Transient changes in heart rate variability in response to orthostatic task, endurance exersice and training : with special reference to autonomic blockades and time-frequency analysis

Abstract

Heart rate variability (HRV) is generally accepted as an estimate of the autonomic, particularly vagal, control of the heart. The quantitative relationship of HRV to vagal heart rate (HR) control is, however, unclear. In addition, the conventional analysis methods of HRV are not suitable for analyzing rapid adjustments of autonomic control. Time-frequency analysis methods, including short-time Fourier transform (STFT), have been developed for analyzing non-stationary signals.The present study was designed to evaluate the ability of HRV to quantify within-subject changes in autonomic HR control by using autonomic blockades and an active orthostatic task, and to study transient changes in HRV in response to a bout of endurance exercise and to endurance training. The present blockade experiments indicated that the spectral power of HRV at all frequencies, particularly high frequency power [HFP, in ln(ms2)], was predominantly mediated by the vagal system and that the within-subject relationship between HFP and vagal HR control was essentially linear. HRV provided no specific index of sympathetic HR control.During the active orthostatic task, the STFT method was able to detect and quantify transient changes in vagal HR control. Application of the STFT method to the exercise data showed that HFP decreased during the incremental maximal exercise test up to an intensity of 60-70% of maximal power, reflecting vagal withdrawal. Further, the increase in absolute HFP immediately after exercise was faster after the low than high intensity exercise, suggesting faster recovery of vagal HR control after the low intensity exercise. The effects of aerobic fitness on HRV response to exercise were evaluated by using cross-sectional and longitudinal designs.Two groups differing in age-related aerobic fitness were formed by using age-related aerobic fitness norms as classification criteria. Comparisons between the high and moderate age-related fitness groups showed that high age-related aerobic fitness was related to improved vagal HR control at rest and during recovery from submaximal endurance exercise. In the longitudinal design, previously untrained individuals exercised twice a week for 14 weeks. The results indicated that the low-dose endurance training programme improved vagal HR control at the same absolute submaximal exercise intensities but did not alter vagal HR control at rest in previously untrained individuals.It also increased maximal oxygen uptake. To summarize, the STFT method provided a non-invasive tool for assessing transient changes in vagal HR control without the need to interfere with normal control, e.g. by using blocking drugs. The changes in HRV in response to endurance exercise yielded information on the function of the autonomic nervous system in addition to that obtained by resting measurements of HRV.

Hyväkuntoisen autonominen säätely on tehokasta. Tämä selvisi Kaisu Martinmäen väitöstutkimuksessa, jossa hän selvitti uuden polven spektrilaskentamenetelmällä laskettujen sykevaihtelumuuttujien kykyä mitata autonomisen säätelyn nopeita yksilöllisiä muutoksia. Lisäksi hän tarkasteli aerobisen kunnon ja kestävyysharjoittelun vaikutuksia autonomiseen säätelyyn.Autonominen hermosto on eräs elimistömme tärkeimmistä säätelyjärjestelmistä. Sen toiminnan häiriöiden tiedetään olevan yhteydessä sydän- ja verisuonisairauksiin, alentuneeseen aerobiseen kuntoon, urheilijoiden ylirasitustilaan ja työstressiin. Autonomista säätelyä voidaan arvioida verenpaineessa ja sydämen sykkeessä tapahtuvien muutosten perusteella.Martinmäki osoitti, että ns. pyyhkäisevällä spektrimenetelmällä laskettu sykevaihtelu mahdollistaa autonomisen säätelyn nopeiden vasteiden mittaamisen. Menetelmä tuottaa ikään kuin kolmiulotteisen kartan, jossa sykevaihtelun määrää eri taajuusalueilla voidaan tarkastella sekuntitasolla esimerkiksi makuulta seisomaan nousun tai liikuntakuormituksesta palautumisen aikana. Menetelmä mahdollistaa aivan uuden lähestymistavan autonomisen säätelyn tutkimukseen.- Perinteiset menetelmät soveltuivat ensisijaisesti lepomittauksiin, kun taas tutkimallani menetelmällä voidaan arvioida autonomista säätelyä myös liikunnan ja muiden arkielämän tapahtumien aikana, Martinmäki kertoo.Hyvä aerobinen kunto ehkäisee sydän- ja verisuonisairauksia ja kestävyysharjoittelu on eräs hoitomuoto sairastuneilla henkilöillä. Yhtenä välittävänä mekanismina pidetään muutoksia autonomisessa säätelyssä. Tätä tukee myös Martinmäen tutkimus osoittaessaan, että kestävyysharjoittelu sai aikaan suotuisia muutoksia autonomisessa säätelyssä liikuntakuormituksen aikana. Harjoitusohjelma kesti 14 viikkoa ja siihen kuului kaksi harjoituskertaa viikossa.Lisäksi Martinmäki kuvasi tutkimuksessaan ensimmäistä kertaa sykevaihtelun spektrimuuttujien nopeita muutoksia välittömästi liikuntakuormituksen päättymisen jälkeen. Havainnot osoittivat, että autonomisen säätelyn palautuminen liikuntakuormituksesta on yhteydessä kuormituksen intensiteettiin ja tutkittavan aerobiseen kuntoon. Autonominen säätely palautui kuormituksesta nopeammin hyväkuntoisilla.- Vasta viime vuosina sykevaihtelututkimuksissa on päästy käsiksi siihen, mitä autonomisessa säätelyssä tapahtuu ensimmäisten palautumisminuuttien aikana. Tämän muutosvaiheen tutkiminen on erittäin tärkeää, sillä sydämen sykkeen epänormaali palautuminen liikuntakuormituksen jälkeen ennustaa kuolleisuutta sydäninfarktipotilailla, Martinmäki korostaa.Martinmäki selvitti sykevaihtelun mittateoreettisia ominaisuuksia ja sykevaihtelun kykyä tunnistaa autonomisen säätelyn nopeita muutoksia käyttäen menetelmää, jossa autonomisen säätelyn vaikutus sydämen toimintaan estettiin väliaikaisesti lääkeaineella. Sykevaihtelu laskettiin short-time Fourier transform -menetelmällä. Tutkimuksen koehenkilöinä oli 20 - 55-vuotiaita terveitä miehiä ja naisia.