Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66407810.31857/S0131164624040076BTINMQArticlesСтатьиResearch ArticleChanges in System Hemodynamics During Static Contractions of Upper and Lower Limb Muscles: Influence of FatigueИзменения показателей системной гемодинамики при повторных статических сокращениях мышц верхних и нижних конечностей: влияние утомленияBorovikA. S.БоровикА. С.
Russian Federation
ost.msu@gmail.comPecheritsaM. A.ПечерицаМ. А.
Russian Federation
ost.msu@gmail.comVinogradovaO. L.ВиноградоваО. Л.
Russian Federation
ost.msu@gmail.comTarasovaO. S.ТарасоваО. С.
Russian Federation
ost.msu@gmail.comInstitute of Biomedical Problems, RASФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАНMoscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова31102024504809125022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664078

The changes in blood pressure (BP) and heart rate (HR) during exercise grow with the development of muscle fatigue due to activation of the ergoreflex (ER), which is commonly assessed by post-exercise blood flow occlusion. However, this approach does not reproduce ER functioning in natural conditions and is of little use for testing ER from receptors of lower limb muscles, which differ from upper limb muscles in metabolic characteristics, and are also subject to more pronounced changes as a result of physical inactivity in various diseases. The aim of this study was to compare changes in systemic hemodynamics during “natural” ER activation with the development of severe fatigue in a test with rhythmic static contractions of thigh or forearm muscles until failure to work. Nine young men performed rhythmic isometric contractions of the knee extensors or the wrist flexors while maintaining a given load level (40% of the maximum voluntary effort) in a 20 s contraction/20 relaxation mode until fatigue (work duration in both tests was about 30 min). During the tests, systemic BP (Finapres), stroke volume (SV, ModelFlow algorithm) and ECG were continuously recorded. Rhythmic contractions of both muscle groups were accompanied by an increase in BP and HR, while SV decreased. As fatigue developed, the changes in BP and SV during muscle contraction became more pronounced. Importantly, during contractions of the thigh muscles, fatigue potentiated an increase in BP because of an increase in total peripheral resistance, and during contractions of the forearm muscles, because of an increase in cardiac output. Thus, fatigue of various muscle groups is accompanied by activation of different components of the ER – vascular component during lower limb exercise and cardiac component during upper limb exercise. The results obtained must be considered when developing methods for assessing hemodynamic control in cardiovascular diseases, which are often associated with changes in both skeletal muscles and the functioning of the ergoreflex.

Изменения артериального давления (АД) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) при физической нагрузке растет при развитии мышечного утомления в связи с активацией эргорефлекса (ЭР), тестирование активности которого часто проводят путем послерабочей артериальной окклюзии кровотока. Однако такой подход не воспроизводит работу эргорефлекса в естественных условиях и малопригоден для тестирования эргорефлекса от рецепторов мышц ног, которые отличаются от мышц рук по метаболическим характеристикам и подвержены более выраженным изменениям в результате гиподинамии при различных заболеваниях. Целью данной работы было сравнение изменений показателей системной гемодинамики при "естественной" активации эргорефлекса по мере развития выраженного утомления в тесте с ритмическими сокращениями мышц бедра и предплечья в статическом режиме. Девять молодых мужчин выполняли повторные изометрические сокращения мышц-разгибателей коленного сустава или мышц-сгибателей лучезапястного сустава с поддержанием заданного уровня нагрузки (40% от максимального произвольного усилия) в режиме 20 с сокращение/ 20 с расслабление до отказа от работы (длительность работы в обоих тестах – около 30 мин). В тестах непрерывно регистрировали системное АД (фотокомпенсационный метод), ударный объем (УО, алгоритм "ModelFlow") и электрокардиограмму. Cокращения обеих мышечных групп сопровождались повышением АД и ЧСС, УО при этом снижался, по мере развития утомления изменения АД и УО становились более выраженными. Важно, что при сокращениях мышц бедра утомление потенцировало повышение АД в результате увеличения общего периферического сопротивления, а при сокращениях мышц предплечья – в результате увеличения минутного объема сердца. Таким образом, утомление различных мышечных групп сопровождается активацией разных компонентов эргорефлекса – сосудистого при работе мышц ноги и сердечного при работе мышц руки. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке методик оценки регуляции гемодинамики при сердечно-сосудистых заболеваниях, которые нередко сопряжены с изменениями как скелетных мышц, так и функционирования эргорефлекса.

muscle contractionssystemic hemodynamicsergoreflexmetaboreflexmechanoreflexмышечные сокращениясистемная гемодинамикаэргорефлексметаборефлексмеханорефлексРНФRSF23-15-00331Shoemaker J.K., Gros R. A century of exercise physiology: key concepts in neural control of the circulation // Eur. J. Appl. Physiol. 2024. V. 124. № 5. P. 1323.Grotle A.K., Macefield V.G., Farquhar W.B. et al. Recent advances in exercise pressor reflex function in health and disease // Auton. Neurosci. 2020. V. 228. P. 102698.Vinogradova O.L., Popov D.V., Tarasova O.S. et al. Ergoreflex: the essence and mechanisms // Human Physiology. 2012. V. 38. № 7. P. 665.Виноградова О.Л., Попов Д.В., Тарасова О.С. и др. Эргорефлекс: сущность и механизмы // Авиакосм. эколог. мед. 2008. Т. 42. № 1. С. 5.Teixeira A.L., Vianna L.C. The exercise pressor reflex: An update // Clin. Auton. Res. 2022. V. 32. № 4. P. 271.Fadel P.J., Raven P.B. Human investigations into the arterial and cardiopulmonary baroreflexes during exercise // Exp. Physiol. 2012. V. 97. № 1. P. 39.Bravyi Y.R., Bersenev E.Y., Makarov V.A. et al. Effect of strength training on pressor reflex responses from receptors in exercising muscles // Human Physiology. 2013. V. 39. № 7. P. 729.Бравый Я.Р., Берсенев Е.Ю., Макаров В.А. и др. Влияние силовых тренировок на проявление прессорного рефлекса со стороны рецепторов работающих мышц // Авиакосм. эколог. мед. 2011. Т. 45. № 1. С. 60.Ray C.A., Rea R.F., Clary M.P., Mark A.L. Muscle sympathetic nerve responses to static leg exercise // J. Appl. Physiol. 1992. V. 73. № 4. P. 1523.Saito M. Differences in muscle sympathetic nerve response to isometric exercise in different muscle groups // Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol. 1995. V. 70. № 1. P. 26.Swift H.T., O’Driscoll J.M., Coleman D.D. et al. Acute cardiac autonomic and haemodynamic responses to leg and arm isometric exercise // Eur. J. Appl. Physiol. 2022. V. 122. № 4. P. 975.Sinoway L.I., Li J. A perspective on the muscle reflex: Implications for congestive heart failure // J. Appl. Physiol. 2005. V. 99. № 1. P. 5.Fisher J.P., Young C.N., Fadel P.J. Autonomic adjustments to exercise in humans // Compr. Physiol. 2015. V. 5. № 2. P. 475.Amann M., Runnels S., Morgan D.E. et al. On the contribution of group III and IV muscle afferents to the circulatory response to rhythmic exercise in humans // J. Physiol. 2011. V. 589. № 15. P. 3855.Aimo A., Saccaro L.F., Borrelli C. et al. The ergoreflex : how the skeletal muscle modulates ventilation and cardiovascular function in health and disease // Eur. J. Heart Fail. 2021. V. 23. № 9. P. 1458.Bunsawat K., Clifton H.L., Ratchford S.M. et al. Cardiovascular responses to static handgrip exercise and postexercise ischemia in heart failure with preserved ejection fraction // J. Appl. Physiol. 2023. V. 134. № 6. P. 1508.Crisafulli A. The impact of cardiovascular diseases on cardiovascular regulation during exercise in humans: Studies on metaboreflex activation elicited by the post-exercise muscle ischemia method // Curr. Cardiol. Rev. 2017. V. 13. № 4. P. 293.Kaur J., Senador D., Krishnan A.C. et al. Muscle metaboreflex-induced vasoconstriction in the ischemic active muscle is exaggerated in heart failure // Am. J. Physiol. Hear. Circ. Physiol. 2018. V. 314. № 1. P. H11.Helge J.W. Arm and leg substrate utilization and muscle adaptation after prolonged low-intensity training // Acta Physiol. (Oxf). 2010. V. 199. № 4. P. 519.Sugawara J., Tanabe T., Miyachi M. et al. Non-invasive assessment of cardiac output during exercise in healthy young humans: Comparison between Modelflow method and Doppler echocardiography method // Acta Physiol. Scand. 2003. V. 179. № 4. P. 361.Sjøgaard G., Savard G., Juel C. Muscle blood flow during isometric activity and its relation to muscle fatigue // Eur. J. Appl. Physiol. Occup. Physiol. 1988. V. 57. № 3. P. 327.Lopez-Jaramillo P., Lopez-Lopez J.P., Tole M.C., Cohen D.D. Muscular strength in risk factors for cardiovascular disease and mortality: a narrative review // Anatol. J. Cardiol. 2022. V. 26. № 8. P. 598.Takahashi Y., Kaji T., Yasui T. et al. Ultrasonographic changes in quadriceps femoris thickness in women with normal pregnancy and women on bed rest for threatened preterm labor // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 17506.Smeuninx B., Elhassan Y.S., Sapey E. et al. A single bout of prior resistance exercise attenuates muscle atrophy and declines in myofibrillar protein synthesis during bed-rest in older men // J. Physiol. 2023. doi: 10.1113/JP285130 (Online ahead of print).Smeuninx B., Elhassan Y.S., Sapey E., et al. A single bout of prior resistance exercise attenuates muscle atrophy and declines in myofibrillar protein synthesis during bed-rest in older men // J. Physiol. 2023. doi: 10.1113/JP285130 (Online ahead of print).Makhnovskii P.A., Bokov R.O., Kolpakov F.A., Popov D.V. Transcriptomic signatures and upstream regulation in human skeletal muscle adapted to disuse and aerobic exercise // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. № 3. P. 1208.Boulton D., Taylor C.E., Green S., Macefield V.G. The metaboreflex does not contribute to the increase in muscle sympathetic nerve activity to contracting muscle during static exercise in humans // J. Physiol. 2018. V. 596. № 6. P. 1091.Hellsten Y., Nyberg M. Cardiovascular adaptations to exercise training // Compr. Physiol. 2015. V. 6. № 1. P. 1.Elstad M., Nådland I.H., Toska K., Walløe L. Stroke volume decreases during mild dynamic and static exercise in supine humans // Acta Physiol. 2009. V. 195. № 2. P. 289.Fisher J.P., Ogoh S., Dawson E.A. et al. Cardiac and vasomotor components of the carotid baroreflex control of arterial blood pressure during isometric exercise in humans // J. Physiol. 2006. V. 572. Pt. 3. P. 869.Nóbrega A.C.L., Williamson J.W., Garcia J.A., Mitchell J.H. Mechanisms for increasing stroke volume during static exercise with fixed heart rate in humans // J. Appl. Physiol. 1997. V. 83. № 3. P. 712.Koba S., Xing J., Sinoway L.I., Li J. Differential sympathetic outflow elicited by active muscle in rats // Am. J. Physiol. 2007. V. 293. № 4. P. H2335.Fisher J.P. Autonomic control of the heart during exercise in humans: Role of skeletal muscle afferents // Exp. Physiol. 2014. V. 99. № 2. P. 300.Beaty O. Carotid sinus and blood pressure control during hindlimb and forelimb contractions // Am. J. Physiol. 1985. V. 248. № 5. P. H688.Laginestra F.G., Favaretto T., Giuriato G. et al. Concurrent metaboreflex activation increases chronotropic and ventilatory responses to passive leg movement without sex-related differences // Eur. J. Appl. Physiol. 2023. V. 123. № 8. P. 1751.