Автореферат: Взаимодействие центральных и периферических механизмов формирования респираторно-зависимых колебаний в сердечно-сосудистой системе человека

Для всех зарегистрированных сигналов рассчитывали амплитудно-частотные спектры на основе непрерывного адаптивного вейвлет-преобразования (Tankanag & Chemeris, 2008, 2009). Анализировали максимальные амплитуды пиков спектров на частоте навязанного дыхательного ритма. Для оценки баланса активности симпатической/парасимпатической систем использовали показатель отношения мощности спектральных компонентов LF/HF, полученное на основе стандартных методик посредством Фурье-преобразования (Camm et al. 1996). Анализ параметров частотной области ВСР выполняли в программе Kubios HRV v. 2.0 (BSAMIG, University of Kuopio, Finland).

Статистический анализ результатов исследования выполняли при помощи пакета SigmaPlot11.0 (Systat Software, Inc., 2008). В связи с тем, что распределение значений некоторых выборок данных не являлось нормальным (критерий Шапиро-Уилка), для анализа достоверности различий использовали непараметрический однофакторный дисперсионный анализ для повторных измерений (критерий Фридмана), с последующим множественным попарным сравнением по методу Тьюки. Статистически значимыми считались различия при р<0.05.

3. Основные результаты исследования

Исследование вариабельности сердечного ритма в условиях контролируемого дыхания

Глубокое дыхание с навязываемой частотой в наших экспериментах оказывало значимое влияние на среднее значение RR-интервала и, соответственно, на ЧСС (табл. 1). Максимальное значение ЧСС наблюдалось при дыхании с частотой 0.25Гц. При этом ЧСС достоверно увеличивалось примерно на 20% по сравнению с ЧСС при спонтанном дыхании. Минимальные значения ЧСС наблюдались при частотах дыхания 0.07 и 0.05 Гц, где эти показатели достоверно снижались на 5% относительно спонтанного дыхания. Для режимов дыхания с частотами 0.16, 0.1 и 0.03 Гц достоверных отличий величин ЧСС по сравнению со спонтанным дыханием не выявлено.

Таблица 1. Показатели ЧСС при спонтанном и контролируемом дыхании (М ± m, n 29)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению со спонтанным дыханием (p < 0.05)

Усредненный спектр пневмограмм спонтанного дыхания характеризовался пологим пиком с широким основанием, что, очевидно, обусловлено индивидуальными вариациями частоты дыхания испытуемых. При контролируемом дыхании для всех используемых частот дыхательного ритма спектры пневмограмм были представлены единственным пиком с частотой, соответствующей частоте эталонного сигнала, что свидетельствует об успешном контроле частоты задаваемого профиля дыхания участниками исследования.

Спектры ВСР в условиях контролируемого дыхания отличались от спектров при спонтанном дыхании наличием доминирующих по амплитуде пиков на частоте, совпадающей с частотой пиков в спектрах пневмограмм и соответствующих задаваемой частоте дыхания.

При контролируемом дыхании амплитуда респираторно-связанного компонента амплитудных спектров ВСР была значительно выше соответствующей амплитуды при спонтанном дыхании, что очевидно обусловлено большей глубиной контролируемого дыхания. Этот вывод подтверждается исследованиями Hirsch & Bishop (1981) и Taylor et al. (2001), в которых показана прямая зависимость амплитуды РСА от величины дыхательного объема.

Рис. 1. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика амплитудного спектра ВСР в зависимости от частоты контролируемого дыхания (М ± m, n 29).

Амплитуда респираторно-связанного компонента в спектрах сигналов имела выраженную нелинейную зависимость (рис. 1) от частоты контролируемого дыхания, которая хорошо аппроксимируется log-нормальной кривой с максимумом на частоте 0.07-0.1 Гц (4-6 дыханий в минуту). Подобный характер частотной зависимости амплитуды респираторно-связанного отклика в спектрах сердечного ритма демонстрируют резонансно-подобные свойства с резонансной частотой в области 0.1 Гц. Продемонстрированная нами колоколообразная зависимость согласуется с результатами, полученными ранее другими исследователями (Angelone & Coulter, 1964; Taylor et al. 2001; Song & Lehrer, 2003; Vaschillo et al. 2006).

Исследование осцилляций кровотока в системе микроциркуляции кожи в условиях контролируемого дыхания

В условиях спонтанного дыхания ПМ в коже пальца достоверно выше по сравнению с предплечьем в 10.7 раз (табл. 2). При контролируемом дыхании усредненный ПМ кожи предплечья не обнаруживает достоверных изменений по сравнению со спонтанным дыханием. Перфузия ткани кровью на подушечке пальца достоверно снижается для частот дыхания 0.25 и 0.16 Гц на 16 и 24% соответственно по сравнению со спонтанным дыханием.

Таблица 2. ПМ при спонтанном и контролируемом дыхании (М ± m, n 29)

Примечание: *- различия достоверны по сравнению со спонтанным дыханием (p < 0.05)

Спектры ЛДФ-грамм и средняя величина ПМ, в условиях спонтанного дыхания были различны для сигналов, зарегистрированных на коже пальца и предплечья. Для кровотока кожи пальца наиболее выражены осцилляции в диапазоне 0.02-0.07 Гц, а для кровотока кожи предплечья - в диапазоне 0.07-0.15 Гц. При естественном дыхании респираторно-зависимые колебания в обоих участках кожи выражены слабо. Для всех используемых режимов контролируемого дыхания на спектрах сигналов кровотока кожи и пальца и предплечья выражены пики, совпадающие с частотой пиков на спектрах пневмограмм и соответствующие заданной частоте дыхания, что дает основание считать их респираторно-обусловленными. При частотах дыхания 0.03, 0.05, 0.07 и 0.1 Гц респираторно-зависимые пики на спектрах ЛДФ-грамм доминировали по амплитуде.

Амплитуда респираторно-зависимых колебаний существенным образом зависела от частоты дыхания, причем зависимость имеет нелинейный характер (рис. 2). В обоих случаях наблюдается колоколообразный характер нарастания амплитуды в зависимости от частоты дыхательного ритма. Однако, частота дыхания, соответствующая максимальной амплитуде респираторно-зависимых колебаний различна. Для кровотока кожи пальца максимум соответствует частоте в области 0.05-0.07 Гц (рис. 2), в то время как для кровотока кожи предплечья максимум наблюдается на частоте 0.10 Гц (рис. 2).

Рис. 2. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика амплитудного спектра ПМ кожи предплечья и пальца в зависимости от частоты контролируемого дыхания (М ± m, n 29).

Для сравнительного анализа изменений респираторно-связанного компонента спектров ВСР и ЛДФ-грамм при контролируемом и спонтанном дыхании была проделана следующая процедура. На спектрах сигналов ВСР, кровотока кожи пальца и предплечья, зарегистрированных при спонтанном дыхании, были выделены значения амплитуд колебаний, соответствующие частотам контролируемого дыхания. Затем максимальные пиковые амплитуды при контролируемом дыхании были разделены на соответствующие значения при спонтанном дыхании. Полученные относительные изменения амплитуд респираторно-связанного компонента спектров ВСР и кровотока кожи представлены в таблице 3.

Таблица 3. Относительные изменения амплитуд респираторно-связанного компонента амплитудных спектров ВСР и кровотока кожи предплечья и пальца (М ± m, n 29)

Примечание: * - различия достоверны по сравнению к контролируемому дыханию с частотой 0.25 Гц, - к дыханию с частотой 0.16 Гц, - к дыханию с частотой 0.03 Гц (p < 0.05)

Сравнение амплитуд дыхательных колебаний кровотока кожи при контролируемом дыхании с таковыми при спонтанном дыхании показало, что увеличение амплитуды респираторно-зависимого пика в коже пальца и предплечья происходит пропорционально исходной амплитуде спектра. Таким образом, при контролируемом дыхании с фиксированной глубиной, увеличение амплитуды респираторно-зависимого пика в спектрах ЛДФ-грамм по отношению к амплитуде спектра при естественном дыхании на соответствующей частоте практически постоянно и не зависит от частоты дыхания. В этой связи гипотеза резонансного взаимодействия колебаний на уровне микроциркуляторного кровотока вызывает сомнения.

Как известно, формирование респираторно-зависимых колебаний в микроциркуляторном кровотоке обусловлено, по меньшей мере, двумя механизмами: дыхательной модуляцией венозного давления (механизм «дыхательного насоса») и посредством вазомоторных рефлексов, обусловленных респираторной модуляцией симпатической активности, в частности известный инспираторный дыхательный сосудистый ответ (Bolton et al. 1936; Khan et al. 1991; Macefield & Wallin, 1999; Mayrovitz & Groseclose, 2002; Mueck-Weymann &, Rauh, 2002). Очевидно, что в первом случае амплитудный эффект будет определяться глубиной дыхания. Это подтверждается исследованиями с использованием механической вентиляции легких. Увеличение объема вентиляции приводит к пропорциональному увеличению респираторно-зависимых колебаний давления крови и, как следствие, к увеличению амплитуды дыхательных колебаний в микроциркуляторном кровотоке (Michard 2005; Landsverk et al. 2007). Во втором случае инспираторный сосудистый ответ прямо пропорционально зависит как от дыхательного объема, так и от скорости воздушного потока при вдохе (Wilder-Smith et al. 2005).

Выявленное нами пропорциональное увеличение амплитуды дыхательных колебаний кровотока по отношению к исходному «фоновому» уровню колебаний позволяет предположить, что дыхательные колебания в микроциркуляторном кровотоке преимущественно формируются за счет динамики аретриального давления и в большей степени определяются глубиной дыхания. С другой стороны, в наших экспериментах глубина дыхания оставалась постоянной при всех частотах контролируемого дыхания, однако скорость нарастания фаз вдоха и выдоха менялась в зависимости от частоты дыхательного ритма (увеличивалась с увеличением частоты дыхания). В этой связи можно предположить, что при относительно высокой частоте дыхания (0.25 и, возможно, при 0.16 Гц) могут проявляться вазоконстрикторные эффекты, способствующие увеличению респираторно-зависимых колебаний. Однако при указанных частотах дыхания амплитуда респираторно-обусловленных колебаний оказывается значительно ниже по сравнению с более низкими частотами дыхания. Это может быть объяснено за счет общей периферической вазоконстрикции, вызванной описанными выше гипокапническими эффектами, которая таким образом снижает выраженность инспираторного сосудистого ответа.

Влияние глубины контролируемого дыхания на осцилляции кровотока в системе микроциркуляции кожи

Известно, что амплитуда РСА зависит не только от частоты дыхательного ритма, но и от величины дыхательного объема (Hirsch & Bishop, 1981; Kobayashi, 1998). Однако, данные зависимости амплитуды респираторно-связанных колебаний кровотока кожи от величины дыхательного объема в доступной нам литературе отсутствуют. В этой связи нами проведены эксперименты по исследованию влияния глубины контролируемого дыхания на осцилляции кожного кровотока при различной частоте дыхательного ритма. Результаты экспериментов представлены на рис. 3.

Рис. 3. Максимальные амплитуды респираторно-связанного пика спектра ПМ кожи предплечья и пальца в зависимости от глубины контролируемого дыхания при частоте дыхательного ритма 0.1 и 0.25 Гц (М ± m, n 25). - достоверные различия по сравнению с глубиной дыхания уровня 10% от макс. (p < 0.05).

Достоверные различия максимальных амплитуд дыхательных колебаний в спектрах ЛДФ-грамм в зависимости от глубины дыхания обнаружены для кровотока кожи предплечья. При частоте дыхания 0.25 Гц, что соответствует частоте спонтанного дыхательного ритма, амплитуда колебаний линейно нарастает пропорционально увеличению глубины дыхания. При глубине дыхания, соответствующей 40% от индивидуального максимума, амплитуда дыхательных колебаний возрастала приблизительно в 2.1 раза по отношению к величине соответствующей 10%. При частоте дыхания 0.1 Гц (соответствовало максимуму амплитуды для РСА) амплитуда респираторно-зависимых колебаний характеризовалась колоколообразной динамикой: наибольшая амплитуда соответствовала глубине дыхания в диапазоне 20-30% от индивидуального максимума, при этом амплитуда увеличилась примерно в 1.3 раза по отношению к величине соответствующей 10%. Для кровотока кожи пальца достоверных изменений амплитуды дыхательных колебаний не выявлено.

Таким образом, зависимость амплитуды дыхательных колебаний микроциркуляторного кровотока кожи от глубины дыхания носит более сложный характер, чем для амплитуды РСА. В этом случае важную роль, предположительно, играют локальные особенности иннервации сосудов. В то же время, для кожного кровотока эффект частоты дыхания, очевидно, так же как и для РСА, практически не зависит от глубины дыхания. В условиях наших экспериментов при всех значениях глубины дыхания сохраняется достоверная разница в амплитуде дыхательных колебаний для различных частот дыхательного ритма.