CC BY
37
УДК: 612.063
ВЛИЯНИЕ ГИПОВЕНТИЛЯЦИОННОГО ДЫХАНИЯ НА ЭФФЕКТЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КРОВООБРАЩЕНИЯ И ДЫХАНИЯ У ЧЕЛОВЕКА ПОСЛЕ ФИЗИЧЕСКИХ НАГРУЗОК РАЗЛИЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ
С.Я. Классина
ФГБНУ «НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина», г. Москва, Россия
Контактная информация:
Классина Светлана Яковлевна - кандидат биологических наук. Место работы и должность: ведущий научный сотрудник лаборатории системных механизмов спортивной деятельности Научно-исследовательского института нормальной физиологии им. П.К. Анохина. Адрес: Россия, г. Москва, ул. Балтийская, д. 8. Телефон: (905) 547-62-34, электронный адрес: [email protected], [email protected]
Статья посвящена сравнительному анализу эффектов восстановления показателей периферического кровообращения и дыхания у человека при различных по интенсивности мощностях физической нагрузки - 120 и 160 Вт. В обследовании приняли участие 14 добровольцев, регулярно занимающихся физической культурой. Каждый испытуемый выполнял физическую нагрузку на велоэргометре до отказа четыре раза: 120 Вт и 160 Вт до обучения дыханию с гиповентиляцией и 120 Вт и 160 Вт после него. Между вторым и третьим обследованием испытуемые обучались гиповентиляционному дыханию. До и после обучения у испытуемых регистрировали электрокардиограмму и пневмограмму, измеряли артериальное давление и показатели спирометрии, оценивали временную длительность физической работы до отказа. Расчётным путём оценивали ударный объем крови, минутный объем кровообращения, общее периферическое сопротивление сосудов. Показано, что при больших мощностях нагрузок сдвиги показателей кровообращения и дыхания после работы до отказа и последующего восстановления зависят не только от гиповентиляционного дыхания, но и от самой мощности нагрузки. Так, в отличие от нагрузки 120 Вт, нагрузка 160 Вт на фоне гиповентиляционного дыхания, обусловила снижение ударного объема крови (р<0,05) и минутного объема кровообращения, повышение артериального давления, частоты сердечных сокращений и частоты дыхания (р<0,05), общего периферического сопротивления сосудов и минутного объема дыхания (р<0,05). Делается вывод о том, что гиповентиляционное дыхание положительно сказывается на функциональном состоянии испытуемых в зоне умеренных нагрузок, но в зоне больших нагрузок его эффекты модулируются самой нагрузкой.
Ключевые слова: гиповентиляционное дыхание, физическая нагрузка, физическая работоспособность, восстановление, кровообращение, дыхание
Физическая работоспособность человека напрямую зависит от интенсивности выполняемой работы. Так, по мере повышения интенсивности физической нагрузки, длительность физической работы испытуемого до отказа будет снижаться, и только использование дополнительных недопинговых внешних стимуляторов способно остановить это снижение. К таким стимуляторам можно отнести произвольное ги-повентиляционное дыхание [1, 2]. Однако до сих пор не ясно, как оно способно повлияет и на эффекты постнагрузочных восстановительных процессов.
Цель исследования: провести сравнительный анализ эффектов восстановления пока-
зателей периферического кровообращения и дыхания у человека после физических нагрузок различной интенсивности, проводимых на фоне гиповентиляционного дыхания.
Материалы и методы.
В обследовании приняли участие 14 практически здоровых молодых мужчин в возрасте 1824 года, регулярно занимающихся физической культурой. Каждый из них участвовал в обследованиях 4 раза: 2 раза до обучения гиповенти-ляционному дыханию (ГВД) и 2 раза после, где им было предложено выполнить физическую работу на велоэргометре до отказа. Обследования были однотипными и различались лишь величиной мощности нагрузочного тестирования -
32
Тюменский медицинский журнал Том 19, № 2, 2017
120 Вт или 160 Вт. Все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере предлагаемого эксперимента и дали письменное согласие на участие в исследованиях. Программа эксперимента была одобрена Комиссией по биомедицинской этике НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина.
Между 2-ым и 3-им обследованием в течение 30 дней испытуемые обучались ГВД. В основе обучения ГВД лежали дыхательные тренинги, направленные на формирование у испытуемого уреженного дыхания. Обучение происходило на основе словесной инструкции, 3 раза в неделю по 1,5-2 часа по схеме: вдох - 1,2 с, выдох - 1,5 с, пауза после выдоха - от 7 до 10 с.
В процессе обследования испытуемые пребывали в следующих состояниях: «Фон 1» (2,5 мин), когда испытуемый находился в седле ве-лоэргометра, но не вращал педали; «разминка-60 Вт» (2 мин); «нагрузочное тестирование» при постоянной скорости вращения педалей - 1 об/с «восстановление» (6 мин), состояние после нагрузки и восстановления «Фон 2» (2,5 мин). Длительность нагрузочного тестирования определялась отказом самого испытуемого от продолжения физической работы (Т-отказ, с) и расценивалась как мера его физической работоспособности.
Для нагрузочного тестирования был использован велоэргометр «Sports Art 5005», а само тестирование проводили под контролем электрокардиографии (ЭКГ) и пневмографии (компьютерный электрокардиограф «Поли-Спектр-8», «Нейрософт», Иваново). ЭКГ регистрировали в I стандартном отведении и отведении «V5». На основе анализа ЭКГ оценивали частоту сердечных сокращений (ЧСС, уд/мин), величины зубцов (P, Q, R, S, T) и сегментов (QRS, ST), а на основе пневмограммы - частоту дыхания (ЧД, 1/мин). Расчётным путём оценивали ударный объем крови (УОК, мл) и минутный объем кровотока (МОК, л/мин) [3]. Регистрация показателей ЭКГ и ПГ производилась на каждой ступени нагрузки и этапе восстановления в последние 30 с. Для регистрации реальной скорости вращения педалей (V, км/час) был использован прибор «SIGMA - bc-509» (Germany), датчик которого крепился к педали велоэргометра.
В состояниях «Фон 1» и «Фон 2» у испытуемых измеряли артериальное давление (АД, мм рт.ст.) по методу Короткова и спирометрические
показатели: жизненную емкость легких (ЖЕЛ, л), форсированную жизненную емкость легких (ФЖЕЛ, л), объем форсированного выдоха за 1-ю секунду (ОФВ1, л). Регистрация этих показателей производилась с использованием портативного спирометра «SP-1». Оценивали уровень субъективного самочувствия в пятибалльной шкале (sam, баллы), фиксировали субъективные жалобы.
Статистическая обработка полученных данных проводили с использованием непараметрических критериев.
Результаты исследования и их обсуждение.
Известно, что гипоксия является стимулятором активности ряда физиологических процессов в организме [4, 5, 6], однако, ГВД, как разновидность гипоксического воздействия, имеет свои особенности. В таблице 1 представлены средние значения длительности физической работы до отказа (Т-отк, с) при нагрузке 120 и 160 Вт до и после обучения ГВД. Видно, что при работе на одной и той же мощности нагрузки после обучения ГВД показатель Т-отк достоверно увеличивался как при нагрузке 120 Вт, так и при нагрузке 160 Вт ф<0,05), причём относительный сдвиг показателя Т-отк после обучения ГВД составил 65% и 56% соответственно. Следовательно, ГВД способствует достоверному росту физической работоспособности испытуемых при обеих мощностях нагрузок.
Известно, что с ростом интенсивности физической нагрузки меняется механизм энергетического обмена - с аэробного (кислородного механизма) на анаэробный (бескислородный механизм). В последнем случае энергия вырабатывается в бескислородных условиях, когда на фоне кислородного долга растет уровень молочной кислоты в крови, меняется pH крови, в результате чего спортсмен вынужден снизить мощность работы или прекратить ее полностью. Переход от аэробного к анаэробному виду энергетического обмена определен как «порог анаэробного обмена» - ПАНО [7].
При интенсивной физической нагрузке «доставку» кислорода тканям обеспечивают сердечнососудистая система и система дыхания, в которых основными информативными показателями являются ЧСС и ЧД. Проведём сравнительный анализ показателей ЧСС и ЧД при физической работе до отказа на ступенях мощно-
сти нагрузки 120 Вт и 160 Вт до и после обучения испытуемых ГВД (табл. 1).
Сравнительный анализ средних значений показателя ЧСС до и после обучения ГВД (табл. 1) позволяет говорить о наличии тенденции к росту ЧСС на фоне ГВД на обеих ступенях нагрузки, что свидетельствует в пользу ГВД как средства повышения уровня физических возможностей у испытуемых. Показатель ЧД, наоборот, имел слабую тенденцию к снижению на ступени нагрузки 120 Вт («экономизация» дыхания), но практически не изменился на ступени нагрузки 160 Вт.
Известно, что аэробная зона физических нагрузок наиболее оптимальна для тренировки спортсменов, особенно когда интенсивность нагрузок близка к ПАНО. Показано, что для аэробной зоны максимум ЧСС в зависимости от возраста испытуемого можно прогнозировать по формуле: ЧССпредел = 180 - возраст (год) [8]. Поскольку средний возраст наших испытуемых составил 19,1±0,3 года, то максимальная ЧСС для аэробной зоны у них должна быть равна 160,9 уд/мин. Тогда, в соответствии с табл.1, момент отказа от нагрузок 120 Вт и 160 Вт на фоне ГВД происходит уже после преодоления ПАНО, то есть в анаэробной зоне энергетического обмена.
Повышается ли уровень физических возможностей у испытуемых при тестовой физической нагрузке на фоне ГВД? Нетрудно понять, что чём интенсивнее физическая нагрузка, тем выше уровень потребления кислорода. Чтобы оценить повышение уровня кислорода в крови при работе до отказа на ступенях нагрузок 120 и 160 Вт необходимо прибегнуть к анализу электрокардиографических показателей. Учитывая,
Длительность нагрузочного тестирования (Т-отк,с), от нагрузки 120 Вт и 160 В
что каждое из 4-х обследований испытуемого проводилось в отдельный день, то и фоновые показатели у них были различными. Следовательно, для проведения сравнительного анализа разумно перейти от анализа абсолютных значений показателей к относительным, то есть к анализу сдвигов параметров ЭКГ. Поскольку нас интересует влияние ГВД на параметры ЭКГ при нагрузках 120 и 160 Вт, проведём сравнительный анализ только тех сдвигов, которые отражают изменение параметров ЭКГ в момент отказа от нагрузки после обучения ГВД.
Выявлено, что влияние ГВД на параметры ЭКГ более выражено при нагрузке 160 Вт, что подтверждается большей величиной их сдвигов. Так, при нагрузке 160 Вт по сравнению с нагрузкой 120 Вт сдвиг зубца Р был значимо больше и составил 183,9±24,7 против 77,7±12,8% (р<0,05), что позволяет сохранить более высокую возбудимость синусового узла, адекватную большой мощности нагрузки. При нагрузке 160 Вт по сравнению с нагрузкой 120 Вт сдвиг зубца Q был значимо меньше и составил - 52,7±45,2 против - 319,2±137,2% (р<0,05), что свидетельствует в пользу лучшей обеспеченности тканей миокарда кислородом на фоне ГВД [9]. Отсюда следует, что при физической работе в анаэробной зоне до отказа (160 Вт), проводимой на фоне ГВД, кислородный запрос был выше, что и обусловило повышение ЧСС и ЧД.
При этом в крови испытуемых снижалось парциальное давление кислорода и повышалось парциальное давление углекислого газа, причём последний обусловил увеличение просвета сердечных капилляров и снижение сродства кислорода к гемоглобину.
Таблица 1
а также ЧСС (уд/мин) и ЧД (1/мин) в момент отказа
г до и после обучения ГВД
Мощность нагрузки, Вт Показатель До ГВД (М ± т) После ГВД (М ± т)
Т-отк 545,5±104,8 *901,7±216,6
120 Вт ЧСС 161,4±3,6 163,8±3,1
ЧД 28,5±1,7 27,5±1,5
Т-отк 113,8±17,1 *177,5±32,0
160 Вт ЧСС 164,2±4,1 167,6±3,9
ЧД 31,2±1,5 31,4±1,7
Примечание: р<0,05
34 Тюменский медицинский журнал Том 19, № 2, 2017
Рис. 1. Относительные сдвиги (%) показателей кровообращения и дыхания после нагрузок и последующего восстановления на ступенях 120 Вт (белые столбики) и 160 Вт (узорчатые столбики) после обучения ГВД. Обозначение: * - различие р<0,05 одноименных показателей при нагрузках 120 Вт и 160 Вт.
чр
5 а
и
30 25 20 15 10 5 0 -5 -10 -15
□ 120 Вт
□ 160 Вт
3
адс адд уок мок опсс чсс чд жел до мод
*
*
*
В результате облегчался процесс выхода кислорода из сердечных капилляров в ткани миокарда, что и обеспечивало миокард кислородом. Отсюда следует, что гипоксия, являясь мощным сосудорасширяюшим фактором для коронарных сосудов, способствует увеличению коронарного кровотока, в результате дефицит кислородного обеспечения миокарда снижается
Всё вышеизложенное описывало реакции испытуемых на физические нагрузки различной интенсивности, однако возникает вопрос: как будут различаться эффекты восстановления показателей периферического кровообращения и дыхания у человека после физической работы до отказа на ступенях 120 и 160 Вт?
Для этого представляется разумным сравнить показатели системы кровообращения у испытуемых после нагрузки и восстановления (состояние «фон-2) на ступенях мощности 120 и 160 Вт после обучения ГВД. Сравнительный анализ следует провести в относительных единицах, то есть сдвигах показателей кровообращения по отношению к аналогичному состоянию до обучения ГВД. Такого рода сдвиги показателей кровообращения несут в себе информацию не только о влиянии ГВД, но и об изменении функциональном состоянии испытуемых после физической нагрузки и восстановления.
На рис. 1 представлены относительные сдвиги показателей кровообращения и дыхания после нагрузок и последующего восстановления на ступенях 120 Вт и 160 Вт после обучения ГВД.
Видно, что на фоне гиповентиляционного дыхания функциональное состояние испытуемых после физической нагрузки и последующего восстановления меняется в зависимости от мощности выполненной физической нагрузки. Так, восстановление после нагрузки 120 Вт (состояние «фон-2») на фоне ГВД сопровождается положительным сдвигом показателей УОК и МОК, ЖЕЛ и ДО. Всё это свидетельствует в пользу активации систем кровообращения и дыхания, направленных на ликвидацию кислородной задолженности в организме. При восстановлении после нагрузки 160 Вт (состояние «фон-2») на фоне ГВД, наоборот, отмечается значимый отрицательный сдвиг показателя УОК (р<0,05) и отрицательный сдвиг показателя МОК, положительный сдвиг АДД и ОПСС, положительный сдвиг ЧСС, ЧД (р<0,05) и МОД (р<0,05).
Полагаем, что снижение УОК обусловлено тем, что при нагрузке 160 Вт ЧСС повышалась более выраженно, в результате чего сердце было вынуждено чаще выбрасывать кровь в аорту. При этом желудочки сердца не успевали напол-
няться полностью, а, следовательно, УОК снижался. В этой ситуации поддержание должного уровня МОК происходило в основном за счет ЧСС, что и подтверждается положительным сдвигом ЧСС. Отмечено выраженное повышение периферического сопротивления сосудов (ОПСС), что свидетельствует в пользу ухудшения гемодинамики.
Одним из основных компенсаторных механизмов, направленным на поддержание уровня кислорода в крови, является активация функции дыхания. Углекислый газ, активируя дыхательный центр, вызывает усиление дыхания, выражающееся в значимом увеличении показателя ЧД (p<0,05) и легочной вентиляции (МОД, p<0,05) (рис. 1). Более того, при физической нагрузке в анаэробной зоне энергообмена повышение ЧД и МОД может быть также обусловлено повышением концентрации молочной кислоты в крови, приводящей к снижению pH. В результате гиперкапния и ацидоз также стимулируют дыхательный центр.
Таким образом, углекислота влияет не только на функцию дыхания, но и на все другие функции, отвечающие за транспорт кислорода в организме [10].
Нельзя не отметить, что субъективное самочувствие в момент отказа от нагрузки было тем
Литература:
1. Фудин Н.А. Физиологическая целесообразность произвольной регуляции дыхания у спортсменов // Теория и практика физической культуры - 1983. -№ 2. - С. 21-22.
2. Фудин Н.А., Классина С.Я., Вагин Ю.Е. Гиповен-тиляционное дыхание как средство повышения физической работоспосбности человека при физической работе до отказа // Теория и практика физической культуры. - 2016. - № 12. - С. 55-57.
3. Карпман В.Л., Любина Б.Г. Динамика кровообращения у спортсменов. - М. : Физкультура и спорт, 1982. - 135 с.
4. Колчинская А.З. Дыхание при гипоксии // Физиология дыхания. - СПб: Наука, 1994. - С. 589-624.
5. Фудин Н.А. Газовый гомеостазис (произвольное формирование нового стереотипа дыхания) / Под общей редакцией К.В. Судакова. - Тула: «Тульский полиграфист», 2004. - 216 с.
6. Гридин Н.А. Современные представления о физиологических и лечебно-профилактических эффектах действия гипоксии и гиперкапнии // Журнал «Медицина». - 2016. - № 3. - С. 45- 68.
7. Wasserman K., McIlroy M.B. Detecting the threshold of anaerobic metabolism in cardiac patients during exercise // Am. J. Cardiol. - 1964. - № 14. - Р. 844-852.
ниже, чем выше была интенсивность физической нагрузки. Так, на фоне гиповентиляцион-ного дыхания субъективное самочувствие в момент отказа от нагрузки 160 Вт и 120 Вт составили 4,2±0,13 и 4,5±0,17 до балла соответственно, что свидетельствует в пользу того, что физическая нагрузка 160 Вт субъективно воспринималась нашими испытуемыми как более тяжелая. Объективным показателем «тяжести» нагрузки 160 Вт являлось меньшее время работы до отказа на ней. Таким образом, физическая нагрузка 160 Вт, проводимая на фоне ГВД, воспринималась испытуемыми как слишком тяжелая, что, в конечном итоге, отразилось в динамике показателей кровообращения и внешнего дыхания после 6-тиминутного восстановления.
Полагаем, что большая физическая нагрузка сама по себе уже является фактором развития гипоксии для испытуемых, а её выполнение на фоне гиповентиляционного дыхания ещё более усиливает уже существующую гипоксию.
Таким образом, гиповентиляционное дыхание положительно сказывается на функциональном состоянии испытуемых в зоне умеренных нагрузок, но в зоне больших нагрузок ее эффекты модулируются самой нагрузкой.
References:
1. Fudin N.A. Fiziologicheskaja celesoobraznost' proizvol'noj reguljacii dyhanija u sportsmenov // Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury - 1983. - № 2.
- S. 21-22. (In Russ)
2. Fudin N.A., Klassina S.Ja., Vagin Ju.E. Gipoventiljacionnoe dyhanie kak sredstvo povyshenija fizicheskoj rabotosposbnosti cheloveka pri fizicheskoj rabote do otkaza // Teorija i praktika fizicheskoj kul'tury. - 2016. - № 12. - S. 55-57. (In Russ)
3. Karpman V.L., Ljubina B.G. Dinamika krovoobrash-henija u sportsmenov. - M.: Fizkul'tura i sport, 1982.
- 135 s. (In Russ)
4. Kolchinskaja A.Z. Dyhanie pri gipoksii // Fiziologija dyhanija. - SPb: Nauka, 1994. - S. 589-624. (In Russ)
5. Fudin N.A. Gazovyj gomeostazis (proizvol'noe formirovanie novogo stereotipa dyhanija) / Pod obshhej redakciej K.V. Sudakova. - Tula: «Tul'skij poligrafist», 2004. - 216 s. (In Russ)
6. Gridin N.A. Sovremennye predstavlenija o fiziologicheskih i lechebno-profilakticheskih jeffektah dejstvija gipoksii i giperkapnii // Zhurnal «Medicina».
- 2016. - № 3. - S. 45- 68. (In Russ)
7. Wasserman K., McIlroy M.B. Detecting the threshold of anaerobic metabolism in cardiac patients during exercise // Am. J. Cardiol. - 1964. - № 14. - Р. 844-852.
36
Тюменский медицинский журнал Том 19, № 2, 2017
