Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) является универсальным методом с широким диапазоном применения. Ее можно применять к любому участку тела для измерения местной оксигенации. Во всё растущем количестве исследований, наиболее часто NIRS применяется одновременно к коре головного мозга и мышцам, чтобы получить информацию о нервной и мышечной активности, например, во время физических упражнений, тестов на внимательность, и длительных «марафонских» нагрузках. В этой статье мы опишем области применения, в которых используются одновременные измерения области мозга и мышц; выделим исследования по категориям и объясним, как наши современные устройства fNIRS могут обеспечить оптимальное решение для комбинированных измерений.
Спектроскопия ближнего инфракрасного диапазона (NIRS) — это неинвазивная технология, которая измеряет изменения относительных концентраций оксигенированного гемоглобина (O2Hb) и дезоксигенированного гемоглобина (HHb) на ограниченном участке ткани, например, в мышцах или мозге. Поскольку метод NIRS неинвазивен, прост в использовании и зачастую портативен, его можно применять в самых разных областях исследований, включая эксперименты, включающие поступательные движение (бег, ходьба) или физические упражнения. Такие преимущества делают его идеальным инструментом, который можно использовать не только для экспериментов, проводимых в лаборатории, но и в «полевых» естественных условиях.
Возможности применения метода при одновременных NIRS-измерений мозга и мышц
Во все растущем числе областей применения, NIRS применяется в одновременных измерениях концентраций гемоглобина в коре и мышцах, чтобы получить четкую картину системной оксигенации в организме. Ниже мы объясняем потенциальные преимущества объединения NIRS головного мозга и мышц по категориям и выделяем важные современные публикации по этой проблематике.
Спортивная наука – сравнение оксигенации мышц и коры головного мозга
Первые применения NIRS часто проводились исключительно для спортивных исследований, особенно для мониторинга локального потребления кислорода в различных группах мышц. В последние годы использование fNIRS для измерения активности мозга все чаще используется в науках о спорте и физических упражнениях, поскольку такое исследование может предоставить информацию о когнитивном состоянии, процессах принятия решений или двигательной активности во время упражнений. Следовательно, fNIRS преимущественно применяется в префронтальной и/или моторной коре головного мозга. Одновременное измерение оксигенации мышц и мозга во время тренировки может использоваться по разным причинам: оно помогает получить полную картину системной оксигенации, сравнить состояние кислорода в нейронах и мышцах или оценить эффект определенных стратегий тренировок для улучшения спортивных результатов.
- Zadeh et al. провели исследование, чтобы одновременно измерить и сравнить мозговую и мышечную оксигенацию во время прогрессивных упражнений (упражнения с возрастающей нагрузкой). Участники выполняли тест с максимальной дополнительной нагрузкой, при этом измерения NIRS проводились в префронтальной коре и латеральной широкой мышце с помощью PortaLite / PortaMon до и после достижения анаэробного порога (АТ). В латеральной широкой мышце Hb-diff (разница между O2Hb и HHb) значительно снизилась после АТ. Напротив этому, сообщалось об увеличении Hb-diff в префронтальной коре после АТ, что указывает на хорошо функционирующую церебральную ауторегуляцию даже при метаболическом утомлении. Результаты подтвердили возможность измерения оксигенации мозга и мышц одновременно с NIRS во время прогрессивных упражнений.
- В исследовании Cherouveim et al. оценивалась связь между ограничением мышечного кровотока, изменениями церебральной гемодинамики и снижением физической активности. Среди прочего, OxyMon использовался для одновременного измерения активности префронтального мозга и оксигенации мышц латеральной широкой мышцы бедра, в то время как участники выполняли максимальные дополнительные упражнения с (WC) и без (NC) ограничения кровотока. Мышечная оксигенация и производительность упражнений значительно снизились в состоянии NC по сравнению с WC. Значительно более низкая оксигенация мозга при максимальном усилии может быть обнаружена в условиях WC по сравнению с состоянием NC.
Гипоксия — Получение детальной картины оксигенации в условиях гипоксии
Гипоксия определяется как любое состояние, при котором потребность тканей в кислороде превышает фактическое снабжение кислородом. Понимание физиологических механизмов в условиях гипоксии и того, какие потенциальные механизмы борьбы с гипоксией может развить организм человека, имеет решающее значение. Поскольку NIRS может измерять статус оксигенации в местных тканях, он уже многие годы успешно используется в качестве инструмента для исследования гипоксии и исследований в горном альпинизме.
Воздействие гипоксии или высоты может влиять на оксигенацию всего организма, но, вероятно, в разной степени и с задержкой во времени. Таким образом, в последние годы можно обнаружить все большее количество статей NIRS, измеряющих мозг и мышцы одновременно во время гипоксии. Гипоксия может изменить подачу кислорода, особенно во время физических упражнений, поэтому различные исследования оценивают эффективность упражнений в условиях гипоксии.
- Например, Rupp et al. оценили влияние нормобарической гипоксии (НГ) и гипобарической гипоксии (ГГ) на цереброваскулярные и мышечные реакции во время аэробных упражнений в индивидуальном темпе с использованием OxyMon. ГГ привел к увеличению нарушений работоспособности и ритма по сравнению с НГ, вероятно, из-за различий в системных изменениях и оксигенации головного мозга. HH требовал более высоких адаптивных затрат для поддержания доставки кислорода в мозг, что приводило к снижению абсолютной выходной мощности по сравнению с НГ.
- Аналогичным образом, Rosales et al. оценили влияние острой нормобарической и гипобарической гипоксии на физиологию человека. OxyMon применялся одновременно и к мозгу, и к мышцам, чтобы получить полную картину состояния кислорода в различных условиях. В мышцах уровень HbO2 снижался, а уровень HHb повышался во время физических упражнений во всех условиях. Оксигенация мозга была ниже при высокогорной гипоксии по сравнению с гиппоксией на уровне моря (нулевая отметка высоыт над уровнем моря). Исследование показывает, что во время гипоксии мышцы могут сохранять кислородный тонус, а мозг — нет, что может быть вызвано компенсацией сердечной деятельности, зависящей от окружающей среды. Следовательно, необходима предельная осторожность при сравнении различных типов гипоксического воздействия.
- Baur et al. провели исследование, чтобы выяснить, чередует ли переноска нагрузки при нормоксии и гипоксии гемодинамику, оксигенацию тканей и метаболизм, а также дыхательные реакции. Участники выполняли базовые и упражнения с утяжелением в трех различных условиях. Среди прочих средств измерений, OctaMon и PortaMon использовались для одновременного измерения гемодинамики префронтальной коры и оксигенации участков мышц на латеральной широкой мышце бедра соответственно. Результаты показали снижение кардиореспираторной эффективности и увеличение нагрузки при переноске тяжестей, особенно в условиях гипоксии, что может привести к увеличению риска высотной болезни.
Клинические и реабилитационная оценки – анализ эффективности при терапии и реабилитации
NIRS часто используется в клинических исследованиях для оценки оксигенации мышц или коры головного мозга в различных областях применения, таких как сердечно-сосудистые или неврологические исследования. Одновременные измерения мозга и мышц являются относительно новым явлением в клинических и реабилитационных экспериментах. Они могут дать определенные преимущества, например, получение дополнительной информации об эффективности терапии или стратегий реабилитации при различных заболеваниях и группах пациентов.
- С этой целью Dutta et al. провели исследование по оценке потенциала нервно-мышечной электростимуляции (НМЭС) как возможного инструмента терапии у пациентов, страдающих хронической венозной недостаточностью (ХВН). Мышечная NIRS измерялась на икроножной мышце, и одновременно применялся OctaMon для регистрации активности префронтального мозга, в то время как здоровые участники выполняли физические упражнения с движением на цыпочках с разной частотой. Было обнаружено значительное снижение оксигенации мышц с увеличением частоты движений на цыпочках и интенсивности НМЭС. Напротив этому, было показано, что префронтальная нейронная активность значительно увеличивается при увеличении интенсивности НМЭС. Обобщенные результаты показывают, что использование комбинации НМЭС с NIRS измерениями в префронтальной коре и мышцах, желательно использовать у пациентов с ХВН.
- Machfer et al. оценили возможную связь нервно-мышечного утомления из-за физических упражнений и оксигенации головного мозга и мышц у пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности (ТПН). Среди прочего, оксигенация тканей измерялась одновременно с помощью системы OxyMon на латеральной широкой мышце бедра и префронтальной коре, в то время как пациенты и здоровые участники выполняли физические упражнения. Хотя мышечный O2Hb существенно не отличался у здоровых и больных людей, было обнаружено, что уровень tHb и HHb в мозге и мышцах ослабевает у пациентов с ТПН, а церебральный уровень tHb положительно коррелирует со временем до истощения, как у пациентов, так и у здоровых участников. Эти данные указывают на то, что церебральная гипоперфузия у пациентов с ТПН может играть роль в снижении способности к физической нагрузке.
Одновременное измерение оксигенации коры головного мозга и различных групп мышц с помощью fNIRS-устройств от производителя Artinis
Ведущий мировой производитель fNIRS-устройств Artinis предлагает широкую линейку продуктов, которые можно применять к любому участку тела. Исходя из этого мы можем предложить различные решения для одновременного измерения показателей мозга и мышц.
fNIRS система PortaLiteMKII, позволяющая подключить два датчика к одному блоку управления, предлагает возможность одновременного применения на разных участках и разных тканях. Это позволяет проводить измерения в мозге и мышцах одновременно с помощью одного универсального устройства. PortaLite является полностью портативным и беспроводным устройством, что расширяет возможности его применения в различных областях исследований. Кроме того, он обладает превосходными функциями, такими как высокая частота дискретизации, короткие разделительные каналы для измерения поверхностных слоев тканей и возможность добавления 6-осевого датчика движения, что делает его точным и надежным инструментом для измерения оксигенации мозга и мышц в любых сложных экспериментах, как в лабораторных условиях, так и в условиях естественной окружающей среды.
В случаях необходимости более широкого охвата области мозга или измерения различных групп мышц и префронтальной коры, возможны другие решения: программное обеспечение OxySoft позволяет подключать до тридцати устройств одновременно, чтобы обеспечить полную синхронизацию данных при параллельном измерении из разных точек или разных испытуемых. Таким образом, устройства для измерения мышечной оксигенации, такие как PortaMon, и устройства для измерения мозговой активности, например, устройства BriteFamily, можно одновременно использовать в одном эксперименте, сохраняя данные в одном файле измерений. Кроме того, эти устройства портативны, беспроводны и легки, поэтому их можно идеально применять для измерений, связанных с движением, при физических нагрузках или физических упражнениях, а также за пределами типичных лабораторных условий.
