Download article
DOI 10.34014/2227-1848-2026-1-109-121
PREDICTING FUNCTIONAL RESERVES IN ATHLETES BASED ON A COMPREHENSIVE ANALYSIS OF ELECTROENCEPHALOGRAPHIC MARKERS AND GAS EXCHANGE IN A HYPOXIC STRESS TEST MODEL
N.V. Balioz, S.G. Krivoshchekov
Scientific Research Institute of Neurosciences and Medicine, Novosibirsk, Russia
The study aims to investigate the features of electroencephalographic activity during a hypoxic stress test in athletes of two cyclic sports (swimmers and skiers) with different breathing patterns during exercise and to correlate EEG data with gas exchange parameters.
Materials and Methods. A total of 43 subjects aged 18–22 years were examined (14 skiers, 12 swimmers, and 17 controls). A 30-minute hypoxic stress test was performed, during which the inspiratory oxygen concentration was reduced from 20.9 % to 10 %. Gas exchange, ventilation, and EEG parameters were continuously recorded throughout the test.
Results. It was found that at minute 25 of the hypoxic test, low-frequency theta power increased in all groups compared to baseline; the increase was non-significant in swimmers, whereas significant differences were observed in the control group and skiers. All groups showed a decrease in high-frequency alpha power during hypoxia, with swimmers maintaining the highest levels. Despite equal oxygen consumption across the groups, intergroup differences in cardiorespiratory and gas exchange functions were observed: swimmers exhibited significantly higher pulmonary ventilation and breathing frequency, but lower tidal volume compared to skiers. Skiers demonstrated lower heart rate and higher breathing efficiency than subjects in other groups. Blood oxygen saturation levels did not differ between groups at baseline; however, during hypoxia, swimmers showed higher values compared to skiers (p<0.01). Changes in EEG rhythms and individual alpha peak frequency, alpha desynchronization response, dynamics of gas exchange, blood pressure, and the Kerdo Index, indicate that swimmers maintain higher stability of brain activity under hypoxic stress due to enhanced sympathetic activity, gas exchange, and ventilation. In contrast, skiers appear to increase parasympathetic activity, leading to reduced electrocortical activity and lower energy expenditure.
Key words: electroencephalogram, hypoxic stress test, gas exchange, athletes.
The study was supported by the federal budget as part of fundamental scientific research (Project No. 126020216352-2).
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Author contributions
Research concept and design: Balioz N.V., Krivoshchekov S.G.
Literature search, participation in the study, and data processing: Balioz N.V., Krivoshchekov S.G.
Text writing and editing: Balioz N.V., Krivoshchekov S.G.
References
-
Yarrow K., Brown P., Krakauer J.W. Inside the brain of an elite athlete: the neural processes that support high achievement in sports. Nat. Rev. Neurosci. 2009; 10 (8): 585–596. DOI: 10.1038/nrn2672.
-
Dalen T., Sandmae S., Stevens T.G., Hjelde G.H., Kjøsnes T.N., Wisløff U. Differences in acceleration and high-intensity activities between small-sided games and peak periods of official matches in elite soccer players. J. Strength Cond. Res. 2021; 35 (7): 2018–2024. DOI: 10.1519/JSC.0000000000003081.
-
Chang Y., Lee J.J., Seo J.H., Song H.J., Kim Y.T., Lee H.J. Neural correlates of motor imagery for elite archers. NMR Biomed. 2011; 24: 366–372. DOI: 10.1002/nbm.1600.
-
Zhuina D.V., Maydokina L.G. Psikhologicheskiye osobennosti sportsmenov-pobediteley [Psychological characteristics of successful athletes]. Sovremennyye problemy nauki i obrazovaniya. 2014; 6: 1519–1522. Available at: https:// www.elibrary.ru/item.asp?id=22878836 (accessed: February 20, 2023) (in Russian).
-
Zhang L., Qiu F., Zhu H., Xiang M., Zhou L. Neural Efficiency and Acquired Motor Skills: An fMRI Study of Expert Athletes. Front Psychol. 2019; 6 (10): 27–38. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.02752.
-
Cabeza R., Albert M., Belleville S., Craik F.I., Duarte A., Grady C.L., Lindenberger U., Nyberg L, Park D.C., Reuter-Lorenz P.A., Rugg M.D., Steffener J., Rajah M.N. Maintenance, reserve and compensation: the cognitive neuroscience of healthy ageing. Nat. Rev. Neurosci. 2018; 19: 701–710. DOI: 10.1038/s41583-018-0068-2.
-
Dumoulin S.O., Fracasso A., Van der Zwaag, W., Siero J.C., Petridou N. Ultra-high field MRI: advancing systems neuroscience towards mesoscopic human brain function. Neuroimage. 2018; 168: 345–357. DOI: 10.1016/j.neuroimage. 2017.01.028.
-
Fink A., Rominger C., Benedek M., Perchtold C.M., Papousek I., Weiss E. M., Seidel A., Memmert D. EEG alpha activity during imagining creative moves in soccer decision-making situations. Neuropsychologia. 2018; 114: 118–124. DOI: 10.1016/j.neuropsychologia.2018.04.025.
-
Costanzo M.E., VanMeter J.W., Janelle C.M., Braun A., Miller M.W., Oldham J., Bartlett A H Russell, Bradley D Hatfieldet. Neural efficiency in expert cognitive-motor performers during affective challenge. J. Mot. Behav. 2016; 48: 573–588. DOI: 10.1080/00222895.2016.1161591.
-
Dumoulin S.O., Fracasso A., Van der Zwaag W., Siero J.C., Petridou N. Ultra-high field MRI: advancing systems neuroscience towards mesoscopic human brain function. Neuroimage. 2018; 168: 345–357. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2017.01.028.
-
Uryumtsev D.Yu., Gultyaeva V.V., Zinchenko M.I., Baranov V.I., Melnikov V.N., Balioz N.V., Krivo-schekov S.G. Effect of acute hypoxia on cardiorespiratory coherence in male runners. Front. Physiol. 2020; 11: 630. DOI: 10.3389/fphys.2020.00630.
-
Cheron G., Petit G., Cheron J., Leroy A., Cebolla A., Cevallos C., Mathieu P., Thomas H., David Z., Anne-Marie C., Bernard Dan. Brain oscillations in sport: toward EEG biomarkers of performance. Front. Psychol. 2016; 7: 246–271. DOI: 10.3389/fpsyg.2016.00246.
-
Fontes E.B., Okano A.H., De Guio F., Schabort E.J., Min L.L., Basset F.A. Brain activity and perceived exertion during cycling exercise: an fMRI study. Br. J. Sport Med. 2015; 49: 556–560. DOI: 10.1136/bjsports-2012-091924.
-
Boecker H., Drzezga A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. Neuroimage. 2016; 131: 73–80. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2015.10.021.
-
Shih C.H., Moore K., Browner N., Miriam S., Eran D. Physical activity mediates the association between striatal dopamine transporter availability and cognition in Parkinson’s disease. Parkinsonism Relat. Disord. 2019; 62: 68–72. DOI: 10.1016/j.parkreldis.2019.01.027.
-
Filippov M.M., Balykin M.V., Il′in V.N., Portnichenko V.I., Evtushenko A.L. Sravnitel′naya kharakteristika gipoksii, razvivayushcheysya pri myshechnoy deyatel′nosti, i gipoksicheskoy gipoksii v gorakh [Comparative analysis of exercise-induced hypoxia and hypoxic hypoxia in mountain environments]. Ul′yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2014; 4: 86–95 (in Russian).
-
Shiryayeva A.I., Fateyev I.V., Kuz′min A.A., Vetryakov O.V., Shkarupa A.V. Sovremennyye metodicheskiye podkhody k otsenke ustoychivosti k gipoksii i prognozu fizicheskoy rabotosposobnosti cheloveka v usloviyakh gornoy mestnosti (obzor literatury) [Modern methodological approaches to the assessment of hypoxic tolerance and physical working capacity prediction in the mountains (literature review)]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskiye nauki. 2022; 4: 104–127. DOI: 10.21685/2072-3032-2022-4-11 (in Russian).
-
Divert V.E., Vergunov E.G., Balioz N.V., Kushnir K.Yu., Kulikov V.Yu., Krivoshchekov S.G. Vegetativnyy balans organizma i khemoreaktivnyye svoystva kardiorespiratornoy sistemy u al′pinistov [Autonomic balance and chemoreactive properties of the cardiorespiratory system in climbers]. Sibirskiy nauchnyy meditsinskiy zhurnal. 2017; 37 (3): 72–78 (in Russian).
-
Soroko S.I., Bekshaev S.S., Rozhkov V.P. EEG-markery narusheniy sistemnoy deyatel′nosti mozga pri gipoksii [EEG markers of systemic brain dysfunction during hypoxia]. Fiziologiya cheloveka. 2007; 33 (5): 39–53 (in Russian).
-
Leutin V.P., Platonov Ya.G., Divert G.M., Krivoshchekov S.G. Izmeneniye tsentral′nogo kontrolya funktsii vneshnego dykhaniya posle odnokratnogo seansa preryvistoy normobaricheskoy gipoksii [Changes in central control of respiratory function after a single session of intermittent normobaric hypoxia]. Fiziologiya cheloveka. 2003; 29 (1): 13–15 (in Russian).
-
Melnikov V.N., Krivoshchekov S.G., Divert V.E., Komlyagina T.G. Baseline values of cardiovascular and respiratory parameters predict response to acute hypoxia in young health men. J Physiological research. 2017; 66 (3): 467–479.
-
Kapilevich L.V., Yezhova G.S., Zakharova A.N., Kabachkova A.V., Krivoshchekov S.G. Brain Bioelectrical Activity and Cerebral Hemodynamics in Athletes under Combined Cognitive and Physical Loading. Human Physiology. 2019; 45 (2): 164–173. DOI: 10.1134/S0362119719010080.
-
Ovchinnikova N.A., Medvedeva E.V., Yezhova G.S., Krivoshchekov S.G., Kapilevich L.V. Vliyaniye fizicheskikh nagruzok na kognitivnyye funktsii i bioelektricheskuyu aktivnost′ golovnogo mozga u sportsmenov razlichnykh spetsializatsiy [Influence of physical loads on cognitive functions and bioelectrical activity of the brain in athletes of various specializations]. Fiziologiya cheloveka. 2023; 49 (5): 61–73 (in Russian).
-
Pendergast D., Zamparo P., Di Prampero P., Capelli C., Cerretelli P., Termin A., Craig A.Jr., Bushnell D., Paschke D., Mollendorf J. Energy balance of human locomotion in water. Eur. J. Appl. Physiol. 2003; 90 (3-4): 377–386.
-
Feldman J.L. Neurophysiology of breathing in mammals. In: Bloom F.E. (ed.). Handbook of Physiology. Section 1: The Nervous System. 1986; 4: 463–524.
-
Maglischo E.W. Swimming Fastest. Human Kinetics. Champaign, IL, USA; 2003. 791.
Received August 18, 2025; accepted October 07, 2025.
Information about the authors
Balioz Natal′ya Vladimirovna, Candidate of Sciences (Biology), Researcher, Scientific Research Institute of Neurosciences and Medicine. 630017, Russia, Novosibirsk, Timakov St., 4; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-5482-5986
Krivoshchekov Sergey Georgievich, Doctor of Sciences (Medicine), Professor, Head of Laboratory, Scientific Research Institute of Neurosciences and Medicine. 630017, Russia, Novosibirsk, Timakov St., 4; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-2306-829X
For citation
Balioz N.V., Krivoshchekov S.G. Prognozirovaniye funktsional′nykh rezervov organizma sportsmenov na osnovanii kompleksnogo analiza elektroentsefalograficheskikh markerov i gazoobmena v modeli gipoksicheskogo stress-testa [Predicting functional reserves in athletes based on a comprehensive analysis of electroencephalographic markers and gas exchange in a hypoxic stress test model]. Ul′yanovskiy mediko-biologicheskiy zhurnal. 2026; 1: 109–121. DOI: 10.34014/2227-1848-2026-1-109-121 (in Russian).
Скачать статью
УДК 612.2; 616.12
DOI 10.34014/2227-1848-2026-1-109-121
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЕЗЕРВОВ ОРГАНИЗМА СПОРТСМЕНОВ НА ОСНОВАНИИ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОЭНЦЕФАЛОГРАФИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ И ГАЗООБМЕНА В МОДЕЛИ ГИПОКСИЧЕСКОГО СТРЕСС-ТЕСТА
Н.В. Балиоз, С.Г. Кривощеков
ФГБНУ «Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины», г. Новосибирск, Россия
Цель исследования - изучить особенности электроэнцефалографической активности при гипоксическом стресс-тесте у спортсменов 2 циклических видов спорта, различающихся по специфике дыхания при физической нагрузке (пловцы и лыжники), и сопоставить данные ЭЭГ с показателями газообмена.
Материалы и методы. Обследовано 43 чел. в возрасте 18–22 лет (14 лыжников, 12 пловцов, 17 чел. из группы контроля). Проводился гипоксический стресс-тест со снижением концентрации О2 во вдыхаемом воздухе в течение 30 мин с 20,9 % до 10 % с записью показателей газообмена, вентиляции и ЭЭГ.
Результаты. Установлено, что на 25-й мин гипоксического теста наблюдается увеличение мощности низкочастотного тета-ритма во всех группах по сравнению с фоном: у пловцов повышение незначительное, в контрольной группе и у лыжников различия достоверны. Во всех группах при гипоксии наблюдается снижение мощности высокочастотного альфа-ритма, наиболее высокой она сохраняется у пловцов. При равном потреблении кислорода в группах проявляются межгрупповые особенности работы кардиореспираторной системы и газообмена: у пловцов достоверно выше легочная вентиляция, частота дыхания и ниже дыхательный объем по сравнению с лыжниками, у лыжников ниже ЧСС, а эффективность дыхания выше, чем у испытуемых других групп. Уровни сатурации в группах в условиях фона не различаются, а при гипоксии показатели пловцов выше (р<0,01) по сравнению с лыжниками. Изменения ритмов ЭЭГ и индивидуальной частоты α-пика, реакция десинхронизации альфа-ритма, динамика газообмена, АД и индекса Кердо свидетельствуют о том, что пловцы при гипоксической нагрузке лучше сохраняют стабильность мозговой деятельности за счет усиления симпатической активности, газообмена и вентиляции по сравнению с лыжниками, которые, усиливая парасимпатическую активность, снижают электрокортикальную активность и энерготраты организма.
Ключевые слова: электроэнцефалограмма, гипоксический стресс-тест, газообмен, спортсмены.
Работа выполнена за счет средств федерального бюджета, выделенных на проведение фундаментальных научных исследований (тема № 126020216352-2).
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Вклад авторов
Концепция и дизайн исследования: Балиоз Н.В., Кривощеков С.Г.
Литературный поиск, участие в исследовании, обработка материала: Балиоз Н.В., Кривощеков С.Г.
Написание и редактирование текста: Балиоз Н.В., Кривощеков С.Г.
Литература
-
Yarrow K., Brown P., Krakauer J.W. Inside the brain of an elite athlete: the neural processes that support high achievement in sports. Nat. Rev. Neurosci. 2009; 10 (8): 585–596. DOI: 10.1038/nrn2672.
-
Dalen T., Sandmae S., Stevens T.G., Hjelde G.H., Kjøsnes T.N., Wisløff U. Differences in acceleration and high-intensity activities between small-sided games and peak periods of official matches in elite soccer players. J. Strength Cond. Res. 2021; 35 (7): 2018–2024. DOI: 10.1519/JSC.0000000000003081.
-
Chang Y., Lee J.J., Seo J.H., Song H.J., Kim Y.T., Lee H.J. Neural correlates of motor imagery for elite archers. NMR Biomed. 2011; 24: 366–372. DOI: 10.1002/nbm.1600.
-
Жуина Д.В., Майдокина Л.Г. Психологические особенности спортсменов-победителей. Современные проблемы науки и образования. 2014; 6: 1519–1522. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=22878836 (дата обращения: 20.02.2023).
-
Zhang L., Qiu F., Zhu H., Xiang M., Zhou L. Neural Efficiency and Acquired Motor Skills: An fMRI Study of Expert Athletes. Front Psychol. 2019; 6 (10): 27–38. DOI: 10.3389/fpsyg.2019.02752.
-
Cabeza R., Albert M., Belleville S., Craik F.I., Duarte A., Grady C.L., Lindenberger U., Nyberg L, Park D.C., Reuter-Lorenz P.A., Rugg M.D., Steffener J., Rajah M.N. Maintenance, reserve and compensation: the cognitive neuroscience of healthy ageing. Nat. Rev. Neurosci. 2018; 19: 701–710. DOI: 10.1038/s41583-018-0068-2.
-
Dumoulin S.O., Fracasso A., Van der Zwaag, W., Siero J.C., Petridou N. Ultra-high field MRI: advancing systems neuroscience towards mesoscopic human brain function. Neuroimage. 2018; 168: 345–357. DOI: 10.1016/j.neuroimage. 2017.01.028.
-
Fink A., Rominger C., Benedek M., Perchtold C.M., Papousek I., Weiss E. M., Seidel A., Memmert D. EEG alpha activity during imagining creative moves in soccer decision-making situations. Neuropsychologia. 2018; 114: 118–124. DOI: 10.1016/j.neuropsychologia.2018.04.025.
-
Costanzo M.E., VanMeter J.W., Janelle C.M., Braun A., Miller M.W., Oldham J., Bartlett A H Russell, Bradley D Hatfieldet. Neural efficiency in expert cognitive-motor performers during affective challenge. J. Mot. Behav. 2016; 48: 573–588. DOI: 10.1080/00222895.2016.1161591.
-
Dumoulin S.O., Fracasso A., Van der Zwaag W., Siero J.C., Petridou N. Ultra-high field MRI: advancing systems neuroscience towards mesoscopic human brain function. Neuroimage. 2018; 168: 345–357. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2017.01.028.
-
Uryumtsev D.Yu., Gultyaeva V.V., Zinchenko M.I., Baranov V.I., Melnikov V.N., Balioz N.V., Krivoschekov S.G. Effect of acute hypoxia on cardiorespiratory coherence in male runners. Front. Physiol. 2020; 11: 630. DOI: 10.3389/fphys.2020.00630.
-
Cheron G., Petit G., Cheron J., Leroy A., Cebolla A., Cevallos C., Mathieu P., Thomas H., David Z., Anne-Marie C., Bernard Dan. Brain oscillations in sport: toward EEG biomarkers of performance. Front. Psychol. 2016; 7: 246–271. DOI: 10.3389/fpsyg.2016.00246.
-
Fontes E.B., Okano A.H., De Guio F., Schabort E.J., Min L.L., Basset F.A. Brain activity and perceived exertion during cycling exercise: an fMRI study. Br. J. Sport Med. 2015; 49: 556–560. DOI: 10.1136/bjsports-2012-091924.
-
Boecker H., Drzezga A. A perspective on the future role of brain pet imaging in exercise science. Neuroimage. 2016; 131: 73–80. DOI: 10.1016/j.neuroimage.2015.10.021.
-
Shih C.H., Moore K., Browner N., Miriam S., Eran D. Physical activity mediates the association between striatal dopamine transporter availability and cognition in Parkinson’s disease. Parkinsonism Relat. Disord. 2019; 62: 68–72. DOI: 10.1016/j.parkreldis.2019.01.027.
-
Филиппов М.М., Балыкин М.В., Ильин В.Н., Портниченко В.И., Евтушенко А.Л. Сравнительная характеристика гипоксии, развивающейся при мышечной деятельности, и гипоксической гипоксии в горах. Ульяновский медико-биологический журнал. 2014; 4: 86–95.
-
Ширяева А.И., Фатеев И.В., Кузьмин А.А., Ветряков О.В., Шкарупа А.В. Современные методические подходы к оценке устойчивости к гипоксии и прогнозу физической работоспособности человека в условиях горной местности (обзор литературы). Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. 2022; 4: 104–127. DOI: 10.21685/2072-3032-2022-4-11.
-
Диверт В.Э., Вергунов Е.Г., Балиоз Н.В., Кушнир К.Ю., Куликов В.Ю., Кривощеков С.Г. Вегетативный баланс организма и хемореактивные свойства кардиореспираторной системы у альпинистов. Сибирский научный медицинский журнал. 2017; 37 (3): 72–78.
-
Сороко С.И., Бекшаев С.С., Рожков В.П. ЭЭГ-маркеры нарушений системной деятельности мозга при гипоксии. Физиология человека. 2007; 33 (5): 39–53.
-
Леутин В.П., Платонов Я.Г., Диверт Г.М., Кривощеков С.Г. Изменение центрального контроля функции внешнего дыхания после однократного сеанса прерывистой нормобарической гипоксии. Физиология человека. 2003; 29 (1): 13–15.
-
Melnikov V.N., Krivoshchekov S.G., Divert V.E., Komlyagina T.G. Baseline values of cardiovascular and respiratory parameters predict response to acute hypoxia in young health men. J Physiological research. 2017; 66 (3): 467–479.
-
Kapilevich L.V., Yezhova G.S., Zakharova A.N., Kabachkova A.V., Krivoshchekov S.G. Brain Bioelectrical Activity and Cerebral Hemodynamics in Athletes under Combined Cognitive and Physical Loading. Human Physiology. 2019; 45 (2): 164–173. DOI: 10.1134/S0362119719010080.
-
Овчинникова Н.А., Медведева Е.В., Ежова Г.С., Кривощеков С.Г., Капилевич Л.В. Влияние физических нагрузок на когнитивные функции и биоэлектрическую активность головного мозга у спортсменов различных специализаций. Физиология человека. 2023; 49 (5): 61–73.
-
Pendergast D., Zamparo P., Di Prampero P., Capelli C., Cerretelli P., Termin A., Craig A.Jr., Bushnell D., Paschke D., Mollendorf J. Energy balance of human locomotion in water. Eur. J. Appl. Physiol. 2003; 90 (3-4): 377–386.
-
Feldman J.L. Neurophysiology of breathing in mammals. In: Bloom F.E. (ed.). Handbook of Physiology. Section 1: The Nervous System. 1986; 4: 463–524.
-
Maglischo E.W. Swimming Fastest. Human Kinetics. Champaign, IL, USA; 2003. 791.
Поступила в редакцию 18.08.2025; принята 07.10.2025.
Авторский коллектив
Балиоз Наталья Владимировна – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины». 630017, Россия, г. Новосибирск, ул. Тимакова, 4; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-5482-5986
Кривощеков Сергей Георгиевич – доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией, ФГБНУ «Научно-исследовательский институт нейронаук и медицины». 630017, Россия, г. Новосибирск, ул. Тимакова, 4; e-mail: Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра., ORCID ID: http://orcid.org/0000-0002-2306-829X
Образец цитирования
Балиоз Н.В., Кривощеков С.Г. Прогнозирование функциональных резервов организма спортсменов на основании комплексного анализа электроэнцефалографических маркеров и газообмена в модели гипоксического стресс-теста. Ульяновский медико-биологический журнал. 2026; 1: 109–121. DOI: 10.34014/2227-1848-2026-1-109-121.