Исследование газообмена при разных режимах вентиляции в дыхательных упражнениях йоги

Дыхательные упражнения йоги, развивающие способность произвольной регуляции минутного объема дыхания (МОД) и поддержания состояния гиповентиляции, гипоксии и гиперкапнии, могут рассматриваться как способ гипоксически-гиперкапнического тренинга, потенциально способного влиять на церебральное кровообращение и факторы нейропротекции. Однако на данный момент не разработаны инструментальные способы их регистрации, не изучены особенности дыхательных режимов, влияющих на способность развития произвольной гиповентиляции.

Методы: В исследовании приняли участие 44 человека (32 мужчины и 12 женщин), регулярно практикующие дыхательные техники йоги с произвольным снижением частоты дыхания с использованием максимального дыхательного объема (ДО). Осуществлялась регистрация свободного дыхания в течение 2 минут, далее каждый испытуемый выполнял доступный ему дыхательный гиповентиляционный паттерн (минимальные значения ЧД с максимальным ДО, вдох и выдох по длительности равны друг другу). Определялись следующие параметры внешнего дыхания: частота дыхания (ЧД), минутный объем дыхания (МОД), дыхательный объем (ДО), парциальное давление CO2 в выдыхаемом воздухе в конце выдоха (PetCO2 ), процентное содержания О2 в выдыхаемом воздухе (FeO2 ) и сатурации гемоглобина (SpO2 ).

Результаты: По сравнению с дыханием в покое (МОД = M±SD 8,51 ± 2,57 (95% ДИ 7,72–9,29) л/мин; PetCO2 = M±SD 36,98 ± 3,71 (95% ДИ 35,85–38,11) мм рт. ст.) режим с ЧД = 3/мин (вдох и выдох по 10 с), n = 44, приводит к увеличению МОД до M±SD 12,02 ± 3,42 (95% ДИ 10,98–13,06) л/мин (p< 0,001) иснижению CO2 : PetCO2 = M±SD 33,99 ± 3,59 (95% ДИ 32,90–35,08) мм рт. ст. (p< 0,001) — то есть развитию альвеолярной гипокапнии. Режим с ЧД = 1,5/мин (вдох и выдох по 20 с), n = 44, демонстрирует снижение МОД до M±SD 5,95 ± 1,59 (95% ДИ 5,46–6,43) л/мин (p < 0,001) и рост PetCO2 до M±SD 41,19 ± 3,71 (95% ДИ 40,06–42,32) мм рт. ст. (p < 0,001). Режим с ЧД = 1/мин (вдох и выдох по 30 с), n = 24: при снижении ЧД до 1 раза/мин наблюдалось снижение МОД до M±SD 4,22 ± 0,92 (95% ДИ 3,83–4,61) л/мин (p < 0,001) и рост PetCO2 до M±SD 44,05 ± 3,05 (95% ДИ 42,76–45,33) мм рт. ст. (p < 0,001). Паттерн дыхания с ЧД = 1 р/мин сопровождается статистически значимым снижением МОД по сравнению с покоем, а также увеличением PetCO2 и снижением FeO2 , то есть является гиповентиляционным. Нами предложен коэффициент вентиляции (Квент), представляющий собой отношение МОД/ЖЕЛ, позволяющий судить о том, при каких значениях МОД индивидуум достигает состояния гиповентиляции. Предварительно на данной выборке показано, что дыхательное упражнение становится гиповентиляционным при значениях Квент, равных или меньших 1. При Квент в интервале от 1 до 2 режим вентиляции лежит в рамках нормальных значений, при Квент более 2 имеет место гипервентиляция.

Заключение: при выполнении дыхательных упражнений йоги наблюдаются вариации МОД как в сторону гипервентиляции, так и в сторону гиповентиляции с соответствующими сдвигами газообмена (гипокапния при гипервентиляции, гиперкапния при гиповентиляции). Значения МОД, при котором индивидуум достигает гиповентиляционного режима, индивидуальны и могут быть спрогнозированы с помощью коэффициента вентиляции (Квент). 

1. Muralikrishnan K., Balakrishnan B., Balasubramanian K., Visnegarawla F. Measurement of the effect of Isha Yoga on cardiac autonomic nervous system using short-term heart rate variability. Journal of Ayurveda & Integrative Medicine. 2012. April-June. Vol 3. Issue 2.

2. Nivethitha L., Mooventha A., Manjunath N. K. Effects of Various Prānāyāma on Cardiovascular and Autonomic Variables. Anc Sci Life. 2016. Oct — Dec. 36(2): 72-77. DOI: 10.4103/asl.ASL_178_16.

3. Dinesh T., Gaur G. S., Sharma V. K., Madanmohan T., Harichandra Kumar K. T., Bhavanani A. B. Comparative effect of 12 weeks of slow and fast pranayama training on pulmonary function in young, healthy volunteers: A randomized controlled trial. Int J Yoga. 2015. Jan. 8(1): 22-26. DOI: 10.4103/0973-6131.146051

4. Brown R. P., GerbargP. L. Yoga breathing, meditation, and longevity. Ann N Y Acad Sci. 2009. 1172: 54-62.

5. RochaK. K., Ribeiro A. M., RochaK. C., Sousa M. B., Albuquerque F. S., Ribeiro S., et al. Improvement in physiological and psychological parameters after 6 months of yoga practice. Conscious Cogn. 2012. 21: 843-850.

6. Sharma V. K., Rajajeyakumar M., Velkumary S., Subramanian S. K., Bhavanani A. B., Madanmohan A. S., et al. Effect of fast and slow pranayama practice on cognitive functions in healthy volunteers. J Clin Diagn Res. 2014. 8: 10-13.

7. Novaes M. M., Palhano-Fontes F., Onias H., Andrade K. C., LobãoSoares B., Arruda-Sanchez T., et al. Effects of yoga respiratory practice (Bhastrika pranayama) on anxiety, affect, and brain functional connectivity and activity: A randomized controlled trial. Front Psychiatry. 2020. 11: 467.

8. Thanalakshmi J., Maheshkumar K., Kannan R., Sundareswaran L., Venugopal V., Poonguzhali S. Effect of Sheetali pranayama on cardiac autonomic function among patients with primary hypertension: A randomized controlled trial. Complement Ther Clin Pract. 2020. 39: 101138.

9. Miyamura M., Nishimura K., Ishida K., Katayama K., Shimaoka M., Hiruta S. Is man able to breathe once a minute for an hour? The Effect of Yoga Respiration on Blood Gases. Japanese Journal of Physiology. 2002. 52: 313-316. URL: https://doi.org/10.2170/jjphysiol.52.313.

10. McKay J.A.A., McCulloch C.L., Querido J. S., Foster G. E., Koehle M. S., Sheel A. W. The effect of consistent practice of yogic breathing exercises on the human cardiorespiratory system. Respiratory Physiology & Neurobiology. 2016. 233: 41-51. DOI: 10.1016/j.resp.2016.07.005.

11. Miller M. R., Hankinson J., Brusasco V., et al. ATS/ERS Task Force. Standardisation of spirometry. Eur. Respir. J. 2005. Vol. 26: 319-338. DOI: 10.1183/09031936.05.

12. Graham B. L., Steenbruggen I., Miller M. R. et al. Standardization of Spirometry 2019 Update. An Official American Thoracic Society and European Respiratory Society Technical Statement. Am. J. Respir. Crit. Care. Med. 2019. Vol. 200. 4. e70 e88. DOI: 10.1164/rccm.201908-1590ST.

13. СтручковП. В., Борисова О. Е., Цека О. С., Потемкин А. В., ЦекаЕ. О., Маничев И. А., Щербицкий В. Г.Применение капнометрии в пульмонологической практике. Практическая пульмонология. 2016. 3: 62-64.

14. Rybnikova E., Gluschenko T., Tulkova E., Churilova A., Jaroshevich O., Baranova K., Samoilov M. Pre-conditioning induces prolonged expression of transcription factor pCREB and NF-xB in the neocortex of rats before and following severe hypobaric hypoxia. Journal of Neurochemistry. 2008. 106(3): 1450-1458. URL: https://doi.org/10.1111/ j.1471-4159.2008.05516.x.

15. Zhan L., Wang T., Li W., Xu Z. C., Sun W., Xu E. Activation of Akt/FoxO signaling pathway contributes to induction of neuroprotection against transient global cerebral ischemia by hypoxic pre-conditioning in adult rats. Journal of Neurochemistry. 2010. 114(3): 897-908. URL: https://doi.org/10.1111/j.1471-4159.2010.06816.x.

16. Tao T., Liu Y., Zhang J., Xu Y., Li W., Zhao M. Therapeutic hypercapnia improves functional recovery and attenuates injury via antiapoptotic mechanisms in a rat focal cerebral ischemia/reperfusion model. Brain Research. 2013. (1533): 52-62. URL: https://doi.org/10.1016/j.brainres.2013.08.014.

17. Tregub P., Kulikov V., Bespalov A. Tolerance to acute hypoxia maximally increases in case of joint effect of normobaric hypoxia and permissive hypercapnia in rats. Pathophysiology. 2013. 20(3): 165-170. URL: https://doi.org/j.pathophys.2013.09.001.

18. Tregub P., Kulikov V., Motin Y., Bespalov A., Osipov I. Combined exposure to hypercapnia and hypoxia provides its maximum neuroprotective effect during focal ischemic injury in the brain. Journal of Stroke & Cerebrovascular Diseases. 2015. 24(2): 381-387. URL: https://doi.org/10.1016/j.jstrokecerebrovasdis.2014.09.003.

19. Johnny E. Brian, Jr., M. D. Carbon dioxide and the Cerebral Circulation. Anesthesiology. 1998. 88: 1365-1386.

20. Nivethitha L., Mooventhan A., Manjunath N. K., Bathala L., Sharma V. K. Cerebrovascular hemodynamics during pranayama techniques. J Neurosci Rural Pract. 2017. Jan — Mar. 8(1): 60-63. doi: 10.4103/0976-3147.193532

21. Физиология человека / под ред. Р.Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 2007.

22. Quanjer P. H. et al. Multi-ethnic reference values for spirometry for the 3-95 yr age range: The global lung function 2012 equations. Eur. Resp. J. 2012. Vol. 40. 6: 1324-1343.

23. Reivich M. Arterial PCO2 and cerebral hemodynamics. Am J Physiol. 1964. 206: 25-35.

24. Corfield D. R., Murphy K., Josephs O., Adams L., Turner R. Does hypercapnia-induced cerebral vasodilation modulate the hemodynamic response to neural activation? Neuroimage. 2001. 13: 1207-1211.

25. Стручков П. В., Борисова О. Е., Иванушкина А. В., Цека О. С., Потемкин А. В., ЦекаЕ. О., Маничев И. А., Щербицкий В. Г. О значении капнометрического исследования при обследовании курящих лиц и больных с начальными проявлениями хронической обструктивной болезни легких. Пульмонология. 2015. 25(2): 167-174. https://doi.org/10.18093/0869-0189-2015-25-2-167-174.

26. Уэст Дж. Физиология дыхания. Основы. М: Мир, 1988.