МЕХАНИЗМЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ СЕРДЕЧНОГО РИТМА. ВЛИЯНИЕ ВЕГЕТАТИВНОЙ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

1 Карагандинский государственный медицинский университет Исследовано влияние вегетативной нервной системы на нелинейную динамику сердечного ритма. С этой целью рассмотрены две модели: первая основана на изучении нелинейных показателей у лиц с различным вегетативным балансом, который является важнейшим показателем состояния вегетативной нервной регуляции сердечно-сосудистой системы. Вторая модель – это возрастные особенности нелинейной динамики сердечного ритма. Показано, что наибольшая сложность и «хаотичность» ритма сердца наблюдается у лиц с преобладающим влиянием парасимпатического отдела ВНС. Наоборот, смещение вегетативного баланса в сторону симпатического отдела приводит к упорядочению последовательности кардиоинтервалов, Однако конечный результат не является просто суммой данных воздействий, поскольку интегрированные влияния обеих отделов ВНС имеет форму нелинейных взаимосвязей. Статья в формате PDF 461 KB сердечный ритмнелинейная динамикавегетативный баланс 1. Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации) // Вестник аритмологии. – 2001. – № 24. –C. 65–87. 2. Щербатых Ю.В. Что выявляет спектральный анализ вариабельности сердечного ритма? // Прикладные информационные аспекты медицины. – Воронеж, 1999. – Т. 2, № 4. – С. 40–45. 3. Grassberger P., Procaccia I. Characterization of strange attractors // In: Physical Review Letters. – 1983. – Vol. 50. – P. 346–349. 4. Heart rate variability: Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Circulation. – 1996. –Vol. 93. – P. 1043–1065. 5. Kantz H. A robust method to estimate the maximal Lyapunov exponent of a time series // Physics Letters. – 1995. – Vol. 185. – P. 77–87. 6. Pagani M., Mazzuero G., Ferrari A. Sympatovagal interaction during mental stress. A study using spectral ***ysis of heart rate variability in healthy control subjects and patients with a prior myocardial infarction // Curculation. – 1991 – Vol. 83, № 4 – P. 43–51. 7. Rosenstein M.T., Collins J.J., De Luca C.J. A practical method for calculating largest Lyapunov exponents from small data sets // Physica. – 1993. – Vol. 65. – P. 117–134. 8. Tulppo M.P., Makikallio T.H., Seppanen T. Heart rate dynamics during accentuated sympathovagal interaction // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. – 1998. – Vol. 274. – P. 810–816.
Различное соотношение между двумя отделами вегетативной нервной системы приводит к изменению модулирующего влияния ВНС на синусовый узел, в результате чего в динамике сердечного ритма появляются и исчезают периодические составляющие различной частоты и амплитуды. Нелинейность и реципрокность этих отношений одновременно являются причиной изменений и нерегулярной составляющей кардиоинтервалограммы [8].
На настоящий момент не ясны механизмы генеза хаотических составляющих в колебаниях физиологических процессов. Так, относительно апериодических изменений сердечного ритма имеется мнение о наличии интра- и экстpaкардиальных механизмов, хотя большинство исследователей склоняется к мнению, что основным источником нерегулярности является вегетативная нервная система. Однако, недостаточно еще изучено каким образом влияют на сердечный ритм сегментарный и надсегментарный отделы симпатической нервной системы, а также соотношение адрен- и холинергической регуляции при различных функциональных состояниях и на различных этапах развития человеческого организма – по мере созревания и деградации нервной системы.
В последнее десятилетие нелинейные процессы рассматриваются с позиций «теории детерминированного хаоса» и для их описания используется математический аппарат нелинейной динамики, который оперирует, в том числе, такими показателями как корреляционная размерность и корреляционная энтропия.
Целью нашего исследования явилось оценка вклада вегетативной нервной системы в нелинейную динамику сердечного ритма. Поскольку в литературе уже дана, с некоторыми оговорками, интерпретация линейным показателям [2, 4], то является целесообразным на их основе изучение нелинейных хаpaктеристик СР.
Материалы и методы исследования
В работе использовались записи кардиоинтервалограмм пpaктически здоровых лиц возрастных групп 5–7 лет (n = 30), 8–13 лет (n = 96), 14–17 лет (n = 45), 18–21 лет (n = 125).
Аналоговый сигнал ЭКГ, получаемый с выхода электрокардиографа, преобразовывался в цифровой посредством установленной в компьютере измерительной платы АЦП. Выделение кардиоинтервалограммы и последующий анализ КИГ реализованы программно. Для исследования линейных показателей вариабельности сердечного ритма была создана программа Puls.KZ (свидетельство о регистрации объекта интеллектуальной собственности № 131, выданное 26.04.2006). Программа позволяет получать статистические, геометрические (вариационные), спектральные, авторегрессионые и энтропийные хаpaктеристики вариабельности сердечного ритма [1].
Для оценки нелинейной динамики сердечного ритма рассчитывались:
корреляционная размерность (D2) – этот показатель позволяет измерить сложность динамики системы. При D2 = 1 система демонстрирует простые периодические колебания (маятник), в случае абсолютно случайной динамики D2 равна бесконечности.
корреляционная энтропия (K2) – является количественной хаpaктеристикой степени организованности системы. Если энтропия достигает нуля, то система становится полностью предсказуемой. Так будет в случае регулярных процессов. Для истинно случайных процессов энтропия неограниченно велика. Энтропия системы в режиме детерминированного хаоса положительна, но имеет конечное значение.
В настоящей работе для расчета корреляционной размерности и корреляционной энтропии использовался алгоритм, предложенный Grassberger P. и Procaccia I. [3].
Важнейшим фундаментальным свойством хаотических систем является чувствительность к начальным условиям. То есть, две точки с изначально очень близкими координатами при движении по фазовым траекториям экспоненциально разбегаются (малые отличия в «прошлом» приводят к большим отличиям в «будущем»). Скорость, с которой расходятся эти точки, хаpaктеризуется показателем Ляпунова (λ). Чем чувствительнее система к начальным условиям, тем он больше. Для коротких временных рядов используются разработки Rosenstein M. и Kantz H. [5, 7], которые предложили очень близкие по алгоритму приближенные методики расчета λ.
Результаты исследования и их обсуждение
Для выяснения механизмов нелинейной динамики сердечного ритма было использовано две модели.
Первая модель основана на изучении нелинейных показателей у лиц с различным вегетативным балансом, который является важнейшим показателем состояния вегетативной нервной регуляции сердечно-сосудистой системы. Этот баланс может быть оценен по спектральной хаpaктеристике. Соотношение между мощностью низкочастотных и высокочастотных волн спектральной хаpaктеристики кардиоинтервалограммы (LF/HF) представляется индексом вагусно-симпатического взаимодействия, или вегетативного баланса [6].
Среди обследованных нами были выделены три группы по показателю LF/HF. В первую группу вошли лица со значительным преобладанием парасимпатических влияний (ваготоники), во вторую группу – лица, у которых наблюдается вегетативный баланс в регуляции сердечного ритма (нормотоники), в третьей группе баланс сдвинут в сторону преобладания симпатической нервной системы (симпатотоники).
Если судить по линейным спектральным хаpaктеристикам, представленным на рис. 1, то можно констатировать, что усиление симпатических влияний приводит к снижению общей мощности (ТР) периодических составляющих кардиоинтервалограммы – минимальное значение отмечается в третьей группе. Также в этой группе наблюдается изменение спектральной хаpaктеристики в пользу преобладания мощности низкочастотных составляющих LF % и VLF % (рис. 1, б), что косвенно отражает включение в регуляцию высших эрготропных и трофотропных надсегментарных отделов ВНС. Эти данные свидетельствуют, что сдвиг вегетативного баланса в сторону преимущественной активности симпатического звена приводит к снижению общей вариабельности КИГ, а периодические изменения кардиоритма наблюдаются на длительных интервалах времени, т.е. происходит определенная его стабилизация.
Для того, чтобы охаpaктеризовать регуляторные процессы в выделенных группах с точки зрения сложности и регулярности динамики СР были рассчитаны нелинейные показатели. Средние значения в каждой группе приведены в табл. 1.
Из рис. 2 видно, что при значительном сдвиге вегетативного баланса в сторону активности симпатического отдела (третья группа), корреляционная размерность и энтропия статистически значимо меньше, чем при сохранении баланса (вторая группа).
Это еще раз подтверждает тот факт, что симпатические влияния упрощают динамику сердечного ритма, т.е. он становится более регулярным. Но различия этих показателей между второй и первой группой выявлены не были, при том, что отношение LF/HF в этих группах отличается более, чем в два раза. Т.е. по этим данным сдвиг вегетативного баланса в сторону парасимпатического отдела не приводит к росту «хаотичности» в последовательности R-R-интервалов.
Расчет коэффициента корреляции между линейными и нелинейными показателями также не позволил однозначно ответить на вопрос о возможных механизмах нерегулярной динамике сердечного ритма. По данным, представленным в табл. 2, показатели D2 и К2 имеют обратную корреляционную связь с показателем LF/HF.
Рис. 1. Спектральная хаpaктеристика кардиоинтервалограммы у лиц с различным вегетативным балансом (А-суммарная мощность спектра, Б-спектральные компоненты КИГ)
Таблица 1
Нелинейные показатели сердечного ритма в различных группах
|
Группа |
D2 |
K2 |
λ |
|
|
n |
М ± m |
М ± m |
М ± m |
|
|
1 группа |
30 |
5,782 ± 0,195 |
4,556 ± 0,147 |
0,039 ± 0,002 |
|
2 группа |
30 |
5,671 ± 0,202 |
4,506 ± 0,134 |
0,040 ± 0,003 |
|
3 группа |
30 |
5,063 ± 0,245 |
4,110 ± 0,156 |
0,037 ± 0,003 |
Рис. 2. Нелинейные показатели сердечного ритма в группе ваготоников (1, n = 30), нормотоников (2, n = 30) и симпатотоников (3, n = 30).
Эти результаты можно было ожидать, поскольку отношение LF/HF отражает влияния симпатического отдела ВНС на сердечный ритм, оказывающего упорядоченное воздействие на динамику кардиоритма, соответственно, чем сильнее эти влияния, тем меньше значение корреляционной размерности и энтропии. Однако, согласно нашим данным, прямой связи между этими явлениями нет, т.к. коэффициент корреляции находится на уровне r ≈ –0,6.
Также выявлено, что старший показатель Ляпунова очень слабо (r на уровне 0,3) коррелирует с линейными показателями системы регуляции сердечного ритма.
Для уточнения этих противоречий была использована вторая модель – возрастные особенности нелинейной динамики сердечного ритма. Применение такой модели основано на определенных знаниях о соотношениях между механизмами нервной регуляции и формированием структуры и функции органов и систем в различные периоды жизни человека. Опираясь на эти знания можно сделать предположения о вовлеченности различных отделов ВНС в регуляцию сердечного ритма, о механизмах возникновения апериодических колебаний кардиоинтервалограммы.
Таблица 2
Коэффициенты корреляции между линейными и нелинейными показателями СР
|
Показатели |
ЧСС |
SDNN |
RMSSD |
HRVIndex |
TP |
HF |
LF |
VLF |
LF/HF |
|
D2 |
–0,12 |
0,25 |
0,33 |
0,32 |
0,13 |
0,12 |
0,07 |
0,09 |
–0,55 |
|
K2 |
–0,08 |
0,22 |
0,28 |
0,23 |
0,14 |
0,12 |
0,11 |
0,06 |
–0,48 |
|
λ |
0,13 |
0,06 |
0,23 |
0,07 |
0,05 |
0,15 |
–0,09 |
–0,11 |
–0,32 |
Согласно литературным данным стадия завершения формирования вегетативной нервной системы начинается с годовалого возраста и продолжается до конца 1-го десятилетия жизни. Сразу после рождения наблюдается функциональная незрелость парасимпатического звена ВНС. В возрасте 1–5 лет происходит усиление как симпатических, так и парасимпатических влияний на СР, однако сохраняется относительное превалирование симпатической активности. К 10 годам и старше парасимпатические влияния на СР становятся доминирующими, несмотря на то, что в этот период еще наблюдается некоторое повышение активности симпатического отдела ВНС. Таким образом, в подростковом возрасте и в период наступления пoлoвoй зрелости организма формируется иной, нежели в детском возрасте, тип регуляции СР, хаpaктеризующийся преобладанием парасимпатического звена ВНС на фоне достаточно выраженного тонуса симпатической иннервации сердца.
Если судить по нелинейным хаpaктеристикам D2 и K2, то наиболее сложная динамика сердечного ритма наблюдается в младшей и подростковой возрастных группах 8–13 и 14–17 лет (рис. 3). В возрасте 5–7 лет регистрируются наименьшие значения корреляционной размерности и корреляционной энтропии, эти показатели также статистически значимо снижаются при переходе от возрастной группы 14–17 лет к возрастной группе 18–21 год. Аналогичные результаты были получены при анализе показателя Ляпунова.
Рис. 3. Нелинейные показатели СР в различных возрастных группах
На основании этих данных можно предположить, что увеличение сложности динамики СР является результатом одновременной активации симпатических и парасимпатических влияний.
Заключение
Согласно полученным результатам вегетативная нервная система вносит существенный вклад в процесс нерегулярных изменений R-R-интервалов. Так, наибольшая сложность и «хаотичность» ритма сердца наблюдается у лиц с преобладающим влиянием парасимпатического отдела ВНС. Наоборот, смещение вегетативного баланса в сторону симпатического отдела приводит к упорядочению последовательности кардиоинтервалов, т.е. ритм сердца в этом случае более регулярный, динамика его менее сложна и менее «хаотична». Однако конечный результат не является просто суммой данных воздействий, поскольку интегрированные влияния обеих отделов ВНС имеет форму нелинейных взаимосвязей.
То, что «хаотичность» СР результат одновременной активации симпатического и парасимпатического отделов ВНС подтвердилось и при анализе нелинейных показателей в различных возрастных группах. Известно, что к десяти годам после рождения преобладающими становятся холинергические влияния, при сохранении активности адренергических механизмов. Адренергические влияния, воздействуя на различные звенья обмена ацетилхолина, определяют темп становления холинергической регуляции сердца. Такое соотношение симпатических и парасимпатических влияний приводит к изменению ритмики сердца, в том числе отражается на ее нерегулярной составляющей. Согласно полученным данным в детском и подростковом возрасте наблюдается наиболее сложная динамика сердечного ритма, когда преимущественное влияние на сердечный ритм оказывает парасимпатическая нервная система на фоне повышенного тонуса симпатического отдела ВНС.
Статья в формате PDF
374 KB...
29 03 2026 16:27:44
Статья в формате PDF
312 KB...
28 03 2026 19:21:17
Статья в формате PDF
118 KB...
26 03 2026 3:15:52
Приведены результаты оценки степени антропогенной преобразованности природных ландшафтов Южной Якутии. В качестве объекта исследований была принята территория Алдано-Тимптонского междуречья. В пределах исследуемой территории охаpaктеризованы пять выделенных физико-географических провинций в зависимости от их степени преобразованности.
...
24 03 2026 15:48:27
Статья в формате PDF
161 KB...
23 03 2026 3:24:48
Статья в формате PDF
321 KB...
22 03 2026 14:46:27
Статья в формате PDF
131 KB...
21 03 2026 16:38:37
Статья в формате PDF
106 KB...
20 03 2026 9:29:55
Статья в формате PDF
104 KB...
19 03 2026 3:24:14
Статья в формате PDF
130 KB...
18 03 2026 4:11:10
Статья в формате PDF
339 KB...
17 03 2026 13:33:22
Статья в формате PDF
317 KB...
16 03 2026 18:15:14
Статья в формате PDF
131 KB...
15 03 2026 17:34:52
Статья в формате PDF
119 KB...
14 03 2026 1:29:57
Статья в формате PDF
113 KB...
12 03 2026 15:35:25
Статья в формате PDF
128 KB...
11 03 2026 19:52:19
Статья в формате PDF
286 KB...
10 03 2026 13:16:23
Обсуждается проблема описания устойчивости почвенных экосистем в рамках принципа Ле Шателье-Брауна.
...
09 03 2026 21:18:10
Статья в формате PDF
140 KB...
08 03 2026 4:45:53
Статья в формате PDF
163 KB...
07 03 2026 12:15:37
Статья в формате PDF
140 KB...
06 03 2026 16:16:47
Статья в формате PDF
332 KB...
05 03 2026 10:20:31
Учебный предмет география состоит из двух блоков. Физическая география изучает элементы природы как единое целое, формирует “образ территории”. Социально-экономическая география рассматривает развитие общества и экономики в тесной взаимосвязи с природными условиями. Для формирования и поддержания интереса к географии в ФТЛ № 1 широко используются современные информационные технологии. Компьютерное тестирование систематически используется на уроках. Лицеисты успешно участвуют в различных телекоммуникационных олимпиадах - индивидуальных и групповых конкурсах с использованием электронной почты и сети Интернет. Такие проекты развивают умение работать с различными источниками информации, способствуют межпредметной интеграции знаний и формированию целостной картины мира.
...
04 03 2026 21:43:45
Статья в формате PDF
214 KB...
03 03 2026 11:18:11
Статья в формате PDF
245 KB...
02 03 2026 7:52:23
Статья в формате PDF
120 KB...
01 03 2026 14:59:28
В обзорной статье рассмотрены основные элементы энергосберегающей технологии возделывания сорго в условиях Астpaxaнской области, к которым относятся: подготовка семян к посеву, севооборот, подбор сортов, нормы высева и способы посева, минеральные подкормки, борьба с сорными растениями и болезнями с помощью внесение гербицидов, орошение по фазам роста и развития, с помощью дождевания наименее энергозатратных агрегатов.
...
28 02 2026 1:25:47
Статья в формате PDF
127 KB...
27 02 2026 5:53:37
Статья в формате PDF
114 KB...
26 02 2026 1:10:47
Статья в формате PDF
104 KB...
25 02 2026 19:28:53
Статья в формате PDF
260 KB...
24 02 2026 15:53:18
Статья в формате PDF
114 KB...
23 02 2026 4:39:27
Статья в формате PDF
124 KB...
22 02 2026 1:45:57
Приведены закономерности влияния топографических и почвенных условий прирусловых территорий на прострaнcтвенную структуру видового состава трав и продуктивность пойменных лугов.
...
21 02 2026 16:33:24
Статья в формате PDF
209 KB...
20 02 2026 17:24:49
Статья в формате PDF
104 KB...
19 02 2026 11:30:23
Среди образовательных технологий заметно выделяются научные олимпиады школьников. Участники олимпиад организуют свою мыслительную деятельность на познание явлений природы, овладение умением пользоваться ими, что формирует в сознании естественнонаучную картину мира, закладывая основы целостной личности.
...
18 02 2026 2:20:27
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::