Variations of human heart bioelectrical signals at hypoxic exposure

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

BACKGROUND: In the area of physiology and medicine, special emphasis is placed on the study of hypoxic conditions. Hypoxic responses of some major physiological systems, including blood circulation, are described. However, the cardiological component of these individual responses, and their variability at different levels of acute hypoxia (AH) remains a poorly-studied aspect.

AIM: To study the individual characteristics of the response types in conjugated ECG parameters, and their variations at different stages of mild and medium AH.

MATERIAL AND METHODS: The experiments were performed on male subjects (18–26 years old) divided into two groups (n1=30 and n2=29), who were exposed to AH of 14.5% at 12.3% O2 for 20 min. Amplitude (P1II, RII, T1II, BAL, BAR) and temporal (R–R, Q–T) ECG parameters, and blood oxygenation (SpO2) were determined at AH periods (at 5, 10, and 20 min respectively). In subgroups (clusters), the features of types with “low” and “high” responses, and their stability in AH are described.

RESULTS: Clustering of ECG variations with AH of 14.5% and 12.3% O2 identified two subgroups (clusters), that differed at least in the magnitude of the decrease in the total BAL and R–R. With AH of 14.5% O2, the number of different ECG parameters between subgroups gradually increased: at 5 min — BAL (p <0.001), at 20 min — RII (p=0.047), T1II (p=0.016), BAL (p <0.001), R–R (p=0.035), Q–T (p=0.008), and with AH 12.3% O2 — only BAL (p <0.001). It was found that at all periods of AH of 14.5% O2, in 60% of individuals, the type of response remained. Regarding AH of 12.3% O2 — in 55.2% of the other cases, the type of response of ECG parameters changed. At the same time, no parallels were observed between the types of reactions and deviations in SрO2.

CONCLUSION: From this study, It can be assumed that there are two types of conjugated reactions of ECG parameters in response to mild and medium AH, and their variability is absent in 40% and 44.8% of cases, respectively, as well as the independence of differentiation of ECG responses types from hypoxemia.

About the authors

Mihail I. Bocharov

Komi science centre of the Ural branch of the Russian academy of sciences

Email: bocha48@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6918-5523
SPIN-code: 7435-1550

MD, Dr. Sci. (Biol.), professor

Russian Federation, Syktyvkar

Aleksandr S. Shilov

Komi science centre of the Ural branch of the Russian academy of sciences

Author for correspondence.
Email: shelove@list.ru
ORCID iD: 0000-0002-0520-581X
SPIN-code: 9039-4883
ResearcherId: H-1420-2016
Russian Federation, Syktyvkar

References

  1. Lukyanova LD. Signaling mechanisms of hypoxia. Moscow: RAS, 2019. (In Russ).
  2. Newsholme P, De Bittencourt PIH, O’Hagan C, et al. Exercise and possible molecular mechanisms of protection from vascular disease and diabetes: the central role of ROS and nitric oxide. Clin Sci (Lond). 2009;118(5):341–349. doi: 10.1042/CS20090433
  3. Semenza GL. Hypoxia-inducible factors in physiology and medicine. Cell. 2012;148(3):399–408. doi: 10.1016/j.cell.2012.01.021
  4. Nesterov SV. Autonomic regulation of the heart rate in humans under conditions of acute experimental hypoxia. Human Physiology. 2005;(31)1:70–74. (In Russ). doi: 10.1007/s10747-005-0010-7
  5. Boos CJ, Vincent E, Mellor A, et al. The effect of sex on heart rate variability at high altitude. Med Sci Sports Exerc. 2017;(49)12:2562–2569. doi: 10.1249/MSS.0000000000001384
  6. Giles D, Kelly J, Draper N. Alterations in autonomic cardiac modulation in response to normobaric hypoxia. Eur J Sport Sci. 2016;16(8):1023–1031. doi: 1023–1031. doi: 10.1080/17461391.2016.1207708
  7. Li Y, Li J, Liu J, et al. Variations of time irreversibility of heart rate variability under normobaric hypoxic exposure. Front Physiol. 2021;12:607356. doi: 10.3389/fphys.2021.607356
  8. Uryumtsev DY, Gultyaeva VV, Zinchenko MI, et al. Effect of acute hypoxia on cardiorespiratory coherence in male runners. Front Physiol. 2020;11:630. doi: 10.3389/fphys.2020.00630
  9. Lesova EM, Samoilov VO, Filippova EB, Savokina OV. Individual differences of hemodynamics in terms of hypoxia and orthostatic stress. Bulletin of the Russian Military medical academy. 2015;(49)1:157–163. (In Russ).
  10. Sanotskaya NV, Matsievsky DD, Lebedeva MA. Acute hypoxia influence on pulmonary and systemic blood circulation. Pathogenesis. 2012;(10)4:56–59. (In Russ).
  11. Coustet B, Lhuissier FJ, Vincent R, et. al. Electrocardiographic changes during exercise in acute hypoxia and susceptibility to severe high-altitude Illnesses. Circulation. 2015;(131)9:786–794. dol: 10.1161/CIRCULATIONAHA.114.013144
  12. Novikov VS, Soroko SI, Shustov EB. Desadaptation states of man to exposure to extreme сonditions and their correction. Sankt-Peterbursburg. Politekhnika-print, 2018. (In Russ).
  13. Malkin VB, Gippenreiter EB. Acute and chronic hypoxia. Moscow: Nauka, 1977. (In Russ).
  14. Agadzhanyan NA, Mirrakhimov MM. Mountains and body resistance. Moscow: Nauka, 1970. (In Russ).
  15. Bocharov MI, Shilov AS. Bioelectric heart processes in healthy men at different levels of acute normobaric hypoxia. Ekologiya cheloveka (Human Ecology). 2020;(27)12:28–36. (In Russ). doi: 10.33396/1728-0869-2020-12-28-36
  16. Volkov NI. Intermittent hypoxia — a new method of training, rehabilitation, and therapy. Theory and practice of physical culture. 2000;(7):20–23. (In Russ).
  17. Navarrete-Opazo А, Mitchell GS. Therapeutic potential of intermittent hypoxia: a matter of dose. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. 2014;(307)10:R1181–R1197. doi: 10.1152/ajpregu.00208.2014
  18. Instrumental methods for the study of the cardiovascular system: a reference. Vinogradova TS, editors. Moscow: Meditsina, 1986. (In Russ).
  19. Turbasov VD, Artamonova NP, Nechaeva EI. Assessment of the bioelectrical activity of the heart in conditions of antiorthostatic hypokinesia using conventional and corrected orthogonal ECG leads. Space biology and aerospace medicine. 1990;(24)1:42–44. (In Russ).
  20. Koichubekov BK, Sorokina MA, Mkhitaryan KE. Sample size determination in planning of scientific research. International Journal of applied and fundamental research. 2014;4:71–74. (In Russ).
  21. Millet GP, Faiss R, Pialoux V. Last word on point: counterpoint: hypobaric hypoxia induces different responses from normobaric hypoxia. J Appl Physiol (1985). 2012;112(10):1795. doi: 10.1152/japplphysiol.00338.2012
  22. Vigo DE, Lloret SP, Videla AJ, et al. Heart rate nonlinear dynamics during sudden hypoxia at 8230 m simulated altitude. Wilderness Environ Med. 2010;21(1):4–10. doi: 10.1016/j.wem.2009.12.022
  23. Li Y, Gao J, Lu Z, et al. Intracellular ATP binding is required to activate the slowly activating K+ channel IKs. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013;110(47):18922–18927. doi: 10.1073/pnas.1315649110
  24. Kane GC, Liu XK, Yamada S, et al. Cardiac KATP channels in health and disease. J Mol Cell Cardiol. 2005;(38)6:937–943. doi: 10.1016/j.yjmcc.2005.02.026
  25. Anikina TA, Sitdikov FG. Purinoreceptors of the heart in ontogenesis. Kazan, Printing house of TGSPU. 2011. (In Russ).
  26. Vassort G. Adenosine 5’-triphosphate: a P2-purinergic agonist in the myocardium. Physiol Rev. 2001;81(2):767–806. doi: 10.1152/physrev.2001.81.2.767
  27. Burnstock G, Kind BF. Numbering of cloned P2 purinoceptors. Drug Development Research. 1996;(38)1:67–71. doi: 10.1002/(SICI)1098-2299(199605)38:1<67::AID-DDR9>3.0.CO;2-28.
  28. Burnstock G. Purinergic signaling. Br J Pharmacol. 2006;(147)S1:S172–S187. doi: 10.1038/sj.bjp.07064229.
  29. Pelleg A, Katchanov G, Xu J. Autonomic neural control of cardiac function: modulation by adenosine and adenosine 5'-triphosphate. Am J Cardiol. 1997;79(12A):11–14. doi: 10.1016/s0002-9149(9x)00257-5

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Electrocardiogram parameters deviations relative to the initial ones at different periods of mild hypoxia (14.5% O2) in persons included in the 1st (light bars) and 2nd (shaded bars) clusters (Мd±tmd).

Download (230KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Electrocardiogram parameters deviations relative to the initial ones at different periods of the medium degree of hypoxia (12.3% O2) in persons included in the 1st (light bars) and 2nd (shaded bars) clusters (Мd±tmd).

Download (272KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2022 Bocharov M.I., Shilov A.S.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


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».