Гипоксическая тренировка и когнитивная устойчивость к дефициту кислорода

Гипоксическая подготовка и когнитивная устойчивость связаны в исследовании 18 здоровых молодых мужчин. Авторы сравнили реакции ЭЭГ и умственную работоспособность при дефиците кислорода до и после курса подготовки.

Кратко о публикации

• 18 мужчин 19–23 лет проходили 15 процедур гипоксической подготовки.
• Исследовали ЭЭГ и выполнение теста «Маршрут» во время гипоксической пробы.
• До курса показатель теста при гипоксии снижался в среднем на 18%, после курса — на 6%.
• Исследовательское воздействие длительное; его нельзя приравнивать к коротким интервалам IHHT.

Гипоксическая подготовка и когнитивная устойчивость: данные публикации

Введение

Проблема гипоксических состояний человека, связанных с дефицитом кислорода во внешней среде или нарушениями его транспорта и утилизации в организме, является одной из ключевых в профилактической, профессиональной, клинической медицине [1,2]. Хорошо известна роль острого и хронического кислородного голодания тканей в генезе снижения физической и интеллектуальной работоспособности человека, развитии и течении многих заболеваний [2,3]. Нервная ткань, прежде всего нейроны коры головного мозга (КГМ), наиболее чувствительна к гипоксии. Это связано с особенностями ее метаболизма и функционирования. Даже кратковременное кислородное голодание может вызвать опасное повреждение этих нейронов [1,3].

В этой связи актуальной представляется разработка инновационных средств и методов, позволяющих повысить устойчивость нейронов КГМ к гипоксии любого генеза. В частности, применение подобных средств в клинической медицине даст возможность «отодвинуть» порог формирования необратимых нарушений в нервных клетках, как при острых эпизодах кислородного голодания, так и при хронической гипоксии [4,5]. Средства повышения устойчивости высших отделов ЦНС к дефициту кислорода актуальны для профессиональной, спортивной и экстремальной медицины.

Деятельность человека нередко протекает при недостаточном кислородном обеспечении. Примеры — горная и высотная гипоксия, вторичная гипоксия нагрузки, «гипоксия замкнутых помещений». Дополнительный интерес к подобным средствам обусловлен также современной концепцией повышения пожаробезопасности герметизируемых обитаемых объектов (подводные, космические объекты) путем создания в них газовоздушных сред с пониженным содержанием кислорода [6].

Гипоксические тренировки как исследуемая защита

Для защиты коры головного мозга (КГМ) от кислородного дефицита авторы рассматривают гипоксические тренировки (ГТ). Они включают циклическое или непрерывное воздействие гипоксического стимула. Это позволяет сформировать функциональную систему адаптации к дефициту кислорода [5].

Эффективность различных видов ГТ (горноклиматическая, барокамерная, нормобарическая тренировки) для повышения общей резистентности организма здорового и больного человека показана в многочисленных клинико-физиологических исследованиях [5, 7, 8]. В настоящее время явный приоритет отдается нормобарическому варианту ГТ (НГТ) в связи с наибольшей простотой реализации, безопасностью и доступностью применения. Это обусловлено разработкой специальных устройств гипоксикаторов, позволяющих создавать гипоксическую газовую среду (ГГС) заданного состава и подавать ее для дыхания пациенту.

У этого способа создания гипоксии есть недостатки. Масочное дыхание неудобно и требует вынужденной позы пациента. Трудно выполнять параллельные процедуры и исследования. При выраженной гипоксии или компенсаторной гипервентиляции возникает опасность недостаточной подачи гипоксической газовой среды (ГГС) [5,9].

Эти и другие причины ограничивают применение и развитие данного варианта НГТ. Они препятствуют длительной экспозиции гипоксического стимула — от нескольких часов до нескольких суток. По оценке авторов, такая экспозиция значительно повышает эффективность метода [9].

Гипоксические комплексы и длительная экспозиция

Недавняя разработка нового оборудования — гипоксических комплексов [10], создающих нормобарические ГГС в помещении (палате) и позволяющих избежать всех перечисленных недостатков, — существенно расширяет возможности применения НГТ в профилактике, лечении, реабилитации. Комплексы позволяют в широких пределах варьировать степень снижения кислорода в ГГС, длительность экспозиции при отсутствии неудобств для пациентов. В предыдущих исследованиях метода оценивали специалистов с особыми условиями труда. Изучали субъективный и психоэмоциональный статус, функциональные возможности и профессиональную работоспособность [11, 12].

Медицинский вестник Юга России

Цель исследования

— оценка возможностей НГТ в протекции головного мозга человека от повреждающего воздействия дефицита кислорода.

Материалы и методы

Тип исследования — проспективное, когортное. Исследования провели в соответствии с международными стандартами GCP на базах РостГМУ (Ростов-на-Дону) и медицинского центра АО «АСМ» (Санкт-Петербург) в 2013–2017 гг.

Обследованы 18 человек, соответствующие следующим критериям включения:

• мужской пол;
• возраст 19-23 года;
• годность по состоянию здоровья к выполнению работ в условиях воздействия вредных производственных факторов;
• отсутствие в анамнезе черепно-мозговых травм, острых или хронических воздействий нейротоксикантами, нейроинфекций;
• достаточный уровень интеллектуальных качеств (позволяющий выполнить предложенные тестовые задания);
• подписание добровольного информированного согласия на участие в исследованиях.

Кроме того, для повышения однородности выборки к исследованиям привлекались только «истинные правши» (см. ниже). Критерии исключения — невозможность по любым причинам выполнить программу исследований в полном объеме.

Курс НГТ включал 15 ежедневных процедур. Во время каждой участники по 2 часа находились в нормобарической ГГС, создаваемой в помещении гипоксического комплекса. Содержание кислорода в ГГС поддерживали на уровне 15,0±0,5 % (ГГС-15) на протяжении всего курса. Во время проведения процедур испытуемые находились в свободном положении, отдыхали, читали, готовились к занятиям или смотрели телевизор.

Функционирование КГМ оценивали в контрольных обследованиях перед началом НГТ (I этап). II этап проводили через 1–2 дня после окончания курса. Обследования выполняли в обычных условиях и при гипоксической пробе — пребывании в ГГС-15. Определяли спонтанную биоэлектрическую активность головного мозга (БЭАГМ) и оценивали умственную работоспособность.

Регистрация биоэлектрической активности

Состояние спонтанной БЭАГМ определяли методом электроэнцефалографии (ЭЭГ) на приборе «Нейровизор-БММ (NVX36)» (РФ). Регистрацию выполняли по международной схеме «10-20 %» с 19+2 электродами, согласно методическим указаниям [13]. Верхняя полоса пропускания — 35 Гц, постоянная времени — 0,3, эпоха анализа — 5 с. Анализировали общепринятые диапазоны: дельта 1–4 Гц, тета 4–8 Гц, альфа 8–12 Гц, бета 12–25 Гц. Для каждого диапазона определяли амплитуду (А), индекс (И) и ведущую, или доминирующую, частоту (Ч).

Во время ЭЭГ испытуемый спокойно бодрствовал с закрытыми глазами. До исследования он привыкал к надетой шлем-маске. Регистрацию начинали после угасания ориентировочного рефлекса и формирования устойчивого альфа-ритма.

Умственную работоспособность испытуемых оценивали с использованием методики «Маршрут», применяемой для оценки профессионально важных качеств авиационных штурманов [14]. В процессе тестирования испытуемый выполнял интеллектуальную деятельность, представляющую собой «оперирование числовой информацией в структуре пространственного образа». Каждая задача теста начиналась с появления на экране дисплея цифровой информации (значений координат некоторой исходной точки). Экспозиция координат — 3 с. После исчезновения координат на экране появлялась 3-сегментная стрелка в изометрической проекции. Ее начало соответствовало точке с ранее указанными координатами.

Каждый сегмент стрелки ориентирован по одной из осей 3-мерного пространства и равен одной «единице» в принятой системе координат. Экспозиция структурного стимула (стрелки) — 3 с. После исчезновения стрелки испытуемый мысленно определял координаты ее конечной точки. Ответ набирал в таблице результатов.

Задание на умственную работоспособность

Таким образом, в ходе выполнения задания от тестируемого требовалось быстрое и точное восприятие как цифровой (значения координат), так и структурной информации (конфигурация стрелки). При этом оперирование информацией включало действия декодирования, сложения, вычитания, актуализируя при этом заданную систему координат трехмерного пространства. Действия тестируемого требовали крайне высокой концентрации и переключаемости внимания. Успешность выполнения теста оценивалась по количеству ошибок (ЧО, ед.); времени, затраченному на решение 15 задач (Т, с); интегральному показателю теста «Маршрут» (ИП, у.е)

ИП= 17 — (ЧО + 0,01 Т).

Максимальные значения ИП находятся в пределах 16 у.е, минимальные — 1 у.е. [14].

Перед первым контрольным тестированием все испытуемые многократно тренировались выполнять сложный тест «Маршрут». Тренировки продолжали до достижения индивидуально стабильных результатов. У большинства тренировки занимали 5–7 дней. Затем проводили обследования I этапа: в обычных условиях и в ГГС-15.

Статистическую обработку проводили с использованием пакета «STATISTICA» (версия 12.0).

В группе обследованных для каждого параметра определяли медиану (Ме), нижний и верхний квартили (Q25, Q75). Статистическую значимость различий оценивали по непараметрическому критерию Вилкоксона для парных связанных выборок. Значимыми принимали различия при р<0,05.

Этические принципы эксперимента

Исследования соответствовали действующим международным и российским законодательным актам. Учитывали Хельсинскую декларацию 1975 г. и ее пересмотры 1983 и 2013 гг. Легитимность исследований подтверждена заключением независимого этического комитета при Ростовском государственном медицинском университете.

Результаты

Одним из критериев отбора испытуемых для участия в исследованиях была их принадлежность к «истинным правшам», что подтверждалось результатами ЭЭГ-исследования. Такой подход позволил избежать излишних вариаций спонтанной БЭАГМ, обусловленной неизбежными особенностями индивидуальных ЭЭГ.

Группа была однородной. Спонтанную биоэлектрическую активность всех испытуемых классифицировали как «ЭЭГ организованного во времени и пространстве типа» [13] с легкими структурными и пространственными изменениями. Доминирующее полушарие — левое.

Таблица 1. Показатели спонтанной ЭЭГ испытуемых (n=18) при контрольных гипоксических пробах, Me (Q25; Q75).

Примечание к таблице 1. Различия оценивали критерием Вилкоксона. р обозначает сравнение нормоксии и ГГС-15, рI-II — сравнение этапов наблюдения. Note: Validity of differences (Wilcoxon test): p — between normoxia and HGM-15; pI-II — between the stages of the survey.

Исходные ЭЭГ всех добровольцев характеризовались высокой регулярностью альфа-ритма, четко модулированного в «веретена». Амплитудный градиент был выражен. Максимальная активность альфа-ритма регистрировалась в затылочных отведениях и постепенно снижалась к лобным.

Количественные характеристики спонтанной ЭЭГ в группе испытуемых представлены в табл. 1.

Исходные групповые показатели отражали преобладание (более 50 %) в общем спектре БЭАГМ альфа-ритма нормальной амплитуды и частоты. Суммарный индекс медленно- волновой активности (тета-дельта ритм) составлял около 30 % (также при нормальной амплитуде и ведущих частотах). Индекс бета-ритма закономерно был наименьшим для данных условий регистрации (спокойное бодрствование с закрытыми глазами), составляя около 12 % при амплитуде примерно 25 Гц и частоте 20 Гц. В целом, полученные данные в группе наблюдения свидетельствовали о её однородности и соответствии критериям нормы.

Спонтанная ЭЭГ при гипоксической пробе

При первой гипоксической пробе уменьшался суммарный альфа-ритм ЭЭГ. Относительно нормоксии его индекс снижался в среднем на 10–15% (р=0,013), амплитуда — на 10–12% (р=0,044).

Амплитудная модуляция альфа-ритма в большинстве случаев исчезала. Менялось его распространение по конвекситальной поверхности: зональные различия существенно сглаживались. Возрастала доля низкоамплитудных медленных волн (р=0,019). Индекс и амплитуда бета-ритма имели тенденцию к снижению (р=0,05). Авторы рассматривают смещение БЭАГМ из альфа-диапазона в медленные, преимущественно дельта-волны как биоэлектрический эквивалент острой гипоксической реакции.

В целом, паттерн ЭЭГ в большинстве наблюдений соответствовал дезорганизованному типу, но с преобладанием альфа ритма, что трактуется как «функциональные изменения ЭЭГ» [13]. Тем не менее, субъективно все испытуемые переносили гипоксию с положительной эмоциональной окраской, о чем свидетельствовало доминирование левой фронтальной коры над правой, отмеченное в обоих условиях измерения.

Межполушарные различия

Инверсии межполушарного доминирования в ответ на гипоксию не было ни у одного участника. Другие исследователи ранее сообщали о такой инверсии [15]. Они предлагали считать ее специфическим ответом БЭАГМ на острый дефицит кислорода.

Гипоксические тренировки сопровождались характерными, в целом позитивными изменениями спонтанной БЭАГМ. Авторы связывают их с формированием структурно-функционального «следа» адаптации в высших отделах ЦНС.

Таблица 2. Показатели успешности выполнения теста «Маршрут» испытуемыми (n=18) при контрольных гипоксических пробах, Me (Q25; Q75).

Примечание к таблице 2. Различия оценивали критерием Вилкоксона. р обозначает сравнение нормоксии и ГГС-15, рI-II — сравнение этапов наблюдения. Note: Validity of differences (Wilcoxon test): p — between normoxia and HGM-15; pI-II — between the stages of the survey.

Сравнение ЭЭГ в нормальных условиях до и после НГТ выявило тенденции к повышению амплитуды и индекса альфа-ритма (p<0,05). Повышались также его регулярность, амплитудный градиент и функциональная асимметрия. Существенных изменений характеристик тета-дельта и бета-ритмов относительно первичного обследования не было.

При проведении повторного (после НГТ) ЭЭГ-исследования во время пребывания испытуемых в ГГС-15 зарегистрированы следующие феномены. В качестве главного из них следует отметить существенно меньшую, чем при первичном обследовании, редукцию индекса и амплитуды альфа-ритма в ответ на гипоксию (p<0,05). Менее выраженными, чем при первой гипоксической пробе, были и реакции «сглаживания» амплитудного градиента альфа-ритма на конвекситальной поверхности черепа, а также дисмодуляции «альфа-веретен». Обращало на себя внимание углубление доминирования левой лобной коры над правой (отмеченного в обоих условиях измерения), что, как указывалось выше, можно рассматривать как отражение позитивности эмоциональных состояний испытуемых.

Как и при первичном обследовании, ни у одного из испытуемых при гипоксическом воздействии не выявлено инверсии межполушарного доминирования.

Изменение реактивности ЭЭГ

После тренировок пребывание в ГГС-15 уже не вызывало смещения спонтанной БЭАГМ к медленноволновой области спектра. Такое смещение к тета-дельта волнам наблюдалось при первой гипоксической пробе.

После НГТ снизилась выраженность приспособительных ЭЭГ-реакций на гипоксию. Авторы рассматривают это как формирование «функциональной системы адаптации» к кислородному дефициту.

Эта система повышает устойчивость организма, включая нейроны высших отделов ЦНС, к гипоксии. Снижается выраженность компенсаторных реакций «платы». Авторы трактуют это как устойчивое приспособление к стрессогенному фактору [16].

Исследования функциональных возможностей высших отделов ЦНС, оцениваемые по динамике показателей успешности сложной интеллектуальной деятельности, выявили наличие схожих закономерностей (табл.2).

При первичном обследовании большинство испытуемых имели средний уровень успешности теста «Маршрут». Медиана ИП составляла 7,05 у.е. при максимальных 16. Это согласуется с данными авторов методики, обследовавших большие группы людей с различными интеллектуальными способностями. При первой гипоксической пробе в ГГС-15 число ошибок увеличивалось, а мыслительные операции замедлялись.

Эти тенденции отразились на интегральном показателе работоспособности. Его среднегрупповое значение снизилось примерно на 18% относительно нормоксии (p<0,001). Выявленные факты свидетельствовали о затруднении выполнения интеллектуальной деятельности высокой сложности в смоделированных достаточно «жестких» условиях дефицита кислорода, что полностью соответствует представлениям об особенностях гипоксических состояний [11,14].

Контроль эффекта обучения

В процессе назначенного впоследствии курса НГТ участники исследования тест «Маршрут» не выполняли для исключения возможного тренирующего эффекта. Повторные тестирования, проведенные после окончания НГТ, выявили следующие тенденции в динамике умственной работоспособности испытуемых. Прежде всего, обращало внимание повышение успешности выполнения теста в обычных (нормоксических) условиях по сравнению с первичным обследованием. Это касалось и числа ошибок в расчетах (р=0,045), и скорости выполнения 15 заданий (р=0,047), что привело к достоверному увеличению ИП (в среднем на 19 %, р=0,019).

После НГТ результаты тестирования в ГГС-15 были существенно лучше, чем при первой пробе. Достоверно уменьшились число ошибок (р=0,025) и длительность работы (р=0,018). ИП увеличился в среднем на 36% (р=0,003).

Относительно нормоксии умственная работоспособность снижалась существенно меньше, чем при первой пробе. По всем показателям успешности деятельности достоверных различий до и во время пробы не было. В частности, средние значения ИП при гипоксии уступали таковым в нормальных условиях всего на 6 % (p>0,05).

Обсуждение

Проведенные исследования, в целом, подтвердили мнение об изменении нормального функционирования высших отделов ЦНС даже при умеренном дефиците их кислородного снабжения (пребывании в ГГС- 15). Это проявлялось, в частности, в специфических реакциях спонтанной БЭАГМ: редукции и снижении амплитуды альфа-ритма, сглаживании его зональных различий на конвекситальной поверхности коры, дисмодуляции «альфа-веретен». Параллельно наблюдалось смещение биоэлектрической активности в сторону медленноволновой области спектра ЭЭГ. Однако инверсии межполушарного доминирования во время гипоксии, как это отмечалось в работах ряда исследователей [15], в исследованиях не отмечено ни у одного из испытуемых.

По всей видимости, данная реакция не является специфичной для любого гипоксического состояния, хотя, возможно, и имеет место у других категорий лиц или при более глубокой степени гипоксии.

Выявленные сдвиги спонтанной БЭАГМ сочетались со снижением эффективности выполнения сложной интеллектуальной деятельности, требующей комплексного «включения» комбинаторных психических процессов и оперирования разномодальной информацией. Подобные феномены при аналогичных острых гипоксических воздействиях были зафиксированы и другими исследователями [5,17]. В указанных и других работах подчеркивается, что в условиях некритической (субкомпенсированной) гипоксии, прежде всего, снижаются предельные возможности человека по осуществлению интеллектуальной деятельности крайне сложного содержания и выполняемой с максимально возможной скоростью.

При такой психической деятельности эффекты кислородного дефицита зависят от индивидуальных стратегий переработки разномодальной информации. Чем надежнее и эффективнее исходная стратегия, тем выше индивидуальная устойчивость к гипоксии [14].

Основной результат и его границы

Основным итогом данной работы следует считать установленную возможность искусственного повышения устойчивости к гипоксии структур головного мозга путем проведения нормобарической гипоксической тренировки. После цикла НГТ снизилась специфическая реактивность спонтанной ЭЭГ на гипоксию. Особенностью разработанного авторами режима была длительная экспозиция каждой процедуры — до 2 часов. Характерно, что другими исследователями [5,7]использовались традиционные периодические или интервальные режимы НГТ с экспозицией до 30 мин. К завершению 10–15-дневных тренировок, напротив, выявлялось углубление исходных реакций спонтанной ЭЭГ на гипоксию.

Авторы предполагают, что причина расхождений — незавершенность ранней адаптации к гипоксии при прежних вариантах НГТ. Этим они объясняют преимущества предлагаемого режима.

Выявленные в данной работе факты позитивного влияния НГТ на эффективность интеллектуальной деятельности в обычных условиях пребывания испытуемых и при нахождении в ГГС-15 позволяют рассматривать апробированный метод как средство протекции головного мозга от повреждающего действия дефицита кислорода.

Авторы предполагают несколько механизмов влияния повторяющейся гипоксии. Это адаптационная перестройка метаболических и пластических процессов в нейронах КГМ, повышение экономичности их работы. Возможны увеличение васкуляризации и кровоснабжения мозга, стимуляция синтеза эндогенных регуляторных субстанций. В частности, они называют нейромодулятор оксид азота, обладающий выраженным приспособительным действием.

Заключение

Выявленные эффекты гипоксической тренировки в примененном нами варианте и режиме могут быть использованы в системе физиологической подготовки специалистов к выполнению задач деятельности в условиях пониженного парциального давления кислорода в окружающей среде. Дальнейшее развитие данного метода позволит более эффективно использовать его в клинической практике, например, при осуществлении так называемого «ишемического прекондиционирования» у пациентов с нарушениями кислородного бюджета организма.

Финансирование

Исследование не имело спонсорской поддержки.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Таблицы и иллюстрации оригинала

Краткие результаты приведены в начале страницы. Полные наборы показателей, исследовательские протоколы и графики доступны в исходном PDF.

ЭЭГ-показатели: таблица 1

Тест умственной работоспособности: таблица 2

Технология и применение

Работа посвящена реакции на управляемое изменение кислорода, а не лечению неврологических заболеваний. Различия между IHT и IHHT объясняются на странице гипоксических тренировок и технологии IHHT.

Литература