НОРМИРОВАННАЯ ЭНТРОПИЯ В ОЦЕНКЕ ПОЛОВЫХ РАЗЛИЧИЙ КАРДИОВАСКУЛЯРНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К АТРОПИНУ И ПРОПРАНОЛОЛУ У ИНТАКТНЫХ И СТРЕССИРОВАННЫХ КРЫС

Анищенко Т.Г., Глушковская-Семячкина О.В.

(Саратов)

Показано, что самки по сравнению с самцами обладают более высокой чувствительностью к атропину и пропранололу как в условиях покоя, так и при стрессе. Применение нормированной энтропии перспективно для оценки индивидуальных и половых особенностей чувствительности сердечно-сосудистой системы к различным воздействиям.

NORMALIZED ENTROPY APPLIED TO THE STUDY OF GENDER DIFFERENCES IN CARDIOVASCULAR RESPONSE TO ATROPINE AND PROPRANOLOL IN NORMAL AND STRESSED RATS

Anishchenko T.G., Glushkovskaya-Semyachkina O.V.

(Saratov)

Our results demonstrated that females compared with males revealed higher cardiovascular responsiviness to atropine and propranolol under both normal and stressful conditions. The study of E/H may be useful for research of individual and gender particularities in cardiovascular response to different perturbations.

Жизнь современного человека перенасыщена стрессами, в основном психо-эмоциональной природы, что привело к настоящей эпидемии сердечно-сосудистых заболеваний, склонность к которым у мужчин гораздо выше, чем у женщин [1]. Решение проблемы полового диморфизма в стресс-устойчивости сердечно-сосудистой системы (ССС), столь важной в медицинском и социальном плане, предполагает поиск новых методов для оценки реакций ССС на различные воздействия. Показано, что кардиоваскулярная активность даже в состоянии покоя демонстрирует нерегулярный характер колебаний [2,3], что является результатом взаимодействия сложных регуляторных механизмов, включающих нервные, гуморальные и клеточные системы контроля за ССС [4]. В силу этих причин возникли новые подходы к исследованию активности ССС, основанные на методах нелинейной динамики. Применение таких мер сложности системы как размерности, Ляпуновские показатели, энтропии и др. было успешным для исследования сложной природы активности ССС в здоровом и больном организме [5-8]. В наших предыдущих исследованиях [9,10] была показана перспективность применения в качестве меры упорядоченности сигналов ЭКГ и кровяного давления нового критерия — нормированной энтропии, являющейся энтропией Шеннона, нормированной на энергию системы (Е/Н) [11]. Было показано, что Е/Н является более чувствительным критерием в оценке реакций ССС на разнообразные стрессорные ситуации по сравнению с традиционными показателями — частотой сердечных сокращений (ЧСС) и кровяным давлением (КД).

Целью настоящих исследований явилось изучение реакций ССС женских и мужских особей на введение фармакологических веществ, блокирующих важнейшие регуляторные системы — симпатическую и парасимпатическую с использованием традиционных показателей (ЧСС и КД) и Е/Н, отражающей степень упорядоченности сигналов КД.

Материалы и методы. Опыты поставлены на 40 самках и самцах белых беспородных крыс. Для блокады холинергической и симпатоадреналовой систем использовали атропин сульфат (0.2 мг/100 г) и пропранолол (0.1 мг/100 г). Болюсное внутривенное введение фармакологических препаратов производили через полиэтиленовый катетер РЕ-10, вживленный в верхнюю яремную вену. Регистрацию КД и расчеты Е/Н осуществляли с помощью измерительно-вычислительного комплекса [12]. Для этого за день до эксперимента животным вживляли полиэтиленовый катетер РЕ-50 в сонную артерию. В день эксперимента катетер соединяли с датчиком кровяного давления, полученные сигналы усиливались с помощью широкополосного усилителя и через 10-разрядный АЦП вводились в компьютер. Сигналы кровяного давления тестировались через каждые 5–10 мин в течение 2 часов с частотой дискретизации 500 Гц. Имплантация артериального и венозного катетеров осуществлялась под общим нембуталовым наркозом (0.35 мг/100 г для самок и 0.40 мг/100 г для самцов). В течение трех дней одно и то же животное подвергалось трем различным воздействиям: введению атропина или обзидана, эмоционально-болевому стрессу (ЭБС) в виде 60-мин иммобилизации и ЭБС на фоне блокады холинергической или адренергической систем. Полученные результаты подвергали статистической обработке с использованием критерия Стьюдента.

Результаты исследования. При ЭБС у самок по сравнению с самцами отмечалось более существенное увеличение ЧСС на всем протяжении стресса (132+2% против 124+3%, Р<0.05). При этом женские особи демонстрировали более быстрое восстановление ЧСС, чем самцы. В противоположность длительно сохраняющейся тахикардии, значительное увеличение среднего артериального давления (САД) регистрировалось лишь в первые минуты стрессорного воздействия. При этом увеличение САД у самок по сравнению с самцами было менее значительным (114+8% у самок и 118+3% у самцов) и менее продолжительным.

Введение атропина, блокирующего парасимпатический отдел вегетативной нервной системы, вызывало у самок по сравнению с самцами более выраженное (126+4% против 118+2%, Р<0.05), но менее длительное увеличение ЧСС. При этом изменения САД у животных обоего пола были незначительными и недостоверными.

Стресс на фоне атропинизации сопровождался более существенными у самок по сравнению с самцами изменениями ЧСС (рис 1). Однако, несмотря на более выраженную тахикардию в женском организме, по сравнению с мужским, восстановление ЧСС у самок происходило быстрее, чем у самцов. Так, если у женских особей уже с 30 мин стрессорного воздействия наблюдалось снижение ЧСС, приведшее к ее нормализации к 20 мин постстрессорного периода, то у самцов ЧСС оставалась повышенной и через 60 мин после прекращения ЭБС. Таким образом, как и в предыдущих опытах, у самок, несмотря на большее увеличение ЧСС при стрессе на фоне введения атропина, нормализация этого параметра проходила быстрее, чем у самцов. Отметим, что при более высоком уровне тахикардии у самок, интенсивность гипертензивных ответов на ЭБС у атропинизированных самок и самцов была примерно одинаковой (рис 2) и соответствовала таковой у интактных животных. Однако, как и при ЭБС, восстановление САД у самок происходило быстрее, чем у самцов. При этом после отмены стресса у женских особей отмечались слабые гипотензивные, а у самцов слабые гипертензивные реакции.

Введение обзидана, блокирующего симпатический отдел вегетативной нервной системы, вызывало у части животных (67% самок и 58% самцов) стойкую брадикардию, более выраженную у самок, чем у самцов (25% против 10%, P<0.05). В ряде случаев (58% самок и 16% самцов) брадикардия сопровождалась компенсаторным увеличением САД, более продолжительным у женских особей.

При ЭБС в условиях блокады симпатических влияний были выявлены значительные половые различия в деятельности ССС. Так, ЭБС на фоне введения пропранолола сопровождался значительным подавлением стресс-реактивности ССС по показаниям ЧСС, более выраженным у самок по сравнению с самцами. Действительно, пропранолол вызывал снижение стрессорной амплитуды увеличения ЧСС у самцов и брадикардию у самок (рис 3). Следует заметить, что пропранолол не подавлял стресс-индуцированную гипертензию, уровень которой был примерно одинаковый у самок и у самцов (рис 4).

Изменения Е/Н, как и традиционных показателей (ЧСС и САД), зависели от пола и вида воздействия. Но, в отличие от физиологических показателей, изменения Е/Н были разнонаправленными. Действительно, у одной части животных на протяжении всего эксперимента отмечались повышенные значения Е/Н, что свидетельствовало об увеличении степени хаотичности сигналов кровяного давления, а у другой части крыс отмечалось снижение этого показателя, что характеризовало увеличение степени упорядоченности сигналов кровяного давления (рис 5,6). Важно отметить колебательный характер динамики Е/Н и значительное превышение амплитуды максимального увеличения Е/Н по сравнению с ЧСС и СрАД. При этом в восстановительный период, когда физиологические показатели достигали своих базальных значений нормализации Е/Н не происходило.

При ЭБС и после его отмены число женских особей с повышенной нормированной Е/Н было больше, чем мужских. Так, на 30 мин воздействия число особей с повышенной Е/Н у самок составляло 50%, а у самцов 20%. К концу восстановительного периода число особей с увеличенной Е/Н достигало 60% у самок и 30% у самцов. Максимальные значения Е/Н наблюдались к концу стрессорного воздействия, составляя на 60 мин стресса у самок 180%, а у самцов 130% от контрольных значений.

При атропинизации число особей с повышенной Е/Н у самок было примерно в 1,5-3 раза выше, чем у самцов на протяжении всего эксперимента. Однако, амплитуда этого увеличения была значительно ниже по сравнению со стрессом и составила на 10 мин воздействия у самок 52%, а у самцов - 15%. В отдаленные сроки атропинизации также возрастало число самок с повышенной Е/Н и количество самцов с пониженной Е/Н.

При стрессе на фоне блокады холинергической системы амплитуда увеличения Е/Н и число особей с повышенной Е/Н у самок было больше, чем у самцов (рис 5). При этом наиболее яркие половые различия в динамике Е/Н наблюдались в первые 20 мин стрессорного воздействия. Так, амплитуда увеличения Е/Н у самок на 10 мин ЭБС превышала таковую для самцов в 8 раз, а число женских особей с повышенной Е/Н — в 2,3 раза по сравнению с самцами. В восстановительном периоде возрастало число особей обоего пола с повышенной Е/Н. Действительно, на 120 мин постстрессорного периода число самок с повышенной Е/Н составляло 80%, а самцов 70%.

При блокаде адренергических механизмов самки, но не самцы значительно чаще демонстрировали снижение Е/Н. Так, введение пропранолола сопровождалось снижением Е/Н у всех самок, в то время как у самцов - только у 25%. Соответственно число мужских особей с повышенной Е/Н было в 5-7 раз выше, чем женских.

В условиях стресса на фоне блокады симпатических влияний пропранололом, как и при введении пропранолола, число самок с пониженной Е/Н было в 3 раза выше, чем самцов (рис 6). Соответственно, число женских особей с повышенной Е/Н было меньше, чем мужских, составляя на 20 мин ЭБС 17% и 58% у самцов. Такое соотношение сохранялось на протяжении 40 мин стресса и всего восстановительного периода.

Таким образом результаты экспериментов свидетельствуют о том, что по показаниям ЧСС и Е/Н самки по сравнению с самцами более чувствительны к выключению парасимпатических и симпатических влияний на ССС как в условиях покоя, так и при стрессе. Следовательно, модулирующие холинергические и адренергические влияния на кардиоваскулярную деятельность в интактном и стрессированном состоянии более выражены в женском организме по сравнению с мужским. Более быстрая нормализация ЧСС у самок по сравнению с самцами свидетельствует о более быстром протекании восстановительных процессов за счет вовлечения компенсаторных механизмов. Полученные нами данные дают основание для рекомендации дифференцированного подхода к мужчине и женщине в лечебной практике при использовании фармакологических препаратов.

Нормированная энтропия, отражающая степень упорядоченности сигналов КД, явилась дополнительным критерием в оценке половых различий чувствительности ССС к блокаде симпатических и парасимпатических влияний. Эксперименты выявили ряд особенностей в изменении Е/Н по сравнению с традиционными показателями - ЧСС и САД. Во-первых, в отличие от физиологических показателей, изменяющихся однонаправленно при различных воздействиях (либо увеличение, либо снижение), показатели Е/Н в каждом эксперименте увеличивались у одних животных и уменьшались у других, что дает основание полагать, что изменения упорядоченности сигналов КД не связаны с изменениями ЧСС и САД. Во-вторых, амплитуда изменений Е/Н и длительность этих изменений значительно превышала таковые для ЧСС и САД. Так, в ситуации самого сильного воздействия (стресса на фоне введения атропина) амплитуда увеличения Е/Н почти в 5 и 10 раз превышала таковую для ЧСС и САД, соответственно. При всех воздействиях наименее выраженными по амплитуде и длительности были изменения САД, наиболее выраженными по амплитуде и длительности были изменения Е/Н. Таким образом, степень упорядоченности сигналов КД оставалась повышенной или пониженной на фоне нормальных значений ЧСС и САД. Все вышеизложенное позволяет предполагать, что изменения Е/Н при блокаде симпатических и парасимпатических влияний на ССС отражают более глубокие и длительные изменения в активности ССС, чем те, которые регистрируются традиционными физиологическими показателями - ЧСС и САД. Вероятно, это связано с тем, что в условиях блокады симпатического и парасимпатического отделов изменяется активность и гуморальных механизмов, участвующих в регуляции сложной динамики кровяного давления. В частности, изменяются уровни оксида азота, катехоламинов, простагландинов, глюкокортикоидов, которые являются факторами, существенно влияющими на стохастические и динамические свойства сигналов ЭКГ [13-16]. Наши данные об изменении Е/Н при блокаде симпатических и парасимпатических влияний на ССС согласуются с наблюдениями [17], где исследовали «approximate entropy» и [18], где изучали «two-dimensional entropy» при изменениях активности симпатической нервной системы. Результаты исследований доказывают перспективность применения Е/Н к оценке активности ССС при различных внешних и внутренних воздействиях.

Исследования выполнены при частичной поддержке грантом № REC-006 (CRDF) Американского фонда гражданских исследований и разработок для стран СНГ.

Список литературы:

1. Stoney C.M., Davis M.C., Matthews K.A. Sex differences in physiological responses to stress and coronary heart disease: a causal link? Psychophysiol. 1987. V. 24. P. 127-131.

2. Glass L., Makey C. From Clocks to Chaos. The rhythm of life. 1988. Princeton University.

3. Goldberger A.L. Is the normal heart beat chaotic or homeostatic? News Physiol. 1991. V. 6. P. 87-91.

4. Persson P.B. Modulation of cardiovascular control mechanisms and their interaction. Physiol Rev. 1996. V. 76. P. 193-244.

5. Pool R. Is healthy to be chaotic? Science. 1989. V. 243. P. 604-607.

6. Elbert T., Ray W.J., Kowalik Z.J., Skinner J.E., Graf K.E., Birbaumer N. Chaos and Physiology: Deterministic chaos in excitable cell assemblies. Physiol Rev. 1994. V. 74. P. 1-47.

7. Kurths J., Voss A., Saparin P., Witt A., Kleiner H.J., Wessel N. Quantitative analysis of heart rate variability. Chaos. 1995. V. 5. P. 88-94.

8. Павлов А.Н., Янсон Н.Б., Анищенко В.С., Гриднев В.И., Довгалевский П.Я. Диагностика сердечно-сосудистой патологии методом вычисления старшего показателя Ляпунова по последовательности RR – интервалов // Известия вузов «Прикладная нелинейная динамика», 1998. № 2. С. 3-14.

9. Anishchenko V.S., Saparin P.I., Anishchenko T.G. On the criterion of the relative degree of order of self-oscillating regimes. Illustration of Klimontovich’s S-Theorem // SPIE. 1994. V. 2098. P. 130-136.

10.Т.Г.Анищенко, Н.Б.Игошева, О.Н.Хохлова. Нормированная энтропия в оценке особенностей реакций сердечно-сосудистой системы на стрессорные воздействия у особей разного пола // Известия вузов «Прикладная нелинейная динамика», 1997, Т.5, № 1, С. 81-92.

11.Ю.Л.Климонтович. Проблемы статистической теории открытых систем: Критерии относительной степени упорядоченности состояний в процессе самоорганизации // УФН, 1989, Т.158, № 1, С.59-92.

12.В.С.Анищенко, П.И.Сапарин, М.Ф.Сафонова. Измерительно-вычислительный комплекс для диагностики сложных режимов автоколебаний // Радиотехника и электроника, 1992, Т.37, № 3, С.467-472.

13.Goldstein B., Woolf P.D., Deking D., Delong D.J., Cox C., Kempski M.N. Heart rate spectrum and plasma catecholamine levels after postural change and cold pressor test. Pediatr Res Sept. 1994. V 36. P. 358-363.

14.Just A., Wittmann U., Wagner C.D., Ehmke H., Kirchheim H.R., Persson P.B. The blood pressure buffering capacity of nitric oxide by comparison with baroreceptor reflex. Am J Physiol. 1994. V. 36. P. H521-H527

15.Hagerman I., Berglund M., Lorin M., Nowak J., Sylven C. Chaos-related deterministic regulation of heart rate variability in time and frequency domains: effects of autonomic blockade and exercise. Cardiovasc Res. 1996. V. 31. P. 410-418.

16.Herd J.A. Cardiovascular response to stress. Physiol Rev. 1991. V. 71. P. 305-330

17.Ryan S.M., Goldberger A.L., Pincus S.M., Mietus J., Lipsitz L.A. Gender and age-related differences in heart rate dynamics: Are women more complex than men? J Am Coll Cardiol. 1994. V. 24. P. 1700-1707.

18.Kanters J.K., Holstein-Rathlou N.H., Agner E. Two dimensional entropy as a measure of parasympathetic activity. A method of quantifying non-linear patterns of heart rate variability. J Mol Cell Cardiol. (Abstract). 1994. V 26. P. CXX