Энергетический метаболизм мозга у спортсменов с разным типом функциональной межполушарной асимметрии

Введение. Оптимальная адаптация к предельным физическим и психическим напряжениям в спорте высших достижений возможна при использовании нагрузок, ориентированных на индивидуальный генетический статус спортсмена. Межполушарная асимметрия - одна из фундаментальных закономерностей деятельности мозга - генетически детерминирована и находится под влиянием спортивного тренинга [1, 8].Исследования ряда ученых и многолетний научный поиск сотрудников кафедры физиологии показали, что индивидуальный профиль асимметрии (ИПА) составляет основу индивидуальности двигательной деятельности, регламентирует возрастные особенности ее организации и управления [3 - 5, 7, 11]. Однако анализ ИПА с учетом спортивной специализации и квалификации проводился в единичных работах [1, 9].В связи с актуальностью проблемы целью исследования является анализ функциональных асимметрий у спортсменов различных специализаций.

Энергетический метаболизм мозга у спортсменов с разным типом функциональной межполушарной  асимметрии

Эффективность подготовки спортсменов высших категорий  определяется не только стратегией и  организацией тренировочного процесса и развитием знаний о пределе  физических и резервных возможностей человека. Более того, увеличение интенсивности  тренировочных нагрузок для совершенствования  технической и физической подготовки спортсменов в настоящее время  себя исчерпало. Поиск путей эффективности  подготовки к высшим спортивным достижениям  направлен на оценку генетически  обусловленных функциональных резервов, обеспечивающих адаптацию к возрастающим нагрузкам тренировочного процесса и соревнований как завершающего их компонента. В основе выбора рациональной структуры движения в спорте лежат  критерии надежности и экономии энергетических ресурсов активационных механизмов мозга. При этом надежность двигательных функций определяется еще и наличием оптимального уровня двигательной (моторной) асимметрии при построении движений, контролируемой центральным механизмом — функциональной межполушарной  асимметрией (ФМА).

ФМА представляет собой многоуровневую систему, имеющую  представительство на разных уровнях  биологической организации и  в тоже время она является сформированным в процессе эволюции механизмом, обеспечивающим оптимизацию процесса выбора. Межполушарная  асимметрия и межполушарные взаимодействия с одной стороны генетически  детерминированы, а с другой находятся  под влиянием социального и профессионального, в том числе спортивного, тренинга, который можно рассматривать как стрессогенный фактор, также определяющий флуктуацию межполушарной асимметрии в процессе адаптации к стрессорным воздействиям.

Общий адаптационный  синдром или стресс — это совокупность стереотипных приспособительных реакций, которые возникают в организме  в ответ на действие чрезвычайного  раздражителя любой природы, в том  числе эмоциональное напряжение, травмы, значительные умственные и  физические усилия. Центральную роль в механизмах стресса играет активация  гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой  системы (ГГНС), приводящая к изменениям гормонального фона в организме.

Достижение  адаптации при стрессе осуществляется прежде всего за счет перестройки энергетических обменных процессов в организме.

При стрессе  закономерно изменяются функциональное состояние мозга и его энергетический метаболизм. С помощью ПЭТ у  людей в этом состоянии выявлено повышение мозгового кровотока  в различных отделах мозга, в  частности в лобных областях. Повышенная концентрация глюкокорти-коидов запускает в мозге процессы запрограммированной клеточной смерти — апоптоза.

При стрессе  увеличивается роль гликолиза в  энергетическом обмене. Этот фактор, а  также использование мозгом в  качестве энергетического субстрата  кетоновых тел приводит к повышению  концентрации кислых продуктов метаболизма  в мозге. Снижение внутриклеточного рН нарушает работу дыхательной цепи митоходрий, что усиливает процессы свободно-радикального окисления. Кроме того, ацидоз повышает содержание внутриклеточного кальция и является фактором, способствующим апоптозу.

Итак, синдром  адаптации к сверхвысоким нагрузкам  тренировочного процесса непосредственно  связан с центральными механизмами  регуляции: ФМА и церебральным энергообменом. При этом оба эти механизма являются генетически детерминированными, что определяет необходимость их контроля при разработке индивидуального подхода к подготовке спортсменов к сверхвысоким нагрузкам тренировочного процесса и его кульминации — соревнований.

При очень  больших нагрузках сердечно-сосудистая и легочная системы не обеспечивают аэробный обмен веществ, и метаболизм становится в значительной мере анаэробным. Порог анаэробного обмена — ПАНО представляет собой уровень физической нагрузки, выше которого энергетические запросы организма удовлетворяются частично за счет анаэробного метаболизма. ПАНО является показателем, который интегрально характеризует мощность различных систем, обеспечивающих доставку и использование кислорода в организме. Величина ПАНО отражает также стрессоустойчи-вость, так как переход через ПАНО активирует гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систему (ГГНС), запуская центральные механизмы стресса. ПАНО является показателем, позволяющим судить о физической подготовке спортсмена. Более низкий уровень ПАНО свидетельствует о худшей переносимости физических нагрузок и большей чувствительности к стрессу.

Современные технологии позволили использовать методы компьютерной визуализации биохимических  процессов, происходящих в мозге, неинвазивно оценивать церебральный энергообмен. Перспективным и доступным в условиях подготовки спортсменов к высоким достижениям является метод регистрации и анализа уровня постоянных потенциалов головного мозга (УПП), отражающего сосудистые потенциалы головного мозга и характеризующего церебральный энергообмен.

Основным  источником УПП являются потенциалы гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), при этом потенциалообразующим ионом является ион водорода. Применение нейрофизиологического показателя в качестве маркера церебрального энергетического метаболизма обусловлено особенностями генеза УПП.

Оценка энергетического  метаболизма мозга базируется на электрических характеристиках  ГЭБ, метаболизме глюкозы и кислорода, а также на анализе мозгового  кровотока. Как мембранозависи-мый феномен, УПП отражает ряд биохимических реакций, протекающих в коре головного мозга (гликолиз, окислительное фосфорилирование, медиаторный обмен, свободнорадикальное окисление, соотношение процессов анаболизма и катаболизма). Трансмембранный поток протонов определяет сосудистый потенциал ГЭБ, непосредственно связанный с энергетическим обменом мозга На величину УПП оказывает влияние состояние КЩР по обе стороны от базальной мембраны ГЭБ. Поскольку на границе ГЭБ динамика рН зависит от интенсивности энергетических процессов в мозге, УПП является электрофизиологическим показателем, который отражает соотношение между кис-лотностями мозговых и периферических капилляров. Именно этот факт позволяет рассматривать УПП как показатель энергетического метаболизма мозга.

С помощью  неинвазивного метода регистрации и анализа УПП возможно получение количественной характеристики церебрального энергообмена, а также его пространственный и временной анализ. Кроме того, УПП является удобным нейрофизиологическим маркером типа ФМА: доминантное полушарие характеризуется превышением УПП как минимум на 2—3 мВ по сравнению с субдоминантным. При этом нейрофизиологические характеристики ФМА в полной мере совпадают с определением ФМА по критерию моторной асимметрии. При превышении УПП в левом полушарии тесты моторной асимметрии демонстрируют правшество (праворукость), при превышении УПП в правом полушарии тесты моторной асимметрии указывают на левшество.

Таким образом, УПП одновременно является показателем  церебрального энергообмена и типа ФМА, что делает его удобным неинвазивным инструментом контроля двух ведущих механизмов адаптации к сверхвысоким тренировочным нагрузкам.

Целью работы была оценка резервных возможностей и прогноз спортивных достижений на стадии тренировок у спортсменов  с разным типом ФМА с помощью  метода регистрации и анализа  уровня постоянных потенциалов головного  мозга (УПП), отражающего как церебральный энергетический метаболизм, так и  тип асимметричной организации  мозга.

Методика. В  условиях тренировочного процесса (тренировка на гребном эргометре с пятью  ступенями мощности от 200 до 450 ватт) у спортсменов — мужчин (N= 50, средний  возраст 23,1 года) — сборной по академической  гребле — была проведена регистрация  УПП совместно со стандартным  набором биохимических показателей  крови и мочи, функции внешнего дыхания, а также эр-гометрических характеристик. Были измерены следующие показатели: мощность, ПАНО, частота сердечных сокращений ЧСС — уд/мин, лактата — мМ/л, АДФ, АМФ, АТФ — мкМоль/л и неорганического фосфора -мМоль/л.

Измерение УПП  проводили с помощью аппаратно-программного диагностического комплекса «Нейроэнергон-01»  с входным сопроотивлением 1014 Ом, Для регистрации УПП используются не-поляризуемые хлорсеребряные электроды с сопротивлением 30 кОм. Регистрация УПП производится неинвазивно, непосредственно от кожи головы в пяти точках: лобной (F), центральной (С), затылочной (О), правой (Td) и левой (Ts) височных. Сопротивление кожи во всех точках отведения перед измерением максимально снижается и выравнивается.

Определение ФМА проводили также по нейрофизиологическому  критерию (УПП): доминантное полушарие  характеризуется превышением УПП  в височной области на величину не менее 2-х мВ. Спортсмены были разделены  на две группы: правши (N=29) и левши (N=21).

Результаты  исследования. В таблице 1 показаны средние значения УПП (мВ) в пяти отведениях и межполушарная разность УПП в височных областях (Td-Ts) у правшей и левшей до тренировки

Таблица 1

Относительно  низкий УПП указывает на изначально экономный, невысокий церебральный энергообмен у спортсменов-правшей до нагрузки.

В процессе тренировки при нагрузке низкой интенсивности, характеризуемой ЧСС до 160 уд/мин и удерживаемой мощности 800 кгм/мин у спортсменов наблюдается снижение УПП, особенно выраженное в центральной и лобной области. Величина снижения УПП при нагрузке достигает 50-70%.

Однако при  нагрузке высокой интенсивности, характеризуемой  ЧСС 180 уд/мин и выше и удерживаемой мощности до 2700 кгм/мин, наблюдается повышение УПП в среднем на 50%.

У спортсменов  с разными типами ФМА УПП под  влиянием нагрузки изменяется по-разному, при этом наблюдаются различия также  в величине ПАНО. В группе спортсменов  — правшей среднее значение УПП  после нагрузки было относительно низким: (6,1± 0,5) мВ, а у спортсменов-левшей среднее значение УПП после нагрузки составляло (22,3+1,1) мВ. Величина ПАНО, приходящаяся на 1 кг массы, составляла у спортсменов-правшей (15,7+0,3) ед, а у левшей — (22,3±0,4) ед.

ПАНО является показателем, позволяющим судить о  физической подготовке спортсмена. Более  низкий уровень ПАНО свидетельствует  о худшей переносимости физических нагрузок и большей чувствительности к стрессу. Переход на анаэробный метаболизм и снижение рН крови вызывает выброс АКТГ, что играет ключевую роль в активации механизмов стресса. При выраженном стрессе, т.е при очень высоких физических нагрузках (ЧСС более 180 уд/мин), когда рост кислотности в мозге более значителен, чем в периферической крови, УПП увеличивается в процессе нагрузки. Поэтому связь между низким ПАНО и ростом УПП представляется закономерной.

При умеренных  физических нагрузках (ЧСС 160 уд/мин) и  снижении УПП в процессе тренировки наблюдается обратная картина: кислотность  в периферической крови нарастает  более значительно, чем в мозге. У спортсменов-правшей с меньшим  усредненным УПП, соответственно, более  низким уровнем церебральных энергозатрат и потому более стрессоустойчивых, анаэробный порог был более высоким, и спортивные достижения также были выше. Снижение УПП после тренировки свидетельствует о снижении работоспособности, а повышение — об истощении энергетических резервов организма.

Данные о  связи между ацидозом и неблагоприятными последствиями стресса при физической нагрузке можно использовать для  коррекции состояния спортсменов.

При сравнении  биохимических показателей у  спортсменов с разным типом ФМА  было выявлено различие в их средних  значениях. У правшей по сравнению  с левшами выше концентрация АТФ, АДФ, АМФ в крови после нагрузки в среднем на 26%, ниже ПАНО на 13%, выше коэффициент реализации энергии  на 17% и на 5% выше КПД.

Корреляционный  анализ Система корреляционных связей у спортсменов с разным типом  ФМА различна. В таблице 2 приведены  некоторые коэффициенты корреляции до и после нагрузки.

Как видно  из таблицы, наиболее значимые связи  в лобной и центральной области. Видимо лобные области в большей  мере, чем другие, чувствительны  к стрессу, вызванному смещением кислотно-щелочного равновесия крови в кислую сторону. Известна важная роль лобной коры, в особенности, орбитальных ее отделов в регуляции гомеостаза. Найденная корреляционная зависимость указывает на то, что в условиях высоких двигательных нагрузок именно передние отделы мозга работают в особенно интенсивном режиме, обеспечивающим целенаправленную активность спортсмена. Однако у спортсменов-левшей корреляционные связи между теми же показателями имеют более высокие значения

Итак, проведенный  анализ показал, что высокие значения УПП после нагрузки у спортсменов-левшей указывают на худшую переносимость  физических нагрузок, более низкий анаэробный порог и склонность к  стрессовым реакциям. Если регистрировать УПП наряду с биохимическими показателями крови (АТФ, АМФ, АДФ, лактат, рН ЧСС, температурой тела), то можно достаточно точно оценить физическую форму спортсмена и энергетические возможности его организма. Множественный регрессионный анализ позволил выявить, что использование всей совокупности исследованных параметров дает возможность с высокой точностью описывать ПАНО и развиваемую спортсменом мощность с помощью линейных уравнений регрессии.