Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Параметры хаотической динамики тремора в фазовом пространстве состояний у тренированных и нетренированных девушек

ВАК РФ 03.01.02, Биофизика

Автореферат диссертации по теме "Параметры хаотической динамики тремора в фазовом пространстве состояний у тренированных и нетренированных девушек"

На правах рукописи

БАЖЕНОВА АНАСТАСИЯ ЕГОРОВНА

ПАРАМЕТРЫ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ТРЕМОРА В ФАЗОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ СОСТОЯНИЙ У ТРЕНИРОВАННЫХ И НЕТРЕНИРОВАННЫХ ДЕВУШЕК

03.01.02 - Биофизика (биологические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

г з пай ш

'Сургут-2013

005060324

Работа выполнена в лаборатории биомеханики и кинезиологии Института гуманитарного образования и спорта при Государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры»

Научный ЗДН, доктор биологических наук, профессор

руководитель: ЕСЬКОВ ВАЛЕРИЙ МАТВЕЕВИЧ

Официальные КАРПИН Владимир Александрович

оппоненты: доктор медицинских наук, профессор кафедры факультетской терапии медицинского института при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты — Мансийского автономного округа - Югры»

ФИЛАТОВА ДИАНА ЮРЬЕВНА

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории функциональных систем организма человека на Севере Института естественных и технических наук при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты - Мансийского автономного округа - Югры»

Ведущая Государственное бюджетное образовательное учреждение

организация: высшего профессионального образования «Самарский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения и социального развития РФ

ъ

Защита состоится "19" мая 2013г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 800.005.02 при ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа - Югры» по адресу: 628412 Тюменская область, г. Сургут, пр. Ленина, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет Ханты-Мансийского автономного округа-Югры» по адресу: 628412 Тюменская область, г. Сургут, пр. Ленина, 1.

Автореферат разослан «19» апреля 2013г.

Ученый секретарь Е.В. Майстренко

диссертационного совета, доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Население, проживающее на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, подвергается комплексному воздействию неблагоприятных климато-географических факторов. Это оказывает негативное влияние на качество жизни и здоровья каждого жителя Югры, независимо от возраста, пола и сроков проживания на Севере РФ. Следует отметить, что влияния негативных факторов среды по-разному оказывает воздействие на мужской и женский организмы в разные возрастные периоды, что и является темой разных научных исследований (С.И. Логинов, В .А. Вишневский, 2006, 2008).

Возникающие негативные изменения в организме девушек или юношей можно объективно зарегистрировать на уровне изменений в состоянии функциональных систем их организма (ФСО), и в первую очередь, со стороны нервно-мышечной системы (НМС) и сердечно-сосудистой систем (ССС). Характер изменений ФСО в норме и при выполнении дозированных (стандартных) физических нагрузок у девушек, проживающих на территории ХМАО — Югры, представляет несомненный интерес для специалистов в области биофизики сложных систем, физиологии и для специалистов в области экологии человека. Основной интерес имеется и у тренеров спорта высших достижений, что и послужило поводом для проведения настоящих исследований.

Правильно подобранная физическая нагрузка для спортсменов на основе использования новых биофизических методов мониторинга состояния отдельных двигательных функций человека и нервно-мышечной системы в целом, способствует избеганию нарушений в деятельности НМС и оптимизирует тренировочный процесс. Именно в связи с важностью решения этой проблемы возникает необходимость использования новых методов получения и обработки информации, а именно метода многомерных фазовых пространств в оценке двигательной активности (В.М. Еськов, A.A. Хадарцев, 2002-2010).

Так как процесс интеграции женщин в международное физкультурно-спортивное движение был медленным и трудным, принято считать, что женский организм уступает мужскому, например в скоростно-силовых качествах. Однако развитие женского спорта в современном мире происходит весьма активно. В частности, проводятся различные чемпионаты среди женских игровых команд (баскетбол, волейбол и др.). Более того, они включены в программу Олимпийских игр. При этом функциональным возможностям женского организма предъявляются особые требования для достижения высокого спортивного результата.

Таким образом, становится актуальным рассмотрение изменений параметров нетренированного и тренированного женского организма в условиях выполнения специфических двигательных задач. Например, требующих максимальной точности при ограниченном времени их выполнения и

кшГГиГ г 0ПРадеЛеННЫМ ФИЗИЧеСК™ качествам, т.е. параметрам кинематики. С другой стороны, характер изменений, связанных с

И™ГИЖНЬМ Р330М ЖИЗНИ ЖеНСК0Г0 населения ЮгРЫ, возможность изучения корреляционных взаимоотношений функциональных систем организма в спокойном состоянии и при выполнении физических упражнений у тренированных и нетренированных девушек представляют несомненный

" ^ Ф"ЗИ0Л0ГОВ' " ДЛЯ специалистов в области биологии сложных систем. Такая информация может обеспечить прогноз развития жизни человека

ЙверТ ВЗР°СЛ0М состоянии' опоить качество жизни человека в условиях

В целом, проведение исследований в этой области физиологии и биофизики сложных систем на основе изучения зависимости параметров НМС и параметров ССС, вегетативной нервной системы (ВНС) от вида деятельности и предрасположенности к виду физической нагрузки, несомненно, является актуальным и должно внести свой вклад в развитие физиологии спорта и биофизики сложных систем. и

Цель исследования: на основе метода многомерных фазовых пространств установить закономерности хаотической динамики поведения параметров тремора в условиях влияния статической и динамической нагрузки у тренированных и нетренированных девушек, проживающих на Севере РФ Задачи исследования:

1. Изучить особенности хаотической динамики поведения амплитудно частотных характеристик (АЧХ) тремора и параметров квазиатгракгоров (КА) микродвижении конечностей человека под воздействием статических нагрузок с позиции теории хаоса - самоорганизации при описании сложных биосистем

Л Выявить закономерности влияния динамической нагрузки на параметры квазиатракторов, представляющих системы регуляции тремора

3. С помощью матриц межатгракторных расстояний исследовать влияние динамическои нагрузки на параметры нейро-вегетативной системы (НВС) у тренированных и нетренированных девушек, проживающих в условиях ХМАО -

Научная новизна работы

1. При помощи метода четырехмерного фазового пространства установлены особенности реакции нервно-мышечной системы в ответ на дозированные статические нагрузки. у

2. Выявлены закономерности влияния стандартизированной динамической девушек ХМ А О^-Ю гр ы К В а3 И аттРактоР У тренированных и нетренированных

3. На основе методов системного анализа и синтеза определено влияние ~о™емыаГРУЗКИ Н3 ^^ СеРДеЧ"°-С0СуДИСТ0Й И вегетативной

Практическая значимость

1. Метод многомерных фазовых пространств позволяет использовать объемы квазиаттракторов в качестве количественной меры для оценки хаотической динамики постурального тремора.

2. Полученные данные расширяют представления о влиянии различного вида нагрузки на НМС, что целесообразно использовать при контроле тренированности женского населения ХМАО - Югра.

3. Результаты, полученные в ходе использования биофизического измерительного комплекса (БИК) и Элокс-01С2, могут быть использованы в практической работе физиолога и врача для оценки состояния сердечнососудистой и вегетативной нервной системы человека при спортивном отборе и оценки выполнения специфических двигательных задач в спорте, на производстве.

Внедрение результатов исследования. НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН. Автономная некоммерческая организация женский баскетбольный клуб «Университет - Югра».

Апробация работы

Материалы работы докладывались и обсуждались на 8-й Международной научной конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (Тольятти, 2010); на 5-й международной конференции «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания» (Обнинск 2011); на 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рецензируемых ВАК РФ и 4 статьи в других журналах и научных сборниках.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста и состоит из введения, теоретической главы «Понятие произвольных и непроизвольных движений биомеханических систем», главы «Объект и методы исследования», главы «Результаты собственных исследований и их обсуждение», заключения, выводов, практических рекомендаций. Текст диссертации иллюстрирован 20 таблицами и 18 рисунками. Список литературы содержит 170 источников, из них 102 отечественных, 68 иностранных.

Декларация личного участия автора. Личное участие автора осуществлялось на всех этапах работы, включая сбор и анализ научной литературы, проведение исследований, статистическую обработку данных, содержательную интерпретацию результатов и их публикацию. Вклад автора в диссертационную работу составляет более 70%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод многомерных фазовых пространств позволяет дифференцировать

динамику поведения микроперемещений пальцев кисти в вертикальной и

горизонтальной плоскостях, что имеет диагностическую ценность для выявления особенностей регуляции движения у человека.

2. Динамическая нагрузка оказывает обратно-пропорциональное влияние на площадь квазиаттрактора микроперемещений пальцев кисти у студенток, занимающихся игровыми видами спорта, по сравнению со студентками, занимающимися нерегулярно и с низкой интенсивностью только физической культурой в рамках общеобразовательной программы университета.

3. Девушки, занимающиеся игровыми видами спорта, более адаптированы как к проживанию в неблагоприятных условиях Севера РФ, так и к физическим нагрузкам, что проявляется в особой динамике изменения объемов квазиаттракторов и межаттракторных расстояний до и после нагрузки.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом настоящего исследования явились студентки 1-3 курсов ГБОУ ВПО «Сургутского государственного университета Ханты - Мансийского автономного округа - Югры», проживающие на территории округа не менее 5 лет. В зависимости от степени физической активности, испытуемых разделили на 3 группы по 30 человек. В первую и вторую группы отнесли студенток, занимающихся физической культурой в рамках общеобразовательной программы университета, основной группы здоровья. В третью группу попали студенты СурГУ профессионально занимающиеся игровыми видами спорта, такими как баскетбол и волейбол.

Все исследования студентов соответствовали этическим нормам Хельсинской декларации (2000г.), которые были связаны с разработкой методов многомерных фазовых пространств в оценке хаотической динамики параметров тремора.

В первом блоке исследования, группе испытуемых в количестве 30 человек на основе теста, который связан с регистрацией параметров тремора в двух координатах х и у, на основе оригинальной установки регистрировался тремор конечности испытуемого (пальца) в пределах некоторой плоскости с независимыми координатами: по вертикали - у и по горизонтали - х. В целом, регистрировался четырехмерный вектор Х=Х(1)=(Х1>Х2Х3Х4))Т, где х)=у; х2= с1у/сК; х3=х; х4=с]х/ск. В таком фазовом пространстве состояний строились квазиаттракторы динамики поведения вектора состояния системы и определялись объемы получаемых квазиатракторовУ0. В конечном итоге анализ состояния биомеханической системы производился на основе сравнения У0 квазиаттракторов по каждой паре координат, а также и на основе анализа всех суммарных четырехмерных квазиаттракторов.

Каждый испытуемый проходил эксперимент 2 раза: без нагрузки; под воздействием нагрузки в 1,5 кг (к пальцу испытуемого подвешивался груз).

Кинематограммы снимались по двум - каналам, - датчики располагались во взаимно ортогональных плоскостях. В результате горизонтальные колебания X пальца фиксировались вертикально расположенным датчиком

микроперемещений, и соответственно на вертикальные колебания У пальца реагировал горизонтально расположенный датчик. Перед испытуемым стояла задача удержать палец, без нагрузки и под ее воздействием, в пределах заданной области, осознанно контролируя неподвижность пальца.

Во втором блоке исследования приняла участие группа из 30 человек тренированных и 30 человек нетренированных студентов, которым предлагалась динамическая физическая нагрузка в виде 30 приседаний. Параметры постурального тремора (удержание пальца руки в данной точке пространства) регистрировались с помощью специального биомеханического регистратора Последний включал: металлическую пластинку (крепится жестко к пальцу испьпуемого), токовихревой датчик, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и компьютер с программным обеспечением. В качестве фазовых координат, помимо координаты х,=х(1) перемещения, использовалась координата скорости перемещения пальца х2=у(1)=ёх1/сИ.

Каждый испытуемый проходил испытание 2 раза: без нагрузки- после выполнения динамической нагрузки. Кинематограммы снимались по одному каналу. Перед испытуемым стояла задача удержать палец, без нагрузки и после ее воздействия, в пределах заданной области, осознанно контролируя неподвижность пальца.

Третий блок исследования включал в себя изучение влияния динамической нагрузки на параметры сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем у тренированных и нетренированных девушек, проживающих в условиях ХМАО-Югры. Измерения по этому блоку проводились с помощью пульсоксиметра «ЭЛСЖС-01С2». Специальным фотооптическим датчиком в положении сидя в течение 5 мин регистрировали частоту сердечных сокращений (4<_С), а затем рассчитывали показатели активности симпатического (СИМ) и парасимпатического (ПАР) отделов вегетативной нервной системы (ВНС) стандартного отклонения Ш-интервалов (БОШ), индекса напряжения ьаевского, а также рассчитывали компоненты спектральной мощности ВСР в высокочастотном (ОТ, 0,15 - 0,4 Гц), низкочастотном (Ц?, 0,04 - 0 15 Гц) и очень низкочастотном (УЬБ, < 0,04 Гц) диапазонах, а также 'величину вагосимпатического баланса (ЬР/НР). После выполнения стандартизированной динамической нагрузки - 30 приседаний, регистрация продолжалась в течении 5 минут.

Обработка данных, регистрации тремора конечности испытуемого проводилась на ЭВМ программой СЬаПзЗ. С помощью этой программы провелся анализ данных по временным и спектральным характеристикам кинематограмм у тренированных и нетренированных испытуемых, в низко-, средне- и высокочастотном диапазонах. Благодаря запатентованному программному

продукту удалось построить фазовые плоскости и рассчитать площади квазиаттракторов.

При помощи программы «ELOGRAPH» в режиме реального времени изучали влияния динамической нагрузки на параметры сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем с одновременным построением гистограммы распределения длительности кардиоинтервалов (КИ). Модификация программы, в отнощении усреднения показателей симпатической и парасимпатической ВНС, обеспечивала представление процессов на фазовой плоскости в виде динамики хаотических процессов.

Статистические расчеты проводились с применением пакета Statistica v. 8 (StatSoft, США). Для каждого из показателей определялись среднее значение и стандартное отклонение. Проверка данных на соответствие закону нормального распределения оценивалась на основе вычисления критерия Шапиро-Уилка. Дальнейшие исследования в зависимости от распределения производились методами параметрической и непараметрической статистики (критерий Стьюдента, Вилкоксона, Манна-Уитни).

Анализ результатов параметров квазиаттракторов поведения вектора состояния организма девушек производился с помощью зарегистрированной программы «Identity». Систематизация материала и представленных результатов расчетов выполнялась с применением программного пакета электронных таблиц Microsoft EXCEL.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По результатам исследований первого блока, нами были изучены амплитудно-частотные характеристики тремора испытуемых и их фазовые траектории в двухмерном и четырехмерном фазовом пространстве состояний. Было установлено, что все треморограммы и АЧХ не имеют повторов, даже на коротких временных интервалах (Рис. 1.а,б). Более того, для АЧХ мы предлагаем ввести некоторый аналог квазиаттракторов в фазовом пространстве, где координатами являются частота сигнала v=Xi и амплитуда А колебаний, соответствующая этой частоте, т.е. x2=A(t). Фазовое пространство вектора X=(X1X2)T не имеет локализацию в виде ограниченного многоугольника, поэтому рассчитывать площадь (или объемы) КА вместе с их центрами не имеет смысла.

Однако, для квазиаттракторов в координатах x]=y(t), т.е. изменение по вертикали у, и x2=dy/dt, т.е. скорость движения пальца по вертикали, мы можем рассчитать площадь AS=Axt*Ax2 и координаты центра квазиаттрактора. Типичный пример испытуемого НГГ представлен на рисунке 1, 2, 3. Очень важно еще раз подчеркнуть, что для всех испытуемых мы не могли получить похожие АЧХ, т.к. они от опыта к опыту постоянно изменялись, но в определенных пределах характерны для каждого испытуемого, что и представлено на рисунке 3.

Рис. 1 Амплитудно-частотные характеристики треморограмм испытуемой НГГ, п—30 (повторений).

На рисунке 2 представлена временная развертка сигнала вертикальных и горизонтальных перемещений пальца руки испытуемого НГГ. Сигнал вертикальных перемещений, обратно пропорционален по значению сигнала горизонтальных перемещений испытуемого, что характерно для всех измерений

д ^ Временная развертка сигнала

Рис. 2 Временная развертка сигнала вертикальных и горизонтальных перемещений испытуемого НГГ без нагрузки: 1) колебания по оси У; 2) колебания по оси X. (А- амплитуда, у.е., I - время, с)

Анализ полученных треморограмм по двум независимым направлениям у (см. рис.3.а) и х (см. рис. З.б) позволил установить, что амплитуда горизонтальных перемещений исходно больше по величине, чем амплитуда вертикальных колебаний. Максимальные выбросы амплитуд наблюдаются в области низких частот, как по оси 7, так и по оси X (вплоть до 4 Гц), но по абсолютному значению преобладают амплитуды горизонтальных перемещений (достигают 65 у.е., против максимума в 38 у.е. по горизонтали).

Рис. 3 Амплитудно-частотные характеристики, снятые с пальца испытуемого НГГ, без нагрузки: а) колебания по оси У; б) колебания по оси X (А -амплитуда, у.е., V - частота, Гц.)

Каждый из векторов перемещения по осям (у и х) может образовывать фазовую плоскость, описывающую динамику поведения двумерного вектора состояния системы Х=(х,,х2)т. В качестве фазовых координат, помимо координат

Рис. 4 Фазовые траектории движения пальцев руки испытуемого НГГ без нагрузки: а) по оси У (хьх2); б) по оси X (х3,х4).

На рисунке 4 видно, что КА вертикальных перемещений (Рис.4.а) смещается в сторону больших значений х,. Площадь КА горизонтальных перемещений (Рис. 4.6) несколько больше вертикального и характеризуется большей вариабельностью движений в горизонтальной плоскости. В таблице 1 представлены значения объемов КА (в виде площади), описывающего движение конечности по горизонтальному и вертикальному направлению. Движения пальцев руки испытуемого НГГ без нагрузки по оси У имеет меньшие в 1,3 раза значения КА. Таким образом, до нагрузки площадь КА для горизонтальных перемещений несколько больше, чем для вертикальных.

Площади квазиатгракторов у испытуемого НГГ

Таблица 1

По оси У (хьх2) По ОСИ X (Х3,Х4)

Площади КА 1,01*10"6 1,33*10"6

Дополнительно определялась возможность согласованности в регуляции движения (тремора) по осям х и у с помощью матриц корреляционных отношений между компонентами вектора X (см. табл. 2). Переменные х, и х3 без статической нагрузки имеют высокие значения отрицательной корреляции (зависимость между сигналами очень высока). С увеличением вертикальных перемещений пальцев кисти испытуемого НГГ уменьшается значение горизонтальных перемещений и наоборот. Таким образом, вертикальный тремор (координаты X] и х2) не существенно отличаются по параметрам квазиаттракторов от горизонтального тремора. Однако АЧХ отличается существенно по амплитуде.

Таблица 2

XI Хз

Х| 1 -0,9132

Хз -0,9132 1

В работе был впервые произведен анализ микроперемещений пальца кисти руки, в условиях действия нагрузки в 1,5 кг (см. рис. 5, 6). Под действием нагрузки в 1,5 кг колебания по вертикальной и горизонтальной оси не имеют обратной зависимости, что демонстрируется для данного испытуемого НГГ, как типичный пример для всех испытуемых.

Рис. 5 Временная развертка сигнала вертикальных и горизонтальных перемещений испытуемого НГГ в условиях действия нагрузки 1,5 кг: 1) колебания по оси У; 2) колебания по оси X. (Х- амплитуда, у.е., I- время, с)

Рис. 6 Амплитудно-частотные характеристики, снятые с пальца испытуемого НГГ в условиях действия нагрузки 1,5 кг: а) колебания по оси У; б) колебания по оси X. (А - амплитуда, у.е., V - частота, Гц.)

На рис.6 можно видеть снижение максимальных амплитуд колебаний вертикальных перемещений, в сравнении с увеличением горизонтальных. При этом колебания в области низких частот горизонтальных перемещений (рис. 6.6) увеличились до 95 у.е. против 65 у.е. до нагрузки. Это объяснимо тем, что при удержании груза происходит дополнительное напряжения пальцев кисти руки, требующее дополнительных усилий и дополнительной регуляции позы. Как и в исходных, до нагрузки группах, АЧХ была неповторима и не воспроизводима в принципе для любого интервала времени, но геометрия огибающих резко изменяется.

На рисунке 7 представлено уменьшение параметров квазиаттракторов вертикальных и горизонтальных перемещений пальца руки испытуемого НГГ под действием груза в 1,5 кг, в сравнении с таковыми без нагрузки. Разница между объемами квазиаттракторов представлена в таблице 3.

0.0; 175 0.003« 000415 0.М435 0.00455

0.Ю4Е5 0ДМ75 Э.ЙМЭ5

Рис. 7 Фазовые плоскости движения пальца руки испытуемого НГГ в условиях действия нагрузки 1,5 кг: а) по оси У (хьх2); б) по оси X (х3,х4).

По сравнению с числовыми данными у всех испытуемых без нагрузки, площади уменьшились. Но, аналогично, как и в случае без нагрузки, площадь квазиаттракторов для вертикальных перемещений остается меньше горизонтальных, почти в 2 раза. Корреляционная связь между сигналами х, и х3 очень мала.

Таблица 3

Площади квазиаттракторов в условиях действия нагрузки 1,5 кг у испытуемого

НГГ

По оси У (хьх2) По ОСИ X (Х3,Х4)

Площади квазиаттрактора 0,61 *10"6 1,22*10"6

Таблица 4

Корреляционная матрица между сигналами х3 и Х4 испытуемого НГГ в условиях

X] х3

X] 1 -0,21584

х3 -0,21584 1

Во втором блоке исследований мы изучаем влияние динамической нагрузки на группу тренированных и нетренированных девушек. В качестве примера представлены кинематограммы и АЧХ нетренированного испытуемого Б и тренированного В до стандартизированной динамической нагрузки (рис. 7).

Временная развертка сигнала

А

Ч 1 ». Ч "I Ч Ч 1 Ч Ч Ч 1 1 «I Ч Ч Ч Ч Ч "Ч 1 Ч «I Ч ь. Ч »1 ч ч

а) — ...................

Рис. 8 Временная развертка сигнала снятого с пальца испытуемых до стандартизированной динамической нагрузки: а) нетренированного Б\ б) тренированного В (А — амплитуда, у.е., I — время, с)

Анализ всех полученных треморограмм испытуемых представляют схожую картину в виде данных испытуемых Б и В (как типовых) (см. рис.8). Установлено, что амплитуда горизонтальных перемещений в обоих случаях имеет максимальный выброс в области низких частот (0-5 Гц). По абсолютному значению преобладают амплитуды АЧХ нетренированных испытуемых. Например, максимальное значение амплитуды нетренированного испытуемого Б до нагрузки 310 у.е., а у тренированного В около 200 у.е. (см. рис.9).

Рис. 9 Амплитудно-частотные характеристики, снятые с пальца испытуемых до стандартизированной динамической нагрузки: а) нетренированного Б; б) тренированного В.( А — амплитуда, у.е., V — частота, Гц.)

В качестве фазовых координат, помимо координаты х]=х(1) перемещения, использовалась координата скорости перемещения пальца х2=у(1)=с1х1/ск. Тогда фазовые плоскости динамики тремора пальца испытуемых Б и В до динамической физической нагрузки приняли вид квазиаттракторов, представленных на рис. 9.

Из рисунка 10 видно, что КА тренированного испытуемого В смещается в область больших значений X]. К А нетренированного испытуемого Б исходно

характеризуется большим значением (23,27*10"7), чем КА тренированного В (21,90*10"'). Для наглядности изменений, оказываемых динамической нагрузкой на показатели тремора, были подобраны результаты испытуемых с исходно близкими по значению площадями квазиатгракторов.

а)

б)

Рис. 10 Фазовые траектории движения пальцев руки до стандартизированной динамической нагрузки: а) нетренированного Б; б) тренированного В.

Таблица 5

Площади квазиаттракторов у нетренированного и тренированного испытуемых

Нетренированный Тренированный

Площади квазиаттрактора 23,27*10"' 21,90*10"'

Анализ микроперемещений пальца кисти руки тех же испытуемых Б и В, после стандартизированной динамической пробы (30 приседаний) показал, что произошло снижение значений в области низких частот. У нетренированного испытуемого Б максимальное значение амплитуды после нагрузки составляло около 200 у.е., а у тренированного испытуемого максимальное значение понижается до 160 у.е. Выполнение динамической нагрузки тренированным испытуемым В привело к снижению амплитуды колебаний по всему диапазону. У нетренированного испытуемого Б динамическая нагрузка вызвала увеличение значений колебаний в диапазоне от 1,5 до 3,0 Гц.

а) ..................................................................»•.................................................................... о/".....................................................................................................................................

Рис. 11 Фазовые траектории движения пальцев руки мосле стандартизированной динамической нагрузки: а) нетренированного Б\ б) тренированного В.

На рисунке 11 демонстрируется изменение размеров квазиаттракторов нетренированного испытуемого Б, и тренированного В после нагрузки. При сравнении квазиаттракторов тренируемого испытуемого до (рис. 10.6) и после (рис. 11.6) динамической нагрузки, наблюдается уменьшение КА (с 21,90*10"7 до 13,87*10"). Визуально квазиаттрактор сжимается. До нагрузки, по оси X квазиаттрактор располагался в диапазоне от 0,0039м до 0,0044м, после 0,00403м до 0,0043м.

Таблица 6

Площади квазиаттракторов у нетренированного и тренированного

испытуемых (Б и В) после нагрузки

Нетренированный Тренированный

Площади квазиаттрактора 48,26*10"' 13,87*10"'

По результатам таблицы 6 делаем вывод, что площадь КА нетренированного испытуемого Б после нагрузки увеличилась почти в два раза. Площадь К А тренированного испытуемого В, напротив, уменьшилась в 1,5 раза.

После динамической нагрузки разница между площадями квазиаггракторов испытуемых Б и В составляет 3,5 раза. Такая динамика характерна для многих испытуемых, и она также является маркером тренированности человека. В целом, динамику изменения размеров квазиаттракторов мы предлагаем в качестве индивидуальных параметров тренированности и нетренированности для всех лиц, занимающихся спортом.

В третьем блоке в ходе исследований и статистической обработки данных были получены следующие сводные количественные характеристики результатов изменения параметров сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы, представленных в таблицах 7.

Из полученных данных, представленных в таблице 7, наблюдается резкое увеличение INB у нетренированных девушек, в связи с увеличением показателей SIM. Обратная картина у тренированных испытуемых. Показатели напряжения INB уменьшаются с 35,73±25,15 у.е. до 29,93±23,66 у.е., SIM - с 2,97±2,25 у.е. до 2,33±2,35 у.е. При этом установлены следующие показатели PAR: нетренированные - до нагрузки 11,5±1,94 у.е., после - 10,15±2,22 у.е.; тренированные - до нагрузки 13,87±5,64 у.е., после - 17,47±5,92 у.е., т.е. нагрузка у тренированных оказывает кондиционирующее действие.

Среднее значение ЧЧС у нетренированных испытуемых в покое составляет 84,5±3,69 уд/мин, у тренированных 74,93±3,8 уд/мин. После нагрузки значение ЧСС увеличивается до 100,5±4,27 уд/мин и 79,43±4,32 уд/мин соответственно.

Не отмечается достоверно значимых различий показателей SIM, PAR у нетренированных девушек. У тренированных испытуемых, не отмечаются достоверно значимые различия Sp02, что тоже демонстрирует отсутствие резких изменений в параметрах сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы.

Таблица 7

Интегральные и временные показатели сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы у нетренированных и тренированных испытуемых до и после стандартизированной нагрузки (п=30)

Показатели

SIM

PAR

HR

SDNN

INB

Sp02

Нетренированные

До

4,63±3,25

11,5±1,94

84,5±3,69

50,43±16,24

58,46±40,24

97,60±0,67

После

6,60±5,71

10,15±2,22

100,5±4,27

79,23±28,27

107,56±102

98±0,94

0,253793

0,434452

0,000027

0,000115

0,042768

Тренированные

До

2,97±2,25

13,87±5,64

74,93±3,8

63,83±25,75

35,73±25,15

97,47±0,73

После

2,33±2,35

17,47±5,92

79,43±4,32

121,1±50,38

29,93±23,66

97,67±0,8

0,015756

0,000413

0,000005

0,000003

0,031437

0,255291

_________ 0,031250 ,--,.. ,.,_____ „tJJ„,

Пр,™ечшшс: n-количество обследуемых, SIM, у.е. - индекс активности симпатического звена ини, РАК, у.е. - индекс активности парасимпатического звена ВНС, HR уд/мин - частота сердечных сокращений, SDNN, мс - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов, INB у.е. - индекс непряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому

/о„" УРове"ь насыщения гемоглобина крови кислородом, р - достоверность значимых различии, по критерию Вилкоксона (р>0.05)

Таблица 8

Спектральные показатели сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем у нетренированных и тренированных испытуемых до и после

Показатели Нетренир ованные Тренированные

До После Р До После р

VLF 2215,46 ±1694,47 5108,4 ±5160,75 0,009271 2571,63 ±2562,36 10960,23 ±8905,01 0,000004

LF 2826,73 ±1914,72 2059,53 ±1877,19 0,057097 4807,77 ±6353,80 5587,93 ±2839,86 0,004390

HF 1331,86 ±1112,43 1626,36 ±1850,91 0,958990 2801,13 ±4297,02 4330,17 ±3417,92 0,002105

Total 6374,13 ±3887,13 8794,2 ±7806,14 0,236937 10180,57 ±11962,44 20878,37 ±12458,04 0,000053

LF norm 65,38 ±5,16 59 ±6,31 0,147041 63,50 ±5,07 59,33 ±5,44 0,080412

Hf norm 34,61 ±5,16 41 ±6,31 0,147041 36,50 ±5,07 40,67 ±5,44 0,080412

LF/HF 2,74 ±1,69 2,45 ±2,16 0,275660 2,33 ±1,75 2,08 ±1,95 0,093677

, ------— > ' ■ wiciupa низкочастотного

компонента вариабельности; HF, мс2- мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности; Total power, мс2- общая спектральная мощность; VLF %-мощность спектра свернизкочастотного компонента вариабельности; р - достоверность значимых различии, по критерию Вилкоксона (р>0.05)

По результатам данных таблицы 8 VLF до и после нагрузки у нетренированных составляют 2215,46±1694,47% и 5108,4±5160,75% (р>0,05) соответственно. У тренированных: 2571,63±2562,36% и 10960,23±8905,01% (р>0,05). При сравнении спектральных характеристик у нетренированных, наблюдается уменьшение LF компонента против увеличения HF (оба значения не достоверны). Напротив у тренированных происходит увеличение в обоих случаях (оба случая достоверны).

Диапазон значений общего спектра мощности колебаний ритма сердца (Total), не достоверен у нетренированных и достоверен в случае с тренированными студентами. Не достоверны показатели уменьшения в обоих случаях LF norm, увеличение Hfnorm и уменьшения LF/HF. При сравнении показателей ВСР у нетренированных и тренированных девушек до нагрузки достоверными являются: SIM (0,02508 у.е.), SDNN (0,01972 мс), INB (0,01159 у.е.), где р>0,05; HR (0,00039 уд/мин), где р>0,001. При сравнении испытуемых после стандартизированной нагрузки достоверность различий по показателям SIM, PAR, SDNN, INB, HR, LF, HF, Total составила p>0,001; VLF (0,00315%) p>0,01.

На основе методов системного анализа и синтеза, исследована динамика поведения параметров квазиаттракторов в 6-ти мерном фазовом пространстве интегральных и временных показателей, в 7-ми мерном фазовом пространстве спектральных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем у нетренированных и тренированных испытуемых до и после стандартизированной динамической нагрузки.

Таблица 9

Параметры квазиаттракторов в 6-ти мерном фазовом пространстве интегральных и временных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем до и после стандартизированной динамической нагрузки

Параметры квазиаттракторов, у.е. нетренированные тренированные

до после до после

V0, у.е. 0,19* 109 3.91 *109 0,31 * 109 0,72 *109

Rx, у.е. 43,11 84,68 34,98 33,76

Из данных таблицы 9 следует, что у нетренированных испытуемых коэффициент асимметрии Rx до нагрузки равен 43,11 у.е., а после стандартизированной динамической нагрузки 84,68. Объем 6-мерного параллелепипеда У0> ограничивающего КА, составляет 0,19 * 109 у.е. до нагрузки и 3.91 *109 у.е. после. Таким образом, объем КА у нетренированных испытуемых после предъявленной динамической нагрузки увеличился в 21 раз. Подобная кратность изменения при треморе не наблюдается, хотя тенденция

имеется. У тренированных испытуемых коэффициент асимметрии Ях до нагрузки равен 34,98 у.е., а после стандартизированной динамической нагрузки 33,76 у.е. Объем ш-мерного параллелепипеда У0 ограничивающего КА составляет 0,31 * 10 до нагрузки и 0,72 *109 после. Таким образом, объем КА у тренированных испытуемых после предъявленной динамической нагрузки увеличился всего в два раза. Еще более значительные изменения происходят с размерами квазиаттракторов по частотным характеристикам кардиоритма (УЬИ ОТ, ЬР и др.), что представлено в таблице 10.

Таблица 10

Параметры квазиаггракторов в 7-ми мерном фазовом пространстве спектральных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной

систем до и после стандартизированной динамической нагрузки Гп=3 0) ------------- ---^-

Параметры квазиаттракторов У-е.

У а, У-е.

R*, У-е.

нетренированные

до

0,06 *10

3 199.55

после

1,09 *10

зг

11 643.03

тренированные

до

15,9 *10

зг

26 991.94

после

7.88 *10

гг

9 227.53

Из данных таблицы 10 следует, что у нетренированных испытуемых коэффициент асимметрии Rx до нагрузки равен 3 199.55 у.е., а после стандартизированной динамической нагрузки 11 643.03. Объем 'ш-мерного параллелепипеда VG, ограничивающего КА, составляет 0,06 *1021 уе до нагрузки и 1,09 *1021 у.е. после. Таким образом, объем КА у нетренированных испытуемых после предъявленной динамической нагрузки увеличился в 18 раз Однако, у тренированных испытуемых коэффициент асимметрии Rx до нагрузки 26991-94 У-е-, а после стандартизированной динамической нагрузки У 227.53 у.е. Объем ш-мерного параллелепипеда VG ограничивающего квазиаттрактор, составляет 15,9 *1021 до нагрузки и 7.88'*10й после Таким образом, объем КА у тренированных испытуемых после предъявленной динамической нагрузки уменьшился в 2 раза.

Методом исключения отдельных признаков был выполнен системный синтез. Его результаты позволили выявить параметры порядка путем сравнения размеров квазиаттракторов до динамической нагрузки и после у нетренированных и тренированных испытуемых. Так у нетренированных испытуемых среди интегральных и временных показателей таковым является показатель индекса напряжения по P.M. Баевскому (ИНБ), а у тренированных стандартного отклонения полного массива кардиоинтервалов (i>DNN). Среди спектральных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем до и после стандартизированной динамической нагрузки параметрами порядка являются мощность спектра свернизкочастотного

компонента (VLF) у нетренированных, общая спектральная мощность (Total power) у тренированных.

Следующий этап исследований посвящен расчету матриц межатгракторных расстояний Z4 тренированных и нетренированных студентов, что представлено в табл.11,12.

Анализ расстояний Zy между хаотическими центрами квазиаттракторов интегральных и временных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы показал что, наименьшее расстояние отмечено при сравнении тренированных и нетренированных девушек до предъявленной динамической нагрузки и составило - zM,63.6. После предъявленной нагрузки расстояние между хаотическими центрами тренированных и нетренированных увеличивается в 2,3 раза, и составило - z22=l 46.81

Таблица 11

Матрица идентификации расстояний (Z^y.e.) между хаотическими центрами квазиаттракторов интегральных и временных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы организма нетренированных и тренированных девушек до и после динамической нагрузки в 6-ти мерном фазовом

Нетренированные девушки

Тренированные девушки До нагрузки После нагрузки

До нагрузки zn=63.6 Z]2=139.73

После нагрузки Z2i.99.58 z22=146.81

Таблица 12

Матрица идентификации расстояний (Х^,у.е.) между хаотическими центрами

квазиаттракторов спектральных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы организма нетренированных и тренированных девушек до и после динамической нагрузки в 7-ми мерном фазовом

Нетренированные девушки

Тренированные девушки До нагрузки После нагрузки

До нагрузки z„=29 420.98 zi2= 22 173.49

После нагрузки z2i= 23 274.3651 z22= 11 065.67

Анализ расстояний между хаотическими центрами квазиаттракторов спектральных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы у исследуемых 2-х групп демонстрирует (см.табл.12) противоположную тенденцию в сравнении с шестимерном фазовым пространством, представленным в табл.11. До динамической нагрузки

расстояние составляет г11= 29 420.98, после предъявленной нагрузки расстояние между хаотическими центрами уменьшается в 2,6 раза и составило г22= 11 065.6 Таким образом, интегральные характеристики параметров ССС демонстрируют противоположную динамику изменения, чем частотные характеристики. Это необходимо учитывать при сравнении этих двух классов показателей организма человека.

ВЫВОДЫ

1. Под воздействием статической нагрузки, на основе анализа динамики поведения параметров микродвижений конечностей человека в четырехмерном фазовом пространстве состояний установлена постоянная хаотическая динамика самих треморограмм и АЧХ, и выявлена закономерность различий в величинах до и после статической нагрузки, которая появлялась в уменьшении площади квазиаттракторов как для вертикальных, так и горизонтальных перемещений.

2. Динамическая физическая нагрузка приводит к повышению низкочастотных спектральных характеристик у нетренированных девушек, особенно в диапазоне 1,5-3 Гц, и к уменьшению амплитуды частотных характеристик по всему диапазону частот у тренированных испытуемых.

3. При выполнении стандартизированной динамической нагрузки (30 приседаний) площадь КА студенток, занимающихся игровыми видами спорта уменьшается в среднем в 1,5 раза, тогда как К А нетренированных испытуемых увеличивается более чем в два раза, что может количественно представлять степень тренированности или детренированности девушек северных территорий РФ.

4. При исследовании влияния динамической нагрузки на параметры сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы с помощью матриц межаттракторных расстояний, установлено, что данная динамическая нагрузка (30 приседаний) вызывает увеличение расстояния между хаотическими центрами квазиатгракторов интегральных и временных показателей сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы нетренированных и тренированных девушек, но на различные относительные величины. Это говорит о высокой степени адаптации к динамическим нагрузкам студенток, занимающихся игровыми видами спорта. Однако, данная нагрузка приводит к уменьшению расстояния между хаотическими центрами квазиаттракторов спектральных показателей параметров сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы более чем в 2 раза. Такая динамика изменения параметров может служить количественным показателем степени тренированности.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Параметры квазиаттракторов в фазовом пространстве состояний описывающих динамику поведения вектора состояния нервно-мышечной системы испытуемых, позволяют оценить степень физической подготовленности студентов - спортсменов, занимающихся игровыми видами спорта в сравнении с нетренированными лицами

2. Методы регистрации динамики поведения вектора состояния организма тренированных и нетренированных жителей Югры целесообразно внедрять для оценки качества проводимых занятий по физическому воспитанию, а так же при спортивной подготовке спортсменов «игровиков» для улучшения их спортивных достижений.

Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК при соискании ученой степени кандидата наук-

1. Баженова А.Е. Метод многомерных фазовых пространств в оценке хаотической динамики тремора / Т.В. Гавриленко, A.A. Балтикова, ЮВ Ьашкатова^и др. // Вестник новых медицинских технологий. -2013. -Т. 20.

2. Баженова А.Е. Многомерная хаотическая динамика тремора в оценке реакции нервно-мышечной системы человека на физическую нагрузку / A.A. Балтикова, Ю.В. Башкатова, В.А. Карпин, и др. // Вестник новых медицинских технологий. -2013. -Т. 20. - №1. _ с. 256

3. Баженова А.Е. Анализ и синтез параметров вектора состояния вегетативной нервной системы работников нефтегазовой отрасли / Г В Газя, A.A. Соколова, В.Н. Ярмухаметова // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. - 2012. -Т.П. -№4. . с 886-892

4. Баженова А.Е. Соотношение между теоремой Бернулли и параметрами квазиаттракторов биосистем / В.М. Еськов, И. В. Буров, М.А. Джалилов // вестник новых медицинских технологий . -2011. -Т.18. - № 3. - С 332

5. Баженова А.Е. Биомеханическая система для изучения микродвижений конечностей человека: хаотические и стохастические подходы в оценке физиологического тремора / В.М. Еськов, М.Я. Брагинский, В.В. Козлова и др. // Вестник новых медицинских технологий. - 2011. -Т. 18. -№ 4. -С 44—48.

6. Баженова, А.Е. Матрицы межаттраторных расстояний в оценке параметров организма человека при физических нагрузках / В В Козлова P.A. Антонова, А.Н. Поборский, и др. // Вестник новых медицинских технологий. -2012. -Т. 18. - №2. - С. 420.

Статьи, опубликованные в других журналах, научных сборниках-

1. Баженова А.Е. Реакция кардио-респераторной системы человека в ответ на динамическую физическую нагрузку/ Т.В. Гавриленко, Э.М. Газизова Дегтярев, и др. // Наука и инновации XXI века: Материалы I

Всеросийской конференции молодых ученых. - Сургут. - 2012. - Т.2. -С.50 - 53.

2. Баженова А.Е. Особенностей мотивации учебной деятельности студентов факультета физической культуры / A.C. Снигирев М.Н. Мальков // Наука и инновации XXI века: Материалы XI Окружной конференции молодых ученых. - Сургут. - 2011. - Т.2. - С.131 - 132.

3. Баженова А.Е. Синергетические особенности регуляции сердечной деятельности организма у представителей коренного населения Югры / Г.В. Газя, A.A. Соколова, О.И. Химикова // Синергетика природных, технических и социально-экономических систем: Сборник статей VIII Международной научной конференции. - Тольятти: Изд-во ПВГУС, 2010. - С. 70-76.

4. Баженова А.Е. Эколого-физиологическая оценка параметров квазиаттракторов вектора состояния организма студентов Югры в аспекте теории хаоса и синергетики/ В.В. Козлова, Е.В. Майстренко, К.В. Наумов // Экологический вестник Югории - Сургут. - Ханты-Мансийск. -2009. -Т.6.-С. 22-25.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ФСО — функциональное состояние организма

НМС — нервно-мышечная система

ССС — сердечно-сосудистая система

ВНС - вегетативная нервная система

АЧХ - амплитудно-частотные характеристики

КА — квазиаттрактор

НВС - нейро-вегетативная система

SIM - индекс активности симпатического звена ВНС

PAR - индекс активности парасимпатического звена ВНС

HR - частота сердечных сокращений

SDNN - стандартное отклонение полного массива кардиоинтервалов INB - индекс непряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому Sp02- уровень насыщения гемоглобина крови кислородом LF - мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности HF - мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности Total power - общая спектральная мощность

VLF - мощность спектра свернизкочастотного компонента вариабельности

Формат 60x84/16. Объем 0,97 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ № 34. Отпечатано на ризографе в полиграфическом отделе СурГУ, 628400, г. Сургут, ул. Лермонтова, 5.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Баженова, Анастасия Егоровна, Сургут

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СУРГУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ»

БАЖЕНОВА Анастасия Егоровна

ПАРАМЕТРЫ ХАОТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ ТРЕМОРА В ФАЗОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ СОСТОЯНИЙ У ТРЕНИРОВАННЫХ И НЕТРЕНИРОВАННЫХ ДЕВУШЕК

Специальность 03.01.02 - Биофизика (биологические науки)

04201357715

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: ЗДН РФ, доктор биологических наук, профессор В.М. Еськов

Сургут-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений 4

Введение 5

Глава 1. Понятие о произвольных н непроизвольных движениях

в физиологии и биофизике сложных систем 11

1.1. Характеристика особенностей женского организма в услови-

ях ХМАО - Югры в аспекте регуляции нервно-мышечной системы 11

1.2. Понятие о произвольных и непроизвольных движениях в

физиологии и биофизике сложных систем 29

Глава 2. Объект и методы исследования 48

2.1. Инструментальные методы исследования функциональных

систем организма на базе ЭВМ 49

2.2. Методы математической статистики в обработке получен-

ных экспериментальных данных 67

2.3. Идентификация параметров квазиаттракторов вектора со-

стояния организма человека с помощью метода многомерных фазо-

вых пространств 68

Глава 3. Результаты собственных исследований и их обсуждение_73

3.1. Особенности хаотической динамики амплитудно-частотных характеристик тремора и параметров квазиаттракторов микродвижений конечностей человека под воздействием статических нагрузок с позиции теории хаоса-самоорганизации в описании сложных биосистем_73

3.2. Закономерности влияния динамической нагрузки на параметры квазиатракторов, представляющих системы регуляции тремора_83

3.3. Амплитудно-частотный анализ тренированных и нетренированных испытуемых до и после воздействия динамической нагрузки_89

3.4. Влияния динамической нагрузки на параметры нейро-вегетатив-ной системы у тренированных и нетренированных девушек, в рамках теории хаос-самоорганизации_92

Заключение 108

Выводы 110

Практические рекомендации 112

Литература 113

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ФСО - функциональные системы организма

НМС - нервно-мышечная система

ССС - сердечно-сосудистая система

ВНС - вегетативная нервная система

ВУВ - внешнее управляющее воздействие

АЧХ - амплитудно-частотные характеристики

КА - квазиаттрактор

НВС - нейро-вегетативная система

SIM - индекс активности симпатического звена ВНС

PAR - индекс активности парасимпатического звена ВНС

HR - частота сердечных сокращений

SDNN - стандартное отклонение кардиоинтервалов

INB - индекс непряжения регуляторных систем по P.M. Баевскому

Sp02 - уровень насыщения гемоглобина крови кислородом

LF - мощность спектра низкочастотного компонента вариабельности ритма

HF - мощность спектра высокочастотного компонента вариабельности ритма

VLF - мощность спектра свернизкочастотного компонента вариабельности ритма

Total power - общая спектральная мощность

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Население, проживающее на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, подвергается комплексному воздействию неблагоприятных климато-географических факторов. Это оказывает негативное влияние на качество жизни и здоровья каждого жителя Югры, независимо от возраста, пола и сроков проживания на Севере РФ. Следует отметить, что негативные факторы среды по-разному оказывают воздействие на мужской и женский организмы в разные возрастные периоды, что уже подвергалось исследованиям в работах С.И. Логинова и В.А. Вишневского (2006, 2008) и других авторов.

Возникающие негативные изменения в организме девушек или юношей можно объективно зарегистрировать на уровне изменений в состоянии функциональных систем их организма (ФСО), в первую очередь, со стороны нервно-мышечной системы (НМС) и сердечно-сосудистой системы (ССС). Характер изменений ФСО в норме и при выполнении дозированных (стандартных) физических нагрузок у девушек, проживающих на территории ХМАО - Югры, представляет несомненный интерес для специалистов в области биофизики сложных систем, физиологии и экологии человека. Основной интерес имеется и у тренеров спорта высших достижений, что и послужило поводом для проведения настоящих исследований.

Правильно подобранная физическая нагрузка для спортсменов на основе использования новых биофизических методов мониторинга состояния отдельных двигательных функций человека и нервно-мышечной системы в целом способствует предупреждению возникновения нарушений в деятельности НМС и оптимизирует тренировочный процесс. В связи с важностью решения этой проблемы, возникает необходимость использования

5

новых методов получения и обработки информации, а именно метода многомерных фазовых пространств в оценке двигательной активности [40, 41, 44,47,48, ].

Процесс интеграции женщин в международное физкультурно-спор-тивное движение всегда испытывал затруднения, из-за того что женский организм уступает мужскому, например, в скоростно-силовых качествах. Однако, развитие женского спорта в современном мире происходит весьма активно. В частности, проводятся различные чемпионаты среди женских игровых команд (баскетбол, волейбол и др.). Более того, они включены в программу Олимпийских игр. При этом функциональным возможностям женского организма предъявляются особые требования для достижения высокого спортивного результата.

Таким образом, становится актуальным рассмотрение изменений параметров нетренированного и тренированного женского организма в условиях выполнения специфических двигательных задач. При необходимости выполнения их с максимальной точностью и в ограниченном интервале времени выполнения, возникают особые требования к физическим качествам, т.е. параметрам кинематики. С другой стороны, характер изменений, связанных с малоподвижным образом жизни женского населения Югры, возможность изучения корреляционных взаимоотношений функциональных систем организма в спокойном состоянии и при выполнении физических упражнений у тренированных и нетренированных девушек так же представляют несомненный интерес. Такая информация может обеспечить прогноз развития жизни человека уже во взрослом состоянии, оценить качество жизни человека в условиях Севера.

В целом, проведение исследований, основанных на изучении зависимости параметров НМС, ССС и вегетативной нервной системы (ВНС) от

6

вида деятельности и предрасположенности к виду физической нагрузки, несомненно, является актуальным и должно внести свой вклад в развитие физиологии спорта и биофизики сложных систем.

Цель исследования: на основе метода многомерных фазовых пространств установить закономерности хаотической динамики поведения параметров тремора в условиях влияния статической и динамической нагрузки у тренированных и нетренированных девушек, проживающих на Севере Российской Федерации.

Задачи исследования:

1. Изучить особенности хаотической динамики поведения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) тремора и параметров квазиаттракторов (КА) микродвижений верхних конечностей человека в условиях воздействий статической нагрузки с позиции теории хаоса-самоорганизации.

2. Выявить закономерности влияния динамической нагрузки на параметры квазиатракторов, представляющих системы регуляции тремора.

3. С помощью матриц межаттракторных расстояний исследовать влияние динамической нагрузки на параметры нейро-вегетативной системы (НВС) у тренированных и нетренированных девушек, проживающих в условиях ХМАО - Югры.

Научная новизна работы

1. Анализ вектора состояния биомеханической системы в четырехмерном фазовом пространстве позволил установить новые закономерности реакции нервно-мышечной системы в ответ на дозированную статическую нагрузку.

2. Выявлены закономерности влияния стандартизированной динамической нагрузки на параметры квазиаттракторов у тренированных и нетренированных девушек ХМАО - Югры.

3. На основе методов системного синтеза определили и сравнили влияние динамической нагрузки на параметры сердечно-сосудистой и вегетативной нервной системы у нетренированных девушек и занимающихся игровыми видами спорта.

Практическая значимость

1. Метод многомерных фазовых пространств позволяет использовать объемы квазиаттракторов в качестве количественной меры для оценки хаотической динамики постурального тремора.

2. Полученные данные расширяют представления о влиянии статических и динамических видов нагрузки на НМС, что целесообразно использовать для оценки степени тренированности женского населения ХМАО — Югры.

3. Результаты, полученные в ходе использования биофизического измерительного комплекса (БИК) и Элокс-01С2, могут быть использованы в практической работе физиолога и врача для оценки состояния нервно-мышечной, сердечно-сосудистой и вегетативной нервной систем человека при спортивном отборе и оценке выполнения специфических двигательных задач в спорте.

Внедрение результатов исследования. Методы идентификации сложных биомеханических систем с хаотической динамикой поведения и программное обеспечение, разработанные на кафедре биофизики и нейро-кибернетики ГБОУ ВПО «Сургутский государственный университет» внедрены в НИИ нормальной физиологии им. П.К. Анохина РАМН. Результа-

8

ты научных исследований автора используются в тренировочном процессе спортсменок-баскетболисток на базе автономной некоммерческой организации женского баскетбольного клуба «Университет - Югра».

Апробация работы

Материалы работы докладывались и обсуждались на 8-й Международной научной конференции «Синергетика природных, технических и социально-экономических систем» (Тольятти, 2010); на 5-й международной конференции «Математические идеи П.Л. Чебышева и их приложение к современным проблемам естествознания» (Обнинск 2011); на 1-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Наука и инновации XXI века» (Сургут, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей в журналах, рецензируемых ВАК РФ и 4 статьи в других журналах и научных сборниках.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста и состоит из введения, теоретической главы «Понятие произвольных и непроизвольных движений биомеханических систем», главы «Объект и методы исследования», главы «Результаты собственных исследований и их обсуждение», заключения, выводов, практических рекомендаций. Текст диссертации иллюстрирован 20 таблицами и 18 рисунками. Список литературы содержит 170 источников, из них 102 отечественных, 68 иностранных.

Декларация личного участия автора. Личное участие автора осуществлялось на всех этапах работы, включая сбор и анализ научной лите-

ратуры, проведение исследований, статистическую обработку данных, содержательную интерпретацию результатов и их публикацию. Вклад автора в диссертационную работу составляет более 70%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод многомерных фазовых пространств позволяет дифференцировать динамику поведения микроперемещений пальцев кисти в вертикальной и горизонтальной плоскостях, что имеет диагностическую ценность для выявления особенностей регуляции движения у человека.

2. Динамическая нагрузка оказывает обратно-пропорциональное влияние на площадь квазиаттрактора микроперемещений пальцев кисти у студенток, занимающихся игровыми видами спорта, по сравнению со студентками, занимающимися нерегулярно или с низкой интенсивностью нагрузки в рамках общеобразовательной программы университета.

3. Девушки, занимающиеся игровыми видами спорта, более адаптированы как к проживанию в неблагоприятных условиях Севера РФ, так и к физическим нагрузкам, что проявляется в особой динамике изменения объемов квазиаттракторов и межаттракторных расстояний до и после нагрузки.

Глава 1.

ПОНЯТИЕ О ПРОИЗВОЛЬНЫХ И НЕПРОИЗВОЛЬНЫХ ДВИЖЕНИЯХ В ФИЗИОЛОГИИ И БИОФИЗИКЕ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

1.1. Характеристика особенностей женского организма в условиях ХМАО — Югры в аспекте регуляции нервно-мышечной системы.

Как уже отмечалось во введении, население, проживающее на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, подвергается комплексному воздействию неблагоприятных климато-географических факторов. Этим факторам характерна хаотическая динамика изменения параметров среды обитания, таких как резкое изменение атмосферного давления, влажности и температуры атмосферного воздуха. В силу того, что зимний период длится иногда до 250 дней (с начала октября до начала мая), выше перечисленные параметры погодных условий характеризуются большими перепадами, что не может не сказываться на качестве жизни и здоровья каждого жителя Югры.

Для территории Северо-Западной Сибири характерен резко континентальный климат. Наряду с действием экологических факторов на человека оказывают влияние факторы, характерные для развитых урабани-зационных экологических систем. Мы также должны говорить и о хао-тическо-динамическом изменении метеорологических факторов в зимний период, которое характерно как для г. Сургута, так и для всей территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры. Довольно часты флюктуации давления, температуры, влажности в очень широком диапазоне.

Наряду с хаотическим характером изменений метеофакторов наблюдается одновременно изменения и других экологических факторов,

например, показателей концентрации химических поллютантов на территории города, которые сильно зависят от направления и скорости ветра, температуры, давления, влажности. Выше перечисленные факторы существенно влияют на ФСО человека и, в первую очередь, на ССС и НВС и на состояние нервно-мышечной системы. В дни флюктуации метеофакторов у человека резко снижается активность ССС, НВС и НМС. Показатели ФСО сдвигаются в область глубокой парасимпатотонии, у человека часто наступает апатия. Такое состояние может наблюдаться недели, а то и месяцы. В частности, в зимний период 2005-2006 г. в г. Сургуте морозы ниже -40°С длились около полутора месяцев. На протяжении всего этого времени продолжаются парасимпатотония и резкое снижение двигательной активности. Необходимо отметить, что температуры минус 30-35°С являются характерными для зимнего периода территории ХМАО. Влияние метеофакторов на состояние ФСО в целом и на НМС - несомненно.

Заболеваемость в северных регионах РФ на 11,8% выше, чем по России в целом. Показатели здоровья населения этих регионов на 40-45% определяются социально-гигиеническими факторами, на 30-35% - экологическими, на 20-25% - этническими, на 5-10% - медицинскими и генетическими. Наибольшие изменения ФСО возникают после 10-летнего пребывания на Севере.

По результатам целого ряда работ Еськова В.М. и соавт. [41-47] и некоторых других авторов можно выделить факторы, значимые для здоровья человека, проживающего на территории ХМАО - Югры. К основным таким факторам относятся: низкая относительная влажность (г) воздуха; высокая электризация тела человека в зимний период; низкий уровень аэроионизации воздуха; плохая освещенность тела людей [77, 78, 90]; недос-

таток витаминов и микроэлементов [6]; резкие перепады температуры и давления, влажности и освещенности [87, 86, 93, 57, 81, 84, 52, 88, 54, 89]; изменение химического состава вдыхаемого воздуха в помещениях. На производстве сюда добавляются перепады температуры при выходе из помещения [6] и нежелательная возможность длительного переохлаждения. Из-за автоматизации труда на производстве добавляется и низкая физическая активность [72].

Самым значимым фактором, определяющим продолжительность и качество жизни югорчан, является гипокинезия. Недостаточная двигательная активность, обусловленная внедрением научно-технического прогресса на производство, и характерное для нашего округа, долгосрочное пребывание в закрытых помещениях, способствует возникновению патологических изменений в организме человека. В первую очередь это касается изменений со стороны сердечно сосудистой и нервно-мышечной систем, как основных систем жизнеобеспечения.

У населения, проживающего на территории, приближенной к условиям крайнего Севера, риск возникновения инфарктов раньше на 15 лет, чем у жителей средней полосы. Одной из главных причин более раннего возникновения заболеваний сердечно-сосудистой системы является нарушение адаптации к жестким климатическим условиям, так же ранние возрастные изменения со стороны ССС [62, 61].

Кроме экологических факторов, неблагоприятные воздействия на жителей ХМАО - Югры оказывают и антропогенные факторы. Высокие темпы освоения нефтяных и газовых месторождений при недостаточной реализации природоохранных мероприятий