Колебательные процессы в вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы (обзор)

1С позиции теории функциональных систем [1] сложный многоуровневый комплекс различных регуляторных структур с большим количеством внутренних и внешних связей, участвующих в регуляции кровообращения, можно условно объединить в понятие единой функциональной системы вегетативного управления. При этом данная система является нелинейной и детерминированно-хаотичной [2]. Симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы, являясь эффекторными звеньями, осуществляют динамическое управление кровообращением и вносят значительный вклад в формирование вариабельности ритма сердца и артериального давления [3]. Изучение вариабельности указанных параметров является наиболее доступным неинвазивным способом изучения свойств системы вегетативной регуляции кровообращения [4, 5].

Наиболее выражено взаимодействие сердечнососудистой и дыхательной систем. Принято считать, что влияние акта дыхания на структуру вариабельности ритма сердца (появление так называемой респираторной синусной аритмии) осуществляется посредством респираторно зависимой вагусной мо дуляции [5]. Существует линейная связь между вари-

Адрес: 410028, г. Саратов, ул. Чернышевского, 141.

Тел.: (8452) 20-18-99.

абельностью ритма сердца и дыхательным объемом легких: величина модулированной дыханием сердечной аритмии возрастает с увеличением глубины дыхания [6]. Большое значение имеет также частота дыхания, воздействуя посредством частотно-зависимого феномена [7] на основные параметры функционирования сердечно-сосудистой системы. Механизм кардиореспираторного взаимодействия, согласно современным представлениям, имеет смешанную природу: барорефлекторную [8] и центрогенную [9].

Известно, что при контролируемом по частоте дыхании в положении лежа изменения систолического артериального давления сопровождаются противоположными изменениями в ритме сердца (уменьшение частоты сердечных сокращений при повышении уровня артериального давления и наоборот), обусловленными барорефлекторным ответом на колебания уровня артериального давления в зависимости от фаз дыхания. Подобная модуляция мгновенной частоты сердечных сокращений обеспечивается увеличением потока парасимпатических импульсов к сердцу при вдохе и возвращением их к исходному уровню при выдохе. При этом с тонусом n.vagus в значительной мере коррелируют спектральные диапазоны вариабельности ритма сердца: в большей степени - мощность высокочастотного (high frequency – НF) диапазона, в меньшей – низкочастотного

(low frequency – LF) диапазона [10]. Интенсивность же тонической симпатической импульсации непосредственного участия в формировании дыхательной аритмии не принимает [11], хотя меняется в такт дыханию в большинстве симпатических нервов [12].

Однако дыхательная аритмия сохраняется и при прекращении непосредственно акта дыхания (при непрерывном вдувании в легкие струи воздуха [13] и при апноэ во время сна [14]), свидетельствуя о влиянии центральных механизмов управления сердцем на формирование дыхательной аритмии. Полагают [15], что основой для реализации данного феномена является общая для некоторых дыхательных и кар-диомоторных нейронов сеть. При этом указывают, что действие дыхательных нейронов на кардиомо-торные нейроны осуществляется в полном объеме лишь при поступлении афферентных сигналов из легких [16]. Остаточную слабую дыхательную аритмию, выявляемую у людей с пересаженным и денервированным сердцем [16], считают следствием растяжения ткани синусового узла кровью, объем которой в правом предсердии изменяется в течение дыхательного цикла.

Другим феноменом в вегетативной регуляции системы кровообращения, привлекающим внимание исследователей, являются низкочастотные колебания (в диапазоне частот 0,05-0,15 Гц у человека), выявляемые в биологических сигналах различных отделов данной системы. Интересно отметить, что исторически начало изучению данных колебаний в системе кровообращения было положено не в результате исследований вариабельности ритма сердца, а при изучении колебаний уровня артериального давления.

Первоначальный интерес был вызван открытием С. Мейером в 1876 г. медленных волн в колебаниях уровня АД на частоте 0,1-0,15 Гц у анестезированных кроликов, названных впоследствии «волнами Мейера» («Mayer waves»). С самого первого упоминания данные волны считались вазомоторными. Усиление волн Мейера при симпатической активации стало основой для использования их как косвенного индикатора симпатической активности [17, 18]. Частота спонтанных симпатогенных колебаний артериального давления у активных кроликов составляет около 0,3 Гц, что выше частоты волн, описанных С. Мейером, поэтому термин «волны Мейера» в определенной мере некорректен для описаний колебаний артериального давления, обусловленных симпатическими влияниями, но часто используется в литературе. Данная терминологическая путаница обусловлена еще и тем, что у человека вегетативные колебания уровня артериального давления наблюдаются на частоте около 0,1 Гц.

Непосредственные изучения взаимоотношений колебаний уровня АД и прямой регистрации потока симпатических импульсов выявили присутствие в них колебаний с частотой волн Мейера, которые в значительной мере были когерентны друг другу. Волны Мейера в колебаниях уровня артериального давления, безусловно, связаны с симпатическими вазомоторными влияниями, синхронно модулирующими сосудистый тонус на различных участках сосудистого русла (почки, мезентерий, скелетные мышцы) [19, 20]. При этом, например, у крыс они практически не выявляются в колебаниях сердечного выброса, присутствуя в колебаниях уровня артериального давления [19]. Частота волн Мейера устойчива для каждого вида животных. В частности, у людей она со- ставляет около 0,1 Гц и не зависит от пола, возраста и положения тела [21-23]. У кошек и собак – также около 0,1 Гц [24], у кроликов – 0,3 Гц [25], у крыс и мышей – 0,4 Гц [19, 26].

В настоящее время существуют две основные теории, объясняющие природу медленных колебаний уровня артериального давления: пейсмекерная теория и барорефлекторная теория.

Согласно первой гипотезе, медленные волны в колебаниях уровня артериального давления являются центрогенными: их порождает нейронная сеть ствола мозга, которая определяет колебания интенсивности потока импульсов как симпатических, так и парасимпатических кардиомоторных нейронов с характерной для каждого вида животных частотой (около 0,1 Гц для человека). Основой формирования пейсмекер-ной теории стало наблюдение о том, что колебания в симпатической активности и/или показателях гемодинамики сохраняются на частоте волн Мейера при отсутствии внешних входящих стимулов, при этом в качестве источника колебаний предполагается наличие автономного генератора в области центральных мозговых структур, участвующих в формировании симпатического тонуса. Это предположение основано на ряде экспериментальных работ, посвященных изучению колебаний артериального давления [27], однако применимость данных исследований к интерпретации природы волн Мейера оспаривается многими авторами. Наиболее значимой в плане подтверждения пейсмекерной теории является работа N. Montano и соавторов, выполненная в 1996 г., в которой была показана возможность существования центрогенного ритма с частотой около 0,1 Гц (потенциально связанного с волнами Мейера) на уровне функционирования отдельных мозговых нейронов у анестезированных кошек, предварительно подвергшихся двухсторонней ваготомии и денервации барорецепторов каротидного синуса [28]. Несколько позже та же группа исследователей сообщила о выявлении 0,1 Гц-ритма в симпатической активности на уровне сердца у необезболенных, декортицированных кошек после двухсторонней ваготомии и пересечении спинного мозга на уровне C1 [29]. Отметим, что влияние спинно-мозговых структур на волны Мейера не определено из-за противоречивости существующих данных. Таким образом, недостаточно данных для подтверждения теории пейсмекерного генеза волн Мейера, но нельзя исключить и возможность центральной генерации медленных ритмов, отражающихся в колебаниях артериального давления, при определенных условиях.

Вторая теория происхождения волн Мейера несколько более состоятельна, особенно при рассмотрении ее в оппозиции предшествующей пейсмекерной теории. В частности, активность и функциональная значимость для вегетативной регуляции барорецепторов каротидного синуса очевидна и не вызывает сомнений, поэтому данные рецепторы порождают поток афферентных импульсов в центральные отделы вегетативной регуляции сердечнососудистой системы, превосходящий по своей мощности и функциональной значимости потенциально существующие центрогенные ритмы. Впервые предположение о причастности барорефлекса к происхождению волн Мейера было высказано A.C. Guyton и J.W. Harris в 1951 г., чья идея была дополнена впоследствии целым рядом математических моделей на основе барорефлекса, теоретически объясняющих природу волн Мейера [30, 31]. Повышение уровня артериального давления тормозит симпатические нейроны посредством механического воздействия на барорецепторы, способствуя понижению уровня артериального давления. Однако и в данной теории остается еще много спорных вопросов. Например, в работе J.P. Moak и соавторов в 2009 г. было показано, что низкочастотные (в LF-диапазоне спектра) колебания в вариабельности ритма сердца являются проявлением барорефлекса с дуги аорты, но не связаны непосредственно с симпатической иннервацией [32].

В целом можно сказать, что открытие барорефлекторной петли в регуляции уровня системного артериального давления практически «отменяет» концептуальное понятие «волны Мейера». Экспериментальной основой развития теории стали многочисленные данные об исчезновении (или уменьшении выраженности) волн Мейера в колебаниях артериального давления после денервации аортальных и синокаротидных барорецепторов у кошек и крыс [33], а также данные о значительном снижении их амплитуды после фармакологической альфа-адреноблокады [34].

Основным доказательством в пользу барорефлекторной теории генерации медленных волн в вариабельности артериального давления (в частности, у людей на частоте около 0,1 Гц) служит выявление высокой чувствительности системы вегетативной регуляции к внешним сигналам на частоте около 0,1 Гц, которая проявляется фазовым захватом частоты и значительным увеличением амплитуды колебаний ее выходного сигнала (в частности, колебаний уровня артериального давления). В литературе это явление часто интерпретируют как проявление резонанса в системе барорефлекса на данной частоте. В упрощенном варианте понимания барорефлекторная петля обратной связи представляет собой нелинейную систему, входным параметром для которой является импульсация с барорецепторов от воздействия на них артериального давления в дуге аорты, а выходным параметром – уровень колебаний системного артериального давления [30]. В 1926 г. E. Moissejeff, для создания экспериментальных условий изучения свойств барорфлекторной дуги, предложил изолировать от кровообращения оба каротидных синуса дуги аорты и денервировать аортальные барорецепторы, что позволило искусственно воздействовать на изолированные барорецепторы и наблюдать при этом динамику уровня системного артериального давления. В последующем данная методика использовалась для изучения барорефлекса у различных видов животных [35], полученные при этом результаты подтверждали возможность наличия резонанса в барорефлекторной петле на частоте, близкой таковой у волн Мейера.

Анализ функциональных свойств барорефлекторной петли с обратной связью в указанных выше и некоторых других сходных работах [36] выявил наличие в ней низкочастотного фильтра и времени задержки в обратной связи. Позже было косвенно определено время задержки в петле обратной связи барорефлекса, составившее порядка 2,5-2,6 секунд [37], что совместимо с основной частотой колебаний на уровне 0,1 Гц. Барорефлекторная система имеет нелинейную природу и обеспечивает поддержение оптимального уровня выходного сигнала [38], что имеет защитное значение, учитывая ее повышенную чувствительность к внешним сигналам на частоте собственных колебаний выходного сигнала системы вегетативной регуляции. Амплитуда медленных колебаний уровня артериального давления зависит от различных факторов: уровня симпатической активности, модулируемого различными внешними факторами, общего тонуса нервной системы [39], показателей системной гемодинамики [40], психоэмоциональных факторов [41] и др. Свойства барорефлекторной петли являются специфичными для каждого из видов животных, что обусловлено прежде всего сопоставимой между различными их видами скоростью проведения нервного импульса по неме-елинизированным нервным волокнам (около 1 м/с) при различных размерах их организма и основной частоты колебаний в петле барорефлекса. Отметим, что параметры вегетативной регуляции сердца у человека в целом очень схожи с таковыми у некоторых животных, в частности собак и коров [42].

Нелинейность свойств барорефлекторной дуги объясняется одними авторами особенностями функционирования центральных отделов вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы, другими – свойствами барорецепторов. В двух модельных исследованиях [43, 44] высказано предположение, что в условиях внешних случайных воздействий на сердечно-сосудистую систему в выходном ее сигнале (в частности, изменчивости уровня артериального давления) определяется 1/ f шум, что особенно выражено при отсутствии в системе регуляции барорефлекторной дуги (при денервации барорецепторов) [45].

Таким образом, барорефлекторная составляющая вегетативной регуляции системы кровообращения играет значительную роль в регуляции уровня системного артериального давления, преобразуя шумовую высокочастотную импульсацию с барорецепторов каротидного синуса и аорты в функцию регуляции активности симпатического отдела вегетативной нервной системы [40].

Кроме колебаний уровня артериального давления медленные колебания на частоте около 0,1 Гц у человека выявляются и в вариабельности ритма сердца, являясь результатом функциональной активности того же механизма вегетативной регуляции кровообращения, что и для данных колебаний в вариабельности артериального давления [46]. При этом при повышении системного артериального давления уровень частоты сердечных сокращений снижается, а при снижении артериального давления – увеличивается.

Учитывая наличие ряда доказательств в пользу как пейсмекерной, так и барорефлекторной теории происхождения медленных колебаний в сердечнососудистой системе, можно принять как «рабочий» компромиссный вариант между данными теориями. 0,1 Гц-колебания (у человека) порождаются, возможно, нейронной сетью ствола головного мозга, которая определяет колебания интенсивности потока импульсов как симпатических, так и парасимпатических кардиомоторных нейронов с периодом около 10 секунд [15, 18]. При этом центральное происхождение низкочастотных колебаний в сердечном ритме обусловливает тот факт, что свойства данного периодического процесса едва ли могут определяться каким-либо одним единственным фактором, даже таким, как барорефлекс. Данное предположение подтверждается в работе G. Nollo и соавторов (2005 г.) [47], которые показали значение небарорефлекторных факторов во взаимодействии медленных колебаний в ритме сердца и системном артериальном давлении. Кроме того, в ряде работ был показан обратный эффект влияния вариабельности ритма сердца на из- менчивость артериального давления [48], что также подвергает сомнению первопричинность барорефлекса в генерации 0,1 Гц-колебаний в системе кровообращения. Известно, что 0,1 Гц-колебания в вариабельности ритма сердца находятся в определенных функциональных взаимоотношениях с различными сенсорными системами человека, а также отделами центральной нервной системы, ответственных за высшую нервную деятельность [49].

Важно отметить, что 0,1 Гц-колебания у человека выявляются также в вариабельности кровенаполнения сосудов микроциркуляторного русла кожи [50] и скелетных мышц [51]. При этом, по-видимому, данные колебания являются следствием тех же механизмов вегетативной регуляции, но имеют преимущественно, вероятно, центрогенную, а не барорефлекторную природу. Однако особенности 0,1 Гц-колебаний в периферическом сосудистом русле остаются дискуссионным вопросом.

Кардиобарорецепторная регуляция может обусловливать динамику в кровяном давлении и сердечном ритме от нескольких секунд до нескольких минут. В анатомических и электрофизиологических исследованиях центральных механизмов, обеспечивающих барорефлекс, выявлена значительная роль быстрых нервных центров и симпатических ядер спинного мозга в формировании вариабельности сердечного и дыхательного ритмов [52]. Входным каналом барорецепторного контроля частоты сердечных сокращений являются множественные афферентные сигналы от баро- и хеморецепторов, респираторных нейронов и высших нервных центров. Взаимодействие сосудодвигательного и дыхательного центров характеризуется нелинейными свойствами, функционируя как комплексная нелинейная система с согласованием во времени [53]. Таким образом, вегетативная регуляция кровообращения представляет собой систему со сложной нейронной сетью, где спонтанные колебания в выходном сигнале обусловлены динамикой свойств самой системы и входными возмущениями, в том числе и описанным ранее кардиореспиратор-ным взаимодействием, обусловливающим особенности формирования высокочастотных колебаний в вариабельности ритма сердца (частотно-зависимый феномен) [7].

Существование в сердечно-сосудистой системе различных колебательных процессов, таких, как ритм сердца, дыхание, кровообращение и система их вегетативной регуляции, предполагает функциональное взаимодействие между ними на различном уровне организации. Одной из доказательных форм организации функциональных взаимоотношений между колебательными процессами является их синхронизация между собой [54]. Наиболее хорошо изученной является кардиореспираторная синхронизация, в частности синхронизация между колебаниями в вариабельности ритма сердца на частоте дыхания и самим дыханием, являющаяся функционально-организационной основой для возникновения описанной ранее в тексте респираторной синусной аритмии. Однако сравнительно недавно было обнаружено, что основной сердечный ритм и ритм дыхания также могут быть синхронизованы между собой [55]. При этом фазовая синхронизация дыхательного и сердечного ритмов и модуляция сердечного ритма дыханием выступают в качестве конкурирующих аспектов кар-диореспираторного взаимодействия, так как степень синхронизации дыхания и основного ритма сердца обратно пропорциональна величине респираторной синусной аритмии. В проводимых различными авторами исследованиях выявлено, что у спортсменов длительность участков прямой кардиореспиратор-ной синхронизации выше, чем у людей со средним уровнем физической активности [55]. В клинической практике иногда находит применение явление карди-ореспираторного синхронизма, имеющее непосредственное отношение к обсуждаемому межсистемному взаимодействию, заключающееся в развитии кардиореспираторной синхронизации уровня 1:1 при совпадении частот дыхания и сердцебиения [56].

Большой интерес также представляют исследования фазовой синхронизации ритмов с частотой 0,1 Гц у человека, учитывая важное значение данных колебаний в вегетативной регуляции сердечно-сосудистой системы. Возможность синхронизации уровня 1:1 между 0,1 Гц-колебаниями в вариабельности ритма сердца и вариабельности кровенаполнения сосудов микроциркуляторного русла у практически здоровых людей была выявлена достаточно недавно [50]. Показано, что в норме данные 0,1 Гц-колебания находятся в состоянии синхронизованности значительную часть времени (что составляет в покое более 25% от общего времени). С физиологической точки зрения наличие синхронизации между вегетативными регуляторными механизмами сердца и периферического кровообращения вполне может быть обосновано, так как микроциркуляция крови находится под контролем системных и местных регуляторных механизмов с участием реактивности сосудистой стенки. Важная роль вегетативных механизмов в регуляции микроциркуляции крови обусловливает развитие нарушений в последней на фоне различных видов вегетативной дисфункции у человека [57]. Существующее мнение, что данные колебания на уровне капиллярного русла имеют исключительно вазомоторную природу [58], спорно и требует дальнейшего изучения.

Доказательством функциональной независимости механизмов вегетативной регуляции, обусловливающих появление 0,1 Гц-колебаний в вариабельности ритма сердца и вариабельности кровенаполнения микроциркуляторного русла, является различная ширина диапазона фазового захвата частоты каждого из указанных 0,1 Гц-колебаний внешним сигналом (управляемым дыханием) с линейно меняющейся частотой [59]. Наблюдаемое явление захвата дыханием низкочастотных колебаний в вариабельности ритма сердца и вариабельности кровенаполнения микроциркуляторного русла в диапазоне, близком к основной частоте системы (т.е. вблизи 0,1 Гц), характерно для классических автогенераторов под действием внешних возмущений. Это также свидетельствует о том, что основная частота низкочастотных колебаний в системе кровообращения не является стационарной и может варьировать в узких пределах (в диапазоне 0,06-0,14 Гц [59]), обеспечивая тем самым гибкую адаптацию вегетативной регуляции к условиям функционирования. Результаты указанной работы изменяют существующие представления о природе повышенной чувствительности вегетативной регуляции к внешним сигналам с частотой около 0,1 Гц, объясняющие данный феномен с позиции резонанса в петле обратной связи барорефлекса. Учитывая наблюдаемый фазовый захват частоты собственных колебаний системы вегетативной регуляции внешним сигналом [59], можно полагать, что 0,1 Гц-колебания в выходном сигнале являются результатом динамики внутренних свойств системы вегетативной регуляции кровообращения, обусловленных общей инерционностью данной системы, а не пейсмекерной автогенерацией данных колебаний.

Современные представления о вегетативной регуляции системы кровообращения открывают новые перспективы для развития медицины. Например, в настоящее время активно развивается подход к повышению производительности труда и улучшения общего прихофизиологического состояния сотрудников предприятий, основанный на использовании свойств биологической обратной связи в вегетативной регуляции сердца [60]. Находит клиническое применение и оценка синхронизованности колебаний в вегетативной регуляции системы кровообращения [50, 61, 62].