ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2004, том 30, № 5, с. 56-62
УДК 612.17
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРИИ ХАОСА ДЛЯ АНАЛИЗА СЕРДЕЧНОГО РИТМА В РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЯХ СНА У ЗДОРОВЫХ ЛИЦ
© 2004 г. А. Эйдукайтис, Г. Варонецкас, Д. Жемайтите
Институт психофизиологии и реабилитации КМУ, Литовская Республика, Паланга
Поступила в редакцию 29.10.2003 г.
Количественно оценивали изменения уровня хаотичности сердечного ритма (СР) в разных стадиях сна у здоровых испытуемых путем расчета корреляционной размерности (02). В исследовании принимали участие 26 практически здоровых испытуемых обоего пола (средний возраст - 29.2 лет). По уровню тренированности испытуемые были поделены на 2 подгруппы: тренированных (7) и нетренированных (19). Трое испытуемых из подгруппы нетренированных участвовали в экспериментах с применением блокаторов вегетативной нервной системы (атропин и пропранолол). В результате проведенных исследований была выявлена связь изменений 02 при смене стадий сна с уровнем вегетативной регуляции СР. При смене стадий медленного сна с увеличением влияния парасимпатической регуляции СР наблюдалось повышение значений 02, а в быстром сне, при снижении парасимпатической регуляции, происходило уменьшение значений корреляционной размерности. Характер изменений различался в подгруппах тренированных и нетренированных испытуемых и зависел от исходного уровня вегетативной регуляции СР. В подгруппе тренированных испытуемых, для которых характерно преобладание парасимпатической регуляции СР, значения 02 в исходном состоянии и во всех стадиях сна были выше, чем в подгруппе нетренированных. Исследования с применением блокад отделов вегетативной нервной системы показали, что значения 02 повышались при блокаде симпатической регуляции и уменьшались при блокаде парасимпатической регуляции СР, достигая наименьших величин при блокаде обоих отделов вегетативной регуляции, как в период бодрствования, так и при смене различных стадий сна. Из этого следует, что уровень хаотичности СР, численно выражаемый величиной корреляционной размерности (02), зависит от регулирующих воздействий автономной нервной системы.
Наряду с использованием в анализе сердечного ритма (СР) популярных математических методов, поиск и применение новых подходов дает возможность получить новую информацию об изменениях СР, а, следовательно, и о функциональном состоянии системы кровообращения.
В последние годы были опубликованы работы ряда авторов, применяющих в анализе СР методы нелинейной динамики [1-3]. Эти исследования предполагают, что в норме СР демонстрирует не строго периодическую, а хаотическую динамику. Кроме того, возможно, нормальная физиологическая гибкость такой нелинейной системы, как сердце, и заключается в ее хаотичности [3, 4].
Ключевыми понятиями этой концепции являются термины "детерминированный хаос" и "хаотичность", как свойство динамической системы. Как известно, динамические системы могут демонстрировать либо случайную, непредсказуемую динамику (например, "белый шум"), либо детерминированную динамику, которая в принципе предсказуема, так как протекает в соответствии с какими-либо определенными правилами. Однако, существует и класс детерминированных систем, для которых невозможен прогноз поведения на длительное время, то есть их динамика внешне
случайна, - это и есть явление детерминированного хаоса. Для описания свойств таких систем используется ряд методов, в том числе и расчет корреляционной размерности. Этот показатель позволяет измерить хаотичность, или сложность динамики системы. Корреляционная размерность (02) может принимать только положительные значения. Например, при 02 = 0 система не изменяется во времени, при 02 = 1 система демонстрирует простые периодические колебания (маятник), в случае абсолютно случайной динамики 02 равна бесконечности.
Применение теории детерминированного хаоса в анализе динамического ряда КИ-интервалов позволяет в дополнение к общепринятым статистическим показателям получить и новые, динамические характеристики СР. Например, рассчитывая корреляционную размерность для динамического ряда ^-интервалов, можно оценить уровень хаотичности СР. Однако, на физиологическую интерпретацию показателя корреляционной размерности в настоящий момент еще нет общепринятых устоявшихся воззрений [5], хотя большинство авторов склонны связывать наличие и величину хаотичности СР с действием вегетативной нервной системы, в частности ее парасимпатического отдела, на регуляцию СР [6].
Известно, что в норме изменение частоты и периодической структуры СР происходит под воздействием разноуровневых механизмов регуляции сердечной деятельности, реагирующих на изменения внутренних и внешних факторов. С помощью механизмов регуляции также осуществляется согласование деятельности различных систем организма в тех или иных условиях. Следовательно, по изменениям СР можно судить о функциональном состоянии сердца и механизмов его регуляции.
Хорошей моделью для исследования изменений динамических характеристик СР в зависимости от функционального состояния организма могут послужить участки ритмограмм, записанные в различные стадии сна. Известно, что сон как физиологический процесс неоднороден по своей структуре и состоит из стадий медленного и быстрого сна. Медленный сон в свою очередь разделяется на поверхностный сон (I и II стадии) и глубокий сон (III и IV стадии). Для каждой стадии сна характерно свое состояние симпатического и парасимпатического отделов вегетативной нервной системы, обусловливающее различную периодическую структуру СР.
Применение в математическом анализе СР его динамических характеристик (в частности, корреляционной размерности) может помочь более полно описать его структуру, а значит и более точно сравнивать между собой функциональные состояния организма в изменяющихся условиях.
Целью настоящей работы была количественная оценка изменений уровня хаотичности сердечного ритма в разных стадиях сна у здоровых испытуемых путем расчета корреляционной размерности.
МЕТОДИКА
В исследовании принимали участие 26 практически здоровых испытуемых обоего пола (средний возраст - 29.2 лет). По уровню тренированности испытуемые были поделены на 2 подгруппы: тренированных (спортсмены, 7 человек) и нетренированных (19 человек). Для каждого из них во время ночного сна производилась запись поли-сомнографических данных, в том числе электро-окулограммы (ЭОГ), электромиограммы (ЭМГ) с мышц диафрагмы рта, электроэнцефалограммы (ЭЭГ) и электрокардиограммы (ЭКГ). ЭОГ регистрировали в отведениях E1A2, E2A1, ЭЭГ - в отведениях C3A2, C4A1 по международной системе 1020, ЭКГ - в трех отведениях по Небу.
Стадии сна оценивались визуальным способом по ЭОГ, ЭЭГ и ЭМГ-данным в соответствии с критериями, приведенными в работе [7]. Согласно принятой классификации выделялись I, II, III, IV стадии медленного сна, а также периоды бодр-
ствования и быстрого сна (фаза "быстрых движений глаз").
У троих испытуемых из группы нетренированных (средний возраст: 24.7 ± 1.25 года) в течение 5 ночей регистрировались экспериментальные данные четырех различных видов: контрольные данные, при действии атропина, при действии пропранолола, при одновременном действии атропина и пропранолола. В первую ночь испытуемые адаптировались к лабораторным условиям. В течение второй ночи регистрировались контрольные данные. На третью ночь внутривенно вводился атропин сульфат (0.025 мг/кг). На четвертую ночь перорально употреблялся пропрано-лол (Docitone Retard) пролонгированного действия (около 24 ч). На пятую ночь применялись атропин и пропранолол одновременно. Атропин, действие которого длится 4 ч, принимался испытуемыми в 23.00, непосредственно перед погашением света в лаборатории. Пропранолол принимался ими за 3 ч перед употреблением атропина.
ЭКГ-данные были оцифрованы и конвертированы в ритмограммы, т.е. динамические ряды последовательных ^-интервалов (расстояний между соседними ^-зубцами ЭКГ в мс).
Для дальнейшего анализа ритмограммы были поделены на стационарные участки, соответствующие одной из стадий сна. Для математической обработки выбирались участки ритмограмм, свободные от помех, как технических, так и вызванных непроизвольными движениями испытуемого. Всего проанализировано 703 отрезка ритмограмм в различных стадиях сна.
В ходе статистической обработки рассчитывались средние значения и доверительные интервалы. В качестве критерия сходства/различия средних значений использовался i-тест по Стьюденту для непарных выборок при уровне значимости менее 0.05.
Чтобы оценить сложность динамики системы регуляции СР в разных стадиях сна, для каждого выбранного и классифицированного участка ритмограммы рассчитывалась величина корреляционной размерности (D2). При расчетах использовался алгоритм, предложенный в работе [8].
Расчет корреляционной размерности включает два главных последовательных шага: 1) построение траектории системы в фазовом пространстве заданной размерности и 2) оценка корреляционной размерности полученного геометрического объекта.
Построение траектории системы в фазовом пространстве (шаг 1). Метод, предложенный в работе [9], позволяет построить многомерные траектории изменений системы, используя динамический ряд значений единственной переменной этой системы.
Рассмотрим практический случай использования участка ритмограммы для построения траектории системы. Если ЯЯг - г-тый член динамического ряда ЯЯ-интервалов, а N - количество членов этого ряда, то в двухмерном пространстве последовательными точками траектории будут: [ЯЯ1, ЯЯ2], [ЯЯ2, ЯЯ3], [ЯЯ3, ЯЯ4], ..., [Я^- 1, ЯЯ^. Другими словами, строится траектория изменений системы в координатных осях [ЯЯг, ЯЯг + 1].
Соответственно, для трехмерного пространства точками траектории будут: [ЯЯ1, ЯЯ2, ЯЯ3], [ЯЯ2, ЯЯ3, ЯЯ4], [ЯЯ3, ЯЯ4, ЯЯ5], ..., [ЯЯN _ 2, ЯЯN - 1, ЯЯМ].
Таким образом, в пространство любой размерности (называемой размерностью вложения) можно вложить многомерный геометрический объект, построенный с использованием динамического ряда значений единственной переменной системы [9].
Количество точек, получаемых таким способом в т-мерном прос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.