 1982. Russian.
7. Maryutina TM, Ermolaev OYu. Vvedenie v psikhofiziologiyu. Moscow: Moskovskiy psikhologo-sotsial'nyy institut: Flinta; 2001. Russian.
8. Ryabykina GV, Sobolev AV. Variabel'nost' ritma serdtsa. Monografiya. M.: Izd-vo «Overley»; 2001. Russian.
9. Fedotchev AI, Bondar' AT, Akoeva IG. Ritmi-cheskaya struktura EEG cheloveka: sovremennoe sos-toyanie i tendentsii issledovaniy. Uspekhi fiziologi-cheskikh nauk. 2000;31(3):39. Russian.
10. Task Forse of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Elec-trophysiology. Heart Rate Variability. Standards of Measurements, Physiological Interpretation, and Clinical Use. Circulation. 1996;87:1043.
