Alai

Úvod

Respirační sinusová arytmie (RSA) odráží zrychlení srdeční frekvence (HR) během nádechu a zpomalení HR během výdechu. Jedná se o základní princip (Yasuma a Hayano, 2004) a základní fenomén tempového rezonančního dýchání při frekvenci 6/min spojený se zesílenou nízkofrekvenční variabilitou srdeční frekvence (HRV), zvýšenou emoční pohodou (Mather a Thayer, 2018) a lepším zpracováním negativních emocí (Zaccaro et al., 2018). Zajímavé je, že existují výjimky z RSA se zvýšením intervalu mezi jednotlivými údery HR (RRI) během nádechu a s fází RRI vedoucí vzhledem k dechovému rytmu (Rassler et al., 2018). Tato neobvyklá paradoxní RSA byla zjištěna u menšiny zdravých účastníků během skenování funkční magnetickou rezonancí (fMRI), což je nepříjemná, někdy klaustrofobická situace obvykle spojená se zvýšenou stavovou úzkostí (Munn et al., 2015; Pfurtscheller et al., 2018).

Pomalé spontánní dechové vlny s frekvencí mezi 6 a 9 dechy/min jsou rovněž doprovázeny zvýšenou HRV a mohly by tak usnadňovat zpracování nepříjemných emocí, jako je úzkost a stres (Thayer a Lane, 2009). Vzhledem k vedoucí úloze RRI nad dechovými oscilacemi během neobvyklého ukončení RSA (Rassler et al., 2018) se zdá pravděpodobné, že v mozku existuje autonomní nervový oscilátor (centrální pacemaker; Julien, 2006), který funguje jako zdroj pomalých oscilací RRI. Je pozoruhodné, že Perlitz et al. (2004) informovali o novém typu kardiovaskulárního rytmu v pásmu 0,15 Hz u člověka a psa se společným původem v mozkovém kmeni. Nejzajímavějším rysem tohoto širokého pásma „0,15-Hz rytmu“(zahrnujícího i frekvenční složky blízké 0,1 Hz) je to, že periody vřetenových vln jsou fázově spojeny s dýcháním v poměru 1:1. V tomto pásmu se vyskytují i vřetenové vlny. Naším hlavním výzkumným zájmem bylo identifikovat tento pacemaker, který se podle předpokladů nachází v mozkovém kmeni (Lambertz a Langhorst, 1998; Perlitz et al., 2004), pomocí analýzy signálů BOLD.

Signál BOLD nekvantifikuje přímo samotnou nervovou aktivitu, ale je citlivý na změny rychlosti mozkového metabolismu, průtoku krve mozkem a objemu krve v mozku (Obrig et al., 2000; Buxton et al., 2004) a na několik typů pohybu (pohyby hrudníku a cév; Birn et al., 2006). Proto se signály BOLD mohou skládat z nervových a ne-nervových (např. pohyb cév) složek. Očekává se, že v mozkovém kmeni s jeho velkou cévou (bazilární tepnou) a postulovaným neurálním zdrojem o frekvenci 0,15 Hz (Perlitz et al., 2004) lze identifikovat dva signály BOLD různého původu. Předpokládáme, že jeden z nich je výsledkem pohybu krevních cév (BOLDv) a indikuje začátek pomalé dechové akce, protože k němu dochází téměř současně s nervovou aktivací dechových neuronů. U druhého se předpokládá, že souvisí s nervovou aktivací (BOLDn) zpožděnou o dobu neurovaskulárního spojení 2-3 s (Mateo et al., 2017). Předpokládáme, že oba signály BOLD ukazují na centrální pacemaker v mozkovém kmeni.

Materiál a metody

Subjekty a experimentální paradigma

Studovaná skupina subjektů byla stejná (věk 23,8 ± 3,3 let), jakou nedávno analyzovali Rassler et al (2018). Záznam a předzpracování EKG a dýchání byly popsány v uvedeném článku. Všichni účastníci dali informovaný písemný souhlas s protokolem studie, který byl schválen místní etickou komisí na univerzitě ve Štýrském Hradci.

Funkční magnetická rezonance a signály závislé na hladině kyslíku v krvi

Funkční snímky byly získány pomocí skeneru 3 T (Magnetom Skyra) s použitím vícepásmové sekvence GE-EPI (Moeller et al., 2010) se simultánní šestipásmovou akvizicí s TE/TR = 34/871 ms, úhlem překlopení 52°, velikostí voxelu 2 mm × 2 mm × 2 mm, 66 sousedními axiálními řezy (11 × 6), akviziční maticí 90 × 104 a FOV 180 mm × 208 mm. Tato snímací frekvence 871 ms (vzorkovací frekvence 1,15 Hz) umožňuje studovat pomalé oscilace v rozsahu 0,1-0,15 Hz. Další podrobnosti o předzpracování viz Pfurtscheller et al. (2018). K extrakci časových průběhů signálů BOLD ve 116 oblastech zájmu (ROI) byl použit atlas automatizovaného anatomického značení (AAL) (Tzourio-Mazoyer et al., 2002). Tento atlas nezobrazuje žádné ROI v mozkovém kmeni, ale pouze v těsné blízkosti mozečku a vermis. Vzhledem k blízkosti těchto oblastí a vzhledem k sousedství hlavní tepny lze předpokládat, že signál získaný z AAL ROI označených jako „cerebellum“ částečně odráží aktivitu mozkového kmene.

Výběr oblastí zájmu pro signály závislé na hladině kyslíku v krvi z mozečku/mozkového kmene

Mezi 116 ROI atlasu AAL odpovídají ROI 91 až ROI 108 axiálním řezům z mozečku včetně mozkového kmene (Tzourio-Mazoyer et al., 2002). T1 snímky z axiálního řezu (Talairachův prostor z = -34) dokumentují blízkost mozečku a mozkového kmene (obrázek 1). Vzhledem k malému počtu voxelů (<200) byly ROI 107 a 108 z další analýzy vyloučeny. ROI z mozečku/mozkového kmene byly vizuálně zkontrolovány s cílem vyhledat vhodné ROI, tj. ROI s dobrým poměrem signálu k šumu a dominantními pomalými vlnami BOLD. Byly identifikovány následující ROI: 96, 98, 100, 103 a 105. Čísla označují označení ROI podle atlasu AAL. Lichá a sudá čísla označují levou, resp. pravou hemisféru.

Výpočet zprůměrovaných vln závislých na hladině kyslíku v krvi, intervalu mezi jednotlivými tepy a dechovými vlnami

Zprůměrování umožňuje zvýšit poměr signál/šum, ale vyžaduje použití spouštěče. Protože v údajích o klidovém stavu nejsou takové spouštěče k dispozici, byla použita rytmicky se vyskytující maxima (vrcholy) signálu RRI (Pfurtscheller et al., 2017): Nejprve byly identifikovány nejvýraznější vrcholy signálů RRI, vzdálené od sebe alespoň několik sekund. V případě oscilací o frekvenci 0,1 Hz byly tyto intervaly mezi vrcholy přibližně 10 s a v případě oscilací o frekvenci 0,15 Hz přibližně 7 s (příklad je znázorněn na obrázku 2 téměř stejně vzdálenými přerušovanými svislými čarami). Označené vrcholy RRI byly použity jako spouštěče pro průměrování (epochy s 6 s před a 6 s po spouštěči) napříč signály BOLD, RRI a dýchání.

Výsledky

Pomalé oscilace BOLD v mozečku/mozečkovém kmeni se vyznačují příznivou kvalitou signálu, ale ještě důležitější je jejich shoda s oscilacemi RRI a dýcháním. Jak uvádí Rassler et al. (2018), oscilace o frekvenci 0,1 Hz převažovaly během ~37 % doby záznamu, zatímco oscilace o frekvenci 0,15 Hz převažovaly v ~45 %. Na obrázku 2 jsou zobrazeny dva charakteristické příklady pro 0,1-Hz (subjekt 1Rb1) a 0,15-Hz (subjekt 11Ra1) oscilace. V obou případech se oscilace RRI velké velikosti shodují s dýcháním v podobě nárůstu RRI během nádechu a zřetelně se odrážejí i v signálech BOLD v mozkovém kmeni. Všimněte si, že různá dynamika spontánních oscilací, respektive jednotlivých vln v klidovém stavu, podává pádný důkaz, že neexistuje pouze jeden, ale celá řada kardiovaskulárních rytmů s frekvenčními složkami blízkými 0,1 a 0,15 Hz. Některé z těchto rytmů jsou během zpracování úzkosti zesíleny, jiné ne, a některé jsou synchronizovány v prefrontální kůře a mozkovém kmeni a některé ne.

Příklady spontánních signálů a zprůměrovaných vln dvou charakteristických subjektů jsou uvedeny na obrázku 2. Zprůměrované vlny s vyznačenými vrcholovými latencemi (vzdálenost od vrcholu RRI) všech subjektů jsou zobrazeny na obrázku 3. Za zmínku stojí relativně malý rozptyl zprůměrovaných vln BOLD v mozkovém kmeni, který podtrhuje spolehlivost měření vrcholů.

Vlna BOLD v pravé hemisféře předcházející dechovou vlnu o 0,3 ± 0,2 s byla interpretována jako BOLDv a vlna BOLD v levé hemisféře zpožďující se za dechovou vlnou o 2,3 ± 0,5 s byla brána jako BOLDn. Maximální rozdíl mezi vlnami BOLDv a BOLDn byl 2,6 ± 0,4 s.

Zprůměrované vlny na obrázku 3 zdůrazňují jasný fázový posun mezi oběma signály BOLD v mozkovém kmeni (BOLDn, BOLDv) u všech pěti subjektů. Špičkové rozdíly jsou vyznačeny tečkovanými čarami. Kromě dvou signálů BOLD z mozkového kmene byl jako kontrola analyzován signál BOLD z levého precentrálního gyru (ROI 1). Ačkoli zprůměrované vlny BOLD v prefrontální kůře (PFC) vykazují zvýšený rozptyl (SE), jsou v překvapivě dokonalé shodě s vlnami BOLDn v mozečku/mozečkovém kmeni. To potvrzuje silnou interakci mezi PFC a mozkovým kmenem v oblasti pomalých frekvencí kolem 0,1 Hz.

Diskuse

Koincidence dechových vln a artefakt závislý na hladině kyslíku v krvi při dýchání

Dýchání je doprovázeno nejen pohybem hrudníku, ale také pohybem mozkových cév (Birn et al., 2006). Mezi pozitivním vrcholem signálu BOLDv pravém mozečku/mozečkovém kmeni a maximem každé dechové vlny (začátkem výdechu) byl pozorován stabilní časový posun o 0,3 ± 0,2 sekundy. Dýchání bylo spontánní a vrchol dýchání se opožďoval za vrcholem BOLDv, což pravděpodobně svědčí o prudké vazomoci bazilární tepny, velké cévy v blízkosti rostrální strany ponsu. Tato vazomoce by mohla být považována za respirační artefakt vyvolaný respirační modulací sympatoexcitačních neuronů v rostroventrolaterálním retikulárním jádru. Výrazný vliv centrálního generátoru respiračního vzorce na aktivitu sympatických nervů byl pozorován u mnoha druhů včetně člověka (Haselton a Guyenet, 1989; Häbler a Jänig, 1995; Eckberg, 2003; Mandel a Schreihofer, 2006). Snížení aktivity těchto neuronů v rostroventrolaterální dřeni (tj. sympatická deprese) během nádechu a náhlé opětovné zvýšení aktivity s ukončením frenických vzruchů je jedním z převládajících vzorců respiračně-sympatického spojení (Haselton a Guyenet, 1989). Tyto oscilace sympatiku modulované dýcháním způsobují maximální vazodilataci na konci vdechu (tj, maximum signálu BOLD bezprostředně před začátkem výdechu) a vazokonstrikci během výdechu (minimum signálu BOLD těsně před začátkem nádechu).

Rytmická nervová aktivace spojená s nervovými oscilacemi závislými na hladině kyslíku v krvi

Oscilace BOLD (BOLDn) se zpožďují za periodickým respiračním artefaktem (BOLDv) o 2. místo.6 ± 0,4 s. Obě oscilace BOLD byly zaznamenány současně v axiálních řezech, přičemž BOLDn souvisí s nervovou aktivitou jako hnací silou spontánního dýchání a BOLDv odráží pohyb cév spojený se začátkem výdechu. Tato časová prodleva 2-3 s odpovídá době neurovaskulárního spojení (Mateo et al., 2017).

Různé vnější vlivy na emoce vyvolané nepohodlnou polohou vleže na zádech s hlavou subjektu v omezeném hlučném prostoru mohou nejprve aktivovat primární senzorické oblasti a následně být následovány kortikální projekcí do dýchacích neuronů mozkového kmene. Kromě toho vnitřní, behaviorální vlivy vycházející z vyšších center modifikují metabolické vzorce dýchání. Konečný dechový výstup zahrnuje komplexní interakci mezi korovými strukturami, mozkovým kmenem a limbickým systémem a je charakteristický pro emoční dýchání (Homma a Masaoka, 2008; Kato et al., 2018). Je proto docela pravděpodobné, že oscilace v levém precentrálním gyru (ROI 1) byly synchronizovány s pomalými, neurálně vyvolanými oscilacemi BOLD v mozečku/mozečkovém kmeni.

Neurální aktivita působí jako „hnací síla“ pro pomalé oscilace srdeční frekvence

Různá dynamika vzorců spojení pozorovaných v klidovém stavu ukazuje na různé kardiovaskulární rytmy ve frekvenčním pásmu mezi 0,1 a 0,15 Hz. To podtrhuje důležitost, flexibilitu a složitost interakce mozku a srdce a zaslouží si další intenzivní výzkum.

U všech pěti účastníků byl vzorec spojení mezi dýcháním a HR zcela v rozporu s typickým RSA (Rassler et al., 2018), konkrétně se RRI zvyšoval během nádechu a snižoval během výdechu. Během situací vyvolávajících úzkost bývá dýchání rychlejší a vagová aktivita se snižuje, což vede k vyššímu HR (kratší RRI). Při nevědomém/autonomním zpomalení dýchání v situaci vyvolávající úzkost by se však mohla vagová aktivita zvýšit, což by vedlo k nižšímu HR (většímu RRI). Zdá se, že nejen kortikální aktivace vyvolává téměř současné zvýšení RRI (Barry, 1983; Damen a Brunia, 1987; Pfurtscheller a Lopes da Silva, 1999; Pfurtscheller et al., 2013), ale naše studie poskytuje první důkaz, že také centrální pacemaker v mozečku/mozečkovém kmeni může působit jako hnací síla pro vnitřní oscilace RRI a spontánní vlny pomalého dýchání. Toto zjištění silně podporuje práci Perlitze et al. (2004) o „rytmu 0,15 Hz.“

Omezení a vyhlídky do budoucna

Výběr ROI s dobrou kvalitou BOLD signálů v mozečku/mozečkovém kmeni byl proveden vizuální kontrolou. Ta zahrnovala rozlišení mezi BOLD oscilacemi nervového původu a pohybovými artefakty. Druhé jmenované označují BOLD signály časově vázané na dýchání. Pro další studie se doporučuje vypočítat hodnoty fázového uzamčení (PLV; Pfurtscheller et al., 2017) mezi RRI a jednotlivými signály BOLD v mozečku/mozkovém kmeni. Kromě toho by synchronní vyhodnocení ventilačních metrik, jako je dechový objem/dechový objem za čas, end-tidal pCO2 a typ dýchání (nos vs. ústa), jakož i použití různých denoisingových metod v klinických podmínkách a při experimentech na zvířatech, mohlo poskytnout hlubší vhled do komplexních interakcí zapojených regulačních systémů.

„Vypnutí“ respirační sinusové arytmie je výjimkou ze základního fyziologického jevu, ke kterému může docházet např. v situacích vyvolávajících úzkost. Mezi 23 zdravými účastníky studie fMRI vykazovalo tento paradoxní vzorec spojení pouze pět subjektů.

Předpokladem pro analýzu BOLD (Bn a Bv) v mozkovém kmeni je shoda pomalého dýchání a oscilací RRI; takové spojení 1:1 však lze nalézt pouze u menšiny účastníků. Proto je tento druh analýzy omezen na tyto vzácné případy. Nicméně bychom předpokládali, že centrální kardiostimulátor v mozkovém kmeni převažuje i u jedinců s normálním RSA a spojením 1:2 nebo 1:3 (dva nebo tři vdechy během jednoho cyklu RRI). První výsledky výpočtu fázového spojení (PLV) mezi oscilacemi BOLD z mozkového kmene a oscilacemi RRI v pásmu 0,1 až 0,15 Hz tento předpoklad podporují. Pomocí této metody je možné měřit pacemakerovou aktivitu v mozkovém kmeni nezávisle na frekvenci dýchání. Tato práce probíhá.

Je třeba poznamenat, že úroveň stavové úzkosti u jedinců s pomalým spontánním dýcháním se pohybovala mezi AS = 14 a AS = 28 (možný rozsah skóre AS: 10-40) a ne každý jedinec se zvýšeným skóre úzkosti vykazoval tento druh pomalého dýchání. Došli jsme proto k závěru, že mezi pomalým spontánním dýcháním a zpracováním úzkosti neexistuje žádný jasný vztah.

Závěr

1. Oscilace BOLD z mozečku/mozečkového kmene v klidovém stavu mohou mít střídavé frekvence mezi 0,1 a 0,15 Hz, podobně jako byly zaznamenány u signálů RRI a dýchání (Rassler et al., 2018).

2. Některé signály BOLD z mozečku/mozečkového kmene mohou být ovlivněny vazomotorikou (bazilární arterie), zatímco jiné mohou souviset s centrální pacemakerovou aktivitou v mozkovém kmeni. V důsledku toho lze v signálech BOLD zjistit skutečný čas nástupu dýchání i jeho nervový zdroj.

3. Oba signály BOLD s různým původem zaznamenané současně charakterizují společný zdroj, což podporuje práci Perlitze et al. (2004).

4. Výsledky naznačují, že existuje důkaz pro nevědomé emoční dýchání při frekvenci 6-9/min (0,1-0,15 Hz), které – podobně jako vědomé rezonanční dýchání při frekvenci 6/min (0,1-0,15 Hz) – je v souladu se systémem BOLD.1 Hz) podporující psychickou pohodu (Mather a Thayer, 2018) – také zvyšuje HRV a může usnadňovat zpracování negativních emocí.

Dostupnost dat

Soubory dat vytvořené pro tuto studii jsou k dispozici na vyžádání u odpovídajícího autora.

Etické prohlášení

Tato studie byla provedena v souladu s doporučeními Helsinské deklarace z roku 1964 s písemným informovaným souhlasem všech subjektů. Všechny subjekty poskytly písemný informovaný souhlas v souladu s Helsinskou deklarací. Protokol byl schválen etickou komisí Univerzity ve Štýrském Hradci.

Příspěvky autorů

GP se podílel na koncepci a původním návrhu. BR a AA se podíleli na metodice, zpracování dat, statistice, psaní a vizualizaci. AS, BR, GS, WK a JT rukopis recenzovali a upravovali.

Prohlášení o střetu zájmů

Autoři prohlašují, že výzkum byl prováděn bez jakýchkoli komerčních nebo finančních vztahů, které by mohly být chápány jako potenciální střet zájmů.

Poděkování

Autoři děkují Thomasi Zussnerovi, Davidu Finkovi a Karlu Koschutnigovi z Univerzity v Grazu za podporu při získávání dat.

Zkratky

BOLD, Blood-oxygenation-level-dependent; EKG, Electrocardiogram; (f)MRI, (functional)Magnetic resonance imaging; HR, Heart rate; HRV, Heart rate variability; PFC, Prefrontal cortex; ROI, Region of interest; RRI, Beat-to-beat interval; RSA, Respiratory sinus arrhythmia.

.