Магнитные бури как стресс-фактор. Исследования в условиях невесомости

Р.М. Баевский, А.Г. Черникова, Г.А. Никулина, В.М. Петров

Государственный научный центр РФ - Институт медико-биологических проблем, Москва

Введение

Как известно, изменения геомагнитного поля Земли - магнитные бури являются одним из факторов риска развития сердечно-сосудистых нарушений не только у больных, но и у практически здоровых людей (Л.З.Лауцевичус,1971, И.Е. Оранский, П.Г. Царфис,1989). Особенно опасны магнитные бури для людей, работа которых связана с длительными нервно-психическими напряжениями и высокой ответственностью. В периоды магнитных бурь и резких колебаний геомагнитной обстановки учащаются случаи возникновения инфарктов миокарда и гипертонических кризов, увеличивается число случаев внезапной смерти.

Одной из главных "мишеней" при воздействии геомагнитного поля Земли на организм человека является сердечно-сосудистая система (И.Е. Оранский, П.Г. Царфис, 1989). В период неблагоприятной гелиомагнитной ситуации резко снижается толерантность сердца к физической нагрузке, нарушается экстракардиальная регуляция сердечной деятельности, изменяется чувствительность к медикаментозным воздействиям. Вместе с тем известно, что сердечно-сосудистая система также является одной из главных "мишеней" при влиянии на организм факторов космического полета (В.В. Парин и др., 1967, А.И. Григорьев, А.Д. Егоров, 1992). Здесь возмущающими факторами являются перераспределение крови в верхнюю часть тела, снижение афферентных потоков с периферии и уменьшение энерготрат. Под влиянием длительной невесомсти происходит снижение барорефлекторной функции и активируются адаптационные и компенсаторные механизмы, элементами которых являются высшие вегетативные центры (R.M.Baevsky, 1995). Таким образом, и длительная невесомость и кратковременные геомагнитные возмущения практически воздействуют на одну и ту же функциональную систему организма. Поэтому, теоретически, во время магнитных бурь неблагоприятные эффекты невесомости должны усиливаться и это может отрицательно отразиться на состоянии здоровья и работоспособности.

По мнению ряда авторов (В.И.Копанев, А.В.Шакула, 1985; Н.И.Музалевская, 1973; Г.Ф. Плеханов, 1978; А.С. Пресман, 1974), биологические эффекты геомагнитных полей могут быть обусловлены их информационными взаимодействиями с управляющими системами организма, воспринимающими информацию из окружающей среды и соответственно регулирующими процессы жизнедеятельности. Возмущения геомагнитного поля, как и любой стрессорный фактор воздействуют на все системы организма, но более всего на нервную систему, обеспечивающую регуляцию функций. Под влиянием стрессорных воздействий возникает функциональное напряжение регуляторных систем организма (Р.М. Баевский, 1979). Высокая чувствительность нейро-гуморальных звеньев регуляции и коры головного мозга к непосредственным изменениям окружающей геомагнитной и радиационной обстановки дает основание считать возможным выявление этих воздействий по реакции регуляторных систем. Задача заключается в том, чтобы адекватно оценить ответ живого организма на воздействие изменений электромагнитного поля в условиях космического полета, где не могут быть использованы сложные методики и громоздкая аппаратура. Наиболее эффективным для решения поставленной задачи было бы изучение таких показателей функционирования регуляторных систем, которые первыми включаются в процессы адаптации к воздействиям разнообразных факторов среды.

В настоящей работе исследуется возможность решения указанной задачи с помощью специальной технологии, основанной на математическом анализе сердечного ритма. Эта технология позволяет получать статистически сопоставимые данные о вегетативной регуляции кровообращения и может быть использована как в наземных условиях, так и в космосе (Р.М. Баевский, 1979, 1983, 1995; Р.М. Баевский, О.И. Кириллов, С.З. Клецкин, 1984; Р.М. Баевский, Г.А. Никулина, И.Г. Тазетдинов, 1984). Математический анализ сердечного ритма применяется в космической медицине с ее первых шагов. Первые результаты были получены еще во время полетов животных на искусственных спутниках Земли и первых полетов человека на кораблях "Восток" и к настоящему времени накоплен обширный банк данных, который может стать источником ретроспективного анализа. Вместе с тем существует обширная литература об опыте использования математического анализа ритма сердца и его вариабельности в клинике и прикладной физиологии, в профилактической медицине (Р.М. Баевский, 1979; Р.М. Баевский, О.И.Кириллов, С.З. Клецкин, 1984; van С.М. Ravenswaaij-Arts, А.А. Kollee et al, 1993). Таким образом, данные, полученные при исследовании космонавтов, могут с большой пользой быть использованы и в практике здравоохранения в профилактической и клинической медицине

1. Материал и методика

1.1. Материал

В данном исследовании были использованы материалы банка данных по начальным этапам космических полетов экипажей транспортных кораблей (ТК) "Союз" за 1990 - 1995 гг. При формировании исходного массива экспериментальных данных были выбраны записи электрокардиограммы (ЭКГ) космонавтов на 32-м витке полета каждой экспедиции. Выбор именно этого этапа полета обоснован тем, что, во-первых, на всех этапах начального периода полета, где осуществляется телеметрический контроль физиологических функций, имеются значительные стрессорные воздействия (предстартовый период, участок выведения, первые минуты и часы невесомости). Во-вторых, 32-й виток - это последний виток перед стыковкой ТК "Союз" с орбитальной станцией "МИР", во время которого экипажи не выполняют какой-либо специфической деятельности и находятся в достаточно однотипных условиях полета, что дает возможность изучить влияние геомагнитных возмущений при относительно стабильных других условиях. Всего было отобрано для анализа 30 записей, полученных во время полетов членов основных экипажей и экипажей посещения. Возраст космонавтов находился в пределах от 28 до 54 лет. 18 космонавтов совершали свой 1-й полет, остальные - 2-й или 3-й.

В соответствии с данными, представленными Институтом земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн, была выделена экспериментальная группа космонавтов, совершавших полет в дни геомагнитных возмущений. В эту группу было включено 12 космонавтов. Вторая экспериментальная группа была сформирована из 9 космонавтов, для которых 32-й виток полета проходил через 1-2 суток после магнитной бури. Контрольную группу составили 9 космонавтов, полет которых проходил в дни, отстоявшие от времени максимума магнитной бури более чем на 3 дня.

1.2. Методика исследований

Благодаря работам, проведенным в области космической медицины использование сердечно-сосудистой системы в качестве индикатора адаптационных реакций всего организма в настоящее время считается вполне обоснованным, и, в частности, все более широкое распространение получают методы математического анализа ритма сердца, разработанные более 30 лет назад в рамках космической кардиологии (Парин, Баевский, Волков, Газенко, 1967). Как известно, основная информация о состоянии систем, регулирующих ритм сердца, заключена в "функции разброса" длительностей кардиоинтервалов.

Выделяются три группы методов, направленные, соответственно, на исследование средней частоты пульса, его вариабельности и переходных процессов. Центральное место в этой классификации занимают методы изучения вариабельности сердечного ритма. Эти методы можно условно разделить на три группы: 1) методы оценки общих статистических характеристик; 2) методы оценки связи между кардиоинтервалами; 3) методы выявления скрытой периодичности динамического ряда кардиоинтервалов. Методы оценки общих статистических характеристик динамического ряда кардиоинтервалов включают вычисления математического ожидания (М) и частоты сердечных сокращений (ЧСС, HR-Heart Rate), среднего квадратического отклонения (SDNN), коэффициента вариации (CV) и показателей вариационной пульсометрии (мода - Мо, амплитуда моды - АМо и вариационный размах, или разность между максимальной и минимальной длительностью RR-интервалов, - MxDMn). Вариационной пульсометрией называют метод анализа вариабельности сердечного ритма, основанный на использовании данных о распределении кардиоинтервалов по выбранным диапазонам значений. По данным вариационной пульсометрии вычисляется ряд производных показателей. Наиболее информативным является индекс напряжения регуляторных систем (Stress Index - SI). Этот показатель вычисляется по формуле SI=AMo/(2Mo*MxDMn). Индекс напряжения отражает степень централизации управления ритмом сердца и характеризует cуммарную активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. К числу статистических оценок, принятых западными исследователями, относится RMSSD, который хорошо отражает состояние парасимпатического отдела вегетативной нервной системы.

В качестве метода выявления скрытой периодичности динамического ряда кардиоинтервалов наиболее часто используется спектральный анализ. При этом определялются мощности спектра в диапазонах высоких (High Frequency-HF), нихких (Low Frequency - LF ) и очень низких (Very Low Frequency-VLF ) частот. Мы выделяем для оценки VLF диапазон частот от 0,04 до 0,015 Гц.( 25-70 с). Это важно для того, чтобы оценить активность подкоркового сердечно-сосудистого центра, имеющего в своем составе три ядра (центра) -сосудистый, ускоряющий и ингибиторный (Фолков, Нил, 1983). При этом сосудистый (или вазомоторный) центр функционирует в диапазоне частот около 0,1 Гц., а регулирующие активность симпатического отдела вегетативной нервной системы ускоряющий и ингибиторный центры характеризуются более низкочастотными колебаниями. Колебания с частотами ниже 0,015 Гц.(>70 с.) по имеющимся литературным данным (Sayers, 1973) отражают состояние центров терморегуляции и ренин-ангиотензивной системы (van Ravenswaaij-Arts, Kollee et al, 1993). Таким образом, мощность спектров медленных волн первого и второго порядков указывает на активность различных уровней центральной регуляции. При этом медленные волны первого порядка отражают состояние вазомоторного центра, а волны второго порядка - активность симпатического отдела вегетативной нервной системы. Суммарная мощность всех волн в диапазоне от 0,4 до 0,015 Гц (2,5 - 70 с.) характеризует общую активность внутрисистемных (уровень В центрального контура регуляции) и автономных регуляторных механизмов. Следует отметить, что снижение суммарной мощности может рассматриваться как результат активации более высоких уровней регуляции, вследствие чего подавляется активность нижележаших центров. Следует отметить, что значения отдельных составляющих спектра вычисляются как в абсолютных значениях (HFs, LFs, VLFs в мс²), так и в относительных единицах (HF%, LF%, VLF% в процентах по отношению к суммарной мощности). По данным спектрального анализа сердечного ритма вычисляются два интегральных показателя: индекс централизации (Index of Centralization - IC) и индекс активации подкорковых нервных центров (Subcortical Nervous Centers Activation -SNCA). Для их вычисления применяют следующие формулы: IC = VLF + LF / HF, SNCA = LF/VLF. Физиологический смысл IC состоит в том, что он отражает соотношение между центральным и автономным контурами управления сердечным ритмом. SNCA позволяет оценить состояние сердечно-сосудистого подкоркового нервного центра с точки зрения соотношений специфичного барорефлекторного (сосудистого) компонента регуляции и неспецифических симпатических влияний (стрессорный компонент).

Статистическая значимость различий между показателями вариабельности сердечного ритма в различных группах определялась при попарном сравнении по t-критерию Стьюдента, а также методом пошагового дискриминантного анализа с построением математических моделей исследуемых явлений.

2.Результаты и обсуждение

Результаты математического анализа вариабельности ритма сердца в виде среднегрупповых значений с оценкой достоверности их различий по F-критерию Фишера представлены в табл. 1.

Полученные данные свидетельствуют о том, что в период магнитной бури наблюдаются иные изменения вегетативной регуляции, чем на 1-2-е сутки после окончания бури. Во время магнитной бури одновременное снижение частоты сердечных сокращений (HR) и смещение вегетативного баланса в сторону симпатического звена регуляции (снижение HF%, HFs, CV, MxDMn, pNN50, RMSSD; рост SI, VLFs) говорят об активации подкоркового сердечно-сосудистого центра. Увеличение показателей SNCA и LFs/HFs свидетельствует о том, что имеются специфические изменения сосудистой регуляции. Это подтверждается ростом показателя LFt. Физиологически указанные изменения можно интерпретировать как активацию вазомоторного центра и замедление времени приема и переработки информации в нем. Таким образом, выявляемые в период магнитной бури изменения четко показывают, что основными "мишенями" воздействия геомагнитных возмущений являются центральная нервная система и нервная регуляция сосудистого тонуса.

Ряд авторов отмечает, что наиболее существенные отклонения физиологических функций наступают через 24-48 ч после магнитной бури и выражаются чаще всего в повышении артериального давления и возникновении вегетососудистой дистонии (Музалевская, 1973; Оранский, Царфис, 1989). В данном исследовании мы также наблюдаем более значимые изменения показателей вариабельности сердечного ритма на 1-2-е сутки после магнитной бури. Эти изменения проявляются значительным увеличением значений показателей IC, VLF%, VLFs. В меньшей степени растет LF, но значительно снижается HF. Все это говорит о централизации управления ритмом сердца с вовлечением в процесс надсегментарных мозговых структур. Однако, обращает на себя внимание значительное увеличение IARS и значительный рост числа аритмий ( NАrr). Вместе со значительным удлинением периода вазомоторных волн (LFt) и увеличением суммарной мощности низкочастотных колебаний по отношению к высокочастотным (LFs/HFs) эти изменения указывают на явления дисбаланса в центральном контуре регуляции, на дальнейшее развитие изменений в системе сосудистой регуляции. Особенного внимания требует факт значительного роста числа аритмий.

Физиологическая интерпретация выявленных во время магнитной бури и особенно в последующие 24-48 ч изменений показывает, что имеются отклонения, выходящие за пределы физиологической нормы. При этом изменения со стороны сердца (появление аритмий) и сосудистой системы (удлинение времени регуляции сосудистого тонуса и функциональное напряжение вазомоторного центра) могут рассматриваться как факторы риска возможных отклонений, имеющих патологический характер.

На рис. 1 представлены три конкретных примера анализа вариабельности ритма сердца у космонавтов в каждой из рассматриваемых групп. Как видно, кардиоинтервалограммы космонавтов во время и после магнитной бури отличаются сниженной вариативностью, практическим отсутствием высокочастотных дыхательных волн. Автокорреляционные функции отличаются сглаженностью и более медленным спадом. В спектральной функции у космонавтов этих групп преобладают медленные волны 2-го порядка. Полученные результаты показывают, что система вегетативной регуляции кровообращения активно реагирует на геомагнитные возмущения. Выявлено, что у космонавтов, совершавших 32-й виток полета во время геомагнитных бурь и в ближайшие 1-2 дня после их окончания, активность регуляторных систем была выше, а вегетативный баланс был достоверно смещен в сторону усиления активности симпатического звена. Этот результат вполне соответствует имеющимся в литературе данным о высокой чувствительности вегетативной нервной системы к радиационным и геомагнитным воздействиям (Музалевская, 1973; Оранский, Царфис, 1989; Плеханов, 1978; Пресман, 1974).

Заключение

В настоящей работе впервые показано наличие специфического влияния геомагнитных возмущений на систему вегетативной регуляции кровообращения у космонавтов во время полета. Можно сделать вывод о том, что магнитные бури, как во время их непосредственного воздействия, так и в период последействия (ближайшие 24 ч) вызывают существенные изменения вегетативной регуляции сердечного ритма у космонавтов во время полета. Результаты исследований показывают, что наблюдаемые изменения вполне соответствуют ранее высказанной гипотезе о том, что одной из "мишеней" при воздействии геомагнитного поля Земли на организм человека в условиях космического полета является система регуляции сосудистого тонуса. Поэтому изменения со стороны показателей, характеризующих активность вазомоторного центра, могут условно рассматриваться как специфические. Изменения со стороны показателей, отражающих состояние тонуса симпатической и парасимпатической системы, являются вторичными и могут рассматриваться как неспецифические. Вместе с тем, так называемые специфические и неспецифические изменения являются единой взаимосвязанной реакцией механизмов регуляции кровообращения на воздействие внешнего стрессорного фактора - магнитной бури.

Вопрос о специфичности и чувствительности вегетативного ответа организма на воздействие магнитной бури представляет большой научный и практический интерес. Этот вопрос тесно связан с проблемой разработки критериев, позволяющих судить о величине индивидуальной реакции на геомагнитные возмущения. Одним из первых шагов в этом направлении является выделение двух компонентов реакции организма на воздействие геомагнитных возмущений. Неспецифический компонент характеризуется активацией симпатического отдела вегетативной невной системы и протекает по типу общего адаптационного синдрома (Селье, 1961). Подобный же ответ может быть получен и при других воздействиях, например, физических или психоэмоциональных нагрузках. Специфическим компонентом реакции являются изменения вегетативного баланса с активацией барорефлекторного или парасимпатического звеньев регуляции. Изменения подобного типа характерны для метеотропных реакций и описаны во многих работах, посвященных исследованию магнитных бурь (Музалевская, 1963; Оранский, Царфис, 1989; Плеханов, 1978; Чижевский, 1976).

Соответствующая перестройка механизмов регуляции в ответ на воздействие магнитной бури, в частности, перенастройка подкоркового сердечно-сосудистого центра, ведет к развитию общей неспецифической стрессорной реакции, которая характеризуется усилением тонуса симпатической нервной системы ( увеличение частоты пульса, снижение общей вариабельности сердечного ритма, снижение мощности спектра дыхательных волн и т.д.) и возможным включением в процессы регуляции более высоких уровней управления физиологическими функциями. В моменты перестройки регуляторных процессов при действии магнитной бури может возникать нестабильность работы синусового узла с увеличением числа аритмичных сокращений.

В связи с влиянием магнитных бурь на деятельность механизмов регуляции кровообращения и возможностью возникновения аритмий необходимо подчеркнуть прикладной аспект полученных результатов. Он, в частности, с одной стороны указывает на целесообразность дополнения системы медицинского контроля за космонавтами прогнозом вероятных геомагнитных возмущений, так как реакция на геомагнитные возмущения может суммироваться с напряжением регуляторных систем. С другой стороны эти данные представляют интерес для специалистов кардиологов в плане прогнозирования возможности развития аритмий у соответствующих групп больных.

Список литературы

Баевский Р.М. Прогнозирование состояний на грани нормы и патологии. М.: Медицина. 1979. 295 с.

Баевский Р.М., Кириллов О.И., Клецкин С.З. Математический анализ сердечного ритма при стрессе. М. 1984.

Баевский Р.М., Никулина Г.А., Тазетдинов И.Г. Математический анализ сердечного ритма в оценке особенностей адаптации организма к условиям космического полета. // Вестник АМН СССР. 1984. N 4. C. 62-69.

Копанев В.И., Шакула А.В. Влияние гипогеомагнитного поля на биологические объекты. Л.: Наука. 1985. 72 с.

Лауцевичус Л.С., Юшенайте Я.П., Блинструбае С.И. Некоторые показатели солнечной активности, возмущения геомагнитного поля и сердечно-сосудистые катастрофы. - В кн.: Влияние солнечной активности на атмосферу и биосферу Земли. 1971.

Музалевская Н.И. Характеристика возмущенного геомагнитного поля как раздражителя. - В кн.: Проблемы космической биологии. Влияние некоторых космических и геофизических факторов на биосферу Земли. М. 1973. C. 123 - 142.

Оранский И.Е., Царфис П.Г. Биоритмология и хронотерапия. М.: Высшая школа. 1989. 159 с.

Парин В.В., Баевский Р.М., Волков Ю.Н., Газенко О.Г., Космическая кардиология. Л.: Медицина. 1967.

Плеханов Г.Ф. Дестабилизация неравновесных процессов как основа общего механизма бмологического действия магнитных полей. - В сб.: Реакции биологических систем на магнитные поля. М.: Наука. 1978. C. 59 - 80.

Пресман А.С. Электромагнитная сигнализация в живой природе. М.: Советское радио. 1974.

Селье Г. Очерки об адаптационном синдроме. M.: Биомедгиз. 1961. 234 с.

Чижевский А.П. Земное эхо солнечных бурь. М.: Мысль. 1976. 367 с.

Baevsky R.M. Nonivasive methods in space cardiology. 17-th Congress of Noninvasive Cardiodynamics. Ljubljana. Slovenia. 28-31 May 1995. P. 94.

Grigoriev A.I., Egorov A.D. Advances in Space Biology and Medicine // S.I.Bonting. ed. Greemwich. London. JAI Pres. Inc. 6. 1991. V.1. P.1-35.

Ludwig C. // Arch. Anat. Physiol. Wis. Mol. 1847. P. 242-302.

van Ravenswaaij-Arts C.M., Kollee A.A., Hopman j.C.W, et al. Heart rate variability (review). // Annals of Internal Medicine. 1993. 1184. P. 436-447.

Sayers B. Analysis of rate variability. // Ergonomics. 1973. V.16. N.1-P.17-32.

 

Таблица 1

Анализ вариабельности сердечного ритма у членов экипажа траспортного корабля "Союз" на 32-м витке полета до, во время и после воздействия магнитных бурь.

*, # - показатели, достоверно отличающиеся от данных контрольной группы (* -p < 0,05, # - p < 0,01)