Оценка информативности и взаимосвязей функциональных показателей у спортсменов с различным уровнем гипоксически-гиперкапнической устойчивости

Е.Р. Бойко1, , И.О. Гарнов1,2, , А.Л. Максимов1, , 1 Институт физиологии Коми научного центра УрО РАН, Сыктывкар, Россия 2 Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина, Сыктывкар, Россия

Введение. Разработка интегральных маркеров оценки устойчивости организма к сочетанному действию гипоксии и гиперкапнии остается важным направлением не только в фундаментальных исследованиях изучения физиологических механизмов обеспечения этих состояний, но и в прикладных аспектах оценки функциональных резервов спортсменов. В абсолютном большинстве случаев при исследованиях воздействия недостатка кислорода на организм используются специальные газовые смеси или подъемы человека на высоту в барокамерах и натурных горных условиях. В то же время существуют методы, когда организм способен сам формировать гипоксиче-ски-гиперкапническую среду, возникающую в процессе ререспирации без поглощения углекислого газа [2, 4].

Ранее проводимыми нами исследованиями была показана информативность пробы с ререспирацией для оценки устойчивости к гипоксии, гиперкапнии и холоду [1, 5]. Однако до настоящего времени остается открытым вопрос, как связан уровень спортивного мастерства с гипоксически-гиперкапнической устойчивостью. С целью решения этого вопроса было проведено исследование функциональных перестроек у высококвалифицированных лыжников-гонщиков относительно практически здоровых лиц, не имеющих спортивных разрядов, ведущих активный образ жизнедеятельности с оценкой уровня информативности показателей, используемых при расчете ИГУ.

Объект и методы исследования. Исследования проводились в помещении с температурой воздуха в пределах 23 ± 1,5 °С с 9:30 до 12:30 в будние дни. Выборка состояла из 32 мужчин: 14 студентов Сыктывкарского колледжа отделения «Физическая культура» в возрасте 19,3 ± 0,3 года, ИМТ 24,4 ± 1,0 кг/м²

(группа 1). Вторая группа состояла из 18 профессиональных лыжников – членов сборных команд России по лыжным гонкам, 7 из них являлись КМС, 11 – МС в возрасте 22,0 ± 1,2 года, ИМТ – 23,0 ± 0,4 кг/м². Для расчета ИМТ применяли формулу Кетле, а длину и массу тела спортсменов измеряли с помощью системы ACCUNIQ BC380 (Южная Корея). Для проведения пробы ререспирации, без поглощения СО₂ и оценкой уровня гипоксически-гипер-капнической устойчивости, был использован ранее разработанный способ, описанный в журнальных публикациях [1, 6]. Для измерения показателей потребляемого О 2 и содержания СО 2 в выдыхаемом воздухе до начала пробы и в дыхательном мешке сразу после ее окончания использовался отечественный газоанализатор «НПК «Карбоник». Показатели артериального давления измеряли прибором AND, модель UA-777 (Япония), в фоне и пике пробы (конец 3-й минуты ререспирации). В эти же периоды пальцевым пульсоксиметром MD 300M (США) регистрировался уровень оксигенации крови (SpО 2 %). Исходя из полученных показателей газообмена и гемодинамики, рассчитывалась для каждого обследуемого величина его ИГУ. При этом ИГУ = = (O 2 р-р ÷ CO 2 р-р) · (SpO 2 р-р ÷ SpO 2 фон)· (HRфон ÷ HRр-р), где показатели с обозначением р–р, – это значения на пике ререспирации, а с обозначением фон – соответствовали состоянию до начала пробы.

Результаты подвергнуты статистической обработке с применением пакета прикладных программ Statistica (версия 8.0, Statsoft Inc.). Проверка на нормальность распределения переменных осуществлялась на основе теста Шапиро – Уилка. В случае ненормальности распределения выборки данные представлены в виде медианы (Ме) и интерквартильного размаха в виде 25 и 75 квартилей, а в случае нормального распределения – как среднее значение и его ошибка (М ± m). Для расчета статистической значимости различий между группами применялся метод попарного сравнения – критерий Манна – Уитни, проведен корреляционный анализ по Спирмену и дисперсионный факторный анализ методом главных компонент и главных факторов [3, 8]. Различия считались статистически значимыми при уровне p ≤ 0,05.

Все исследования проведены в соответствии с принципами биомедицинской этики, сформулированными в Хельсинкской декларации 1964 г., и одобрены локальным этическим комитетом ИФ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар (протокол от 15.11.2022 г.). Каждый участник после разъяснения ему потенциальных рисков, преимуществ и характера предстоящего исследования подписывал добровольное письменное согласие.

Результаты. В табл. 1 представлены морфометрические и функциональные показатели в покое (фон) и по окончании ререспирации.

Таблица 1

Table 1

Показатели по группам в покое и по окончании ререспирации (Me, 25;75Q)

Parameters by group at baseline and after rebreathing (Me, 25;75Q)

Изучаемые показатели Parameter	Лыжники-гонщики Сross-country skiers		Студенты University students		Различия (p) между показателями по окончании пробы p-value (post-test differences)
	Фон Baseline	Окончание пробы Post-test	Фон Baseline	Окончание пробы Post-test
SpO 2 , %	98,0 (98,0; 98,0)	94,0 (94,0; 96,0)	98,0 (97,0; 99,0)	91,0 (88,3; 93,7)	0,000
О 2 , %	17,4 (17,3; 17,3)	11,7 (11,3; 12,1)	17,0 (16,5; 17,8)	9,4 (8,7; 10,6)	0,000
СО 2 , %	3,0 (2,9; 2,9)	7,8 (7,5; 8,1)	3,3 (2,6; 3,7)	9,7 (8,9; 10,3)	0,000
ЧСС, уд./мин HR, bpm	62,0 (60,0; 60,0)	66,0 (59,5; 72,0)	64,0 (58,5; 70,5)	86,5 (71,2; 89,7)	0,002
САД, мм рт. ст. SBP, mmHg	120,0 (119; 119,5)	126,0 (105,5; 134,5)	116,5 (113,5; 120,0)	130,5 (116,2; 138,3)	0,5
ДАД, мм рт. ст. DBP, mmHg	63,0 (62,5; 62,5)	60,0 (56,0; 66,5)	66,0 (57,5; 71,7)	65,0 (59,2; 67,7)	0,3
ИГУ, ед. HTI, a. u.	–	1,3 (1,2; 1,6)	–	0,7 (0,9; 0,8)	0,000

В состоянии покоя отсутствуют статистиче- ции статистически значимые различия в функ- ские различия между показателями.

Как следует из табл. 1, по окончании ререспирации между всеми показателями в группах наблюдались статистически значимые различия. Так, у лыжников относительно студентов уровень SpO2 и значение О2 оказались выше на 5 и 20 % соответственно, а содержание СО2 было ниже на 20 %. При этом ЧСС у студентов по окончании пробы оказалась на 31 % выше, чем у лыжников. Однако статистически значимого изменения САД и ДАД между обследуемыми группами не наблюдалось. Выявленные особенности в показателях газообмена и ЧСС в процессе ререспирации связаны с более высокой гипоксической устойчивостью лыжников, где одним из физиологических механизмов, влияющих на функциональные перестройки, является снижение чувствительности хеморецепторов к уровню О2 и СО2 [9]. Известно, что при сочетанном влиянии на организм гипоксии и гиперкапнии в регуляторный процесс активно включаются центральные и периферические хеморецепторы. При этом центральные хеморецепторы стволовой части мозга чувствительны к изменениям СО2 в крови через рН межклеточной жидкости и имеют полисинаптические нервные входы от каротидных синусов. Периферические рецепторы дуги аорты, наоборот, чувствительны к уровню О2 в крови и при возрастании СО2 обеспечивает вазоделатаци-онный эффект с возможным понижением АД. Подчеркнем, что выявленные при ререспира- циональных показателях вместе с тем не позволяли оценить степень и характер их взаимосвязи между собой, что потребовало проведения корреляционного анализа. На рис. 1 представлены корреляционные матрицы, отражающие взаимосвязи между показателями сразу по окончании ререспирации. При этом использовались только статистически значимые коэффициенты, соответствующие уровням средних и сильных взаимосвязей от 0,3 и выше (см. рисунок).

Количество связей какого-либо показателя отражает его информативность и значимость в структуре корреляционной плеяды, в этом случае ИГУ обладает наибольшей информативностью относительно других показателей. Интересным аспектом, отличающим структуру корреляционной плеяды у лыжников-гонщиков, является наличие у них всего по одной связи SpO2 и ЧСС с другими показателями, в то время как у студентов эти же самые характеристики имели соответственно по 3 и 4 взаимосвязи. Отметим, что у студентов SpO2 не коррелирует с ИГУ, а ЧСС с этим же показателем имеет статистически значимый отрицательный коэффициент при Rs = –0,6, указывающий, что с увеличением ЧСС величина ИГУ уменьшается, отражая снижение устойчивости организма к гипоксии. При этом чем выше уровень О2 в мешке по окончании ререспирации, тем ниже там содержание СО2, что отражается отрицательными коэффициентами корреляции между этими показателями.

Матрицы структуры и значений корреляционных взаимосвязей показателей у лыжников-гонщиков (1) и студентов (2) по окончании выполнения пробы с ререспирацией: полужирными линиями выделены сильные связи, обычными – средние; пунктиром – отрицательные, сплошными – положительные связи

Matrices of the structure and values of correlations among parameters in cross-country skiers (1) and university students (2) after completion of the rebreathing test: bold lines indicate strong correlations; regular lines indicate moderate correlations; dotted lines indicate negative correlations; and solid lines indicate positive correlations

В обеих группах также наблюдается отрицательная корреляционная зависимость между ИМТ и ИГУ, показывающая, что с увеличением массы тела гипоксическая устойчивость уменьшается. Несмотря на то, что корреляционный анализ позволяет определять характер и силу взаимосвязей между показателями, вопрос количественной оценки вклада каждого показателя в структуре функциональной системы оставался открытым, что мы попытались решить, применив дисперсионный факторный анализ, используя метод главных компонент и главных факторов [7, 8].

Для определения удельной значимости показателей и рангов факторов в обследуемых группах использовался дисперсионный фак- торный анализ методом главных компонент и максимального правдоподобия, при этом факторы с величинами накопленной дисперсии менее 10 % относительно предыдущего значения согласно требованиям математического анализа не учитывались [3]. Результаты факторного анализа для лыжников и студентов представлены в табл. 2, 3.

Как следует из табл. 2, в группе лыжников максимальная накопленная дисперсия приходится на первые три фактора, составляя в сумме 77,6 %, что позволяло ожидать проявления сильных статистически значимых корреляционных связей с коэффициентами 0,7 и более между этими факторами и функциональными показателями, что представлено

Таблица 2

Table 2

Факторы Factors	Собственные числа Eigenvalues	% от общей дисперсии % Total variance	Кумулятивные значения Cumulative еigenvalue	Накопленная дисперсия в % Cumulative variance in %
I	3,1 / 3,0	38,2 / 37,7	3,1 / 3,0	38,2 / 37,7
II	1,9 / 2.1	23,3 / 26,6	4,9 / 5,1	61,5 / 64,2
III	1,3 / 1,3	16,1 / 16,1	6,2 /6,4	77,6 / 80,4
IV	1,0 / 0,7	12,2 / 8,6	7,2 / 7,1	89,9 / 89,0

Собственные значения главных компонент дисперсий факторов в группе лыжников и студентов

Eigenvalues of principal components of factor variances in skiers аnd students

Примечание: в числителе – значения лыжников, в знаменателе – студентов.

Note: values for skiers are shown in the numerator, values for students are shown in the denominator.

Значения рангов и коэффициентов корреляций дисперсии факторных нагрузок показателей в группе лыжников и студентов

Ranks and correlation coefficients of factor-loading variances in skiers and students

Таблица 3

Table 3

Функциональные показатели Functional parameter	Фактор I Factor I	Фактор II Factor II	Фактор III Factor III	Фактор IV Factor IV
ИМТ, м2/ BMI, m2	0,18/0,50	0,73/– 0,42	–0,37/0,57	–0,17/0,08
SpO 2 , %	–0,32/–0,65	–0,19/0,31	0,72/ –0,45	–0,46/–0,42
O 2 , %	–0,96/–0,76	0,10/0,21	–0,21/0,57	–0,03/0,01
CO 2 , %	0,96/0,86	–0,10/–016	0,21/–0,43	0,03/0,07
ЧСС, уд./мин / HR, bpm	–0,33/ 0,54	0,41/0,34	0,71/ 0,48	0,45/–0,52
САД, мм рт. ст. / SBP, mmHg	0,39/–0,06	0,50 /–0,91	0,16/0,03	–0,65/–0,08
ДАД, мм рт. ст. / DBP, mmHg	–0,45/–0,19	0,84/–0,84	0,04/–0,07	0,07/–,042
ИГУ, ед. / HTI, a. u.	–0,79/–0,83	–0,40/–0,35	–0,11/0,06	–0,33/0,20
Общая дисперсия по факторам Total variance by factor	3,05/3,01	1,86/0,21	1,29/1,29	0,98/0,69

Примечание: в числителе – значения лыжников, в знаменателе – студентов; полужирным шрифтом выделены статистически значимые коэффициенты корреляции (R ≥ 0,7), отражающие сильные взаимосвязи между факторами и функциональными показателями.

Note: values for skiers are shown in the numerator, values for students are shown in the denominator. Statistically significant correlation coefficients (R ≥ 0.7) are given in bold and indicate strong correlations between factors and functional parameters.

в табл. 3. Оказалось, что в первый по рангу фактор входят как у лыжников, так и у студентов три показателя: О 2 , СО 2 и ИГУ с коэффициентами больше 0,7. Во второй фактор у лыжников входят ИМТ и ДАД, а у студентов – только значения САД и ДАД. Третий фактор у лыжников формируется за счет статистически значимых коэффициентов SpO 2 и ЧСС, а у студентов 3-й фактор не выявляется, так как все коэффициенты там ниже 0,7. Аналогичная картина у обследуемых лиц наблюдается и для 4-го фактора. Таким образом, для лыжников существенными являются только 1–3-й факторы, а для студентов – 1-й и 2-й. Исходя из значений статистически значимых коэффициентов корреляций, отражающих сильные взаимосвязи факторов с функциональными показателями при значениях 0,7 и более без учета знака, были рассчитаны в % удельные веса факторов и отдельных показателей их составляющих (табл. 4).

При этом сумма всех высокозначимых коэффициентов корреляции первого фактора (см. табл. 3) в группе лыжников составляла 2,72 ед., что соответствовало 38,2 % от общей накопленной дисперсии, представленной в табл. 2. В этом случае согласно пропорции, где 2,72 – это 38,2 %, а 0,96 – Х, удельный вес показателя кислорода с коэффициентом 0,96 составлял 13,5 %. Аналогично рассчитываются значения и для других показателей с учетом уже их процентного значения от общей дисперсии. Оказалось, что в группе лыжников наибольшей информативностью при ререспирации обладают 13 показателей, составляющих 3 фактора, а у студентов – 8, входящих в 2 фактора. Следует подчеркнуть, что в обеих группах в первый фактор входили одинаковые показатели с близкими удельными весами, что отражало их высокую информативность при оценке гипоксически-гиперкапнической устойчивости вне зависимости от наличия или отсутствия у обследуемых высоких спортивных разрядов. Отметим, что у студентов в состав второго фактора входили только показатели АД, в то время как у спортсменов там был ИМТ с достаточно высоким удельным весом 19,3 %, а совокупное значение этого фактора составляло 26,6 %, что на 9,7 % превышало значение второго фактора в группе студентов. Таким образом, полученные результаты позволяют подойти к возможности

Таблица 4

Table 4

Удельные значения показателей факторного дисперсионного анализа в обследуемых группах по окончании пробы с ререспирацией

Specific values of factorial ANOVA parameters in the study groups after the rebreathing test

Ранг фактора и его удельный вес, % Factor rank and contribution, %	Показатели, входящие в фактор Parameters included in the factor	Удельное значение показателя в структуре фактора, % Factor loading of the parameter, %
Лыжники-гонщики / Сross-country skiers
1 (38,2 )	О 2	13,5
	СО 2	13,5
	ИГУ / HTI	11,2
2 (36,3)	ИМТ / BMI	17,0
	ДАД / DBP	19,3
3 (16,1)	SpO 2	8,1
	ЧСС / HR	8,0
90,6		90,6
Студенты / Students
1 (37,7)	О 2	11,7
	СО 2	13,2
	ИГУ / HTI	12,8
2 (26,6)	САД / SBP	13,8
	ДАД / DBP	12,8
64,3		64,3

Примечание: полужирными цифрами показаны суммарные значения факторов и удельные веса показателей их составляющих.

Note: bold numbers indicate the total factor values and the specific weights of their constituent components.

количественной оценки отдельных показателей, включая ИГУ, и в целом совокупного удельного веса конкретных факторов с учетом их ранговой значимости.

Заключение. Проведенные исследования профессиональных лыжников-гонщиков и студентов с оценкой функционального ответа их организма на ререспирацию и использование специальных методов математического анализа позволили подтвердить информативность разработанной технологии и предложенной формулы для индивидуальной типизации лиц по уровню их устойчивости к ги-поксически-гиперкапническому воздействию. При этом выявлено, что корреляционный анализ не дает возможности количественной оценки информативности показателей плеяды и в определенных случаях может приводить к парадоксальным выводам. Так, в группе профессиональных лыжников, согласно корреляционному анализу, показатели SpO2 и ЧСС могли бы быть оценены как малозначимые в связи с тем, что имели только по 1 взаимосвя- зи в общей структуре матрицы. Однако факторный анализ показал, что это не так и эти показатели составляют 3-й фактор с удельным весом 16,1 %, в то время как у студентов они не входят в структуру факторов, хотя имели в матрице по 3 и 4 корреляционных взаимосвязи. Таким образом, на основе факторного анализа удается не только минимизировать число исследуемых показателей и количественно определить их уровень информативности, но и показать, что устойчивость организма к нарастающему гипоксическому и гиперкапническому воздействию у высокотренированных спортсменов-лыжников зависит не только от показателей газообмена и кардиогемодинамики, но и от ИМТ. Возможности количественной оценки удельного веса факторов и показателей их составляющих открывают возможности индивидуального контроля функционального состояния спортсмена в процессе тренировочного периода на основе динамики изменений его индекса гипоксически-гиперкапни-ческой устойчивости.