Влияние ментального стресса на параметры паттерна дыхания у студентов с разной циркадианной типологией

Введение. Циркадианные ритмы представляют собой закономерные, с периодом около 24 ч, колебания интенсивности физиологических функций организма [1, 2], при этом в рамках циркадианной типологии выделяют три хронотипа: утренний («жаворонки»), дневной, или промежуточный, («голуби») и вечерний («совы») [3, 4]. Формирование биоритмов связано с активностью иерархически организованной системы центральных и периферических пейсмейкеров, генерирующих сигналы, обусловленные эндоген- ными и экзогенными влияниями [4, 5], причем у человека среди последних важную роль играют социальные факторы [1, 6].

В аспекте воздействия социальных факторов на ритмику физиологических функций особый интерес вызывают студенты, для которых характерны резкие изменения ритма жизни, необходимость адаптироваться к новым условиям и формам учебы, чрезмерные и нерегулярные информационные нагрузки [7], способствующие развитию ментального стресса. На примере многих физиологиче- ских функций продемонстрировано, что реакции организма в стрессовых ситуациях, при нагрузках и патологиях зависят от индивидуальных биоритмов человека [8, 9]. Однако в ряду этих функций до сих пор наименее изученной остается хронотипическая зависимость циркадианных вариаций ритма и паттерна дыхания, причем как в покое, так и при психоэмоциональном напряжении и в экстремальных условиях [10, 11]. На современном этапе, когда все больше возрастает роль персонализированного хронотипического подхода к человеку в сферах образования и профессиональной деятельности [12], недостаток знаний о циркадианных особенностях внешнего дыхания, определяющего параметры гомеостаза в организме, является весьма ощутимым и представляет актуальную проблему, требующую тщательного изучения.

Цель исследования . Анализ реакций внешнего дыхания у студентов с разными хронотипами при ментальном стрессе, создаваемом дозированной умственной нагрузкой, в утренние, дневные и вечерние часы.

Материалы и методы. Работа выполнена на 160 студентах Самарского университета, которые предварительно были проинформированы о целях и характере проводимых процедур и дали добровольное согласие на участие в исследовании. Определение типов циркадианных ритмов (хронотипов) испытуемых проводили по методике Д. Хорна – О. Эстерберга в модификации А.А. Путилова [3]. Все студенты были разделены на три группы: «жаворонки» (38 чел.), «голуби» (64 чел.) и «совы» (58 чел.).

Параметры паттерна внешнего дыхания регистрировали на спирографе СМП-21/01-«Р-Д», использовали датчик спирографа, мундштуки, калибровочный шприц (3 л), персональный компьютер. Спирограмму у испытуемых записывали в положении сидя до и сразу после выполнения информационной нагрузки, вызывающей ментальный стресс, трижды в день: утром с 7.30 до 9.00 ч, днем с 13.00 до 14.30 ч и вечером с 18.00 до 19.30 ч. Нагрузка заключалась в последова- тельном выполнении корректурной пробы Бурдона–Анфимова, теста «Расстановка чисел» и теста отсчитывания по Э. Крепелину. Анализировали жизненную емкость легких (ЖЕЛ, л), дыхательный объем (ДО, л), частоту дыхания (ЧД, цикл/мин), минутный объем дыхания (МОД, л/мин), емкость вдоха (Евд, л), резервные объемы вдоха (Рвд, л) и выдоха (Рвыд, л), длительность вдоха (Твд, с) и выдоха (Твыд, с), отношение Твд/Твыд.

Результаты исследования представляли в виде средних значений и ошибки и изменений средних значений в % от исходного уровня. Статистическую обработку проводили с помощью программного пакета SigmaРlot 12.0. У студентов с одинаковыми хронотипами достоверность дневной динамики параметров паттерна дыхания на фоне покоя и их изменения в условиях ментального стресса оценивали по парному критерию Вилкоксона и парному t-тесту Стьюдента. Достоверность различий реакций дыхания между представителями с разными хронотипами определяли по критерию Манна– Уитни–Вилкоксона. Статистически значимыми считали различия при p<0,05.

Результаты и обсуждение. В ходе исследования у представителей трех хронотипов выявлены различия в фоновых значениях параметров внешнего дыхания и характере его реакций на стресс-нагрузку в разные периоды дня. Интересно, что в состоянии психического покоя значимые вариации легочной вентиляции как интегрального показателя функции дыхания в течение дня были обнаружены только у студентов-«голубей» и «сов». Причем у первых отмечалось увеличение МОД днем и вечером (относительно утра) за счет роста ДО, а у вторых – вечером за счет роста ЧД. У «жаворонков» на фоне покоя МОД оставался стабильным, несмотря на изменения ЧД. Динамика фоновых значений параметров паттерна дыхания в течение дня у студентов с разными хронотипами характеризовалась ярко выраженными межгрупповыми различиями (табл. 1).

Таблица 1

Параметр	Утро 7.30–9.00	День 13.00–14.30	Вечер 18.00–19.30
«Жаворонки»
ЖЕЛ, л	4,89±0,25 ♦ ♦	4,75±0,26 ***	4,90±0,24 ###; ♦
Евд, л	1,40±0,12	1,42±0,14	1,56±0,14 **
Рвд, л	2,62±0,22	2,75±0,21	2,88±0,19 ♦
Рвыд, л	1,64±0,13 ♦♦♦ ; ▲	1,32±0,12**	1,31±0,14 **
ДО, л	0,63±0,03	0,65±0,04	0,66±0,04
ЧД, цикл/мин	19,77±0,78 ▲	18,94±0,51	18,49±0,57 *
МОД, л/мин	12,45±0,88	12,31±0,75	12,20±0,71
Твд, с	1,56±0,08	1,52±0,05	1,59±0,06
Твыд, с	1,60±0,08	1,65±0,07	1,71±0,09
Твд/Твыд	1,02±0,06	0,92±0,05 ♦	0,95±0,05
«Голуби»
ЖЕЛ, л	4,13±0,18 ♦♦ ; •••	4,45±0,20 **; •	4,46±0,19 **; ♦ ; ••
Евд, л	1,37±0,12 ••	1,37±0,14	1,34±0,11
Рвд, л	2,39±0,13 ••	2,51±0,17 •	2,51±0,14 *
Рвыд, л	1,18±0,09 ♦♦♦	1,28±0,09 *	1,30±0,09 *
ДО, л	0,61±0,03	0,70±0,05 *	0,65±0,04
ЧД, цикл/мин	19,20±0,65 •	20,01±0,74	19,25±0,69
МОД, л/мин	11,71±0,71	14,00±0,71 *	12,51±0,63 ×
Твд, с	1,55±0,07 •	1,61±0,07	1,72±0,07 ××; #
Твыд, с	1,78±0,08	1,63±0,08	1,68±0,09
Твд/Твыд	0,93±0,05	1,05±0,04 ♦	1,10±0,05 ×
«Совы»
ЖЕЛ, л	4,98±0,19 •••	4,74±0,15 •	5,03±0,15 ##; ••
Евд, л	1,61±0,10 ••	1,36±0,10 *	1,47±0,09
Рвд, л	3,04±0,16 ••	2,77±0,15 •	2,91±0,14
Рвыд, л	1,26±0,07 ▲	1,35±0,09	1,42±0,07 *
ДО, л	0,65±0,03	0,64±0,03	0,67±0,03
ЧД, цикл/мин	17,39±0,61 ▲; •	18,63±0,75 ××	19,01±0,85 ××
МОД, л/мин	11,30±0,64	11,92±0,73	12,73±0,62 ×
Твд, с	1,78±0,08 •	1,69±0,07	1,69±0,07
Твыд, с	1,95±0,11	1,76±0,07	1,77±0,07 ×
Твд/Твыд	0,99±0,04	1,02±0,04	1,01±0,04

Фоновые (в состоянии покоя) величины параметров паттерна дыхания у студентов с разными хронотипами в течение дня

Примечание. * (p<0,05), ** (p<0,01), *** (p<0,001) – достоверность отличий от утренних, # (p<0,05), ## (p<0,01), ### (p<0,001) – от дневных значений (парный t-тест Стьюдента); × (p<0,05), ×× (p<0,01) – достоверность отличий от утренних значений (парный тест Вилкоксона); ♦ (p<0,05), ♦♦ (p<0,01), ♦♦♦ (p<0,001) - достоверность различий между «жаворонками» и «голубями», • (p<0,05), •• (p<0,01), ••• (p<0,001) – между «голубями» и «совами», ▲ (p<0,05) – между «жаворонками» и «совами» (тест Манна– Уитни–Вилкоксона).

В условиях ментального стресса, создаваемого информационной нагрузкой, наиболее выраженные респираторные реакции наблюдались у студентов-«жаворонков», особенно утром. Стресс-нагрузка в утренние часы вызывала у «жаворонков» увеличение ЧД на 4,5 % (р<0,05) при общем ослаблении легочной вентиляции (снижение МОД на 13,1 %; р<0,01), обусловленном в первую очередь уменьшением ДО на 9,5 % (р<0,01)

относительно покоя. Одновременно уменьшались ЖЕЛ и Рвыд в среднем на 13,2 %. Днем ментальная нагрузка у этих студентов способствовала увеличению МОД на 6,3 % (р<0,05) в сочетании с выраженным ростом Твд/Твыд на 23,9 % (р<0,05) по сравнению с исходным уровнем. Реакции на ментальную деятельность в вечернее время у «жаворонков» выражались достоверным снижением ДО и пролонгированием фазы вдоха (рис. 1).

Рис. 1. Динамика параметров внешнего дыхания у студентов-«жаворонков» в условиях ментального стресса в течение дня.

Достоверные различия с показателями в состоянии покоя при:

* – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001 (парный тест Вилкоксона)

Студенты дневного хронотипа («голуби») занимали второе место по уровню изменений паттерна дыхания при стресс-нагрузке, причем наиболее выраженные реакции у них отмечались в дневные часы. В это время у «голубей» на фоне небольшого увеличения ЧД (4,3 %; p<0,05) происходило значительное уменьшение ДО (на 10,1 %; p<0,01), опреде- лившее интегральный эффект снижения МОД на 6,1 % (p<0,05) относительно покоя. Кроме того, отмечалось достоверное уменьшение ЖЕЛ и Рвд в среднем на 5 %. Утром и вечером выполнение тестовых заданий у «голубей» не вызывало изменений МОД, однако значимо меняло уровень таких параметров паттерна дыхания, как Твд/Твыд и ДО (рис. 2).

Рис. 2. Динамика параметров внешнего дыхания у студентов-«голубей» в условиях ментального стресса в течение дня.

Достоверные различия с показателями в состоянии покоя при:

* – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001 (парный тест Вилкоксона)

У студентов-«сов» в условиях ментальной деятельности наблюдалось наименьшее количество реакций дыхания, причем при выполнении нагрузки в разные периоды дня у них формировались различные тенденции в виде изменений отдельных объемных и частотных показателей паттерна дыхания (рис. 3). Так, в утреннее время реакции на стресс-нагрузку проявлялись уменьшением величин Рвд и Твд/Твыд. Днем в условиях ментального стресса менялись временные параметры паттерна дыхания, в частности увеличивались Твд и Твд/Твыд на 5,3 % (p<0,05) и 4,9 % (p<0,05) соответственно. Вечером отмечалось изменение объемных показателей спирограмм в виде снижения Евд на 12,2 % (p<0,01) и Рвыд на 6,3 % (p<0,05).

Рис. 3. Динамика параметров внешнего дыхания у студентов-«сов» в условиях ментального стресса в течение дня.

Достоверные различия с показателями в состоянии покоя при:

* – p<0,05, ** – p<0,01, *** – p<0,001 (парный тест Вилкоксона)

Межгрупповое сравнение реакций дыхания при ментальном стрессе выявило наличие наибольших различий в парах «голуби» – «совы», что проявлялось неоднозначными изменениями ЖЕЛ, Евд, Рвд, ДО и Твыд, особенно в утреннее время, и Рвыд в вечернее. В парах «жаворонки» – «голуби» различия в реакциях на стресс-нагрузку касались такого параметра паттерна дыхания, как ЖЕЛ (утром). Между «жаворонками» и «совами» существенной разницы в выраженности изменений дыхания при ментальной нагрузке не наблюдалось.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что на фоне спокойного бодрствования изменчивость параметров паттерна дыхания у студентов в течение дня в целом соответствовала их индивидуальным хронотипам. ЧД и ДО как основные параметры, определяющие базальный паттерн дыхания, в условиях покоя у «жаворонков», «голубей» и «сов» характеризовались приуроченностью акрофаз к утренним, дневным и вечерним ча- сам соответственно. Наблюдаемая в покое динамика показателей дыхания, на наш взгляд, обусловлена взаимодействиями нейросетей дыхательного центра, прежде всего комплекса пре-Бетцингера, где локализованы механизмы, обеспечивающие респираторный ритмогенез [13], с расположенными выше генераторами эндогенных биоритмов, среди которых ведущая роль отводится супрахиаз-матическому ядру [6].

Биоритмологическая зависимость паттерна дыхания проявилась у студентов и при ментальной нагрузке, причем в большей степени это касалось представителей утреннего и дневного хронотипов. Вызывает интерес определенное сходство в реакциях на нагрузку у «жаворонков» и «голубей», выражавшееся в умеренном увеличении у них ЧД в утреннее и дневное время соответственно. Рост ЧД является показателем активации механизмов внимания и мыслительных процессов [14], а также рассматривается как один из вегетативных коррелятов разных видов стресса [15, 16]. Снижение легочной вентиляции и дыхательного объема, наблюдаемое у «жаворонков» и «голубей» одновременно с приростом ЧД, является отражением изовен-тиляторных перестроек паттерна дыхания, что позволяет говорить об оптимальном уровне психоэмоционального напряжения у представителей данных хронотипов в указанные часы и оценивать совокупность их респираторных реакций как адекватный ответ на ментальную нагрузку, выполняемую в периоды максимальной суточной активности. В часы, не совпадающие с акрофазой функции дыхания, реакции на нагрузку проявлялись главным образом увеличением частотных и объемных параметров. Подтверждением служит увеличение МОД у «жаворонков» и рост показателей инспираторной активности у «сов» при ментальной деятельности в интервале времени от 13.00 до 14.30 ч. Поскольку данное время является для этих хронотипов периодом снижения среднесуточного уровня внимания и работоспособности, то наблюдаемое увеличение параметров дыхания свидетельствует о развитии ментального стресса и активации центральных механизмов респираторного контроля под влиянием психогенных воздействий [15]. Источником этих влияний являются структуры лимбической системы, а также ассоциативные и моторные области неокортекса [16].

Особенности респираторных реакций, связанные с циркадианной типологией испытуемых, при стресс-нагрузке могут быть обу- словлены спецификой влияний на эндогенные задаватели биоритмов, нисходящих со стороны высших отделов головного мозга. В рамках мультиосцилляторной модели формирования биоритмов предполагается наличие в организме нескольких независимых пейсмейкеров, подчиненных главному пейсмейкеру – супрахиазматическому ядру [1, 6]. В условиях ментального стресса влияния супрахи-азматического ядра на дыхательный центр, обладающий собственной ритмикой, скорее всего, носят модулирующий характер и в свою очередь могут корригироваться возбуждением, поступающим из подкорковых и корковых эмоциогенных зон [15, 16], а также экстрасуп-рахиазматических ритмогенных структур [17].

Заключение. Таким образом, параметры паттерна внешнего дыхания у студентов в состоянии относительного покоя и респираторные реакции в условиях ментальной деятельности зависят от циркадианной типологии испытуемых и времени суток. Результаты свидетельствуют о специфике регуляторных влияний, в т.ч. со стороны пейсмейкеров эндогенных ритмов, на внешнее дыхание и неодинаковой степени стабильности его базальных паттернов в условиях ментального стресса у представителей с разными хронотипами. Выявленная хронотипическая зависимость паттерна дыхания отражает различные возможности студентов-«жаворонков», «голубей» и «сов» в плане адаптации к временным режимам выполнения информационных нагрузок.