что происходит с мозгом при задержке дыхания
Что происходит с мозгом при задержке дыхания
С целью изучения состояния регуляторных систем при задержке дыхания нами было обследовано 48 человек в возрасте 19,2 ± 0,7 года. Перед началом задержки дыхания у испытуемых измеряли длину и массу тела, электропроводность кожи, артериальное давление, частоту сердечных сокращений, на основании которых произвели расчет систолического объема и минутного объема кровотока, проводили запись ЭКГ.
Нами было отмечено, что время задержки дыхания имеет достоверную прямую корреляционную связь с длиной тела и систолическим артериальным давлением и не зависит от объемной скорости кровотока. По завершению проб на задержку дыхания, а также в конце восстановительных периодов проводили регистрацию гемодинамических показателей, электропроводности кожи, рассчитывали производные от них. После задержки дыхания на вдохе (пробы Штанге) произошло достоверное увеличение систолического артериального давления, систолического объема, МОК и электропроводности кожи, после задержки дыхания на выдохе (пробы Генча) увеличились систолическое артериальное давление и электропроводность кожи.
Далее нами проведен статистический, геометрический и спектральный анализ основных показателей вариабельности сердечного ритма (ВСР) с помощью программы ИСКИМ6 на основании записи ЭКГ аппаратным комплексом «Варикард 2.51». Исследования проводили перед выполнением проб, во время их выполнения и в восстановительные периоды. Было установлено, что задержка дыхания приводит к снижению доли высокочастотного компонента ВСР и увеличению низкочастотного. Отмечается также увеличение суммарного эффекта регуляции.
Таким образом, в ходе выполнения проб с задержкой дыхания происходит снижение парасимпатических влияний и увеличение симпатических, возрастает доля центральных механизмов, которые начинают доминировать над автономным контуром. Реакция организма обеспечена также и миогенными механизмами регуляции. Результаты исследования следует рассматривать как напряжение адаптивных механизмов в ответ на предъявляемую нагрузку.
Мозг без кислорода. Почему задержка дыхания на 6 минут не оказывается смертельной?
Многие люди, впервые столкнувшиеся с рассказами о том, что человек может задержать дыхание более, чем на 6 минут отмахиваются и говорят: «Да быть такого не может! Мозг человека умирает за 6 минут без кислорода!». Так плотно эта «истина» забралась в головы людей, что задержавшие дыхание на более, чем 6 минут и вышедшие от туда живыми и невредимыми люди кажутся мифом или полубогами. Давайте разбираться.
Дело не в суперспособностях или допинге. Дело в том, что происходит путаница понятий. Мозг умирает во время клинической смерти, т.е. когда физиологические процессы, в том числе работа сердца, останавливаются. А при задержке дыхания остановка сердцебиения не наблюдается. Оно лишь замедляет свой ритм.
Какие процессы происходят во время клинической смерти?
После остановки сердца в мозг «потребляет» кислород, который остался в нем. Дальше мозг остается без кислорода. Первые минуты страдает кора головного мозга. На научном языке процесс имеет определение «декортикация». Если человек будет спасен, а процесс отмирания клеток уже начался, то возможно, что при спасении многие нормальные функции будут нарушены. После коры настает черед таламуса и гиппокампа. Если начался процесс отмирания клеток в этих двух отделах головного мозга, гарантировано серьезное нарушение физиологических функциий организма. Без специальных медицинских аппаратов существование будет невозможно.
Получается, что действительно мозг без кислорода в течение в среднем 6 минут умирает или необратимо и серьезно повреждается. Но как тогда люди задерживают дыхание больше, чем на 6 минут и остаются живыми и невредимыми?
Какие процессы происходят при задержке дыхания?
Многие люди считают, что они вдыхают 100% кислорода, а выдыхают 100% углекислого газа. «И как же задерживать дыхания при таком раскладе?» — думают они. И вправду, если бы процесс дыхания был таким, то задержать его (дыхание) было бы очень не просто не только на шесть минут, но и на одну минутку.
«Когда человек дышит, то вдыхает 78% азота, 21% кислорода и 1% инертных газов. Это примерный и округленный состав атмосферного воздуха. Получается, что мы не дышим стопроцентным кислородом. Выдыхая, человек возвращает в атмосферу другой состав: 78% азота, 17% кислорода, 4% углекислого газа, 1% инертных газов (опять же примерно и округленно).»
На самом же деле, когда человек дышит, то вдыхает 78% азота, 21% кислорода и 1% инертных газов. Это примерный и округленный состав атмосферного воздуха. Получается, что мы не дышим стопроцентным кислородом. Выдыхая, человек возвращает в атмосферу другой состав: 78% азота, 17% кислорода, 4% углекислого газа, 1% инертных газов (опять же примерно и округленно). То есть за один цикл вдох-выдох человек потребляет всего 19% того кислорода, который попадает в его организм. Остальные 81% выдыхаются обратно. Фактически, запас кислорода в легких имеется всегда, и для насыщения мозга на первых минутах этого процента хватит, при условии, что сердце бьется и «гонит» кровь по организму. А оно бьется. При задержке дыхания мозг получает кислород, пусть в ограниченном количестве, но процесс транспортировки происходит.
Также, во время задержки дыхания под водой, человек приспособлен, как представитель млекопитающих. Нырятельный рефлекс млекопитающих включает дополнительные процессы в организме, которые способствуют экономии кислорода организмом. К этим процессам относятся замедление частоты сердечных сокращений, замедление метаболических процессов, кровяной сдвиг и прочее.Кровяной сдвиг, включенный в один из этапов нырятельного рефлекса млекопитающих, создает отток крови от конечностей, создавая приток во внутреннем круге кровообращения, чтобы все жизненно важные органы получали кислород. Подробнее об этих процессах можно прочитать в нашей статье о нырятельном рефлексе млекопитающих.
Узнать о том как научиться задерживать дыхание на 6 и более минут или о том как увеличить уже имеющуюся задержку дыхания вы сможете на нашем курсе «Как увеличить задержку дыхания?«
Что происходит с мозгом, когда мы задерживаем дыхание
Как долго человек может задерживать дыхание, что при этом происходит с мозгом, чем полезна медитация и опасно холотропное дыхание, «Чердаку» рассказали Патриция Ратманова, ведущий научный сотрудник кафедры высшей нервной деятельности биофака МГУ, и Ирина Зеленкова, ведущий специалист Инновационного центра Олимпийского комитета России.
Идея исследования, результаты которого опубликованы в European Journal of Applied Physiology, родилась из практической работы Ирины, тренера по фридайвингу — нырянию без акваланга. Спортсмены-фридайверы ныряют в бассейне или в море. На соревнованиях, задержав дыхание, они спокойно лежат, плывут как можно дальше или как можно глубже ныряют.
«Рекорды мира фантастические — задержка дыхания более чем на 11 минут в покое, 200 метров в длину в бассейне и 217 метров в глубину. Но что происходит в это время в организме, еще до конца не изучено, долгосрочные эффекты тоже непонятны», — рассказала Ирина.
Чем дольше длится задержка дыхания, тем больше накапливается в крови углекислого газа, а содержание кислорода снижается. Исследователи предположили, что в таких условиях работа головного мозга может измениться: снизится скорость реакций и мыслительных процессов, ухудшится внимание.
Долго ли можно не дышать
В исследовании сравнивали результаты двух групп испытуемых: 13 профессиональных фридайверов и девяти человек без специальной подготовки. Дольше всего задержал дыхание один из профессиональных фридрайверов — на 5 минут 45 секунд.
Считается, что обычный человек может не дышать около минуты, но в процессе исследования выяснилось, что это не так. Если заранее объяснить участнику, что его ждет и какие ощущения он будет испытывать, то время задержки дыхания можно увеличить, сняв психологический барьер. Благодаря этому в контрольной группе лучший результат был 4 минуты 23 секунды.
«Если знать, что происходит с организмом во время задержки дыхания, чего следует бояться, а чего нет, можно спокойно воспринимать неприятные ощущения и увеличить задержку дыхания до 2-3 минут. Пока не начнутся непроизвольные сокращения диафрагмы — рефлекторные позывы на вдох, опасаться нечего», — сказала Патриция Ратманова.
Что происходит при длительной задержке дыхания
Для того чтобы оценить работу мозга и состояние организма во время задержки дыхания, исследователи записывали электроэнцефалограмму, кардиограмму, давление крови, уровень содержания кислорода в крови и тканях головного мозга и другие показатели. Сразу после задержки дыхания испытуемым давали тест на внимание и зрительно-моторную координацию — корректурную пробу. Добровольцы получали лист с рядами букв, напечатанными в произвольном порядке. Их задачей было просматривать буквы и искать те, что были названы исследователями. Одну из заданных букв они должны были подчеркивать, другую — зачеркивать.
«Мы ожидали, что работа мозга ухудшится, а все оказалось совершенно не так. Мозговая активность не менялась, внимание не снижалось — никаких негативных изменений мы не обнаружили, даже при длительных задержках дыхания», — рассказала Патриция.
Ученые предположили, что у человека, как и у морских млекопитающих (китов, дельфинов, тюленей), запускается так называемый «нырятельный рефлекс». Он направлен на то, чтобы защитить головной мозг и сердце от нехватки кислорода.
Во время «нырятельного рефлекса» на периферии тела сужаются сосуды, что уменьшает приток крови к мышцам и потребление кислорода, повышается давление крови и замедляется ритм сердца. В результате кровь в основном поступает к сердцу и мозгу. В мозге сосуды, наоборот, расширяются, усиливается кровоток и снабжение клеток мозга кислородом. В результате работа мозга при задержке дыхания не страдает.
Медитация и холотропное дыхание
Тем не менее дыхательные упражнения могут влиять на работу мозга, иногда это влияние положительно, иногда — опасно.
«Техники, которые используются в медитациях, как правило, связаны с замедлением дыхательного ритма или с непродолжительными задержками дыхания. Их главная задача — помочь человеку сконцентрироваться на ощущениях собственного тела, отвлечься от внешних раздражителей. Вреда от таких дыхательных упражнений нет», — объяснила Патриция.
Опасна может быть гипервентиляция, которая, например, лежит в основе холотропного дыхания.
«Когда мы глубоко и ритмично дышим, то у нас из крови вымывается углекислый газ. Организм реагирует на это рефлекторным сужением сосудов. В результате, несмотря на глубокое дыхание, возникает так называемая церебральная гипоксия — нехватка кислорода в головном мозге», — сказала исследователь.
У некоторых людей это может спровоцировать приступ эпилепсии. «Есть те, кто предрасположен к эпилепсии и даже не подозревает об этом. Такие люди могут всю жизнь прожить без единого приступа, если не спровоцировать его гипервентиляцией. А после того, как эпилепсия проявится в первый раз, приступы могут повторяться», — предупредила ученый.
Что происходит с мозгом при задержке дыхания
Большинство людей не контролирует свое дыхание. Следует отметить, чем выше частота дыхания, тем больше вероятность возникновения серьезных проблем со здоровьем.
Итак, как же дышать правильно и с пользой для здоровья?
Дыхание через нос является наиболее правильным и оптимальным, в то время как дыхание ртом снижает оксигенацию тканей, повышает частоту сердечных сокращений и кровяное давление, а также имеет множество других неблагоприятных последствий для здоровья.
Преимущества носового дыхания очевидны.
При дыхании через рот отсутствуют барьеры, препятствующие попаданию болезнетворных микробов в организм.
Во-вторых, носовое дыхание обеспечивает лучший кровоток и объем легких. Расширение сосудов под воздействием оксида азота увеличивает площадь поверхности альвеол, в результате чего кислород в легких поглощается более эффективно.
Носовое дыхание (в отличие от дыхания через рот) улучшает кровообращение, повышает уровень кислорода в крови и уровень углекислого газа, замедляет частоту дыхания и увеличивает общий объем легких.
Постоянное дыхание через рот вызывает сужение дыхательных путей.
При дыхании через рот происходит чрезмерная стимуляция легких кислородом, но поскольку поступающий таким образом воздух не увлажнен, а сосуды недостаточно расширены, то фактическая абсорбция кислорода через альвеолы значительно ниже, чем при носовом дыхании.
В-третьих, носовое дыхание участвует в терморегуляции организма, помогая поддерживать температуру тела.
В-четвертых, дыхание через нос улучшает мозговую деятельность и функционирование всех органов и систем организма.
Носовое дыхание, как часть дыхательного процесса в организме, также контролируется гипоталамусом. При увеличении воздушного потока через правую ноздрю наблюдается повышение активности левого полушария мозга, отвечающего за логику и анализ, а при увеличении воздушного потока через левую ноздрю наблюдается повышение активности правого полушария мозга, отвечающего за обработку невербальной информации и пространственную ориентацию.
При дыхании через рот мы отказываем в оптимальной оксигенации нашему сердцу, мозгу и всем другим органам, в результате чего могут развиться аритмии и другие сердечные заболевания.
В пятых, носовое дыхание помогает при высоких физических нагрузках, в том числе во время тренировок.
Когда уровень углекислого газа в нашем организме слишком низкий, происходит нарушение кислотно-щелочного равновесия, изменяется pH крови, что приводит к ухудшению способности гемоглобина выделять кислород нашим клеткам (эффект Вериго – Бора). Эффект Вериго-Бора был открыт независимо друг от друга русским физиологом Б.Ф. Вериго в 1892 году и датским физиологом К. Бором в 1904 году, и заключается он в зависимости степени диссоциации оксигемоглобина от величины парциального давления углекислоты в альвеолярном воздухе и крови. При снижении парциального давления углекислого газа в крови сродство кислорода к гемоглобину повышается, что препятствует переходу кислорода из капилляров в ткани.
Носовое дыхание создает примерно на 50 % больше сопротивления воздушному потоку у здоровых людей, чем дыхание через рот, а также помогает замедлить дыхательный цикл, уменьшить количество дыхательных движений, что приводит к увеличению поглощения кислорода на 10-20 %.
Таким образом, если мы хотим улучшить свои физические показатели, во время физических нагрузок следует дышать носом. Интенсивность занятий спортом необходимо регулировать в соответствии с дыханием. Если вы чувствуете, что дыхания носом вам не хватает, необходимо снизить темп тренировки. Это временное явление, через довольно быстрый промежуток времени организм начнет приспосабливаться к повышенному уровню углекислого газа.
В шестых, носовое дыхание обладает терапевтическим действием. При правильном дыхании через нос можно снизить артериальное давление и снизить уровень стресса.
Дыхание через рот может привести к нарушению прикуса, изменению анатомии лица у детей, ухудшает качество сна, в результате чего мы выглядим и чувствуем себя уставшим. Также при дыхании через рот ускоряется потеря воды, в результате чего возможно обезвоживание.
При дыхании через рот пропускается много важных этапов в этом физиологическом процессе, что может привести к проблемам со здоровьем, таким как храп, ночное апноэ. Дыхание через рот способствует гипервентиляции, которая фактически снижает оксигенацию тканей. Дыхание ртом также приводит к снижению уровня углекислого газа в организме и снижению способности легких отфильтровывать токсичные загрязнения, поступающие из воздуха.
Дыхание ртом можно использовать в экстренных случаях. При гипоксии наш организм рефлекторно реагирует на недостаток кислорода, начиная зевать, пытаясь таким образом увеличить количество поступающего воздуха.
В следующий раз мы рассмотрим несколько техник контролируемого дыхания, которые помогут вам улучшить свое здоровье.
Влияние задержки дыхания на мозг и мышцы
Всем известно ощущение нехватки кислорода. Одышка появляется при задержке дыхания, выполнении тяжелых упражнений или подъеме на высоту. Ученые установили, что ее возникновение в большей степени связано с избыточным количеством углекислого газа в крови, нежели с недостатком кислорода. Влияние задержки дыхания на мозг человека исследовалось не только у обычных людей, но и у дайверов. Профессионалы могут задерживать дыхание более чем на 11 минут, и это не предел.
Содержание
Проведенные исследования
Ученых уже давно интересует, что происходит в организме дайверов, когда они задерживают дыхание, что определяет пределы возможного и как эти навыки можно использовать в других условиях.
Недавно в Европейском журнале прикладной физиологии было опубликовано исследование, в котором принимали участие люди, не имеющие специальной подготовки, то есть не тренирующие задержку дыхания. Суть эксперимента проста — человек задерживает дыхание, а специалисты измеряют частоту сердечных сокращений и уровень кислорода. Это показывает как организм справляется с гипоксией и что в это время происходит.
Данный эксперимент проводился в Бельгии, в Гентском университете. Специалисты отобрали 31 добровольца — 14 женщин и 17 мужчин. Испытуемые задерживали дыхание три раза подряд с двухминутным перерывом. Было отмечено, что при повторных задержках результаты были лучше. В какой-то мере это связано с тем, что при гипоксии селезенка начинает продуцировать большее количество эритроцитов, функция которых перенос кислорода. Во время последней задержки дыхания у испытуемых были проведены дополнительные замеры — определяли не только частоту сердечных сокращений и оксигенацию в мозге, но и концентрацию кислорода в мышцах ног.
Испытуемые третий раз задерживали дыхание на 37 секунд. Это достаточно хороший показатель для нетренированных людей. Ниже представлена диаграмма того как при этом выглядела средняя частота пульса. На графике изображены первые 60 секунд (слева) и последние 60 секунд (справа). Серым показано время, когда человек начал и прекратил задержку дыхания.
Синие точки — это средние значения, их количество увеличивается по мере того, как человек готовится задержать дыхание. Возможно это связано с опасением или возбуждением, а может быть это результат нескольких глубоких вдохов подряд. Испытуемым было запрещено гипервентилировать легкие перед задержкой дыхания, чтобы из организма не удалилось большое количество углекислого газа — это бы позволило задержать дыхание на более продолжительное время. Испытуемых предупредили за 30 секунд, а за 10 секунд был начат обратный отсчет.
Через 10 секунд после задержки дыхания частота сердечных сокращений у испытуемых замедлилась, и в итоге снизилась на 27 ударов в минуту. Максимально низкая частота пульса отмечалась на 83 секунде.
Если кровообращение человека резко прекращается, он в течение 30 секунд может потерять сознание, а мозг получит необратимые повреждения в течение 2–10 минут. В процессе исследования один человек потерял сознание, а у второго стала сильно кружиться голова — их результаты на графике отмечены серией красных и белых точек.
Что происходит в мышцах ног
Как и у других млекопитающих, у людей имеется реакция ныряния, она появляется в момент задержки дыхания. Она улучшается, если лицо человека погружено в воду. Кровеносные сосуды, которые ведут к мышцам, сужаются, и кровь перенаправляется в мозг. Подобие этой реакции происходит и на суше.
Оксигенация тканей мышц ног проводилась с помощью ближней инфракрасной спектроскопии — через кожу проходит инфракрасный свет, что позволяет измерить насколько мышцы насыщены кислородом. Результат исследования — уровень кислорода в мышцах уменьшается уже на 5 секунде задержки дыхания, и продолжает падать до тех пор, пока дыхание не восстанавливается. То есть и на суше сосуды крови сужаются, чтобы перенаправить больше крови в мозг.
Изменения в головном мозге
Оксигенация мозга тоже проводилась при помощи спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне. Результаты оказались очень интересными.
Как видно на графике уровень кислорода в головном мозге сначала снизился. Возможно это связано с падением артериального давления. Однако, через 5 секунд начал возрастать, а через 60 секунд стал на 4% больше исходного. Это демонстрация самозащиты мозга — человек задерживает дыхание, но получает при этом больше кислорода.
Такое положение вещей продолжается недолго. Постепенно концентрация кислорода уменьшается и продолжает снижаться до тех пор, пока человек не сделает вдох. По результатам исследования после вдоха испытуемых уровень кислорода в мозге сократился на 5%.
У дайверов такое происходит через 2,5 минуты. Это значит, что они не лучше поддерживают уровень кислорода в мозге, а просто преодолевают естественное желание сделать вдох.
Вернемся к двум испытуемым, которые не смогли долго задерживать дыхание. Как видно на графике, их показатели отличаются от других людей. У них уровень кислорода резко падает, затем некоторое время происходит компенсация, после чего снижается до критических отметок, что и влечет за сбой головокружение и потерю сознания. Кроме того, на графике видно, что у этих людей была слабая реакция на перекачивание крови из мышц к головному мозгу (красные точки). Что касается белых точек — видно, что произошли нарушения, а результат был тем же — недостаток кислорода в мозге.
Зачем все это
Данные исследования преследовали много целей, одна из них — усовершенствование рекомендаций к тренировкам с задержкой дыхания для повышения спортивных и высотных показателей. В предыдущих исследованиях принимали участие профессиональные дайверы, и было непонятно какими именно будут результаты обычных неподготовленных людей. Обморок и головокружение говорят о том, что в дальнейшем необходима осторожность. Важно знать предупреждающие признаки обморока и никогда не проводить тренировки по задержке дыхания в одиночку.