Анализ вариабельности ритма сердца и возможности его применения в психологии и психофизиологии

Вводная часть

При любом изменении функционального состояния человека, психическом эмоциональном или физическом напряжении мгновенно изменяется тонус вегетативной нервной системы (ВНС) в сторону повышения активности его симпатического отдела. В спокойном же состоянии более активен, как правило, парасимпатический отдел. В тех областях знаний о человеке, где важным является своевременное и объективное определение уровня напряжения (психология, психофизиология, спортивная наука, медицина), изучение вегетативного баланса чаще всего осуществляется при помощи показателей вариабельности ритма сердца (ВРС). Эти показатели позволяют произвести дифференцированную диагностику вегетативных влияний не только на само сердце, но и на весь организм в целом [3]; [20]. Под вариативностью РС понимается разброс величины интервалов между соседними R-зубцами (RR-интервалов) на записи электрокардиограммы (ЭКГ). По временным и амплитудным характеристикам ритмических колебаний RR-интервалов можно судить о состоянии регуляторных механизмов организма человека [2]; [3]; [9]; [19]; [29].

Изменения ритма сердца — универсальная оперативная реакция целостного организма в ответ на любое воздействие факторов внешней среды. Анализ вариабельности ритма сердца — это не­инвазивная технология, позволяющая в реальном масштабе времени оценивать состояние регуляторных систем человека и решать многие прогностические, диагностические и лечебные задачи [2]. Основы применения этого метода были заложены в нашей стране Р.М. Баевским еще в 60—70-е годы [1].

При оптимальном регулировании — управление ритмом сердца происходит с минимальным участием высших уровней управления, с минимальной централизацией управления. При неоптимальном управлении — необходима активация все более высоких уровней управления. Это проявляется в виде изменения спектрального состава волн ритма сердца.

Цель настоящей статьи — описать современные методы объективного изучения функционального состояния человека по параметрам вегетативной регуляции ритма сердца и продемонстрировать возможности этого метода для применения в психологии и психофизиологии.

Основы метода анализа варибельности ритма сердца

В настоящее время применяется два подхода к анализу вариабельности ритма сердца: временной (time domain) и частотный (frequency domain) методы анализа [2]; [3]; [9]; [20]; [28].

Временной анализ ВРС предполагает расчет определенных показателей кардиоритмограммы (табл. 1).

Таблица 1

Основные показатели временного анализа вариабельности ритма сердца [2]; [9]; [19]; [28]

Большинство показателей ВСР временной области сильно коррелируют друг с другом и в практических целях достаточно ограничиваться двумя из них. Чаще всего используют показатель pNN5O.Он нормирован на продолжительность RR-интервалов (ЧСС), а потому не зависит от их величины и может сравниваться у одного и того же обследуемого на разных этапах и в разных условиях исследованиях [2].

Методы анализа ВСР в частотной области (frequency domain) получили очень широкое распространение в последние годы [3]; [6]; [9]; [20]; [29]. Анализ спектральной плотности мощности колебаний дает информацию о распределении мощности в зависимости от частоты колебаний. Еще в 90-е годы было показано, что применение спектрального анализа позволяет количественно оценить различные частотные составляющие колебаний ритма сердца и наглядно графически представить соотношения разных компонентов сердечного ритма, отражающих активность определенных звеньев регуляторного механизма [3]; [20].

Современные стандарты измерений, физиологической интерпретации и клинического использования показателей вариабельности ритма сердца, ВРС (heart rate variability, HRV) были разработаны и утверждены в 1996 году американской ассоциацией изучения сердца и европейским обществом кардиологов [9].

Обычно при анализе спектра РС рассматривают три основных пика. Дыхательные волны (или HF-составляющая спектра РС), определяемые частотой дыхательных движений (ЧДД), и два пика медленных колебаний: с периодом от 6 до 13 с, формирующие пик на частоте примерно 0,04—0,15 Гц (LF), и волны с периодом до 60 с, что соответствует частоте 0,003—0,04 Гц (VLF). В ряде случаев используются также показатели общей мощности (total power, мощность всех колебаний с частотой меньше 0.4 Гц) и ULF (самые низкочастотные колебания с частотой менее 0.003 Гц) [6]. Подобная методология неинвазивного оценивания взаимодействия основных компонентов вегетативного баланса физиологических ре­гуляций у человека признана Европейским кардиологическим обществом [9] и в настоящее время активно используется для диагностики функциональных состояний человека в норме и при патологии. В таблицу 2 представлены основные показатели частотного анализа ритма сердца и их функциональная роль.

Таблица 2

Основные показатели частотного анализа вариабельности ритма сердца [9]; [28]

В многочисленных физиологических экспериментах и клинических наблюдениях [3]; [9]; [19]; [20] показано, что высокочастотный компонент модуляции ритма сердца (HF) обусловлен преимущественно активацией волокон вагусно­го нерва, т. е. парасимпатическим тонусом. Природа низкочастотного компонента ритма сердца менее однозначна, но все исследователи сходятся в том, что обязательным условием появления этого компонента в спектре ритма сердца является активация, в том числе и симпатических эфферентов [2]; [3]; [19]; [20]. Однако Goldstein DS et al (2011) [8] предположили, что мощность LF отражает не прямое воздействие симпатических нервов на сердце, а работу барорефлектор­ного механизма.

Таким образом, увеличение мощности высоко и низкочастотных компонентов спектра ритма сердца в ответ на изменение экспериментальных условий принимается в качестве маркеров соответственно повышения тонуса парасимпатической или симпатической системы.

Мы проанализировали зарубежные статьи, в которых указывались значения некоторых показателей временного и частотного анализа ритма сердца для здоровых людей. Эти показатели представлены в табл. 3.

Как видно из таблицы, нормативные показатели довольно сильно отличаются в разных работах. Это может быть связано с использованием небольших выборок испытуемых (в большинстве случаев до 20 человек), а также с тем, что многие работы проведены на разных популяциях (например, данные по самой большой выборке получены на японских студентах [11].

Возрастные и половые отличия

При сравнении испытуемых молодого возраста (20—25 лет) и старых (71—90 лет) оказалось, что при старении вариабельность ритма сердца снижается, а когнитивная нагрузка еще больше уменьшает этот показатель [41]. В другой работе [38] сравнивались испытуемые пяти возрастных групп (25—34, 35—44, 45—54, 55—64 и 65—74 лет).

Таблица 3

Значения некоторых показателей вариабельности ритма сердца для здоровых людей по данным разных авторов

Результаты также показывают, что с возрастом ВРС снижается, однако в последних трех группа различия недостоверны, то есть в пожилом возрасте дальнейшего снижения не наблюдается.

В некоторых работах отмечаются половые отличия в ВРС. Так, при суточной записи ЭКГ (холтеровское мониторирование) на пакистанской популяции было показано, что у женщин ниже вариабельность ритма сердца и, следовательно, выше тонус симпатического отдела ВНС [33]. На довольно большой выборке испытуемых индийцев было показано, что половые различия проявляются только в подростковом (12—19 лет) и зрелом возрастах (20—40 лет) в том, что у женщин выше отношение LF/HF и абсолютная мощность компонента LF, что также свидетельствует в пользу повышенного тонуса симпатической активации у жительниц Индии [24]. Учитывая, что в работах на европейской и афроаме­риканской популяциях значимых различий по ВРС не выявлено [39], можно предположить тесную связь уровня симпатической активации, измеряемой по показателям ВРС, с социальными факторами и условиями жизни мужчин и женщин. В работе Li et al., 2009 [14] была выявлена разница в реакции вариабельности ритма сердца мужчин и женщин на стресс: при стрессе у женщин происходило достоверно более выраженное снижение показателей вариабельности ритма сердца, чем у мужчин.

Применение в психологии

В современном обществе весьма актуально воздействие стрессогенных факторов на психику и здоровье человека. Очень широк круг психосоматических расстройств, а также других последствий переживания хронического стресса (депрессии, тревожность и т. д.). С точки зрения физиологических механизмов, переживание как психического, так и физиологического стресса человеком запускает каскад нервных и гормональных реакций. При стрессе активируется симпатический отдел вегетативной нервной системы и усиливается выброс гормонов надпочечников, что меняет работу большинства внутренних органов. Наиболее удобными для регистрации являются показатели работы сердечно-сосудистой системы, в частности анализ вариабельности ритма сердца.

По значениям показателей ВРС можно судить об активности вегетативной нервной системы и, следовательно, о степени напряжения человека. Эта методика находит свое применение в разных областях:

•    оценка вегетативной регуляции ритма сердца у практически здоровых людей (исходный уровень вегетативной регуляции, вегетативная реактивность, вегетативное обеспечение деятельности);

•    определение типа вегетативной регуляции (вагонормо или симпатотония);

•    контроль функционального состояния организма в спорте;

•    оценка вегетативной регуляции в процессе развития у детей и подростков;

•    прогнозирование функционального состояния (устойчивости организма) при профотборе и определение профпригодности;

•    оценка и прогнозирование психических реакций по выраженности вегетативного фона;

•    оценка уровня стресса, степени напряжения регуляторных систем при экстремальных и субэкстремальных воздействиях на организм;

•    оценка функционального состояния человека-оператора;

•    оценка эффективности методов, направленных на снижение стрессовых реакций и напряжения.

Один из способов снизить уровень психического напряжения — медитация и занятия йогой. Йога позволяет человеку достичь состояния релаксации, а при длительной практике возможно достичь и состояния медитации, что положительно сказывается на психофизиологическом состоянии. Логично предположить, что такая практика также отразится на показателях вариабельности ритма сердца. Действительно, во многих работах [10]; [15]; [23]; [27]; [36] продемонстрировано повышение вариабельности ритма сердца в результате занятий йогой или медитацией. Так, Yi-Yuan Tang et al. [36] показали, что даже кратковременный тренинг на медитацию (5 дней) достоверно снижает ЧСС и повышает вклад высокочастотной составляющей (HF) в регуляцию ритма сердца, что отражает достижение оптимального вегетативного регулирования.

Поскольку компонент HF отражает способность к саморегуляции, в работе D.J. Libby et al. [15] предположили наличие связи между вкладом HF в ритм сердца и эффективностью терапии по отказу от курения. Оказалось, что по изменению вариабельности ритма сердца во время медитации можно предсказать, насколько успешным будет отказ от курения для данного человека: если во время медитации происходит рост показателя HF, то терапия будет более успешной [15]. Занятия йогой усиливают влияние парасимпатических (вагальных) слияний сердца, что можно использовать для снижения риска смерти от инфаркта миокарда [27].

Весьма распространенным применением анализа вариабельности ритма сердца является оценка уровня тревожности, депрессии [16]; [17]; [35] и реакции на стресс [14]; [19]; [25]; [39]. Так, в работе Morales et al. [25], при сравнении спортсменов международного класса со спортсменами национальных команд по психологическим характеристикам и параметрам вариабельности ритма сердца оказалось, что высококлассные спортсмены (международного класса) отличались более низкой тревожностью, более низкой ЧСС, более длительными RR- интервалами и меньшим значением отношения LF/HF, что отражает более низкий тонус симпатического отдела ВНС и меньшее напряжение ресурсов организма при нагрузке.

Существуют реципрокные взаимодействия между депрессивными расстройствами и риском смертности от сердечно-сосудистых заболеваний [35]. Одним из возможных механизмов, обеспечивающих эту взаимосвязь, может быть уровень парасимпатических (вагальных) влияний. Вариабельность ритма сердца снижается как при депрессии, так и у пациентов с сердечно­сосудистыми заболеваниями. По-видимому, тонус парасимпатического отдела ВНС одновременно оказывает влияние на эмоции, настроение и на работу сердца.

Показатели вариабельности ритма сердца оказались тесно связаны со способностью к социальной коммуникации, в частности со способностью распознавать эмоции [32]. Существует теория, согласно которой ВРС может служить маркером способности узнавать социальные знаки, подаваемые другими людьми. Более высокая вариабельность ритма сердца связана с лучшей способностью распознавать эмоции.

В коррекции вызванных стрессом нарушений, в том числе и нарушений сердечно-сосудистой системы, а также тревожно-депрессивных расстройств, применяется методика биологической обратной связи (БОС) по параметрам ВРС [22]; [26]; [30]; [31]. Коррекция функционального состояния организма человека по показателям ВРС применялась для улучшения психофизиологического взаимодействия у спортсменов-баскетболистов. БОС-тренинги по ВРС достоверно снижали уровень тревожности и успешность игровой деятельности [30]. Македонские исследователи [31] также продемонстрировали эффективность БОС в области спортивной психологии: у испытуемых улучшились показатели концентрации внимания и снизился уровень тревожности.

Положительное влияние тренингов, направленных на повышение вариабельности ритма сердца и парасимпатического тонуса, продемонстрировано в отношение функции внимания, в том числе и у детей с дефицитом внимания и ги­перактивностью [5]; [7]. В работе Borger N et al. [5] показано, что компонент спектра ритма сердца 0,1 Гц может служить своеобразным психофизиологическим индексом (маркером) прилагаемых усилий (мотивации): чем меньше усилий прилагает испытуемый, тем выше у него вклад 0.1 Гц составляющей в ВРС. Оказалось, что у детей с гиперактивностью и дефицитом внимания вклад 0,1 Гц составляющей существенно выше, чем у обычных детей. Учитывая, что компонент с частотой 0,1 Гц относится к низкочастотному диапазону волн ритма сердца (LF), можно сказать, что уменьшение LF компонента и, следовательно, снижение симпатической активации способствует повышению мотивации и улучшению внимания. Eisenberg et al. [7] также показали, что те, у кого был более высокий тонус парасимпатического отдела ВНС, выполняли тесты на внимание достоверно лучше тех, у кого вегетативный баланс был сдвинут в сторону симпатического тонуса.

Тренинги на повышение парасимпатического тонуса положительно влияют на состояние людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями и успешно используются в программах по стресс-менеджменту [26]. Программы по управлению стрессом включают в себя различные релаксационные техники и когнитивную поведенческую терапию. биологическая обратная связь может облегчить достижение релаксации, помогая испытуемому лучше осознавать и контролировать свои физиологические процессы.

Заключение

Показатели вариабельности ритма сердца являются надежными и объективными индикаторами тонуса вегетативной нервной системы (ее симпатического и парасимпатического отделов), который, в свою очередь, отражает изменения в психо-эмоциональном состоянии человека, развитие стресса или любого напряжения.

Существует два подхода к анализу вариабельности ритма сердца: временной анализ и частотный анализ. Среди показателей временного анализа наиболее часто используются такие показатели, как средняя длительность RR-интервалов, стандартное отклонение длительности RR-интервалов, процент пар кар­диоинтервалов, отличающихся между собой более чем на 50 мс (pNN50).Среди показателей частотного анализа ритма сердца чаще всего используются следующие: мощность высокочастотного компонента (HF), отражающего парасимпатические влияния, мощность низкочастотного компонента (LF), отражающего симпатические влияния, мощность очень низкочастотного компонента (VLF), соотношение низко и высокочастотных волн (LF/HF), отражающее вегетативный баланс.

С возрастом показатели вариабельности ритма сердца отражают повышение тонуса симпатического отдела ВНС. Половые различия в большинстве работ недостоверны.

По значениям показателей ВРС можно судить об активности вегетативной нервной системы и, следовательно, прогнозировать степень напряжения и уровень стрессового состояния человека. Эта методика является чувствительной в отношении депрессивных состояний, тревожности, нарушений некоторых когнитивных функций (внимания, мотивации).

Тренинги по биологической обратной связи, направленные на повышение вариабельности ритма сердца, имеют положительный эффект как в клинической области (уменьшают риск развития тяжелых сердечно-сосудистых заболеваний), так и в неклинической сфере (стресс-менеджмент, релаксация).