Системная организация физиологических функций, обеспечивающая максимальную физическую работоспособность

A.L. Pokhachevskiy1,2, ,

M.M. Lapkin2, , E.A. Trutneva2, , A.V. Kalinin3,4, , G.M. Lavrukhina3, , 1I.M. Sechenov First MSMU MOH Russia (Sechenovskiy University), Moscow, Russia 2Ryazan State Medical University, Ryazan, Russia

Введение. Переносимость физической нагрузки (ФН) как предиктор выживаемости и показатель смешанной выносливости имеет множество маркеров, полученных в результате анализа сердечного ритма (СР) в период непосредственного воздействия ФН [3–7]. Однако еще до ее начала в процессе индивидуального формирования системной организации физиологических функций (СОФФ), обеспечивающей физическую работоспособность (ФР), формируется предпусковая интеграция – программа включения необходимых физиологических механизмов для оптимальной переносимости ФН и механизм перцепции – для сравнения полученного результата с запланированным [1]. Поэтому изменчивость

СР, выявленная в процессе формирования СОФФ или в первые минуты ее функционирования, также, вероятно, является маркером переносимости ФН. Кроме того, изучение предвестников и ранних маркеров изменчивости временнόго ряда (ВР) кардиоритмограм-мы (КРГ) в конкретных условиях аэробноанаэробного обмена позволит выявить их прогностический потенциал, связанный с выяснением физических, тренировочных возможностей организма при субмаксимальных, минимально значимых нагрузках и даже в отсутствие таковых. Последнее весьма актуально при назначении ФН с реабилитационной целью [2]. Настоящий подход в целом имеет целью вывести спортивно-тренировочный, реабилитационный процесс на доказательный уровень с вероятностным прогнозом переносимости ФН, ее усвоения организмом, контроля процессов восстановления, профилактики перегрузки и перетренировки [3, 8–11].

Цель исследования: изучить «раннюю» изменчивость КРГ стресс-теста методом математического моделирования с тем, чтобы выявить взаимосвязи с переносимостью ФН и определяющими ее особенностями СОФФ.

Материалы и методы. Проведено пилотное исследование смешанной выборки практически здоровых испытуемых 18–22 лет (28 человек). Велоэргостресс-тест проводился по индивидуальному протоколу. Мощность W1(Ватт) 1-й нагрузочной ступени длительностью 3 минуты рассчитывалась, исходя из величины должного основного обмена (ДОО) в килокалориях по формуле W1(Вт) = ДОО × × 0,1. В дальнейшем нагрузка ступенчато возрастала на 30 Вт в минуту до индивидуального максимума (Wmx) – снижения скорости педалирования ниже 30 оборотов в минуту, обусловливающего конец нагрузки и начало восстановительного периода (ВП) [3–7].

Нагрузочные пробы проводились в первой половине дня на велоэргометре Lode Corival (7–1000 Вт). В течение всего тестирования кардиоанализатором (Нейрософт, 1000 Гц) записывалась оцифрованная электрокардиограмма, из которой выделялся ВР КРГ. КРГ нагрузочного и восстановительного периодов анализировались как линейные (Лин) Y = aX + b математические модели, где X – порядковый номер RR-интервала во временном ряду КРГ, Y – длительность RR-интервала, «a» – параметр модели наклон (Н), характеризующий скорость изменчивости временного ряда, и «b» – параметр модели отрезок (О), определяющий его постоянную составляющую. Математическому моделированию подвергался ВР КРГ: предстарта (ПС) – периода длительностью 30 секунд, предшествующего началу эргометрии; старта (СТ) – периода длительностью 30 секунд от начала вращательных локомоций на эргометре с нагрузкой 50 Вт; первой ступени нагрузки: раздельно 1, 2, 3-я минуты, попарно: 1,2; 2,3 и 1–3; первых 3 минут ВП: раздельно 1, 2, 3-я минуты, попарно: 1,2; 2,3 и 1–3.

Исследование газообмена полного цикла проводилось на основе анализа кривых концентрации О 2 и СО 2 в выдыхаемом воздухе испытуемых системой Quark CPET в течение всего нагрузочного тестирования. Определялось время наступления (T) и ЧСС анаэробного порога (Ан).

При анализе переносимости ФН учитывалась разница между Wmx и мощностью первой ступени (W1): W(Вт) = Wmx – W1. Результаты исследования обрабатывали с помощью статистического пакета Statistica 10.0. Поскольку распределение полученных значений отличалось от нормального, данные представлялись в виде квартильного ряда (Q1, 2, 3). Для статистической обработки использовались непараметрические методы сравнения Mann– Whitney и корреляционный анализ Spearman.

Результаты и обсуждение. Изменчивость КРГ ПС в большей части выборки проявляется минимальной тенденцией роста КИ, при этом уровень 1-го и 3-го квартиля демонстрируют противоположные реакции в виде уменьшения и более выраженного увеличения КИ соответственно (табл. 1). Однако отсутствие существенных корреляционных связей маркеров модели КРГ не позволяет уточнить взаимоотношения этих показателей. Пограничное по статистической существенности значение корреляционной связи показателя О с мощностью перенесенной нагрузки лишь позволяет предположить соответствие большего КИ в период ПС большему максимуму ФН.

Прирост мощности, достигнутый в выборке по медиане, незначительно превышает 90 Вт, что фактически соответствует 3 ступе-

Таблица 1

Table 1

Нагрузочные маркеры и характеристики математической модели КРГ (Q 1–3)

Exercise data and characteristics of the CRG mathematical model (Q 1–3)

Q dW (Watt) Анаэробный порог Anaerobic threshold Предстарт Pre-exercise Старт Start ЧСС / HR Т (с) / Time (s) Н О Н О Q1 83,7 142,00 117,00 –0,63 580,02 –4,79 550,97 Q2 96,3 145,00 125,00 0,31 669,03 –2,81 633,55 Q3 121,5 155,00 137,00 1,38 752,30 –1,85 712,53 ням рамп-протокола. При этом анаэробный порог преодолевался всеми обследуемыми на 2-й минуте нагрузки с минимальным разбросом по ЧСС на уровне 145 уд./мин.

Неустойчивая изменчивость КРГ и минимум связей с эргометрическими показателями, вероятно, обусловливаются неоднородностью выборки, когда у части ее резидентов сформированные СОФФ, определяющие переносимость ФН, недостаточно совершенны, что, вероятно, связано с редкой востребованностью (частотой повторного включения). Последнее обстоятельство оставляет большую степень свобод для взаимодействия компонентов адаптационных механизмов, что и обусловливает отсутствие оптимальных взаимосвязей в период предпусковой интеграции. В свою очередь динамика КРГ СП более однородна: наличие выраженной обратной связи (–0,94) показателей модели (Н; О) свидетельствует о соответствии большей скорости изменения КРГ большей длительности КИ. При этом большая скорость изменчивости является следствием меньшей ЧСС покоя, что неоднократно было показано в предшествующих исследованиях [3, 9–11]. Возрастает до статистической существенности и взаимосвязь маркеров КРГ этого периода с перенесенной нагрузкой. При этом большей скорости изменчивости КРГ и большей длительности КИ соответствует больший уровень ФН. Выраженная взаимосвязь маркеров модели КРГ СП и ПС позволяет вскрыть особенности периода ПС: более длительному КИ старта соответствует более длительный КИ (0,91) и положительная скорость увеличения КИ ПС (0,4). В свою очередь увеличение скорости уменьшения КИ СТ соответствует меньшей скорости изменчивости (–0,4) и большему КИ (–0,83) в период ПС. Следовательно, несмотря на то, что сами показатели ПС не могут быть точными предикторами максимальной переносимости ФН, однако достаточно точно предсказывают стартовый потенциал организма.

Скорость изменчивости КРГ на 1-й минуте нагрузки так же, как и в период старта, проявляется снижением длительности КИ, однако интенсивность этого процесса существенно снижается (табл. 2). Та же закономерность изменчивости КИ сохраняется на 2-й и 3-й минуте нагрузки, при этом прежней остается и тенденция падения скорости этого процесса: 2-я минута теряет в скорости относительно первой – в 3 раза, третья относительно второй – 80 %.

На первых минутах восстановления проявляется положительная динамика скорости увеличения КИ. При этом на 2-й минуте она возрастает относительно первой на 30 %, на 3-й – утрачивает динамику и снижается относительно второй на 35 %, а относительно первой – на 10 %. В свою очередь маркер модели О, в определенной степени свидетельствующий о средней длительности КИ, проявляется поступательным увеличением от 1-й к 3-й минуте: добавляя на второй – 18 %, на 3-й – 13 %. Динамика этого процесса на отрезке 2–3 – 20 %. Чем больше наклон КРГ при нагрузке, тем больше и при восстановлении (–0,47). Однако чем больше длительность КИ при нагрузке, тем больше и при восстановлении (0,42). Это проявляется преимущественно на 1-й и 3-й минуте нагрузки и характеризует преимущественно 1–3-ю минуту восстановления.

Иными словами, большая скорость роста ЧСС в нагрузочный период соответствует

Таблица 2

Table 2

Характеристики математической модели КРГ

Characteristics of the CRG mathematical model

Q 1 мин 1 min 2 мин 2 min 3 мин 3 min Период 1–2 Period 1–2 Период 2–3 Period 2–3 Период 1–3 Period 1–3 Н О Н О Н О Н О Н О Н О Нагрузочный период (exercise) Q1 –0,82 463,85 –0,25 383,28 –0,12 355,25 –0,42 442,26 –0,18 376,1 –0,28 425,4 Q2 –0,60 484,55 –0,18 409,03 –0,10 378,29 –0,37 469,24 –0,14 399,8 –0,25 451,3 Q3 –0,46 516,83 –0,14 420,88 –0,08 394,27 –0,29 489,01 –0,10 416,2 –0,19 472,7 Восстановительный период (recovery) Q1 0,25 305,56 0,27 349,60 0,13 413,01 0,28 300,92 0,25 354,93 0,27 301,55 Q2 0,31 318,23 0,39 374,97 0,26 424,05 0,34 314,07 0,31 376,47 0,35 317,18 Q3 0,40 329,37 0,58 404,38 0,34 465,70 0,49 330,21 0,45 415,68 0,47 333,58 большей скорости ее восстановления. В основе большего наклона КРГ в период нагрузки лежит большая длинна КИ в состоянии покоя, которая характеризует хроносбережение у более тренированного человека. При этом изучаемая популяция включает в равной степени как более, так и менее тренированных индивидов. Поэтому начало нагрузки с большего КИ и наличие в связи с этим большего диапазона ЧСС для ее регуляции и определяет большую скорость изменчивости.

Чем больше ЧСС анаэробного перехода, тем меньше КИ 1–3-й минут нагрузки и тем меньше угол наклона КИ. Анаэробный переход возникает тем позже по времени, чем больше перенесенная нагрузка (0,41) и меньше наклон КРГ на 3-й минуте (0,36) (табл. 3). Преодолевается тем большая нагрузка, чем меньший наклон имеется на 3-й минуте и диапазоне 1–2, 2–3, 1–3.

Высокие значения связи ЧСС анаэробного перехода – максимальные на 2-й минуте (–0,87) и временном отрезке на 2–3-й минуте (–0,86) – вероятно, позволят установить формулу регрессии для определения ЧСС анаэробного перехода по КРГ без учета данных газоанализа.

В период восстановления: чем больше ЧСС анаэробного перехода, тем меньше КИ на 1-й минуте (–0,55) и на интервале 1–2 (–0,4). Чем позже возникает анаэробный переход, тем больше скорость восстановления на 1–2-й минутах (0,4) и больше перенесенная нагрузка. Чем больше нагрузка, тем меньше КИ на 1-й минуте восстановления (–0,52), 1–2 (–0,47) и 1–3 интервалах (–0,55) и тем больше скорость восстановления на 3-й минуте (0,58).

Выявленная связь ЧСС АН перехода с КРГ восстановления обусловливается проявлением единства регуляцией хронотропной активности в процессе ФН. При этом положи- тельный хронотропный эффект, вскрывающийся увеличением ЧСС в процессе АН перехода, продолжает обнаруживаться и в период восстановления, свидетельствуя о регуляционном единстве нагрузочного и восстановительного периодов. Тенденция к снижению переносимости ФН в этом случае (–0,21) свидетельствует о негативности настоящей закономерности для формирования выносливости. В свою очередь более позднее возникновение АН перехода, свидетельствующее о более длительном аэробном энергообеспечении в процессе ФН, проявляется не только большей нагрузочной переносимостью, но и преобладающей скоростью восстановления. Последнее обстоятельство, вероятно, обусловливается энергетическим и регуляционным единством процесса ФН, когда вагусное торможение в период восстановления является следствием энергетической достаточности НП, а по сути – влиянием тренированности, когда большая нагрузка преодолевается и с меньшими затратами на ее обеспечение, и более активным восстановлением. При этом более высокий максимум ФН проявляется укорочением длительности КИ периода восстановления (1; 1–2; 1–3), но более высокой скоростью восстановления на 3-й минуте. Настоящий феномен обусловливается высокой физиологической стоимостью нагрузочного максимума, требующего дополнительных хронотропных затрат на 1-й минуте восстановления, компенсируемых высокой скоростью восстановления, проявляющейся к 3-й минуте.

Чем длительнее КИ ПС (0,21), СТ (0,24) и стартовый наклон КРГ (–0,31), тем больше достигнутый нагрузочный максимум (табл. 4). Настоящая закономерность обусловливается меньшей ЧСС покоя – большим хронотропным размахом в процессе преодоления нагрузочного максимума.

Таблица 3

Table 3

Корреляционные связи анаэробного перехода (АнЧСС, АнТ) и маркеров КРГ нагрузочного периода* Correlations between the aerobic-anaerobic level (AnHR, AnT) and CRG markers at exercise*

Маркер Marker

W

АнТ AnT

1 мин 1 min

2 мин 2 min

3 мин 3 min

1–2 мин 1–2 min

2–3 мин 2–3 min

1–3 мин 1–3 min

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

W

–

0,31

–0,25

0,3

0,35

0,36

0,35

0,36

АнЧCC AnHR

0,22

0,38

0,3

–0,73

0,5

–0,87

0,77

–0,8

0,38

–0,8

0,65

–0,86

0,54

–0,84

*Показатели, не достигшие статистической существенности (р > 0,05), не приводятся.

*Indicators that have not reached statistical significance (p > 0.05) are not shown.

Таблица 4

Table 4

Корреляционные связи показателей модели (М)* КРГ предстартового (ПС), стартового (СТ), нагрузочного и восстановительного периодов

Correlations between the parameters of the CRG model (M)* before exercise, at the beginning of the test, at exercise and recovery

М

1 мин 1 min

2 мин 2 min

3 мин 3 min

1–2 мин 1–2 min

2–3 мин 2–3 min

1–3 мин 1–3 min

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

Н

О

Нагрузочный период ( exercise)

ПС(О) Before

–0,48

0,58

–0,29

0,66

0,68

–0,38

0,61

0,65

–0,33

0,63

СТ(Н) At the beginning

0,36

–0,32

–0,34

–0,30

–0,47

–0,34

–0,36

–0,33

СТ(О) At the beginning

–0,54

0,56

0,56

0,63

–0,40

0,58

0,57

–0,30

0,57

Период восстановления (recovery)

ПС (О) Before

0,60

0,66

0,59

0,69

0,69

0,66

0,59

0,73

СТ (Н) At the beginning

–0,42

–0,48

–0,32

–0,35

–0,51

–0,52

–0,6

–0,33

–0,58

СТ (О) At the beginning

0,46

0,57

0,38

0,37

0,57

0,55

0,66

0,37

0,64

*Показатели, не достигшие статистической существенности (р > 0,05), не приводятся.

*Indicators that have not reached statistical significance (p > 0.05) are not shown.

Соответствие большего КИ и меньшей скорости изменчивости КРГ в период пред-старта, старта большему КИ на 1, 2 и 3-й минутах также обусловливается единством регуляции в процессе адаптации к ФН.

Больший КИ ПС, СТ опосредует меньшую ЧСС (–0,5, –0,43) и более позднее возникновение АН перехода (0,23). При этом более позднее наступление изменения энергообеспечения логично для достижения большего максимума работоспособности, однако невысокий уровень ЧСС является достаточным для физического напряжения на 1-й ступени стресс-теста, не требующей использования имеющихся хронотропных резервов, возникших в результате хроносбережения в процессе нагрузки и более низкого значения ЧСС покоя.

Выявленное во всех случаях незначительное превосходство предстартовых связей над стартовыми, вероятно, связано с преобладающим влиянием перцептивных процессов в стартовый период. При этом срабатывают истинные адаптационные механизмы, которые на данном этапе становятся ведущими, обнаруживаясь через механизмы предстартовой интеграции на основе формирующихся временных нейрофизиологических связей. Выявленные взаимосвязи, вероятно, обусловлены единством регуляции последовательных периодов адаптации к ФН, связанных с включением компонентов афферентного синтеза и предпусковой интеграции в рамках функциональной системы обеспечивающей максимум физической работоспособности. При этом высокий уровень связей, вероятно, позволит использовать маркеры ПС, СТ для прогноза переносимости ФН.

Чем больше КИ ПС, СТ тем меньше скорость изменения КРГ на 1–3-й минутах восстановления. Связь достигает максимальной выраженности на отрезках 1–3, 1–2, несколько снижаясь на отрезке 2–3, 2-й и 1-й минуте. Во всех случаях (за исключением отрезка 2–3) интенсивность связи больше в период ПС, чем на старте. Скорость изменчивости КРГ ПС, СТ срабатывает только в период старта, ПС – демонстрирует минимум связей умеренной интенсивности пограничных по статистической существенности. Чем больше наклон КРГ СТ, тем он больше и на 1–3-й минутах, при этом настоящая закономерность более выражена на отрезках 1–3, 2–3, несколько теряя в интенсивности на отрезке 1–2 и далее на 2, 1 и 3-й минутах. Кроме того, чем больше наклон КРГ СТ, тем меньше КИ на 3-й минуте, связь заметно снижается на 2-й минуте и отрезке 2–3, и полностью отсутствует на 1-й минуте.

Похачевский А.Л., Лапкин М.М., Трутнева Е.А. и др.

Таким образом, необычная закономерность соответствия меньшей ЧСС ПС, СТ меньшей скорости восстановления может объясниться большим максимумом ФН, который возмещается более длительным восстановлением.

Заметные различия интенсивности связей ПС и СТ также, вероятно, объясняются различием их происхождения, когда в основе ПС лежат предполагаемые афферентным синтезом адаптационные процессы, а в период СТ – реализуемые и детектируемые в акцепторе результата действия.

Выводы. Изменчивость СР отражает динамику ФР, а также метаболические и энергетические процессы, ее обеспечивающие.

Предстартовые показатели в условиях смешанной и ограниченной выборки не могут быть предикторами максимальной переноси- мости ФН, однако достаточно точно предсказывают стартовый потенциал обследуемого.

Выявленное превосходство по интенсивности предстартовых связей над стартовыми и обратная количественная закономерность, вероятно, объясняется различием происхождения, когда в основе ПС лежат механизмы предпусковой интеграции, связанные с формированием СОФФ, а в период старта – реализуемые адаптационные механизмы, возникшие при предъявлении определенной нагрузки.

Существенные значения связи с маркерами КРГ на 2, 3-й минуте НП, вероятно позволят установить формулу регрессии для определения АН перехода. Его более позднее возникновение проявляется не только большей нагрузочной переносимостью, но и преобладающей скоростью восстановления.