Multiparameter study of the physiological reactions of the human organism to complex postural loads

Abstract

BACKGROUND: Reactions of human cardiovascular system to complex dynamic postural loads were under investigation by previous authors. Individual limiting mode of postural loads, i.e. alternating negative-positive periodic changes of body position angle on tilting table with regard to clinostatic position, was defined. It was demonstrated that application of oscillatory passive dynamic postural loads can cause certain hemodynamic reactions, which expression depend on postural loads dynamic characteristics and subject’s primary state.

AIM: Aim of the study is to develop comprehensive methodology (practice) that explores regulation mechanisms of cardiovascular, respiratory, central and autonomic nervous systems and their reactions to physiological strains with assigned properties (intensity, direction, periodicity and duration of postural loads).

MATERIALS AND METHODS: 30 young healthy participants took part in the study. Physiological indicators were registered in dynamic mode synchronously with trajectory of participant’s motion. This study implemented common statistical methods as much as original means of analysis by integrating theory of dynamic systems.

RESULTS: Evaluation of synchronously registered physiological indicators by means of instrumental and software application, in particular, postural loads protocols of various intensity and motion direction, showed that oscillatory passive dynamic postural mode allows considerable improvements in overall blood circulation and gas exchange in the lungs. These changes constitute in a rise of systemic and local blood flow without significant shift of arterial pressure, increased frequency of heartbeats and respiratory rate.

CONCLUSIONS: Continuous monitoring of participant’s condition during complex postural loads give an opportunity for studying a set of physiological reactions and has a future implication in scientifically approved recommendations that describe practical use of postural loads as a correction technology for human health state and training.

Keywords

postural loads / postural changes / complex of physiological indicators / functional diagnostics / OPDP / oscillatory passive dynamic postural loads / nervous system / EEG / hemodynamics / gas exchange / research methodology

References

[1] Ugolev AM. Estestvennye tekhnologii biologicheskikh sistem. Leningrad: Nauka; 1987. (In Russ.)

[2] Уголев А.М. Естественные технологии биологических систем. Ленинград: Наука, 1987.

[3] Physiology. Current trends and future challenges [Internet]. In: 38th World Congress of the International Union of Physiological Sciences; 2017 Aug 1-5; Rio de Janeiro, Brazil. Available from: https://www.iups.org/wp-content/uploads/2021/01/Physiology-Current-Trends-and-Future-Challanges.pdf. Accessed: Apr 21, 2021.

[4] Physiology. Current trends and future challenges [Электронный ресурс] // 38th World Congress of the International Union of Physiological Sciences; 2017 Aug 1-5; Rio de Janeiro, Brazil. Режим доступа: https://www.iups.org/wp-content/uploads/2021/01/Physiology-Current-Trends-and-Future-Challanges.pdf. Дата обращения: 21.04.2021.

[5] Ghosh D, Sengupta J. The Progress of Physiological Sciences. Companion Essays [Internet]. In: 38th World Congress of the International Union of Physiological Sciences; 2017 Aug 1-5; Rio de Janeiro, Brazil. Available from: https://www.iups.org/wp-content/uploads/2021/01/Physiology-Current-Trends-and-Future-Challanges.pdf. Accessed: Apr 21, 2021.

[6] Ghosh D., Sengupta J. The Progress of Physiological Sciences. Companion Essays [Электронный ресурс] // 38th World Congress of the International Union of Physiological Sciences; 2017 Aug 1-5; Rio de Janeiro, Brazil. Режим доступа: https://www.iups.org/wp-content/uploads/2021/01/Physiology-Current-Trends-and-Future-Challanges.pdf. Дата обращения: 21.04.2021.

[7] Barman SM, Barrett KE, Pollock D. Reports of physiology’s demise have been greatly exaggerated. Physiology (Bethesda). 2013;28(6):360–362. DOI: 10.1152/physiol.00046.2013

[8] Barman S.M., Barrett K.E., Pollock D. Reports of physiology’s demise have been greatly exaggerated // Physiology (Bethesda). 2013. Vol. 28, No. 6. P. 360–362. DOI: 10.1152/physiol.00046.2013

[9] Greger R, Windhorst U. Physiology Past and Future. In: Greger R., Windhorst U. Comprehensive Human Physiology. Berlin, Heidelberg: Springer; 1996. P. 1–17.

[10] Greger R., Windhorst U. Physiology Past and Future // Greger R., Windhorst U. Comprehensive Human Physiology. Berlin, Heidelberg: Springer; 1996. P. 1–17.

[11] Fortin J, Rogge DE, Fellner C, et al. A novel art of continuous noninvasive blood pressure measurement. Nat Commun. 2021;12(1):1387. DOI: 10.1038/s41467-021-21271-8

[12] Fortin J., Rogge D.E., Fellner C. et al. A novel art of continuous noninvasive blood pressure measurement // Nat. Commun. 2021. Vol. 12, No. 1. P. 1387. DOI: 10.1038/s41467-021-21271-8

[13] Osadchiy LI. Postural’nye reaktsii. In: Fiziologiya krovoobrashcheniya: Regulyatsiya krovoobrashcheniya. Leningrad: Nauka; 1986. (In Russ.)

[14] Осадчий Л.И. Постуральные реакции // Руководство по физиологии. Физиология кровообращения: регуляция кровообращения. Ленинград: Наука, 1986.

[15] Donina ZhA, Lavrova IN, Baranov VM. Intersystem relationships of respiration and hemodynamics in the initial period of postural effects. Bull Exp Biol Med. 2013;155(3):298–301. DOI: 10.1007/s10517-013-2137-x

[16] Донина Ж.А., Лаврова И.Н., Баранов В.М. Межсистемные соотношения дыхания и гемодинамики в начальном периоде постуральных воздействий // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2013. Т. 155, № 3. С. 271–274.

[17] Kuzmin AG, Titov YuA, Suvorov NB, Kuropatenko MV. Mass-spectrometric studies of the dynamics of exhaled air composition during dynamic postural effects. Nauchnoe Priborostroenie. 2020;30(4):84–93. (In Russ.). DOI: 10.18358/np-30-4-i8493

[18] Кузьмин А.Г., Титов Ю.А., Суворов Н.Б., Куропатенко М.В. Масс-спектрометрические исследования динамики состава выдыхаемого воздуха в процессе динамических постуральных воздействий // Научное приборостроение. 2020. Т. 30, № 4. С. 84–93. DOI: 10.18358/np-30-4-i8493

[19] Minvaleev RS, Kuznecov AA, Nozdrachev AD. Kak vliyaet poza tela na krovotok v parenkhimatoznykh organakh? Soobshhenie I. Pechen’. Fiziologiya cheloveka. 1998;24(4):101–107. (In Russ.)

[20] Минвалеев Р.С., Кузнецов А.А., Ноздрачев А.Д. Как влияет поза тела на кровоток в паренхиматозных органах? Сообщение I. Печень // Физиология человека. 1998. Т. 24, № 4. С. 101–107.

[21] Vernon H, Meschino J, Naiman J. Inversion therapy: a study of physiological effects. The Journal of the CCA. 1985; 29(3):135–140.

[22] Vernon H., Meschino J., Naiman J. Inversion therapy: a study of physiological effects // The Journal of the CCA. 1985. Vol. 29, No. 3. P. 135–140.

[23] Snezhitskiy VA. Pokazateli variabel’nosti serdechnogo ritma u bol’nykh s vagotonicheskoy disfunktsiey sinusovogo uzla pri provedenii ortostaticheskoy proby. Vestnik Aritmologii. 2003;(33):28–34. (In Russ.)

[24] Снежицкий В.А. Показатели вариабельности сердечного ритма у больных с ваготонической дисфункцией синусового узла при проведении ортостатической пробы // Вестник аритмологии. 2003. № 33. С. 28–34.

[25] Olenskaya TL, Kozlovskiy VI. Metody issledovaniya ortostaticheskikh reaktsiy. Vestnik VGMU. 2003;2(1):26–31. (In Russ.)

[26] Оленская Т.Л., Козловский В.И. Методы исследования ортостатических реакций // Вестник ВГМУ. 2003. Т. 2, № 1. С. 26–31.

[27] Glezer GA, Moskalenko NP, Glezer MG. Ortostaticheskaya proba v klinicheskoi praktike. Klinicheskaya medicina. 1995;(2):52–54. (In Russ.)

[28] Глезер Г.А., Москаленко Н.П., Глезер М.Г. Ортостатическая проба в клинической практике // Клиническая медицина. 1995. № 2. С. 52–54.

[29] Kenny RA, Ingram A, Bayliss J, Sutton R. Head-up tilt: a useful test for investigating unexplained syncope. Lancet. 1986;1(8494): 1352–1355. DOI: 10.1016/s0140-6736(86)91665-x

[30] Kenny R.A., Ingram A., Bayliss J., Sutton R. Head-up tilt: a useful test for investigating unexplained syncope // Lancet. 1986. Vol. 1, No. 8494. P. 1352–1355. DOI: 10.1016/s0140-6736(86)91665-x

[31] Thulesius O, Ferner U. Diagnosis of orthostatic hypotension. Z Kreislaufforsch. 1972;61(8):742–754. (In German)

[32] Thulesius O., Ferner U. Diagnosis of orthostatic hypotension // Z. Kreislaufforsch. 1972. Vol. 61, No. 8. P. 742–754. (In German)

[33] Sutton R, Bloomfield DM. Indications, methodology, and classification of results of tilt-table testing. Am J Cardiol. 1999;84(8A):10Q–19Q. DOI: 10.1016/S0002-9149(99)00692-x

[34] Sutton R., Bloomfield D.M. Indications, methodology, and classification of results of tilt-table testing // Am. J. Cardiol. 1999. Vol. 84, No. 8A. P. 10Q–19Q. DOI: 10.1016/S0002-9149(99)00692-x

[35] Baevskiy RM. Analiz variabel’nosti serdechnogo ritma: istoriya i filosofiya, teoriya i praktika. Klinicheskaja informatika i telemedicina. 2004;1(1):54–63. (In Russ.)

[36] Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма: история и философия, теория и практика // Клиническая информатика и телемедицина. 2004. Т. 1, № 1. С. 54–63.

[37] Patent RF No. RU 2391084 C1/10.06.2010. Tolkachev PI, Panteleev AV, Podvyaznikov ML. Mekhanurgicheskiy stol dlya massazha i manual’noy terapii (In Russ.)

[38] Патент РФ № RU2391084 C1/10.06.2010.Толкачев П.И., Пантелеев А.В., Подвязников М.Л. Механургический стол для массажа и мануальной терапии.

[39] Dik IG, Poyasov IZ. Modelirovanie protsessov regulyatsii krovoobrashcheniya. In: Rukovodstvo po fiziologii. Fiziologiya krovoobrashcheniya: regulyatsiya krovoobrashcheniya. Leningrad: Nauka; 1986. (In Russ.)

[40] Дик И.Г., Поясов И.З. Моделирование процессов регуляции кровообращения // Руководство по физиологии. Физиология кровообращения: регуляция кровообращения. Л.: Наука, 1986.

[41] Morhman DE, Heller LJ. Cardiovascular physiology. 9th ed. New York: McGraw-Hill Education; 2018.

[42] Morhman D.E., Heller L.J. Cardiovascular physiology. 9th ed. New York: McGraw-Hill Education. 2018.

[43] Antonov AA. Gemodinamika dlya klinitsista (fiziologicheskie aspekty). Moscow; 2004. (In Russ.)

[44] Антонов А.А. Гемодинамика для клинициста (физиологические аспекты). М., 2004.

[45] Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 12th ed. Philadelphia: Saunders; 2011.

[46] Guyton and Hall Textbook of Medical Physiology. 12th ed. Philadelphia: Saunders, 2011.

[47] Parandey OR, Zubarev MA, Dumler AA. Variabel’nost’ impedansometricheskikh markerov udarnogo ob’’ema krovi posle infarkta miokarda – novye vozmozhnosti monitorirovaniya gemodinamiki. Russian Journal of Biomechanics. 2007;11(2) 88–92. (In Russ.)

[48] Парандей О.Р., Зубарев М.А., Думлер А.А. Вариабельность импедансометрических маркеров ударного объема крови после инфаркта миокарда — новые возможности мониторирования гемодинамики // Российский журнал биомеханики. 2007. Т. 11, № 2. С. 88–92.

[49] Shannaho-Khalsa DS, Yates FE. Ultradian sleep rhythms of lateral EEG, autonomic, and cardiovascular activity are coupled in humans. Int J Neuroscience. 2000;101(1–4):21–43. DOI: 10.3109/00207450008986490

[50] Shannaho-Khalsa D.S., Yates F.E. Ultradian sleep rhythms of lateral EEG, autonomic, and cardiovascular activity are coupled in humans // Int. J. Neuroscience. 2000. Vol. 101(1–4). P. 21–43. DOI: 10.3109/00207450008986490

[51] Antonov AA. Gemodinamicheskie aspekty gipertonicheskoi bolezni. Russian Heart Journal. 2006;5(4):210–215. (In Russ.)

[52] Антонов А.А. Гемодинамические аспекты гипертонической болезни // Сердце: журнал для практикующих врачей. 2006. Т. 5, № 4(28). С. 210–215.

[53] Shabrov AV, Sergeev TV, Suvorov NB, et al. Bioengineering system for modeling of passive-dynamic human orientation in space. Journal of New Medical Technologies. 2020;27(4): 87–91. (In Russ.). DOI: 10.24411/1609-2163-2020-16726

[54] Шабров А.В., Сергеев Т.В., Суворов Н.Б. и др. Биотехническая система для моделирования пассивно-динамической ориентации человека в пространстве // Вестник новых медицинских технологий. 2020. Т. 27, № 4. С. 87–91. DOI: 10.24411/1609-2163-2020-16726

[55] Suvorov NB, Bozhokin SV, Yafarov AZ, Sergeev TV. Programma dlya opredeleniya dinamicheskogo indeksa napryazheniya kardiovaskulyarnoy sistemy “CARDIOSTRESS”. Svidetel’stvo o gosudarstvennoy registratsii programm dlya EVM No. 2017614309 at 12.04.2017. (In Russ.)

[56] Суворов Н.Б., Божокин С.В., Яфаров А.З., Сергеев Т.В. Программа для определения динамического индекса напряжения кардиоваскулярной системы «CARDIOSTRESS». Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2017614309 от 12.04.2017.

[57] Semchenkov AA, Ul’yanovskiy AV, Suvorov NB, Sergeev TV. Kardiotrening s funktsiey analiza variabel’nosti serdechnogo ritma. Svidetel’stvo o gosudarstvennoi registratsii programm dlya EVM No. 2013661210 at 02.12.2013. (In Russ.)

[58] Семченков А.А., Ульяновский А.В., Суворов Н.Б., Сергеев Т.В. Кардиотренинг с функцией анализа вариабельности сердечного ритма. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013661210 от 02.12.2013.

[59] Patent RF No. 2712017/24.01.2020. Suvorov NB, Belov AV, Sergeev TV, et al. Complex for synchronous registration of patient’s physiological parameters and its position in three-dimensional space with dynamic postural effects. (In Russ.)

[60] Патент РФ № 2712017/24.01.2020. Суворов Н.Б., Белов А.В., Сергеев Т.В. и др. Комплекс для синхронной регистрации физиологических параметров пациента и его положения в трехмерном пространстве при динамических постуральных воздействиях.

[61] Cherkasova VG. Metody issledovaniya vegetativnoy nervnoy sistemy: metodicheskie rekomendatsii. Perm’; 2010. (In Russ.)

[62] Черкасова В.Г. Методы исследования вегетативной нервной системы: методические рекомендации. Пермь, 2010.

[63] Suvorov NB. Information component in biofeedback control of hyman functional condition. Information and Control Systems. 2002;(1(1)):57–64. (In Russ.)

[64] Суворов Н.Б. Информационная составляющая в биоуправлении функциональным состоянием человека // Информационно-управляющие системы. 2002. № 1(1). C. 57–64.

[65] Guseva NL, Svyatogor LA, Sofronov GA, Odinak MM. Electroencephalographic con-elates of hemo-liquor-dynamics disturbances at various affection of a brain. Medical Academic Journal. 2010;10(3):80–88. (In Russ.)

[66] Гусева Н.Л., Святогор И.А., Софронов Г.А., Одинак М.М. Электроэнцефалографические корреляты нарушения гемоликвородинамики при различных поражениях головного мозга // Медицинский академический журнал. 2010. Т. 10, № 3. С. 80–88.

[67] Patent RF No. 2436503/20.12.2011. Guseva NL, Svyatogor IA. Method for detection of dysfunction of hemoliquorodynamics of cerebrum. (In Russ.)

[68] Патент РФ № 2436503/20.12.2011. Гусева Н.Л., Святогор И.А. Способ выявления нарушения гемоликвородинамики головного мозга.

[69] Guseva NL, Suvorov NB, Pryanishnikova TV. Blood and CSF flow dynamics in the brain according to EEG patterns in oscillatory postural loads. Journal of Medical and Biological Research. 2019;7(1):5–15. (In Russ.). DOI: 10.17238/issn2542-1298.2019.7.1.5

[70] Гусева Н.Л., Суворов Н.Б., Прянишникова Т.В. Особенности гемоликвородинамики головного мозга по паттернам электроэнцефалограммы при колебательных постуральных нагрузках // Журнал медико-биологических исследований. 2019. Т. 7, № 1. С. 5–15. DOI: 10.17238/issn2542-1298.2019.7.1.5

[71] Kuropatenko MV, Sergeev TV, Tolkachev PI, Suvorov NB. Evaluation of dynamic postural impacts with synchronized respiration. Proceedings of the Vserossiyskaya konferentsiya s mezhdunarodnym uchastiem “Fizika i ekologiya elektromagnitnykh kolebaniy”; Sep 25-30, 2017. Agoy, Krasnodarskiy region. P. 36. (In Russ.)

[72] Куропатенко М.В., Сергеев Т.В., Толкачев П.И., Суворов Н.Б. Оценка эффективности динамических постуральных воздействий, синхронизированных с дыханием // Труды I Всероссийской конференции с международным участием «Физика и экология электромагнитных колебаний»; Сентябрь 25–30, 2017. Агой, Краснодарский край. С. 36.

[73] Grishin OV, Kovalenko YV, Grishin VG. The variability of pulmonary gas exchange and respiratory pattern. Human Physiology. 2012;38(2):194–199. DOI: 10.1134/S0362119712020077

[74] Гришин О.В., Гришин В.Г., Коваленко Ю.В. Вариабельность легочного газообмена и дыхательного ритма // Физиология человека. 2012. Т. 38, № 2. С. 87–93.

[75] Kozlov VI, Azizov GA, Gurova OA, Litvin FB. Lazernaya dopplerovskaya floumetriya v otsenke sostoyaniya i rasstroystv mikrotsirkulyatsii krovi. Moscow; 2012. (In Russ.)

[76] Козлов В.И., Азизов Г.А., Гурова О.А., Литвин Ф.Б. Лазерная допплеровская флоуметрия в оценке состояния и расстройств микроциркуляции крови. Москва, 2012.

[77] Shusterman V, Anderson KP, Barnea O. Spontaneous skin temperature oscillations in normal human subjects. Am J Physiol. 1997;273(3 Pt 2):1173–1181. DOI: 10.1152/ajpregu.1997.273.3.R1173

[78] Shusterman V., Anderson K.P., Barnea O. Spontaneous skin temperature oscillations in normal human subjects // Am. J. Physiol. 1997. Vol. 273, No. (3 Pt 2). P. 1173–1181. DOI: 10.1152/ajpregu.1997.273.3.R1173

[79] Webb C, Ma Y, Krishnan S, et al. Epidermal devices for noninvasive, precise, and continuous mapping of macrovascular and microvascular blood flow. Sci Adv. 2015;1(9):e1500701. DOI: 10.1126/sciadv.1500701

[80] Webb C., Ma Y., Krishnan S. et al. Epidermal devices for noninvasive, precise, and continuous mapping of macrovascular and microvascular blood flow // Sci. Adv. 2015. Vol. 1, No. 9. P. e1500701. DOI: 10.1126/sciadv.1500701

[81] Sagaidachnyi AA, Skripal AV, Fomin AV, Usanov DA. Restoration of the blood flow oscillations spectrum through the finger temperature analysis and dispersion of the temperature signal in the biotissue. Regional blood circulation and microcirculation. 2013;12(1):76–82. (In Russ.). DOI: 10.24884/1682-6655-2013-12-1-76-82

[82] Сагайдачный А.А., Скрипаль А.В., Фомин А.В., Усанов Д.А. Восстановление спектра колебаний кровотока из спектра колебаний температуры пальцев рук, дисперсия температурного сигнала в биоткани // Регионарное кровообращение и микроциркуляция. 2013. Т. 12, № 1. С. 76–82. DOI: 10.24884/1682-6655-2013-12-1-76-82

[83] Fleishman AN, Martynov ID, Petrovsky SA, Korablina TV. Orthostatic tachycardia: diagnostic and prognostic value of very low frequency of heart rate variability. Bulletin of Siberian Medicine. 2014;13(4):136–148. (In Russ.)

[84] Флейшман А.Н., Мартынов И.Д., Петровский С.А., Кораблина Т.В. Ортостатическая тахикардия: диагностическое и прогностическое значение Very Low Frequency вариабельности ритма сердца // Бюллетень сибирской медицины. 2014. Т. 13, № 4. С. 136–148. DOI: 10.20538/1682-0363-2014-4-136-148

RIGHTS & PERMISSIONS

Sergeev T.V., Agapova E.A., Anisimov A.A., Belov A.V., Guseva N.L., Kuropatenko M.V., Novikova T.V., Sagirov A.F., Suvorov N.B., Tolkachev P.I., Shabrov A.V.