Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences66411910.31857/S0131164623600143DKVPDDОБЗОРЫThe Concept of Allostasis and Autonomic Regulation in Space FlightКонцепция аллостаза и вегетативная регуляция в космическом полетеRusanovV. B.РусановВ. Б.vasilyrusanov@gmail.comLarinaI. M.ЛаринаИ. М.vasilyrusanov@gmail.comNosovskyA. M.НосовскийА. М.vasilyrusanov@gmail.comInstitute of Biomedical Problems of the RASФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН0111202349611712725022025Copyright ©; 2023, В.Б. Русанов, И.М. Ларина, А.М. НосовскийCopyright ©; 2023, В.Б. Русанов, И.М. Ларина, А.М. Носовский2023В.Б. Русанов, И.М. Ларина, А.М. НосовскийВ.Б. Русанов, И.М. Ларина, А.М. Носовскийhttps://journals.eco-vector.com/0131-1646/article/view/664119

The review presents literature sources confirming the key aspects of the theory of allostasis and its relationship with the theory of homeostasis, as well as some neurophysiological aspects of allostatic systems, include autonomic regulation, which determine the relationship between the brain and the cardiovascular system. One of the aspects of allostatic regulation is heart rate variability, which reflects the state of the body’s plastic constants and their changes under space flight conditions.

В данном обзоре представлены литературные источники, подтверждающие ключевые аспекты теории аллостаза и ее взаимоотношения с теорией гомеостаза, а также некоторые нейрофизиологические аспекты аллостатических систем, к которым относится вегетативная регуляция, определяющих взаимоотношения мозга и сердечно-сосудистой системы. Одним из аспектов аллостатической регуляции является вариабельность сердечного ритма, которая отражает состояние пластичных констант организма и их изменения в условиях космического полета.

homeostasisallostasisadaptationregulatory mechanismsautonomic nervous systemheart rate variabilityspace flight.гомеостазаллостазадаптациямеханизмы регуляциивегетативная нервная системавариабельность сердечного ритмакосмический полет.Cannon W.B. Organization for physiological homeostasis // Physiol. Rev. 1929. V. 9. № 3. P. 399.Asarian L., Gloy V., Geary N. Homeostasis / Encyclopedia of Human Behavior. Academic Press, USA, 2012. P. 324.Cannon W.B. The Wisdom of the Body. W.W. Norton, New York, 1932. 340 p.Goldstein D.S. How does homeostasis happen? Integrative physiological, systems biological, and evolutionary perspectives // Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 2019. V. 316. № 4. P. R301.Sterling P., Eyer J. Allostasis: a new paradigm to explain arousal pathology / Handbook of life stress, cognition and health // Eds. Fisher S., Reason J. New York: John Wiley & Sons, 1988. P. 629.Sterling P. Allostasis: A model of predictive regulation // Physiol. Behav. V. 106. № 1. P. 5.Носовский А.М., Ларина И.М., Григорьев А.И. Применение принципа инвариантных отношений для разработки количественных методов оценки параметров гомеостаза организма человека // Технологии живых систем. 2009. Т. 6. № 5. С. 33.Carlson E.D., Chamberlain R.M. Allostatic load and health disparities: a theoretical orientation // Res. Nurs. Health. 2005. V. 28. № 4. P. 306.McEwen B.S., Wingfiel J.C. The concept of allostasis in biology and biomedicine // Horm. Behav. 2003. V. 43. № 1. P. 2.Goldberge A.L., Peng C.K., Lipsitz L.A. What is physiologic complexity and how does it change with aging and disease? // Neurobiol. Aging. 2002. V. 23. № 1. P. 23.Plsek P. Redesigning healthcare with insights from the science of complex adaptive systems / Crossing the quality chasm: A new health system for the 21st Century. National Academy Press Washington, D.C., 2001. P. 309.McEwen B.S. Interacting mediators of allostasis and allostatic load: towards an understanding of resilience in aging // Metabolism. 2003. V. 52. № 10. Suppl 2. P. 10.Damasio A. Descartes’ Error: Emotion, Reason, and the Human Brain. New York: Putnam, 2005. 312 p.Jänig W. The Integative Action of the Autonomic Nervous System / Neurobiology of Homeostasis. Cambridge University Press, New York, 2006. 610 p.Thayer J.F., Ahs F., Fredrickson M. et al. A meta-analysis of heart rate variability and neuroimaging studies: implications for heart rate variability as a marker of stress and health // Neurosci. Biobehav. Rev. 2012. V. 36. № 2. P. 747.Thayer J.F., Sternberg E. Beyond heart rate variability: vagal regulation of allostatic systems // Ann. N.Y. Acad. Sci. 2006. V. 1088. P. 361.Viljoen M., Claassen N. Allostatic load and heart rate variability as health risk indicators // Afr. Health Sci. 2017. V. 17. № 2. P. 428.Corrigan S.L., Roberts S., Warmington S. et al. Monitoring stress and allostatic load in first responders and tactical operators using heart rate variability: a systematic review // BMC Public Health. 2021. V. 21. № 1. P. 1701.Jose A.D., Collison D. The normal range and determinants of the intrinsic heart rate in man // Cardiovasc. Res. 1970. V. 4. № 2. P. 160.Покровский В.М. Формирование ритма сердца в организме человека и животных. Краснодар: Издательство Кубань-Книга, 2007. 144 с.Berntson G.G., Bigger J.T., Jr., Eckberg D.L. et al. Heart rate variability: origins, methods, and interpretive caveats // Psychophysiology. 1997. V. 34. № 6. P. 623.Benarroch E.E. The central autonomic network: functional organization, dysfunction, and perspective // Mayo Clin. Proc. 1993. V. 68. № 10. P. 988.Smit R., Thayer J.F., Khals S.S., Lane R.D. The hierarchical basis of neurovisceral integration // Neurosci. Biobehav. Rev. 2017. V. 75. P. 274.Sklerov M., Dayan E., Browne N. Functional neuroimaging of the central autonomic network: recent developments and clinical implications // Clin. Auton. Res. 2019. V. 29. № 6. P. 555.Shouman K., Benarroch E.E. Central Autonomic Network / Autonomic Nervous System and Sleep. Springer, 2021. P. 9.Saper C.B. The central autonomic nervous system: conscious visceral perception and autonomic pattern generation // Annu. Rev. Neurosci. 2002. V. 25. P. 433.Thayer J.F., Sollers J.J., Labiner D.M. et al. Age-related differences in prefrontal control of heart rate in humans: a pharmacological blockade study // Int. J. Psychophysiol. 2009. V. 72. № 1. P. 81.Palma J.A., Benarroch E.E. Neural control of the heart: recent concepts and clinical correlations // Neurology. 2014. V. 83. № 3. P. 261.McEwen B.S., Nasca C., Gray J.D. Stress effects on neuronal structure: hippocampus, amygdala, and prefrontal cortex // Neuropsychopharmacology. 2016. V. 41. № 1. P. 3.Joëls M., Baram T.Z. The neuro-symphony of stress // Nat. Rev. Neurosci. 2009. V. 10. № 6. P. 459.De Kloet E.R., Joëls M., Holsboer F. Stress and the brain: from adaptation to disease // Nat. Rev. Neurosci. 2005. V. 6. № 6. P. 463.Karlamangla A.S., Singer B.H., McEwen B.S. et al. Allostatic load as a predictor of functional decline. MacArthur studies of successful aging // J. Clin. Epidemiol. 2002. V. 55. № 7. P. 696.McEwen B.S. Sex, stress and the hippocampus: allostasis, allostatic load and the aging process // Neurobiol. Aging. 2002. V. 23. № 5. P. 921.Arminjon M. Birth of the Allostatic Model: From Cannon’s Biocracy to Critical Physiology // J. Hist. Biol. 2016. V. 49. № 2. P. 397.Виноградова О.Л., Томиловская Е.С., Козловская И.Б. Гравитационный фактор как основа эволюционного приспособления животных организмов к деятельности в наземных условиях // Авиакосм. и эколог. мед. 2020. Т. 54. № 6. С. 5.Gauer O.H., Thorn H.L. Postural changes in the circulation / Handbook of Physiology. Sec. 2, Circulation. Williams & Wilkins, Baltimore, 1965. V. 3. P. 2409.Осадчий Л.И. Положение тела и регуляция кровообращения. Л.: Наука, 1982. 144 с.Газенко О.Г., Григорьев А.И., Егоров А.Д. Медицинские исследования по программе длительных пилотируемых полетов на орбитальном комплексе “Салют-7” “Союз-Т” // Космич. биол. и авиакосм. мед. 1990. Т. 24. № 2. С. 9.Buravkova L., Larina I., Andreeva E., Grigoriev A. Microgravity Effects on the Matrisome // Cells. 2021. V. 10. № 9. P. 2226.Iatridis J.C., MacLean J.J., Roughley P.J., Alini M. Effects of mechanical loading on intervertebral disc metabolism in vivo // J. Bone Joint Surg. Am. 2006. V. 88. № 2. P. 41.Swaminathan V., Gloerich M. Decoding mechanical cues by molecular mechanotransduction // Curr. Opin. Cell Biol. 2021. V. 72. P. 72.Mrkonjic S., Destaing O., Albiges-Rizo C. Mechanotransduction pulls the strings of matrix degradation at invadosome // Matrix Biol. 2017. V. 57–58. P. 190.Yamashiro Y., Yanagisawa H. The molecular mechanism of mechanotransduction in vascular homeostasis and disease // Clin. Sci. (Lond). 2020. V. 134. № 17. P. 2399.Ando J., Yamamoto K. Hemodynamic forces, endothelial mechanotransduction, and vascular diseases // Magn. Reson. Med. Sci. 2022. V. 21. № 2. P. 258.Davis M.J., Earley S., Li Y.S., Chien S. Vascular mechanotransduction // Physiol. Rev. 2023 V. 103. № 2. P. 1247.Газенко О.Г., Григорьев А.И., Наточин Ю.В. Водно-солевой гомеостаз и невесомость // Косм. биол. и авиакосм. мед. 1980. Т. 14. № 5. С. 3.Григорьев А.И., Ларина И.М., Носков В.Б. Влияние космических полетов на состояние и регуляцию водно-электролитного обмена // Рос. физиол. журнал им. И.М. Сеченова. 2006. Т. 92. № 1. С. 5. Grigor’ev A.I., Larina I.M., Noskov V.B. [The influence of space flights on water-electrolytes turnover and its regulation] // Ross. Fiziol. Zh. Im. I.M. Sechenova. 2006. V. 92. № 1. P. 5.Носков В.Б. Состояние водно-солевого обмена. Послеполетные клинико-физиологические исследования. Орбитальная станция “Мир”. М.: Аником, 2001. С. 599.Носков В.Б. Перераспределение жидких сред организма в условиях невесомости и моделирующих ее воздействий // Авиакосм. и эколог. мед. 2011. Т. 45. № 1. С. 17.Носков В.Б. Адаптация водно-электролитного метаболизма к условиям космического полета и при его имитации // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 5. С. 119. Noskov V.B. Adaptation of the water-electrolyte metabolism to space flight and at its imitation // Human Physiology. 2013. V. 39. № 5. P. 551.Hargens A.R., Richardson S. Cardiovascular adaptations, fluid shifts, and countermeasures related to space flight // Respir. Physiol. Neurobiol. 2009. V. 169. № 1. P. 30.Hughson R.L., Helm A., Durante M. Heart in space: effect of the extraterrestrial environment on the cardiovascular system // Nat. Rev. Cardiol. 2018. V. 15. № 3. P. 167.Petersen L.G., Damgaard M., Petersen J.C., Norsk P. Mechanisms of increase in cardiac output during acute weightlessness in humans // J. Appl. Physiol. 2011. V. 111. № 2. P. 407.Tank J., Jordan J. Mighty hearts in space // J. Physiol. 2015. V. 593. № 3. P. 485.Aubert A.E., Larina I., Momken I. et al. Towards human exploration of space: the THESEUS review series on cardiovascular, respiratory, and renal research priorities // NPJ Microgravity. 2016. V. 2. P. 16031.Баранов В.М., Донина Ж.А. Моделирование соотношений биомеханики дыхания и гемодинамики в условиях нормальной гравитации и в невесомости // Ульяновск. мед.-биол. журн. 2015. № 1. С. 144.Buckey J.C., Gaffney F.A., Lane L.D. et al. Central venous pressure in space // N. Engl. J. Med. 1993. V. 328. № 2. P. 1853.Norsk P. Adaptation of the cardiovascular system to weightlessness: Surprises, paradoxes and implications for deep space missions // Acta Physiol. 2020. V. 228. № 3. P. e13434.Estenne M., Gorini M., Van Muylem A. et al. Rib cage shape and motion in microgravity // J. Appl. Physiol. 1992. V. 73. № 3. P. 946.Buckey J.C., Gaffney F.A., Lane L.D. et al. Central venous pressure in space // J. Appl. Physiol. 1996. V. 81. № 1. P. 19.Hughson R.L. Recent findings in cardiovascular physiology with space travel // Respir. Physiol. Neurobiol. 2009. V. 169. Suppl 1. P. 38.Hughson R.L., Helm A., Durante M. Heart in space: effect of the extraterrestrial environment on the cardiovascular system // Nat. Rev. Cardiol. 2018. V. 15. № 3. P. 167.Григорьев А.И., Егоров А.Д. Теория и практика медицинского контроля в длительных полетах // Авиакосм. и эколог. мед. 1997. Т. 31. № 1. С. 14.Григорьев А.И., Баевский Р.М. Концепция здоровья и проблема нормы в космической медицине / Серия: Здоровье и космос. М.: Слово, 2001. 93 с.Григорьев А.И., Баевский Р.М. Концепция здоровья и космическая медицина. М.: Слово, 2007. 207 с.Crucian B., Stowe R.P., Mehta S. et al. Alterations in adaptive immunity persist during long-duration spaceflight // NPJ Microgravity. 2015. V. 1. P. 15013.Van Ombergen A., Laureys S., Sunaert S. et al. Spaceflight-induced neuroplasticity in humans as measured by MRI: what do we know so far? // NPJ Microgravity. 2017. V. 3. P. 2.Roberts D.R., Albrecht M.H., Collins H.R. et al. Effects of Spaceflight on Astronaut Brain Structure as Indicated on MRI // N. Engl J. Med. 2017. V. 377. № 18. P. 1746.Fomina E.V., Lysova N.Y., Kukoba T.B. et al. One-Year Mission on ISS Is a Step Towards Interplanetary Missions // Aerosp. Med. Hum. Perform. 2017. V. 88. № 12. P. 1094.Григорьев А.И., Егоров А.Д. Регуляция сердечно-сосудистой системы человека в условиях микрогравитации // Вестник РАМН. 2002. № 6. С. 52.Gundel A., Drescher J., Spatenko Y.A., Polyakov V.V. Changes in basal heart rate in spaceflights up to 438 days // Aviat. Space Environ. Med. 2002. V. 73. № 1. P. 17.Vandeput S., Widjaja D., Aubert A.E., van Huffel S. Adaptation of autonomic heart rate regulation in astronauts after spaceflight // Med. Sci. Monit. 2013. V. 19. P. 9.Парин В.В., Баевский Р.М., Волков Ю.Н., Газенко О.Г. Космическая кардиология. Л.: Медицина, 1967. 193 с.Baevsky R.M., Funtova I.I., Luchitskaya E.S., Chernikova A.G. The effects of long-term microgravity on autonomic regulation of blood circulation in crewmembers of the International Space Station // Cardiometry. 2014. № 5. P. 35.Баевский Р.М. Современные проблемы космической кардиологии // Авиакосм. и эколог. мед. 2008. Т. 42. № 6. С. 19.Баевский Р.М., Никулина Г.А. Холтеровское мониторирование в космической медицине: анализ вариабельности сердечного ритма // Вестник аритмологии. 2000. № 16. С. 6. Baevsky R.M., Nikulina G.A. [Holter monitoring in space medicine: analysis of heart rate variability] // Vestnik Aritmologii [Journal of Arrhytmology]. 2000. № 16. P. 6.Баевский Р.М. Анализ вариабельности сердечного ритма в космической медицине // Физиология человека. 2002. Т. 28. № 2. С. 70. Baevskii R.M. Analysis of Heart Rate Variability in Space Medicine // Human Physiology. 2002. V. 28. № 2. P. 202.Баевский Р.М. Проблема оценки и прогнозирования функционального состояния организма и ее развитие в космической медицине // Успехи физиологических наук. 2006. Т. 37. № 3. С. 42.Баевский Р.М., Фунтова И.И., Gharib C., Fortrat J.-O. Комплексное исследование вегетативной регуляции артериального давления и сердечного ритма человека при длительном действии невесомости / Орбитальная станция “Мир”: Медико-биологические эксперименты. М.: ИМБП, 2001. Т. 2. С. 541.Баевский Р.М., Поляков В.В., Мозер М. и др. Адаптация системы кровообращения к условиям длительной невесомости: баллистокардиографические исследования во время 14-месячного космического полета // Авиакосм. и эколог. мед. 1998. Т. 32. № 3. С. 23.Baevsky R.M., Moser M., Nikulina G.A. et al. Autonomic regulation of circulation and cardiac contractility during a 14-month space flight // Acta Astronaut. 1998. V. 42. № 1–8. P. 159.Baevsky R.M., Baranov V.M., Funtova I.I. et al. Autonomic cardiovascular and respiratory control during prolonged spaceflights aboard the International Space Station // J. Appl. Physiol. 2007. V. 103. № 1. P. 156.Baevsky R.M., Funtova I.I., Diedrich A. et al. Autonomic function testing aboard the ISS using “Pneumocard” // Acta Astronaut. 2009. V. 65. P. 930.Баевский Р.М., Лучицкая Е.С., Фунтова И.И., Черникова А.Г. Исследования вегетативной регуляции кровообращения в условиях длительного космического полета // Физиология человека. 2013. Т. 39. № 5. С. 42. Baevskii R.M., Luchitskaya E.S., Funtova I.I., Cher- nikova A.G. Study of the autonomic regulation of blood circulation during a long-term space flight // Human Physiology. 2013. V. 39. № 5. P. 486.Otsuka K., Cornelissen G., Kubo Y. et al. Anti-aging effects of long-term space missions, estimated by heart rate variability // Sci. Rep. 2019. V. 9. № 1. P. 8995.Otsuka K., Cornelissen G., Furukawa S. et al. Astronauts well-being and possibly anti-aging improved during long-duration spaceflight // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 14907.Li G., He H. Hormesis, allostatic buffering capacity and physiological mechanism of physical activity: a new theoretic framework // Med. Hypotheses. 2009. V. 72. № 5. P. 527.McEwen B. Stress, definition and concepts of Encyclopedia of Stress / Ed. Fink G. Academic Press. San Diego, CA, 2000. V. 3. P. 508.Sy M.R., Keefe J.A., Sutton J.P., Wehrens X.H.T. Cardiac function, structural, and electrical remodeling by microgravity exposure // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2023. V. 324. № 1. P. H1.Doroshin A., Jillings S., Jeurissen B. et al. Brain Connectometry Changes in Space Travelers After Long-Duration Spaceflight // Front. Neural Circuits. 2022. V. 16. P. 815838.Zu Eulenburg P., Buchheim J., Ashton N.J. et al. Changes in Blood Biomarkers of Brain Injury and Degeneration Following Long-Duration Spaceflight // JAMA Neurol. 2021. V. 78. № 12. P. 1525.Garrett-Bakelman F.E., Darshi M., Green S.J. et al. The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight // Science. 2019. V. 364. № 6436. P. eaau8650.Tzanetakou I.P., Katsilambros N.L., Benetos A. et al. “Is obesity linked to aging?”: adipose tissue and the role of telomeres // Ageing Res. Rev. 2012. V. 11. № 2. P. 220.Otsuka K., Cornelissen G., Furukawa S. et al. Unconscious mind activates central cardiovascular network and promotes adaptation to microgravity possibly anti-aging during 1-year-long spaceflight // Sci. Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 11862.Егоров А.Д. Квалификация реакций организма человека, развивающихся в условиях микрогравитации // Авиакосм. и эколог. мед. 1996. Т. 30. № 4. С. 14.Григорьев А.И., Егоров А.Д. Механизмы формирования гомеостаза при длительном пребывании в условиях микрогравитации // Авиакосм. и эколог. мед. 1998. Т. 32. № 6. С. 20.Баевский Р.М. Математический анализ изменений сердечного ритма при стрессе. М.: Наука, 1984. 220 с.Ларина И.М., Носовский А.М., Русанов В.Б. Холизм и редукционизм в физиологии // Физиология человека. 2022. Т. 48. № 3. С. 127. Larina I.M., Nosovsky F.M., Rusanov V.B. Holism and reductionism in physiology // Human Physiology. 2022. V. 48. № 3. P. 346.Acevedo A., Androulakis I.P. Allostatic breakdown of cascading homeostat systems: A computational approach // Heliyon. 2017. V. 3. № 7. P. e00355.