Mechanisms of Autonomic Balance in the Human Cardiovascular System Using a Short-Arm Centrifuge as a Countermeasure Against the Adverse Effects of Microgravity

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The article presents the results of a study of the mechanisms of vegetative balance in the human cardiovascular system (CVS) using a Short-arm human centrifuge (SAHC) as a preventive measure against the adverse effects of microgravity. The effects of microgravity were modeled in a 21-day experiment with head-down bed rest (HDBR). The body tilt angle was −6°. Starting from the 8th day, volunteers were subjected to interval rotations on the SAHC (overloads of +1.27 Gz and +1.5 Gz). Analysis of heart rate variability (HRV) and dispersion mapping of the ECG (DM ECG) made it possible to evaluate the dynamics of autonomic regulation and related electrophysiological processes in the myocardium. The results obtained showed that the application of the SAHC contributed to the stabilization of the autonomic balance. The decrease in parasympathetic activity (pNNS0) by the 18th day of the experiment was accompanied by the preservation of the overall variability (SDNN) and the normalization of the sympatho-vagal ratio (LF/HF). The electrical instability score of the myocardium (EIS) and T-micro alternations remained within the limits registered before the effect of BR, and by the 18th day they even decreased, in contrast to HDBR without the use of the SAHC. This indicates a more optimal maintenance of the vegetative balance and a decrease in the risk of heart rhythm disturbances when using preventive rotation sessions on the SAHC. The dominance of low-frequency components of the spectrum in the heart rhythm (VLF) in most of the experiment indicated the activation of neurohumoral regulatory mechanisms. The data obtained confirm the effectiveness of the SAHC as a means of preventing hypogravitational disturbances. The results emphasize the importance of integrating the SAHC into the prevention system to ensure the safety of crews in long-term space missions.

About the authors

O. V Popova

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: popovaov@imbp.ru
ORCID iD: 0009-0002-3749-588X
Junior Researcher

M. V Fedchuk

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: fedchmaria@imbp.ru
ORCID iD: 0009-0006-1627-2379
Junior Researcher

Y. D Yakhya

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: josef.imbp@gmail.com
ORCID iD: 0009-0008-7466-1617
Junior Researcher

V. B Rusanov

Institute of Biomedical Problems of the Russian Academy of Sciences

Email: rusvb@imbp.ru
ORCID iD: 0000-0001-6658-8079
Dr. Sci. (Biology), Leading Researcher, Head of the Laboratory

References

  1. Котовская А.Р., Фомина Г.А. Особенности адаптации и дезадаптации сердечно-сосудистой системы человека в условиях космического полета // Физиология человека. 2010. Т. 36. № 2. С. 78.
  2. Фомина Е.В., Сенаторова Н.А., Бахтерева В.Д. и др. Роль быстрого бега в предотвращении негативных влияний пребывания человека в невесомости // Медицина экстремальных ситуаций. 2023. № 4. С. 98.
  3. Doam C.R., Orlov O., Kussmaul A. et al. Challenges in providing medical support on an International human expedition to Mars: An overview // Acta Astronautica. 2025. V. 235. P. 691.
  4. Mulavara A.P., Peters B.T., Miller C.A. et al. Physiological and functional alterations after spaceflight and bed rest // Med. Sci. Sports Exerc. 2018. V. 50. № 9. P. 1961.
  5. Фомина Г.А., Сальников А.В., Колотева М.И. Изучение сердечно-сосудистой системы человека с помощью ультразвуковых методов в космических полетах: основные результаты и перспективы исследований // Авиакосм. и эколог. мед. 2023. Т. 57. № 5. С. 85.
  6. Mair D.B., Tsui J.H., Higashi T. et al. Spaceflight-induced contractile and mitochondrial dysfunction in an automated heart-on-a-chip platform // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2024. V. 121. № 40. P. e2404644121.
  7. Möstl S., Orter S., Hoffmann F. et al. Limited effect of 60-days strict head down tilt bed rest on vascular aging // Front. Physiol. 2021. V. 12. P. 685473.
  8. Hoffmann F., Rabineau J., Mehrkens D. et al. Cardiac adaptations to 60 day head-down-tilt bed rest deconditioning. Findings from the AGBRESA study // ESC Heart Fail. 2021. V. 8. № 1. P. 729.
  9. Котовская А.Р., Фомина Г.А. Прогнозирование ортостатической устойчивости человека по изменениям артериальной и венозной гемодинамики в условиях невесомости // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 5. С. 25.
  10. Eckberg D.L., Halliwill J.R., Beightol L.A. et al. Human vagal baroreflex mechanisms in space // J. Physiol. 2010. V. 588. № 7. P. 1129.
  11. Reschke M.F., Good E.F., Clément G.R. Neurovestibular symptoms in astronauts immediately after space shuttle and International space station missions // OTO Open. 2017. V. 1. № 4. P. 2473974X17738767.
  12. Yamashiro Y., Yanagisawa H. The molecular mechanism of mechanotransduction in vascular homeostasis and disease // Clin. Sci. 2020. V. 134. № 17. P. 2399.
  13. Swaminathan V., Gloeirich M. Decoding mechanical cues by molecular mechanotransduction // Curr. Opin. Cell Biol. 2021. V. 72. P. 72.
  14. Ando J., Yamamoto K. Hemodynamic forces, endothelial mechanotransduction, and vascular diseases // Magn. Reson. Med. Sci. 2022. V. 21. № 2. P. 258.
  15. Davis M.J., Earley S., Li Y.S. et al. Vascular mechanotransduction // Physiol. Rev. 2023. V. 103. № 2. P. 1247.
  16. Luchitskaya E.S., Funtova I.I., Baevskii R.M. Role of the right and left parts of the heart in mechanisms of body adaptation to the conditions of long-term space flight according to longitudinal ballistocardiography // Acta Astronautica. 2021. № 178. P. 894.
  17. Фомина Е.В., Лысова Н.Ю., Савинкина А.О. и др. Роль стимуляции рецепторов опоры в локомоторных тренировках для профилактики гипогравитационных нарушений // Физиология человека. 2021. Т. 47. № 3. С. 88.
  18. Орлов О.И., Котов О.В., Куссмауль А.Р.,Белаковский М.С. Роль врача в дальнем космическом полете // Воздушно-космическая сфера. 2020. № 1. С. 36.
  19. Isasi E.E., Isasi M.E., van Loon J.J.W.A. The application of artificial gravity in medicine and space // Front. Physiol. 2022. V. 13. P. 952723.
  20. Bretl K.N., Clark T.K. Improved feasibility of astronaut short-radius artificial gravity through a 50-day incremental, personalized, vestibular acclimation protocol // NPJ Microgravity. 2020. V. 6. P. 22.
  21. Kramer A., Venegas-Carro M., Zange J. et al. Daily 30-min exposure to artificial gravity during 60 days of bed rest does not maintain aerobic exercise capacity but mitigates some deteriorations of muscle function: Results from the AGBRESA RCT // Eur. J. Appl. Physiol. 2021. V. 121. № 7. P. 2015.
  22. Saveko A., Koloteva M., Tomilovskaya E. Human postural responses to artificial gravity training // Microgravity Sci. Technol. 2024. V. 36. № 2. P. 19.
  23. Pavy-Le Traon A., Heer M., Narici M.V. et al. From space to Earth: Advances in human physiology from 20 years of bed rest studies (1986–2006) // Eur. J. Appl Physiol. 2007. V. 101. № 2. P. 143.
  24. Фомина Г.А.,Сальников А.В., Колотева М.И. и др. Оценка реакции периферической гемодинамики на воздействие перегрузок направления «голова – ноги» (+Gz) на центрифуге короткого радиуса методом допплерфлоуметрии // Авиакосм. и эколог. мед. 2023. Т. 57. № 2. С. 27.
  25. Frett T., Green D.A., Mulder E. et al. Tolerability of daily intermittent or continuous short-arm centrifugation during 60-day 6o head down bed rest (AGBRESA study) // PLoS One. 2020. V. 15. № 9. P. e0239228.
  26. Massaro S., Pecchia L. Heart rate variability (HRV) analysis: A methodology for organizational neuroscience // Organ. Res. Methods. 2019. V. 22. P. 354.
  27. Ernst G. Heart-rate variability – more than heart beats? // Front. Public Health. 2017. V. 5. P. 240.
  28. Иванов Г.Г., Сула А.С. Анализ микроальтернаций ЭКГ методом дисперсионного картирования в клинической практике. М.: Техносфера, 2014. 102 с.
  29. 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 (Guideline) // Circulation. 1996. V. 93. № 5. P. 1043.
  30. Malliani A., Pagani M., Lombardi F. Importance of appropriate spectral methodology to assess heart rate variability in the frequency domain // Hypertension. 1994. V. 24. № 1. P. 140.
  31. Lever J., Krzywinski M., Altman N. Points of significance: Principal component analysis // Nat. Methods. 2017. V. 14. P. 641.
  32. Носовский А.М., Попова О.В., Смирнов Ю.И. Современные технологии статистического анализа медицинских данных и способы их графического представления // Авиакосм. и эколог. мед. 2023. Т. 57. № 5. С. 149.
  33. Пучкова А.А., Шпаков А.В., Баранов В.М. и др. Общие результаты эксперимента с 21-cyroчной антиортостатической гипокинетией без применения средств профилактики // Авиакосм. и эколог. мед. 2023. Т. 57. № 4. С. 31.
  34. Попова О.В., Русанов В.Б. Вегетативная регуляция кровообращения и биоэлектрические процессы в миокарде человека в условиях уменьшения гравитационной нагрузки // Современные проблемы науки и образования. 2024. № 3. С. 18.
  35. Баевский Р.М., Черникова А.Г. Анализ вариабельности сердечного ритма: физиологические основы и основные методы проведения // Cardiometry. 2017. № 10. С. 66.
  36. Yokobori Y., Nakane H., Uehara C. et al. Temporal relationships among changes in the RR-interval and the powers of the low- and high-frequency components of heart rate variability in normal subjects // Physiol. Rep. 2023. V. 11. № 2. P. e15557.
  37. Shaffer F., McCraty R., Zerr C.L. A healthy heart is not a metronome: An integrative review of the heart's anatomy and heart rate variability // Front. Psychol. 2014. V. 5. P. 1040.
  38. Ходырев Г.Н., Хлыбова С.В., Циркин В.И., Дмитриева С.Л. Методические аспекты анализа временных и спектральных показателей вариабельности сердечного ритма (обзор литературы) // Вятский медицинский вестник. 2011. № 3–4. С. 60.
  39. Макаров Л.М., Комолятова В.Н., Куприянова О.О. и др. Национальные российские рекомендации по применению методики холтеровского мониторирования в клинической практике // Рос. кардиол. журн. 2014. Т. 2. № 106. С. 6.
  40. Сетко Н.П., Жданова О.М., Сетко А.Г. Особенности функционального состояния сердечно-сосудистой системы студентов по данным дисперсионного картирования электрокардиограммы и вариабельности сердечного ритма // Профилактическая медицина. 2024. Т. 27. № 4. С. 65.
  41. Дорофеева Г.Б., Дорофеев В.Н., Трофимова Ю.В. Роль гиперактивности симпатической нервной системы в развитии сердечно-сосудистых заболеваний и возможности фармакологической коррекции // Системные гипертензии. 2012. № 1. С. 18.
  42. Колотева М.И. Физиология ускорений // Глава монографии «Космическая биология и медицина. Гравитационная физиология». М.: ГНЦ РФ – ИМБП РАН, 2023. Т. 2. С. 183.
  43. Фомина Г.А., Сальников А.В., Глебова Т.М., Колотева М.И. Влияние серии вращений на центрифуге короткого радиуса на антиортостатические реакции артериальной гемодинамики здоровых лиц (по данным допплерфлоуметрии) // Авиакосм. и эколог. мед. 2024. Т. 58. № 3. С. 28.
  44. Котовская А.Р., Фомина Г.А. Изменения основных показателей состояния вен нижних конечностей космонавтов в ходе годовых космических полетов // Авиакосм. и эколог. мед. 2016. Т. 50. № 6. С. 5.
  45. Iwasaki K., Sasaki T., Hirayanagi K., Yajima K. Usefulness of daily +2Gz load as a countermeasure against physiological problems during weightlessness // Acta Astronaut. 2001. V. 49. № 3–10. P. 227.
  46. Caiani E.G., Massabuau P., Weinert L. et al. Effects of 5 days of head-down bed rest, with and without short-arm centrifugation as countermeasure, on cardiac function in males (BR-AG1 study) // J. Appl. Physiol. 2014. V. 117. № 6. P. 624.
  47. Stenger M.B., Evans J.M., Knapp C.F. et al. Artificial gravity training reduces bed rest-induced cardiovascular deconditioning // Eur. J. Appl. Physiol. 2012. V. 112. № 2. P. 605.
  48. Попова О.В., Русанова В.Б., Орлов О.И. Вегетативная регуляция кровообращения и биоэлектрические процессы в миокарде человека в моделируемых гипомагнитных условиях // Медицина экстремальных ситуаций. 2024. Т. 26. № 2. С. 94.
  49. Камкин А.Г., Калашников В.Е., Шенкман Б.С. и др. Моделируемая микротравматизация меняет количество транскриптов генов механизмуправляемых и механосеистичных ионных каналов кардиомиоцитов желудочков крыс // Доклады РАН. Науки о жизни. 2023. Т. 512. № 1. С. 428.
  50. Blandin C.E., Gravez B.J., Hatem S.N., Balse E. Remodeling of ion channel trafficking and cardiac arrhythmias // Cells. 2021. V. 10. № 9. P. 2417.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).