Оценка состояния механизмов вегетативной регуляции кровообращения при действии факторов космического полета

Анализ ВСР, возникнув в области космической медицины более чем 40 лет назад, применялся при исследовании космонавтов во всех космических полетах на космических транспортных кораблях и на орбитальных станциях. Этот метод применялся как с целью медицинского контроля, так и для изучения механизмов адаптации организма к условиям невесомости. За последние годы получены новые результаты, в частности в исследованиях на Международной космической станции. Первой публикацией, обобщавшей результаты исследований по математическому анализу ритма сердца в космосе, была статья В.В.Парина, Р.М.Баевского и О.Г.Газенко “Сердце и кровообращение в условиях космоса” (1965). Развитие методов анализа ВСР у космонавтов было связано с необходимостью повышения информативности систем медицинского контроля и с задачами исследования процессов регуляции физиологических функций. На первом симпозиуме по математическому анализу сердечного ритма в 1966 году В.В.Парин выступил с большим докладом и отметил, что источником развития этого метода является космическая кардиология, где впервые он был использован для изучения регуляции кровообращения в условиях космического полета. Идея изучения механизмов регуляции сердечного ритма в интересах ранней диагностики и прогнозирования вероятных патологических отклонений оказалась плодотворной. Поскольку изменения регуляции предшествуют появлению энергометаболических и тем более структурных нарушений, то методы исследования регуляторных систем организма приобретают практическую значимость как в прикладной физиологии, так и в клинической практике. Особую роль эти методы играют в космической медицине, где регуляторные сдвиги носят первичный характер и обусловлены течением процессов адаптации.

Работа “Ритм сердечных сокращений как индикатор состояния нейроэндокринной регуляции организма в условиях космического полета” (1967), написанная В.В. Париным совместно с Р.М. Баевским и Г.А.Никулиной, была доложена на ХVIII Конгрессе Международной астронавтической федерации. Она явилась важным этапом развития исследований по вариабельности ритма сердца. В условиях полета при регистрации ритма сердечных сокращений у первых космонавтов была обнаружена выраженная синусовая аритмия в начальный период невесомости.

В 1967 году вышла монография В.В. Парина, Р.М. Баевского, Ю.Н. Волкова и О.Г.Газенко “Космическая кардиология”. В этой книге обобщен широкий круг проблем, связанных с влиянием факторов космического полета на систему кровообращения. При обсуждении результатов летных экспериментов на 2–5-м советских космических кораблях-спутниках выделяют 3 фазы адаптации организма животных к условиям невесомости: 1) переходную, при которой изменения определяются в основном последействием перегрузок, 2) неполного приспособления, когда организм осуществляет активный поиск устойчивого состояния, соответствующего новым физическим условиям, 3) относительно устойчивого приспособления, при котором наблюдается новый уровень функционирования систем. При этом специальное внимание обращается на вторую фазу, где особенно велика роль вегетативной нервной системы, которая обеспечивает настройку организма на новый уровень функционирования. Авторы пишут, что “…вторая фаза есть период как бы борьбы между симпатическим и парасимпатическим влиянием, в которой постепенно побеждает парасимпатическая система, но и симпатическая не побеждена полностью, а лишь смиряется со своей новой ролью, ролью запасного игрока…”. По существу, здесь сформулирована базовая идея концепции о механизмах приспособления к условиям невесомости.

Первые исследования вегетативной регуляции кровообращения в космическом полете с использованием анализа вариабельности сердечного ритма были проведены в полетах кораблей “Восток-3” и “Восток-5”. Было установлено, что в 3- и 5-суточном полетах отчетливо выявляется смещение вегетативного баланса в сторону усиления активности парасимпатического отдела. При отсутствии выраженной брадикардии существенно увеличивалась колеблемость RR-интервалов (в 1,5–2 раза увеличивался коэффициент вариации). Во время полета экипажа корабля “Восход-1” была показана значимость индивидуального типа вегетативного реагирования. Реакция приспособления к условиям невесомости протекала у каждого из членов экипажа по-разному. При симпатотоническом типе реагирования наблюдалась наиболее быстрая нормализация частоты пульса. Эти исследования положили начало систематическому применению анализа ВСР для оценки состояния членов экипажа на разных этапах космического полета.


Рис. 5. Изменения гистограмм и спектров сердечного ритма на разных этапах космического полета

На рис. 5 представлены образцы гистограмм и спектров, полученных у одного из космонавтов на разных этапах космического полета. За 10 минут до старта отчетливо видно преобладание очень низкочастотных колебаний в спектре, что отражает повышенную активность центрального контура регуляции, как результата предстартового психо – эмоционального напряжения. На активном участке полета по гистограмме можно видеть дальнейший рост симпатоадреналовой активности. Увеличение высоты гистограммы и ее сужение указывают на рост индекса напряжения (стресс индекса). Однако уже на 2-м витке, через З часа после выхода на орбиту картина существенно меняется: гистограмма становится низкой и широкой, что говорит об активации парасимпатического отдела, а в спектре появляется мощная низкочастотная компонента, отражающая активацию вазомоторного центра. Это ответ регуляторных систем на перераспределение крови в верхние отделы тела, это сигнал об активной работе подкоркового сосудодвигательного центра. Наконец, данные, полученные на 4-м месяце пребывания в условиях невесомости показывают одновременную активность парасимпатического (по гистограмме) и симпатического (по спектру) отделов. При этом одновременно активирован и вазомоторный центр, что видно по выраженному низкочастотному компоненту спектра.

О том, что регуляторные механизмы в условиях длительного космического полета постоянно “работают” свидетельствует график динамики ряда показателей вариабельности сердечного ритма, обобщающий данные многолетних исследований на ОС “Мир” (см. рис.6). Эти данные получены при анализе 259 записей в фазе покоя у 32 членов экипажей на разных этапах космических полетов продолжительностью до 8 месяцев (Р.М.Баевский, Г.А.Никулина, И.И.Фунтова, А.Г.Черникова, 2001). Прежде всего, следует отметить, что среднее значение частоты пульса изменяется очень мало (на 3-4 уд/мин). Мы видим, что в первые месяцы полета растет активность и симпатического (Ин) и парасимпатического (pNN50) звеньев регуляции. Показатель pNN50 демонстрирует тенденцию к снижению на 3-м месяце полета с постепенным ростом к 5-му месяцу. Индекс напряжения снижается на 3-4-м месяцах полета и увеличивается к концу полета на 4-6- месяцах.


Рис. 6. Динамика средних значений частоты пульса и показателей вегетативного баланса (Ин и pNN50) в длительных космических полетах на О.С. “Мир”

Вопрос о механизмах перестройки кровообращения в условиях невесомости обсуждается, начиная с первых полетов животных и человека. В настоящее время известно, что в многомесячных полетах основные параметры сердечно-сосудистого гомеостаза сохраняются на уровне, близком к предполетному, а отдельные индивидуальные отличия не выходят за пределы физиологической нормы. Это дает основание предполагать, что сохранение гомеостаза является результатом активной работы регуляторных механизмов. К настоящему времени уже в полной мере осознано важнейшее положение космической кардиологии о том, что “…исследование механизмов регуляции физиологических функций при действии факторов космического полета – это одно из главных направлений современной космической физиологии” (В.В.Парин и соавт., 1967, с. 7). В связи с этим целесообразно более подробно остановиться на теоретических и экспериментальных результатах исследований по этой проблеме.

Способность к уравновешиванию с окружающей средой является важнейшей особенностью живой системы. В условиях космического полета одним из ведущих факторов окружающей среды является невесомость. Главной мишенью ее воздействия на организм принято считать систему кровообращения, которую в космической медицине рассматривают в качестве индикатора адаптационных реакций всего организма [В.В.Парин и соавт., 1967]. Поэтому изучение внутрисистемного сердечно-сосудистого гомеостаза имеет важное значение для понимания общих механизмов реакции организма человека на воздействие факторов космического полета.

Гомеостаз – это динамический баланс между условиями окружающей среды и физиологическими функциями организма, при котором каждая из его физиологических систем одновременно обеспечивает и собственную устойчивость, и приспособление к новым потребностям целостного организма. В космическом полете создаются новые условия, при которых невесомость является фактором, нарушающим этот динамический баланс и вызывающим ряд зависящих от времени и от характера воздействия защитных или адаптационных реакций. Стимулами к развитию гомеостатических реакций в длительном космическом полете являются изменения афферентных сигналов с гравирецепторов (изменения сенсорного входа), перераспределение жидких сред организма, устранение весовой нагрузки на опорно-двигательный аппарат (А.И. Григорьев, А.Д. Егоров, 1998). В результате гомеостатических реакций формируется новая функциональная система. Однако, достигнутый результат может быть недостаточным для обеспечения полной адаптации организма к новым условиям или адаптация может быть достигнута ценой значительного напряжения механизмов регуляции. Это может привести к нарушению гомеостаза, к дизадаптации. Для сохранения физиологической нормы необходимо, чтобы гомеостаз поддерживался при минимальном (оптимальном) или умеренном напряжении регуляторных систем. Поэтому оценка и изучение степени напряжения регуляторных механизмов является эффективным методом исследования устойчивости сердечно-сосудистого гомеостаза в необычных условиях окружающей среды.

Космический полет предъявляет к организму человека требования высокой устойчивости к стрессорным воздействиям и одновременно достаточной пластичности, необходимой для приспособления к новым необычным условиям невесомости. Регулярные физические тренировки с целью поддержания физической работоспособности и сохранения ортостатической устойчивости обусловливают интенсивное расходование функциональных резервов. Длительное пребывание в космическом полете ведет к серьезной перестройке системы вегетативной регуляции физиологических функций, в то время как гомеостатируемые параметры обычно сохраняются на уровне, близком к земному. Мобилизацию функциональных резервов можно рассматривать как один из результатов деятельности регуляторных систем по обеспечению защиты организма от неблагоприятных воздействий или по его приспособлению к новым условиям существования. Процесс адаптации требует расходования информационных, энергетических и метаболических ресурсов организма. Управление ресурсами зависит от предъявляемых к организму требований внешней среды и осуществляется через нервные, эндокринные, гуморальные механизмы, которые условно можно разделить на автономные и центральные. Автономные механизмы используются для обеспечения целесообразных и оптимальных реакций на уровне отдельных органов и систем. При этом центральные механизмы управления выполняют свои задачи, не вмешиваясь в работу автономных. Таким образом, обеспечивается процесс саморегуляции (самоуправления), где функциональные резервы автономных систем управления достаточны для сохранения гомеостаза и осуществления необходимых приспособительных реакций. Подобный тип взаимодействия центрального и автономного контуров управления живой системы является наиболее оптимальным; он существенно повышает устойчивость организма к различным внешним воздействиям.

Сложившийся на каждом этапе полета тип управления функциональными резервами организма (мобилизация, активация, саморегуляция) во многом определяет вероятные реакции космонавта в ответ на нагрузки и имеет важное значение для прогнозирования его способности к выполнению ответственных операций, связанных с большими психо - эмоциональными и физическими напряжениями. В связи с этим первостепенное значение приобретает изучение процессов вегетативной регуляции и особенно механизмов управления функциональными резервами организма в условиях длительного космического полета.

На основании результатов исследований членов космических экипажей на ОС “Салют-6” и “Мир” был накоплен ценный экспериментальный материал, который позволил в дальнейшем развить и углубить концепцию о сердечно-сосудистой системе как индикаторе адаптационных реакций всего организма и разработать математические модели, описывающие процессы вегетативной регуляции в процессе адаптации организма к условиям длительной невесомости.

Как следует из данных, представленных на рис. 6 и обобщающих результаты многолетних исследований, проведенных в длительных космических полетах на орбитальной станции “Мир”, вегетативный баланс в ходе полета существенно изменяется на фоне относительно стабильной частоты пульса. Представленные в таблице 2 данные спектрального анализа, позволяют более детально оценить роль отдельных звеньев регуляторного механизма в процессах адаптации к длительной невесомости. Так, в первые два месяца полета отмечается достоверный рост HF со снижением IC, что указывает на относительное усиление парасимпатического тонуса. Однако, к 6-му месяцу полета отчетливо выявляется смещение вегетативного баланса в сторону роста тонуса симпатической системы (достоверное учащение пульса, увеличение Ин, снижение pNN50, рост LF).

Одновременно обращает на себя внимание достоверный рост низкочастотного (LF) и снижение очень низкочастотного (VLF) компонентов спектра ВСР. Достоверное снижение VLF отмечалось начиная со 2-го месяца полета, и это можно объяснить преобладанием активности автономного контура регуляции над активностью центрального. Такое объяснение подтверждается достоверным снижением показателя IC, начиная со 2-го месяца полета.

Таблица 2

Средние значения спектральных показателей вариабельности сердечного ритма на разных этапах длительного космического полета

*Статистически достоверные различия по сравнению с фоном (p < 0,05).

На 7-м и 8-м месяцах пребывания в условиях невесомости выявляется новая динамика изменений вегетативной регуляции. Резкий рост активности вазомоторного центра (достоверное увеличение LF, %) указывает на возможную адаптационную перенастройку сосудистой регуляции, что может быть обусловлено дальнейшим развитием процессов адаптации к длительному действию невесомости. Выраженный рост очень низкочастотного компонента спектра ВСР (VLF) на 8-м месяце полета свидетельствует в пользу такого предположения.

В последние годы медленноволновым колебаниям сердечного ритма уделяется большое внимание. По мнению Н.Б.Хаспековой (1996), эти колебания отражают активность надсегментарных отделов мозга и, в частности, активируются при психическом и эмоциональном возбуждении. А.Н.Флейшман (1999) считает, что мощность VLF-колебаний ВСР является чувствительным индикатором управления метаболическими процессами и хорошо отражает энергодефицитные состояния. Таким образом, существенный рост VLF-компонента спектра ВСР указывает на новый этап адаптационного процесса, на более активное включение высших вегетативных центров в механизм адаптации к условиям невесомости. Это означает, что длительная невесомость требует мобилизации дополнительных функциональных резервов организма. Если в течение первых 6 месяцев полета сохранение сердечно-сосудистого гомеостаза обеспечивали внутрисистемные механизмы регуляции кровообращения, то при более длительном действии невесомости потребовалось более активное “вмешательство” межсистемного уровня управления (надсегментарных отделов вегетативной регуляции).

На основании результатов многолетних исследований вегетативной регуляции в длительных космических полетах, в наземных экспериментах, клинико-физиологических исследований практически здоровых людей и пациентов с различными заболеваниями нами была разработана математическая модель функциональных состояний. Эта модель на основе предложенной нами методологии развивает и дополняет ранее описанную модель в виде лестницы состояний. Недостатком “лестницы состояний”, построенной по значениям ПАРС, является дискретный и поэтому не очень точный характер оценок. Математическая модель представляет собой систему уравнений дискриминантной функции (Р.М. Баевский, А.Г.Черникова, 2002), в которые входят показатели ВСР. В качестве исходных данных для математической модели были взяты результаты исследования 192-х лиц в возрасте от 35 до 65 лет, среди которых были как практически здоровые люди, так и лица с донозологическими состояниями и лица с компенсированными хроническими заболеваниями (преморбидные и патологические состояния). Уравнения дискриминантной функции в стандартизованной форме для первых двух канонических переменных L1 и L2 имеют следующий вид:

L1 = 0,112*HR + 1,006*SI + 0,047*pNN50 +0,086*HF;

L2 = 0,140*HR + 0,165*SI + 1,293*pNN50 +0,623*HF .

Анализ стандартизованных коэффициентов этих уравнений показывает, что в первом уравнении наибольший вес имеет показатель SI, а во втором уравнении - показатели pNN50 и HF. Поскольку показатель SI (стресс индекс) характеризует суммарную активность симпатического отдела вегетативной нервной системы, то каноническую переменную L1 можно считать индикатором активирующей, мобилизующей функции регуляторных механизмов (функциональный резерв). Вторая каноническая переменная (L2), тесно связанная с показателями активности парасимпатического отдела, характеризует вегетативный баланс (степень напряжения регуляторных систем).

Следует отметить, что представленные выше уравнения отражают лишь весовые значения показателей, входящих в решающее правило для классификации и оценки функциональных состояний. Для вычисления реальных величин канонических переменных использовались не стандартизованные, а абсолютные значения коэффициентов. Полученные при этом величины L1 и L2 рассматривались как координаты фазовой плоскости, образующей пространство функциональных состояний. Здесь по оси абсцисс отображается активность симпатического отдела вегетативной нервной системы, обеспечивающая мобилизацию функциональных резервов (ФР), а по оси ординат - активность парасимптического отдела, характеризующая вегетативный баланс и отражающая степень напряжения регуляторных систем (СН).

На рис. 7 представлена фазовая плоскость с координатами четырех предварительно выделенных с помощью кластерного анализа подгрупп с различными функциональными состояниями (среднегрупповые значения). Эти подгруппы располагаются в разных квадрантах фазовой плоскости, которая рассматривается как пространство функциональных состояний организма. Каждая точка на фазовой плоскости, определяемая координатами значений L1 и L2, отражает конкретное функциональное состояние индивидуума или группы (индекс функционального состояния (ИФС). Каждый квадрант фазовой плоскости соответствует определенному классу функциональных состояний. Линия, соединяющая среднегрупповые значения ИФС четырех подгрупп, может быть названа траекторией функциональных изменений при переходе от одного функционального состояния к другому.

Используя описанную математическую модель функциональных состояний, мы проанализировали результаты исследований у 6 испытателей-добровольцев в эксперименте со 120-суточной антиортостатической гипокинезией - АНОГ (угол наклона – 6 градусов), а также у 4 испытателей – добровольцев в эксперименте с длительной 8-месячной изоляцией в камере, имитирующей кабину космического корабля. Были проанализированы также данные, полученные в реальных космических полетах, на разных этапах адаптации к условиям невесомости (32 космонавта) и в предполетный период (20 космонавтов). При этом были использованы данные более 600 исследований. Рассмотрим более подробно результаты проведенных исследований. Траектории функциональных изменений в каждой серии исследований имеют свои особенности. Общим здесь является то, что все траектории располагаются в нижнем правом квадранте фазовой плоскости – в зоне физиологической нормы. Общей является также направленность всех траекторий снизу вверх, т.е. наличие тенденции движения из зоны физиологической нормы по направлению к зоне донозологических состояний. Основное различие между исследуемыми группами заключается в протяженности траекторий, т.е. в степени изменения функционального состояния под воздействием комплекса стрессорных факторов.

Рис. 7. Изменения функционального состояния организма в лабораторных экспериментах и в длительных космических полетах по данным математической модели (Р.М. Баевский, А.Г. Черникова, 2002).
К- космонавты; И – эксперимент с 8-месячной изоляцией; АНОГ – эксперимент со 120-суточной антиортостатической гипокинезией

Наиболее существенным было изменение функционального состояния у группы испытателей в эксперименте с длительной гипокинезией. Здесь отмечается постепенный рост степени напряжения регуляторных систем по мере пребывания в условиях постельного режима. В конце эксперимента состояние испытателей вплотную приближается к зоне донозологических состояний. Таким образом длительное ограничение двигательной активности является более стрессорным фактором, чем длительная (до 8 месяцев) изоляция и чем комплексное действие факторов длительного космического полета. Важно отметить, что у космонавтов адаптационные возможности организма во время длительного космического полета сохраняются на уровне, близком к земному, что свидетельствует о высокой эффективности проводимых в полете профилактических и оздоровительных мероприятий.

Итак, используя анализ ВСР, мы можем не только оценивать функциональное состояние организма, но и следить за его динамикой, вплоть до патологических состояний с резким снижением ВСР и высокой вероятностью срыва адаптации. Показатели ВСР в рамках предложенной модели отражают жизненно важные показатели системы управления физиологическими функциями организма – степень напряжения регуляторных систем и функциональные резервы механизма управления. Для того, чтобы оценить насколько устойчивыми являются данные, получаемые с помощью математической модели, мы проанализировали данные космонавтов, совершивших по 2-3 полета в космос. На рис. 8 приведены усредненные за каждый полет данные для отдельных космонавтов. Значения для разных полетов космонавтов, летавших более чем в одной экспедиции, обозначены одинаковыми символами. Обращает на себя внимание тот факт, что функциональное состояние отдельных космонавтов, совершавших повторные полеты с интервалом в несколько лет, оцениваются достаточно близкими координатами. Это дает основание говорить не только о выраженности индивидуальных особенностей вегетативной регуляции в полете, но и об их устойчивости.

Рис. 8. Функциональные резервы (ФР) и их степень напряжения (СН) в различных группах по материалам массовых обследований (контроль) и у космонавтов (A, B, … K, L ), совершавших более 1 полета на орбитальной станции “Мир” и на МКС.

Данные, полученные во время длительных космических полетов на ОС “Мир”, а также в наземных экспериментах по моделированию факторов полета, показали что по степени напряжения (СН) регуляторных механизмов космонавтов можно разделить на три группы ; а) с низкими значениями СН , которые характеризуют вегетативный баланс как преобладание парасимпатического звена регуляции; б) со средними значениями СН, которые указывают на относительное вегетативное равновесие;
в) с высокими значениями СН, которые можно оценить как преобладание активности симпатического отдела вегетативной нервной системы.

Наличие различных типов (классов) вегетативной регуляции было подтверждено исследованиями А.Г.Черниковой (2005). Ею был проведен кластерный анализ полетных данных у 45 космонавтов, совершивших длительные полеты на ОС “Мир”. Были выделены четыре типа (класса) вегетативной регуляции во время космического полета Эти классы различаются не только по вегетативному балансу и по уровню сердечно-сосудистого гомеостаза, но и по времени адаптации организма к условиям невесомости, по механизму адаптации, по устойчивости адаптационных реакций.

Для 1-го, ваготонического, типа регуляции характерна более быстрая, но менее устойчивая адаптация. Второй и третий типы могут быть названы нормотоническими. Они наиболее часто встречаются и характеризуются оптимальностью адаптационных реакций, при том, что третий тип отличается от второго более высокой устойчивостью. Четвертый - симпатотонический тип характеризуется более медленной приспособляемостью к новым условиям, активной мобилизацией функциональных резервов и невысокой лабильностью.

Следует отметить, что присущий каждому космонавту тип регуляции в условиях невесомости сохраняется и в последующих полетах. Результаты этих исследований имеют не только теоретическое, но и важное практическое значение. Во-первых, знание индивидуального типа вегетативной регуляции позволяет прогнозировать характер адаптационных реакций космонавта в полете. Во-вторых, оценка состояния вегетативной регуляции дает важную информацию для системы медицинского контроля, поскольку нарушения сложившегося в полете вегетативного баланса, которые проявляются прежде всего в изменениях показателей ВСР, значительно опережают по времени метаболические и структурные нарушения в исполнительных органах. При уже имеющемся ухудшении регуляции организм в состоянии ещё в течение некоторого времени поддерживать высокую работоспособность (на фоне нарастающего напряжения регуляторных систем), но затем может наступить срыв адаптации в виде различных нарушений, в том числе со стороны сердечно-сосудистой системы. В третьих, рост напряжения регуляторных систем в ходе полета (за пределы характерных для данного типа регуляции диапазона значений) требует серьезного внимания со стороны службы медицинского контроля как фактор риска развития патологических изменений

При обследовании космонавтов индивидуально-типологические характеристики определяются уже на стадии отбора и подготовки при использовании функциональных нагрузочных проб для изучения физиологических реакций организма и устойчивости показателей жизнедеятельности. Как показали наши исследования, тип вегетативной регуляции сохраняется в течение долгого времени даже в сложных стрессорных условиях космического полета. Это дает основание для разработки индивидуальных оценочных критериев в зависимости от типа регуляции еще на этапе подготовки космонавтов и предполетных исследований.