ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ СЕРДЕЧНОГО РИТМА В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ (ЭКСПЕРИМЕНТ «МАРС-500»)

ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 611.1 (045)
Е.Ю. Берсенев, В.Б. Русанов, А.Г. Черникова
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ СЕРДЕЧНОГО РИТМА В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИИ (эксперимент «Марс-500»)
Представлены результаты анализа вариабельности сердечного ритма у испытателей-добровольцев, находившихся в гермообъекте в условиях изоляции в течение 520 суток в рамках эксперимента «Марс-500». Групповая оценка динамики функционального состояния показала, что оно в течение всего периода наблюдений находилось в зоне физиологической нормы. При вероятностном подходе показана слабая тенденция к росту вероятности донозологических состояний. Полученные данные позволяют судить не только о групповой динамике функционального состояния, что особенно важно в длительных космических экспедициях, но и об индивидуальных адаптационных реакциях, а также об индивидуальных рисках развития патологии.
Ключевые слова: вариабельность сердечного ритма, длительная изоляция, напряжение регуляторных систем, функциональный резерв, метод фазовой плоскости, вероятностный подход.
Введение
Одной из основных задач проводимого в Г осударственном научном центре РФ институте медико-биологических проблем РАН эксперимента «Марс-500» являлось изучение влияния моделируемых условий пилотируемой марсианской экспедиции на здоровье и работоспособность членов экипажа. Важное значение имела апробация новых методических подходов к оценке функционального состояния человека, которые могли бы быть в будущем рекомендованы к использованию в межпланетном полете. Одним из таких подходов является анализ вариабельности сердечного ритма (ВСР), который в последние годы получил дальнейшее развитие применительно к решению задач космической медицины [1; 2].
Материалы и методика исследования
Исследования проводились в гермообъекте - макете межпланетного корабля. Состав экипажа интернациональный. Численность - 6 человек (мужчины). Средний возраст 32±3,7 лет. Специальности (с учетом совмещения): врачи, инженеры, специалисты по вычислительной технике. Длительность эксперимента составляла 520 суток. Режим труда и отдыха экипажей такой же, как и в орбитальных полетах (7-дневная неделя с двумя выходными днями). Деятельность экипажа включала штатные операции (медицинский контроль здоровья, физические тренировки, контроль и обслуживание систем, управление "посадочным модулем" и т.п.), выполнение научных исследований, санитарно-гигиенических процедур и т.д. Для питания членов экипажа использовались рационы, идентичные рационам космонавтов на Международной космической станции. Экипаж находился в условиях искусственной атмосферной среды при нормальном барометрическом давлении. Исследования ВСР проводились с использованием комплекса «Экосан-2007». Данные анализировались на основе методик, описанных в европейско-американских [3] и российских [4] методических рекомендациях. На основании данных анализа ВСР согласно методике, предложенной Р.М. Баевским и А.Г. Черниковой [1], вычислялись значения показателей степени напряжения регуляторных систем (СН) и их функционального резерва (ФР). Индивидуальная и групповая динамика функционального состояния оценивалась методом фазовой плоскости. На основе вероятностного подхода определялся риск развития патологии [2].
Результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлена среднегрупповая динамика частоты пульса и среднего квадратичного отклонения длительностей кардиоинтервалов (СКО). На 2-й месяц после начала эксперимента (июль) наблюдалось умеренное учащение пульса со снижением вариабельности сердечного ритма - СКО. На 3-й месяц отмечалась активация парасимпатического звена регуляции как реакция на условия изоляции. В последующие месяцы наблюдался постепенный рост частоты пульса со снижением вариабельности сердечного ритма. Это можно расценить как умеренное напряжение регуляторных систем, связанное с адаптацией к новым условиям окружающей среды.
Рис. 1. Динамика частоты сердечных сокращений (ЧСС) и среднего квадратичного отклонения длительности кардиоинтервалов (СКО) во время пребывания «марсианского» экипажа в условиях изоляции
Рис. 2 иллюстрирует динамику индекса напряжения регуляторных систем (стресс-индекс^1) и показателя активности парасимпатического звена регуляции ^NN50), из которой видно, что в группе имелась четкая тенденция к росту состояния напряжения. Это проявлялось также ростом индекса централизации (рис. 3) и соответствующими изменениями спектра ВСР (рис. 4).
Рис. 2. Динамика индекса напряжения ^1) и среднего квадратичного отклонения длительности кардиоинтервалов ^NN50)
Высокочастотные колебания спектра (HF) отчетливо снижаются, что подтверждает рост активности симпатического звена регуляции (реакцию напряжения). Этому соответствует рост активности надсегментарных отделов регуляторного механизма, участвующего в регуляции энергометаболических процессов (VLF). При этом активность центров регуляции сосудистого тонуса постепенно снижается, что, по-видимому, обусловлено снижением физической активности экипажа.
На рис. 5 отражены результаты анализа показателей ВСР методом фазовой плоскости, который позволяет оценить функциональное состояние организма в координатах степени напряжения регуляторных систем (СН) и их функционального резерва (ФР).
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
т^2
У-е. 6
5.5 5
4.5 4
3.5 3
2.5 2
Рис. 3. Динамика индекса централизации (1С) и суммарной мощности спектра ВСР (ТР)
Рис. 4. Динамика спектральных компонентов ВСР (высокочастотные колебания (HF), низкочастотные колебания (LF) и очень низкочастотные колебания (VLF)
ФОН “ “ ЭКСПЕРИМЕНТ
0,5 - Донозологические состояния ФР
1 -0,5 - 5 2,0 Физиологическая норма 2,5 1 3,0
-1,0 --1,5 - \ ИЮНЬ
-2,0 - СН ФЕВРАЛЬ * ФОН
Рис. 5. Фазовая траектория функционального состояния «марсианского» экипажа во время
пребывания в условиях изоляции
п рДОНОЗОЛОГИЯ
рНОРМА
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0


ФОН ИЮНЬ ИЮЛЬ АВГУСТ СЕНТЯБРЬ ОКТЯБРИ ОЯБРЬ ДЕКАБРЬ ЯНВАРФЕВРАЛЬ
Рис. 6. Вероятностные характеристики состояний физиологической нормы и донозологического состояния в динамике пребывания «марсианского» экипажа в условиях изоляции
Прежде всего, следует отметить, что в течение первых девяти месяцев (с июня 2010 г. по февраль 2011 г.) пребывания «марсианского» экипажа в условиях изоляции он не выходил за пределы зоны физиологической нормы. Имелась лишь тенденция к росту СН с постепенным уменьшением ФР. При вероятностной оценке динамики функционального состояния экипажа (рис. 6.) видно, что имелась слабая тенденция к росту вероятностей донозологического состояния.
На рис. 7 представлены индивидуальные фазовые траектории функционального состояния отдельных членов экипажа (№ 1, 3, 4, 6). Эти данные показывают неоднозначность индивидуальных адаптационных реакций. Так, испытатель № 1 в течение всего времени пребывания в гермообъекте находился в зоне донозологических состояний. Испытатель № 3 в течение всего времени изоляции находился в зоне физиологической нормы. Возможно, это обусловлено его индивидуальнотипологическими особенностями. Испытатели № 4 и 6 в течение прошедших в ходе эксперимента 9 месяцев перемещались из зоны физиологической нормы в зону донозологических состояний.
Различие между ними состоит в том, что №4 в начале эксперимента находился в зоне физиологической нормы, а № 6 - в зоне донозологических состояний. При этом № 4 только кратковременно переместился в зону донозологических состояний, а № 6 только короткое время был в зоне физиологической нормы. Эти особенности индивидуальных траекторий функционального состояния подлежат более подробному анализу с учетом характера деятельности и психологических реакций членов экипажа. Здесь же важно отметить, что метод фазовой плоскости дает полезную информацию для суждения как об индивидуальных адаптационных реакциях, так и о групповой реакции в новых условиях.
Применение вероятностного подхода для оценки группового риска в условиях пребывания в состоянии длительной изоляции показало (рис. 8), что в среднем по группе наблюдается тенденция к поэтапному увеличению категории риска. Во время начального периода адаптации (июнь-июль) происходит увеличение средней категории риска с его снижением в последующие два месяца (август -сентябрь). Затем начинается постепенный рост категории риска, что может свидетельствовать о напряжении систем регуляции без снижения функциональных резервов, так как средняя категория риска не превышает 2, что соответствует состоянию физиологической нормы.
Вероятностный подход к оценке индивидуальных реакций (рис. 9) показывает, что у испытателей № 1 и 6 вероятность донозологических состояний в течение всего периода наблюдений была достаточно высокой. У испытателя № 3 практически все время отмечалась высокая вероятность (р= 1,0) состояния физиологической нормы. У испытателя №4 лишь в отдельные месяцы наблюдалась повышенная вероятность донозологического состояния.
Рис. 7. Индивидуальные фазовые траектории функционального состояния отдельных членов экипажа (№ 1, 3, 4, 6)
і РИСК
1
ФОН
-.|||
ИЮНЬ АВГУСТ ОКТЯБРЬ ДЕКАБРЬ ФЕВРАЛЬ
ИЮЛЬ СЕНТЯБРЬ НОЯБРЬ ЯНВАРЬ
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
Рис. 8. Изменения групповой категории риска в динамике пребывания «марсианского» экипажа в условиях изоляции
_____________4З
2012. Вып. 1
ИСПЫТАТЕЛЬ 1
pДонозол. pН орм а
f У У У У У У
ИСПЫТАТЕЛЬ 3
I pДонозол. pНорма




Г
ИСПЫТАТЕЛЬ 4
ИСПЫТАТЕЛЬ 6
pДонозол. pНорма I
Рис. 9. Индивидуальные вероятностные характеристики состояний физиологической нормы и донозологического состояния в динамике пребывания «марсианского» экипажа в условиях изоляции
Выводы
1. Анализ ВСР в условиях длительной изоляции при моделировании «марсианской» экспедиции показал, что в целом не наблюдается серьезных изменений функционального состояния членов экипажа и в большинстве случаев их адаптационные реакции являются адекватными. Групповая оценка динамики функционального состояния показала, что оно в течение всего периода наблюдений находилось в зоне физиологической нормы.
2. При вероятностном подходе показана слабая тенденция к росту вероятности донозологических состояний. Методика вычисления категорий риска, разработанная А.Г. Черниковой (2010), показывает, что указанная тенденция роста вероятности донозологических состояний не ведет к увеличению выше 2-й категории риска. При классификации категорий риска от 1-й до 10-й, эта категория определяется как очень слабый риск развития патологии.
3. Следует специально подчеркнуть, что исследования, проводимые в ходе эксперимента «Марс-500», показали высокую значимость новых подходов к анализу ВСР - метода фазовой плоскости и вероятностной оценки риска развития патологии. Полученные при этом данные позволяют судить не только о групповой динамике функционального состояния, что особенно важно в длительных космических экспедициях, но и об индивидуальных адаптационных реакциях, а также об индивидуальных рисках развития патологии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1,0
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
1,0
1,0
0,8
0.8
0,6
0.6
0,4
0,4
0,2
0,2
0,0
0,0
1. Баевский Р.М., Черникова А.Г. К проблеме физиологической нормы: математическая модель функциональных состояний на основе анализа вариабельности сердечного ритма. Авиакосмическая и экологическая медицина. 2002. №5 . С. 34-37.
2. Черникова А.Г. Оценка функционального состояния человека в условиях космического полета на основе анализа вариабельности сердечного ритма: автореф. дис. ... канд. биол. наук. М. 2010. 24 с.
3. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation and clinical use // Circulation. 1996. Vol. 93. P. 1043-1065.
4. Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем // Вестник аритмологии. 2001. №24. С. 67-95.
Поступила в редакцию 10.02.12
E. Yu. Bersenev, V.B. Rusanov, A. G. Chernikova
Heart rate variability in conditions of prolonged isolation (experiment “Mars-500”)
The article covers the results of the analysis of heart rate variability at tester-volunteers whose confinement period lasted for 520 days within the bounds of the experiment «Mars-500». The group estimation of the functional state dynamics has shown, that during the whole period of supervision it was within the physiological norm. At the probabilistic approach the weak tendency to the growth of probability for prenosological states has been shown. The obtained data allow to judge not only about the group dynamics of a functional state, which is especially important for long space expeditions, but also about individual adaptable reactions and individual risks of development of a pathology.
Keywords: heart rate variability, prolonged isolation, voltage regulation systems, the functional reserve, the phase plane method, a probabilistic approach.
Берсенев Евгений Юрьевич, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией
ГНЦ РФ - Институт медико-биологических проблем РАН 123007, Россия, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76-А E-mail: bersenev_evgenii@mail.ru
Русанов Василий Борисович,
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ГНЦ РФ - Институт медико-биологических проблем РАН 123007, Россия, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76-А E-mail: vasilyrusanov@gmail.com
Bersenev E.Yu.,
candidate of biology, head of laboratory SSC RF - Institute for bio-medical problems RAS; 123007, Russia, Moscow, Horoshevskoe sh., 76-A E-mail bersenev_evgenii@mail.ru
Rusanov V.B., candidate of biology, senior researcher SSC RF - Institute for bio-medical problems RAS 123007, Russia, Moscow, Horoshevskoe sh., 76-A E-mail :vasilyrusanov@gmail.com
Chernikova A.G., candidate of biology, senior researcher SSC RF - Institute for bio-medical problems RAS 123007, Russia, Moscow, Horoshevskoe sh., 76-A; E-mail: anna.imbp@mail.ru
Черникова Анна Г ригорьевна,
кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ГНЦ РФ - Институт медико-биологических проблем РАН 123007, Россия, г. Москва, Хорошевское шоссе, 76-А E-mail: anna.imbp@mail.ru