Influence of head-up tilt on respiratory-related oscillations of blood pressure and heart rate at different inspiration/expiration phase ratio

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Сardiovascular diseases are commonly associated with disturbances in parasympathetic heart rhythm control, so the development of new methods for assessing vagal cardiotropic influences is an important biomedical task. This work aimed a studying the synchronization of respiration-related oscillations of mean arterial pressure (MAP) and heart rate (HR) depending on the duration of the expiration phase, during which cardiac vagal influences increase. In the study involving nine young men, a passive head-up test was performed at a fixed respiratory rate of 0.2 Hz (12 cycles/min) and different ratios of the inspiration and expiration phase durations: 30/70% and 70/30%. Blood pressure, HR, and pulmonary ventilation were continuously recorded during the experiment. In the supine position, the power of HR oscillations at the respiratory frequency was significantly higher with longer expiratory phase, the power of MAP oscillations; the phase synchronization index, and the phase difference between HR and MAP oscillations did not depend on the breathing pattern. During verticalization of the body, the power of HR oscillations decreased: with 30% expiratory phase – to a lower level than with 70% expiratory phase. The power of MAP oscillations increased and the phase difference between MAP and HR oscillations decreased during orthostasis regardless of the duration of the inspiratory phase, but increased synchronization of MAP and HR oscillations was observed only during a short inspiratory phase. Thus, the phase structure of the respiratory cycle can significantly affect the power of respiration-related HR oscillations and their synchronization with MAP oscillations of the corresponding frequency.

全文:

受限制的访问

作者简介

R. Zhedyaev

Institute of Biomedical Problems, RAS

编辑信件的主要联系方式.
Email: zhedyaev-r@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

A. Borovika

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: zhedyaev-r@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

O. Tarasova

Institute of Biomedical Problems, RAS; Moscow State University

Email: zhedyaev-r@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

O. Vinogradova

Institute of Biomedical Problems, RAS

Email: microgravity@mail.ru
俄罗斯联邦, Moscow

参考

  1. Baevsky R.M., Ivanov G.G., Chireikin L.V. et al. Analysis of heart rate variability when using various electrocardiographic systems // Vestnik of Arhythmology. 2003. № 24. P. 65.
  2. Camm A., Malik M., Bigger J. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Eur. Heart J. 1996. V. 17. № 3. P. 354.
  3. Malpas S.C. Neural influences on cardiovascular variability: possibilities and pitfalls // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2002. V. 282. № 1. P. H6.
  4. Julien C. An update on the enigma of Mayer waves // Cardiovasc. Res. 2020. V. 116. № 14. P. e210.
  5. Gourine A., Gourine A.V. Neural mechanisms of cardioprotection // Physiology (Bethesda). 2014. V. 29. № 2. P. 133.
  6. Kollai M., Koizumi K. Reciprocal and non-reciprocal action of the vagal and sympathetic nerves innervating the heart // J. Auton. Nerv. Syst. 1979. V. 1. № 1. P. 33.
  7. Costa-Silva J.H., Zoccal D.B., Machado B.H. Glutamatergic antagonism in the NTS decreases post-inspiratory drive and changes phrenic and sympathetic coupling during chemoreflex activation // J. Neurophysiol. 2010. V. 103. № 4. P. 2095.
  8. Ottaviani M.M., Wright L., Dawood T., Macefield V.G. In vivo recordings from the human vagus nerve using ultrasound-guided microneurography // J. Physiol. 2020. V. 598. № 17. P. 3569.
  9. Patros M., Ottaviani M.M., Wright L. et al. Quantification of cardiac and respiratory modulation of axonal activity in the human vagus nerve // J. Physiol. 2022. V. 600. № 13. P. 3113.
  10. Saul J.P., Berger R.D., Albrecht P. et al. Transfer function analysis of the circulation: unique insights into cardiovascular regulation // Am. J. Physiol. 1991. V. 261. № 4. Pt. 2. P. H1231.
  11. Clemson P.T., Hoag J.B., Cooke W.H. et al. Beyond the baroreflex: a new measure of autonomic regulation based on the time-frequency assessment of variability, phase coherence and couplings // Front. Netw. Physiol. 2022. V. 2. P. 891604.
  12. Cohen M.A., Taylor J.A. Short-term cardiovascular oscillations in man: measuring and modelling the physiologies // J. Physiol. 2002. V. 542. Pt. 3. P. 669.
  13. Tipton M.J., Harper A., Paton J.F.R., Costello J.T. The human ventilatory response to stress: rate or depth? // J. Physiol. 2017. V. 595. № 17. P. 5729.
  14. Cooke W.H., Hoag J.B., Crossman A.A. et al. Human responses to upright tilt: a window on central autonomic integration // J. Physiol. 1999. V. 517. Pt. 2. P. 617.
  15. Elstad M., Toska K., Chon K.H. et al. Respiratory sinus arrhythmia: Opposite effects on systolic and mean arterial pressure in supine humans // J. Physiol. 2001. V. 536. Pt. 1. P. 251.
  16. Borovik A.S., Pavlova E.A., Zhedyaev R.Yu. et al. [Changes in the phase relationships of arterial pressure and heart rate oscillations during orthostasis: the effect of gravitational unloading] // Aviakosm. Ekolog. Med. 2024. V. 58. № 5. P. 25.
  17. Borovik A.S., Kuznetsov S.Y., Vinogradova O.L. Phase synchronization of arterial pressure and heart rate as a measure of baroreflex activity // IEEE Xplore. 2014. P. 217.
  18. Vinogradova O.L., Borovik A.S., Zhedyaev R.Yu., Tarasova O.S. Respiratory sinus arrhythmia: physiological mechanisms and relationship with systemic blood pressure fluctuations // Human Physiology. 2024. V. 50. № 3. P. 276.
  19. Wesseling K.H., Jansen J.R., Settels J.J., Schreuder J.J. Computation of aortic flow from pressure in humans using a nonlinear, three-element model // J. Appl. Physiol. 1993. V. 74. № 5. P. 2566.
  20. Stauss H.M. Heart rate variability: Just a surrogate for mean heart rate? // Hypertension. 2014. V. 64. № 6. P. 1184.
  21. Lilly J.M., Olhede S.C. Generalized Morse Wavelets as a Superfamily of Analytic Wavelets // IEEE Trans. Signal Process. 2012. V. 60. № 11. P. 6036.
  22. Le Van Quyen M., Foucher J., Lachaux J.P. et al. Comparison of Hilbert transform and wavelet methods for the analysis of neuronal synchrony // J. Neurosci. Methods. 2001. V. 111. № 2. P. 83.
  23. Rosenblum M., Pikovsky A., Kurths J. et al. Phase synchronization: From theory to data analysis // Handb. Biol. Phys. 2001. Chapter 9. V. 4. P. 279.
  24. Borovik A.S., Orlova E.A., Tomilovskaya E.S. et al. Phase coupling between baroreflex oscillations of blood pressure and heart rate changes in 21-day dry immersion // Front. Physiol. 2020. V. 11. P. 455.
  25. Zhedyaev R.Y., Tarasova O.S., Semenov Y.S. et al. The change in baroreflex regulation of heart rhythm after “dry” immersion appears during orthostasis, but not lower body negative pressure test // J. Evol. Biochem. Physiol. 2024. V. 60. № 1. P. 273.
  26. Strauss-Blasche G., Moser M., Voica M. et al. Relative timing of inspiration and expiration affects respiratory sinus arrhythmia // Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2000. V. 27. № 8. P. 601.
  27. Bae D., Matthews J.J.L., Chen J.J., Mah L. Increased exhalation to inhalation ratio during breathing enhances high-frequency heart rate variability in healthy adults // Psychophysiology. 2021. V. 58. № 11. P. e13905.
  28. Meehan Z.M., Shaffer F. Do longer exhalations increase HRV during slow-paced breathing? // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 2024. V. 49. № 3. P. 407.
  29. Paprika D., Gingl Z., Rudas L., Zöllei E. Hemodynamic effects of slow breathing: does the pattern matter beyond the rate? // Acta Physiol. Hung. 2014. V. 101. № 3. P. 273.
  30. Eckberg D.L., Cooke W.H., Diedrich A. et al. Respiratory modulation of human autonomic function on Earth // J. Physiol. 2016. V. 594. № 19. P. 5611.
  31. Baselli G., Cerutti S., Badilini F. et al. Model for the assessment of heart period and arterial pressure variability interactions and of respiration influences // Med. Biol. Eng. Comput. 1994. V. 32. № 2. P. 143.
  32. Pagani M., Lombardi F., Guzzetti S. et al. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variabilities as a marker of sympatho-vagal interaction in man and conscious dog // Circ. Res. 1986. V. 59. № 2. P. 178.
  33. Taylor J.A., Eckberg D.L. Fundamental relations between short-term RR interval and arterial pressure oscillations in humans // Circulation. 1996. V. 93. № 8. P. 1527.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Fragments of data records (subject Z.) in the supine position when breathing with patterns 30/70 (A) and 70/30 (Б). At the top: volume velocity of inhaled and exhaled air (the sign indicates the direction of air flow – the velocity is negative during inhalation, positive during exhalation). In the middle and lower graphs: respiratory (high–frequency - HF) heart rate and ADsr fluctuations, isolated from experimental data using digital filtering.

下载 (310KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Changes in the relative power and synchronization of breathing-related fluctuations in blood pressure and heart rate during breathing with a frequency of 0.2 Hz and a different ratio of the duration of the inhalation and exhalation phases in the supine position (white bars) and during orthostasis (gray bars). A is the relative power of fluctuations in average blood pressure; Б is the relative power of heart rate fluctuations; В is the phase synchronization index; Г is the phase difference. Breathing patterns: 30/70 – inhale 30%, exhale 70% of the duration of the respiratory cycle; 70/30 – inhale 70%, exhale 30% of the duration of the respiratory cycle. The data are presented for a group of 9 subjects. * – p < 0.05 – two-factor analysis of variance for repeated measurements with a posteriori Tukey test.

下载 (300KB)
索引源数据
4. Fig. 3. The dependence of the phase difference between fluctuations in blood pressure and heart rate on their frequency in the horizontal position of the body (А, В) and in orthostasis (Б, Г) under conditions of breathing with a frequency of 0.2 Hz and a different ratio of the duration of the inhalation and exhalation phases. A–Б: inhale – 30%, exhale – 70% of the duration of the respiratory cycle. Third: inhale – 70%, exhale – 30% of the duration of the respiratory cycle. The average data for a group of 9 subjects is presented. The color codes the probability of observing a given value of the phase difference at a given frequency (increasing from blue to dark red).

下载 (411KB)
索引源数据

版权所有 © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».