Alai

Introducere

Aritmia sinusală respiratorie (RSA) reflectă accelerarea ritmului cardiac (FC) în timpul inspirației și decelerarea FC în timpul expirației. Este un principiu fundamental (Yasuma și Hayano, 2004) și fenomenul central al respirației de rezonanță ritmată la 6/min asociat cu amplificarea variabilității frecvenței cardiace joase (HRV), cu o bunăstare emoțională sporită (Mather și Thayer, 2018) și cu o mai bună procesare a emoțiilor negative (Zaccaro et al., 2018). În mod interesant, există excepții de la RSA cu creșteri ale intervalului HR beat-to-beat (RRI) în timpul inspirației și cu faza RRI care conduce în raport cu ritmul respirator (Rassler et al., 2018). Această RSA paradoxală neobișnuită a fost găsită la o minoritate de participanți sănătoși în timpul scanării imagisticii prin rezonanță magnetică funcțională (fMRI), o situație inconfortabilă, uneori claustrofobă, asociată de obicei cu o anxietate crescută a stării (Munn et al., 2015; Pfurtscheller et al., 2018).

Undele de respirație spontană lentă cu o rată între 6 și 9 respirații/min sunt, de asemenea, însoțite de o HRV ridicată și ar putea facilita astfel procesarea emoțiilor neplăcute, cum ar fi anxietatea și stresul (Thayer și Lane, 2009). Datorită rolului principal al RRI asupra oscilațiilor respiratorii în timpul încetării neobișnuite a RSA (Rassler et al., 2018), pare probabil un oscilator neuronal autonom (pacemaker central; Julien, 2006) în creier, care acționează ca o sursă pentru oscilațiile lente ale RRI. Este demn de remarcat faptul că Perlitz și colab. (2004) au raportat un nou tip de ritm cardiovascular în banda de 0,15-Hz la om și câine, cu o origine comună în trunchiul cerebral. Cea mai interesantă caracteristică a acestui „ritm de 0,15-Hz” în bandă largă (care include și componente de frecvență apropiate de 0,1 Hz) este că perioadele de unde fusiforme sunt cuplate în fază cu respirația într-un raport de 1:1. Principalul nostru interes de cercetare a fost să identificăm acest stimulator cardiac, despre care se sugerează că ar fi localizat în trunchiul cerebral (Lambertz și Langhorst, 1998; Perlitz și colab, 2004), prin analiza semnalelor BOLD.

Semnalul BOLD nu cuantifică în mod direct activitatea neuronală în sine, dar este sensibil la modificări ale ratei metabolice cerebrale, ale fluxului sanguin cerebral și ale volumului sanguin cerebral (Obrig et al., 2000; Buxton et al., 2004) și la mai multe tipuri de mișcare (mișcări ale pieptului și ale vaselor de sânge; Birn et al., 2006). Prin urmare, semnalele BOLD pot fi compuse din componente neuronale și non-neuronale (de exemplu, mișcarea vaselor). Este de așteptat ca două semnale BOLD de origine diferită să poată fi identificate în trunchiul cerebral cu vasul său de sânge mare (artera bazilară) și sursa neuronală postulată de 0,15-Hz (Perlitz et al., 2004). Presupunem că unul dintre ele rezultă din mișcarea vaselor de sânge (BOLDv) și indică începutul unei acțiuni respiratorii lente, deoarece apare aproape simultan cu activarea neuronală a neuronilor respiratori. Celălalt se presupune că este asociat cu activarea neuronală (BOLDn) întârziată de timpul de cuplare neurovasculară de 2-3 s (Mateo et al., 2017). Speculăm că ambele semnale BOLD indică un stimulator cardiac central în trunchiul cerebral.

Materiale și metode

Subiecți și paradigmă experimentală

Grupul de subiecți studiați a fost același (vârsta de 23,8 ± 3,3 ani) ca cel analizat recent de Rassler et al. (2018). Înregistrarea și preprocesarea ECG și a respirației au fost descrise în acea lucrare. Toți participanții și-au dat consimțământul scris în cunoștință de cauză pentru protocolul studiului, care a fost aprobat de Comitetul local de etică de la Universitatea din Graz.

Imagistica prin rezonanță magnetică funcțională și semnalele dependente de nivelul de oxigen din sânge

Imaginile funcționale au fost achiziționate cu un scaner 3 T (Magnetom Skyra) utilizând o secvență GE-EPI multibandă (Moeller et al, 2010) cu o achiziție simultană în șase benzi cu TE/TR = 34/871 ms, unghi de flip de 52°, dimensiune voxel de 2 mm × 2 mm × 2 mm, 66 de felii axiale contigue (11 × 6), matrice de achiziție de 90 × 104 și un FOV de 180 mm × 208 mm. Această rată de scanare de 871 ms (frecvență de eșantionare de 1,15 Hz) permite studierea oscilațiilor lente în intervalul 0,1-0,15 Hz. Pentru mai multe detalii despre preprocesare, a se vedea Pfurtscheller et al. (2018). Atlasul de etichetare anatomică automată (AAL) (Tzourio-Mazoyer et al., 2002) a fost utilizat pentru a extrage cursurile de timp ale semnalelor BOLD în 116 regiuni de interes (ROI). Acest atlas nu prezintă ROI-uri în trunchiul cerebral, ci doar în imediata apropiere a cerebelului și a vermisului. Datorită proximității acestor regiuni și datorită contiguității unei artere majore, este rezonabil să presupunem că semnalul colectat din ROI-urile AAL etichetate „cerebel” reflectă parțial activitatea trunchiului cerebral.

Selectarea regiunilor de interes pentru semnalele dependente de nivelul de oxigen din sânge provenite de la cerebel / trunchiul cerebral

Printre cele 116 ROI ale atlasului AAL, ROI 91 până la ROI 108 corespund unor felii axiale din cerebel, inclusiv trunchiul cerebral (Tzourio-Mazoyer et al., 2002). Imaginile T1 din felia axială (spațiul Talairach z = -34) documentează proximitatea cerebelului și a trunchiului cerebral (Figura 1). Din cauza numărului mic de voxeli (<200), ROI-urile 107 și 108 au fost excluse din analiza ulterioară. ROI-urile din cerebel / trunchiul cerebral au fost inspectate vizual pentru a căuta ROI-uri adecvate, adică ROI-uri cu un raport semnal/zgomot bun și unde BOLD lente dominante. Au fost identificate următoarele ROI-uri: 96, 98, 100, 103 și 105. Numerele indică etichetele ROI în conformitate cu atlasul AAL. Numerele pare și impare denotă emisferele stângă și, respectiv, dreaptă.

Calcularea undelor medii dependente de nivelul de oxigen din sânge, de intervalul de bătaie la bătaie și de respirație

Medierea permite îmbunătățirea raportului semnal-zgomot, dar necesită utilizarea unui declanșator. Deoarece nu există astfel de declanșatori în datele privind starea de repaus, au fost utilizate maximele (vârfurile) care apar ritmic ale semnalului RRI (Pfurtscheller et al., 2017): În primul rând, au fost identificate cele mai proeminente vârfuri ale semnalelor RRI, distanțate la cel puțin câteva secunde între ele. În cazul oscilațiilor de 0,1-Hz, aceste intervale între vârfuri au fost de aproximativ 10 s, iar în cazul oscilațiilor de 0,15-Hz, acestea au fost de aproximativ 7 s (un exemplu este ilustrat în figura 2 prin liniile verticale punctate aproape echidistante). Vârfurile RRI marcate au fost folosite ca declanșatori pentru calcularea mediei (epoci cu 6 s înainte și 6 s după declanșare) între semnalele BOLD, RRI și respirație.

Rezultate

Oscilațiile BOLD lente în cerebelul/tezaurul cerebral se caracterizează prin calitatea favorabilă a semnalului lor, dar și mai important, prin coincidența lor cu oscilațiile în RRI și respirație. După cum s-a raportat în Rassler et al. (2018), oscilațiile de 0,1-Hz au predominat în timpul a ~37% din timpul de înregistrare, în timp ce oscilațiile de 0,15-Hz au predominat în ~45%. Două exemple caracteristice pentru oscilațiile de 0,1-Hz (subiectul 1Rb1) și 0,15-Hz (subiectul 11Ra1) sunt afișate în figura 2. În ambele cazuri, oscilațiile RRI de magnitudine mare coincid cu respirația sub forma unei creșteri a RRI în timpul inspirației și sunt, de asemenea, clar reflectate în semnalele BOLD din trunchiul cerebral. Rețineți, dinamica variabilă a oscilațiilor spontane și, respectiv, a undelor unice, în stare de repaus, oferă dovezi puternice că există nu doar unul, ci o varietate de ritmuri cardiovasculare cu componente de frecvență apropiate de 0,1 și 0,15 Hz. Unele dintre aceste ritmuri sunt amplificate în timpul procesării anxietății, altele nu, iar unele sunt sincronizate în cortexul prefrontal și în trunchiul cerebral, iar altele nu.

În figura 2 sunt prezentate exemple de semnale spontane și de unde medii de la doi subiecți caracteristici. Undele medii cu latențe de vârf marcate (distanța de la vârful RRI) ale tuturor subiecților sunt afișate în figura 3. De remarcat, variația relativ mică a undelor BOLD mediate în trunchiul cerebral subliniază fiabilitatea măsurătorilor de vârf.

Unda BOLD din emisfera dreaptă care precede unda de respirație cu 0,3 ± 0,2 s a fost interpretată ca BOLDv, iar unda BOLD din emisfera stângă care întârzie unda de respirație cu 2,3 ± 0,5 s a fost luată ca BOLDn. Diferența maximă între undele BOLDv și BOLDn a fost de 2,6 ± 0,4 s.

Undele medii din figura 3 evidențiază defazajul clar între cele două semnale BOLD din trunchiul cerebral (BOLDn, BOLDv) la toți cei cinci subiecți. Diferențele de vârf sunt indicate prin linii punctate. În plus față de cele două semnale BOLD din trunchiul cerebral, semnalul BOLD din girusul precentral stâng (ROI 1) a fost analizat ca și control. Deși undele BOLD medii din cortexul prefrontal (PFC) prezintă o varianță ridicată (SE), acestea se potrivesc în mod surprinzător de perfect cu undele BOLDn din cerebel / trunchi cerebral. Acest lucru confirmă interacțiunea puternică dintre PFC și trunchiul cerebral în gama de frecvențe lente în jurul valorii de 0,1 Hz.

Discuție

Coincidența undelor de respirație și artefactul respirator dependent de nivelul de sânge-oxigen

Respirația este însoțită nu numai de mișcarea toracelui, ci și de mișcarea vaselor de sânge cerebrale (Birn et al., 2006). A fost observată o decalare temporală stabilă de 0,3 ± 0,2 s între vârful pozitiv al semnalului BOLDv în cerebelul drept/tronc cerebral și maximul fiecărei unde de respirație (începutul expirației). Respirația a fost spontană, iar vârful respirației a întârziat față de vârful BOLDv, indicând, probabil, o vasomoție rapidă a arterei bazilare, un vas de sânge mare aproape de partea rostrală a ponsului. Această vasomoție ar putea fi considerată un artefact respirator indus de o modulare respiratorie a neuronilor simpatoexcitatori din nucleul reticular rostroventrolateral. O influență marcantă a generatorului central al modelului respirator asupra activității nervilor simpatici a fost observată la multe specii, inclusiv la om (Haselton și Guyenet, 1989; Häbler și Jänig, 1995; Eckberg, 2003; Mandel și Schreihofer, 2006). Scăderea activității acestor neuroni din măduva rostroventrolaterală (adică depresia simpatică) în timpul inspirației și o reintensificare bruscă a activității odată cu încetarea exploziilor frenice este unul dintre modelele predominante de cuplare respiratorie-simpatică (Haselton și Guyenet, 1989). Aceste oscilații simpatice modulate de respirație determină o vasodilatație maximă la sfârșitul inspirației (i.e, maximul semnalului BOLD imediat înainte de începerea expirației) și vasoconstricție în timpul expirației (minimul semnalului BOLD chiar înainte de debutul inspirației).

Activare neuronală ritmică asociată cu oscilația neuronală dependentă de nivelul de oxigen din sânge

Oscilațiile BOLD (BOLDn) au întârziat artefactul respirator periodic (BOLDv) cu 2.6 ± 0,4 s. Ambele oscilații BOLD au fost înregistrate simultan în felii axiale, BOLDn fiind asociat cu activitatea neuronală ca forță motrice a respirației spontane, iar BOLDv reflectând o mișcare vasculară asociată cu începutul expirației. Această întârziere de 2-3 s corespunde timpului de cuplare neurovasculară (Mateo et al., 2017).

Diversele influențe externe asupra emoției provocate de poziția incomodă în decubit dorsal cu capul subiectului într-un spațiu zgomotos limitat pot activa mai întâi zonele senzoriale primare și pot fi urmate de proiecția corticală către neuronii respiratori din trunchiul cerebral. Mai mult decât atât, influențele interne, comportamentale care decurg din centrele superioare modifică modelele metabolice de respirație. Ieșirea respiratorie finală implică o interacțiune complexă între structurile corticale, trunchiul cerebral și sistemul limbic și este caracteristică pentru respirația emoțională (Homma și Masaoka, 2008; Kato et al., 2018). Prin urmare, este destul de plauzibil ca oscilațiile din girusul precentral stâng (ROI 1) să fi fost sincronizate cu oscilațiile BOLD lente, induse neuronal în cerebel / trunchiul cerebral.

Activitatea neuronală acționează ca „forță motrice” pentru oscilațiile lente ale ritmului cardiac

Dinamica variabilă a modelelor de cuplare observate în starea de repaus indică o varietate de ritmuri cardiovasculare în banda de frecvență între 0,1 și 0,15 Hz. Acest lucru subliniază importanța, flexibilitatea și complexitatea interacțiunii dintre creier și inimă și merită cercetări intensive în continuare.

La toți cei cinci participanți, modelul de cuplare dintre respirație și HR a fost destul de contrar RSA tipic (Rassler et al., 2018), și anume RRI a crescut în timpul inspirației și a scăzut în timpul expirației. În timpul situațiilor provocatoare de anxietate, respirația tinde să fie mai rapidă și activitatea vagală diminuată, ceea ce duce la o HR mai mare (RRI mai scurt). Cu toate acestea, atunci când respirația este încetinită în mod inconștient/autonomic într-o situație provocatoare de anxietate, activitatea vagală ar putea crește, ceea ce duce la o FC mai mică (RRI mai mare). Se pare că nu numai activarea corticală induce o creștere aproape simultană a RRI (Barry, 1983; Damen și Brunia, 1987; Pfurtscheller și Lopes da Silva, 1999; Pfurtscheller et al., 2013), dar studiul nostru oferă primele dovezi că și un stimulator cardiac central din cerebel/trunchiul cerebral poate acționa ca forță motrice pentru oscilațiile RRI intrinseci și valurile spontane de respirație lentă. Această constatare susține cu tărie lucrările lui Perlitz et al. (2004) privind „ritmul de 0,15-Hz.”

Limitări și perspective viitoare

Selecția ROI-urilor cu semnale BOLD de bună calitate în cerebel/cefalus a fost făcută prin inspecție vizuală. Aceasta a inclus diferențierea între oscilațiile BOLD de origine neuronală și artefactele de mișcare. Acestea din urmă denotă semnale BOLD sincronizate în timp cu respirația. Pentru studii ulterioare, se recomandă calcularea valorilor de blocare a fazei (PLV; Pfurtscheller et al., 2017) între RRI și semnalele BOLD individuale în cerebel / trunchiul cerebral. În plus, evaluarea sincronă a metricilor de ventilație, cum ar fi volumul curent/volumul respirator pe timp, pCO2 la finalul respirației și tipul de respirație (nas vs. gură), precum și utilizarea diferitelor metode de denoising în contexte clinice și experimentale pe animale, ar putea oferi o perspectivă mai profundă asupra interacțiunilor complexe ale sistemelor de reglementare implicate.

„Deconectarea” aritmiei sinusale respiratorii este o excepție de la un fenomen fiziologic fundamental care poate apărea, de exemplu, în situații care provoacă anxietate. Dintre cei 23 de participanți sănătoși la un studiu fMRI, doar cinci subiecți au prezentat acest model de cuplaj paradoxal.

O condiție prealabilă pentru analiza BOLD (Bn și Bv) în trunchiul cerebral este o coincidență a respirației lente și a oscilațiilor RRI; cu toate acestea, un astfel de cuplaj 1:1 poate fi găsit doar la o minoritate de participanți. Prin urmare, acest tip de analiză este limitat la aceste cazuri rare. Cu toate acestea, am presupune că un stimulator cardiac central în trunchiul cerebral este, de asemenea, prevalent la persoanele cu o RSA normală și cuplaj 1:2 sau 1:3 (două sau trei respirații în timpul unui ciclu RRI). Primele rezultate din calculul cuplării de fază (PLV) între oscilațiile BOLD din trunchiul cerebral și oscilațiile RRI în banda de 0,1 până la 0,15-Hz susțin această presupunere. Cu această metodă, este posibil să se măsoare activitatea pacemakerului din trunchiul cerebral independent de ritmul de respirație. Această lucrare este în curs de desfășurare.

Trebuie remarcat faptul că nivelul anxietății de stat la indivizii cu respirație spontană lentă a variat între AS = 14 și AS = 28 (intervalul posibil al scorurilor AS: 10-40) și nu toți indivizii cu scoruri ridicate de anxietate au prezentat acest tip de respirație lentă. Prin urmare, concluzionăm că nu există o relație clară între respirația spontană lentă și procesarea anxietății.

Concluzie

1. Oscilațiile BOLD în stare de repaus de la nivelul cerebelului / trunchiului cerebral pot avea frecvențe alternante între 0,1 și 0,15 Hz, similare cu cele raportate în semnalele de RRI și respirație (Rassler et al., 2018).

2. Unele semnale BOLD de la nivelul cerebelului / trunchiului cerebral pot fi influențate de vasomoție (artera bazilară), în timp ce altele pot fi asociate cu o activitate de pacemaker central în trunchiul cerebral. În consecință, momentul real al începerii respirației, precum și sursa sa neuronală ar putea fi detectate în semnalele BOLD.

3. Ambele semnale BOLD cu origini diferite înregistrate simultan caracterizează o sursă comună, ceea ce susține lucrarea lui Perlitz et al. (2004).

4. Rezultatele sugerează că există dovezi pentru o respirație emoțională inconștientă la 6-9/min (0,1-0,15 Hz), care – într-un mod similar cu respirația conștientă de rezonanță la 6/min (0,1-0,15 Hz), care – într-un mod similar cu respirația conștientă de rezonanță la 6/min (0,1-0,15 Hz).1 Hz) care promovează bunăstarea psihologică (Mather și Thayer, 2018) – ridică, de asemenea, HRV și poate facilita procesarea emoțiilor negative.

Disponibilitatea datelor

Seturile de date generate pentru acest studiu sunt disponibile la cerere la autorul corespondent.

Declarație etică

Acest studiu a fost realizat în conformitate cu recomandările Declarației de la Helsinki din 1964, cu consimțământul informat în scris al tuturor subiecților. Toți subiecții și-au dat consimțământul informat în scris în conformitate cu Declarația de la Helsinki. Protocolul a fost aprobat de Comitetul de Etică de la Universitatea din Graz.

Contribuții ale autorilor

GP a contribuit la conceptualizare și la proiectul original. BR și AA au ajutat la metodologie, procesarea datelor, statistici, scriere și vizualizare. AS, BR, GS, GS, WK și JT au revizuit și editat manuscrisul.

Declarație privind conflictul de interese

Autorii declară că cercetarea a fost efectuată în absența oricăror relații comerciale sau financiare care ar putea fi interpretate ca un potențial conflict de interese.

Recunoștințe

Autorii doresc să le mulțumească lui Thomas Zussner, David Fink și Karl Koschutnig, Universitatea din Graz, pentru sprijinul acordat în achiziționarea datelor.

Abbreviații

BOLD, Dependent de nivelul de oxigenare a sângelui; ECG, Electrocardiogramă; (f)MRI, Imagistică prin rezonanță magnetică (funcțională); HR, Ritmul cardiac; HRV, Variabilitatea ritmului cardiac; PFC, Cortexul prefrontal; ROI, Regiunea de interes; RRI, Interval de bătaie la bătaie; RSA, Aritmie sinusală respiratorie.

.