EFFECTS OF HEART RATE VARIABILITY BIOFEEDBACK SESSIONS ON THE DYNAMICS OF THE EEG SPECTRAL POWER DURING EXPERIMENTAL HYPOTHERMIA

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction: Determination of individual reactions of the nervous system during self-regulation under experimental cold conditions has a potential to contribute to better understanding of the "physiological costs" humans "pay" for adaptation to the climatic factors of the Arctic. Aim: To study the dynamics of the spectral power of the electroencephalogram (EEG) during heart rate variability biofeedback (HRV BF) sessions in experimental hypothermia. Methods: Thirty healthy male volunteers (18-20 years old) participated in the experiment. The experimental group consisted of men who performed the HRV BF session (n = 15) and the control group (n = 15). The experiment included five stages: I - rest (+20 °С); II - HRV BF session for the experimental group and rest for the control group; III - whole cooling (-20 °С) for 10 min; IV and V - states after cooling, similar to stages I and II, respectively. EEG were recorded during each stage of the study using a portable electroencephalograph "Neuron-Spectrum-SM" (Neurosoft, Russia). Results: Body temperature significantly decreased on average by 2.2-2.7 °С (p < 0.001) during cooling. An increase in the power of theta- and alpha-activity of the EEG was revealed in the subjects during HRV BF session; the most pronounced changes were observed during stage V. Desynchronization of the EEG alpha-rhythm with the greatest decrease in the right frontal-central regions was observed in subjects of the control group by stage II (p < 0.05), and at the stage of rewarming (stage V), no significant changes in theta- and alpha-activities EEG were revealed. Significant increases in theta-activity EEG during HRV BF after cooling were observed in subjects in the left frontal, central and temporal brain parts (p < 0.05-0.01), which was caused by an increase in the activity of subcortical regulatory mechanisms and an increase in parasympathetic activity during the HRV BF session. An increase in the power of the EEG alpha-activity, reflecting the combined enhanced influence of thalamic and brainstem structures, was revealed over all brain parts, the most significant increases were also noted in the left frontal, central and temporal brain parts (p < 0.05-0.01). Concluzion: HRV BF training stimulates the central structures of autonomic regulation and parasympathetic activity when exposed to cold contributing to better adaptation to the climatic conditions of the Arctic.

About the authors

D. B. Demin

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: denisdemin@mail.ru
доктор медицинских наук, старший научный сотрудник лаборатории биоритмологии Arkhangelsk, Russia

References

  1. Новиков В. С., Сороко С. И. Физиологические основы жизнедеятельности человека в экстремальных условиях. СПб.: Политехника-принт, 2017. 476 с
  2. Поскотинова Л. В., Демин Д. Б., Кривоногова Е. В., Диева М. Н., Хасанова Н. М. Успешность биоуправления параметрами вариабельности сердечного ритма у лиц с различным уровнем артериального давления // Вестник Российской академии медицинских наук. 2013. Т. 68, № 7. С. 20-23
  3. Салтыкова М. М. Физиологические механизмы адаптации к холоду // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2016. Т. 50, № 4. С. 5-13
  4. Способ коррекции вегетативных дисбалансов с помощью комплекса для обработки кардиоинтервалограмм и анализа вариабельности сердечного ритма «Варикард 2.51», работающего под управлением компьютерной программы ISCIM 6.1 (BUILD 2.8), с использованием биологической обратной связи: пат. 2317771 Рос. Федерация / Л. В. Поскотинова, Ю. Н. Семенов; Институт физиологии природных адаптаций УрО РАН; опубл. 27.02.2008. Бюл. № 6
  5. Chang P. F., Arendt-Nielsen L., Chen A. C. N. Dynamic changes and spatial correlation of EEG activities during cold pressor test in man. Brain Research Bulletin. 2002, 57 (5), рр. 667-675.
  6. Critchley H. D., Taggart P., Sutton P. M. Mental stress and sudden cardiac death: asymmetric midbrain activity as a linking mechanism. Brain. 2005, 128 (1), рр. 75-85.
  7. Dhaka A., Murray A. N., Mathur J., Earley T. J., Petrus M. J., Patapoutian A. TRPM8 is required for cold sensation in mice. Neuron. 2007, 54, рр. 371-378.
  8. Guijt A. M., Sluiter J. K., Frings-Dresen M. H. Test-retest reliability of heart rate variability and respiration rate at rest and during light physical activity in normal subjects. Arch. Med. Res. 2007, 38 (1), рр. 113-120.
  9. Kimmerly D. S., O’Leary D. D., Menon R. S. Cortical regions associated with autonomic cardiovascular regulation during lower body negative pressure in humans. The Journal of Physiology. 2005, 569 (1), рр. 331-345.
  10. Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. Brain Res. Rev. 1999, 29 (2-3), рр. 169-195.
  11. Krivonogova O. V., Krivonogova E. V., Poskotinova L. V. Sustained Attention and Types of Dynamics of Cardiovascular Reactivity during a Short-Term, Human Whole-Body Exposure to Cold Air. International Journal of Biomedicine. 2020, 10 (4), рр. 407-41 1.
  12. Lehrer P. M., Gevirtz R. Heart rate variability biofeedback: how and why does it work? Front Psychol. 2014, 5, рр. 756-765.
  13. Louie J. P. Hypothermia and Cold-Related Injuries. Comprehensive Pediatric Hospital Medicine. Ed. by Zaoutis L. B., Chiang V. W. Philadelphia, Elsevier Inc., 2007, рр. 1153-1 157.
  14. Maier S. F., Watkins L. R. Role of the medial prefrontal cortex in coping and resilience. Brain Research. 2010, 1355, рр. 52-60.
  15. McGrady A. The effects of biofeedback in diabetes and essential hypertension. Cleveland Clinic Journal of Medicine. 2010, 77 (3), рр. 68-71.
  16. Moravec C. S. Biofeedback therapy in cardiovascular disease: Rationale and research overview. Cleveland Clinic Journal of Medicine. 2008, 75 (2), рр. 35-38.
  17. Morrison S. F., Nakamura K. Central neural pathways for thermoregulation. Frontiers in Bioscience. 2011, 16 (1), рр. 74-104.
  18. Niven D. J., Gaudet J. E., Laupland K. B., Mrklas K. J., Roberts D. J., Stelfox H. T. Accuracy of peripheral thermometers for estimating temperature: a systematic review and meta-analysis. Ann. Intern. Med. 2015, 163 (10), рр. 768-777.
  19. Oppenheimer S. M., Gelb A., Girvin J. P., Hachinski V. C. Cardiovascular effects of human insular cortex stimulation. Neurology. 1992, 42, рр. 1727-1732.
  20. Takahashi T., Murata T., Yamada T. Changes in EEG and autonomic neurons activity during meditation and their association with personality traits. Int. J. Psychophysiol. 2005, 55 (2), рр. 199-207.
  21. Thayer J. F., Lane R. D. Claude Bernard and the Heart-Brain Connection: Further Elaboration of a Model of Neurovisceral Integration. Neurosci. Biobehav. Rev. 2009, 33 (1), рр. 81-88.
  22. Tyler C. J., Reeve T., Cheung S. S. Cold-induced vasodilation during single digit immersion in 0 °C and 8 °C water in men and women. PLoS One. 2015, 10 (4), e0122592.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2021 Demin D.B.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
 


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».