Нейрофизиологический анализ ритмичного диафрагмального дыхания при засыпании после использования этого дыхания в домашних условиях

Рис. 1. Визуализация средних значений ЧДД между этапами (приведены ошибки средних; стрелкой указано статистически значимое изменение показателя от этапа к этапу)

Рис. 2. Визуализация средних значений силы нажатий между этапами (обозначения, как на рис. 1)

Рис. 3. Визуализация средних значений показателей ЭКГ между этапами: А – ЧСС, Б – ВСР (обозначения, как на рис. 1)

Рис. 4. Визуализация средних значений показателей ЭЭГ между этапами: А – логарифм мощности тета-ритма (log2 (мкВ2)), Б – логарифм мощности альфа-ритма (log2 (мкВ2)) (обозначения, как на рис. 1)

Введение

Осознанное управление дыханием в последнее время вызвало большой всплеск общественного интереса, и это не случайно: дыхательные техники обладают терапевтическим потенциалом для улучшения психического здоровья [1]. В обновленных рекомендациях Американской академии медицины сна дыхательные упражнения рассматриваются как эффективный способ лечения хронической бессонницы у взрослых [2]. Эти техники имеют сложные исторические корни в различных традициях (йога, тибетский буддизм) и все шире применяются в научной и медицинской среде, в том числе как когерентное (резонансное) диафрагмальное дыхание (ДД). Дыхательные практики становятся все более популярными на Западе не только из-за предполагаемого положительного влияния на здоровье и самочувствие, но и в связи с последствиями COVID-19, затронувшими дыхательную систему. Однако клинические исследования и психиатрические сообщества изучили их лишь частично.

Нарушения сна отмечаются у большинства людей с расстройствами вегетативной нервной системы (ВНС), что обусловлено высоким уровнем симпатической активности в дневное время, при засыпании и во время ночного сна. Практика медленного ДД активирует парасимпатическую ветвь ВНС и тормозит симпатическую, что облегчает засыпание [1].

Медленное дыхание (также называемое глубоким, или когерентным) – это практика снижения стресса, тревожности и улучшения сна, при которой человек добровольно замедляет частоту дыхания до значений, близких к шести циклам в минуту. Эта частота соответствует резонансной частоте сердечно-сосудис­той системы, влияя на частоту сердечных сокращений (ЧСС) и артериальное давление [3]. Как известно, ЧСС и дыхание синхронизируются (резонируют) при шести вдохах в минуту (0,1 Гц) [4]. Считается, что дыхание на резонансной частоте максимизирует амплитуду колебаний сердечного ритма и вариабельности сердечного ритма (ВСР) [5]. Соответственно, медленная частота дыхания, близкая к резонансной, обеспечивает наибольшую ВСР и усиление барорефлекса [6]. Более высокие значения ВСР, обусловленные дыхательной синусовой аритмией, позволяют поддерживать устойчивую реакцию на изменения дыхания и, следовательно, формировать более адаптивную систему реагирования на стресс.

Современное состояние психического здоровья в мире в сочетании с трудностями доступа к психологической терапии требует легкодоступных и масштабируемых методов. Дыхательным упражнениям можно легко обучить как инструкторов, так и практикующих специалистов, а также проводить занятия в группах, в том числе удаленно (онлайн), с использованием синхронных и асинхронных форматов. Если задать человеку внешними стимулами ритм ДД (такое дыхание иногда называют ритмичным, англ. paced breathing), то парасимпатическая активация будет максимальной, что положительно отразится на состоянии здоровья [3].

ДД активно используется для контроля стресса, тревожности и панических состояний [1, 7, 8]. В последнее время появилось много разработок с использованием онлайн-программ, позволяющих в домашних условиях применять ДД. Следует подчеркнуть, что в большинстве указанных работ для оценки эффективности дыхательных упражнений использовались психологическое анкетирование и анализ ВСР, реже – анализ полисомнограммы (ПСГ). В исследованиях с регистрацией электроэнцефалограммы (ЭЭГ) при ДД часто наблюдается увеличение альфа-ритма [9, 10].

В последнее время дыхательную гимнастику с использованием ДД начали активно применять для изучения процесса засыпания и сна [11–13]. Пандемия COVID-19 стимулировала появление онлайн-программ с применением ДД для улучшения сна, в том числе в формате длительных тренировок. В большинстве публикаций используются простые методы ДД с анализом психологических тестов, дневников сна и показателей сердечной деятельности [14, 15].

Цель данной работы – лабораторный анализ дыхательных тренировок с глубоким ДД под звуковой сигнал с частотой 6 раз/мин, с регистрацией нажатий на кнопку, ЭЭГ и электрокардиограммой (ЭКГ) в серии с ДД после предварительного домашнего обучения с использованием смартфона и аналогичной звуковой стимуляции [12, 16].

Материал и методы

Оборудование

Запись ПСГ проводили с помощью усилителя «Нейровизор БММ-36» в комплекте с электродным шлемом MCScap Sleep и программным обеспечением NeoRec 1.4. ПСГ состояла из 20 каналов ЭЭГ, подключенных по монополярной схеме 10–20 с двумя референтными электродами на мастоидных костях, два канала электроокулограммы, один канал ЭКГ, один канал электромиограммы, один канал дыхательного показателя (абдоминального) и канал нажатия на кнопку (с регистрацией силы нажатия). Частота дискретизации составляла 500 Гц. На отдельном смартфоне была установлена программа для подачи звуковых стимулов с заданной частотой (6 раз/мин): щелчок (длительность 0,01 с) и последующий шум морской волны (длительность 4,5 с). Стимуляцию предъявляли испытуемому, одновременно записывая эти данные на компьютер параллельно с ПСГ. Испытуемые в ответ на щелчок нажимали на кнопку и затем делали вдох и выдох. В результате формировался навык дыхания с частотой 6 раз/мин.

Для домашних исследований с ДД испытуемые получали смартфон со специальной программой, повторяющей условия лабораторного эксперимента (щелчок и звук морской волны), а также бесконтактные устройства. Домашние эксперименты в данной работе не анализировались.

Испытуемые

В исследовании участвовало 17 испытуемых (9 женщин) в возрасте 18–22 лет (20 ± 1,04 года) – студентов медицинского факультета Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы без жалоб на сон и психических расстройств. В представляемой работе анализировали данные 14 субъектов: двух исключили из-за быстрого засыпания (период ДД был недостаточно длительным для анализа), одного – из-за отсутствия сна. Перед началом эксперимента каждый испытуемый подписывал форму информированного согласия и заполнял анкету. Кроме того, испытуемых инструктировали о необходимости сократить продолжительность ночного сна на два часа по сравнению с привычной. Длительность ночного сна определяли по актиграфу Condor ActTrust 2 (Бразилия).

Процедура измерений

С каждым испытуемым проводили три лабораторных эксперимента и домашнее обучение со смартфоном: два эксперимента (произвольное дыхание в нормальном ритме и ДД под звук 6 раз/мин) до домашнего обучения с ДД, а после домашнего обучения – третий лабораторный эксперимент с ДД под звук 6 раз/мин. Лабораторные эксперименты с регистрацией ДД проводили по следующей схеме: 1) короткое произвольное дыхание – пять минут; 2) длительная регистрация ДД на ритмический стимул до исчезновения ДД и прекращения нажатий на кнопку (что означало засыпание и сон) – 30 минут. Между двумя сериями с ДД проводилось аналогичное обучение в домашних условиях со смартфоном перед ночным засыпанием (эти данные не анализировали), однако сам лабораторный эксперимент с ДД после домашнего обучения использовался в анализе, поскольку это улучшало качество выполнения ДД.

Испытуемый располагался на кушетке в вентилируемой камере при стабильной температуре воздуха, свет в камере выключали, весь опыт проходил при закрытых глазах испытуемого. Для одного испытуемого время всех лабораторных и домашних экспериментов составляло около месяца.

Обработка результатов измерений

Для обработки полученных ПСГ были написаны пользовательские программы на языке Python 3.9 с использованием библиотек MNE и NeuroKit2. Статистические расчеты осуществлялись с помощью пакета R 4.3.2 [17]. Для анализа выделяли три этапа по четырехминутным отрезкам записи: 1) произвольное дыхание (фон, в самом начале опыта); 2) бодрствование (выполнение дыхательной задачи 6 раз/мин) – от команды начинать ДД; 3) засыпание – от первого пропуска нажатия на кнопку.

Поведенческие данные

Нажатия на кнопку размечали в полуавтоматическом режиме с помощью библиотеки NeuroKit2 v. 0.2.10: сначала в механограмме кнопок определяли пики с помощью функции signal_findpeaks [18], затем полученная разметка проверялась и корректировалась двумя экспертами. На основании данных о нажатиях выделяли сегменты с отсутствием активности (засыпание) – критерием сна служило отсутствие нажатий в течение более десяти секунд.

Данные дыхания, кнопки и ЭКГ

Определяли амплитуду дыхания по величине пиков (вдох) и впадин (выдох), а также частоту дыхательных движений (ЧДД) на этапах 1–3. Силу нажатий кнопки измеряли в условных единицах. Для анализа сердечных показателей R-пики выделяли с помощью функции ecg_peaks библиотеки NeuroKit2 (алгоритм по умолчанию). На основании R-пиков и экстремумов дыхания вычисляли ЧСС и ВСР. Последнюю оценивали по алгоритму P2T (разница между самым длинным RR-интервалом на выдохе и самым коротким на вдохе) с помощью функции hrv_rsa. При сравнении трех этапов (1–3) использовали критерий Фридмана (непараметрический аналог ANOVA для ненормально распределенных данных).

Данные ЭЭГ

На этапе предобработки из ЭЭГ удаляли артефакты ЭКГ и морганий, а также отмечали временные интервалы, непригодные для спектрального анализа. Спектры ЭЭГ в диапазоне 1–30 Гц вычисляли методом Уэлша без перекрытий; размер сегмента составлял 500 точек (1 с). Сравнение показателей поведения, дыхания, кнопки, ЭКГ и ЭЭГ проводили с помощью однофакторного дисперсионного анализа с повторными измерениями (критерий Фридмана), а парные сравнения – с помощью критерия Уилкоксона. Использовали пакет SPSS 13.0.

Результаты

При анализе ЧДД критерий Фридмана показал статистически значимые различия между тремя этапами (χ² = 12,44; df = 2; p = 0,002). Это обусловлено достоверным уменьшением ЧДД при переходе от произвольного дыхания к ритмичному (Z = 3,30; p = 0,001), но не при переходе от ритмичного ДД к засыпанию. Визуализация представлена на рис. 1.

Анализ амплитуды дыхания на трех этапах продемонстрировал достоверное ее увеличение во время ДД (этап 2) по сравнению с этапами 1 и 3. Согласно критерию Фридмана, выявлена статистическая значимость изменений величины пика дыхания (вдох) в целом по этапам (χ² = 7,704; df = 2; p = 0,021). При этом пик значимо возрос от этапа 1 (произвольное дыхание; M = 1,61, где M – среднее по выборке из 14 испытуемых) к этапу 2 (выполнение ДД без пропусков нажатий при каждом вдохе; M = 2,23; Z = 2,48; p = 0,013) и значимо снизился от этапа 2 (M = 2,23) к этапу 3 (ДД с пропусками, то есть периодами микросна; M = 1,45; Z = 2,75; p = 0,006). Аналогично по критерию Фридмана показана статистическая значимость изменений величины впадины дыхания (выдох) в целом на этапах 1–3 (χ² = 7,704; df = 2; p = 0,021). Впадина значимо возросла от этапа 1 (произвольное дыхание; M = 1,63) к этапу 2 (начало выполнения ДД, без пропусков нажатий при каждом вдохе; M = 2,21; Z = 2,17; p = 0,03) и статистически значимо уменьшилась от этапа 2 (M = 2,04) к этапу 3 (ДД с пропусками, то есть периодами микросна; M = 1,43; Z = 2,75; p = 0,006).

Анализ силы нажатий на кнопку не выявил статистически значимых различий между этапами (χ² = 5,06; df = 2; p = 0,08). Однако наблюдалась тенденция к увеличению силы нажатий при переходе от произвольного к ритмичному дыханию (Z = 1,85; p = 0,064) и снижению силы нажатий при засыпании (Z = 2,13; p = 0,033). Визуализация представлена на рис. 2.

В отношении ЧСС анализ показал статистически значимое различие между этапами (χ² = 10,82; df = 2; p = 0,004). Этот результат определяется уменьшением ЧСС при засыпании (Z = 2,82; p = 0,005).

Что касается ВСР, критерий Фридмана выявил статистически значимые различия на этапах 1–3 (χ² = 5,78; df = 2; p = 0,056). При этом попарные сравнения показали увеличение ВСР при переходе к ритмичному дыханию (Z = 2,48; p = 0,013) и уменьшение ВСР при засыпании (Z = 2,28; p = 0,023). Визуализация представлена на рис. 3.

Для тета-ритма критерий Фридмана показал статистически значимое различие (χ² = 19,0; df = 2; p = 0,00007). Это определяется увеличением логарифма мощности тета-ритма ЭЭГ при засыпании (Z = 3,23; p = 0,0013). Для альфа-ритма различия также статистически значимы (χ² = 21,0; df = 2; p = 0,00003), что обусловлено достоверным снижением мощности альфа-ритма при засыпании (Z = 3,11; p = 0,002). Визуализация представлена на рис. 4.

Обсуждение

В работе протестированы 14 испытуемых с анализом ДД для быстрого засыпания как в дневное время (лабораторные исследования), так и при домашнем обучении перед ночным сном (домашнее обучение не анализировалось). Результаты связаны с определенными трудностями в обучении ДД, которые, однако, преодолевались в ходе домашних тренировок. Обучение ДД не требует полной автоматизации за одно занятие: первые два-три дня испытуемые использовали ДД на сознательном уровне, а переход к автоматизму происходил после одной-двух недель тренировок. Известно, что ДД – это не просто «подышать животом», а психофизиологическая перестройка, связанная с тремя барьерами: двигательным стереотипом (грудной тип дыхания), вегетативной реакцией (тревога при замедлении) и биомеханикой (слабая диафрагма).

Увеличение амплитуды и снижение частоты дыхания – нормальное явление при ДД; полученные нами результаты подтверждают существующие представления о ДД.

Анализ ЭКГ показал снижение ЧСС на всех трех этапах со статистически значимым различием при переходе от ДД к засыпанию. ВСР достоверно различалась между произвольным дыханием (этап 1) и засыпанием (этап 3).

Сравнительный анализ ЭЭГ для альфа- и тета-ритмов после домашнего обучения продемонстрировал, что при отсутствии нажатий на кнопку появляется тета-ритм. При наличии нажатий альфа-ритм был несколько выше, но при снижении силы нажатий амплитуда альфа-ритма уменьшалась. При исчезновении нажатий, что соответствует засыпанию, средняя мощность альфа-ритма достоверно снижается, а средняя мощность тета-ритма достоверно воз­растает, что наглядно демонстрируют представленные результаты. Это указывает на наступление сна (стадии I–II) при прекращении нажатий, поскольку появляется тета-ритм [12]. Сходные результаты описаны в работе A.E. Khuurak и соавт. [13], однако в доступной литературе нам не встретилось исследований, в которых диафрагмальное дыхание столь быстро приводило бы к развитию стадии II сна с исчезновением альфа-ритма и появлением тета-ритма.

Сравнение двух вариантов дыхания – только ритмичное ДД и ритмичное ДД в сочетании с мышечным расслаблением – показывает, что добавление мышечного расслабления усиливает физиологические эффекты [19, 20]. Учитывая это, мы планируем проведение экспериментов с добавлением к ДД мышечного расслабления и коротких рассказов для усиления данного подхода и повышения эффективности засыпания.