Оценка восстановления функциональных резервов сердечно-сосудистой системы в ночной период у добровольцев в эксперименте, имитирующем факторы космического полета, методом вариабельности сердечного ритма

Признаки эффективного восстановления функциональных резервов во время сна

Рис. 1. Разностные значения показателей симпатической активности между последним и первым часами сна у двух испытателей,

Рис. 2. Разностные значения показателей парасимпатической активности между последним и первым часами сна у двух испытателей,

Введение

Изучение воздействия длительного пребывания в условиях невесомости на функцию сна всегда считалось одной из приоритетных задач пилотируемой космонавтики. Чередование циклов сна и бодрствования – необходимое условие полноценной жизнедеятельности организма. Общий смысл сна можно определить как физиологическое восстановление функций в условиях интровертированного сознания, когда происходит временное отключение от внешней информации, а сознательный фильтр не мешает анализировать информацию, она упорядочивается, откладывается в долговременную память [1].

Предложено несколько теорий, объясняющих функцию и значение сна. Их можно отнести к трем основным типам: информационным, компенсаторно-восстановительным и психодинамическим. Согласно компенсаторно-восстановительной теории, за время сна происходит восстановление энергии, затраченной в период бодрствования. В 1990-х гг. Бергер и Филипс выдвинули гипотезу, что основной функцией сна является сохранение энергии. Это осложняется наличием быстрого сна, который характеризуется повышенной мозговой активностью и метаболизмом.

Идеи восстановительной теории сна подтверждаются исследованиями депривации сна на животных моделях. Как показывают результаты таких исследований, биологическое функционирование ухудшается, если животное лишено сна [2]. Пациенты во время восстановления после черепно-мозговой травмы и электросудорожной терапии обычно тратят больше времени в фазе быстрого сна [3]. Кроме того, общее количество сна увеличивается на фоне болезни [4, 5]. Неоднозначные результаты были получены в исследованиях влияния физических упражнений на сон или оценки восстановительной роли сна после физического утомления [6]. Аргументом в пользу данной теории служит также наблюдение, что гормоны, выделяемые во время сна, например гормон роста, имеют преобладающую анаболическую функцию. Большинство импульсов гормона роста возникает в стадии медленного сна, при этом его уровень заметно снижается во время депривации сна.

L. Xie и соавт. продемонстрировали изменение интерстициального объема в цикле «сон – бодрствование» и увеличение клиренса бета-амилоида и сделали вывод, что восстановительная функция сна может быть следствием усиленного удаления потенциально нейротоксичных отходов, накапливаемых в организме за период бодрствования [7].

Согласно данным недавних исследований, во время сна происходит репарация ДНК, поврежденной в период бодрствования [8]. Другие исследователи подчеркивают, что сон способствует восстановлению и стабилизации синапсов [9].

Таким образом, восстановительная теория предполагает, что быстрый сон играет жизненно важную роль в сохранении и консолидации памяти, удалении тривиальной или нежелательной информации и сохранении важных данных. Эта теория также предусматривает, что сон способствует пополнению запасов нейротрансмиттеров. Этот факт связывают с тем, что активность большинства нейронов коры головного мозга снижается [10].

Одной из наиболее популярных моделей, воспроизводящей эффекты микрогравитации на организм человека, является модель антиортостатической гипокинезии (АНОГ) [11, 12]. АНОГ вызывает перераспределение жидкости из нижней части тела в верхнюю, что приводит к временному уменьшению объема плазмы на 10–15% [13, 14]. Как и в условиях невесомости, после постельного режима наблюдаются признаки сердечной недостаточности, характеризующиеся ортостатическими расстройствами и снижением работоспособности. После постельного режима разной продолжительности наблюдаются прогрессивные и последовательные изменения как в размере, так и в функционировании мышц. Непрерывный постельный режим является формой сенсорной депривации (отсутствие регулярного чередования периодов отдыха и активности, а также снижение возможности смены позы). Даже когда мозг обеспечен другими стабильными сигналами, такими как регулярное время приема пищи, строгая циклограмма проведения исследований, адекватная смена дня и ночи (освещения), стабильность циркадных ритмов у здоровых испытуемых ухудшается. Биологические ритмы начинают терять синхронизацию уже после десяти дней постельного режима. Как космонавты и астронавты, испытуемые жалуются на нарушение сна [13].

Цель исследования – оценить степень восстановления функциональных резервов во время сна у испытателей в условиях АНОГ.

Материал и методы

В Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ – ИМБП РАН) на базе установки «Медико-технический комплекс для отработки инновационных технологий космической биомедицины в интересах обеспечения орбитальных и межпланетных полетов, а также развития практического здравоохранения» были проведены исследования с участием здоровых мужчин-добровольцев, которые в течение трех недель находились в условиях АНОГ (угол наклона в краниальном направлении -6°). Добровольцы были допущены врачебно-экспертной комиссией к проведению испытаний. Программа исследований одобрена комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ – ИМБП РАН (протоколы № 599 от 6 октября 2021 г.). Все участники после разъяснения потенциальных рисков и преимуществ, а также характера предстоящих обследований подписали добровольное информированное согласие в соответствии с положениями Хельсинкской декларации прав человека 1964 г. и ее последующими обновлениями.

Исследования ночного сна проводились за двое суток до воздействия, на вторые, седьмые, 13-е, 20-е сутки во время АНОГ и на вторые сутки после его окончания. Анализ данных проведен у двух испытуемых для оценки индивидуальных характеристик и особенностей восстановления функциональных резервов во время сна до, во время и после АНОГ.

В каждом сеансе перед засыпанием в области верхушечного толчка сердца устанавливался датчик, инициировалась запись микроколебаний грудной клетки (сейсмокардиограмма), которая сохранялась для последующей обработки. Запись подвергалась анализу программными средствами для распознавания временных интервалов между последовательными ударами сердца, что позволяло анализировать параметры вариабельности сердечного ритма (ВСР). На базе отдела патологии вегетативной нервной системы под руководством А.М. Вейна были проведены исследования, подтвердившие связь между параметрами ВСР и данными полисомнографии [15].

Для анализа параметров ВСР были выбраны следующие временные и спектральные показатели, отражающие активность парасимпатического и симпатического звеньев регуляции:

• SDNN – среднеквадратичное отклонение RR-интервалов, которое дает среднюю дивергенцию вокруг среднего значения;
• RМSSD – квадратный корень из суммы разностей последовательного ряда кардиоинтервалов;
• pNN50 – число пар соседних кардиоинтервалов с разницей более 50 мс. в % к общему числу кардиоинтервалов;
• HF, мс² мощность высокочастотных колебаний (high frequency) с частотой 0,15–0,4 Гц и периодом от 2,5 до 7 с (относительный уровень активности парасимпатического звена регуляции);
• LF, мс² – мощность низкочастотных колебаний сердечного ритма (low frequency) с частотой в диапазоне 0,04–0,15 Гц и с периодом от 7 до 25 с (относительный уровень активности подкоркового симпатического сосудистого (вазомоторного) центра);
• SI, усл. ед. – стресс-индекс, который определяется отношением высоты гистограммы к ее ширине и характеризует степень напряжения регуляторных систем организма (степень преобладания активности центральных механизмов регуляции над автономными).

Результаты

Для оценки функционального состояния организма во время сна по данным бесконтактной регистрации физиологических сигналов могут быть использованы средненочные значения показателей ВРС, а для оценки степени восстановления функциональных резервов – разностные значения показателей в первый и последний часы сна [15]. Об эффективном восстановлении функциональных резервов человека во время сна (таблица) свидетельствуют снижение к концу ночи показателей, таких как частота сердечных сокращений (ЧСС), стресс-индекс и процентное соотношение низко- и сверхнизкочастотных составляющих спектра, и одновременно рост парасимпатической активности, выражающийся в увеличении высокочастотной составляющей спектра ВСР, среднеквадратичного отклонения, общей мощности спектра и процентного содержания соседних пар интервалов, различающихся более чем на 50 мс (показатель pNN50).

Поскольку оценка качества сна подразумевает экспертный подход, результаты исследования по эксперименту рассмотрены для каждого конкретного испытуемого.

Изменение частоты сердечных сокращений для первого испытуемого за весь период исследования носило адекватный характер: показатели первого часа сна превысили показатели последнего часа сна. Наименьшее восстановление по данному показателю наблюдалось за двое суток до начала воздействия (рис. 1). У второго испытуемого последний час сна не всегда характеризовался снижением ЧСС по сравнению с началом ночи. Адекватное снижение ЧСС отмечалось в фоне (до начала АНОГ) и на вторые, седьмые и 20-е сутки воздействия, а неблагоприятное увеличение – на 13-е сутки эксперимента, а также в ночь после выхода из АНОГ. То есть в отличие от предыдущего субъекта наблюдалось наименьшее восстановление по данному показателю именно на вторые сутки после окончания воздействия (рис. 1).

Показатель pNN50 отражает активность парасимпатического звена регуляции. Динамика изменения данного показателя у первого испытуемого всегда носила адекватный характер: увеличение в утреннее время по сравнению с вечерними показателями; значения соответствовали физиологической норме для данной возрастной группы. До воздействия разница между первым и последним часами сна составила приблизительно 3%, во вторую ночь эксперимента увеличилась почти в четыре раза, но в последующие ночи была близкой к значению фона: 3, 7, 2,5% соответственно. При анализе восстановления функциональных резервов за время ночного сна установлено, что наибольший процент увеличения этого показателя наблюдался на вторые сутки после окончания воздействия, наименьший – на седьмые. Показатель рNN50, характеризующий парасимпатическую активность, у второго испытуемого в большинстве ночей демонстрировал адекватную динамику изменений в ночной период. Только на 13-е сутки в условиях АНОГ и на вторые сутки после выхода он снизился к концу ночи, в остальное время увеличивался, правда иногда незначительно (рис. 2).

Показатель RMSSD также соответствовал активности парасимпатического звена регуляции. От начала к концу ночи он увеличивался на протяжении всего эксперимента у первого испытуемого. Значения соответствовали норме. У первого испытуемого наименьшее восстановление по данному показателю наблюдалось в фоне (до воздействия) и в ночь перед выходом из АНОГ (20-е сутки воздействия): средние значения RMSSD первого часа сна – 28 и 35 мс, средние значения последнего часа – 32 и 40 мс соответственно. Средние значения первого часа сна на вторые, седьмые и 13-е сутки воздействия составили 40, 30, и 28 мс, средние значения последнего часа – 51, 33, и 38 мс. Наибольшее восстановление по данному показателю зафиксировано на вторые сутки после воздействия. Динамика изменения показателя RMSSD у второго испытуемого за весь период исследования имела адекватный характер: показатели последнего часа сна превысили показатели первого часа сна, за исключением ночи после окончания воздействия (рис. 2).

Как видно из представленных на рис. 2 данных, у первого субъекта на вторые, 13-е и 20-е сутки воздействия, а также на вторые сутки после выхода утреннее значение HF было выше вечернего (соответствовало активности парасимпатического звена регуляции). Это указывает на адекватную динамику данного показателя и достаточное восстановление функциональных резервов. Однако в фоне и на седьмые сутки воздействия средние значения HF первого часа сна превысили значения последнего часа, что может свидетельствовать о недостаточном восстановлении функциональных резервов в исследуемые периоды по показателю HF. Наибольший процент прироста также отмечался в ночь после выхода из эксперимента – более 30%. У второго испытуемого наиболее качественное восстановление функциональных резервов наблюдалось в фоновом периоде обследования и на 20-е сутки воздействия, в то время как эффективность сна на вторые, седьмые и 13-е сутки АНОГ по показателю HF была значительно снижена. Вторые сутки после окончания воздействия характеризовались самым плохим качеством сна.

Показатель SI отражает состояние симпатического звена регуляции и напряжение регуляторных систем. На протяжении всего периода исследования изменение SI у первого испытуемого носило адекватный характер: средние значения первого часа сна превышали значения последнего. До воздействия разница между первым и последним часом сна составляла 100 усл. ед. и затем линейно снижалась на протяжении всего эксперимента, а в ночь перед выходом из эксперимента составила всего 20 усл. ед. На протяжении всего периода исследования изменение SI у второго испытуемого также носило адекватный характер, что указывает на протекающие в ночное время процессы восстановления. В ночь до начала воздействия разность между первым и последним часом сна по данному показателю составила -32 усл. ед., во вторую ночь АНОГ увеличилась почти в четыре раза по сравнению с фоновым исследованием, на седьмые, 13-е, 20-е и вторые сутки после воздействия составила -57,-40,-56 и -56 усл. ед. соответственно. По данному показателю наихудшей тоже можно считать первую ночь обследования в АНОГ. Это, безусловно, объясняется острым периодом адаптации и стрессом после начала экспериментального воздействия. Впоследствии организм привыкает к нему, стресс-индекс закономерно снижается (рис. 1).

Увеличение активности симпатического звена вегетативной регуляции во время эксперимента у первого и второго испытуемого проиллюстрировано на рис. 2. Показатель низкочастотной составляющей спектра ВСР (LF) характеризует состояние симпатического отдела вегетативной нервной системы, в частности системы регуляции сосудистого тонуса. От начала к концу ночи он должен снижаться. Однако в исследовании средние значения последнего часа сна превысили значения первого часа сна на седьмые и 13-е сутки АНОГ, что может указывать на недостаточное восстановление функциональных резервов и, возможно, развитие процессов утомления и стресса. До воздействия разница между первым и последним часом составляла 4%, во вторую ночь эксперимента – 10%. Наибольшее восстановление по данному показателю наблюдалось в ночь после выхода на вторые сутки после АНОГ. Средние значения показателя LF последнего часа сна превышали значения первого часа сна на протяжении всего эксперимента, за исключением 20-х суток воздействия, что может свидетельствовать о недостаточном восстановлении функциональных резервов в ночной период у второго испытуемого. До воздействия разница между первым и последним часом сна составляла 0,5%. Во вторую ночь АНОГ увеличилась почти в шесть раз по сравнению с фоновым исследованием и затем оставалась высокой на протяжении всего эксперимента. В ночь после выхода из эксперимента и окончания АНОГ разница составляла 20%, что также говорит о неполноценном восстановлении и сохранении на высоком уровне напряжения регуляторных механизмов даже после окончания воздействия (рис. 1).

В ночь до начала воздействия время двигательной активности у первого испытуемого составило всего 1,5% от всего периода ночной записи. На вторые сутки гипокинезии наблюдалось увеличение времени двигательной активности до 2,5%, которое затем оставалось высоким на протяжении всего периода воздействия, что также может свидетельствовать о снижении качества сна и эффективности процессов восстановления во время АНОГ. У второго субъекта значения находились в пределах нормы и не превышали 5% на протяжении всего исследования. В ночь до воздействия время двигательной активности составило 2,5% от общего периода ночного сна. Увеличение двигательной активности по сравнению с фоном наблюдалось на вторые и седьмые сутки АНОГ и на вторые сутки после окончания воздействия – 3, 3,6 и 3,5% соответственно.

Обсуждение

Качество сна и эффективность процессов восстановления первого испытуемого характеризовались всегда адекватным увеличением показателей ВСР, таких как RMSSD, pNN50, умеренной двигательной активностью и снижением стресс-индекса к концу ночи за весь период исследования.

Ночь до начала воздействия характеризовалась незначительным снижением ЧСС к концу ночи, а также низкими значениями показателей, характеризующих активность парасимпатического звена регуляции – RMSSD, pNN50, что могло быть обусловлено неудобством, связанным с ношением аппаратуры и стрессом в незнакомой обстановке перед входом в эксперимент. Даже несмотря на это, качество сна во время АНОГ по сравнению с «фоном» снизилось по всем показателям. Уменьшение количественных значений RMSSD и pNN50 во время эксперимента может свидетельствовать о снижении тонуса парасимпатической нервной системы и активации симпатической. Смещение вегетативного баланса также подтверждалось снижением вклада высокочастотной составляющей на седьмые, 13 и 20-е сутки гипокинезии. Наблюдалось линейное увеличение стресс-индекса.

У второго испытуемого восстановление функциональных резервов было наиболее выраженным после выхода из эксперимента, так как ночь после АНОГ характеризовалась адекватной динамикой всех компонентов ВСР: снижением ЧСС, SI и низкочастотной составляющей спектра, увеличением RMSSD, pNN50 и высокочастотной составляющей (HF). В эту ночь также регистрировались самые низкие показатели двигательной активности. Полученные данные свидетельствуют о наиболее качественном и полноценном сне после выхода из эксперимента, что, с одной стороны, ожидаемо, с другой, еще раз подтверждает адекватность и правомерность использования метода для индивидуальной оценки качества сна и восстановления функциональных резервов организма в ночной период.

Таким образом, у первого субъекта первая ночь эксперимента характеризовалась высоким напряжением регуляторных систем, однако все последующие ночи имели адекватную динамику показателей ВСР. У второго испытуемого ночь до начала АНОГ характеризовалась полноценным восстановлением всех компонентов ВСР, а во время АНОГ ухудшение носило накопительный характер: с увеличением длительности воздействия восстановление происходило все в меньшей степени. У первого испытуемого восстановительный процесс был наиболее выражен после выхода из эксперимента, в то время как у второго ночь после АНОГ характеризовалась наихудшим качеством сна.

У первого испытуемого наиболее выражеными были ухудшения по показателю стресс-индекса (до воздействия разница между первым и последним часом сна составила 100 усл. ед., в ночь перед выходом из эксперимента – 20 усл. ед.). У второго испытуемого наиболее значимые изменения стресс-индекса наблюдались на вторые сутки воздействия.

Выводы

Подтверждена возможность оценки функционального состояния и восстановления функциональных резервов организма за время сна методом ВСР. На основании полученных результатов были сформулированы следующие выводы.

1. Показана возможность индивидуальной оценки восстановления функциональных резервов сердечно-сосудистой системы за время сна (на основании анализа показателей ВСР) при моделировании факторов космического полета для дальнейшей реализации этой методики в реальных космических полетах.
2. С учетом разностных данных (первого и последнего часов сна) проведен индивидуальный анализ и отмечено количество ночей с адекватной динамикой анализируемых показателей и периоды, когда восстановление функциональных резервов было неполноценным.
3. Выявлено снижение эффективности процессов восстановления по мере увеличения длительности воздействия по основным статическим показателям и спектральному анализу ВСР. 

Работа выполнена в рамках базовой темы Российской академии наук 64.1. на 2013–2023 гг.