Altered causal coupling pathways within the central-autonomic-network in patients suffering from schizophrenia

The multivariate analysis of coupling pathways within physiological (sub)systems focusing on identifying healthy and diseased conditions. In this study, we investigated a part of the central-autonomic-network (CAN) in 17 patients suffering from schizophrenia (SZO) compared to 17 age–gender matched healthy controls (CON) applying linear and nonlinear causal coupling approaches (normalized short time partial directed coherence, multivariate transfer entropy). Therefore, from all subjects continuous heart rate (successive beat-to-beat intervals, BBI), synchronized maximum successive systolic blood pressure amplitudes (SYS), synchronized calibrated respiratory inductive plethysmography signal (respiratory frequency, RESP), and the power PEEG of frontal EEG activity were investigated for 15 min under resting conditions. The CAN revealed a bidirectional coupling structure, with central driving towards blood pressure (SYS), and respiratory driving towards PEEG. The central-cardiac, central-vascular, and central-respiratory couplings are more dominated by linear regulatory mechanisms than nonlinear ones. The CAN showed significantly weaker nonlinear central-cardiovascular and central-cardiorespiratory coupling pathways, and significantly stronger linear central influence on the vascular system, and on the other hand significantly stronger linear respiratory and cardiac influences on central activity in SZO compared to CON, and thus, providing better understanding of the interrelationship of central and autonomic regulatory mechanisms in schizophrenia might be useful as a biomarker of this diseas

Multivariate assessment of linear and non-linear causal coupling pathways within the central-autonomic-network in patients suffering from schizophrenia

Im Bereich der Zeitreihenanalyse richtet sich das Interesse zunehmend darauf, wie Einblicke in die Interaktions- und Regulationsprozesse von pathophysiologischen- und physiologischen Zuständen erlangt werden können. Neuste Fortschritte in der nichtlinearen Dynamik, der Informationstheorie und der Netzwerktheorie liefern dabei fundiertes Wissen über Kopplungswege innerhalb (patho)physiologischer (Sub)Systeme. Kopplungsanalysen zielen darauf ab, ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie die verschiedenen integrierten regulatorischen (Sub)Systeme mit ihren komplexen Strukturen und Regulationsmechanismen das globale Verhalten und die unterschiedlichen physiologischen Funktionen auf der Ebene des Organismus beschreiben. Insbesondere die Erfassung und Quantifizierung der Kopplungsstärke und -richtung sind wesentliche Aspekte für ein detaillierteres Verständnis physiologischer Regulationsprozesse. Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung kurzfristiger unmittelbarer zentral-autonomer Kopplungspfade (top-to-bottom und bottom to top) durch die Kopplungsanalysen der Herzfrequenz, des systolischen Blutdrucks, der Atmung und zentraler Aktivität (EEG) bei schizophrenen Patienten und Gesunden. Dafür wurden in dieser Arbeit neue multivariate kausale und nicht-kausale, lineare und nicht-lineare Kopplungsanalyseverfahren (HRJSD, mHRJSD, NSTPDC) entwickelt, die in der Lage sind, die Kopplungsstärke und -richtung, sowie deterministische regulatorische Kopplungsmuster innerhalb des zentralen-autonomen Netzwerks zu quantifizieren und zu klassifizieren. Diese Kopplungsanalyseverfahren haben ihre eigenen Besonderheiten, die sie einzigartig machen, auch im Vergleich zu etablierten Kopplungsverfahren. Sie erweitern das Spektrum neuartiger Kopplungsansätze für die Biosignalanalyse und tragen auf ihre Weise zur Gewinnung detaillierter Informationen und damit zu einer verbesserten Diagnostik/Therapie bei. Die Hauptergebnisse dieser Arbeit zeigen signifikant schwächere nichtlineare zentral-kardiovaskuläre und zentral-kardiorespiratorische Kopplungswege und einen signifikant stärkeren linearen zentralen Informationsfluss in Richtung des Herzkreislaufsystems auf, sowie einen signifikant stärkeren linearen respiratorischen Informationsfluss in Richtung des zentralen Nervensystems in der Schizophrenie im Vergleich zu Gesunden. Die detaillierten Erkenntnisse darüber, wie die verschiedenen zentral-autonomen Netzwerke mit paranoider Schizophrenie assoziiert sind, können zu einem besseren Verständnis darüber führen, wie zentrale Aktivierung und autonome Reaktionen und/oder Aktivierung in physiologischen Netzwerken unter pathophysiologischen Bedingungen zusammenhängen.In the field of time series analysis, increasing interest focuses on insights gained how the coupling pathways of regulatory mechanisms work in healthy and ill states. Recent advances in non-linear dynamics, information theory and network theory lead to a new sophisticated body of knowledge about coupling pathways within (patho)physiological (sub)systems. Coupling analyses aim to provide a better understanding of how the different integrated physiological (sub)systems, with their complex structures and regulatory mechanisms, describe the global behaviour and distinct physiological functions at the organism level. In particular, the detection and quantification of the coupling strength and direction are important aspects for a more detailed understanding of physiological regulatory processes. This thesis aimed to characterize short-term instantaneous central-autonomic-network coupling pathways (top-to-bottom and bottom to top) by analysing the coupling of heart rate, systolic blood pressure, respiration and central activity (EEG) in schizophrenic patients and healthy participants. Therefore, new multivariate causal and non-causal linear and non-linear coupling approaches (HRJSD, mHRJSD, NSTPDC) that are able to determine the coupling strength and direction were developed. Whereby, the HRJSD and mHRJSD approaches allow the quantification and classification of deterministic regulatory coupling patterns within and between the cardiovascular- the cardiorespiratory system and the central-autonomic-network were developed. These coupling approaches have their own unique features, even as compared to well-established coupling approaches. They expand the spectrum of novel coupling approaches for biosignal analysis and thus contribute in their own way to detailed information obtained, and thereby contribute to improved diagnostics/therapy. The main findings of this thesis revealed significantly weaker non-linear central-cardiovascular and central-cardiorespiratory coupling pathways, and significantly stronger linear central information flow in the direction of the cardiac- and vascular system, and a significantly stronger linear respiratory information transfer towards the central nervous system in schizophrenia in comparison to healthy participants. This thesis provides an enhanced understanding of the interrelationship of central and autonomic regulatory mechanisms in schizophrenia. The detailed findings on how variously-pronounced, central-autonomic-network pathways are associated with paranoid schizophrenia may enable a better understanding on how central activation and autonomic responses and/or activation are connected in physiology networks under pathophysiological conditions

Multivariate linear and nonlinear central-cardiorespiratory coupling pathways in healthy subjects

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The cardiorespiratory network in healthy first-degree relatives of schizophrenic patients

Impaired heart rate- and respiratory regulatory processes as a sign of an autonomic dysfunction seems to be obviously present in patients suffering from schizophrenia. Since the linear and non-linear couplings within the cardiorespiratory system with respiration as an important homeostatic control mechanism are only partially investigated so far for those subjects, we aimed to characterize instantaneous cardiorespiratory couplings by quantifying the casual interaction between heart rate (HR) and respiration (RESP). Therefore, we investigated causal linear and non-linear cardiorespiratory couplings of 23 patients suffering from schizophrenia (SZO), 20 healthy first-degree relatives (REL) and 23 healthy subjects, who were age-gender matched (CON). From all participants’ heart rate (HR) and respirations (respiratory frequency, RESP) were investigated for 30 min under resting conditions. The results revealed highly significant increased HR, reduced HR variability, increased respiration rates and impaired cardiorespiratory couplings in SZO in comparison to CON. SZO were revealed bidirectional couplings, with respiration as the driver (RESP → HR), and with weaker linear and non-linear coupling strengths when RESP influencing HR (RESP → HR) and with stronger linear and non-linear coupling strengths when HR influencing RESP (HR → RESP). For REL we found only significant increased HR and only slightly reduced cardiorespiratory couplings compared to CON. These findings clearly pointing to an underlying disease-inherent genetic component of the cardiac system for SZO and REL, and those respiratory alterations are only clearly present in SZO seem to be connected to their mental emotional states

Autonomic nervous system biomarkers from multi-modal and model-based signal processing in mental health and illness

Esta tesis se centra en técnicas de procesado multimodal y basado en modelos de señales para derivar parámetros fisiológicos, es decir, biomarcadores, relacionados con el sistema nervioso autónomo (ANS). El desarrollo de nuevos métodos para derivar biomarcadores de ANS no invasivos en la salud y la enfermedad mental ofrece la posibilidad de mejorar la evaluación del estrés y la monitorización de la depresión. Para este fin, el presente documento se estructura en tres partes principales. En la Parte I, se proporciona unaintroducción a la salud y la enfermedad mental (Cap. 1). Además, se presenta un marco teórico para investigar la etiología de los trastornos mentales y el papel del estrés en la enfermedad mental (Cap. 2). También se destaca la importancia de los biomarcadores no invasivos para la evaluación del ANS, prestando especial atención en la depresión clínica (Cap. 3, 4). En la Parte II, se proporciona el marco metodológico para derivar biomarcadores del ANS. Las técnicas de procesado de señales incluyen el análisis conjunto de la variabilidad del rítmo cardíaco (HRV) y la señal respiratoria (Cap. 6), técnicas novedosas para derivar la señal respiratoria del electrocardiograma (ECG) (Cap. 7) y un análisis robusto que se basa en modelar la forma de ondas del pulso del fotopletismograma (PPG) (Ch. 8). En la Parte III, los biomarcadores del ANS se evalúan en la quantificacióndel estrés (Cap. 9) y en la monitorización de la depresión (Ch. 10).Parte I: La salud mental no solo está relacionada con ese estado positivo de bienestar, en el que un individuo puede enfrentar a las situaciones estresantes de la vida, sino también con la ausencia de enfermedad mental. La enfermedad o trastorno mental se puede definir como un trastorno emocional, cognitivo o conductual que causa un deterioro funcional sustancial en una o más actividades importantes de la vida. Los trastornos mentales más comunes, que muchas veces coexisten, son la ansiedad y el trastorno depresivo mayor (MDD). La enfermedad mental tiene un impacto negativo en la calidad de vida, ya que se asocia con pérdidas considerables en la salud y el funcionamiento, y aumenta ignificativamente el riesgo de una persona de padecer enfermedades ardiovasculares.Un instigador común que subyace a la comorbilidad entre el MDD, la patologíacardiovascular y la ansiedad es el estrés mental. El estrés es común en nuestra vida de rítmo rapido e influye en nuestra salud mental. A corto plazo, ANS controla la respuesta cardiovascular a estímulos estresantes. La regulación de parámetros fisiológicos, como el rítmo cardíaco, la frecuencia respiratoria y la presión arterial, permite que el organismo responda a cambios repentinos en el entorno. Sin embargo, la adaptación fisiológica a un fenómeno ambiental que ocurre regularmente altera los sistemas biológicos involucrados en la respuesta al estrés. Las alteraciones neurobiológicas en el cerebro pueden alterar lafunción del ANS. La disfunción del ANS y los cambios cerebrales estructurales tienen un impacto negativo en los procesos cognitivos, emocionales y conductuales, lo que conduce al desarrollo de una enfermedad mental.Parte II: El desarrollo de métodos novedosos para derivar biomarcadores del ANS no invasivos ofrece la posibilidad de mejorar la evaluacón del estrés en individuos sanos y la disfunción del ANS en pacientes con MDD. El análisis conjunto de varias bioseñales (enfoquemultimodal) permite la cuantificación de interacciones entre sistemas biológicos asociados con ANS, mientras que el modelado de bioseãles y el análisis posterior de los parámetros del modelo (enfoque basado en modelos) permite la cuantificación robusta de cambios en mecanismos fisiológicos relacionados con el ANS. Un método novedoso, quetiene en cuenta los fenómenos de acoplo de fase y frecuencia entre la respiración y las señales de HRV para evaluar el acoplo cardiorrespiratorio no lineal cuadrático se propone en el Cap. 6.3. En el Cap. 7 se proponen nuevas técnicas paramejorar lamonitorización de la respiración. En el Cap. 8, para aumentar la robustez de algunas medidas morfológicas que reflejan cambios en el tonno arterial, se considera el modelado del pulso PPG como una onda principal superpuesta con varias ondas reflejadas.Parte III: Los biomarcadores del ANS se evalúan en la cuantificación de diferentes tipos de estrés, ya sea fisiológico o psicológico, en individuos sanos, y luego, en la monitorización de la depresión. En presencia de estrés mental (Cap. 9.1), inducido por tareas cognitivas, los sujetos sanos muestran un incremento en la frecuencia respiratoria y un mayor número de interacciones no lineales entre la respiración y la seãl de HRV. Esto podría estar asociado con una activación simpática, pero también con una respiración menos regular. En presencia de estrés hemodinámico (Cap. 9.2), inducido por un cambio postural, los sujetos sanos muestran una reducción en el acoplo cardiorrespiratoriono lineal cuadrático, que podría estar relacionado con una retracción vagal. En presencia de estrés térmico (Cap. 9.3), inducido por la exposición a emperaturas ambientales elevadas, los sujetos sanos muestran un aumento del equilibrio simpatovagal. Esto demuestra que los biomarcadores ANS son capaces de evaluar diferentes tipos de estrés y pueden explorarse más en el contexto de la monitorización de la depresión. En el Cap. 10, se evalúan las diferencias en la función del ANS entre elMDD y los sujetos sanos durante un protocolo de estrés mental, no solo con los valores brutos de los biomarcadores del ANS, sino también con los índices de reactividad autónoma, que reflejan la capacidad deun individuo para afrontar con una situación desafiante. Los resultados muestran que la depresión se asocia con un desequilibrio autonómico, que se caracteriza por una mayor actividad simpática y una reducción de la distensibilidad arterial. Los índices de reactividad autónoma cuantificados por cambios, entre etapas de estrés y de recuperación, en los sustitutos de la rigidez arterial, como la pérdida de amplitud de PPG en las ondas reflejadas, muestran el mejor rendimiento en términos de correlación con el grado de la depresión, con un coeficiente de correlación r = −0.5. La correlación negativa implicaque un mayor grado de depresión se asocia con una disminución de la reactividadautónoma. El poder discriminativo de los biomarcadores del ANS se aprecia también por su alto rendimiento diagnóstico para clasificar a los sujetos como MDD o sanos, con una precisión de 80.0%. Por lo tanto, se puede concluir que los biomarcadores del ANS pueden usarse para evaluar el estrés y que la distensibilidad arterial deteriorada podría constituir un biomarcador de salud mental útil en el seguimiento de la depresión.This dissertation is focused on multi-modal and model-based signal processing techniques for deriving physiological parameters, i.e. biomarkers, related to the autonomic nervous system (ANS). The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers in mental health and illness offers the possibility to improve the assessment of stress and the monitoring of depression. For this purpose, the present document is structured in three main parts. In Part I, an introduction to mental health and illness is provided (Ch. 1). Moreover, a theoretical framework for investigating the etiology of mental disorders and the role of stress in mental illness is presented (Ch. 2). The importance of noninvasive biomarkers for ANS assessment, paying particular attention in clinical depression, is also highlighted (Ch. 3, 4). In Part II, themethodological framework for deriving ANS biomarkers is provided. Signal processing techniques include the joint analysis of heart rate variability (HRV) and respiratory signals (Ch. 6), novel techniques for deriving the respiratory signal from electrocardiogram (ECG) (Ch. 7), and a robust photoplethysmogram(PPG)waveform analysis based on amodel-based approach (Ch. 8). In Part III, ANS biomarkers are evaluated in stress assessment (Ch. 9) and in the monitoring of depression (Ch. 10). Part I:Mental health is not only related to that positive state ofwell-being, inwhich an individual can cope with the normal stresses of life, but also to the absence of mental illness. Mental illness or disorder can be defined as an emotional, cognitive, or behavioural disturbance that causes substantial functional impairment in one or more major life activities. The most common mental disorders, which are often co-occurring, are anxiety and major depressive disorder (MDD). Mental illness has a negative impact on the quality of life, since it is associated with considerable losses in health and functioning, and increases significantly a person’s risk for cardiovascular diseases. A common instigator underlying the co-morbidity between MDD, cardiovascular pathology, and anxiety is mental stress. Stress is common in our fast-paced society and strongly influences our mental health. In the short term, ANS controls the cardiovascular response to stressful stimuli. Regulation of physiological parameters, such as heart rate, respiratory rate, and blood pressure, allows the organism to respond to sudden changes in the environment. However, physiological adaptation to a regularly occurring environmental phenomenon alters biological systems involved in stress response. Neurobiological alterations in the brain can disrupt the function of the ANS. ANS dysfunction and structural brain changes have a negative impact on cognitive, emotional, and behavioral processes, thereby leading to development of mental illness. Part II: The development of novel approaches for deriving noninvasive ANS biomarkers offers the possibility to improve the assessment of stress in healthy individuals and ANS dysfunction in MDD patients. Joint analysis of various biosignals (multi-modal approach) allows for the quantification of interactions among biological systems associated with ANS, while the modeling of biosignals and subsequent analysis of the model’s parameters (model-based approach) allows for the robust quantification of changes in physiological mechanisms related to the ANS. A novel method, which takes into account both phase and frequency locking phenomena between respiration and HRV signals, for assessing quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling is proposed in Ch. 6.3. Novel techniques for improving the monitoring of respiration are proposed in Ch. 7. In Ch. 8, to increase the robustness for some morphological measurements reflecting arterial tone changes, the modeling of the PPG pulse as amain wave superposed with several reflected waves is considered. Part III: ANS biomarkers are evaluated in the assessment of different types of stress, either physiological or psychological, in healthy individuals, and then, in the monitoring of depression. In the presence of mental stress (Ch. 9.1), induced by cognitive tasks, healthy subjects show an increment in the respiratory rate and higher number of nonlinear interactions between respiration and HRV signal, which might be associated with a sympathetic activation, but also with a less regular breathing. In the presence of hemodynamic stress (Ch. 9.2), induced by a postural change, healthy subjects show a reduction in strength of the quadratic nonlinear cardiorespiratory coupling, whichmight be related to a vagal withdrawal. In the presence of heat stress (Ch. 9.3), induced by exposure to elevated environmental temperatures, healthy subjects show an increased sympathovagal balance. This demonstrates that ANS biomarkers are able to assess different types of stress and they can be further explored in the context of depression monitoring. In Ch. 10, differences in ANS function between MDD and healthy subjects during a mental stress protocol are assessed, not only with the raw values of ANS biomarkers but also with autonomic reactivity indices, which reflect the ability of an individual to copewith a challenging situation. Results show that depression is associated with autonomic imbalance, characterized by increased sympathetic activity and reduced arterial compliance. Autonomic reactivity indices quantified by changes, from stress to recovery, in arterial stiffness surrogates, such as the PPG amplitude loss in wave reflections, show the best performance in terms of correlation with depression severity, yielding to correlation coefficient r = −0.5. The negative correlation implies that a higher degree of depression is associated with a decreased autonomic reactivity. The discriminative power of ANS biomarkers is supported by their high diagnostic performance for classifying subjects as having MDD or not, yielding to accuracy of 80.0%. Therefore, it can be concluded that ANS biomarkers can be used for assessing stress and that impaired arterial compliance might constitute a biomarker of mental health useful in the monitoring of depression.<br /

HUMAN CARDIOVASCULAR RESPONSES TO SIMULATED PARTIAL GRAVITY AND A SHORT HYPERGRAVITY EXPOSURE

Orthostatic intolerance (OI), i.e., the inability to maintain stable arterial pressure during upright posture, is a major problem for astronauts after spaceflight. Therefore, one important goal of spaceflight-related research is the development of countermeasures to prevent post flight OI. Given the rarity and expense of spaceflight, countermeasure development requires ground-based simulations of partial gravity to induce appropriate orthostatic effects on the human body, and to test the efficacy of potential countermeasures. To test the efficacy of upright lower body positive pressure (LBPP) as a model for simulating cardiovascular responses to lunar and Martian gravities on Earth, cardiovascular responses to upright LBPP were compared with those of head-up tilt (HUT), a well-accepted simulation of partial gravity, in both ambulatory and cardiovascularly deconditioned subjects. Results indicate that upright LBPP and HUT induced similar changes in cardiovascular regulation, supporting the use of upright LBPP as a potential model for simulating cardiovascular responses to standing and moving in lunar and Martian gravities. To test the efficacy of a short exposure to artificial gravity (AG) as a countermeasure to spaceflight-induced OI, orthostatic tolerance limits (OTL) and cardiovascular responses to orthostatic stress were tested in cardiovascularly deconditioned subjects, using combined 70º head-up tilt and progressively increased lower body negative pressure, once following 90 minutes AG exposure and once following 90 minutes of -6º head-down bed rest (HDBR). Results indicate that a short AG exposure increased OTL of cardiovascularly deconditioned subjects, with increased baroreflex and sympathetic responsiveness, compared to those measured after HDBR exposure. To gain more insight into mechanisms of causal connectivity in cardiovascular and cardiorespiratory oscillations during orthostatic challenge in both ambulatory and cardiovascularly deconditioned subjects, couplings among R-R intervals (RRI), systolic blood pressure (SBP) and respiratory oscillations in response to graded HUT and dehydration were studied using a phase synchronization approach. Results indicate that increasing orthostatic stress disassociated interactions among RRI, SBP and respiration, and that dehydration exacerbated the disconnection. The loss of causality from SBP to RRI following dehydration suggests that dehydration also reduced involvement of baroreflex regulation, which may contribute to the increased occurrence of OI

Joint symbolic dynamics for the assessment of cardiovascular and cardiorespiratory interactions

Beat-to-beat variations in heart period provide information on cardiovascular control and are closely linked to variations in arterial pressure and respiration. Joint symbolic analysis of heart period, systolic arterial pressure and respiration allows for a simple description of their shared short-term dynamics that are governed by cardiac baroreflex control and cardiorespiratory coupling. In this review, we discuss methodology and research applications. Studies suggest that analysis of joint symbolic dynamics provides a powerful tool for identifying physiological and pathophysiological changes in cardiovascular and cardiorespiratory control.Mathias Baumert, Michal Javorka and Muammar Kabi

Noninvasive autonomic nervous system assessment in respiratory disorders and sport sciences applications

La presente tesis está centrada en el análisis no invasivo de señales cardíacas y respiratorias, con el objetivo de evaluar la actividad del sistema nervioso autónomo (ANS) en diferentes escenarios, tanto clínicos como no clínicos. El documento está estructurado en tres partes principales. La primera parte consiste en una introducción a los aspectos fisiológicos y metodológicos que serán cubiertos en el resto de la tesis. En la segunda parte, se analiza la variabilidad del ritmo cardiaco (HRV) en el contexto de enfermedades respiratorias, concretamente asma (tanto en niños como en adultos) y apnea del sueño. En la tercera parte, se estudian algunas aplicaciones novedosas del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. La primera parte está compuesta por los capítulos 1 y 2. El capítulo 1 consiste en una extensa introducción al funcionamiento del sistema nervioso autónomo y las características de las bioseñales analizadas a lo largo de la tesis. Por otro lado, se aborda la patofisiología del asma y la apnea del sueño, su relación con el funcionamiento del ANS y las estrategias de diagnóstico y tratamiento de lasmismas. El capítulo concluye con una introducción a la fisiología del ejercicio, así como al interés en la estimación del volumen tidal y del umbral anaeróbico en el campo de las ciencias del deporte.En cuanto al capítulo 2, se presenta un marco de trabajo para el análisis contextualizado de la HRV. Después de una descripción de las técnicas de evaluación y acondicionamiento de la señal de HRV, el capítulo se centra en el efecto de los latidos ectópicos, la arritmia sinusal respiratoria y la frecuencia respiratoria en el análisis de la HRV.Además, se discute el uso de un índice para la evaluación de la distribución de la potencia en los espectros de HRV, así como diferentes medidas de acoplo cardiorespiratorio.La segunda parte está compuesta por los capítulos 3, 4 y 5, todos ellos relacionados con el análisis de la HRV en enfermedades respiratorias. Mientras que los capítulos 3 y 4 están centrados en asma infantil y en adultos respectivamente, el capítulo 5 aborda la apnea del sueño. El asma es una enfermedad respiratoria crónica que aparece habitualmente acompañada por una inflamación de las vías respiratorias. Aunque afecta a personas detodas las edades, normalmente se inicia en edades tempranas, y ha llegado a constituir una de las enfermedades crónicasmás comunes durante la infancia. Sin embargo, todavía no existe un método adecuado para el diagnóstico de asma en niños pequeños. Por otro lado, el rol fundamental que desempeña el sistema nervioso parasimpático en el control del tono bronco-motor y la bronco-dilatación sugiere que la rama parasimpática del ANS podría estar implicada en la patogénesis del asma. De estemodo, en el capítulo 3 se evalúa el ANS mediante el análisis de la HRV en dos bases de datos diferentes, compuestas por niños en edad pre-escolar clasificados en función de su riesgo de desarrollar asma, o de su condición asmática actual. Los resultados del análisis revelaron un balance simpáticovagal reducido y una componente espectral de alta frecuencia más picuda en aquellos niños con un mayor riesgo de desarrollar asma. Además, la actividad parasimpática y el acoplo cardiorespiratorio se redujeron en un grupo de niños con bajo riesgo de asma al finalizar un tratamiento para bronquitis obstructiva, mientras que estos permanecieron inalterados en aquellos niños con una peor prógnosis.A diferencia de los niños pequeños, en el caso de adultos el diagnóstico de asma se realiza a través de una rutina clínica bien definida. Sin embargo, la estratificación de los pacientes en función de su grado de control de los síntomas se basa generalmente en el uso de cuestionarios auto-aplicados, que pueden tener un carácter subjetivo. Por otro lado, la evaluación de la severidad del asma requiere de una visita hospitalaria y de incómodas pruebas, que no pueden aplicarse de una forma continua en el tiempo. De este modo, en el capítulo 4 se estudia el valor de la evaluación del ANS para la estratificación de adultos asmáticos. Para ello, se emplearon diferentes características extraídas de la HRV y la respiración, junto con varios parámetros clínicos, para entrenar un conjunto de algoritmos de clasificación. La inclusión de características relacionadas con el ANS para clasificar los sujetos atendiendo a la severidad del asma derivó en resultados similares al caso de utilizar únicamente parámetros clínicos, superando el desempeño de estos últimos en algunos casos. Por lo tanto, la evaluación del ANS podría representar un potencial complemento para la mejora de la monitorización de sujetos asmáticos.En el capítulo 5, se analiza la HRV en sujetos que padecen el síndrome de apnea del sueño (SAS) y comorbididades cardíacas asociadas. El SAS se ha relacionado con un incremento de 5 veces en el riesgo de desarrollar enfermedades cardiovasculares (CVD), que podría aumentar hasta 11 veces si no se trata convenientemente. Por otro lado, una HRV alterada se ha relacionado independientemente con el SAS y con numerosos factores de riesgo para el desarrollo de CVD. De este modo, este capítulo se centra en evaluar si una actividad autónoma desbalanceada podría estar relacionada con el desarrollo de CVD en pacientes de SAS. Los resultados del análisis revelaron una dominancia simpática reducida en aquellos sujetos que padecían SAS y CVD, en comparación con aquellos sin CVD. Además, un análisis retrospectivo en una base de datos de sujetos con SAS que desarollarán CVD en el futuro también reveló una actividad simpática reducida, sugiriendo que un ANS desbalanceado podría constituir un factor de riesgo adicional para el desarrollo de CVD en pacientes de SAS.La tercera parte está formada por los capítulos 6 y 7, y está centrada en diferentes aplicaciones del análisis de señales cardiorespiratorias en el campo de las ciencias del deporte. El capítulo 6 aborda la estimación del volumen tidal (TV) a partir del electrocardiograma (ECG). A pesar de que una correcta monitorización de la actividad respiratoria es de gran interés en ciertas enfermedades respiratorias y en ciencias del deporte, la mayor parte de la actividad investigadora se ha centrado en la estimación de la frecuencia respiratoria, con sólo unos pocos estudios centrados en el TV, la mayoría de los cuales se basan en técnicas no relacionadas con el ECG. En este capítulo se propone un marco de trabajo para la estimación del TV en reposo y durante una prueba de esfuerzo en tapiz rodante utilizando únicamente parámetros derivados del ECG. Errores de estimación del 14% en la mayoría de los casos y del 6% en algunos sugieren que el TV puede estimarse a partir del ECG, incluso en condiciones no estacionarias.Por último, en el capítulo 7 se propone una metodología novedosa para la estimación del umbral anaeróbico (AT) a partir del análisis de las dinámicas de repolarización ventricular. El AT representa la frontera a partir de la cual el sistema cardiovascular limita la actividad física de resistencia, y aunque fue inicialmente concebido para la evaluación de la capacidad física de pacientes con CVD, también resulta de gran interés en el campo de las ciencias del deporte, permitiendo diseñar mejores rutinas de entrenamiento o para prevenir el sobre-entrenamiento. Sin embargo, la evaluación del AT requiere de técnicas invasivas o de dispositivos incómodos. En este capítulo, el AT fue estimado a partir del análisis de las variaciones de las dinámicas de repolarización ventricular durante una prueba de esfuerzo en cicloergómetro. Errores de estimación de 25 W, correspondientesa 1 minuto en este estudio, en un 63% de los sujetos (y menores que 50 W en un 74% de ellos) sugieren que el AT puede estimarse de manera no invasiva, utilizando únicamente registros de ECG.<br /

Cardiac autonomic control and complexity during sleep are preserved after chronic sleep restriction in healthy subjects

Acute sleep deprivation (SD) alters cardiovascular autonomic control (CAC) and is associated with an increased risk of cardiovascular disorders. However, the effects of partial SD on CAC are unclear. Thus, we aimed to investigate the effects of partial SD on CAC during sleep. We randomized seventeen healthy subjects to a restriction group (RES, n\ua0=\ua08, subjects slept two-thirds of normal sleep time based on individual habitual sleep duration for 8 days and 8 nights) or a Control group (CON, n\ua0=\ua09, subjects were allowed to sleep their usual sleep time). Attended polysomnographic (PSG) studies were performed every night; a subset of them was selected for the analysis at baseline (day 3-D3), the first night after sleep restriction (day 5-D5), at the end of sleep restriction period (day 11-D11), and at the end of recovery phase (day 14-D14). We extracted electrocardiogram (ECG) and respiration from the PSG and divided into wakefulness (W), nonrapid eye movements (REM) sleep (N2 and N3) and REM sleep. CAC was evaluated by means of linear spectral analysis, nonlinear symbolic analysis and complexity indexes. In both RES and CON groups, sympathetic modulation decreased and parasympathetic modulation increased during N2 and N3 compared to W and REM at D3, D5, D11, D14. Complexity analysis revealed a reduction in complexity during REM compared to NREM sleep in both DEP and CON. After 8\ua0days of moderate SD, cardiac autonomic dynamics, characterized by decreased sympathetic, and increased parasympathetic modulation, and higher cardiac complexity during NREM sleep, compared to W and REM,\ua0are preserved