Unbehaun, Axel: » Die vegetative Kontrolle der Herzfrequenz und ihre Koordination mit dem respiratorischen System untersucht im Schlafen und Wachen innerhalb der Pubertät: Eine zeitreihenanalytische Studie «

17

Kapitel 2. Die Fragestellung zur Studie: Zeitreihenanalytische Ansätze als Mittel, Einblicke in die vegetative Ansteuerung des Herzens und die kardiorespiratorische Interaktion zu erlangen

Wird die Herzfrequenz mittels zeitreihenanalytischer Methoden untersucht, so können ihre zeitlichen Strukturen als Resultat der sympathischen und vagalen Einflußnahme und damit als Summe der an ihrer Genese beteiligten vegetativen Prozesse angesehen werden. Da über die Regulationsmechanismen innerhalb des Steuersystems bei einer nichtinvasiven Studie allenfalls qualitative Aussagen getroffen werden können, lassen sich diese zu einer “black box“ zusammenfassen. Die Herzfrequenz repräsentiert den Ausgang aus dieser “black box“, in der eine Vielzahl von Eingängen zentralen wie peripheren Ursprungs integriert und mit der Eigenaktivität des Systems verbunden werden. Dabei entsteht eine Konstellation, die es einerseits zuläßt, aus der Herzfrequenz die Gesamtheit des Systems zu analysieren, es aber andererseits nicht oder nur in begrenztem Maße gestattet, Charakteristika in den Strukturen der Herzfrequenz in Beziehung zu einem einzelnen Regulationsmechanismus zu beobachten. Aus diesem Grunde sollen Erkenntnisse aus der Literatur, die mittels neurophysiologischer Untersuchungen am Tiermodell erhoben wurden, pharmakologische, chirurgische oder andere Interventionen, die eine Veränderung der vegetativen Ansteuerung des Herzens zur Folge hatten, zur Interpretation der eigenen Ergebnisse herangezogen werden.

In den vergangenen Jahren wurde dem Tagesgang der Herzfrequenz wie auch ihrer Variabilität ein hohes Maß an Aufmerksamkeit gewidmet. Die Zielstellung dieser Bemühungen kann zusammenfassend darin gesehen werden, die circadiane Rhythmik der vegetativen Ansteuerung aufzuzeigen. Eine Vielzahl vorliegender Arbeiten ignoriert eine Differenzierung zwischen den Vigilanzstadien [ 33 , 45 , 56 , 105 , 86 , 9 , 10 ]. Grundlage der Mehrzahl dieser Studien bildet das von Halberg entwickelte Cosinor-Modell [ 32 ], welches dem Tagesgang eine oder eine geringe Zahl harmonischer Funktionen anpaßt. An diesem Vorgehen ist Kritik unvermeidlich, da besonders kurzzeitige Änderungen der autonomen Kontrolle der Herzfrequenz, wie sie der Wechsel von REM und nonREM-Schlaf erwarten lassen, unberücksichtigt bleiben.

Diesen Arbeiten stehen Studien gegenüber, in denen eine exakte Klassifikation des Vigilanzstadium vorgenommen und damit auch die Schlafarchitektur berücksichtigt wurde [ 126 , 19 , 112 , 20 , 115 ]. Den Studien ist gemeinsam, daß sie, auf pharmakologischen Interventionsversuchen aufbauend, versuchen, eine sympathische oder parasympathische Dominanz innerhalb eines Vigilanzstadiums deutlich werden zu lassen. Allerdings vermieden diese Arbeiten eine integrative Betrachtung von Herzfrequenzvariabilität und Atmungsmuster. Dies ist jedoch zwingend nötig, wenn anhand der respiratorischen


18

Sinusarrhythmie ( RSA ) die parasympathische Ansteuerung beurteilt wird [ 7 ], da ein verändertes Atmungsmuster den hochfrequenten Anteil der Herzfrequenzvariabilität beeinflußt, ohne zwangsläufig den “parasympathischen Tonus“ zu variieren. Ein derartiger respiratorischer Einfluß könnte deshalb auch für bestehende Widersprüche zwischen den vorliegenden Ergebnissen verantwortlich sein. Weiterhin wird berechtigterweise gefordert, zwischen rhythmischen und tonischen Komponenten der vegetativen Kontrolle zu differenzieren [ 107 , 74 ]. Diesem Anspruch werden die angeführten Studien nicht gerecht.

Aus den angeführten Gründen ist abzuleiten, daß die Diskussion um vigilanzstadienabhängige Differenzen in der Kontrolle der Herzfrequenz keinesfalls als abgeschlossen anzusehen ist. Es wird vielmehr notwendig, Daten aus Langzeitmessungen über 24 Stunden dem jeweiligen Vigilanzstadium - ruhiger Wachzustand, nonREM- und REM-Schlaf - zuzuordnen und einander gegenüberzustellen. Erwartete Unterschiede der Herzfrequenz wie auch ihrer Variabilität sollen die Voraussetzung sein, stadienspezifische Charakteristika in der autonomen Kontrolle der Herzfrequenz aufzuzeigen. Es ist sinnvoll, neben der Gesamtvariabilität detailliert niederfrequenten und hochfrequenten Bereich gegeneinander abgegrenzt zu zeigen. In die Diskussion müssen dazu neue Bewertungen der niederfrequenten Fluktuationen unter Ruhebedingungen, die Zweifel am sympathischen Anteil offenbart haben, jedoch bisher keine Berücksichtigung fanden [ 29 ], herangezogen werden. Wegen der Unklarheiten hinsichtlich der gleichsinnigen Kontrolle von Herzfrequenz und ihrer rhythmischen Variabilitätsmaße ist eine weniger formalistische Beurteilung der Aktivität eines der beiden Antagonisten des autonomen System innerhalb eines Vigilanzstadiums erforderlich. Neben der Herzfrequenz erlaubt das ebenfalls registrierte Respirogramm, Unterschiede im Muster der Atmung zwischen Vigilanzstadien zu bewerten und deren Einfluß auf die hochfrequenten Fluktuationen der Herzfrequenz zu kennzeichnen. Für eine Einschätzung des parasympathischen Anteils an der Kontrolle der Herzfrequenz aufgrund der RSA stellt dies eine nicht zu vernachlässigende Voraussetzung dar.

Neben der für das Erkennen stabiler Regulationszustände notwendigen exakten Zuordnung registrierter Daten zum Vigilanzstadium, besteht die Frage, ob die ein Vigilanzstadium kennzeichnenden Parameter einer Abhängigkeit von der Tageszeit unterliegen oder unabhängig von dieser eingestellt werden. Nachgewiesene circadiane und ultradiane Rhythmen der Herzfrequenz und ihrer Gesamtvariabilität [ 56 ] lassen erwarten, daß auch nieder- und hochfrequente Fluktuationen von endogenen Rhythmen beeinflußt werden. Es ist deshalb sinnvoll, innerhalb des Wachzustandes, Daten die am Vormittag, Nachmittag und Abend erhoben werden, vergleichend einander gegenüberzustellen. Analog wird für beide Schlafphasen aus der Gegenüberstellung von vor und nach Mitternacht sowie am frühen Morgen erhobenen Werten, der Einfluß eines unabhängig vom Vigilanzstadium bestehenden circadianen Rhythmus bestimmt werden können.


19

Die kardiorespiratorische Koordination wird zumeist anhand der RSA beschrieben. Für die Beurteilung der Intensität der Beziehung zwischen beiden Systeme stehen jedoch wesentlich sensitivere Methoden zur Verfügung, welche allerdings die registrierte Atmung voraussetzen. Da gezeigt wurde, daß die Bewertung atmungskorrelierter Variationen vagaler Aktivität, welche sich in der RSA abbilden, einer quantitativen Charakterisierung der kardiorespiratorischen Beziehung nicht genügen [ 113 ], sollen in dieser Studie Atmungsexkursionen und die Zeitreihe der Herzfrequenz integrativ analysiert werden, so daß es möglich sein wird, ihre Beziehung innerhalb verschiedener Vigilanzstadien zu analysieren. Es sind mathematische Verfahren anzuwenden, welche die Intensität der kardiorespiratorischen Kopplung, bestehende Freiheitsgrade innerhalb der Beziehung sowie abhängig vom Vigilanzstadium zentral eingestellte Arbeitspunkte des Systems erkennen lassen. Den in neurophysiologischen Studien gefundenen Hinweisen auf die Existenz eines gemeinsamen kardiorespiratorischen Netzwerkes wird damit Rechnung getragen.

Es ist bekannt, daß die RSA innerhalb der Pubertät ihr individuelles Maximum erreicht [ 91 , 50 ]. Wird das Verhältnis der kardiorespiratorischen Beziehung in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium untersucht, so läßt die RSA dieser Altersgruppe erwarten, daß sie aufgrund ihres hohen Wertes Änderungen besonders deutlich reflektiert.

Obgleich in der Zeitreihe der Herzfrequenz Eigenschaften erkannt wurden, die mit der Methodik der nichtlinearen Dynamik und Chaostheorie beschrieben werden können, bestehen nach wie vor nachhaltige Zweifel darüber, ob es sich hierbei um deterministische Systemeigenschaften oder aber von stochastischen Anteilen vorgetäuschte Phänomene handelt [vgl. 43 gegenüber 62 ]. Daraus ist die Notwendigkeit abzuleiten, Hinweise auf chaotisches Verhalten - wie Fraktalität oder fehlende Prädiktabilität - sicher auf einen zugrundeliegenden nichtlinearen Determinismus zurückzuführen, bevor sie für eine Ergebnisinterpretation herangezogen werden können.

Da Nichtlinearität mit den linearen Methoden der Zeitreihenanalyse nicht beurteilt werden kann, ist eine nichtlineare Datenanalyse anzuwenden, wenn eine umfassende Beschreibung des kardiorespiratorischen Systems angestrebt wird. Die von Goldberger formulierte Hypothese, chaotische Eigenschaften seien untrennbar mit einem intakten Regulationssystem verbunden [ 25 ], unterstützt diese Forderung. Es ist bislang nicht untersucht, inwieweit das Vigilanzstadium aperiodische Anteile in der Herzfrequenzzeitreihe bestimmt. Physiologisch interessant ist nichtlineares und chaotisches Verhalten auch deshalb, weil anhand derartiger emergenter Systemeigenschaften Aussagen darüber möglich sind, wieviele unabhängig voneinander operierende Einflüsse für die Einstellung der Herzfrequenz innerhalb eines Stadiums bedeutsam sind. Der Vergleich zwischen Wachzustand und beiden Schlafphasen hinsichtlich der Kontrolle der Herzfrequenz läßt erwarten, daß verschiedene Arbeitspunkte<1>Y, welche ein intaktes


20

Regulationssystem einnehmen kann, offenbart werden und damit auch die Flexibilität in der Funktion dargestellt werden kann. Desweiteren ist der Neuigkeitswert darin zu sehen, daß erstmals Hintergründe für unterschiedlich ausgeprägte Funktionszustände der kardiorespiratorischen Beziehung innerhalb der einzelnen Vigilanzstadien studiert werden können. Auf der Grundlage neurophysiologischer Studien kann nach möglichen Eingriffsorten in das Kontrollsystem, die zu einer Modulation der kardiorespiratorischen Koordination durch das Vigilanzstadium führen, gesucht werden.

Es ist nicht unwichtig zu erwähnen, daß die Spaltung der Naturbetrachtung in linear und nichtlinear das Resultat der angewandten Methodik ist. Insofern soll versucht werden, sowohl periodisches als auch aperiodisches, möglicherweise deterministisch-chaotisches, Verhalten zu analysieren - vor allem deshalb, weil nichtlineare Phänomene die Ergebnisse linearer Verfahren beeinflussen, so daß nur eine gemeinsame Betrachtung der Herzfrequenz von beiden Standpunkten aus erlaubt, die komplexen Muster, die sich aus dem Zusammenspiel aller kardialen Kontrollmechanismen ergeben, umfassend zu beschreiben.

Zahlreiche Erkrankungen sind mit Veränderungen im Muster der Herzfrequenzvariabilität verbunden. Die zeitreihenanalytische Untersuchung der Herzfrequenz hat bislang jedoch kaum Zugang zu klinischen Untersuchungen gefunden, obwohl diese Methodik abgesehen vom mathematischen Hintergrund unkompliziert anwendbar ist und die Daten zudem nichtinvasiv erhoben werden können. Ein Grund hierfür ist, daß noch immer viel Unklarheit über die Regulationszustände des kardialen Kontrollsystems sowohl unter physiologischen als auch pathophysiologischen Bedingungen besteht. Um Parameter der Herzfrequenzvariabilität für diagnostische wie prognostische Zwecke zu verwenden, ist es nicht nur notwendig, sensitive Verfahren zu finden, die gesund und krank sicher voneinander trennen, sondern auch weitere Einblicke in das System von Herz-Kreislauf- und Atmungssteuerung eröffnen.


Fußnoten:
<1>

Der Begriff “Arbeitspunkt“ wird hier verwendet, um Funktionszustände des Regulationssystems, welche durch meßbar stabile Kombinationen linearer wie nichtlinearer Parameter der Herzfrequenz und der kardiorespiratorischen Koordination gekennzeichnet sind, zu benennen.


[Titelseite] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [Bibliographie] [Abkürzungsverzeichnis] [Selbständigkeitserklärung] [Lebenslauf] [Anhang] [Danksagung]

© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiDi DTD Version 1.1
a subset from ETD-ML Version 1.1
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Wed Jun 23 13:36:42 1999