Прогнозирование ортостатической устойчивости в длительном космическом полете по данным исследования вегетативной регуляции артериального давления и ритма сердца

Р.М. Баевский, И.И. Фунтова, К. Гариб*, Ж.О. Фортра *

Государственный научный центр РФ - Институт медико-биологических проблем, Москва, Россия

Лаборатория физиологии окружающей среды, Медицинский факультет “Гранж Бланш”, Лион, Франция,

Исследования вегетативной регуляции артериального давления и ритма сердца играют важную роль в космической медицине, поскольку в условиях невесомости наблюдается снижение артериального давления, уменьшение барорефлекторной чувствительности и как результат этого - явления ортостатической неустойчивости при возвращении космонавтов на Землю (Grigoriev A.I., Egorov A.D.,1991; Johnston R.S., Dietlein L.F., 1977; Nicogossian A.E., Huntoon C.L., Pool S.L., 1994). Поэтому изучению связи между изменениями вегетативной регуляции артериального давления и реакциями на ортостатические нагрузки в последние годы было посвящено большое число публикаций ( Butler G., Yamamoto Y., Hughson R.L., 1994; Eckberg D.L., Fritsch J.M., 1991; Fritsch J.M., Charles J.B., Bennet B.S. et al.,1992 ).

Как известно, большинство исследователей, изучающих регуляцию артериального давления с использованием метода его непрерывной регистрации с пальцевого датчика по Пеньязу (Penaz J., 1973 ), основное внимание обращают на быстрый парасимпатический компонент регуляции, который проявляется приростом частоты пульса при падении артериального давления. Относительная величина этого прироста определяет барорефлекторную чувствительность, измеряемую в уд/мин на мм рт.ст.

Данное исследование посвящено, главным образом, изучению медленного симпатического (точнее, симпато-адреналового) компонента регуляции артериального давления, который ответственен за поддержание нормального уровня артериального давления и в целом сердечно-сосудистого гомеостаза при длительном воздействии стрессорных факторов. Для этого, наряду с исследованием барорефлекторной чувствительности, изучались статистические показатели частоты пульса и артериального давления на разных участках кратковременного и длительного космических полетов, их динамика и корреляционные связи, а также их спектральные характеристики.

Методика исследований

Исследования проводились во время 25-й экспедиции на О.C.”Мир”, в которой участвовали три космонавта ( К-1, К-2 и К-3). 1-й космонавт провел в условиях невесомости 18 суток, 2-й и 3-й космонавты по 208 суток. Для непрерывного измерения артериального давления в пальце по методу Пеньяза использовался портативный прибор “Портапрес” производства фирмы ТНО (Голландия). Одновременно с помощью специального усилителя регистровалась ЭКГ, по которой в последующем вычислялись длительности RR-интервалов. Данные с прибора “Портапрес” и ЭКГ-усилителя в ходе эксперимента вводились в бортовой компьютер и затем после окончания полета на магнитных носителях доставлялись на Землю для анализа в лабораторных условиях

На Земле эксперимент “Портапрес” проводился за 60 и 30 дней до полета и на 1-й, 3-й и 5-й дни после полета. В эти дни проводилась активная ортостатическая проба. В полете эксперимент проводился у 1-го космонавта на 6-й, 9-й и 15-й дни пребывания в условиях невесомости, у 2-го и 3-го космонавтов - на 7-й, 12-й , 18-й и 146-й дни полета.

Регистрация непрерывных рядов значений кардиоинтервалов (длительностей каждого сердечного цикла) и величин артериального давления, соответствующих каждому сердечному сокращению, позволяют с помощью математических методов анализа выявить скрытые колебания ритма сердца и артериального давления, в том числе колебания, связанные с активностью различных отделов вегетативной нервной системы, а также оценить выраженность барорефлекторных влияний. Комплексное использование методов статистического, корреляционного и спектрального анализа позволяет оценить не только динамику изменений изучаемых показателей на разных этапах полета и при тестовых воздействиях, но и взаимосвязи между показателями, а также колебательные компоненты адаптационных реакций. Это открывает возможность судить о состоянии различных звеньев механизма регуляции артериального давления, выявлять наиболее слабые звенья и прогнозировать риск развития нарушений сердечно-сосудистого гомеостаза на разных этапах космического полета.

Показатели симпатической и парасимпатической нервной активности были получены из участков стабильных данных, включающих в себя не менее 300 значений кардиоинтервалов и соответствующих им величин систолического артериального давления (САД), с помощью метода спектрального анализа CGSA с использованием быстрого преобразования Фурье после подсчета гармонических и негармонических компонентов в данных RR-интервалов и САД (Hughson R.L., Quintin L., Annat G., 1993). Парасимпатическая активность оценивалась по отношению высокочастотной мощности Hi ( в полосе выше 0,15 Гц) к суммарной спектральной мощности. Симпатическая активность была получена из отношения низкочастотной мощности Lo ( в полосе ниже 0,15 Гц) к высокочастотной мощности.

Эти же динамические ряды RR-интервалов анализировались программой "Control" (Tank J., Baevsky R.M., Weck M., 1995). Вычислялись общепринятые статистические показатели: CV, RMSSD. При спектральном анализе вычислялись различные спектральные оценки в трех полосах частот: 0,5 - 0,15 Гц - HF (High Frequency), 0,15 - 0,05 Гц - LF ( Low Frequency) и 0,05 - 0,015 Гц - VLF (Very Low Frequency). Вычислялся показатель Slope (по Гольдбергеру) (Lipsitz L.A., Mietus J., Moody G.B., Goldberger A.L., 1990). По процентным соотношениям средних мощностей вычислялись показатели: индекс централизации (Index Centralization) - IC = (VLF+LF)/HF; активность подкорковых нервных центров (Subcortical Nervous Centre Activity) - SNCA = LF/VLF.

Для оценки выраженности барорефлекторных реакций использовалась программа HRBP, разработанная R.Hughson и Y.Yamamoto (University of Waterloo). Барорефлекторные последовательности определялись как ряд, состоящий из не менее трех последовательных ударов сердца, в которых и систолическое давление и следующий RR-интервал вместе увеличивались или уменьшались (Hughson R.L., Quintin L., Annat G., 1993). Когда встречалась такая последовательность, пары значений RR-интервалов и систолического давления в ней подвергались линейному регрессионному анализу. Вычислялся угол наклона регрессионной линии для каждой последовательности, который затем усреднялся для всех последовательностей за данный промежуток времени (барорефлекторный наклон - Baroreflex Slope (BS), мс/мм рт.ст.). Частота обнаружения таких последовательностей расчитывалась затем как их количество в минуту и нормализовалась по частоте пульса (No. of Baroreflex Slope, 1/min.HR).

Была сделана попытка оценить связь между частотой пульса и соответствующими величинами систолического артериального давления с точки зрения барорефлекторных или других влияний, а также связь между величинами систолического и диастолического давления с помощью программы корреляционного анализа. Для этого строились кросс-корреляционные функции показателей САД - ЧП и САД - ДАД.

Был проведен также статистический анализ показателей артериального давления и частоты пульса в ходе каждого эксперимента ( в фазе покоя и активной ортостатической пробы). Обработка данных проводилась с помощью стандартного пакета прикладных программ “Statistica”. Для каждого измеряемого показателя вычислялись M (среднее значение) и m (ошибка среднего значения).

Результаты исследований

Результаты предполетных исследований

Рассмотрим особенности предполетной реакции членов экипажа на ортостатическую пробу. В таблице 1 представлены предполетные ( за 30 дней до полета) значения разностей показателей сердечно-сосудистого гомеостаза и вегетативной регуляции при ортопробе у членов экипажа ЭО-25 по сравнению с состоянием покоя.

Таблица 1

Предполетные значения разностей показателей сердечно-сосудистого гомеостаза и вегетативной регуляции при ортопробе у членов экипажа ЭО-25 по сравнению с состоянием покоя ( за 30 дней до полета)

Из представленных в таблице 1 данных видно, что К-1 отличался наименьшим приростом частоты пульса, наибольшим приростом САД и наибольшим снижением барорефлекторной чувствительности. Вегетативный баланс у него изменился незначительно.

У К-2 был умеренный прирост ЧП и САД при наименьшем снижении барорефлекторной чувствительности. Отмечалось некоторое усиление активности симпатического звена регуляции.

У К-3 резкий рост активности симпатического звена регуляции при малом приросте САД во время ортопробы указывают на недостаточный резерв регуляторных механизмов и на их потенциальную неспособность обеспечить сохранение сердечно-сосудистого гомеостаза при воздействии стрессорных факторов.

В таблице 2 представлены значения некоторых показателей вариабельности сердечного ритма при ортопробе, которые демонстрируют существенное отличие исходного уровня функциональных резервов у К-3 от остальных членов экипажа.

Таблица 2

Предполетные значения некоторых показателей вариабельности

сердечного ритма при ортопробе у членов экипажа ЭО-25

( за 30 дней до полета)

Исходные значения RMSSD - показателя активности парасимпатической системы - в положении “лежа” у К-3 были в два раза выше, чем у К-2 и К-1, но при переходе в вертикальное положение они снизились у К-2 более, чем в 4 раза. LF (показатель активности вазомоторного центра) при ортопробе у К-1 и К-2 растет, а у К-3 в 2,5 раза снижается. Индекс централизации (IC), характеризующий активность центрального контура управления по отношению к автономному, у К-3 более низкий в покое, чем у остальных членов экипажа, при переходе в вертикальное положение увеличивается более, чем в 7 раз. Наконец, показатель активности подкорковых нервных центров (SNCA) снижается почти в 5 раз. Все эти изменения отражают неэффективность регуляторных механизмов (их перенапряжение), результатом чего и является отсутствие заметного подъема САД при переходе из положения “лежа” в положение “стоя”, несмотря на повышенную активацию симпатического звена регуляции.

Таким образом, материалы исследования исходного функционального статуса показывают, что у К-3 имелись повышенное артериальное давление в покое и неудовлетворительная реакция на ортопробу. Следовательно, этот член экипажа отличался от остальных космонавтов более высоким риском развития патологических отклонений в полете. Следует также отметить неадекватную реакцию на ортопробу К-1, которую можно квалифицировать как гипертензивную.

У К-2 оба предполетных исследования (за 60 и 30 суток до полета) хорошо воспроизводимы как в положении “лежа”, так и в положении “стоя” и не имеют ярко выраженных особенностей.

Результаты исследований в полете

22-х суточный полет К-1

Три исследования, проведенные у К-1 на 6-й, 9-й и 15-й дни полета показали следующее. В начальном периоде полета (на 6-й день) на фоне некоторого снижения частоты пульса существенно увеличилось САД (с 99.1 до 132.9 мм рт.ст.). В это время наблюдалось некоторое смещение вегетативного баланса в сторону активации парасимпатического отдела, поэтому рост артериального давления можно связывать только с увеличением барорефлекторной чувствительности.

К 15-му дню полета наметилась тенденция к постепенному смещению вегетативного баланса в сторону усиления активности симпатического отдела вегетативной нервной системы.

208-суточный полет К-2 и К-3

Анализ результатов исследований, полученных у К-2 и К-3, проводился в двух аспектах:

а) сравнение их реакций в начальном периоде полета с реакцией КИ,

б) оценка влияния длительного полета на сердечно-сосудистый гомеостаз и его вегетативную регуляцию.

При сравнении реакций трех космонавтов в начальном периоде полета можно использовать разностные значения ряда показателей. В таблице 3 даны их абсолютные разности на 15-18-й день полета по сравнению с исходными данными за 60 суток до полета. Для сравнения взяты предполетные данные, полученные за 60 суток, поскольку за 30 суток до полета, как это следует из вышеизложенного, у К-1 и К-3 имелись неблагоприятные изменения показателей как в покое, так и при ортопробе.

Таблица 3

Значения разностей показателей сердечно-сосудистого гомеостаза и вегетативной регуляции у членов экипажа ЭО-25 на 15-18-й день полета по сравнению с предполетными данными (за 60 дней до полета)

Как видно из таблицы у К-1 новый уровень гомеостаза установился с некоторым приростом ЧП и снижением САД при значительном снижении барорефлекторной чувствительности. У К-2 - с заметным приростом ЧП и САД при выраженном усилении активности симпатической нервной системы. У К-3 к 18-му дню полета сохранялось снижение ЧП и увеличение САД.

Как видно из таблицы 4 на 5-м месяце полета ( 146-й день полета) у К-2 прирост ЧП и САД по сравнению с начальным периодом невесомости увеличился (прирост САД увеличился в два раза). У К-3 сохранилось относительное снижение ЧП и повышение САД. Все эти изменения сердечно-сосудистого гомеостаза сопровождались изменениями активности симпатического и парасимпатического звеньев вегетативной нервной системы, без существенного уменьшения барорефлекторной чувствительности.

Таблица 4

Значения разностей показателей сердечно-сосудистого гомеостаза и вегетативной регуляции у членов экипажа ЭО-25 на 146-й день полета по сравнению с предполетными данными (за 60 дней до полета)

Следует отметить, что абсолютные значения показателей ЧП и артериального давления у К-2 были значительно выше, чем у К-3.

Существенная разница между реакциями К-2 и К-3 на длительное пребывание в условиях невесомости выявилась при сравнении их данных о вегетативной регуляции кровообращения ( таблицы 5,6).

Таблица 5

Показатели вариабельности сердечного ритма и артериального давления у К-2 до, во время и после длительного космического полета

Таблица 6

Показатели вариабельности сердечного ритма и артериального давления у К-3 до, во время и после длительного космического полета

Прежде всего следует отметить, что несмотря на то, что у обоих космонавтов вегетативный баланс смещался в сторону усиления активности симпатической системы (снижение RMSSD ) суммарная мощность спектра, на 146-й день полета у К-2 росла, а у К-3 - снижалась (рис. 1). Особенно значительно снизилась его низкочастотная составляющая.

К-2 К-3

Рис 1. Частота пульса (HR-темные столбики), RMSSD (светлые столбики) и суммарная мощность спектра сердечного ритма( TP- линия) у К-2 и К-3 на разных этапах космического полета

Снижение суммарной мощности спектра колебаний сердечного ритма является характерным признаком нарушения вегетативной регуляции. Это явление часто встречается в клинической практике и описано во многих исследованиях у больных с диабетом, гипертонией и другими заболеваниями. Одно из объяснений этого феномена состоит в том, что его связывают с подавлением нижележащих уровней регуляции в результате активации вышележащих уровней.

Вместе с тем, низкочастотная составляющая спектра систолического артериального давления к 146-му дню заметно увеличилась у обоих космонавтов, однако у К-3 этот рост несравненно более значителен (у К-2 - 9,26 по сравнению с 5,78, а у К-3 - 32,38 по сравнению с 1,34).

Рост медленноволновой ( низкочастотной) составляющей спектра САД отражает усиление активности нервных центров, которая направлена на поддержание нормального уровня артериального давления. Регуляция артериального давления, как известно, обеспечивается автономными механизмами быстрой, “тактической” (парасимпатической) и медленной, “стратегической” (симпатической) регуляции. Стратегический механизм вмешивается в деятельность тактического, только в случае “аварийной ситуации”.

Именно такая ситуация, по-видимому, и возникла у К-3 в ходе полета. Эти данные показывают, насколько выше “физиологическая цена” нового уровня сердечно-сосудистого гомеостаза у К-3, чем у К-2.

В этом плане существенное снижение суммарной мощности спектра сердечного ритма у К-3 следует рассматривать как признак “вмешательства” высших вегетативных центров в активность нижележащих уровней управления, при котором активируются специфические механизмы регуляции артериального давления. Такая активация может являться одним из механизмов компенсации снижения барорефлекторной чувствительности в условиях невесомости.

Подтверждением нашей гипотезы о компенсаторном характере активации симпатического звена регуляции артериального давления служат данные о динамике показателя симпатической активности, вычисляемого по данным САД (Lo/Hi). Этот показатель резко увеличивался у К-3 с первых дней пребывания в невесомости на фоне такого же существенного снижения показателя парасимпатической активности (Hi/Total). При этом барорефлекторная чувствительность у К-3 в первые 18 дней полета не снижалась.

Представленные результаты показывают, что различия в реакциях К-2 и К-3 на действие невесомости заключались в том, что у К-2 новый уровень сердечно-сосудистого гомеостаз поддерживался механизмами автономной регуляции с умеренной активацией симпатического звена. У К-3 новый уровень ЧП и САД сохранялся благодаря существенному напряжению регуляторных механизмов с активацией высших вегетативных центров и компенсаторным усилением активности автономных механизмов регуляции артериального давления. Необходимо отметить, что во время полета у К-3 были выявлены изменения ЭКГ в виде двухфазности и сглаженности Т-зубца, и одиночных экстрасистол. Эти изменения, по-видимому, можно рассматривать как проявление функциональных сдвигов, обусловленных недостаточными резервами регуляторного механизма.

Результаты послеполетных исследований

Для сравнения послеполетных реакций К-1, К-2 и К-3 на ортостатическую нагрузку рассмотрим таблицу 7. В таблице представлены приращения средних значений различных показателей при переходе из положения “лежа” в положение “стоя”. Из этих данных видно, что наибольшие различия между членами экипажа выявляются по изменениям САД и активности симпатической нервной системы.

Таблица 7

Особенности ортостатической реакции членов экипажа ЭО-25

на 5-й день после возвращения на Землю

У К-1 и К-2 несмотря на десятикратную разницу в длительности полета (22 дня и 208 дней), на 5-й день после возвращения на Землю сердечно-сосудистые реакции на ортопробу были почти одинаковыми, если не считать более значительного прироста ЧП у К-1. Необходимо, однако, отметить, что абсолютные значения САД и ДАД у К-1 в покое на 3-5-й дни после полета существенно снизились по сравнению с предполетными значениями. Так, на 5-й день периода реадаптации величина САД в положении “лежа” достигала всего 72 мм рт.ст. В связи со столь низкими значениями артериального давления в эти дни у К-1 не представлялось возможным рассчитать барорефлекторную чувствительность в положении “лежа”.

У К-3 реакция отличалась резко выраженными изменениями вегетативной регуляции на фоне снижения САД (астенический тип реакции). Значительное усиление активности симпатического звена вегетативной регуляции указывает на выраженное напряжение регуляторных механизмов или даже на их перенапряжение, поскольку цель активной мобилизации функциональных резервов не достигнута . Как видно из рис.2- сердечно-сосудистый гомеостаз на 6-й минуте после перехода из горизонтального положения в вертикальное не сохранялся. Таким образом, хотя “физиологическая цена” ответа на ортостатическую нагрузку у К-3 была очень высокой, она не обеспечила поддержания адекватного уровня артериального давления. Это свидетельствует о значительном снижении резервов регуляторного механизма.

Рис.2. Динамика частоты пульса (HR ) и систолического артериального давления (SBP) у К-3 во время активной ортостатической пробы на 5-й день после приземления ( в положениях “лежа” и “стоя” по 7 минут. Видно, что в конце 5-й минуты ортопробы резко снижаются HR и SBP

Заключение

Представленные материалы показывают, что различия между состояниями космонавтов были весьма существенными на всех этапах полета. Прежде всего эти различия выявились в предполетном периоде, где у К-3 при ортопробе был выявлен резкий рост активности симпатического звена регуляции при малом приросте САД, что указывает на недостаточный резерв регуляторных механизмов и на их потенциальную неспособность обеспечить сохранение сердечно-сосудистого гомеостаза при воздействии стрессорных факторов.

Наиболее существенная разница между реакциями К-2 и К-3 в полете выявляется при сравнении данных о вегетативной регуляции кровообращения.

В целом результаты проведенных исследований показали, что пребывание в условиях микрогравитации в течение трех недель не вызвало у К-1 существенных изменений сердечно-сосудистого гомеостаза и не привело к заметному снижению функциональных резервов организма.

У К-3 уже в предполетном периоде в покое и при ортостатической пробе выявлялось существенное отличие исходного статуса и функциональных резервов от остальных членов экипажа. На фоне повышенного артериального давления у него наблюдалось выраженное функциональное напряжение при проведении ортостатической пробы, что свидетельствовало о низких функциональных резервах регуляторного механизма. Таким образом, даже предполетные данные о функциональных резервах регуляторного механизма могут иметь прогностическое значение для оценки адаптации организма космонавта к условиям длительной невесомости и к переносимости ортостатических воздействий после возвращения на землю.

Следует отметить, что различие в реакциях К-2 и К-3 на действие невесомости заключалось не только в различных уровнях поддерживаемого в полете сердечно-сосудистого гомеостаза, но главным образом, в особенностях деятельности регуляторных механизмов. У К-2 этот новый уровень поддерживался механизмами автономной регуляции с умеренной активацией симпатического звена при достаточных функциональных резервах. У К-3 новый уровень сердечно-сосудистого гомеостаза сохранялся благодаря существенному напряжению регуляторных механизмов с активацией высших вегетативных центров и компенсаторным усилением активности автономных механизмов регуляции артериального давления.

Таким образом, данные об индивидуальных особенностях адаптации к условиям длительной невесомости показывают, что гипотеза о роли симпатического звена регуляции в поддержании артериального давления не лишена оснований. Снижение суммарной мощности спектра сердечного ритма у К-3 можно рассматривать как признак “вмешательства” высших вегетативных центров в активность нижележащих уровней управления, при котором активируются специфические механизмы регуляции артериального давления. Такая активация может являться одним из механизмов компенсации снижения барорефлекторной чувствительности в условиях невесомости.

Наша гипотеза подтверждается данными о динамике показателя активности симпатической нервной системы (Lo/Hi), вычисляемого по значениям САД. Этот показатель характеризует активность сосудодвигательного центра продолговатого мозга, который ответственен за регуляцию тонуса сосудов. Его резкое увеличение у К-3 с первых дней пребывания в невесомости на фоне такого же существенного снижения показателя парасимпатической активности (Hi/Total) говорит о том, что механизм компенсации недостаточных резервных возможностей организма включился с первых дней полета. Мы считаем, что именно благодаря этому барорефлекторная чувствительность у К-3 в первые 18 дней полета не снижалась.

Следовательно, прогноз ортостатической устойчивости после длительного пребывания в невесомости не может основываться только на данных о барорефлекторной чувствительности. Гораздо более важным является знание функциональных резервов регуляторного механизма и, в частности, состояния симпатического звена регуляции, обеспечивающего мобилизацию резервов. Включение в процесс адаптации сосудодвигательного центра и более высоких уровней регуляции служит важным прогностическим признаком недостаточности функциональных резервов.

Литература

Butler G.C., Yamamoto Y., Hughson R.L. Heart rate variability to monitor autonomic nervous system activity during orthostatic stress. J. Clin. Pharm, 1994;34: 558-562.

Eckberg D.L., Fritsch J.M. Human autonomic responses to actual and simulated weightlessness. J.Clin.Pharm., 1991;31: 951-955.

Fritsch J.M., Charles J.B., Bennet B.S., Jones M.M., Eckberg D.L. Short-duration spaceflight impairs human carotid baroreceptor-cardisc reflex responces. J.Appl. Physiol.,1992, 73(2): 664-671

Grigoriev A.I. Egorov A.D. The effects of prolonged Speceflight on human body. Advanced in space biology and medicine.1991, 1, p.1-35.

Hughson R.L, Quintin L., Annat G., Yamamoto Y., Gharib C. Spontaneous baroreflex by sequence and power spectral methods in humans. Clin.Physiol.,1993, 13: 663-676.

Johnston R.S., Dietlein L.F. (Ed). Biomedical Results from Skylab, NASA, Washington, 1977.

Lipsitz L.A., Mietus J., Moody G.B., Goldberger A.L. Spectral characteristics of heart rate variability before and during postural tilt: relations to aging and risk of sincope. Circulation, 81: 1803-1810; 1990.

Nicogossian A.E., Huntoon C.L., Pool S.L. Space physiology and medicine. 3-rd ed. 1994, 481 p.

Penaz J., Digest 10-th Intrnational Conference med.biol. Engng., Dresden, 1973, p.104

Tank J., Baevsky R.M., Weck M. Hemodynamic regulation during postural tilt: Assessed by heart rate and blood-pressure variability combined with Impedance сardiography. Wien; Med. Wschr. 145: pp. 616-625; 1995