Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности состояния функциональных систем организма человекам; проживающего в Югре 18
1.1. Экологические факторы ХМАО-Югры и их влияние на организм человека 18
1.2 Теория функциональных систем организма человека П.К.Анохина с позиции биофизики сложных систем 33
1.3. Организация нервно-мышечной системы человека в рамках компартментно-кластерной теории 46
1.4. Механизмы, регуляции сердечно-сосудистой системы человека в условиях физической нагрузки 88
2. Объекты и методы исследования 107
2.1..Авторские метод изучения треморограмм учащихся. Обсуждение его преимуществ в сравнении с существующими биофизическими комплексами 107
2,2.. Традиционные методы исследования сердечно-сосудистой системы организма человека на базе комплекса «Элокс-1» 124
2.3. Метод фазовых пространств в описании функциональных систем организма человека 140
3. Амплитудно-частотный анализ треморограмм учащихся разных возрастно-половых групп и моделирование динамики этих процессов 151
3.1. Количественные показатели непроизвольных движений (тремора) учащихся 152
3.2. Количественные показатели произвольных движений учащихся и их математическое моделирование 167
3.3. Анализ сенсомоторных реакций движений учащихсяразных возрастных групп. Математическое моделирование возрастной динамики процессов 182
3.4. Особенности действия регуляторных фармацевтических препаратов на показатели двигательных функций человека с позиции фазатонной теории мозга (ФТМ) 192
4. Моделирование частичного и полного синергизма в работе мышц с помощью метода многомерных фазовых пространств 200
5. Метод фазовых пространств в оценке влияния физических нагрузок на организм человека при плавании 210
5.1. Плавание - как вид физической нагрузки. Динамика показателей сердечно-сосудистой системы при плавании 210
5.2. Анализ динамики параметров квазиаттракторов вектора состояния организма учащихся, занимающихся плаванием 216
6. Сравнительный анализ методом фазовых пространств особенностей параметров квазиаттракторов тренированных и нетренированных студентов Сургута и Самары 231
Выводы 242
Практические рекомендации 246
Заключение 247
Литература 249
- Экологические факторы ХМАО-Югры и их влияние на организм человека
- Механизмы, регуляции сердечно-сосудистой системы человека в условиях физической нагрузки
- Количественные показатели произвольных движений учащихся и их математическое моделирование
- Сравнительный анализ методом фазовых пространств особенностей параметров квазиаттракторов тренированных и нетренированных студентов Сургута и Самары
Введение к работе
Актуальность проблемы. Активная двигательная деятельность является одним из наиболее важных факторов укрепления и сохранения здоровья, а регулярные спортивные тренировки способствуют повышению физической работоспособности человека и достижению им особо значимых результатов в труде и пролонгации активной фазы жизни. Это актуально сегодня для жителей Ханты-Мансийского автономного округа – Югры (ХМАО–Югры), у которых в последние годы отмечается резкое снижение двигательной активности. Гипокинезия населения в суровых природно-климатических условиях Тюменского севера сопряжена с повышением требований к адаптационным возможностям организма человека. Нервно-мышечная система (НМС) и сердечно-сосудистая система (ССС) наиболее значимые функциональные системы организма (ФСО), обеспечивают не только адаптацию организма к физическим нагрузкам, но и отражают динамику процессов восстановления функций при действии неблагоприятных факторов. Систематические физические нагрузки расширяют адаптационные возможности, повышают стрессоустойчивость организма человека.
Учитывая актуальность и важность решения проблемы исследования особенностей функционирования и регуляции нервно-мышечной и сердечно-сосудистой систем человека на севере РФ, в настоящем исследовании предпринимается попытка формирования нового направления в изучении НМС и ССС человека на основе исследования динамики поведения вектора состояния организма человека в многомерном фазовом пространстве состояний, когда в качестве компонента функциональных систем организма человека могут быть физиологические, биомеханические и биохимические параметры, которые с максимальной точностью способны описывать динамику поведения НМС и ССС человека, находящихся в тех или иных условиях среды. К этим условиям можно отнести действия экологических факторов Югры (температура, влажность, давление), занятия различными видами спорта (особенно плаванием и игровыми видами спорта, так как они имеют камерный характер), занятия различными видами трудового процесса, который в ряде случаев приводит к стрессовым ситуациям. Все эти процессы могут переводить организм человека из режима саногенеза в режим патогенеза. Такой подход позволяет с позиции биофизики сложных систем и синергетики изучать сложный многомерный объект, каким является организм человека, позволяет получать принципиально новые результаты по изучению особенностей поведения НМС и ССС в особых условиях проживания человека в Югре (Казначеев, 1996-2006).
Приспособительные реакции организма к внешним воздействиям во многом лимитируются активностью сердечно-сосудистой системы. В свою очередь, адаптационный потенциал системы кровообращения определяется уровнем физической активности. Низкий уровень последней ограничивает реакции адаптации организма за счет нарушения синергизма в ФСО и сужения интервалов их устойчивости, причем наиболее выражено процессы дезадаптации проявляются на уровне именно сердечно-сосудистой системы. Поэтому для оценки ФС и адаптационных возможностей организма целесообразно исследовать деятельность ССС, причем как в условиях относительного покоя, так и при выполнении физических нагрузок.
Исследованию подобных процессов особое внимание уделял П.К.Анохин в своей известной теории функциональных систем организма. Именно, в этой теории Петр Кузьмич сумел объединить классические физиологические подходы и методы биофизики сложных систем, которые в настоящее время в конечном итоге подвели исследователей к пониманию базового принципа синергетики. В этой связи важным разделом обозначенных выше проблем являются вопросы изучения функционирования НМС и ССС и их регуляции со стороны вегетативной нервной системы (ВНС).
Биофизика мышечного сокращения и вопросы регуляции двигательных функций млекопитающих в целом и человека в частности всегда являлись традиционными проблемами молекулярной биофизики, биофизики клетки и биофизики сложных систем. Решение задач, возникающих в этом разделе биофизики, традиционно базировалось на исследованиях математических моделей процессов (Бернштейн Н.А.,1900-1908; Дещеревский В.И., 1961-1975; Гранит Р. 1966-1973; Хилл Л.Б. 1968-1973). Существенно, что решение подобных проблем в рамках биофизического подхода обеспечивает не только раскрытие механизмов мышечного сокращения и регуляции движений, но и дает информацию для решения целого ряда прикладных задач. Наиболее значимые из них – это задачи повышения физической работоспособности человека и проблема развития мышечного утомления, в частности, у спортсменов, учащихся, работников физического и умственного труда. Все это составляет основу биофизики и физиологии трудовых процессов и связано с целым рядом клинических аспектов, так как патологии мышц – это большой класс различных заболеваний опорно-двигательного аппарата. Важное значение эта проблема имеет для ХМАО-Югры. Онтогенез учащегося на Тюменском севере сопровождается рядом неблагоприятных экологических факторов, главным из которых является резкое снижение двигательной активности в продолжительный зимний период.
Разработка новых методов исследования произвольных и непроизвольных движений человека, моделирование его двигательных функций составляет несомненный интерес для биофизики сложных систем и является актуальной проблемой естествознания в целом. Особую роль в подобных исследованиях играет учет экологических факторов среды, которые могут существенно изменить состояние всех ФСО и нервно-мышечной системы, в частности.
Учитывая все сказанное, решение проблемы разработки новых методов исследования поведения ФСО человека в условиях физических нагрузок с позиции многомерного фазового пространства состояний является актуальной проблемой не только биофизики сложных систем, но и естествознания в целом.
Целью настоящей работы: установить закономерности поведения вектора состояния организма человека в фазовом пространстве в условиях выполнения физических нагрузок методами биофизического мониторинга организма школьников и студентов, проживающих в условиях Ханты-Мансийского автономного округа – Югры.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Разработать новые биофизические методы регистрации и анализа параметров непроизвольных и произвольных движений человека с использованием авторских программ для ЭВМ.
-
Создать новые авторские методы моделирования и идентификации параметров движения вектора состояния организма человека в фазовом пространстве.
-
Исследовать возрастно-половые особенности показателей непроизвольных движений учащихся Ханты-Мансийского автономного округа – Югры в условиях покоя и выполнения физической нагрузки с использованием авторских методов.
-
Провести лонгитудинальные исследования возрастной динамики амплитудно-частотных характеристик непроизвольных движений учащихся Югры.
-
Исследовать особенности показателей непроизвольных движений учащихся в условиях внешнего управляющего воздействия в виде фармацевтического препарата (фенибута).
-
Исследовать количественные особенности показателей произвольных движений (теппинга) учащихся и построить их математические модели.
-
Исследовать возрастно-половые особенности сенсомоторных реакций учащихся в осенний и зимний сезоны года и построить их математические модели.
-
Идентифицировать степень асинергизма в функциональных системах организма человека в условиях выполнения стандартной дозированной физической нагрузки на фоне флуктуации температуры атмосферного воздуха г. Сургута.
-
Методом фазовых пространств состояний выполнить, с учетом возрастно-половых особенностей и уровня физической подготовки учащихся, анализ параметров квазиаттракторов показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем организма.
-
Выполнить сравнительный анализ особенностей параметров квазиаттракторов вектора состояния организма тренированных и нетренированных студентов г. Сургута и г. Самары.
Научная новизна работы:
-
Разработаны новые авторские биофизические методы регистрации и анализа параметров произвольных и непроизвольных движений человека с использованием авторских программ для ЭВМ.
-
Разработаны новые методы идентификации параметров порядка вектора состояния организма человека в многомерном фазовом пространстве состояний для оценки и моделирования динамики поведения сложных биологических систем на примере сердечно-сосудистой и нервно-мышечной систем человека.
-
Впервые установлены закономерности возрастно-половых изменений спектральных характеристик непроизвольных движений учащихся г. Сургута в динамике нарастания и спада десятигерцового компонента.
-
Впервые установлены закономерности изменений спектральных характеристик треморограмм учащихся под влиянием управляющего воздействия на нервно-мышечную систему в виде фармацевтического препарата (фенибута).
-
Изучены показатели произвольных движений учащихся, на основе которых построены и исследованы математические модели таких движений.
-
Впервые установлены различия квазиаттракторов вектора состояния организма тренированных и нетренированных учащихся г. Сургута в многомерном фазовом пространстве состояний.
-
Выявлены новые количественные и качественные характеристики параметров квазиаттракторов движения вектора состояния организма спортсменов, занимающихся различными видами спорта.
-
В сравнительном аспекте изучены особенности параметров квазиаттракторов вектора состояния организма тренированных и нетренированных юношей и девушек г. Сургута и г. Самары на базе расчета матриц их межаттракторных расстояний.
Научно-практическое значение работы:
-
Разработаны и запатентованы способы и устройства для исследования произвольных (теппинга) и непроизвольных (тремора) движений верхних конечностей человека, которые целесообразно применять для объективной диагностики состояния нервно-мышечной системы в условиях массового мониторинга учащихся как школ Ханты-Мансийского автономного округа–Югры, так и других регионов России.
-
Показатели непроизвольных движений учащихся целесообразно использовать в школах для объективной оценки динамики развития нервно-мышечной системы учащихся Тюменского севера.
-
Математические модели произвольных движений человека в рамках компартментно-кластерного подхода обеспечивают адекватное описание систем регуляции этих движений.
-
Установлено управляющее действие фармацевтического препарата (фенибута) на нервно-мышечную систему учащихся с выраженными отклонениями амплитудно-частотных характеристик треморограмм непроизвольных движений верхних конечностей.
-
Метод расчета коэффициента асинергизма в динамике поведения функциональных систем организма можно использовать как объективный тест на идентификацию адаптационных возрастных возможностей организма жителей Югры.
-
Разработанные методы идентификации параметров порядка квазиаттракторов вектора состояния организма целесообразно использовать для анализа влияний различных физических нагрузок на состояние функциональных систем организма.
Положения, выносимые на защиту:
-
Использование современной компартментно-кластерной теории (ККТ) биологических динамических систем (БДС) для разработки новых методов исследования произвольных и непроизвольных движений и разработанных программных продуктов дает возможность обеспечения массового мониторирования произвольных и непроизвольных движений учащихся, находящихся в различных климатических условиях, а оригинальные авторские методики позволяют проводить подобные исследования в комплексе с изучением вегетативной нервной и сердечно-сосудистой систем, т.е. трех систем одновременно и в комплексе.
-
В рамках компартментно-кластерного подхода возможны теоретические описания различных режимов функционирования системы регуляции непроизвольных и произвольных движений человека. Сравнение экспериментальных результатов и теоретических, полученных на моделях, обеспечивает идентификацию параметров моделей.
-
По различию амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) кинематограмм (КГ) непроизвольных движений установлены количественные закономерности параметров нервно-мышечной системы учащихся, проживающих в условиях Югры, связанные с возрастом, полом и индивидуальными особенностями. Возможна идентификация количественных различий в показателях микродвижений испытуемых с использованием трехмерного фазового пространства.
-
Количественные показатели латентных периодов сенсомоторных реакций учащихся Тюменского севера в комплексе с другими методами могут являться количественной оценкой степени утомления учащихся в разные сезоны года.
-
Степень синергетических взаимоотношений в системах регуляции сердечно-сосудистой системы у испытуемых, длительно проживающих в условиях Югры, продемонстрировали снижение адаптационно-компенсаторных возможностей организма на внешние воздействия в виде флуктуации метеорологических параметров, часто возникающих на территории Тюменского севера.
-
Разработаны биофизические методы идентификации параметров порядка вектора состояния организма в фазовых пространствах состояний, с помощью которых установлено влияние общих физических нагрузок на параметры квазиаттракторов вектора состояния организма тренированных и нетренированных школьников и студентов Югры при различных физических нагрузках.
-
При изучении влияния различных физических нагрузок на поведение вектора состояния функциональных систем организма человека в фазовом пространстве состояний выявлены особенности параметров квазиаттракторов тренированных и нетренированных юношей и девушек Сургута и Самары, что количественно демонстрирует специфику влияния экофакторов среды и образа жизни в условиях Севера РФ с позиции биофизики сложных систем (методом многомерных фазовых пространств).
Личный вклад автора заключается в разработке на базе ЭВМ биофизических методов регистрации и исследования произвольных и непроизвольных движений конечностей человека в условиях покоя и после физической нагрузки, в анализе особенностей возникновения десятигерцовой компоненты при рассмотрении амплитудно-частотных характеристик треморограмм; в построении моделей и прогнозировании динамики произвольных движений в рамках компартментно- кластерного подхода (ККП); в проведении регистрации и анализа результатов показателей сенсомоторных реакций учащихся разных возрастно-половых групп; в оценке степени синергизма в функциональных системах организма в условиях флуктуации температуры атмосферного воздуха; в разработке методов идентификации параметров порядка методом расчета матриц расстояний; в проведении регистрации показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем организма учащихся при физической нагрузке и их сравнительном анализе методом многомерных фазовых пространств; в анализе особенностей параметров квазиаттракторов тренированных и нетренированных юношей и девушек г. Сургута и г. Самары.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на кафедральных и факультетских семинарах Сургутского государственного университета; на международной научной конференции (Сургут, 2003); на открытой окружной конференции молодых ученых (Сургут, 2003); на Всероссийской научной конференции “Северный регион: стратегия и перспективы развития” (Сургут, 2003); на XI Международном симпозиуме “Эколого-физиологические проблемы адаптации” (Москва, 2003); на IV Международном конгрессе молодых ученых и специалистов “Науки о человеке” (Томск, 2003); на XIV Международной конференции по нейрокибернетике (Ростов-на-Дону, 2005); на конференции “Экологическое образование и здоровый образ жизни” (Сургут, 2005); на 5-ой Российской конференции по экологической психологии (Москва, 2008); на XIV Международного симпозиуме «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Москва, 2009); на XI-й международной конференции «Современные технологии восстановительной медицины. Профессиональное долголетие и качество жизни» (г. Сочи, 2010); на VII-й международной очно-заочной научной конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (г. Тольятти, 2010).
Внедрение результатов исследований. Разработанные способы и устройства прошли апробацию и внедрены в: НИИ И.П. Павлова г. Санкт-Петербург, НИИ Новых медицинских технологий г. Тула, Институте Биофизики клетки г. Пущино, Ростовском государственном педагогическом университете, а также ряде ВУЗов и школ городов Самары, Сургута, Ханты-Мансийска. Результаты исследований используются при подготовке студентов в Самарском государственном педагогическом университете, Сургутском государственном университете на занятиях по биофизике, экологии человека и медицинской кибернетики, ИПК РРО г. Ханты-Мансийска, в МОУ гимназии № 4 г. Сургута, о чем свидетельствуют акты о внедрении.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 печатных работы, из них одна монография, одна полезная модель, две программы для ЭВМ (государственная регистрация) и 17 статей в журналах по списку ВАК. Перечень публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 268 страницах машинописного текста и состоит из “Введения”, 6 глав, “Выводов”, “Приложения”. Библиографический указатель содержит 278 наименований работ, из которых 191 на русском языке и 87 иностранных. Текст диссертации иллюстрирован 28 таблицами и 47 рисунками.
Экологические факторы ХМАО-Югры и их влияние на организм человека
Условия проживания на территории ХМАО-Югры принято относить к разряду экстремальных, существенно оказывающих неблагоприятное влияние на общее состояние, самочувствие и работоспособность человека и предъявляющих повышенные требования к приспособительным возможностям организма. По результатам медико-экологического районирования страны Северообский район характеризуется низким уровнем здоровья населения (рейтинговый коэффициент суммарной оценки здоровья населения К=20 из 23 рангов) [1, 3, 88]. Это район с интенсивным освоением нефтегазовых ресурсов, изолированными очагами урбанизации, низкой плотностью населения, экстремальными и дискомфортными природными условиями, сложной эколого-гигиенической ситуацией. Рейтинг природных условий IV-V: дискомфортный, экстремальный [73, 108]. Заболеваемость по обращаемости в северных регионах РФ на 11,8% выше, чем в целом по России. Показатели здоровья населения этих регионов на 40-45% определяются социально-гигиеническими факторами, на 30-35% -экологическими, на 20-25% - этническими, на 5-10% - медицинскими и генетическими, что несколько отличается от критериев, установленных ВОЗ [1,2,180].
Формирование и развитие любой ФСО, и в том числе сердечнососудистой и нервно-мышечной систем человека, в условиях проживания на Севере РФ имеет ряд специфических особенностей. В первую очередь это действующие экологические факторы среды, а также обязательная и трудно управляемая гипокинезия.
Экологические факторы среды ХМАО-Югры, как и экологические факторы любой территории Сибири, имеют существенное отличие от территорий северной Европы. Зачастую бытует мнение, что проживание выше шестидесятой параллели в Европе, речь идет о таких странах как Норвегия, Швеция и др., существенней влияет на здоровье человека, чем проживание на территории ХМАО выше шестидесятой параллели. Сразу отметим, что это глубокие заблуждения, так как они не основываются на реальном влиянии теплого течения Гольфстрима и целый ряд других показателей, о которых мы будем говорить, на условия проживания и общее состояние населения [3, 92].
Резко континентальный климат характерен для территории Северо-Западной Сибири. Для этого климата присуща хаотическая динамика изменения параметров среды обитания, в частности, таких как изменения атмосферного давления, влажности и температуры атмосферного воздуха. В целом ряде публикаций по материалам исследований лаборатории «Биокибернетики и биофизики сложных систем» было показано, что на протяжении 200-250 дней в году, а это зимний период, который обычно начинается с начала октября и очень часто длится до начала мая, начинают действовать на человека большие перепады этих трех физических параметров погодных условий. Следует также отметить, что для г. Сургута, как и для всей территории ХМАО, характерно хаотическо-динамическое изменение метеорологических факторов в зимний период, которые довольно часто флуктуируют в очень широком диапазоне [41, 108].
Всё это существенно влияет на функциональные системы организма (ФСО) человека и, в первую очередь, на кардио-респираторную систему (КРС) и на состояние нервно-мышечной системы (НМС). В дни флуктуации метеофакторов у человека резко снижается активность КРС и НМС. Показатели ФСО сдвигаются в область глубокой парасимпатотонии, у человека часто наступает апатия. Такое состояние может наблюдаться недели, а то и месяцы, когда температура атмосферного воздуха в диапазоне минус 25-40С может сохраняться длительный период времени. Парасимпатотония и резкое снижение двигательной активности продолжаются на протяжении всего этого периода. Необходимо отметить, что температуры минус 25-40С являются характерными для зимнего периода территории ХМАО. Влияние метеофакторов на состояние ФСО в целом и на НМС -несомненно.
Помимо метеорологических факторов среды на состояние функциональных систем организма оказывает влияние целый ряд других экологических факторов Югры в аспекте регуляции НМС и ССС. Перечень этих факторов будем производить не в порядке их значимости для ФСО человека, а в некотором порядке их наблюдения при изучении условий проживания населения высоких северных широт [39, 41, 92, 108].
Соотношение климатообразующих факторов меняется в зависимости от времени года и географического положения рассматриваемой территории. Так, например, летом определяющую роль в формировании климата играет радиационный фактор, а зимой - циркулярные процессы.
Продолжительность солнечного сияния 1700-1800 час в год. Суммарная солнечная радиация составляет в среднем 350 кДж/см в год. В течение года она сильно изменяется, достигая наибольших значений в июле (62 кДж/см), а наименьших - в декабре (1,7 кДж/см). Некоторое уменьшение ее наблюдается в городе из-за загрязненности воздуха. Годовой радиационный баланс положительный (ПО кДж/см ), однако в холодное полугодие он отрицательный.
Аатмосферное давление оказывает значительное влияние на функциональные системы организма человека [73, 92]. В данном регионе наибольшие значения давления отмечаются зимой, а наименьшие осенью или в конце лета. Амплитуда годового хода средних значений давления составляет 5 мБ. Еще существеннее влияют на экологический статус человека на Севере резкие перепады температур, влажности и освещенности. Такие ежегодно повторяющиеся процессы на Севере РФ могут приводить к развитию гипертензий, атеросклероза и других патологий. По данным многих медиков, инфаркты у северян отмечаются на 15 лет раньше, чем в средней полосе. Большие испытания претерпевает и респираторная система. Изменения в ней касаются увеличения частоты и глубины дыхания, особенно при выполнении физической работы. В период сильных ветров и перепадов атмосферного давления развивается так называемая «полярная одышка». Спазмы бронхов, которые служат причиной дискомфорта на Севере, приводят со временем к утолщению бронхиальной стенки и ухудшению газообмена. У северян расширяется просвет в верхних и средних отделах легких. Увеличение теплоотдачи при дыхании достигает 15-20%. Дыхание сухим холодным воздухом может привести к переохлаждению легких и бронхиолиту, а как следствие - к гипоксемии. В результате переохлаждения организма часты такие заболевания, как ангина, катар верхних дыхательных путей, пневмония и др. Эти доклинические формы (если они еще не приняли устойчивый характер) могут существенно сказаться в пожилом возрасте.
Для организма человека важную роль, в физиологическом смысле, имеют перепады температур при выходе из помещения (28-3 0С) на мороз (минус 35-40С). Такие перепады приводят к спазму сосудов кожи и (рефлекторно) коронарных сосудов (нейроваскулит - поражение нервных окончаний и мелких кровеносных сосудов). При физической нагрузке на морозе могут быть ишемические эффекты, когда надо усиливать работу сердца, а коронарные сосуды сужаются от холода. Также эти перепады очень негативны и для кожи, которая теряет эластичность и быстро стареет из-за спазмов капилляров [3, 42, 45].
В ходе проведения экспериментальных исследований в г. Сургуте и Сургутском районе в зимний период наблюдались спазмы сосудов верхних конечностей у школьников с астеническим типом конституции [88]. У них не возможно было зарегистрировать пульс на фалангах пальцев с помощью фотооптических датчиков. Очевидно, что у таких школьников нарушается периферическое кровоснабжение тканей, причем на несколько месяцев в году. При этом компенсаторные реакции значительно снижены. Жизнь в таких условиях весьма специфическая, а последствия в репродуктивном периоде и в старости вообще трудно прогнозировать. В литературе мы не встретили научных данных и прогнозов на эту тему.
Изменения солнечной активности и других космических факторов свою очередь имеют важное для человека значение на Севере. Биологическое их действие опосредуется, прежде всего, через геомагнитное поле. Высокие северные широты отличаются частыми непериодическими возмущениями геомагнитного поля, которые продолжаются от нескольких минут до многих часов. Данные возмущения - это первичные факторы, которые воздействуют на молекулярном и субмолекулярном уровнях и приводят к особому состоянию организма - синдрому полярного напряжения (термин был введен В.П. Казначеевым в 1975 г.), предрасполагающему к формированию хронического патологического процесса [63, 106, 188]. Это состояние специфического напряжения всех ФСО человека вызвано суровым климатом Севера, тяжелым аэродинамическим режимом, специфическим фотопериодизмом, особенностями питания, колебаниями геомагнитного поля и рядом других специфических для высоких широт факторов.
В развитии донозологических форм ведущую роль играют факторы геомагнитной природы, от которых человек не может защититься. Колебания геомагнитного поля проявляются в изменении физико-химических параметров клеточных мембран, среди которых наиболее значимы для организма реакции перекисного окисления липидов. Эти реакции играют существенную роль в нормализации процессов обмена веществ клетки и межклеточных взаимоотношений.
Механизмы, регуляции сердечно-сосудистой системы человека в условиях физической нагрузки
Весьма актуальной остается проблема адаптации организма человека к изменяющимся факторам окружающей среды. Воздействия на организм происходят самого разнообразного характера. Это и изменения метеорологических параметров, физические и психоэмоциональные нагрузки, воздействие производственных факторов и т.д. В связи с этим много исследовательских работ отечественных и зарубежных авторов [2, 3, 126, 127] связано с изучением изменений в состоянии организма человека, его адаптационных возможностей, приспособительных реакций для поддержания гомеостаза. Сердечно-сосудистая система является весьма чувствительным индикатором всех происходящих в организме событий. Ритм сокращений сердца, регулируемый через симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы (ВНС), реагирует на любые стрессорные воздействия [21].
Физические нагрузки представляют собой наиболее типичные, хотя и сопряженные с определенными затратами, состояния, к которым приходится адаптироваться сердечно-сосудистой системе. Рассматривают три вида физических нагрузок:
1. динамические, когда в группах мышц чередуется напряжение и расслабление (например, ходьба, бег, плаванье);
2. статические, при которых имеется длительное напряжение отдельных групп мышц (например, вынужденная рабочая поза, в которой приходится проводить определенное время);
3. "взрывные", характеризующиеся очень сильным и кратковременным напряжением мышц (например, подъемы тяжестей).
Есть, кроме того, и смешанные виды, а также гиподинамия (отсутствие любых видов нагрузок, за исключением, естественно, минимальной мышечной деятельности). Динамические нагрузки могут быть малой, средней и высокой интенсивности. При малой динамической нагрузке (например, при ходьбе) работающим мышцам требуется больше кислорода, поэтому сердце усиливает свои сокращения и учащает их. Сердечная мышца тренируется, в ней активируется обмен веществ, усиливаются восстановительные процессы. Активируется гормональная система надпочечников и щитовидной железы, усиливается сгорание углеводов, повышается усвоение мышцами кислорода. Активируются специальные системы, оказывающие гипотензивное (снижающее АД) действие (тут срабатывают механизмы обратной связи: поскольку сердце работает в усиленном режиме, то АД, соответственно, будет повышаться и организм включает механизмы, направленные на снижение АД. Сосуды, проходящие в мышцах, при ритмичной работе мышц то сдавливаются, то освобождаются от сдавления. Таким образом, мышцы то сжимают сосуды, выталкивая кровь, то отпускают их, позволяя сосудам наполняться кровью. Получается как бы второе, "мышечное" сердце, которое помогает нашему сердцу, разгружает его. Кроме того, улучшаются свойства крови, уменьшается слипание тромбоцитов, повышается содержание липопротеидов высокой плотности (это практически единственные вещества, способные растворять холестерин, выпавший в бляшку, и "вытаскивать" его из бляшки). А это весьма актуально сейчас при возрастающей проблеме атеросклероза сосудов [66, 103, 138, 139].
Если физическая динамическая нагрузка повышается, потребности организма в энергетическом обеспечении резко повышаются. Растет потребление кислорода (так как кислород - необходимый субстрат для воспроизводства энергии). Если до этого источником энергии, в основном, было "сгорание" углеводов, то теперь в качестве источника энергии начинают выступать жиры. "Сгорание" жиров начинается примерно через 15-20 минут работы. Повышается артериальное давление, частота пульса, содержание в крови адреналина и других активизирующих гормонов. Если подобная нагрузка продолжается не слишком долго, то сердце и весь организм получают хорошую тренирующую нагрузку. Более того, считается, что только такая нагрузка (предъявляющая повышенные требования к организму) и может развивать адаптирующие возможности организма. Раз за разом, выходя на подобный режим работы, сердце все больше приспосабливается к этому режиму и вырабатывает все более экономичный и оптимальный вариант своей деятельности.
На определенном этапе прирост нагрузки перестает давать адекватное увеличение работоспособности сердца. Тренирующий эффект не увеличивается, наступает т.н. "плато" нагрузки. Если продолжать наращивание нагрузок, наступает момент, когда клетки организма будут не в состоянии обеспечить возросшие потребности в энергетических веществах и, в первую очередь, в кислороде. Наступает "кислородный предел", за которым нагрузка начинает стремительно разрушать организм: идет повреждение мышечной системы, сердца, сосудов, головного мозга, нарушаются газовый, белковый, углеводный, жировой, гормональный и другие виды обмена веществ и т.д. (хорошо известное заболевание спортсменов - миокардиодистрофия, возникающее вследствие физического напряжения, относится именно к этому классу заболеваний) [30, 128, 225, 250].
Следует учитывать два важных механизма, участвующих в реакции сердечно-сосудистой системы на динамическую физическую нагрузку. Первый - это насос скелетной мускулатуры, который является очень важным фактором усиления венозного возврата при физической нагрузке. Этот фактор предупреждает чрезмерное снижение центрального венозного давления вследствие увеличения частоты сердечных сокращений и сократительной способности миокарда. Второй фактор — это дыхательный насос, который также способствует венозному возврату при физической нагрузке. Усиление дыхательных движений во время физической нагрузки ведет к увеличению эффективности деятельности дыхательного насоса и, тем самым, способствует повышению венозного возврата и наполнения сердца.
Средняя величина центрального венозного давления при значительной динамической физической нагрузке изменяется несущественно, или вообще не меняется. Это происходит потому, что обе кривые минутного объема и венозного возврата сдвигаются кверху при физической нагрузке. Таким образом, минутный объем и венозный возврат увеличиваются без значительных изменений центрального венозного давления [2, 31, 61].
В целом, значительные адаптационные изменения деятельности сердечно-сосудистой системы при динамической физической нагрузке, происходят автоматически, вследствие работы нормальных механизмов регуляции деятельности сердечно-сосудистой системы. Колоссальное увеличение кровотока в скелетной мускулатуре осуществляется преимущественно за счет увеличения минутного объема сердца, но частично это также осуществляется за счет уменьшения кровотока в почках и органах брюшной полости [101].
При статической (т.е. изометрической) физической нагрузке в сердечно-сосудистой системе возникают изменения, отличные от изменений при динамической нагрузке. Динамическая нагрузка приводит к существенному уменьшению общего периферического сопротивления, вследствие локальной метаболической вазодилатации в работающих мышцах. Статическое напряжение, даже умеренной интенсивности, вызывают сдавление сосудов в сокращающихся мышцах и снижение объемного кровотока в них. Таким образом, общее периферическое сопротивление обычно не снижается при статической физической нагрузке и может даже существенно увеличиться, если в работу вовлечены некоторые крупные мышцы. Первичные изменения в деятельности сердечно-сосудистой системы во время статической нагрузки представляют собой повышающие установочную точку потоки импульсов в сосудодвигательный центр продолговатого мозга из коры головного мозга (центральная команда) и от хеморецепторов в сокращающихся мышцах. Воздействие на сердечнососудистую систему статической нагрузки приводит к увеличению частоты сердечных сокращений, минутного объема и артериального давления - все это является результатом усиления активности симпатических центров. Статическая нагрузка в то же время приводит к меньшему увеличению частоты сердечных сокращений и минутного объема и большему увеличению диастолического, систолического и среднего артериального давления, чем это происходит при динамической физической нагрузке.
Во время выполнения функциональных проб (удерживание дополнительного веса) возникают качественно аналогичные сдвиги в деятельности сердечно-сосудистой системы, что и при проведении принятой за эталон функциональной пробы (сжатие динамометра кистью руки). Этот вывод касается автоматизма сердца, его сократительной способности, артериального давления крови, сердечного выброса, системного артериального сопротивления, линейных и объемных величин полости левого желудочка. При этом степень изменения каждого из показателей в значительной мере зависит от интенсивности выполнения тестирующей нагрузки, ее продолжительности, положения тела спортсмена в пространстве [126, 169, 243].
Количественные показатели произвольных движений учащихся и их математическое моделирование
Изучение двигательных функций человека в общем случае включает как исследование непроизвольных движений (результаты такого изучения представлены выше в гл. 3.1) так и произвольных движений. Особенности исследования произвольных движений заключаются во влиянии психики человека на динамику таких процессов. Последнее связано со сложными действиями при обучении человека, его работе в системе «человек-машина» и т.д. В этой связи особенности регуляции двигательных функций при обучении навыкам письма учащихся младших классов, исследования состояния двигательных функций человека-оператора и, наконец, изучение характеристик произвольных движений в случае двигательных патологий (в медицине при хирургических травмах, поражении ЦНС) представляют несомненный интерес для специалистов в различных областях педагогики, физиологии труда и медицины. С учетом сказанного, нами изучались произвольные движения конечностей человека при использовании авторского программного продукта.
Исследования включали два этапа: на первом этапе производилось изучение параметров унимануальных движений человека, т.е. движений, выполняемых одной фалангой пальца одной руки. Испытуемому предлагалось в выбранном им ритме (1 вариант) или в ритме, задаваемом специальным звуковым устройством совершать вертикальные колебательные движения указательным пальцем одной руки. Автоматизированный комплекс фиксировал основные параметры такого колебательного движения в следующей последовательности: первоначально с помощью ЭВМ регистрировалась вся кинематограмма (характерный пример представлен на рис. 35), далее по заданной программе автоматически определялись значения последовательных амплитуд колебаний и временные параметры (интервалы между максимумами отклонений конечности). С помощью автоматизированного комплекса и разработанного программного продукта (описание см. в главе 2) выполнялся математический расчет полученных числовых массивов в двух вариантах. В первом варианте использовалась традиционная методика математической статистики с расчетом математического ожидания, дисперсии, среднеквадратического отклонения, доверительного интервала для небольшой выборки, которая получалась из численного анализа зарегистрированной кинематограммы.
Во втором варианте вычислялся вариационный размах, мода, амплитуда моды. Существенно, что второй подход широко принят в анализе кардиограмм человека для оценки функционального состояния системы регуляции кардиоритма. Программа обеспечивала вывод этих двух вариантов математической обработки результатов измерений на экран с последующей возможностью её распечатки.
По данной методике было обследовано 12 человек в возрасте 16 лет. Измерения производились в состоянии покоя и после нагрузки. В качестве нагрузки испытуемому предлагалось выполнить 20 приседаний за 30 секунд. На рис. 35 видно, что до вносимого в НМС возмущения средний период составлял 500 мсек, мода 540 мсек, а вариационный размах 500 мсек, т.е. произвольные движения выполнялись достаточно быстро, но с большим вариационным размахом. Средняя амплитуда при этом составляла 206 мВс довольно большими среднеквадратичными отклонениями (по амплитуде среднеквадратичное отклонение составило 73 мВ, по периоду - 106 мсек).
После выполнения физического упражнения, которое не вызывало утомления, но активизировало все системы управления, картина резко изменилась в количественном плане (см. рис. 35 б). Средний период выполнения движения увеличился на 30 % (составил 650 мсек), мода увеличилась на 18 % (составила 640 мсек), а вариационный размах уменьшился до 420 мсек. Одновременно резко возросла, почти на 50 %, средняя амплитуда колебаний произвольных движений (составила 297 мВ против 206 мВ исходно), но среднеквадратичное отклонение по амплитуде и периодам колебаний уменьшились (соответственно до 45 мВ с 73 мВ, и до 77 мсек от 106 мсек).
В ходе дальнейшего исследования мы произвели компартментно-кластерное моделирование произвольных движений человека (теппинга). Известно, что организация произвольных движений находится в условиях управляющих воздействий со стороны иерархических структур ЦНС, в частности, моторной зоны (МЗ) коры головного мозга. Такие системы требуют уже другого подхода в описании и моделировании, основанного на компартментно-кластерном подходе в моделировании кластеров, составляющих двигательные единицы и организовывающих непосредственно акты произвольного (или непроизвольного) движения. Это кластеры нижнего уровня иерархии и для них существуют кластеры верхнего иерархического уровня в виде нейронных сетей (НС) головного мозга. В простейшем случае системы управления движением конечностей человека могут быть представлены в виде двухкластерных иерархических систем (см. рис. 36).
В простейшем случае верхний уровень иерархии может быть (также как и для нижнего кластера) представлен трехкомпартментным кластером. Причем первый и третий компартменты могут быть представлены совокупностями нейронов спинного мозга, отвечающих за афферентные и эфферентные сигналы (цепи афферентных и эфферентных мотонейронов, например). Центральное звено, средний компартмент в кластере нижнего уровня иерархии, можно рассматривать как отдельный (передаточно -перерабатывающий) компартмент. Тогда мы можем иметь в простейшем случае двухкластерную систему.
Неоднократно в своих работах В.А. Антонец [15, 16] представлял наличие многокомпартментной организации в нижнем кластере. Именно в его работах впервые высказывалось представление об организации двигательных единиц в отдельные компартменты, которые поочередно (и, главное, последовательно) включаются для удержания позы (суставного угла, например). С помощью отдельных мышц или групп мышц, работающих синергично (взаимоподдерживающе) в направлении одной общей цели -удержание тела или его частей в пространстве, может осуществляться удержание позы.
Многоступенчатый, последовательный во времени (но не обязательно в пространстве) механизм удержания фрагментов тела человека обуславливает важный кибернетический принцип управления кинематическими звеньями.
Живые существа значительно отличаются этим механизмом от технических механизмов, где удержание части механизма в заданном положении обычно не вызывает затрат энергии. В живых организмах такая процедура требует постоянного напряжения мышц (подвода энергии), а это может привести к утомлению. Для избегания этого утомления система управления мышцами реализует принцип компартментного (последовательного во времени) переключения (возбуждения) групп двигательных единиц или отдельных мышц. Очевидно, что без компартментной организации возбуждения в мышцах последние не смогли бы обеспечивать удержание позы человека. При этом компартментный подход не может детерминировать само число компартментов. В наших моделях мы выбираем эту величину равную трем (т = 3). Это делается из ряда биологических соображений, а также из известной теоремы об организации периодических решений в компартментных системах управления. Эта теорема была доказана в 1992 г. В. М. Еськовым.
Из теоремы следует, что только в трехкомпартментных (и выше) системах возможны колебательные режимы, иначе НМС будет находиться в тоническом, статическом состоянии. А возникновение устойчивых бифуркаций рождения циклов возможны в трехкомпартментных системах при определенных условиях. Эти условия в виде ряда теорем также были доказаны В. М. Еськовым для любого m 3. Отсюда следует определенный биофизический интерес для систем с компартментной организацией при m 3. Очевидно, в этой связи, что в рамках компартментно-кластерного подхода наиболее простая система с m = 3 и числом кластеров п = 2 (двухкластерные системы).
Верхний кластер (п = 1) в подобных системах осуществляет управляющие тонические воздействия. Одновременно первый кластер ІЩС может регулировать амплитуду и частоту колебаний 2-го нижнего (мышечного) кластера за счет этих управляющих воздействий. Характер влияния кластера верхнего уровня на нижний проиллюстрирован на конкретном биологическом примере с физической нагрузкой испытуемого на рис. 35.
Сравнительный анализ методом фазовых пространств особенностей параметров квазиаттракторов тренированных и нетренированных студентов Сургута и Самары
Оценка функционального состояния организма, его адаптационных резервов представляет одну из серьезных проблем, интересующих специалистов различного профиля. Адаптация организма к физическим нагрузкам является одной из важных характеристик функционального состояния организма и в значительной мере зависит от специфики и направленности тренировочного процесса. Однако нельзя не учитывать влияние климатогеографических условий проживания на состояние функциональных систем организма человека.
В связи с этим в пятом блоке наших исследований было выполнено сравнительное изучение возможностей использования метода многомерных фазовых пространств для оценки адаптационных возможностей жителей Югры и средней полосы РФ (г. Сургута и г. Самары) по параметрам ССС и ВНС под влиянием физической нагрузки.
В этом блоке было обследовано 138 юношей и девушек в Сургуте и 142 студента (юноши и девушки) Самары. Юношей разделили на три группы: 1-студенты, занимающиеся физической культурой (ФК) не регулярно (лишь 2 раза в неделю в рамках государственной программы по ФК); 2 - студенты, занимающиеся индивидуальными видами спорта (тяжелая атлетика, пауэрлифтинг, бокс, гимнастика, плавание, легкая атлетика); 3 - студенты, занимающиеся игровыми видами спорта (футбол, волейбол, баскетбол). Показатели снимались до и после физической нагрузки. Использовались пять координат вектора состояния организма человека по параметрам показателей ССС и ВНС испытуемых (студентов г. Самары и г. Сургута): Хі=СИМ, х2=ПАР, х3=ИНБ, Х4= SPO2, х5=ЧСС. Схема структуры пятого блока исследований представлена на рисунке 55.
С использованием программы (для ЭВМ) для идентификации параметров вектора состояния организма человека (ВСОЧ) в фазовом пространстве состояний (ФПС) производился расчет объема V многомерного параллелепипеда, внутри которого находится аттрактор ВСОЧ, расстояния Rx между геометрическим и статистическим центром, рассчитывался параметр Z; - расстояние между центрами двух аттракторов движения ВСОЧ для А:-го кластера до и после физической нагрузки с учетом уменьшения размерности фазового пространства или между двумя различными сравниваемыми квазиаттракторами (КА) [78].
В таблице 16 представлены объемы КА вектора состояния организма юношей г. Сургута и г. Самары. Отметим, что квазиаттракторы движения ВСОЧ до и после предъявления физической нагрузки имеют разные объемы и занимают разные области в ФПС.
При сравнении динамики поведения вектора состояния организма юношей в зависимости от направленности тренировочного процесса выявлено, что в ответ на физическую нагрузку «спортсмены-игровики» Сургута и Самары реагируют более выраженной степенью увеличения объемов квазиаттракторов (в 2 и в 63,5 раза соответственно) по сравнению со спортсменами индивидуальных видов спорта (увеличение VG в 1,7 раза у юношей Сургута и в 9,7 раза у спортсменов Самары).
Это связываем с большей отработанностью адаптационных процессов в силу специфики игровых видов спорта, в которых происходит высокое колебание интенсивности нагрузки.
У нетренированных юношей Сургута и Самары объемы квазиаттракторов до нагрузки значительно меньше, чем у спортсменов, а на нагрузку нетренированные юноши Сургута реагируют сравнительно большим возрастанием объемов (в 150 раз), чем нетренированные студенты Самары (Уа увеличивается в 4 раза). Такие результаты по показателям ВСР студентов Сургута могут характеризовать большую рассогласованность в системах организма, которые обеспечивают адаптационные реакции в ответ на воздействие, в частности, на физическую нагрузку. Рассогласованность адаптационных механизмов может быть связана с общим снижением адаптационных возможностей жителей Югры, что подтверждается другими исследованиями [75, 90, ПО].
Анализируя динамику вектора состояния организма спортсменов г. Сургута и г. Самары при физической нагрузке следует отметить, что объемы КА самарских спортсменов в ответ на физическую нагрузку возрастают значительно больше (в 63,5 раза в группе «игровиков» и в 9,7 раза в группе юношей, занимающихся индивидуальными видами спорта), чем у спортсменов Сургута (в 1,7-2 раза). Предполагаем, что такая существенная разница в показателях VG КА после физической нагрузки может свидетельствовать о большей широте диапазона приспособительных реакций организма юношей-спортсменов Самары и хорошей восстанавливаемостью их физиологических показателей после прекращения нагрузки.
В таблице 17 представлены объемы квазиаттракторов вектора состояния организма девушек г. Сургута и г. Самары.
Анализируя параметры квазиаттракторов ВСО девушек г. Сургута и г. Самары можно отметить, что объемы КА и динамика их поведения в ответ на физическую нагрузку вцелом сходны, с отличием в том, что VQ КА нетренированных девушек Сургута более значительно (в 312 раз) возрастает после нагрузки по сравнению с другими группами девушек, у которых увеличение составляет в 35 раз и 29,3 раза (у спортсменок Сургута и Самары соответственно), в 11,6 раза у нетренированных девушек Самары. Такое значительное возрастание объемов КА в группах нетренированных студентов Сургута может свидетельствовать о сложности адаптации к внешним воздействиям и напряжении их ФСО.
Используемый метод анализа параметров аттракторов ВСОЧ позволяет давать обоснование и критерии оценки различий между стохастической и хаотической динамикой поведения параметров сердечно-сосудистой системы человека в различных состояниях (в нашем случае — до и после физической нагрузки), а также показывает значимость конкретного, каждого х-компонента вектора состояния для всего вектор&Х = (х1,х2,...,хш)т.
В нашем исследовании был проведен расчет матриц межаттракторных расстояний между центрами квазиаттракторов до и после физической нагрузки для сходных (по полу и направленности тренировочного процесса) групп студентов из Самары и Сургута. С помощью программы для ЭВМ по идентификации параметров порядка методом расчета матриц расстояний определяли уменьшилось или увеличилось расстояние между центами двух аттракторов при изменении размерности фазового пространства. При сильном изменении Zj делается заключение о существенной (если параметры существенно меняются) или несущественной (параметры, почти неизменны) значимости конкретного, каждого xj компонента ВСОЧ для всего вектораX = (х,,х2,..,,хт)т.
Результаты расчета матриц расстояний представлены в таблицах 18-23. Для построения 5-ти мерного фазового пространства использовались следующие показатели ВGP: хі=СИМ, х2=ПАР, х3=ИНБ, Х4= SP02, х5=ЧСС.
Из представленных значений в таблице 18 следует, что наиболее значимым параметром является индекс напряженности ИНБ, при исключении которого величины Zi существенно изменяются в сторону приближения центров сравниваемых КА, за исключением групп сравнения из Сургута «игровые виды спорта» и из Самары «индивидуальные виды спорта». При сравнении показателей этих групп обнаружено, что на величину расстояния между центрами оказывает существенное влияние показатель ЧСС. Следует отметить, что наименьшее расстояние в фазовом пространстве между центрами КА: сходных групп (индивидуальные виды спорта) г. Сургута и г. Самары (Z0 = 10.36); игровые виды спорта (Сургут) и индивидуальные виды спорта (Самара) - (ZO = 7.17); не регулярно занимающиеся спортом (Сургут) и игровые виды спорта (Самара) (Z0 = 9.54). Это может свидетельствовать о неком сходстве физиологического состояния до нагрузки.
В таблице 20 представлены величины Z\ в каждой исследуемой группе студентов-юношей между центрами КА до и после физической нагрузки. Исходя из полученных результатов следует, что меньшие значения Zi наблюдаются во всех трех группах юношей Самары по сравнению с аналогичными группами студентов г. Сургута. Причем самое маленькое расстояние (Z0 = 15.8309) между центрами КА до и после физической нагрузки в группе самарских юношей не регулярно занимающихся спортом.
Из таблицы 21 следует, что наиболее значимым параметром при сравнении Zj, как и в группах юношей, является индекс напряженности ИНБ во всех группах, кроме групп спортсменок Сургута и Самары (Z0 = 5.8172 -наименьшее значение в таблице 21).
После физической нагрузки (см. табл. 22) наибольшие значения в группах сравнения «спортсменки Сургута» и «нетренированные девушки Самары» (ZO = 209.3388), а наименьшее расстояние между КА не спортсменок Сургута и спортсменок Самары (Z0 = 54.7479).
