Введение
В последние десятилетия изучение вариабельности сердечного ритма (ВСР) привлекает внимание огромного количества исследователей, поскольку, являясь индикатором вегетативной регуляции, ВСР позволяет объективно судить о состоянии механизмов регуляции физиологических функций в организме человека - общей активности регуляторных механизмов, нейрогуморальной регуляции сердца, соотношения между симпатическим и парасимпатическим отделами вегетативной нервной системы [1]. Однако в настоящее время остается малоизученным вопрос об особенностях вегетативной регуляции сердечного ритма у младших школьников в динамике учебного года при разных функциональных состояниях. Известно также, что ритм и сила сердечных сокращений является индикатором любых стрессорных воздействий [2; 10]. Поэтому нами рассмотрены также особенности протекания свободнорадикальных процессов и уровень «маркеров стресса» у школьников в начале и конце учебного года.
Методы исследования
В обследовании приняли участие школьники 10 лет (28 мальчиков и 30 девочек), обучающиеся в общеобразовательной школе № 65 г. Ростова-на-Дону. Согласно данным анамнеза врача-педиатра все дети были условно здоровы (1 и 2 группы здоровья). Исследование было проведено в начале (октябрь) и конце учебного года (май).
Оценку вариабельности сердечного ритма осуществляли на компьютерном кардиоанализаторе «Анкар 131» (Россия, г. Таганрог) с программным обеспечением анализа ритма сердца. Согласно международным стандартам для анализа были взяты записи, источником ритма в которых являлся синусный узел. Артефакты удаляли из электронной записи вручную. Анализировали показатели 5-минутных фрагментов ЭКГ по следующим диапазонам волн ВСР, предложенные кардиологическим и Североамериканским электрофизиологическим обществом: HF – высокочастотные колебания в диапазоне 0,15–0,4 Гц (характеризуют вагусный контроль сердечного ритма); LF – низкочастотные колебания в диапазоне 0,04–0,15 Гц (характеризуют влияния симпатической и парасимпатической вегетативной нервной системы); VLF – очень низкочастотные колебания в диапазоне 0,003–0,04 Гц (характеризуют эрготропную симпатоадреналовую регуляцию ритма); LF/HF – соотношение волн, характеризующее баланс симпатических и парасимпатических влияний.
Для оценки уровня физической работоспособности и функциональных возможностей сердечно-сосудистой системы применяли пробу с дозированной физической нагрузкой (ФН) (20 приседаний за 30 секунд). Анализ ВСР проводили в спокойном функциональном состоянии (фоновая запись) и после физической нагрузки.
Забор слюнной жидкости проводили в первой половине дня через 2-3 часа после еды. Слюну собирали в пластиковые пробирки, которые немедленно замораживали и хранили при низкой температуре (-20 °С). В слюнной жидкости определяли активность каталазы, супероксиддисмутазы, содержание мочевины, мочевой кислоты, содержание 8-гидроксидеоксигуанозина, уровень кортизола, активность α-амилазы и содержание глюкозы [7]. Исследование было проведено на спектрофотометре Beckman Culter DU 800 (USA).
Результаты экспериментального исследования обрабатывали методами вариационной статистики с вычислением средней арифметической (М), средней ошибки средней арифметической (m), среднего квадратического отклонения (δ). Для определения достоверности различий вычисляли доверительный коэффициент Стьюдента (t), критерий Фишера и величину вероятности (р). Проводился корреляционный анализ, наличие связи между изучаемыми признаками признавалось при р<0,05, выраженность связи оценивалась по величине коэффициента корреляции [8]. Статистическую обработку проводили с использованием программы Statistica 6.5.
Результаты исследования и их обсуждение
Значение мощности высокочастотных (HF), низкочастотных (LF) и очень низкочастотных колебаний (VLF) спектральной мощности ВСР в начале учебного года состоянии покоя у мальчиков и девочек соответствует возрастным нормам, установленным А.Р. Галлеевым с соавт. [5]. В конце учебного года у детей наблюдали увеличение мощности LF и VLF-колебаний спектра, а именно: у мальчиков мощность LF и VLF-волн увеличивалась на 11% (p<0,05) и 49% (p<0,05) соответственно, а у девочек увеличение мощности LF и VLF-колебаний составило 14% (p<0,05) и 102% (p<0,05) соответственно.
После дозированной физической нагрузки в начале учебного года у мальчиков и девочек мощность высокочастотных волн увеличивалась на 35% (p<0,05) и 31% (p=0,05) соответственно относительно фона. Мощность низкочастотных колебаний спектра после ФН у мальчиков и девочек была увеличена на 70% (p<0,01) и 60% (p<0,05) соответственно по сравнению с фоновой записью ВСР. Мощность VLF-волн после ФН у школьников достоверно не изменялась относительно фона. В конце учебного года после физической нагрузки у школьников было отмечено увеличение мощности LF и VLF-колебаний спектра ВСР по сравнению с фоном (рис. 1). Таким образом, активация все более высоких уровней управления сердечным ритмом после ФН в конце учебного года у детей свидетельствует о неоптимальном регулировании работы сердца в частности и сердечно-сосудистой системы в целом.
При сложении спектра мощности вышеперечисленных трех параметров ВСР получают общий спектр мощности, который отражает суммарный запас сил, которые может мобилизовать организм для преодоления стрессовой нагрузки [6]. Общая мощность спектра в конце учебного года в состоянии покоя достоверно изменялась у девочек, а именно отмечено увеличение данного показателя на 32% (p<0,05) относительно начала учебного года. После физической нагрузки в начале и конце учебного года общая мощность спектра у детей достоверно увеличивалась (p<0,05) относительно состояния функционального покоя.
Рис. 1. Спектральные параметры сердечного ритма - HF, LF, VLF (мсек2) в состоянии покоя и после физической нагрузки у школьников в начале и конце учебного года:
* - отличия достоверны относительно фоновой пробы.
Спектральный анализ ВСР с выделением процента вклада мощности основных периодов колебаний позволил выявить, что в начале учебного года у школьников в покое процент вклада VLF-колебаний в общий спектр мощности минимален, влияния HF и LF на ритм сердца уравновешены. Следовательно, в начале учебного года у школьников вегетативный тонус формируется сегментарными симпатико-парасимпатическими механизмами регуляции. В конце учебного года отмечено достоверное увеличение процента вклада VLF-колебаний в общий спектр мощности (у мальчиков на 30%, у девочек на 53%) в большей степени за счет снижения процента вклада высокочастотных волн. После физической нагрузки в конце учебного года у школьников отмечено снижение процента вклада HF-волн и увеличение процента вклада VLF-волн в общую мощность спектра по сравнению с показателями в начале учебного года. Таким образом, у школьников в конце учебного года в состоянии покоя и после физической нагрузки отмечена тенденция к снижению резервных возможностей сердечно-сосудистой системы и увеличению напряжения вегетативного баланса с участием эрготропных систем.
Отношение LF/HF считается показателем сбалансированности симпатического и парасимпатического отделов ВНС. Индекс LF/HF, равный 0,5-2, свидетельствует о вегетативном равновесии, больше 2,0 - симпатикотонии, меньше 0,5 - парасимпатикотонии [3]. В нашем исследовании установлено, что в начале и конце учебного года у школьников в состоянии физиологического покоя наблюдали состояние амфотонии. После физической нагрузки в начале учебного года среднегрупповое значение LF/HF у детей соответствует состоянию нормотонии, а в конце учебного года – симпатикотонии.
В качестве объективного изучения функционального состояния организма необходимо рассмотреть также активность антиоксидантных и прооксидантных систем в крови или слюне. Слюнная жидкость является наиболее доступной для изучения [11], поэтому далее рассмотрена динамика изменения активности свободнорадикальных процессов в слюне у школьников в начале и конце учебного года.
Первым звеном внутриклеточной защиты клеток от активных форм кислорода являются каталаза и супероксиддисмутаза. В конце учебного года активность данных антиоксидантных ферментов у школьников достоверно не изменялась относительно показателей в начале учебного года. В нашем исследовании не установлено также достоверного изменения уровня мочевины в слюнной жидкости у детей в динамике учебного года.
Мочевая кислота в силу ее способности хелатировать ионы железа и меди, ингибировать оксиды азота, супероксид-анион радикал, гидроксильный радикал, синглетный кислород, а также гемовые оксиданты обладает мощными антиоксидантными свойствами [9]. Показано, что уровень мочевой кислоты в слюнной жидкости к концу учебного года снизился у мальчиков на 50% (p<0,05), а у девочек на 36% (p<0,05) относительно показателей в начале учебного года.
Маркером окислительного стресса, а именно показателем окисленных молекул ДНК, является 8-гидроксидеоксигуанозин (8-ОНdG) [9]. В конце учебного года было отмечено увеличение 8-ОНdG у мальчиков (72% - p<0,05) и девочек (66% - p<0,05) по сравнению с началом учебного года.
Таким образом, к концу учебного года у школьников отмечено снижение отдельных звеньев антиоксидантной системы защиты. Одной из главных причин, приводящих к увеличению активности свободнорадикальных процессов в организме, является стресс. В нашем исследовании установлено, что содержание кортизола в слюне в конце учебного года было выше на 37% (p<0,05) у мальчиков и на 45% (p<0,05) у девочек относительно показателей в начале учебного года. Достоверно установлена прямая корреляционная зависимость уровня кортизола в слюнной жидкости и мощности VLF-волн у мальчиков (r=0,96) и девочек (r=0,85) в конце учебного года. Наличие стрессированности организма показывает также повышение активности α-амилазы и увеличение уровня глюкозы в слюнной жидкости. В нашем исследовании показано, что активность α-амилазы в конце учебного года увеличивалась у мальчиков и девочек на 48% (p<0,05) и 46% (p<0,05) соответственно относительно значений в начале учебного года. Кроме того, было выявлено достоверное увеличение уровня глюкозы в слюнной жидкости в конце учебного года (у мальчиков на 78%, у девочек на 114%) по сравнению с началом учебного года. Увеличение содержания глюкозы в слюнной жидкости в конце учебного года достоверно коррелирует с уровнем мощности VLF-колебаний спектра (у мальчиков r=0,87 и девочек r=0,93). Следовательно, биохимические признаки стрессированности организма в конце учебного года у школьников находят свое отражение в вегетативном балансе регуляции сердечной деятельности, а именно в увеличении процента вклада очень низкочастотных колебаний в общий спектр мощности вариабельности сердечного ритма.
Заключение
Результаты нашего исследования расширяют представления об адаптационных возможностях организма школьников младшего школьного возраста к учебному процессу. Показано, что к концу учебного года у мальчиков и девочек 10 лет происходит увеличение уровня стрессированности организма, усиление процессов свободнорадикального окисления в слюнной жидкости, нарушение вегетативной регуляции сердечной деятельности в состоянии физиологического покоя и снижение функциональных резервов сердечно-сосудистой системы при умеренных физических нагрузках. Известно, что функциональное состояние сердечно-сосудистой системы оказывает существенное влияние на церебральный кровоток, так как головной мозг потребляет примерно 20% сердечного выброса [4]. Вышеперечисленные изменения функционального состояния сердечно-сосудистой системы школьников, безусловно, влияют на их умственную активность, что необходимо учитывать в гигиене образовательного процесса.
Рецензенты:
Буриков Алексей Алексеевич, доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой общей биологии, ФАГОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.
Узденский Анатолий Борисович, доктор биологических наук, старший научный сотрудник, кафедра биофизики и биокибернетики физического факультета, ФАГОУ ВПО «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону.