УДК 612.172.2-053.5:[612.176:612.825.8]-053.5

Синицкая Е.Ю., Волокитина Т.В.

РЕГУЛЯЦИЯ СЕРДЕЧНОГО РИТМА У ДЕТЕЙ МЛАДШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА ПРИ ФИЗИЧЕСКОЙ И УМСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова, Архангельск

 

В исследовании использован функциональный подход к оценке спектральных параметров вариабельности сердечного ритма. Характеристики кардиоритма изучались трижды: в состоянии покоя, во время умственной или физической нагрузки и в период восстановления. Всего обследовано 218 детей. Выявлены функциональные особенности реагирования на умственную и физическую нагрузку регуляторных структур, управляющих работой сердца, в зависимости от возраста и уровня показателей умственной и физической работоспособности. Получены данные о гетерохронности созревания структур, отвечающих за регуляцию кардиоритма в процессе умственной и физической деятельности у младших школьников.

Ключевые слова: дети-северяне, вариабельность ритма сердца, спектральные параметры вариабельности сердечного ритма, умственная и физическая нагрузка, регуляция кардиоритма.

The study used a functional approach to the evaluation of spectral parameters of heart rate variability. Characteristics of heart rate were studied three times: at rest, during mental or physical exertion and during recovery. 218 children were examined.   Identified functional features to respond to mental and physical burden of regulatory structures that govern the work of the heart, depending on age and level indicators of mental and physical performance. The data of heterochrony maturation structures responsible for the regulation of heart rate during mental and physical activity in primary school children were obtained.

Keywords: children-northerners, variability of a rhythm of heart, spectral
Parameters of variability of a warm rhythm, intellectual and physical activity, regulation of a rhythm of heart

Изучение интегративных показателей функционального состояния организма позволяет эффективно оценивать организацию различных видов деятельности человека. Роль спектральных характеристик вариабельности сердечного ритма в качестве интегрального показателя функционирования системы управления изучена недостаточно [16]. В течение последних лет накоплен обширный материал по оценке временных и частотных показателей вариабельности сердечного ритма у взрослых и детей в состоянии относительного покоя [4, 11]. Для оценки вклада определенных звеньев системы управления физиологическими функциями в процессе регуляции деятельности применяется функциональное тестирование. При этом традиционно в качестве нагрузочной используется ортостатическая проба [4, 9]. Следует отметить, что работы, посвященные изучению спектральных показателей в процессе выполнения как умственной, так и физической деятельности немногочисленны [1, 3, 6, 7]. Спектральный анализ сердечного ритма позволяет косвенно судить о состоянии сегментарных и надсегментарных структур мозга [12,15, 16, 19]. По мнению А.Н. Флейшмана, S. Akselrod, частотные характеристики вариабельности сердечного ритма отражают уровень и характер метаболических процессов и особенности их нейровегетативной регуляции [17, 20].

С учетом гетерохронно протекающих преобразований в физиологических системах и мозговых структурах у детей младшего школьного возраста, отвечающих за организацию различных видов деятельности, представляется актуальной оценка спектральных параметров сердечного ритма у детей при функциональной нагрузке.

В настоящей работе выявлялись особенности механизмов вегетативной регуляции сердечного ритма на основе анализа спектральных характеристик вариабельности сердечного ритма у детей младшего школьного возраста при умственной и физической деятельности.

Проведено обследование 218 детей (111 мальчиков и 107 девочек) в возрасте от 8 до 10 лет, учащихся начальных классов общеобразовательных школ г. Архангельска. Все обследованные школьники относились к 1–2 группам здоровья, на уроках физкультуры занимались в основной группе.

Изучение вариабельности сердечного ритма проводилось методом кардиоритмографии с использованием комплекса «ORTO Science» (ИПП «Живые системы», г. Кемерово) в комплект которого входит дистанционный беспроводной кардиодатчик. Характеристики вариабельности сердечного ритма изучались трижды: в фоновых условиях (после предварительного отдыха, сидя), во время проведения функциональной пробы и в период восстановления. Из анализа кардиоритмограмм были исключены переходные периоды, длительность которых при физической нагрузке определялась временем стабилизации ЧСС у исследуемого. Для оценки вариабельности сердечного ритма во время умственной нагрузки анализировалась кардиоритмограмма, записанная в течение  всего периода работы (10 минут).

Спектральные характеристики сердечного ритма вычислялись по методу быстрого преобразования Фурье, при этом оценивались параметры сердечного ритма в трех частотных диапазонах: высокочастотные колебания (2–10 сек, 0,4–0,15 Гц), HF (мс²); низкочастотные колебания (10–30 сек, 0,15–0,04 Гц), LF (мс²); сверхнизкочастотные колебания (больше 30 сек, 0,04–0,003Гц), VLF (мс²); и по суммарной мощности спектра TF, (мс²). Из показателей, вычисляемых по данным вариационной пульсометрии, оценивался индекс напряжения (ИН).

Для изучения реакции регуляторных систем на физическую и умственную нагрузку применялись функциональные нагрузочные тесты: корректурная проба Э. Ландольта с определением качественного (А) и количественного (Р) показателей и адаптированный по возрасту Гарвардский степ-тест  [8, 10, 15].  

Статистическая обработка полученного материала проводилась с использованием пакетов программ «SPSS 12.0 for Windows». Применялись следующие методы: Крускала-Уоллиса (ANOVA), Манна-Уитни (U-тест) для независимых выборок, теста Колмогорова-Смирнова, Вилкоксона для зависимых выборок. За достоверные принимали различия на уровне значимости 95% (р<0,05).

Результаты исследования и их обсуждение

Изучение частотных составляющих вариабельности сердечного ритма показало, что для всех обследованных детей 8–10 лет характерно наличие хорошо выраженных волн сердечного ритма во всех трех диапазонах частот, что совпадает с наблюдениями других авторов [5]. Достоверных отличий по параметрам относительной мощности между возрастными группами не выявлено. При сравнении спектральных показателей сердечного ритма и значений индекса напряжения у мальчиков и девочек одного возраста не было выявлено достоверных различий, что позволило объединить их в одну группу для проведения статистических сопоставлений.

При анализе среднегрупповой реакции сердечного ритма на дозированную умственную нагрузку у детей младшего школьного возраста было выявлено, что динамика спектральных показателей вариабельности сердечного ритма имеет определенную закономерность (табл. 1). Суммарная мощность спектра и абсолютные мощности всех диапазонов спектра достоверно снижались во время выполнения работы с последующим восстановлением исходного уровня или его превышением в послерабочем периоде (р ≤ 0,001).

При физической деятельности (адаптированный Гарвардский степ-тест) абсолютные мощности всех спектральных показателей и суммарная мощность спектра достоверно снижались во всех возрастных группах (табл. 2). Подобная динамика спектральных показателей при физической нагрузке отмечена рядом авторов [14, 21].  После нагрузки значения частотных параметров восстанавливались до исходных цифр или превышали исходный. 

 

Таблица 1

Сопоставление динамики спектральных параметров вариабельности сердечного ритма младших школьников при умственной нагрузке (M±m)

 

Примечание. Звездочкой * слева  обозначена достоверность различий с предыдущим периодом измерений, справа – с последующим возрастом.

* – р ‹ 0,05, ** – р ‹ 0,01; *** – р ‹ 0,001.

Таблица 2

Динамика спектральных параметров вариабельности сердечного ритма младших школьников при физической нагрузке (M±m)

 

Примечание. Звездочкой *справа  обозначена достоверность различий со следующим  возрастом; слева – с предыдущим периодом измерений.

* –  р ‹ 0,05, ** - р ‹ 0,01; *** - р ‹ 0,001.

 

Во всех возрастных группах наблюдалось достоверное (р<0,05-0,001) увеличение значений ИН при умственной и физической деятельности, причем у всех детей во время степ-теста рост показателя был значительно более выражен, чем при выполнении теста Ландольта.

По результатам невербального теста Ландольта было выделено три группы детей с учетом уровня умственной работоспособности: с низким, средним и высоким уровнем работоспособности. Однофакторный дисперсионный анализ не выявил достоверных различий по всем спектральным параметрам и индексу напряжения у детей с разным уровнем умственной работоспособности в покое, во время работы и в период восстановления, что отражает особенности механизмов вегетативной регуляции при умственной деятельности в этом возрастном диапазоне. 

Используемый в качестве функциональной нагрузки адаптированный Гарвардский степ-тест позволил выделить две группы детей. Первая группа - с уровнем ИГСТ ниже среднего (56–64), вторая – с уровнем ИГСТ выше среднего (80–89) и средним (65–79). Школьники со средним значением индекса и индексом выше среднего были объединены для проведения статистических сопоставлений в одну группу, так как группа детей с уровнем ИГСТ выше среднего немногочисленна.

В фоновом состоянии и в период после работы исследуемые группы достоверно отличались по спектральным параметрам (р<0,05–0,001): для детей с уровнем ИГСТ ниже среднего характерны более низкие значения абсолютной мощности во всех частотных диапазонах, что свидетельствует о менее интенсивном вегетативном воздействии на сердечный ритм (табл. 3).

В период работы имелись достоверные отличия по показателям HF и TF (р<0,05–0,01), причем более высокие значения наблюдались у детей со средним и высоким уровнем ИГСТ. Особенности различий между исследуемыми группами соотносятся с наблюдениями других авторов [5, 13], по данным которых автономный контур регуляции у детей под влиянием физической нагрузки совершенствуется в большей степени, нежели центральный. В период восстановления происходит возвращение значений спектральных показателей  LF и HF к исходному уровню, а значения TF и VLF достоверно превышают исходный уровень, что соответствует описанной динамике в возрастных группах.

Как при умственной, так и при физической активности абсолютная мощность всех спектральных показателей падала во время нагрузки, однако при физической деятельности снижение было выражено в большей степени. Так, при умственной деятельности мощность спектра в диапазонах VLF, LF и HF у восьмилетних детей уменьшалась в среднем на 44,5; 16,9 и 50,2 % соответственно, а при физической деятельности – на 80,6; 93,6 и 97,4 %.

Таблица 3

Динамика спектральных параметров вариабельности сердечного ритма младших школьников с разным уровнем ИГСТ при физической нагрузке (M±m)

 

Примечание. Звездочкой *справа  обозначена достоверность различий в группах; звездочкой * слева – с предыдущим периодом измерений.

* –  р ‹ 0,05; ** – р ‹ 0,01; *** – р ‹ 0,001.

 

Выявленное падение абсолютной мощности спектральных показателей сердечного ритма при умственной и физической нагрузке может свидетельствовать об уменьшении центральных влияний на работу сердца в стрессорных условиях, что имеет определенный биологический смысл [19]. В условиях выраженной функциональной нагрузки или при стрессе все системы организма подчинены  достижению цели, и требования, предъявляемые к работе сердца, упрощаются: оно должно развить лишь максимальную производительность. При этом влияние симпатической нервной системы приводит к выравниванию ритма сердца.

Известно, что в противоположность симпатической нервной системе, обла­дающей способностью диффузного (необособленного) распро­странения импульсов сразу на несколько органов, парасимпати­ческой системе свойственно посылать свои импульсы к одному определенному органу, в определенном направлении. Благо­даря этому любой из периферических органов (сердце, печень и др.) связывается с центральной нервной системой самостоятельно, обособленно, что дает ЦНС возможность избирательного изолированного дей­ствия в одном каком-либо органе, без сопутствующего действия на другие [13]. В усло­виях покоя влияние адренергического передатчика на сердце подавляется холинергическим, во время нагрузки парасимпатические эффекты на синусовый узел должны ослабляться для реализации симпатических влияний (выравнивание ритма сердца). Таким образом, выявленные особенности динамики спектральных показателей не противоречат основным закономерностям функционирования вегетативных центров. На фоне общей активации эрготропных механизмов в процессе умственной и физической деятельности [2], проявляющихся достоверным увеличением значений ИН, роль высших центров, генерирующих VLF и LF-волны, направлена на создание более экономичного режима работы сердца, что соответствует задачам и возможностям парасимпатической нервной системы.

Описанную динамику параметров вариабельности сердечного ритма при физической нагрузке у младших школьников, в отличие от умственной, можно объяснить тем, что реакция сердца на физическую нагрузку формируется в соответствии с состоянием высших отделов ЦНС и экстракардиальной нервной системы ребенка [8]. Оценивая реакцию сердца на физическую нагрузку необходимо учитывать и уровень возбудимости ЦНС ребенка и присущее ему усиление ориентировочной реакции. Основным типом адаптации сердца к условиям физической деятельности у детей является его хронотропная реакция при малом приросте инотропной. Таким образом, физическая работа в зоне умеренной мощности, вызывает в организме детей 8–10 лет значительные функциональные сдвиги, сопровождающиеся выраженным учащением сердцебиений и требующие развития максимальной работоспособности сердца. Это проявляется  в выраженном уменьшении общей вариабельности сердечного ритма (падение TF), выравнивании структуры ритма сердца (рост ИН) и снижении центральных влияний на ритм сердца (падение VLF, LF).

При изучении возрастной динамики спектральных показателей не выявлено достоверных различий между детьми 8 и 9 лет в процессе умственной деятельности и в послерабочем периоде. У десятилетних школьников в период умственной деятельности, по сравнению с девятилетними детьми, отмечено достоверно более высокое абсолютное значение HF и LF компонентов сердечного ритма  и достоверно более низкие значения ИН. В период физической работы мощность HF волн увеличивалась от девяти к десяти годам. Отмечена тенденция к росту  HF параметра между группами детей 8 и 9 лет.

Выявлены значимые межгрупповые особенности в группах с различным уровнем ИГСТ. Исследуемые группы достоверно отличались по спектральным параметрам и значениям индекса напряжения в фоновом состоянии: для группы с ИГСТ ниже среднего характерны более низкие значения абсолютной мощности во всех частотных диапазонах и более высокие – индекса напряжения. В период работы отмечены достоверные отличия по показателям HF и  TF, причем более высокие значения наблюдаются у детей со средним уровнем индекса Гарвардского степ-теста.

Полученные результаты хорошо соотносятся с данными Н.И. Шлык [18], по данным которой структура СР меняется более существенно у детей с расширенным двигательным режимом, чем при обычном двигательном режиме: расширенный режим ускоряет, а сниженный замедляет созревание системы кровообращения и ее регуляторных механизмов. Становление вегетативных регуляторных влияний с возрастом сопровождается увеличением мощности спектральных составляющих СР, что выявлено при исследовании онтогенетических закономерностей развития параметров ВСР [5, 18]. Учитывая результаты собственных исследований и данные вышеназванных авторов можно предположить, что для детей с оптимальным уровнем восстановления ЧСС после физической нагрузки характерен более высокий уровень созревания регуляторных систем.

Таким образом, в результате проведенной оценки спектральных параметров вариабельности сердечного ритма у детей 8–10 лет при различных видах тестирующих нагрузок, выявлены функциональные особенности реагирования на умственную и физическую нагрузку регуляторных структур, управляющих работой сердца, у детей в зависимости от возраста и уровня показателей умственной и физической работоспособности. Описанные возрастные особенности характеристик сердечного ритма получены при проведении функционального тестирования, что подчеркивает важность применения данного подхода при исследовании возрастных особенностей регуляторных систем у детей.

 

Литература

1. Булатецкий С. В. Корреляционные взаимосвязи спектральных параметров ритма сердца при проведении психоэмоциональной пробы у лиц с различным уровнем интеллекта / С. В. Булатецкий, Ю. Ю. Бяловский // Вестник новых мед. технологий. – 2003. – № 1–2. – С. 20–22.

2. Вегетативные расстройства: клиника, лечение, диагностика / Под ред. А. М. Вейна. – М.: Мед. Информ. агентство, 1998. – 752 с.

3. Волокитина Т.В. Исследование спектральных характеристик сердечного ритма у младших школьников при умственной деятельности / Т. В. Волокитина, Е. Ю. Иваницкая // Медицинская техника.– 2005.– №2.– С. 27–29.

4. Волокитина Т. В. Вариабельность сердечного ритма у детей младшего школьного возраста: монография / Т. В. Волокитина, А. В. Грибанов.– Архангельск: Поморский университет, 2004.–194 с.

5. Галеев А. Р. Вариабельность сердечного ритма у здоровых детей в возрасте 6–16 лет / А. Р. Галеев, Л. Н. Игишева, Э. М. Казин // Физиология человека. – 2002. – № 4. – С. 54–58.

6. Гриднев В. И. Применение спектрального анализа вариабельности сердечного ритма для повышения диагностической значимости нагрузочных проб / В. И. Гриднев, А. Р. Киселев, О. М. Посненкова и др. // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 11: Медицина. – 2008. – № 2. – С. 18–31.

7. Данилова Н. Н. Изменение вариабельности сердечного ритма при информационной нагрузке / Н. Н. Данилова, С. Г. Астафьев // Журн. высш. нервн. деятельности. – 1999. – № 1. – С. 28.

8. Детская спортивная медицина: рук. для врачей / Под ред. С. Б. Тихвинского, С. В. Хрущева. – М.: Медицина, 1991. – 560 с.

9.  Догадкина С. Б. Характер автономной нервной регуляции сердечного ритма и адаптационные резервы организма детей 7–10 лет / С. Б. Догадкина // Новые исследования. – 2007. – Т. 1, № 13–1. – С. 134–144.

10.   Карпман В. Л. Тестирование в спортивной медицине / В. Л. Карпман, З. Б. Белоцерковский, И. А. Гудков.– М.: Физкультура и спорт, 1988. – 208 с.

11.   Кушнир С. М. Вариабельность ритма сердца у здоровых детей / С. М. Кушнир, Л. К. Антонова, Н. И. Кулакова // Российский вестник перинатологии и педиатрии (Вопросы охраны материнства и детства). – 2010. – Т. 55, № 5. – С. 37 – 39.

12.   Ноздрачев А. Д. Современные способы оценки функционального состояния автономной (вегетативной) нервной системы /А. Д. Ноздрачев, Ю. В. Щербатых // Физиология человека. – 2001. – № 6. – С. 95–101.

13.   Ноздрачев А. Д. Физиология вегетативной нервной системы / А. Д. Ноздрачев. – Л.: Медицина, 1983. – 296 с.

14.  Сердечный ритм как критерий функциональной зрелости и степени мобилизации адаптационных возможностей / А. И. Босенко, Т. Н. Цонева, А. И. Дудник и др. // Вариабельность сердечного ритма. Теоретические аспекты и практическое применение: Тезисы докл. междунар. симп. – Ижевск, 2003. – С. 158–159.

15.   Сысоев В. П. Методика диагностики работоспособности. Тест Э. Ландольта / В. П. Сысоев. – СПб.: Иматон, 1996. – 29 с.

16.   Усенко А. Б. Вегетативный баланс как природная предпосылка процессов психической саморегуляции /А. Б. Усенко, К. А. Кузьмина // Психологические исследования: Научный электронный журнал. – 2011. – № 3 (17).

17.   Флейшман А. Н. Медленные колебания гемодинамики: теория, практическое применение в клинической медицине и практике / А. Н. Флейшман. – Новосибирск: Наука, 1999. – 264 с.

18.   Шлык Н. И. Особенности вариабельности сердечного ритма у детей и подростков с различным уровнем зрелости регуляторных систем организма /    Н. И. Шлык // Вариабельность сердечного ритма. Теоретические аспекты и практическое применение: Тезисы докл. междунар. симп.– Ижевск, 2003. – С. 52–72.

19.   Щербатых Ю. В. Вегетативные проявления экзаменационного стресса: дис. … д-ра биол. наук / Ю. В. Щербатых. – Воронеж, 2001. – 313 с.

20.   Akselrod S. Components of heart rate variability. Basis studies / S. Akselrod // Heart Rate Variability. – New York, 1995. – P.147–163.

21.  Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology. Heart Rate Variability: Standards of Measurements, Physiological Interpretation, and Clinical Use // Circulation. – 1996. – Vol. 93, № 5. – Р. 1043–1065.