Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы ритмогенеза и ритмопреобразования 13
1.1. Временная организация биосистем 13
1.2. Циркадианная система и суточный периодизм 21
1.3. Природа изменчивости циркадианных ритмов 28
1.3.1. Факторы изменчивости характеристик циркадианных ритмов 28
1.3.2. Пластичность и константность циркадных ритмов вегетативных функций 33
1.4. Хронобиологические аспекты адаптации 40
Глава 2. Методы исследования 47
2.1.Характеристика метеоусловий в периоды проведения исследований...47
2.2. Контингент испытуемых и формат исследований 52
2.3. Методики исследования 53
Глава 3. Динамика функционального состояния неакклиматизированных лиц в субэкстремальных условиях и при восстановлении 57
3.1. Переходные процессы в физиологических системах при 2-х-недельном воздействии условий высокогорья и пустыни по данным мезоров суточных ритмов 58
3.1.1. Внешнее дыхание и газовый состав крови 60
3.1.2. Гемодинамика 64
3.1.3. Сердечный ритм 68
3.1.4. Температурный гомеостаз 70
3.1.5. Водно-солевое состояние и кортизол плазмы 72
3.2. Анализ типов переходных процессов с позиций теории управления в системах 79
3.3. Оценка устойчивости физиологических функций к воздействию природной гипоксии и гипертермии по показателям реактивности и восстановления 92
Глава 4. Спектральные характеристики ритмов вегетативных функций в разных условиях среды 97
4.1 Инфрадианный диапазон 97
4.2. Ультра-циркадианный диапазон 112
4.3 Межпараметрическая частотная синхронизация ритмов вегетативных функций 129
Глава. 5. Факторы, влияющие на изменчивость амплитуд циркадианных колебаний 140
Глава. 6. Фазовая изменчивость и синхронизация циркадианных ритмов 160
6.1 Оценка фазовой динамичности и устойчивости циркадианных ритмов к действию высокогорной гипоксии и природной гипертермии 160
6.2. Межпараметрическая фазовая синхронизация (десинхронизация) и влияющие на нее факторы 183
Заключение 193
Выводы 206
Библиографический список 208
Приложение 269
- Циркадианная система и суточный периодизм
- Водно-солевое состояние и кортизол плазмы
- Межпараметрическая частотная синхронизация ритмов вегетативных функций
- Межпараметрическая фазовая синхронизация (десинхронизация) и влияющие на нее факторы
Введение к работе
Актуальность исследования. В 1960 г. Ю. Ашофф предположил, что изменения в «уровне возбуждения» (общей активности) организма могут индуцировать изменения в циркадных ритмах, а разработка проблемы взаимосвязи между функциональным состоянием и характером циркадианной ритмичности является актуальным направлением хронобиологии (Turek F.W, 1989; Агаджа- нян. Н.А. с соавт., 1998; Weibel L. ел., 2002; Sage D. ел., 2004). Гипотеза Ю. Ашоффа неоднократно подтверждалась при исследованиях человека и животных в лабораторных условиях (Zacharska-Markiewiez K. e.a., 1988; Сорокин
-
А. с соавт., 1990; Мошкин М.П., 1992; Баженов Ю.И., 1994; Арушанян Э.Б., 1999; Duffy J.F., Dijk D.-J., 2002).
Изменения хроноструктуры физиологических функций наблюдались при трансмеридианном (запад^восток) перемещении человека в новые условия природной среды при значительном сдвиге фазы внешних времязадателей (Мошкин М.П. с соавт., 1979; Матюхин В.А., Кривощеков С.Г., Демин Д.В., 1986; Матюхин В.А., Путилов А.А., 1989; Ежов С.Н., 2005; Пацевич Ю.Л., Салюк
-
И., 2008). Однако и трансширотные (север^юг) перемещения, при которых свойства датчиков времени существенно не изменяются, также сопровождаются изменениями хроноструктурной организованности (Колпаков В.В., 1983; Матюхин В.А. и др., 1986; Степанова С.И., 1986; Слоним А.Д., 1987; Заславская Р.М. с соавт., 1997; Агаджанян Н.А. с соавт., 1998; Кривощеков С.Г., Охотников С.В., 2000; Кривощеков С.Г. и др., 2003). Вопрос о хронобиологиче- ских изменениях, возникающих при функциональных напряжениях во время воздействия на организм стрессирующих факторов среды и адаптивном изменении биосистем, и в том числе организма человека, недостаточно хорошо изучен. В частности, изменению мезоров суточных ритмов, отражающих наиболее вероятный уровень физиологических функций в новых условиях, не уделялось должного внимания. Количество данных о характере первичных биоритмологических реакций в ответ на воздействие высокогорной гипоксии и природной гипертермии ограничено, а результаты выполненных работ не вполне удовлетворительны, поскольку физиологические параметры контролировались эпизодически, в разное время случайно выбранных суток (Новожилов Г.Н., Ломов О.П., 1987; Тигранян Р.А. с соавт., 1990; Заславская Р.М. с соавт., 1997). Вследствие этого, существует недостаточная или противоречивая информация об эволюции функционального состояния в начальный период действия новых природных условий. Отсутствуют данные о восстановлении биоритмологических характеристик при возвращении в привычные условия (реакклиматизации) после воздействия высокогорной гипоксии и природной гипертермии.
Несмотря на то, что в литературе накоплено достаточно много фактов, касающихся биологической изменчивости параметров циркадианных ритмов - мезоров, акрофаз и амплитуд (Чибисов С.М. с соавт., 1994; Алпатов А.М., 2000; Айзман Р.И., 2001; Бородин Ю.И. с соавт., 2002; Хетагурова Л.Г. с соавт., 2005; Фатеева Н.М., Абубакирова О.Ю., 2006, 2008; Даниленко К.В., 2009), до настоящего времени не предложено теоретической модели, описывающей закономерности перенастройки ритмических процессов в разных частотных диапазонах для отдельных систем организма при стрессогенном воздействии внешних факторов, не затрагивающих состояние главного ритмозадателя - циклов суточной освещенности. Подобная модель, описывающая межпараметрические различия фазовой изменчивости циркадианных ритмов в обычных (хронодинамич- ность) и субэкстремальных (хронорезистентность) условиях, принципиальные закономерности и факторы изменчивости циркадианных амплитуд позволила бы определить физиологические границы ритмопреобразования и расширила существующие представления о характере биоритмологических нарушений.
Из литературы известно, что стрессовое воздействие приводит к нарушению влияния центрального осциллятора на течение биологических ритмов и последующему их выходу из под синхронизирующего контроля главного пейс- мекера (Лурье С.Б., 1990; Мошкин М.П., 1992; Meerlo P. e.a., 1997; Weibel L. e.a., 2002; Попов А.В., Арушанян Э.Б., 2005). Наиболее часто авторы сообщают о прямой связи между уровнем стрессированности и нарушением хронострук- турной организованности (Мельников В.Н., 1984; Макаров В.И., 1989; Мошкин М.П., 1992; Арушанян Э.Б., Бейер Э.В., 1998). С другой стороны, показано, что некоторый критический уровень глюкокортикостероидов в крови способствует стабилизации циркадных ритмов (Colguhaun W., Condon R., 1981).
В случаях, когда внешние или внутренние флуктуации нарушают стабильность биорезонансных процессов, происходит динамическое изменение сопутствующих суточному ритму высокочастотных гармоник (Daan S., Aschoff J., 1982; Gerkema M.P. e.a., 1990). Отдельные физиологические функции регулируются разными осцилляторными подсистемами, которые сами управляют поступлением энергии от внутреннего или внешнего источника и осуществляют ее перераспределение между ритмами разных частот (Путилов А. А., 1989). Поэтому при внешних воздействиях, при изменении функционального состояния можно ожидать появление различных типов колебательных процессов для отдельных физиологических параметров. Однако на сегодняшний день это является лишь гипотезой, требующей проверки.
Проведенные к настоящему времени исследования по изучению хроност- руктуры физиологических функций при адаптации человека к высокогорной гипоксии (Окунева Г.Н. с соавт., 1987; Соломко А.П., 1989; Черноок Т.Б. с со- авт., 1990; Максимов А.Л. с соавт., 1990; Домияров С.Б. с соавт., 1991) и условиям природной гипертермии (Стрепков П.С., 1986; Фрейнк А.И. с соавт., 1987) не позволяют ответить на ключевой вопрос: «В чем заключается специфика ритмопреобразования после перемещения человека в субэкстремальные условия высокогорья или пустыни?».
Цель настоящего исследования: выявление общих и специфических характеристик ритмов физиологических функций в инфра- и ультра-циркадианном частотных диапазонах у человека при действии условий высокогорья и пустыни.
Задачи работы:
1) определить типы переходной динамики физиологических функций после перемещения здоровых лиц в регионы с резко измененными геофизическими условиями высокогорья и пустыни и при реадаптации в домашних условиях на основе анализа мезоров циркадианных ритмов показателей основных висцеральных систем (дыхания, сердечно-сосудистой, терморегуляции, эндокринной, минерального обмена);
-
-
изучить частотно-амплитудные характеристики физиологических функций в инфра- и ультра-циркадианном частотных диапазонах в разных условиях среды;
-
выделить константные и пластичные циркадианные ритмы по показателям вариабельности акрофаз и оценить межпараметрическую фазовую согласованность в обычных и субэкстремальных условиях среды;
-
выявить закономерности влияния внешних (температура среды) и внутренних (среднесуточный уровень физиологических функций, концентрация кортизола в плазме) факторов на хроноструктуру физиологических ритмов.
Работа проводилась на кафедре физиологии человека и животных Алтайского государственного университета в соответствии с тематическим планом госбюджетных НИР (№201.91.0054764) и была поддержана грантами Госкомитета РФ по высшему образованию «Биоритмологические аспекты адаптации человека к средовым факторам» (№01.91.0054764 - 1991 г.), «Циркадианная система человека в субэкстремальных условиях среды (№201.93.0054759 - 1993 г.), «Ритмогенез и ритмопреобразование физиологических функций при адаптивном поведении биосистем» (№01.2.00309687 - 2003 г.), грантом Федеральной целевой программы Минобразования «Валеология» «Хронобиологические механизмы адаптации человека к экстремальным факторам природной среды в зависимости от индивидуально-типологических свойств организма» (№01.99.0011285 - 1999 г.).
Научная новизна. Впервые с позиций теории управления систем проанализированы типы переходной динамики физиологических функций (по данным мезоров суточных ритмов параметров гемодинамики, вариабильности сердечного ритма, дыхания, теплового и водно-солевого состояния) и проведена классификация переходных процессов при 2-недельном воздействии гипоксических и высокотемпературных условий среды. Проведено сравнение биоритмологических реакций отдельных физиологических систем на воздействие высокогорной гипоксии и природной гипертермии, а также скорости восстановления физиологических функций после отмены возмущающих факторов среды.
На основании данных спектрального анализа ритмических процессов в ультра-циркадианном диапазоне впервые показано, что независимо от условий среды существует два класса физиологических ритмов, отличающихся по способу их временной самоорганизации: 1) ритмы, для которых спектральная плотность ультрадианных составляющих преобладает над циркадианной; 2) ритмы, для которых спектральная плотность ультрадианных компонентов остается ниже циркадианной.
Установлено, что в условиях пустыни и особенно высокогорья ослабляется частотная взаимная синхронизация суточных ритмов вегетативных функций, что сопровождается усилением ультрадианной ритмичности.
Для циркадианных ритмов гемодинамики, вариабельности кардиоинтерва- лов, содержания натрия и калия в слюне и моче, кортизола плазмы установлена ранее не известная закономерность - прямо пропорциональная зависимость размаха суточных колебаний физиологических показателей от мезора, а для ритмов температуры тела и кожи, показателей газового состава крови и содержания электролитов в эритроцитах - обратно пропорциональная зависимость.
Впервые количественно оценена вариабельность акрофаз циркадианных ритмов вегетативных функций с учетом межсуточной, межиндивидуальной, внутригрупповой и интраиндивидуальной изменчивости в разных условиях среды. По показателям вариабельности периодов и акрофаз выделены фазово- устойчивые и фазово-пластичные циркадианные ритмы. Показано, что максимум внутренней фазовой десинхронизации отмечается в 1-3-е сутки после перемещения неакклиматизированных лиц в субэкстремальные условия.
Установлено, что как недостаточность, так и избыточность кортизола оказывает десинхронизирующий эффект на суточные ритмы гемодинамики и содержания электролитов в слюне и моче. Усиление ультрадианной активности диастолического давления, диуреза, экскреции натрия и калия, содержания натрия в слюне прямо пропорционально уровню кортизола.
Показано, что инфрадианная (с периодами 2-8 суток) ритмичность физиологических функций формируется под влиянием экзогенных факторов, одним из которых являются многодневные циклы температуры среды. Специфика характеристик инфрадианных ритмов в высокогорье и пустыне определяется сочетанием мощности и среднединамического уровня средовых колебаний.
Теоретическая и практическая значимость работы. Показана диагностическая значимость выявления трендов мезоров суточных ритмов для определения типов переходной динамики и оценки напряжения регуляторных механизмов в физиологических системах.
Обосновано и апробировано введение разработанного автором оригинального показателя - коэффициента ритмопреобразования для характеристики колебательных режимов и оценки ультрадианной активности. Выявленная типология ритмопреобразования в условиях высокогорья и пустыни расширяет представление о хронобиологических стратегиях приспособительных процессов у человека.
Данные о динамике мезоров циркадианных ритмов различных физиологических функций под влиянием внешних воздействий и при реакклиматизации, критических периодах изменения хроностуктуры при субэкстремальных воздействиях, взаимоотношении «амплитуда - мезор», влиянии внешней температуры и уровня кортизола плазмы на ритмические процессы имеют прогностическое значение.
Результаты исследования используются при чтении специальных курсов «Физиология адаптации» и «Хронобиология» на биологическом факультете Алтайского государственного университета.
Положения, выносимые на защиту:
1. Перемещение неакклиматизированных лиц из регионов умеренного климата в условия высокогорья и пустыни сопровождается адаптивной перестройкой динамики среднего уровня колебаний физиологических показателей - мезоров циркадианных ритмов вегетативных функций. Эти переходные процессы могут иметь моно-, двух-, полифазный или экспоненциальный характер, отражая фундаментальные свойства приспособительных реакций - функциональную саморегуляцию или адаптивную самоорганизацию.
-
-
-
Формирование новой инфрадианной ритмичности физиологических функций в условиях высокогорья и пустыни определяется сочетанием мощности и среднединамического уровня колебаний температуры среды.
-
В субэкстремальных условиях усиливается представленность ритмов ультрадианного диапазона большинства исследованных показателей. Уровень гормона стресса - кортизола - избирательно влияет на ультрадианную активность различных параметров гемодинамики и водно-солевого состояния, в связи с чем он может рассматриваться в качестве регулятора процесса адаптивного ультраритмогенеза отдельных физиологических функций.
-
Для циркадианных ритмов показателей гемодинамики, длительности кардиоинтервалов и их вариабельности, содержания натрия и калия в слюне и моче, кортизола плазмы типична прямо пропорциональная зависимость размаха колебаний от мезора, тогда как ритмы показателей внутренней среды (температуры тела, газового состава крови и содержания электролитов в эритроцитах) демонстрируют обратно пропорциональную зависимость. Это свидетельствует о прямом участии биоритмологического механизма в управлении гомеостати- ческими функциями в адаптивном процессе.
-
Независимо от условий среды наибольшую фазовую стабильность проявляют суточные циклы температуры тела, моды кардиоинтервалов, концентрации натрия и натрий-калиевого коэффициента слюны, кортизола плазмы, напряжения кислорода, оксигемоглобина, рН и электролитного состава крови.
-
В высокогорье и пустыне возрастает вариабельность циркадианных ак- рофаз физиологических ритмов, что сопровождается внутренним фазовым рассогласованием, степень которого зависит от температуры среды и уровня кор- тизола плазмы.
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены на всесоюзных и всероссийских конференциях и симпозиумах (Новосибирск, 1990; Новокузнецк, 1991; Барнаул, 1991; Ашхабад, 1992; Москва, 1990, 1994; Чебоксары, 1993; Сыктывкар, 1994), Съезде Физиологического общества при РАН (Москва, 1994), заседании комиссии Конкурсного центра грантов по фундаментальному естествознанию при Санкт-Петербургском университете (Петрозаводск, 1994), 2- м съезде физиологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 1995), XVII, XIX, ХХ съездах Всероссийского физиологического общества им. И.П. Павлова (Ростов на/Д., 1998; Санкт-Петербург, 2004; Барнаул, 2008), Международном симпозиуме «Эколого-физиологические проблемы адаптации» (Москва, 1998), IV, V, VI съездах физиологов Сибири (Новосибирск, 2002; Томск, 2005; Барнаул, 2008), Всероссийской конференции «Актуальные проблемы адаптации к природным и экосоциальным условиям среды» (Ульяновск, 2004), Всероссийской научно- практической конференции «Окружающая среда и здоровье» (Пенза, 2004), Всероссийской научной конференции «Актуальные вопросы здоровья и среды обитания современного человека» (Ульяновск, 2005).
Публикации. По материалам исследования опубликовано 46 работ, в том числе 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 274 страницах машинописного текста, содержит 57 рисунков, 31 таблицу, состоит из введения, обзора литературы, методической части, четырех глав собственных исследований, заключения, выводов, библиографического списка (380 отечественных и 217 иностранных источника), приложения.
Циркадианная система и суточный периодизм
В 60-е годы прошлого столетия, когда началось активное изучение природы суточной ритмичности, было обосновано и постулировано, что живой организм представляет собой мультиосцилляторную систему и состоит из автономных осцилляторов, генерирующих ритмы с собственными частотами. Сегодня автономные осцилляторы выглядят не как элементы гипотетической схемы, а как реально наблюдаемые морфологические структуры. Получено множество свидетельств о существовании эндогенных ритмов в отдельных органах и тканях: они регистрируются в изоляции от внешней временной среды, в отсутствии датчиков времени. Сердце, почки, надпочечники, печень, поджелудочная железа, сетчатка глаза, практически все эндокринные железы генерируют циркадианные ритмы in vitro (Okamura Н., 2004). Функции бурой жировой ткани, селезёнки, костного мозга щитовидной железы, подчелюстной слюнной железы демонстрируют эндогенную ритмичность (Bartness Т. J. е.а., 2001). Околосуточная ритмичность метаболизма тканевых структур определяется цикличностью экспрессии генов и синтеза м-РНК (Scheper Т.О., е.a.; Dijk D.-J., Schantz М., 2005; Daan R е.а., 2007). Эндогенной околосуточной ритмичностью обладают и отдельные нейроморфологические образования, в том числе СХЯ гипоталамуса и эпифиз (Meijer I.H., Rietveld W.I., 1989; Mason R.,1991), которые являются ключевыми участниками временной организации.
Поскольку нарушение или удаление СХЯ кардинально нарушает околосуточную ритмичность и согласование ритмов отдельных органов, за СХЯ ядром была признана роль ведущего осциллятора (центральный пейсмекера, водителя ритма), обладающего ритмозадающей функцией, и координирующего периферические осцилляторы (Kubota М.е.а., 1991; Арушанян Э.Б., Попов А.В., 1994; Aschoff J., 1998; Weaver D. R., 1998; Frank A. J.I. e.a., 1999; Abrahamson E. E e.a., 2001. Керкешко Г.О. с соавт., 2004; Antle M.C. at all., 2007). Собственная частота СХЯ составляет 25 часов (Алпатов A.M., 1993).
В сложных многоклеточных организмах центральный и периферические осцилляторы являются элементами циркадианной системы (ЦС). Ее функция состоит в синхронизации биологических ритмов с ритмами внешней среды и согласованности течения ритмических процессов внутри биосистемы по частоте и фазе. Среди внешних синхронизаторов циркадианных ритмов основную роль играет фотопериодичность. Информация о параметрах фотопериода (соотношение длительности световой и темновой фаз, их контрастности, интенсивности, спектрального состава, времени наступления фаз) поступает от сетчатки глаз к СХЯ через два афферентных пути: ретиногипоталамиче-ский тракт и геникуло-гипоталамический путь как часть коллатералей от основного тракта, следующих к СХЯ в составе латерального коленчатого тела (Richter V. e.a., 1986; Арушанян Э.Б., 1999; Jevett М. e.a., 1999; Foa A. e.a., 2001; Новицкая Л.Н. с соавт., 2005). Медиаторами передачи информации к СХЯ являются глютамат, аспартат (Shibata S. at all.. 1992), нейротензин, субстанция Р, вазоактивный кишечный пептид, вазопрессин (Morin L. Р., 2007).
Подчинение собственного периода пейсмекера внешней периодичности при условии близости их частот (захватывание) является активным процессом, основанным на явлении резонанса. Этот процесс регистрируется как постепенное, однонаправленное изменение периода и фазы какого-либо биологического параметра до момента синхронизации с вынуждающей колебательной силы (принудителя). Под синхронизацией понимается установление и поддержание такого режима колебаний двух или нескольких связанных систем, при которых их частоты равны, кратны или находятся в рациональном отношении друг к другу. Не располагая собственными выходами к исполнительным органам (периферическим осцилляторам), СХЯ вынуждены прибегать к помощи структур-посредников, которые и сами обладают вполне определенной ауторитмичностью, и, следовательно, подчиняются СХ-ядрам по механизмам захватывания. Отечественные авторы именуют их вторичны ми (субординированными) осцилляторами (Арушанян Э.Б., 1999; 2000). Ранее казалось очевидным, что такими передаточными звеньями являются нервные и эндокринные центры. Принимая во внимание многоконтурную и иерархическую систему центрального управления органами и их функциями, указать на конкретную локализацию вторичных осцилляторов для отдельных физиологических систем не представлялось возможным. Попутно вставал вопрос о факторах трансляции колебательного сигнала от центрального пейсмекера до вторичных осцилляторов, и от вторичных - к периферическим. Учитывая анатомическую близость СХЯ к эндокринным центрам гипоталамуса, последние рассматриваются как кандидаты на роль вторичных осцилляторов. Это предположение находит все больше экспериментальных подтверждений. Эфферентные пути от СХЯ имеют различные мишени, управляющие, в свою очередь, широким спектром эндокринных и вегетативных функций: средний (дорсомедиальный) гипоталамус, где расположены Arc- ,VM-, DM- ядра, медиобазальное ядро (начальное ядро гипофизарно-адреналовой системы), передний гипоталамус с SO- и PV- ядрами), ретрохи-азматическую зона, вентральное таламическое ядро туберальной зоны (Abra-hamson Е. Е., Moore R.Y., 2001), подкорковые центры, ответственные за эмо-ционально-мотивационное поведение, моторику у млекопитающих (Арушанян Э.Б., 1999; 2001). Латеральные эфферентные проекции паравентрикуляр-ного ядра представляют важный компонент нервных каналов, являющихся связующим звеном репродуктивного фотопериодизма самок хомяков (Badura L. L. е.а., 1989). Катехоламинэргические нейроны преоптической области и срединного возвышения, могут участвовать в передаче сигнала от СХЯ до репродуктивных органов крыс (Керкешко Г.О. с соавт., 2004). Отдельные нейроны СХЯ связаны с симпатической и парасимпатической системой разных периферических тканей, или только симпатической системой отдельных тканей (Bartness Т. J., е.а., 2001; Schibler U. е.а., 2003; Okamura Н., 2004). Наряду с модуляцией супрахиазматическим ядром нейроэндокринных систем, которые подконтрольны гипоталамической стимуляции, возможно существо вание автономной связи СХЯ с периферическими тканями (Bartness Т. J., е.а., 2001).
Существует большое число химических агентов, посредством которых СХЯ оказывает воздействие на вторичные и периферические осцилляторы. Эфферентные сигналы от СХЯ реализуются с участием широкого набора нейропептидов: вазоактивный кишечный пептид, гастирин-рилизинг пептид, соматостатин, нейропептид Y (Арушанян Э.Б., 1999; 2000; Green С. В. е.а., 2004 ). Уровень возбуждающих (глутаминовой и аспарагиновой кислот) и тормозящего (ГАМК) нейромедиаторов, а также ферментов трансаминазнои группы, участвующих в их синтезе в митохондриях разных областей коры головного мозга и гипоталамусе крыс достоверно изменяется в зависимости от циркадного ритма. При этом содержание возбуждающих агентов достигает максимума в 8-12 часов дня, а тормозящих в — 16 и 20 часов вечера (Ага-ев Т.М., 2004). Концентрация норадреналина в СХЯ, преоптической области срединном возвышении, дофамин в срединном возвышении обладают суточной ритмичностью (Керкешко Г.О. с соавт., 2004). СХЯ распространяют свои сигналы через глюкокортикоиды (Okamura Н., 2004; Schibler U. е.а., , 2003 ), вазопрессин (Esseveldt (van) К. Е., 1999 е.а.). В частности, кортикостерон является посредником в регуляции концентрации калия в моче (Ashoff F., Wever R., 1976; Мур-Ид М.,Салзмен Ф.М.,1984), двигательной активности (Sage D. е.а.,2004). В современной модели циркадианной системы предусмотрена возможность существования общего вторичного осциллятора для двух и более периферических звеньев. Несмотря на имеющиеся материалы, в целом подтверждающие теоретические представления, вопрос об эфферентных путях СХЯ и особенно механизмах передачи колебаний от осцилляторов к исполнительным органам остается открытым (Hastings М.Н., 1997), а общая картина многозвеньевой иерархической ЦС выглядит далеко незавершенной.
Эндокринные агенты и нейромедиаторы обеспечивают обратную связь от периферических и вторичных осцилляторов. Клетки СХЯ имеют рецепторы практически ко всем описанным в мозге биологически активным веществам и гормонам, в том числе к аргинин-вазопрессину, ангиотензину II, метэнке-фалину, вазоактивному интестициальному полипептиду (Арушанян Э.Б., 1998; 2000). Важнейшими участниками формирования ритмов пищевого поведения и двигательной активности крыс авторы считают афференты со стороны элементов лимбической системы (голубого пятна, хвостатого ядра, амигдалы, перегородки), где медиатормми являются серотонин, норадрена-лин (Отеллин В.А., Арушанян Э.Б., 1989; Арушанян Э.Б., 1998). Обладая ау-тохроноритмичностью, полосатое тело, гиппокамп имеют афферентные проекции на СХЯ, образуя замкнутые функциональные блоки. Определенное место могут занимать непосредственные отношения между структурами-посредниками, в том числе стриатумом и эпифизом (Арушанян Э.Б., 1992; Арушанян Э.Б., Бейр Э.В., 1998).
Водно-солевое состояние и кортизол плазмы
В условиях высокогорья у испытуемых по сравнению с контролем и фоном изменяется концентрация натрия в моче и его экскреция, возрастая с колебательной составляющей (рис. З.1.5.1.). Диурез транзиторно увеличивается, возвращаясь к исходному уровню к концу периода исследования. Эти изменения могут быть вызваны гипосекрецией альдостерона при гипоксии (Красновская, 1974; Тигранян, 1985; Янгалычева с соавт., 1992), о чем косвенно свидетельствует выраженное увеличение Na/K коэффициента мочи (рис. 3.1.5.2), и снижением секреции АДГ. Концентрация калия в моче снижалась по отношению к контролю и фону, но имела собственный, независимый от динамики натрия однофазный тренд (рис.3.1.5.1.). Возможно, определенный вклад в эволюцию концентрации калия и калийуреза вносит его участие в регуляции кислотно-основного состояния: для состояния респираторного алкалоза, типично усиление реабсорбции водородных ионов в обмен на калий, что наблюдается во второй фазе исследовательского периода. Это предположение подтверждается: 1) взаимно-противоположной динамикой мезоров рН и концентрации калия в моче; 2) снижением концентрации калия в плазме крови. Резкое снижение содержания концентрации калия в плазме с последующей стабилизацией на сниженном уровне может быть следствием повышения калийуреза и перераспределения ионов натрия и калия в эритроцитах. В эритроцитах снизилось содержание натрия и Na/Кэ коэффициент, повысилась концентрация калия, что совпадает с результатами авторов, наблюдавших это явление при стрессе под влиянием глюкокортикоидов (Галиулина, Симхович, 1994). Усиление анаболизма -маловероятная причина калиемии при гипоксии. Таким образом, как видно на рис. 3.1.5.1 и 3.1.5.2, изменение электролитного состава мочи и крови при 2-х-недельном пребывании людей в высокогорье на высоте 3200 м н. ур. м носит транзиторный характер, за исключением концентрации калия в плазме и натрия в моче.
Пребывание испытуемых в нагревающих условиях пустыни сопровождается значительным и стабильным снижением диуреза, что может объясняться большими потерями воды с потом, а также включением гормональных механизмов задержки жидкости (рис. 3.1.5.1.)- Концентрация электролитов в моче существенно возрастает, что, несмотря на олигурию, приводит к прогрессирующему росту экскреции калия и натрия. Выделение сильно концентрированной мочи может также объясняться экологическими особенностями Приаралья: этот регион отличается засоленными почвами, что приводит к избытку солей в продуктах питания (Мубаракшина с соавт., 1992; Атаниязова О.А.,1994). В рацион участников экспедиции входили преимущественно растительные продукты местного производства, что может вполне компенсировать потери солей при испарении. Вместе с тем, начальная тенденция концентрации калия в плазме и эритроцитах к снижению и выраженное падение содержания натрия в эритроцитах говорит о недостаточности гормональных механизмов задержки электролитов во внутренней среде.
Действительно, уровень Na/K мочи в первичный период даже повышается, и только после 7-х суток начинается падение Na/K-коэффициента, что косвенно свидетельствует о включении механизмов ренин-ангиотензин-альдостероновой системы. Именно с этого момента концентрация и экскреция калия и натрия после резкого возрастания стабилизируются на определенном уровне. К концу исследуемого периода среднесуточные значения концентрации и экскреции электролитов приближался к уровню, установленному для аборигенов Приаралья, для которых К+м составлял 179.6+8.4 мэкв/л, Na+M - 499. 6±16,8 мэкв/л, Na/Км - 3.4410.2 от. ед., К+экс -15.9±0.4 мэкв/4 час, Ыа+экс - 53.5±2.7 мэкв/4 час, диурез -91.0±7.0 мл/4 час.
Уровень концентрации натрия в эритроцитах и Na/Кэ экспоненциально снижается, что может быть связано как с недостаточностью альдостерона, так и с активацией симпато-адреналовой системы.
Как в высокогорье, так и в пустыне разные показатели системы поддержания водно-солевого состояния демонстрируют самостоятельные типы переходной динамики. Не имея целью исследование механизмов регуляции водно-солевого статуса, но основываясь на системном подходе к интерпретации наблюдаемых изменений, можно заключить, что разнообразие типов переходных процессов может объясняется многоконтурностью, многофакторностью и многоуровневым характером регуляции водно-солевого гомеостаза (Наточин Ю.В., 2004; Иванова Л.Н., 2008; Брюханов В. М., 2008).
Направленность изменения концентрации электролитов в слюне, сходна в повторных высокогорных сериях (рис. З.1.5.З.): содержание натрия колеблется вокруг контрольного уровня, калия - повышается, а уровень Na/K коэффициента - снижается. Снижение Na/K коэффициента в слюне авторы связывают с увеличением активности симпато-адреналовой системы (Радыш И.В., 1987; Агаджанян Н.А. с соавт., 1998), действием кортикостероидов, в том числе альдостерона на слюнные железы (Селиверстова Г.П., 1990; Брюханов В. М., 2008). В работе Н.А. Агаджаняна с соавт. (1990) было показано, что содержание натрия в слюне у альпинистов зависит от высоты: на уровне 5200 м оно было повышено, а на уровне 6100 м - снижалось.
Гипертермия сопровождается пропорциональным повышением концентрации калия и натрия в слюне, так что Na/K коэффициент колеблется около фонового уровня. Основная особенность динамики концентрации электролитов в слюне является ее колебательный характер. Это свойство может быть связано с чувствительностью к внешним геофизическим циклам, их свойствами в разных условиях среды (см. Гл. 4.1), а также со свойствами нейро-эндокринных регуляторов при внешних возмущениях (см. раздел 3.2).
Ключевой компонент стресс-реакции - активация кортикотропной функции гипофиза и секреция кортикостероидов (Кузьмина В. Е., Цыбирева К., 2008). Концентрация кортизола в плазме является маркером неспецифического напряжения, в том числе и при гипоксии (Бартон Т.П., Максимов А.Л.,1997; Губарева Л.И., 2001). Межиндивидуальные и межсуточные вариациях мезора концентрации кортизола плазмы в высокогорье составили 5.6 - 12.9 мкг/мл, а в пустыне 4.3 - 15.9 мкг/л. Как видно на рис 3.1.5.4, высокогорная гипоксия и натурная гипертермия сопровождались неспецифическим напряжением: концентрация кортизола в плазме возрастала, демонстрируя разные типы переходной динамики, сходные , однако, по признаку выхода на новый, повышенный уровень функционирования.
Таким образом, на основании изучения динамики уровня мезоров суточных ритмов вегетативных функций в течение 2-х-недельного пребывании здоровых лиц в субэкстремальных условиях по сравнению с контролем и фоном, установлено:!) наличие умеренной гипоксии в высокогорье (снижение парциального давления кислорода в крови), умеренного перегревания в пустыне (температура кожи достигала субпредельных значений) и неспецифического напряэюения в обеих сериях (повышение уровня кортизола в плазме); 2) статистически значимое изменение функционального состояния испытуемых; 3) отсутствие донозологических и патологических состояний, так как все функциональные характеристики изменялись в физиологических пределах; 4) существование разных типов переходной динамики для отдельных показателей гемодинамики, дыхания и газообмена, поддержания водно-солевого состояния в разных условиях среды.
Межпараметрическая частотная синхронизация ритмов вегетативных функций
Синхронизирующуя функция ЦС в отношении различных физиологических параметров реализуется в разной мере, что проявляется в различиях колебательных режимов. Колебательный режим - это определенный паттерн частотно-амплитудных характеристик ритмического процесса, отражающий процессы интра-, интер- и экстрасинхронизации. Экстрасинхронизация обусловлена функцией циркадианной системы, воздействиями или координирующими влияниями со стороны циркадианной системы, направленной на фазово-частотно-амплитудное согласование физиологических ритмов с фотопериодичностью; интерсинхронизация -взаимодействиями между колебаниями отдельных функций; интрасинхронизация - внутренней временной самоорганизацией локальных осцилляторных систем. Большинство доступных регистрации биологических колебаний одновременно находится в состоянии внешне-, меж- и внутрипараметрической синхронизации (Путилов А.А., 1989).
В обычных условиях среды существует различие или сходство в колебательных режимах отдельных биологических параметров в ситуации стационарного «захваченного» внешним синхронизатором состояния. Авторы объясняют эти различия разными способами интрасинхронизации (Путилов А.А., 1989). Наряду с этим, интегративная функция циркадианной системы изменяется при внешних возмущениях. В субэкстремальных условиях среды, при изменении функционального состояния наблюдается внешняя и внутренняя частотная десинхронизация вегетативных функций человека (Хетагурова Л.Г. с соавт., 2005; Фатеева Н.М., Абубакирова О.Ю., 2006). При этом возникают следующие вопросы о критериях межпараметрической частотной десинхронизации вегетативных функций и способах ее оценки: 1) можно ли на основании рутинных исследований определить меру частотной синхронизации (десинхронизации)? 2) циркадианные ритмы каких именно физиологических функций являются взаимно синхронизированными (десинхронизированными) в типичных условиях среды? 3) влияет ли изменение функционального состояния в субэкстремальных условиях на режим интерсинхронизации? 4) частотное рассогласование биоритмов каких именно физиологических функций является свидетельством существенного нарушения хроноструктурной организованности?
Целью настоящего раздела являлась оценка внутреннего частотного межпараметрического согласования (рассогласования) при перемещении людей в новые климато-географические условия, выявление ритмических компонентов биосистемы с отличительными или сходными механизмами интрасинхронизации и изучение особенностей частотной межпараметрической синхронизации (интерсинхронизации) циркадианных ритмов вегетативных параметров человека в разных условиях среды.
Традиционно о внутренней синхронизации ритмов различных биологических процессов судят по степени сходства их периодов в свободнотекущем состоянии (при постоянном освещении). Однако, надежность циркадианного управления состоит не только в способности реагировать на сдвиги времязадателей, но и в поддержании биоритмов в стационарном захваченном времязадателем состоянии, в устойчивости временной структуры (фазы и периода) к возмущениям непериодической природы. Полученные нами спектральные паттерны для разных физиологических параметров и отдельных индивидуумов отличаются многообразием деталей - наличием отдельных частотных составляющих с определенной мощностью. Как раз присутствие множества деталей в спектральных картинах делает возможным объединять отдельные временные процессы по признакам идентичности или различия в процессах интрасинхронизации. Для оценки частотной синхронизирующей функции ЦС (интерсинхронизации) использовался корреляционный и кластерный анализ (Электронный учебник по промышленной статистике. - M.:StatSoft Inc.,2001.-WEB:http://www.staysofL.ru/home/portal/textbook_ind/defolt.htm). Кластерному анализу подвергались векторы, составленные из рядов коэффициентов Фурье, полученных для отдельных индивидуумов.
На рис 4.З.1.- 4.3.3 показаны результаты кластерного анализа 24-х изученных физиологических ритмов по признаку их частотно-амплитудной синхронизации, а на рис. 4.3.4. - интегральные показатели взаимной синхронизации исследованных циркадианных ритмов: а) сумма всех коэффициентов межпараметрической корреляции спектров (288 сочетаний для 24-х физиологических показателей); б) количество кластеров физиологических функций по признаку их частотно-амплитудной синхронизации. Из приведенных данных следует, что перемещение людей в условия пустыни и высокогорья сопровождается внутренней частотной десинхронизацией ультра-циркадианных ритмов, что более выражено в высокогорье. Об этом свидетельствует: 1) увеличение количества кластеров, то есть «дробление» числа взаимосвязанных объектов; 2) снижение сходства между близкими объектами (спектрами): сумма кластерных расстояний в контроле составляет 18,5 ед., в высокогорье - 27,0 ед., в пустыне - 19,4 ед.; 3) снижение степени взаимосвязи между всеми спектрами рассмотренных физиологических функций.
Одно из свойств любой системы - способность к сохранению общей структуры взаимодействия элементов при изменении внешних условий (Медведев В.И., Пахомов СВ., 1989). Следовательно, воспроизводимость функциональных взаимоотношений в системе в разных условиях среды является критерием закономерности. Для определении устойчивых паттернов частотно-амплитудной синхронизации и избежания математических артефактов кластерному анализу подвергались ритмы первичных (нерасчетных) функциональных показателей показателей: АДС, АДД, ЧСС, Тт, Na с, К+. Как видно на рис. 4.3.5, существуют общие и различные черты ритмичности вегетативных ритмов в разных условиях среды по признаку набора и соотношения спектральных составляющих. Группа показателей АДС и АДД во всех случаях обособлена от остальных, а Ктс и Na+c входят в разные кластеры, что свидетельствует об относительной автономии и независимости ритмогенеза артериального давления, концентрации натрия и калия в слюне.
Во всех сериях и при объединении выборок устойчивые сочетания образуют ЧСС, Тт и Na+c, входя в общие кластеры или субкластеры. Отсюда следует, что АДС, АДД, ЧСС, Тт, Na с - являются относительно константными элементами циркадианной системы, а К+с и СВТК -пластичными. Эти выводы можно было бы считать обоснованными при условии исключения влияния низкочастотных составляющих временных рядов на результаты спектрального анализа: форма тренда (адаптационная динамика) при ограниченных временных рядах может влиять на высокочастотные компоненты. На рис. 4.3.6 представлены нормированные по максимальному значению изменения мезоров (среднесуточных значений), а на рис. 4.3.7. - результаты кластерного анализа трендов.
Кластерный анализ трендов мезоров суточных ритмов продемонстрировал, что независимо от условий среды тренды мезоров образуют устойчивые сочетания: (АДС + АДД), (Тт+СВТК), (K+c+Na+c), отражая межсистемные и внутрисистемные взаимодействия. Показатель ЧСС явился непостоянным компонентом кластеров: сочетался с гемодинамическими и температурными показателями в контроле и высокогорье, и с показателями концентрации натрия и калия в слюне - в пустыне (рис. 4.3.7). Таким образом, установлено, что группировка параметров по признаку сходства реактивной динамики не совпадает с группировкой показателей по признаку частотных характеристик. Это свидетельствует о разных механизмах управления внутри- и межсистемными взаимодействиями при переходных процессах с одной стороны, и механизмах синхронизации ритмов вегетативных функций в цирка-улътрадианном диапазоне частот — с другой стороны. В таб. 4.3.1 представлены результаты кластерного анализа не только для ультра-циркадианного, но и отдельно для циркадианного и ультрадианного диапазонов частот. Сравнение типов классификации показывает, что наибольшее сходство по структуре кластеров отмечается для ультра-циркадианного и ультрадианного диапазонов. Это наблюдение -свидетельство того, что синхронизация биоритмов осуществляется преимущественно, за счет вклада ультрадианных составляющих. Возможно, именно в этом состоит адаптивная роль ультрадианных ритмов.
Межпараметрическая фазовая синхронизация (десинхронизация) и влияющие на нее факторы
Нарушение хроноструктурной организованности циркадианных ритмов физиологических функций часто отмечается в состоянии стресса, в экстремальных условиях среды, при патологических процессах (Алякринский Б.С. ,1975; Деряпа Н.Р. с соавт., 1985; Макаров В.И.,1989; Арушанян Э.Б., Бейер Э.В.,1998). Однако и в обычных условиях среды, в состоянии относительного покоя у людей не наблюдается абсолютной регулярности циркадных ритмов вегетативных функций от суток к суткам, как это было продемонстрировано выше. Это означает, что в обычных условиях среды может изменяться заданное соотношение положения акрофаз отдельных ритмов и степень согласования во времени течения отдельных процессов жизнедеятельности, что и порождает внутреннюю десинхронизацию. При изучении десинхронизирующих эффектов смены временной или природной среды обычно за контрольный уровень берутся значения акрофаз у испытуемых перед внешним воздействием при однократном исследовании (Карп В.П., Катинас Г.С. , 1997). Однако и в этом случае исходные величины акрофаз чаще всего являются лишь вариантом изменчивости. На наш взгляд, меру «фоновой» внутренней десинхронизации необходимо использовать как отправную точку для оценки десинхроноза любого генеза. Особенно актуально знание о степени фоновой хроноструктурной организованности при изучении десинхронизирующих воздействий, не связанных с изменением часовых поясов: при стрессах, периодических и апериодических возмущениях среды, патологических состояниях. В этих случаях у людей возникают разнонаправленные, нерегулярные сдвиги акрофаз, трудно поддающиеся учету и сравнению с исходными («нормативными») значениями акрофаз.
В связи со сказанным целью настоящего фрагмента исследования явилось изучение и оценка фазовой согласованности циркадных ритмов физиологических функций у человека в обычных и субэкстремальных условиях среды, и исследование факторов, влияющих на внутреннюю синхронизацию вегетативных ритмов: уровня кортизола плазмы и температуры окружающей среды.
Чтобы оценить степень взаимной синхронизации циркадных ритмов физиологических функций в обычных условиях среды в каждые конкретные сутки необходимо знать, какие значения их акрофаз являются нормативными, соответствуют «заданному значению», состоянию предельно возможной, оптимальной внутренней синхронизации. Данные литературы для этой цели непригодны, так как: 1) не существует абсолютно точных значений нормативных акрофаз для человека - они всегда колеблются в той или иной мере относительно наиболее вероятного значения (Карп В.П., Катинас Г.С. , 1997;Duffy J.F., Dijk D.-J., 2002), что наблюдается даже в постоянных условиях для маркеров фазы центрального пейсмекера - мелатонина и кортизола плазмы (Benloucif S. е.а., 2005). 2) данные разных авторов для циркадианных ритмов хорошо изученных функций часто разнятся более, чем на 4 часа; 3) существуют индивидуальные особенности фазовых паттернов (Деряпа Н.Р. с соавт., 1985; Roennenberg Т. е.а., Тарасова О.П. с соавт., 2004; 4) регион и условия исследования сказывается на положении акрофаз отдельных ритмов (Матюхин В.А., 1976; Гапон Л.И. с соавт., 2009).
Исходя из всего сказанного, в нашем исследовании мы выбрали два базовых, условно нормативных фазовых паттерна. Первый конструировался на основании данных о наиболее вероятном расположении акрофаз (модальные значения) для каждой функции во всей выборке (п = количество испытуемыххколичество суток). Его мы обозначили как групповой фазовый паттерн контроля (ГФПКОнт)- Этот паттерн расценивается нами как биологическая норма фазового согласования, как то заданное значение, вокруг которого колеблются варианты значений фазы в связи с межиндивидуальной и межсуточной изменчивостью. Второй выбор стандарта основывался на учете наиболее вероятных значений акрофаз для отдельных индивидуумов. Если существует индивидуальная биологическая норма, генетически обусловленные механизмы формирования заданных значений акрофаз, то должно существовать наиболее оптимальное для каждого организма чередование физиологических процессов. Тогда для каждого индивидуума можно воссоздать его стандарт на основании модальных значений акрофаз в рамках индивидуальной изменчивости Эталонную фазовую картину, определенную таким образом мы обозначили как индивидуальный фазовый паттерн контроля (ИФПконт) Для изучения динамики изменения степени взаимной внутренней синхронизации в течение времени применялся корреляционный анализ. Мера сходства фазовых паттернов с базовым (ГФПконт или ИФПконт) в каждые сутки исследования оценивалась с помощью коэффициентов корреляции, которые и отражали относительную меру внутренней синхронизации (коэффициент внутренней синхронизации - КВС) день ото дня. Такие коэффициенты рассчитывались отдельно для каждого испытуемого двумя указанными способами, что давало возможность получить индивидуальные кривые динамики внутренней синхронизации. Усреднение значений этих кривых (по числу суток исследования) давало индивидуальные значения КВС внутренней синхронизации за весь период исследования. Путем суммирования индивидуальных динамических рядов определяли среднегрупповую динамику коэффициента внутренней синхронизации.
Как видно на рис. 6.2.1, уровень КВС, рассчитанный по отношению к индивидуальным стандартам (ИФП«онтХ выше уровня, рассчитанного по отношению к групповому базовому паттерну (ГФПКОнт)- Несмотря на то, что эти различия недостоверны (судя по доверительным границам, обозначенным на рисунке), можно говорить об определенной, хотя и не определяющей роли гено-фенотипического фактора в формировании индивидуальной картины акрофаз. Наличие разброса вариант, как при первом, так и при втором способе расчета говорит о существовании индивидуальных различий КВС, а, следовательно, о присутствии внутренних биологических причин, вызывающих временное рассогласование функций.
Похожие диссертации на Физиологические ритмы при перемещении человека в условиях высокогрья и пустыни
-
-
-
