CC BY
253
УДК 612.172.2-057.874
КОПОСОВА Тамара Сергеевна, доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой биологии и экологии человека Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, заслуженный работник высшей школы РФ. Автор 192 научных публикаций, в т.ч. монографии и трех учебных пособий (в соавт.)
ЛУКИНА Светлана Федоровна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры биологии и экологии человека, декан естественно-географического факультета Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 38 научных публикаций, в т.ч. учебного пособия (в соавт.)
САВЕНКОВА Ирина Анатольевна, аспирант кафедры биологии и экологии человека Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 7 научных публикаций
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ СЕРДЕЧНОГО РИТМА ПРИ УМСТВЕННОЙ НАГРУЗКЕ У ГОРОДСКИХ И СЕЛЬСКИХ ШКОЛЬНИКОВ
Представлены данные исследования вариабельности сердечного ритма у первоклассников городской и сельской школ. Показано, что устный счет, как кратковременно действующий стрессорный фактор, по уровню воздействия на организм школьников оказывает неодинаковое влияние и, следовательно, вызывает разные функциональные сдвиги.
Первоклассники, городские и сельские мальчики и девочки, сердечный ритм, умственное напряжение, стресс
Учеба в школе или в вузе, как свидетельствуют исследователи, - это довольно тяжелый труд. Так, например, Б.М. Федоров [10] отмечает, что решение трудных арифметических задач вызывает продолжительное повышение артериального давления и существенное изменение сердечной деятельности вплоть до нарушений ритма. Исследования В.К. Навроцкого [9] показали, что даже при такой, казалось бы, легкой умственной деятельности, как чтение про себя, обмен веществ в организме ребенка повышается на 16%, а при чтении вслух обмен веществ повышается на 46%. Умственная работа, связанная с нервно-эмоциональ-
ным напряжением (например, ответ с места, ответ у доски или на экзамене, выполнение контрольной работы и т.п.), вызывает у ребенка учащение пульса на 14-30 ударов, повышение систолического давления крови на 20-30 мм рт. ст., а также увеличение количества глюкозы в крови на 30-40 мг%. Известно, что в процессе усвоения нового материала у школьников повышается частота сердечных сокращений на 6-18%. При интенсивном восприятии новой информации увеличивается длительность сердечных циклов [7].
Изменения сердечной деятельности и артериального давления во время напряженной
умственной работы зависит от многих факторов, в том числе от эмоционального состояния ребенка, реактивности его нервной системы, исходного функционального состояния сердца и сосудов, а также от заинтересованности быстро и правильно решать поставленные задачи, от степени их трудности и особенно от лимита времени. Изменения сердечной деятельности и системной гемодинамики являются не только показателями эмоционального стресса, но и следствием адаптационной перестройки системы кровообращения соответственно характеру умственной деятельности [1, 2, 4, 5, 6].
Реакция организма на физические или умственные нагрузки является естественной формой жизнедеятельности человека, и ее изучение было и остается одной из актуальных проблем физиологии как науки.
На наш взгляд, менее изучена вариабельность сердечного ритма у первоклассников при кратковременном умственном напряжении - счете в уме. Счет в уме является естественным, привычным возбуждающим фактором для первоклассников, т.к. на каждом уроке математики предусмотрено время для упражнения и развития одной из важнейших когнитивных функций.
Методика. Регистрация электрокардиограммы (ЭКГ) производилась с помощью «ВНС-спектра» («Нейрософт», Россия). В качестве фактора, вызывающего умственное напряжение, детям предлагали считать в уме (складывать и вычитать цифры в пределах десяти и с переходом через десяток). Предварительно детям давалась инструкция о необходимости более внимательного и правильного выполнения задания. Запись ЭКГ у испытуемых проводили в положении сидя перед началом выполнения задания (фоновая) и во время выполнения заданий. Фоновая запись ЭКГ осуществлялась в течение 3 минут, при счете в уме - 2 минуты. Отметим, что все записи и оценка показателей вариабельности ритма сердечной деятельности (ВРС), используемые в компьютерном сопровождении «ВНС-спектра», выполнены в соответствии с международным стандартом, предложенным Североамериканским обществом электрофизиологов и Европейским обществом кардиологов в 1996 году [16].
По данным ЭКГ анализировались основные показатели временного и спектрального анализа сердечного ритма: средняя длительность интервала сердечного ритма (RRNN) и стандартное отклонение величин нормальных интервалов RR (SDNN). RRNN (мс) отражает конечный результат многочисленных регуляторных влияний на синусовый ритм сложившегося баланса между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы (ВНС). Изменение величин SDNN свидетельствует о смещении вегетативного баланса в сторону преобладания одного из отделов ВНС: увеличение SDNN указывает на усиление парасимпатической, а уменьшение значений - на усиление симпатической нервной регуляции сердечного ритма [3, 8]. При проведении спектрального анализа вариабельности сердечного ритма оценивались следующие параметры спектрограммы: ТР - общая мощность спектра, HF - мощность спектра в диапазоне высоких частот, LF - низкочастотные колебания, VLF - ультранизкие частоты [8, 12, 13, 14, 15].
У каждого ребенка перед регистрацией ЭКГ с помощью антропометра измерялась длина тела, определялись масса тела, окружность грудной клетки. Регистрация величин артериального давления крови производилась аускультативным методом Н.С. Короткова. Дополнительно производилась оценка вегетативных влияний на функциональное состояние миокарда по индексу Кердо (ВИК) [5].
К исследованию привлекались учащиеся первых классов (7-8 лет) городской и сельской школ. От родителей были получены справки о согласии на регистрацию ЭКГ у их детей. Все дети на момент обследования были здоровы и не состояли на учете у кардиолога. Обследовано 62 первоклассника одной из городских школ г Архангельска (в декабре) и 43 первоклассника из сельской школы Ленского района Архангельской области (в январе).
Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью статистической программы Excel 7.0 для Windows. Оценка достоверности различий проводилась с использованием t-критерия Стьюдента.
Результаты и обсуждение. Универсальными индикаторами адаптационных процессов в организме, по которым можно прогнозировать его функциональное состояние и дальнейшее развитие основных функциональных систем, являются показатели гемодинамики [3].
Частота сердечных сокращений в любом возрастном периоде является важным показателем функционального состояния не только сердечно-сосудистой системы, но и организма в целом. Сравнительный анализ частоты пульса - одного из самых лабильных показателей сердечно-сосудистой системы - показал, что у обследуемых детей в состоянии покоя довольно высокие значения ЧСС (см. таблицу).
Частота сердечных сокращений в пределах возрастной нормы встречается у 5,7% городских детей и у 16,7% сельских. Для 48,6% городских девочек и 33,3% мальчиков характер-
на тахикардия. У детей в сельской школе тахикардия встречается реже, чем у городских: у мальчиков она встречается в 5,6% случаев и у 34,8% девочек. Тахикардия является приспособительной реакцией системы кровообращения к возросшим потребностям организма в кислороде, способствуя повышенному кровоснабжению органов и тканей. Кроме того, тахикардия свидетельствует о преобладании активности симпатического отдела вегетативной нервной системы и напряжении в регуляции системы кровообращения. У городских детей ЧСС достоверно выше, чем у их сельских сверстников (р<0,001).
Счет в уме у всех детей вызывает достоверное увеличение ЧСС (см. таблицу). Отметим, что у некоторых детей во время устного счета, особенно при переходе через десяток, ЧСС резко повышается до 124-132 ударов в минуту.
Временная и спектральная характеристика вариабельности сердечного ритма при фоновой записи и в процессе когнитивной деятельности 7-8-летних первоклассников городской и сельской школ (М±т)
Показатели Проба Городские дети (п=52) Сельские дети (п=41)
Мальчики Девочки Мальчики Девочки
ЧСС (уд./мин.) фон 93,44±1,84 97,71±1,53 • 87,94±2,19 •+ 93,48±2,26+
счет 95,67±1,67* 100,83±1,68* 90,78±2,04* 96,96±2,37*
RRNN (мс) фон 648,63±12,43 618,77±10,06 •• 688,94±16,66++ 59,00±3,42++
счет 631,89±11,01** 599,94±9,98* 667,01±14,85 52,26±3,22**
SDNN (мс) фон 57,96±4,64 51,69±2,33 •• 63,39±5,66 •+ 1338,50±146,32 •
счет 54,67±4,15* 47,80±2,14** 61,06±5,50 1360,46±188,46
ТР (мс2) фон 4677,36±525,11 4515,08±524,64 5427,50±790,40+ 5221,73±687,29 •+
счет 4855,02±730,14 3513,65±395,15** 5381,56±784,83 4123,46±417,47**
VLF (мс2) фон 751,35±89,51 930,34±87,90 • 867,74±111,03 + 903,17±122,71
счет 675,52±94,76* 684,03±74,45** 753,7 8±118,19* 691,92±86,83**
LF (мс2) фон 1495,69±164,64 1375,89±146,55 • 1746,19±296,64+ 650,65±15,52++ •
счет 1535,04±204,21 1095,80±100,58** 1724,56±315,14 627,26±16,23*
ОТ (мс2) фон 2307,55±285,58 1930,28±245,44 • 2724,98±480,48 •+ 2941,00±437,65++
счет 2607,42±498,79* 1686,21±240,66* 2724,51±461,38 1948,22±245,36**
Примечание. Достоверность различий значений между фоновой и функциональной пробами: * - при р<0,05; ** -при р<0,001; достоверность различий между мальчиками и девочками: • - при р<0,05; • • - при р<0,001; достоверность различий между сельскими и городскими детьми: + - при р<0,05, ++ - при р<0,001.
Известно, что увеличение ЧСС в целом характеризует активацию симпатической регуляции сердечного ритма [5]. Высокие значения ЧСС свидетельствуют о меньшей эффективности работы сердечной мышцы, так как повышение ритма сокращений происходит за счет сокращения общей паузы сердца и уменьшения объема систолического выброса крови. Увеличение ЧСС как в процессе когнитивной деятельности, так и в процессе обучения в целом является общим следствием стрессорных воздействий как природных, так и школьных факторов на организм первоклассников.
Для большинства обследуемых детей характерны высокие положительные значения индекса Кердо (ВИК). У городских мальчиков значения ВИК составляют 39,01±1,78 усл. ед., а у их сверстниц - 38,82±1,72 усл. ед. У первоклассников из сельской школы значения ВИК достигают 29,54±3,43 и 31,99±3,27 усл. ед. соответственно. Отметим, что при сбалансированном влиянии симпатической и парасимпатической систем на функциональное состояние сердечно-сосудистой системы значения ВИК находятся в пределах 0-10 усл. ед. [5]. Высокие положительные значения ВИК свидетельствуют о преобладании симпатической регуляции, а следовательно, о наличии хронического стресса у детей и чрезмерной функциональной мобилизации организма [5].
Проведенный временной анализ ВРС показал, что у большинства городских и сельских первоклассников при устном счете происходит достоверное уменьшение величины средней длительности нормальных интервалов RR (RRNN). Данные временного и спектрального анализов ВРС представлены в таблице. Установлены достоверные различия в значениях RRNN между мальчиками и девочками при фоновой записи (р<0,001). Различия в значениях длительности интервала RR достоверны при сравнении RRNN у городских и сельских детей (р<0,001).
Аналогичные результаты получены и при сравнении данных по величинам SDNN. У городских школьников значения SDNN ниже, чем у сельских сверстников, как при фоновой запи-
си, так и при устном счете (см. таблицу). Устный счет, как стрессорный фактор, вызывает у всех обследуемых нами детей снижение стандартных отклонений величин нормальных интервалов RR (SDNN).
Уменьшение значений таких показателей временного анализа, как RRNN и SDNN, в процессе устного счета может свидетельствовать об усилении симпатических влияний на регуляцию сердечного ритма [4, 6]. Подобная динамика показателей временного анализа ВРС свидетельствует о напряжении адаптационных механизмов в процессе выполнения умственной работы [11].
Указанные выше различия между мальчиками и девочками, обучающимися в городской и сельской школах, прослеживаются и в значениях показателей спектрального анализа сердечного ритма.
Сравнение фоновых данных спектрального анализа ВРС у обследуемых школьников позволяет сделать вывод о том, что средние значения общей мощности спектра, отражающей суммарную активность вегетативной нервной системы на сердечный ритм, у сельских детей выше, чем у их городских сверстников (таблица). Полученные данные свидетельствуют о значительном функциональном напряжении организма первоклассников, обучающихся в сельской школе.
Устный счет, как кратковременно действующий фактор, по уровню стрессорного воздействия на организм школьников оказывает неодинаковое воздействие и, следовательно, может вызывать разные функциональные сдвиги. У городских и сельских девочек счет в уме вызывает достоверное снижение ТР (р<0,001). У большинства городских мальчиков устный счет вызывает повышение, а у их сельских сверстников - снижение значений ТР. Снижение ТР свидетельствует о том, что в процессе устного счета у большинства сельских детей происходит усиление влияния симпатической нервной системы. У городских мальчиков повышение значений ТР отражает повышение парасимпатических влияний на сердечный ритм. Одновременно у городских мальчиков отмеча-
ется при выполнении счета в уме повышение средних значений низкочастотных колебаний, что происходит при усилении тонуса симпатического контура регуляции.
Таким образом, у городских мальчиков при выполнении в уме несложных арифметических действий наблюдается одновременное повышение парасимпатических и симпатических влияний, что свидетельствует о достаточно сильном напряжении адаптационных механизмов в процессе выполнения умственной работы. Отметим, что при выполнении умственной работы наименьшие сдвиги исследуемых показателей отмечаются у сельских мальчиков.
Проведенный спектральный анализ ритма сердца выявил, что у всех обследуемых городских и сельских первоклассников ритмограммы вариабельности ритма сердца характеризуются хорошо выраженными волнами высоких, низких и ультранизких частот.
При исследовании частотного спектра вариабельности сердечного ритма, как при фоновой записи, так и в период устного счета, также были выявлены достоверные различия между мальчиками и девочками городской и сельской школ (р<0,001). Так, например, средние значения высокочастотных волн (ИР) у сельских детей достоверно выше, чем у их городских сверстников (р<0,001). Особенно значимые различия отмечаются у городских и сельских девочек. Устный счет вызывает неоднозначную динамику значений НЕ У городских мальчиков в период устного счета наблюдается повышение значений НР, у сельских мальчиков величины НР достоверно не изменяются. У городских и особенно у сельских девочек значения НР в процессе устного счета достоверно уменьшаются (р<0,01 и р<0,001).
Мощность спектра в диапазоне низких частот (ЬР) при фоновой записи у обследуемых детей неодинакова. У мальчиков и девочек обнаружены достоверные различия средних значений по этому параметру (р<0,001). Наибольшие значения низкочастотных колебаний отмечаются у сельских мальчиков.
При анализе динамики низкочастотной составляющей спектра ВРС в процессе ум-
ственного счета у городских и сельских детей отмечаются разнонаправленные сдвиги. У большинства городских мальчиков значения ЬР повышаются. У городских девочек отмечается резкое снижение значений ЬР. А у сельских мальчиков и девочек средние значения низкочастотных колебаний сердечного ритма во время устного счета остаются относительно постоянными.
У городских и сельских девочек фоновые значения ультранизких колебаний ритма сердца (УЬР) более высокие, чем у мальчиков. У городских мальчиков и их сельских сверстников VLF достоверно ниже (р<0,01 и р<0,001). Полученные данные можно объяснить тем, что у девочек-первоклассниц более выражено психоэмоциональное напряжение на начальном этапе обучения в школе, чем у мальчиков. В процессе устного счета у всех детей отмечается снижение средних значений VLF (р<0,01 и р<0,001). Из-вест-но, что при тревоге и стрессе мощность ультранизких частот уменьшается [7, 8, 15]. Снижение мощности ультранизких частот у всех обследуемых первоклассников косвенно может свидетельствовать о повышении активности над-сегментарных структур мозга, поскольку именно активация высших вегетативных центров обуславливает тормозящее воздействие на нижележащие уровни регуляции [6].
Выявлено, что только у городских девочек наблюдается одновременное уменьшение значений низкочастотных и ультранизких колебаний сердечного ритма. Это можно интерпретировать как преобладание в процессе умственной деятельности автономного контура регуляции над центральным [6, 7].
Отметим, что у некоторых детей счет в уме не вызывал ни увеличения ЧСС, ни существенных изменений в показателях вариабельности сердечного ритма - это дети, которые решали примеры быстро и без ошибок. Когда таким детям предлагали складывать и вычитать цифры в пределах двух десятков, то у них у всех резко возрастала ЧСС (до 120-128 ударов в минуту) и появлялись такие же изменения во временных и спектральных характеристиках сердечного ритма, как у их плохо считающих сверстников.
Заключение. Итак, временные и спектральные составляющие вариабельности сердечного ритма у городских и сельских первоклассников имеют достоверные различия как при фоновой записи, так и при выполнении умственной нагрузки. В процессе устного счета у большинства городских и сельских детей наблюдается снижение значений как общей мощности спектра, так и основных частотных составляющих сердечного ритма. Высокие значения общей спектральной мощности (ТР) в покое у сельских детей и городских девочек сменяются снижением при устном счете. Выраженная ваготония покоя сменяется избыточной активацией симпатико-адреналовой системы во время устного счета. Подобную динамику показателей ВРС можно объяснить перманентным напряжением рефлекторных вегетативных механизмов, приводящим к медленному, гуморальнометаболическому типу регуляции. Снижение общей мощности спектра во время устного счета можно расценивать как общее понижение уровня функционального состояния [8, 11, 15].
Счет в уме некоторые исследователи рассматривают как кратковременный стрессорный фактор, вызывающий умственное напряжение [10, 11]. Динамику показателей мощности ВРС, выявленную в ходе данного исследования во время применения кратковременного стресс-фактора, когда организму предъявлена умственная нагрузка, можно трактовать как незначительное снижение адаптационных резервов организма первоклассников.
Частотные составляющие вариабельности сердечного ритма у мальчиков и девочек, как городских, так и сельских, в процессе когнитивной деятельности достоверно отличаются. Наименьшие сдвиги временных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма наблюдаются у сельских мальчиков, что свидетельствует о том, что их организм является более функционально устойчивым. У городских мальчиков при выполнении в уме несложных арифметических действий наблюдается одновременное повышение и парасимпатических, и симпатических влияний, что свидетельствует о высоком психоэмоциональном напряжении.
Список литературы
1. Агаджанян Н.А. Социальные, возрастные и эколого-физиологические аспекты адаптации человека // Возрастные особенности физиологических систем у детей и подростков. М.,1985. С. 7-9.
2. АнтроповаМ.В. Прогностическая значимость адаптационного потенциала сердечно-сосудистой системы у детей 10-11 лет / М.В. Антропова, Г.В. Бородкина, Л.М. Кузнецова и др. // Физиол. человека. 2000. Т. 26, № 1. С. 56-61.
3. Баевский Р.М. Оценка и классификация уровня здоровья с точки зрения теории адаптации // Вестник АМН СССР. 1989. №> 8. С. 74-78.
4. Баранов А.А., ЩеплягинаЛ.А. Фундаментальные и прикладные исследования по проблемам роста и развития детей и подростков // Рос. педиатр. журн. 2000. N° 5. С. 5-12.
5. ВейнА.М. Заболевания вегетативной нервной системы / А.М. Вейн, Т.Г. Вознесенская, В.Л. Голубева и др.; под ред. А.М. Вейна. М., 1991.
6. Волокитина Т.В., Грибанов А.В. Вариабельность сердечного ритма у детей младшего школьного возраста. Архангельск, 2004.
7. ДьячковаГ.И. Сердечный ритм при эмоциональном напряжении у детей // Педиатрия. 1999. N° 8. С. 25-28.
8. Михайлов В.М. Вариабельность ритма сердца: опыт практического применения. Иваново, 2002.
9. Навроцкий В.К. Гигиена труда. М., 1974.
10. Федоров Б.М. Эмоции и сердечная деятельность. М., 1975.
11. ФедороваМ.З., ЛипуноваЕ.А. Сравнительная оценка изменений частоты сердцебиений в ситуации эмоционального напряжения у детей 7 лет и юношей 17-18 лет // Новые исследования: альманах. М., 2005. № 1. С. 96-99.
12. Флейшман Л.Н. Медленные колебания гемодинамики. Новосибирск, 1999.
13. Akselrod S.D. Spectral analysis of left ventricular area variability as a tool o improve the understanding of cardiac autonomic control / S.D. Akselrod, R.M. Amitayt, V. Mor-Avi, L. Keselbrener // Physiol. Meas. 2000. № 21(2). P. 319-331.
14. Maviliani A., Pagani M., Lombardi F. Cardiovascular neural regulation explored in the frequency domain // Circulation. 1991. V 84. P. 482-492.
15. Pagani M. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variability as a marker of sympatho-vagal interaction in man and conscious dog / M. Pagani, F. Lombardi, S. Guzzetti et al. // COT Res. 1986. V. 59. P. 178-193.
16. Task force of the European of Cariology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology: Heart Rate Variability. Standarts of Measurements, Physiological Interpretation and Clinical Use // Circulation. 1996. № 93. P. 1043-1065.
Koposova Tamara, Lukina Svetlana, Savenkova Irina
HEART RHYTHM VARIABILITY IN URBAN AND RURAL SCHOOLCHILDREN
UNDER MENTAL WORKLOAD
The research results concerning heart rhythm variability in the first grade urban and rural schoolchildren are presented. Mental arithmetic as a short-time stress factor is shown to have a different influence on a schoolchild’s organism and, consequently, to cause different functional changes.
Рецензент - Волокитина Т.В., доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии и патологии развития человека, заместитель директора Института развития ребенка Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
