Features of cardiorespiratory system indicators in the North and their dynamics in participants of Arctic expeditions and wintering at the Polar Station “North Pole-41”

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The aim of this work was a synchronous study of cardiovascular and respiratory indicators with a search for their relationship among residents of different latitudes and in high-latitude Arctic expeditions. The effect of place of residence on cardiorespiratory system parameters was studied in 113 men – workers of industrial enterprises (Sochi, Moscow, North). Adaptation to short-term Arctic expeditions was assessed in men (43 people in total, aged 35–60 years); 15 Moscow residents of the same age served as a control. The dynamics of adaptive processes in Arctic expeditions was assessed based on the results of testing before and after the start of the expeditions, on SP-41 – monthly. Two two-minute recordings were made on the spiroarterioacardiorrhythmograph (SACR) device: with voluntary breathing and with controlled breathing at a frequency of 6 cycles per minute. The amplitude-temporal values of the average respiratory cycle were assessed, as well as the statistical parameters of heart rate variability (HRV) SDNN and RMSSD. It has been shown that residents of the North, in contrast to both southerners and Muscovites, are characterized by a shorter inspiration. In the HRV indices, northerners showed lower SDNN values compared to Sochi residents, with a similar trend (p = 0.065) for the RMSSD value. Only northerners had correlations between the respiratory and HRV indices. We did not detect any dynamics of the assessed indices of the cardiorespiratory system in short-term (up to 4 weeks) Arctic expeditions, neither with any of the breathing patterns used, nor with double or triple testing. In monitoring at SP-41, it was found that 2–3 days after the start of the expedition, under controlled breathing conditions, the RMSSD index was reduced. A month after the start of wintering, a decrease in the tidal volume in the controlled breathing test (at the trend level, p = 0.078) and a decrease in the SDNN and RMSSD indices were recorded. In high-latitude expeditions, a decrease in autonomic regulation indicators is observed against the background of a reduction in volumetric, but not time-related indicators of the respiratory cycle, which is revealed only when breathing at a frequency of 6 cycles per minute.

About the authors

N. B. Pankova

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com

I. B. Alchinova

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com
Russian Federation,

R. P. Buynov

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com
Russian Federation,

M. A. Lebedeva

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com
Russian Federation,

A. B. Cherepov

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: nbpankova@gmail.com

K. V. Filchuk

Arctic and Antarctic Research Institute

Email: nbpankova@gmail.com
Russian Federation,

M. Yu. Karganov

Institute of General Pathology and Pathophysiology

Author for correspondence.
Email: nbpankova@gmail.com
Russian Federation,

References

  1. Varlamova N.G., Rogachevskaya O.V., Boyko E.R. [External respiration function in youth and girls in heat and cold] // Proceedings of the Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 2014. № 2(18). P. 50.
  2. Popova O.N., Gudkov A.B. [Morphofunctional features of northerners’ respiratory system review] // Ekologiya Cheloveka (Hum. Ecol.). 2009. № 2. P. 53.
  3. Shishkin G.S., Ustyuzhaninova N.V., Gultyaeva V.V. Changes in the functional organization of the respiratory system in residentsof Western Siberia in the winter season // Human Physiology. 2014. V. 40. № 1. P. 91.
  4. Aidaraliyev A.A., Maximov A.L., Mala T. Physiologic adaptation changes of the “Bering Bridge” expedition participants // Arctic Med. Res. 1993. V. 52. № 2. P. 55.
  5. Vdovenko S.I., Maksimov A.L. [The external respiration profiles in young men residing in different climatic and geographical areas of the Magadan region] // Bulletin of the North-East Scientific Center, Russia Academy of Sciences Far East Branch. 2011. № 4. P. 14.
  6. Averyanova I.V., Maksimov A.L. [The adaptive features of cardiohemodynamic and gas exchange readjustment under test load in young northern natives of different generations] // Sib. Sci. Med. J. 2023. V. 43. № 4. P. 55.
  7. Shishkin G.S., Ustyuzhaninova N.V. [Respiration in low temperature conditions] // Bulletin of Physiology and Pathology of Respiration. 2013. № 50. P. 9.
  8. Udaya I.B., Laxmi C.C., Abhishekh H.A. et al. Spirometry Changes in Cold Climatic Conditions of Antarctica // Indian J. Chest. Dis. Allied Sci. 2015. V. 57. № 4. P. 259.
  9. Man'kovs'ka I.M., Moiseienko Ie.V., Demchenko M.P. et al. [Characteristics of changes in respiratory function of humans after a long stay in Antarctic region] // Fiziol. Zh. (1994). 2005. V. 51. № 3. P. 25.
  10. O'Brien K.A., Pollock R.D., Stroud M. et al. Human physiological and metabolic responses to an attempted winter crossing of Antarctica: the effects of prolonged hypobaric hypoxia // Physiol. Rep. 2018. V. 6. № 5. P. e13613.
  11. Lundell R.V., Räisänen-Sokolowski A.K. et al. Diving in the Arctic: Cold water immersion's effects on heart rate variability in Navy divers // Front. Physiol. 2020. V. 31. № 10. P. 1600.
  12. Demin D.B. [Cardiovascular response to wholebody cold exposure in human’s with a different autonomic nervous tone] // Med. Biol. Socio Psychol. Problem Safety Emerg. Sit. 2022. № 2. P. 93.
  13. Ruffle J.K., Hyare H., Howard M.A. et al. The autonomic brain: Multi-dimensional generative hierarchical modelling of the autonomic connectome // Cortex. 2021. V. 143. P. 164.
  14. Matusik P.S., Zhong C., Matusik P.T. et al. Neuroimaging studies of the neural correlates of heart rate variability: A systematic review // J. Clin. Med. 2023. V. 12. № 3. P. 1016.
  15. Vinogradova O.L., Borovik A.S., Zhedyaev R.Yu., Tarasova O.S. Respiratory sinus arrhythmia: Physiological mechanisms and relationship with systemic blood pressure fluctuations // Human Physiology. 2024. V. 50. № 3. P. 276.
  16. Patros M., Ottaviani M.M., Wright L. et al. Quantification of cardiac and respiratory modulation of axonal activity in the human vagus nerve // J. Physiol. 2022. V. 600. № 13. P. 3113.
  17. Cramer H., Sellin C., Schumann D., Dobos G. Yoga in arterial hypertension // Dtsch. Arztebl. Int. 2018. V. 115. № 50. P. 833.
  18. Jayawardena R., Ranasinghe P., Ranawaka H. et al. Exploring the therapeutic benefits of Pranayama (yogic breathing): A systematic review // Int. J. Yoga. 2020. V. 13. № 2. P. 99.
  19. Valueva M.N. [Voluntary regulation of vegetative functions of the organism]. Moscow: Nauka, 1967. 95 p.
  20. Pankova N.B., Semashko L.V. [Physiological analysis of psychophysical training] // Valeology. 2009. № 4. P. 60.
  21. Lalanza J.F., Lorente S., Bullich R. et al. Methods for heart rate variability biofeedback (HRVB): A systematic review and guidelines // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 2023. V. 48. № 3. P. 275.
  22. Pankova N.B., Alchinova I.B., Cherepov A.B. et al. Cardiovascular system parameters in participants of Arctic expeditions // Int. J. Occup. Med. Environ. Health. 2020. V. 33. № 6. P. 819.
  23. Pankova N.B., Buynov R.P., Filchuk K.F. et al. Dynamics of indicators of the cardiovascular system and its autonomic regulation during overwintering in the Arctic // Univ. J. Public Health. 2024. V. 12. № 4. P. 717.
  24. Pivovarov V.V. A Spiroarteriocardiorhythmograph // Biomed. Eng. 2006. V. 40. P. 45
  25. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task force of the European society of cardiology and the North American society of pacing and electrophysiology // Eur. Heart J. 1996. V. 17. № 3. P. 354.
  26. Christensen M.M.B., Hansen C.S., Fleischer J. et al. Normative data on cardiovascular autonomic function in Greenlandic Inuit // BMJ Open Diabetes Res. Care. 2021. V. 9. № 1. P. e002121.
  27. Moraes M.M., Bruzzi R.S., Martins Y.A.T. et al. Hormonal, autonomic cardiac and mood states changes during an Antarctic expedition: From ship travel to camping in Snow Island // Physiol. Behav. 2020. V. 224. P. 113069.
  28. Maggioni M.A., Merati G., Castiglioni P. et al. Reduced vagal modulations of heart rate during overwintering in Antarctica // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 21810.
  29. Sevoz-Couche C., Laborde S. Heart rate variability and slow-paced breathing:when coherence meets resonance // Neurosci. Biobehav Rev. 2022. V. 135. P. 104576.
  30. Gholamrezaei A., Van Diest I., Aziz Q. et al. Psychophysiological responses to various slow, deep breathing techniques // Psychophysiology. 2021. V. 58. № 2. P. e13712.
  31. Del Coco L., Greco M., Inguscio A. et al. Blood metabolite profiling of Antarctic Expedition members: An 1H NMR spectroscopy-based study // Int. J. Mol. Sci. 2023. V. 24. № 9. P. 8459.
  32. La Rovere M.T., Porta A., Schwartz P.J. Autonomic control of the heart and its clinical Impact. A personal perspective // Front. Physiol. 2020. V. 11. P. 582.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».