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Kapitel 6. Diskussion

6.1. Die vegetative Ansteuerung des Herzens innerhalb des Schlafes und Wachzustandes

6.1.1. Die vigilanzabhängige Einstellung der Herzfrequenz

Die Herzfrequenz und ebenso ihre Variabilität im nieder- und hochfrequenten Bereich offenbaren deutliche Unterschiede zwischen dem Wachzustand und den nonREM- wie auch den REM-Phasen des Schlafes. Da diese Parameter den direkten Ausdruck sympathischer und parasympathischer Einflußnahme darstellen [ 1 ], muß angenommen werden, daß die vegetative Kontrolle des Herzschlages durch das jeweils vorherrschende Vigilanzstadium moduliert wird.

Die mittlere Herzfrequenz für das Gesamtprobandengut erreicht am Tage die höchsten Werte; im Schlaf fällt sie deutlich ab und innerhalb der REM-Phasen steigt sie, wenn auch geringfügig, so doch signifikant an. Die Werte entsprechen den für die Altersgruppe angegebenen Werten [ 91 , 97 , 50 , 125 ]. Mit zunehmenden Alter der Probanden sinkt die Herzfrequenz in allen drei Vigilanzstadien ab und strebt die für Erwachsene typischen Werte an.

Da der diurnale Rhythmus der Herzfrequenz ein gut untersuchtes Phänomen darstellt, können die ermittelten Tagesgänge mit denen anderer Studien verglichen werden. Malpas und Purdie entwarfen aufgrund ihrer Messungen das Modell eines 24 Stunden Rhythmus der Herzfrequenz - sie geben deutlich niedrigere Werte innerhalb der nächtlichen Schlafphasen und ein Minimum ungefähr um vier Uhr an [ 56 ]. Schubert et al. konzentrierten sich auf den Tagesgang der Herzfrequenz und ihrer Variabilität von Kindern einer identischen Altersgruppe, die allerdings intensiv sportlich trainierten. Sie fanden ein Minimum für die Herzfrequenz um drei Uhr [ 92 ]. Verglichen hiermit zeigen die ermittelten Herzfrequenzwerte einen ausgeprägten Tagesgang, der eine deutliche Abhängigkeit vom Vigilanzstadium und auch Veränderungen innerhalb dieser Stadien offenbart: Das Minimum im nonREM-Schlaf liegt zwischen Mitternacht und 3.30 Uhr. Für den Wachzustand wurde typischerweise eine Abnahme der IHR zum Abend hin gefunden. Somit läßt die IHR neben einer charakteristischen Einstellung in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium auch einen endogenen circadianen Rhythmus erkennen [ 93 ]. Es konnte gezeigt werden, daß sowohl der circadiane als auch ultradiane Rhythmen der Herzfrequenz mit Schwankungen des Katecholamingehaltes im Blut korrelieren, wobei im Hypothalamus das Kontrollzentrum gesehen wird, welches autonomes und endokrines System einander anpaßt [ 96 ].


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Die Herzfrequenz unterliegt der antagonistischen Kontrolle von Sympathicus und Parasympathicus. Da die Herzfrequenz während des Wachzustandes deutlich höher als innerhalb der Schlafphasen liegt, ist davon auszugehen, daß am Tage sympathische Einflüsse dominieren und in der Nacht parasympathische. Allerdings muß dabei berücksichtigt werden, daß eine scheinbare Wirkung des einen Anteils auch durch eine Abnahme des Einflusses des Antagonisten erreicht werden kann. Detailliertere Kenntnisse von der Intensität der vegetativen Ansteuerung in den betrachteten Vigilanzstadien ergeben sich bei Berücksichtigung der spektralen Kenngrößen der IHR -Variabilität.

6.1.2. Stadienspezifische Schlaf-Wach-Strukturen im Tonusdiagramm

Bei der Betrachtung im vegetativen Tonusdiagramm werden Herzfrequenz und TP als spektraler Ausdruck der Gesamtvariabilität zusammengefaßt [ 92 ]. Wachzustand, REM- und nonREM-Schlaf stellen sich hier als drei deutlich gegeneinander abgrenzbare Zustände der vegetativen kardialen Ansteuerung dar. Der Wachzustand liegt aufgrund der höheren Herzfrequenz rechts von den Schlafphasen. Die REM-Phasen bilden sich im linken Teil des Diagramms ab, bedingt durch die hohe Gesamtvariabilität überragt dieses Stadium die anderen beiden. Die Abschnitte des nonREM-Schlafes liegen aufgrund niedriger Herzfrequenz und TP -Werte, am weitesten links und unten. Im Gegensatz zur antagonistischen Wirkung von Sympathicus und Parasympathicus auf die IHR ist für die Gesamtvariabilität ein agonistischer Einfluß anzunehmen, wiewohl die Veränderungen verschiedene Frequenzbereiche betreffen.

Für den Wachzustand ist demzufolge eine starke sympathische Einflußnahme und innerhalb der REM-Phasen eine intensive parasympathische Wirkung abzulesen. Im nonREM-Schlaf ist die sympathische Kontrolle deutlich vermindert. Diese Interpretation aber setzt voraus, daß die Regulation der Herzfrequenz als tonische Größe und der Gesamtvariabilität als Ausdruck rhythmischen Geschehens identische Wege der Ansteuerung benutzen. An dieser Vorstellung sind Zweifel geäußert worden. Es wurde gezeigt, daß eine hohe physische Aktivität, die eine Situation sympathischer Dominanz erzeugt, neben einer Zunahme der IHR zu einer Abnahme der IHR -Oszillationen in allen Frequenzbereichen führt [ 74 ]. Daraus ist abzuleiten, daß eine Aktivitätsänderung eines der beiden Antagonisten des Vegetativums nicht zwangsläufig rhythmische und tonische Anteile gleichsinnig variiert. Relevant könnte diese Erkenntnis sein, um die deutlichen Unterschiede des Parameters TP zwischen beiden Schlafstadien bei nur geringfügig höherer Herzfrequenz im REM-Schlaf zu deuten. Allerdings fällt dann die Zuordnung der erhöhten Gesamtvariabilität zu Sympathicus oder Parasympathicus schwer. Auch wenn bislang die


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Relevanz dieses Phänomens unter Ruhebedingungen nicht klar ist, lassen alle vorliegenden Arbeiten über Schlaf-Wach-Strukturen der vegetativen Kontrolle der Herzfrequenz eine differenzierte Analyse von Herzfrequenz und ihrer Variabilität vermissen [ 126 , 19 , 112 , 20 , 115 ] und stützen sich vornehmlich nur auf die rhythmischen Modulationen der IHR . Dabei wurde eine starke Zunahme sympathischer Aktivität innerhalb der REM-Phasen postuliert. Unberücksichtigt lassen die Autoren jedoch, weshalb die Herzfrequenz selbst kaum zunimmt bzw. sogar geringfügig vermindert ist. Gemeinsamkeiten und Unterschiede zu diesen Arbeiten lassen sich mit einer Diskussion um nieder- und hochfrequente Anteile an der IHR -Gesamtvariabilität darstellen, die in den folgenden Kapiteln geschieht.

Schubert et al. zeigten anhand des Tonusdiagramms, daß eine interindividuelle Variabilität in den Schlaf-Wach-Strukturen der vegetativen Ansteuerung besteht [ 92 ]. Sie teilten die Probanden zwei Gruppen zu, wobei die erste jene Individuen ohne und die zweite diejenigen mit deutlicher Tag-Nacht-Verteilung enthielten. Dabei wurde jedoch keine Klassifikation des Schlafes in REM und nonREM vorgenommen, was Ursache der interindividuellen Differenzen in den Schlaf-Wach-Strukturen sein kann.

6.1.3. Die niederfrequenten Fluktuationen der Herzfrequenz - ein sensitives Kennzeichen der Vigilanz

Die spektrale Leistung niederfrequenter IHR -Oszillationen ( LF ) reagiert sehr sensitiv bezüglich des Vigilanzstadiums. Im Vergleich zum ruhigen Wachzustand liegt sie innerhalb des REM-Schlafes deutlich höher und ist in den nonREM-Phasen erheblich vermindert. Es wurde bereits darauf eingegangen, daß derzeit keine einheitliche, deutlich erkennbare Meinung darüber besteht, welchen Anteil Sympathicus und Parasympathicus an Rhythmen dieses Frequenzbereiches haben [ 52 ]. Einerseits liegen zahlreiche Arbeiten vor, die nach wie vor den LF -Anteil als Ausdruck sympathischer Aktivität sehen [ 69 , 5 ]. Andere Autoren stehen dieser Interpretation kritisch gegenüber [ 29 ] und verweisen auf Daten, die am ruhenden Probanden erhoben wurden. So gelang es Grasso et al., bislang bestehende Schwierigkeiten, mangelnde Effekte sympathischer Blockade auf die LF -Leistung der IHR , zu erklären. Diese Autoren schreiben der parasympathischen Ansteuerung einen sehr großen Anteil in der Übertragung der Oszillationen nahe dem Frequenzpunkt von 0.1 Hz zumindest im wachen Ruhezustand zu. Andererseits ist aber belegt, daß sowohl bei passiver als auch aktiver physischer Belastung sympathisch vermittelte Rhythmen den LF -Bereich dominieren [ 80 ]. Gesichert ist lediglich, daß sich der Sympathicus, wenn er aktiviert wird, in diesem Frequenzbereich widerspiegelt.

Werden diese Erkenntnisse für Interpretationen verwandt, so muß berücksichtigt werden, daß alle Resultate an Probanden im ruhigen Wachzustand erhoben wurden. Deshalb bleibt


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fraglich, ob eine Zunahme niederfrequenter IHR -Oszillationen mit dem Übergang vom nonREM zum REM-Schlaf, wie sie zahlreiche Autoren beschreiben [ 126 , 112 , 20 , 115 ], durch eine alleinige sympathische Aktivierung bedingt sind. Vielmehr ist anzunehmen, daß beide Anteile des Vegetativum nicht unabhängig voneinander agieren, sondern auf mehreren Ebenen miteinander vernetzt sind, so daß auch die Aktivierung beider Systeme die LF -Leistung zu erhöhen vermag. Dabei ist die Hypothese interessant, daß LF -Oszillationen sympathisch auf die Gefäße und damit den Blutdruck übertragen werden. Diese Fluktuationen sollen von den Barorezeptoren registriert und an die kardialen vagalen Motoneurone der Medulla oblongata weitergegeben werden. Auf parasympathischem Wege werden diese Rhythmen auf die kardialen Schrittmacherzellen des Nodus sinusoidalis übertragen [ 49 , 29 ].

Insofern erscheint es fraglich, ob allein aus einer Erhöhung der LF -Leistung im REM-Schlaf ausschließlich auf eine sympathische Aktivierung zu folgern ist, besonders deshalb, weil die Herzfrequenz nicht im erwarteten Maße ansteigt. Viel näherliegend ist aus diesem Grunde die Annahme, daß innerhalb der REM-Phasen neben einer gemessenen höheren Aktivität der Axone sympathischer Neurone [ 66 , 100 ] auch der Parasympathicus deutlich stärker in die Kontrolle der Herzfrequenz eingreift. Diese Konstellation vermag zu erklären, weshalb die LF -Leistung beim untersuchten Probandengut stark ansteigt und die im Wachzustand gefundenen Werte übersteigt, andererseits aber die Herzfrequenz deutlich unter den Tageswerten bleibt. Wenngleich anders interpretiert, so stützen die ähnlichen Ergebnisse anderer Studien diese Diskussion [ 115 , 20 ].

Im Vergleich zum Schlaf deutet die erhöhte Herzfrequenz darauf hin, daß der ruhige Wachzustand das Stadium einer höheren sympathischen Aktivität darstellt, während der parasympathische Anteil an der IHR -Regulation geringer ausfällt. Diese Darstellung befindet sich in Einklang mit Sapoznikov et al., auch wenn deren Untersuchung eine Klassifikation des Schlafes in REM und nonREM vermissen läßt [ 86 ]. Gemeinsame Untersuchungen von IHR und arteriellen Blutdruck mit höheren Werten im Wachzustand [ 112 ] unterstreichen ebenfalls einen solchen Schluß.

Die niedrige Herzfrequenz und die geringe TP - und LF -Leistung gibt Anlaß, im nonREM-Schlaf das Stadium niedrigster sympathischer Aktivität zu sehen. Zahlreiche Autoren nennen deshalb diesen Abschnitt des Schlafes parasympathisch dominiert [ 126 , 112 , 115 ]. Diese sehr plausible Ansicht wird durch die eigenen Ergebnisse bestätigt. Interessant ist hierbei der Umstand, daß schon vor Mitternacht die niedrigsten Werte erreicht werden und mit fortschreitender Schlafenszeit die Werte einer Angleichung an die am Tage erreichten zustreben. Der Eingriff eines endogenen circadianen Rhythmus in das Vegetativum und besonders in den sympathischen Anteil [ 93 ] vermag diese Tendenz zu erklären.


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Nicht zu vernachlässigen in der Diskussion der Ergebnisse ist die Tatsache, daß sich auf die LF -Anteile des IHR -Spektrums physische und psychische Anspannungen, wie sie für den Wachzustand typisch sind, abbilden [ 5 ].

Unter Berücksichtigung von TP und LF wird deutlich, daß der Anteil niederfrequenter Fluktuationen der IHR an der Gesamtvariabilität ( relLF ) abhängig vom jeweiligen Vigilanzstadium ist. Innerhalb der REM-Phasen bestimmt die LF -Leistung mehr als drei Viertel von TP . Demzufolge nehmen mit diesem Stadium die niederfrequenten IHR -Oszillationen wesentlich stärker zu als die hochfrequenten. Diese Verschiebung der Anteile an der Gesamtvariabilität unterstreicht die Hypothese, daß sowohl die sympathische als auch die parasympathische Erregungsübertragung zum Herzen zunimmt. Die ausschließlich parasympathisch vermittelte HF -Komponente nimmt nur geringfügig zu, weshalb von einer Aktivierung beider Anteile des vegetativen Nervensystems auszugehen ist. Offensichtlich gewinnen mit dem Blutdruck assoziierte Rhythmen der IHR einen stärkeren Anteil an TP als die respiratorische Sinusarrhythmie. Dabei wurde bislang dem Umstand wenig Beachtung geschenkt, daß eine verstärkte Übertragung einzelner Rhythmen die Leistung an einem bestimmten Frequenzpunkt zu erhöhen vermag, ohne zwangsläufig mit einer unspezifischen Erhöhung des “Parasympathicotonus“ einherzugehen. Diese Annahme kann dadurch begründet werden, daß die Sensitivität der Barorezeptoren in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium moduliert wird. Folglich werden im Schlaf, der durch eine höhere Sensitivität der Rezeptoren als der Wachzustand gekennzeichnet ist [ 112 ], niederfrequente Oszillationen des Blutdrucks wesentlich besser auf die IHR übertragen als im Wachen. Für diese intensivierte Übertragung ist nicht notwendigerweise eine stärkere Gesamtaktivität des Parasympathicus vorauszusetzen. Dieses Phänomen kann hilfreich sein, die niedrigeren Werte von LF und relLF - ohne signifikanten Differenzen von HF - innerhalb des Wachzustandes im Vergleich zum REM-Schlaf zu erklären.

Während der nonREM-Schlafphasen verteilt sich die IHR -Variabilität nahezu gleichmäßig auf den LF und HF -Bereich des Spektrums. In Übereinstimmung mit anderen Studien [ 126 , 115 ] liegt der Schluß nahe, daß die starke Abnahme des sympathischen Einflusses auf die IHR im Vergleich zum Wachzustand eine Verschiebung von relLF zu niedrigeren Werten und eine Zunahme von relHF verursacht. Dadurch erreicht der Parasympathicus die Dominanz in dieser Schlafphase; wenngleich aufgrund der Abhängigkeit beider Schenkel voneinander anzunehmen ist, daß die drastische Verminderung des sympathischen Aktivität auch den parasympathischen Eingriff zumindest geringfügig mindert. Die Abnahme von HF innerhalb der nonREM-Phasen stützt diese Hypothese.


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6.1.4. Die hochfrequenten Fluktuationen der Herzfrequenz - geringfügige Differenzen zwischen Schlaf und Wachzustand

Im Vergleich zum LF -Band des IHR -Spektrums fallen die Differenzen der HF -Leistung zwischen den drei Vigilanzstadien wesentlich geringer aus. Die Unterschiede zwischen den einzelnen vorliegenden Studien bzw. zu den eigenen Ergebnissen kann hierbei eine stark ausgeprägte interindividuelle Variabilität erklären. Während Sapoznikov et al. eine höhere HF -Leistung im Schlaf ohne Berücksichtigung der Schlafarchitektur beschreiben [ 86 ], geben Vaughn et al. für die Schlafstadien 3 und 4 die niedrigsten HF -Werte an [ 115 ]. Finley und Nugent, deren Studie sich auf die entwicklungsbedingten Veränderungen spektraler Parameter der IHR konzentriert, gelang es nicht, gleichbleibende Differenzen der HF -Leistungen zwischen Wachzustand sowie REM- und nonREM-Schlaf für die betrachteten Altersgruppen anzugeben, ohne nachweisen zu können, daß sich dahinter ein spezifischer Entwicklungsgang verbirgt [ 20 ]. Insofern bleibt fraglich, weshalb zitierte Autoren ausdrücklich eine parasympathische Aktivitätszunahme innerhalb der nonREM-Phasen postulieren. Nachweisbar ist lediglich, daß sich ein hoher HF -Leistungsgipfel in diesem Stadium auf ein schmales Frequenzband konzentriert ( HF ist niedrig), während im Wachzustand wie auch innerhalb des REM-Schlafes der Leistungsgipfel defokussiert und damit flacher aber breiter im Spektrum erscheint ( HF ist größer als im nonREM-Schlaf). Als mögliche Ursache dieses Phänomens ist die höhere Variabilität der Atmungsfrequenz sowie die geringere Konstanz des Atemmuster zu nennen. Eine Diskussion des HF -Variabilität ohne Berücksichtigung der Atmung ist aufgrund des starken respiratorischen Einflusses auf die respiratorische Sinusarrhythmie ( RSA ) nur sehr begrenzt aussagefähig [ 7 ]. Deshalb erscheint es wenig verständlich, warum all die zitierten Arbeiten über vigilanzstadienabhängige Änderungen der Herzfrequenzvariabilität die Atmung nicht berücksichtigen. Es bestätigt sich vielmehr die Forderung nach ihrer Mitbewertung.

Typisch für alle Vigilanzstadien ist die Tatsache, daß die Lage des HF -Leistungsgipfels mit der Atmungsfrequenz übereinstimmt. Eine Verschiebung der Atmungsfrequenz führt zu einem parallelen Verhalten des HF -Leistungsgipfels. Dies ist als Ausdruck der RSA zu sehen [ 14 , 7 ]. Der niedrigeren Atmungsfrequenz folgend, liegen die Leistungsgipfel im HF -Bereich während des Schlafes im IHR -Spektrum weiter links verglichen mit dem Wachzustand. Wohlbekannt ist weiterhin, daß die HF -Leistung eine indirekte Proportionalität zur Atmungsfrequenz zeigt [ 65 ]. Für das untersuchte Probandengut konnte dieser Zusammenhang vermutlich deshalb nicht nachgewiesen werden, weil die Schlaf-Wach-Differenzen der Atmungsfrequenz zu gering ausfallen. Aus diesem Grund kann die Diskussion über die HF -Leistung unabhängig von der Atmungsfrequenz geführt werden.


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Trotz deutlich ausgeprägter Unterschiede im Atmungsmuster zwischen den Vigilanzstadien bleiben stadienabhängigen Variationen des Absolutwertes HF klein. Dies deutet darauf hin, daß die vagale Übertragung des zentral gebildeten Rhythmus auf den Nodus sinusoidalis nur geringfügig von der Vigilanz moduliert wird. Aus diesem Zusammenhang darf jedoch nicht auf eine gleichbleibende Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung geschlossen werden (vgl. 6. 2 Die kardiorespiratorische Koordination - Hinweise auf die Einstellung verschiedener Regulationszustände in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium ), da sich diese Aussage lediglich auf den Weg der Informationsübertragung von der Medulla oblongata zum Nodus sinusoidalis des Herzens bezieht.

Aufgrund gering ausgeprägter Differenzen von HF zwischen den Vigilanzstadien ist über relHF zu sagen, daß Änderungen dieses Parameters im wesentlichen durch eine Verschiebung des Anteils von LF an TP bestimmt werden. Dadurch ergeben sich die entgegengesetzten Verläufe von relHF und relLF .

6.1.5. Das Verhältnis nieder- und hochfrequenter Fluktuationen der Herzfrequenz zueinander: Maß der sympathovagalen Balance ?

Einige Autoren sehen in dem Quotienten von LF und HF einen Ausdruck für die sympathovagale Balance in der vegetativen Ansteuerung des Herzens [ 69 ]. Vor allem neuere Studien konnten nachweisen, daß unter Ruhebedingungen die LF -Leistung durch den Parasympathicus zumindest mitbestimmt wenn nicht gar dominiert wird [ 80 ], weshalb die recht mechanistische Vorstellung von einer strikten Trennung der IHR -Variabilität in einem nach dem Frequenzintervall sympathisch oder vagal vermittelten Anteil, berechtigt in der Kritik steht [ 52 ]. Andererseits erweist sich das Verhältnis q=LF/HF als äußerst sensitiver Parameter bezüglich des Vigilanzstadiums, da geringfügige Änderungen von LF und HF , jedenfalls dann, wenn sie, wie es häufig geschieht, entgegengesetzt ausfallen, sich im Quotienten verstärken. Es ist aus diesem Grund offensichtlich, daß das Verhältnis niederfrequenter zu hochfrequenten IHR -Fluktuationen einen für das jeweilige Vigilanzstadium charakteristischen Wert annimmt - ohne einen direkten Rückschluß auf die Intensität sympathischer Erregungsübertragung auf den Nodus sinusoidalis zu gewähren.

Lombardi et al. fassen in einer Arbeit Ergebnisse eigener Studien mit denjenigen anderer Autoren zusammen [ 52 ] und wiesen nach, daß Patienten nach akutem Myokardinfarkt eine deutliche Erhöhung des Quotienten aus LF und HF zeigen, die in diesem Fall tatsächlich durch eine verstärkte sympathische Modulation der niederfrequenten IHR -Fluktuationen bedingt sein kann. Dieser Parameter ließ sogar zu, zwischen Vorderwand- und Hinterwandinfarkt zu differenzieren, was mit einer unterschiedlichen Prognose verknüpft


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ist. Der Parameter q=LF/HF kann auch für andere klinisch relevante Aussagen wertvoll sein. Patzak et al. verglichen spektrale IHR -Parameter gesunder Säuglinge mit jenen, die unter bronchopulmonaler Dysplasie leiden, wobei diese Erkrankung mit einem erhöhten Risiko, am plötzlichen Kindstod (SID) zu versterben, verbunden ist [ 73 ]. Es konnte nachgewiesen werden, daß die Risikogruppe signifikant niedrigere Quotienten sowohl im ruhigen als auch im aktiven Schlaf zeigten, die aus einer verminderten rhythmischen Modulation der sympathischen Aktivität resultieren.

6.1.6. Ausblick: Sind spektrale Parameter der Herzfrequenzvariabilität klinisch anwendbar ?

Zahlreiche vorliegende Studien verschiedener Arbeitsgruppen lassen deutlich werden, daß die Absolutwerte TP , LF und HF eine ausgeprägte interindividuelle Variabilität aufweisen, die Vergleiche wie auch die klinische Anwendung erschweren. Im Gegensatz dazu repräsentieren die Relativwerte relLF und relHF sowie der Quotient aus LF und HF gut vergleichbare spektrale Charakteristika, da sie normiert bezüglich der Gesamtvariabilität gebildet werden. Obwohl die physiologische Aussagekraft dieser Parameter geringer als diejenige der Absolutwerte ist, läßt ihre gute Vergleichbarkeit wie ihre Sensitivität, pathologische Regulationszustände anzuzeigen, eine breitere klinische Anwendung erwarten [ 54 ]. Für die Verwendung in der praktischen Medizin für Diagnostik, Prognose und Verlaufskontrollen ist jedoch ein Standard zu fordern, um die Messungen unter identischen Bedingungen durchführen zu können, da, wie oben dargestellt, das Vigilanzstadium und ebenso physische und psychische Aktivität die Parameter stark beeinflussen. Hinzu kommt ein ausgeprägter Entwicklungsgang spektraler Kenngrößen, der nicht nur die Reifung der Regulation unmittelbar post partum anzeigt [ 71 ], sondern sich mit zunehmenden Lebensalters fortsetzt [ 121 , 94 ]. Dabei wurde für die Relation von LF - zu HF -Leistung eine Zunahme ab dem zweiten bis zum 24. Lebensjahr beobachtet [ 20 ] und innerhalb der Altersgruppe von neun bis 62 Jahren eine lineare Verminderung der HF -Leistung bis zum 28. Lebensjahr und der LF -Leistung bis zum 62. Lebensjahr beschrieben [ 97 ]. Für die mit der eigenen Arbeit untersuchte Altersgruppe konnte eine Altersabhängigkeit spektraler Parameter nicht nachgewiesen werden. Die Ursache hierfür ist in dem schmalen Zeitintervall zwischen 12. und 15. Lebensjahr zu sehen, obwohl gerade die Zeit der Pubertät mit einer besonders intensiven Entwicklung in der vegetativen Regulation der Herzfrequenz verbunden ist [ 94 ].


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6.2. Die kardiorespiratorische Koordination - Hinweise auf die Einstellung verschiedener Regulationszustände in Abhängigkeit vom Vigilanzstadium

6.2.1. Die Kohärenz - Einblicke in die Modulation der Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung durch die Vigilanz

Anhand der HF -Leistung als spektraler Ausdruck der RSA konnte nachgewiesen werden, daß die vagale Übertragung eines zentralen kardiorespiratorischen Rhythmus nicht wesentlich vom Vigilanzstadium moduliert wird. Es soll im folgenden gezeigt werden, daß jedoch unabhängig von der Übertragung die kardiorespiratorische Koordination im Wachzustand, nonREM- und REM-Schlaf einer spezifischen, deutlich vigilianzstadienabhängigen Einstellung unterliegt. Dabei ist für die nonREM-Phasen eine hohe lineare Intensität in der kardiorespiratorischen Beziehung typisch. Charakteristisch ist desweiteren eine Auflockerung dieser linearen Interaktion sowohl im Wachzustand als auch innerhalb des REM-Schlafes, deren Ursache einerseits auf eine größere Autonomie beider Systeme hinweist und andereseits mit der Zunahme nichtlinearer Anteile in der Koordination begründet werden kann.

Van de Borne et al. gelang der Nachweis, daß Veränderungen in den Atmungsstrukturen, also der Atmungsfrequenz, des Atmungszugvolumens und der Verteilung der Atmungsexkursionen auf Thorax und Abdomen, wie sie beim Vergleich verschiedener Schlafstadien zu beobachten sind, lediglich zu 8 bis 15 Prozent die Differenzen des kardiorespiratorischen Transfers bedingen. Daraus ist abzuleiten, daß atmungskorrelierte Modulationen der vagalen Aktivität nicht der Hauptmechanismus in der Ausprägung der RSA darstellen [ 113 ]. Die gemessenen deutlichen Unterschiede der Kohärenz ( Cmax ) zwischen den betrachteten drei Vigilanzstadien weisen deshalb auf eine direkte und spezifische Arbeitspunkteinstellung innerhalb des kardiorespiratorischen Netzwerkes hin.

Aufgrund der hohen Ähnlichkeit von IHR - und Atmungsspektren im nonREM-Schlaf reicht Cmax nahe an das Maximum von eins heran und dokumentiert damit eine starke lineare Intensität innerhalb der kardiorespiratorischen Beziehung, welche die gleichsinnige Ausprägung eines zentralen Rhythmus in der Atmung und in den atmungsbezogenen Fluktuationen der IHR bestimmt [ 110 ]. Um die Verminderung der Kohärenz im Wachzustand und die noch deutlichere Abnahme im REM-Schlaf zu erklären, sind entweder eine Zunahme der Unabhängigkeit, i. e. eine deutlichere funktionelle Trennung beider Systeme, oder aber vermehrte nichtlineare Transfereigenschaften anzunehmen. Dabei vermindern nichtlineare Systemeigenschaften die Parallelität in der Ausprägung des


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zentralen Rhythmus in beiden Systemen, die mittels Kohärenzanalyse nicht mehr nachgewiesen werden kann.

6.2.2. Ursachen des stadienspezifischen Kohärenzwertes - Eingriffe der Vigilanz in die Funktion des zentralen kardiorespiratorischen Netzwerkes

Die Suche nach den Ursachen der vigilanzstadienbedingten Differenzen der kardiorespiratorischen Kohärenz führt zu folgender Hypothese, die sich auf fünf mögliche Mechanismen konzentriert (vgl. Abb. 6. 2 ) :

Für die angeführten Ursachen einer Modulation der kardiorespiratorischen Koordination durch das Vigilanzstadium finden sich zahlreiche Hinweise. Sie sollen im folgenden diskutiert werden.

Die Formatio reticularis, welche unspezifische tonische und spezifische phasische Erregung auf das kardiorespiratorische Netzwerk vermittelt [ 83 ], besitzt eine Schlüsselrolle in der


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Anpassung von Atmung und Herzschlag an das Vigilanzstadium. Im Gegensatz zum nonREM-Schlaf, innerhalb dessen die Atmung vornehmlich von chemorezeptiven Afferenzen angetrieben wird, gewinnt im Wachzustand ein zusätzlicher erregender Einfluß auf die zentrale Rhythmogenese durch medulläre Neurone der Formatio reticularis an Bedeutung [ 89 ]. Die Aufgabe dieser hinzukommenden Erregung wird in der Aufrechterhaltung der höheren Grundaktivität des Zentralnervensystem gesehen.

Abb. 6.2: Einfluß des Vigilanzstadium auf die kardiorespiratorische Koordination:
I. Modulation der unspezifischen tonischen Erregung sowie unterschiedlich intensive Eingriffe kortikaler und subkortikaler Regionen
II. Variation des Einflusses peripherer und zentraler Rezeptoren
III. Änderung von Systemeigenschaften (Inhomogenitäten der funktionellen Zugehörigkeiten der Neurone, Wechsel von linearen zu nichtlinearen Eigenschaften, oder umgekehrt, innerhalb der neuronalen Interaktionen)
(modifiziert nach Richter DW, Spyer KM: Cardiorespiratory Control. In: Loewy AD, Spyer KM (Hrsg.): Central regulation of autonomic functions. Oxford University Press New York-Oxford 1990, 189-207). Abk.: frühinspiratorische (e-I), “ramp“-inspiratorische (r-I), postinspiratorische Neurone (p-I) und spätinspiratorsche (l-I) Neurone; exspiratorische Neurone der Phase 2 (E); kardiale vagale Motoneurone (CVM); kardiale sympathische Neurone (CaS); exspiratorische (Ebs) und inspiratorische (Ibs) bulbospinale Neurone; Nucleus tractus solitarii (NTS).


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Eine derartige Umstellung des tonischen Antriebes der zentralen Rhythmogenese vermag die aus der Kohärenzanalyse abgeleitete Abnahme der linearen Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung im Wachzustand zu erklären, wenn angenommen wird, daß diese Veränderung die Regulationseigenschaften des Systems in einen anderen Arbeitspunkt verschiebt.

Weiterhin konnte nachgewiesen werden, daß eine Aktivierung kortikaler und subkortikaler Einflüsse zu einer Desynchronisation von Atmung und Herzrhythmus führt. So kommt infolge einer willkürlich herbeigeführten Apnoe die zentrale Rhythmogenese ebenso wie die respiratorische Sinusarrhythmie nicht zum Stillstand [ 95 ]. Ebenso werden kardiale und respiratorische Rhythmen während lokomotorischer Aktivität desynchronisiert, was eine Abnahme der Kohärenz von Atmungs- und IHR -Spektren zur Folge hat [ 64 ]. Ein generell erhöhter Einfluß dieser kortikalen und subkortikalen Eingänge in das kardiorespiratorische Netzwerk innerhalb des Wachzustandes [ 40 ] kann deshalb die Kohärenzverminderung im Vergleich zum nonREM-Schlaf erklären. Aufgrund solcher Ergebnisse wurde gefolgert, daß eine direkte “Irradiation“ kortikaler somatomotorischer Erregung auf das kardiorespiratorische Zentrum stattfindet, ebenso wie eine Projektion subkortikaler Regionen wie des paraventrikulären lokomotorischen Feldes und des hypothalamischen Forel-Feldes in das Zentrum der Rhythmogenese für Atmung und Herzrhythmus [ 119 ]. Diese Resultate unterstützen die These von der Desynchronisation beider Systeme infolge einer verstärkten unspezifischen Aktivität der Formatio reticularis wie auch eines verstärkten Eingriffs höherer Hirnzentren innerhalb des Wachzustandes. Die Beziehung zu hypothalamischen Neuronen könnte dabei die Ursache dafür sein, daß auch die Kohärenz geringfügig circadianen Variationen folgt [ 96 ].

Es wurden zahlreiche Hinweise auf die Existenz eines gemeinsamen kardiorespiratorischen Oszillators neurophysiologisch bestätigt. Andererseits kann in der Beziehung von Atmung und IHR auch eine Kopplung zweier Systeme gesehen werden, da beide peripher in Reihe geschaltet und damit getrennt organisiert sind. Die Kopplung ergibt sich unter Berücksichtigung der Rezeptorafferenzen sowohl aus dem Atmungssystem als auch von Herz und Kreislauf, die in die zentrale Kontrolle einbezogen sind. Dabei sind zahlreiche Querverbindungen nachweisbar. So wird der Baroreflex durch den Atmungsrhythmus bzw. durch den zentralen Rhythmus variiert, er wird verstärkt innerhalb der Exspiration und gehemmt während der Inspiration [ 46 ]. Umgekehrt sind Afferenzen pulmonaler Dehnungsrezeptoren notwendig für die Ausprägung der RSA [ 104 ]. Interessant ist deshalb die Kenntnis von der Modulation der Intensität der Reflexeinflüsse auf die zentrale Rhythmogenese durch das Vigilanzstadium. Harper et al. begründen die Variation der RSA innerhalb REM-Phasen im Vergleich zum nonREM-Schlaf mit einer Verminderung der Sensitivität peripherer und zentraler Chemorezeptoren sowie der Lungendehnungsrezeptoren [ 36 ]. Im Wachzustand ist der Einfluß der Chemorezeptoren auf


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die zentrale Rhythmik wesentlich geringer ausgeprägt als im nonREM-Schlaf, innerhalb dessen die Chemosensitivität essentiell für den Antrieb des Oszillators ist [ 89 ].

Nach van de Borne et al. steht die Sensitivität der Barorezeptoren in direkter Beziehung zum Schlaf-Wach-Rhythmus; sie ist innerhalb der nonREM-Phasen geringfügig und im REM-Schlaf besonders ausgeprägt erhöht [ 112 ]. Daraus wurde geschlossen, daß die Modulation der Sensitivität die sympathovagale Balance der kardialen Ansteuerung im Schlaf zugunsten des Parasympathicus verschiebt. Dabei interferieren verschiedene Reflexantworten - es wurde nachgewiesen, daß im wachen Ruhezustand eine tonische Inhibition der Barorezeptoren-Antwort aus dem Sinus caroticus durch die kardiopulmonalen Barorezeptoren besteht [ 82 ].

Die vom Vigilanzstadium abhängige Modulation der Intensität der Reflexeinflüsse stellt somit eine weitere Eingriffsmöglichkeit in die kardiorespiratorische Koordination dar, deren Ursache darin zu sehen ist, daß die neuronale Verschaltung, also die Übertragung der Erregung von den Rezeptoren auf die Neurone des Nucleus tractus solitarii und von dort in das kardiorespiratorische Areal der Medulla oblongata, für Atmung und die vegetative Ansteuerung des Herzens nicht zwangsläufig identisch ist. Folglich vermögen die Reflexeinflüsse innerhalb des von mehreren Zwischenneuronen vermittelten Übertragungsweges von den Neuronen der zentralen Rhythmogenese auf die propriobulbären Motoneurone der Atemmuskulatur einerseits und die kardialen vagalen Motoneurone bzw. die kardialen sympathischen Neurone andererseits den für die Atmung oder für die kardiale Ansteuerung relevanten Zweig zu modulieren, ohne zwangsläufig den anderen zu beeinflussen. Die gefundene Verminderung der Kohärenz im Wachzustand wie auch innerhalb der REM-Phasen unterstützt diese Erklärung. Allerdings besteht bislang wenig Klarheit darüber, über welchen Mechanismus das Vigilanzstadium die Übertragung moduliert. Denkbar ist neben einer aktiven Einstellung der Übertragungsfunktion auch eine Selbstorganisation des neuronalen Netzwerkes als Reaktion auf die veränderte Grundaktivität innerhalb der Formatio reticularis. Eventuell haben supramedulläre Einflüsse einen hohen Anteil an der Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung, da nicht nur medulläre sondern auch supramedulläre Störungen, wie sie bei dem apallischen Syndrom auftreten, zu einer drastisch verminderten Kohärenz führen [ 128 ].

Desweiteren ist in Betracht zu ziehen, daß die Aktivität zahlreicher peripherer Rezeptoren, vor allem aus dem somatosensorischen System, die Grundaktivität innerhalb der Formatio reticularis - jene unspezifische tonische Erregung, die den zentralen Oszillator antreibt - variiert, mit deutlichen Schlaf-Wach-Differenzen.

Eine Grundeigenschaft des neuronalen kardiorespiratorischen Netzwerkes ist, daß Entladungsmuster der Neurone sowohl mit dem respiratorischen als auch dem kardiovasculärem Ausgang korreliert sind. Dabei sind alle Zwischenstufen von völliger


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Spezifität für ein System bis zu gleichmäßigem Einwirken auf beide möglich [ 46 ]. Langzeitmessungen verdeutlichten, daß diese Zuordnung zeitlich nicht fixiert, sondern variabel gestaltet ist [ 47 ]. Dieses als “zeitliche Inhomogenität“ bezeichnete Phänomen erklärt, weshalb ein strukturell einheitliches kardiorespiratorisches Netzwerk unterschiedliche Entladungsmuster in beiden Ausgängen entstehen lassen kann. Unklar ist jedoch nicht nur, wie diese Umstellungen kontrolliert werden, sondern ebenso, ob die Änderung des Vigilanzstadiums derartige Veränderungen in der funktionellen Organisation des kardiorespiratorischen Zentrums entstehen lassen kann. Dabei mögen experimentelle Schwierigkeiten, die Erregungsmuster einzelner Neurone aufzuzeichnen und dabei die Schlaf-Wach-Rhythmik des Versuchstiers aufrecht zu erhalten, die Ursache für den Mangel an relevanten Studien darstellen. Hier treten die Vorteile zeitreihenanalytischer Verfahren deutlich hervor, da die Funktion des Gesamtsystems, die aus dem Entladungsmuster einzelner Neurone nur unzureichend beurteilt werden kann, zugänglich ist. Es können sogenannte emergente Systemeigenschaften beschrieben werden, die sich aus neuronalen Interaktionen ergeben und somit erst auf der suprazellulären Ebene analysiert werden können. Zudem ist keine chirurgische Intervention erforderlich. Die hier vorgestellten eigenen Untersuchungen mögen dazu dienen, die in neurophysiologischen Studien geäußerten Vermutungen über die Modulation der zentralen kardiorespiratorischen Koordination durch die Vigilanz zu belegen.

Eine unterschiedliche Organisation der Zuordnung einzelner Neurone zum respiratorischen oder kardiovasculären System kann die Kohärenzverminderung im Wachzustand wie auch während der REM-Phasen bedingen. Denkbar wäre folgender Mechanismus: Die Aktivierung peripherer Afferenzen wie auch die Rekrutierung zentraler Efferenzen verschieben die Zugehörigkeit eines Neurons zu einem der beiden Systeme. Desweiteren könnten diese Eingriffe die Ausprägung eines zentralen Rhythmus im Erregungsmuster verdrängen, i. e. die neuronale Aktivität spiegelt neben der gemeinsamen zentralen Rhythmik verstärkt Oszillationen anderer Herkunft wider, die aber lediglich auf einen der beiden Ausgänge übertragen werden, was zwangsläufig zu einer Abnahme der Kohärenz führt [ 111 ].

Die zentrale kardiorespiratorische Koordination läßt erwarten, daß beide Systeme nicht nur im Bereich der Atmungsfrequenz eine hohe Ähnlichkeit der Oszillationen aufweisen, sondern ebenso im Bereich niederfrequenter Rhythmen. Dies ist durchaus, wenn auch nicht häufig, zu beobachten. Patzak et al. untersuchten Kohärenzen auch in diesem niederfrequenten Bereich bei Neugeborenen. Die Kohärenzwerte liegen hier viel niedriger und lassen sich deshalb statistisch kaum sichern [ 72 ]. In den Kohärenzspektren des eigenen Datenmaterials bleibt die Kohärenz hier ebenfalls unterhalb der Nachweisgrenze von 0.5. Offensichtlich verdecken im LF -Bereich von der Atmung unabhängige Fluktuationen der IHR eventuell vorhandene Gemeinsamkeiten, so daß mittels Kohärenz diese Interaktionen


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nicht beurteilt werden können. Andererseits belegt gerade dieses Resultat, daß der kardiale Ausgang aus dem neuronalen Netzwerk unabhängig von der Atmung kontrolliert werden kann. Besonders der sympathische Zweig wird nämlich durch zahlreiche andere Einflüsse moduliert [ 49 ].

Die Methode der Kohärenz ermöglicht es, die kardiorespiratorische Beziehung innerhalb verschiedener Vigilanzstadien zu beurteilen. Anhand der RSA sind Aussagen über die Intensität dieser Beziehung nicht möglich, die Atmung muß in die Analyse einbezogen werden. Die in neurophysiologischen Arbeiten über Tiermodelle geäußerte Vermutung über eine bestehende Flexibilität in der Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung können mit der eigenen Studie um einen wesentlichen Aspekt bereichert werden. Offensichtlich lassen sich verschiedene Arbeitspunkte der Koordination auch unter physiologischen Bedingungen am gesunden Menschen finden.

Die Bestimmung der Kohärenz beruht auf einem linearen Ansatz. Nichtlineare Systemeigenschaften können zu einer Kohärenzminderung führen. Inwieweit dieses Phänomen für die niedrige Kohärenz im Wachzustand und innerhalb der REM-Phasen verantwortlich ist, soll im Zusammenhang mit den nichtlinearen Untersuchungen diskutiert werden. Unter Berücksichtigung nichtlinearer Parameter wird es mit der eigenen Arbeit erstmals möglich sein, die bislang nur linear geführte Analyse des zentralen kardiorespiratorischen Kontrollsystems auf eine nichtlineare Betrachtungsebene zu heben. Die Berücksichtigung linearer wie nichtlinearer Systemeigenschaften gestattet eine umfangreiche, möglichst vollständige Beschreibung der Funktion des neuronalen Netzwerkes. Dieses Verhalten bleibt der neurophysiologischen Methodik, deren Fokus auf Einzelelementen des Netzwerkes liegt, verschlossen. Berechtigterweise werden deshalb Untersuchungen über emergente Systemeigenschaften gefordert [ 60 ], die es ermöglichen, Erkenntnisse die auf zellulärer Ebene gewonnen werden mit dem dynamischen Verhalten des Gesamtsystems in Beziehung zu setzen.


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6.3. Die nichtlineare Dynamik der Herzfrequenz und die Variation von Systemeigenschaften des kardiorespiratorischen Netzwerkes durch das Vigilanzstadium

6.3.1. Die Herzfrequenz - ein nichtlineares System mit niederdimensionalen deterministisch-chaotischen Eigenschaften

Die größten Lyapunov-Exponenten ( LLE ) der Originalzeitreihen zeigen positive Zahlen, die auf eine niedrige Prädiktabilität hinweisen. Eine solche Eigenschaft der Herzfrequenz gilt als Kennzeichen chaotischen Verhaltens. Die Komplexität der Zeitreihe ( D2R-R ) ist niedrig und, wie oft bei chaotischen Systemen zu finden, fraktal [ 28 ]. Anhand beider Parameter kann auf die nichtlinearen Eigenschaften des Systems geschlossen werden. Die Ergebnisse sprechen für die Existenz eines nichtlinearen Regulationssystems, aus dessen Wirken niederdimensionale deterministisch-chaotische Strukturen im Verhalten der Herzfrequenz entsteht. Validiert wird diese Interpretation durch die signifikante Differenzen zwischen Original- und Surrogate-Daten [ 108 ]. Diese Erkenntnis sollte bei Anwendung linearer Methoden wie Leistungs- und Kohärenzspektren unbedingt Berücksichtigung finden.

Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen stehen die Untersuchungen von Kanters et al. [ 43 ]. Dort gelang es nicht, niederdimensionale deterministisch-chaotische Strukturen der Herzfrequenz aufzuzeigen. Aufgrund nichtsignifikanter Differenzen zwischen Originalzeitreihen und Surrogate-Daten kommen die Autoren zu dem Schluß, daß die Herzfrequenz möglicherweise einen hochdimensionalen chaotischen Prozeß verkörpert. Allerdings mußten die Autoren diese Interpretation ihrer Ergebnisse in einer späteren Arbeit revidieren [ 44 ], ohne die Ursache für die Diskrepanz zu klären.

Die eigenen Ergebnisse befinden sich in Übereinstimmung mit einigen neuen Arbeiten, die ebenfalls deutliche Hinweise auf niederdimensionale deterministisch-chaotische Eigenschaften der Herzfrequenz beschreiben. Mrowka et al. untersuchten den Entwicklungsgang nichtlinearer Kenngrößen innerhalb des ersten Lebenshalbjahres [ 63 ]. Es wurden signifikante Differenzen zwischen Original- und Surrogate-Daten sowohl für D2R-R als auch LLE gefunden. Auch Hagerman et al. fanden an ruhenden Probanden einen LLE sicher größer als Null [ 35 ]. Anderen Autoren gelang es, im Tierversuch positive LLE -Werte zu bestimmen und die Niederdimensionalität der Herzfrequenz aufzuzeigen [ 130 ].

Die von Goldberger formulierte Hypothese, daß die nichtlineare Dynamik der Herzfrequenz des gesunden Menschen durch einen chaotischen Attraktor bestimmt wird [ 25 ], bestätigen folgende zwei Befunde:


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Unterstützung erfährt diese Hypothese von Studien, die zeigen konnten, daß die nichtlinearen Parameter auf Eingriffe in das Regulationssystem sensibel reagieren. Ein intaktes Regulationssystem ist somit für die Ausprägung chaotischer Eigenschaften essentiell. Guzetti et al. präsentierten eine Studie, die aufzeigte, daß die IHR von Patienten nach orthotoper Herztransplantation eine wesentlich niedrigere Komplexität und einen verminderten Lyapunov-Exponenten besitzt [ 31 ]. Die Unterbrechung der vegetativen Innervation des Nodus sinusoidalis hat zur Folge, daß sich die Eigenschaften des der Dynamik der Herzfrequenz zugrundeliegenden Attraktors ändern. Er kann nach der Operation nicht mehr chaotisch genannt werden. Ein ähnliches Ergebnis wird erreicht, wenn die vegetative Erregungsübertragung am Herzen pharmakologisch verhindert wird [ 35 ]. Dabei stellten die Autoren fest, daß nur nach Applikation von Atropin, was zur Inhibition der parasympathischen Erregungsübertragung führt, der Lyapunov-Exponent abnimmt, während die beta-Rezeptorblockade keine deutliche Reaktion zu provozieren vermag. Diese Resultate konnten von einer anderen Arbeitsgruppe bestätigt werden [ 129 ]. Hieraus wurde die Überlegung abgeleitet, parasympathische Aktivität sei essentiell, um deterministisch chaotisches Verhalten der Herzfrequenz zu erzeugen, während dem Sympathicus geringere Bedeutung zukommt [ 124 , 129 ].

Die bislang vorliegenden Arbeiten haben viel dazu beigetragen, daß die Existenz nichtlinearer Komponenten in der Variabilität der Herzfrequenz nicht länger abgelehnt werden kann. Die eigenen Ergebnisse unterstützen diese Ansicht. Allerdings besteht weiterhin keine einheitliche Meinung, wie diese Erkenntnisse in die Vorstellung von der Herzfrequenzregulation einzuordnen sind. Der Begriff “Chaos“ scheint hier dem Modell einer zielgerichteten Ansteuerung unvereinbar gegenüberzustehen. Im folgenden kann anhand der Schlaf-Wach-Differenzen der nichtlinearen Parameter gezeigt werden, daß mit den genannten Charakteristika qualitativ neuwertige Informationen von der Funktion des Regulationssystems der Herzfrequenz innerhalb verschiedener Vigilanzstadien dargestellt werden. Der Vergleich der eigenen Daten mit an Neugeborenen erhobenen Werten [ 62 ] ließ


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erstmals eine umfassende stadienspezifische Beschreibung der Herzfrequenzdynamik unter Berücksichtigung von Reifungsvorgängen zu [dargestellt in 94 ].

6.3.2. Die Abhängigkeit nichtlinearer Eigenschaften der Herzfrequenz vom Vigilanzstadium

Die Korrelationsdimension der Herzfrequenz ( D2R-R ), mit der die Komplexität innerhalb des Phasenraums gekennzeichnet wird, gibt Rückschlüsse auf die Zahl voneinander unabhängiger Variablen, die notwendig sind, um das Signal mathematisch modellieren zu können [ 68 ]. Übertragen auf die Herzfrequenz sind somit anhand der Komplexität quantitative Aussagen darüber mögliche, wieviele unabhängig voneinander agierende Komponenten sich an der Regulation der Herzfrequenz beteiligen. D2R-R reagiert äußerst sensitiv auf eine Wechsel des Vigilanzstadiums, was auf Umstellungen in der funktionellen Organisation der Kontrollsysteme hinweist.

Innerhalb des Wachzustandes erreicht D2R-R die höchsten Werte, im nonREM-Schlaf nimmt D2R-R ab und nimmt während der REM-Phasen die niedrigsten Werte an. Der von Mayer-Kress et al. geäußerten Vermutung, die Komplexität der Herzfrequenz nimmt im Schlaf zu [ 57 ], muß somit widersprochen werden. Bemerkenswert ist die hohe Stabilität des Parameters innerhalb eines Vigilanzstadiums, circadiane Schwankungen sind nicht nachzuweisen.

D2R-R bleibt in allen Vigilanzstadien niedrig, was die Frage aufwirft, wie aus der Vielzahl an Regulationsmechanismen, die an der vegetativen Kontrolle der Herzfrequenz Anteil haben, ein niederdimensionaler Prozeß entstehen kann. Analog wurde auch eine niedrige Dimension für den arteriellen Blutdruck aufgezeigt [ 117 ]. Eine mögliche Erklärung hierzu bietet die Struktur des zentralen Netzwerkes. Da die afferente Informationsübertragung von den Rezeptoren sowie die Einflüsse zentraler Efferenzen nicht direkt auf die kardialen vagalen und sympathischen Neurone vermittelt werden, sondern innerhalb des neuronalen Netzes einer Integration unterliegen, bestehen offensichtlich zahlreiche Abhängigkeiten zwischen den einflußnehmenden Größen [ 118 ]. Dieser Darstellung gemäß konnte gezeigt werden, daß sowohl die Unterbrechung von Reflexeingängen [ 116 ] als auch der Ausfall supramedullärer Einflüsse [ 103 ] die Komplexität der Herzfrequenz drastisch vermindern.

Zusammenfassend sind zwei Möglichkeiten gegeben, die Dimensionsabnahme der Herzfrequenz im Schlaf zu deuten. Der Einfluß afferenter Informationen von peripheren Rezeptoren oder efferenter Erregung zentraler Herkunft nimmt deutlich ab. Funktionelle Umstellungen innerhalb des neuronalen Netzwerkes lassen einzelne Eingänge in eine stärkere Abhängigkeit voneinander geraten - im Sinne einer Synchronisation, was gleichfalls zu einer Verminderung der Komplexität des Netzwerkes führt. Da es sich hierbei um


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Veränderungen innerhalb des Netzwerkes selbst handelt, ohne direkte Einstellung von außen, wird darin der Ausdruck einer “synergetischen Selbstorganisation“ gesehen [ 57 ].

Die Modulation zentraler Regulationsvorgänge durch die Vigilanz, die eine verminderte Komplexität der Herzfrequenz im Schlaf herbeiführt, hat nur eine geringe Änderung des LLE zur Folge. Sicher nachweisbar ist lediglich eine Abnahme der Prädiktabilität im Wachzustand, was als Zunahme chaotischer Komponenten in der Herzfrequenzvariabilität zu deuten ist. Die Abnahme des LLE im nonREM-Schlaf ist jedoch nicht mit einer deutlichen Verminderung parasympathischer Aktivität verbunden. Deshalb läßt sich die von einigen Autoren [ 124 , 129 ] aufgrund pharmakologischer Interventionsversuche getroffene Aussage, der LLE sei vorwiegend parasympathisch bestimmt, unter physiologischen Bedingungen nicht bestätigen. Hagerman et al. sehen in der mit dem LLE gemessenen niedrigen Prädiktabilität eine deterministische Eigenschaft der Herzfrequenzregulation und ihrer Integrität [ 35 ], die das Zusammenspiel beider Antagonisten des Vegetativums erfordert. Erkenntnisse, die auf gravierenden äußeren Eingriffen beruhen, wie sie die Atropingabe darstellt, können also nur begrenzt zur Klärung offener Fragen über die Herzfrequenzregulation unter physiologischen Umständen im Schlafen und Wachen herangezogen werden.

6.3.3. Die Modulation funktioneller Eigenschaften des neuronalen Netzwerkes durch die Vigilanz mit Auswirkung auf die kardiorespiratorische Koordination

Der Rhythmogenese der Atmung, die zum Wechsel zwischen Inspiration und Exspiration führt, unterliegt dem neuronalen Netzwerk, dessen Aktivität auch die Fluktuationen der Herzfrequenz bedingt [ 48 ]. Deshalb können aus dem Vergleich der Dimensionen der Herzfrequenz ( D2R-R ) und der Atmung ( D2resp ) Aussagen darüber getroffen werden, wie eng die Regulation beider Systeme von einem strukturell einheitlichen Netzwerk koordiniert wird. Damit wird es erstmals möglich sein, die bisher geführte Diskussion um die kardiorespiratorische Beziehung, die sich auf die lineare Methode der Kohärenz stützt, mit qualitativ neuen Erkenntnissen, die sich aus der nichtlinearen Analyse ergeben, zu erweitern.

Mit dem Parameter D2resp läßt sich die Atmung als niederdimensionaler Prozeß kennzeichnen. Die Dimension liegt unterhalb der für die Herzfrequenz bestimmten Werte, was darauf hinweist, daß die Zahl unabhängiger Kontrollmechanismen, die den Atmungszyklus bestimmen, geringer ist. Erwartungsgemäß fällt die Dimension ab, wenn wichtige Rezeptorafferenzen durchtrennt werden. Sammon und Bruce zeigten, daß eine Unterbrechung der Informationsübertragung von den pulmonalen Dehnungsrezeptoren in


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das kardiorespiratorische Netzwerk, die Komplexität des Atemsignals senkt [ 85 ]. Die Autoren konnten auch eine verminderte Dimension unter Urethannarkose zeigen. Offensichtlich wird der niedrige Freiheitsgrad der zentralen Rhythmogenese von peripheren wie zentralen Rückkopplungsprozessen erhöht. Anhand des eigenen Datenmaterials kann bestimmt werden, wohin die Dimension der Atmung verschoben wird, ändert sich das Vigilanzstadium, was bekanntlich auch mit einer veränderten Intensität der Einflußnahme peripherer und zentraler Eingänge einhergeht [ 89 ].

D2resp ist am größten innerhalb der Wachphasen. Gleichsinnig zu D2R-R fällt D2resp mit Eintritt in den nonREM-Schlaf ab. Während des REM-Schlaf nimmt die Komplexität der Atmung zu, dagegen die der Herzfrequenz weiter ab. Die höhere Komplexität von Atmung und Herzfrequenz im Wachzustand läßt darauf schließen, daß die Rekrutierung einer im Vergleich zum Schlaf größeren Zahl an peripheren Afferenzen oder zentralen Efferenzen die Dimension beider Prozesse erhöht. Wie die Kohärenz belegt, wird dabei die lineare Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung verringert. Die Kohärenzverminderung quantifiziert hier eine Verdrängung der zentralen Oszillation in den Fluktuationen der IHR , was zu einer Beeinträchtigung des synchronen Verhaltens von Atmung und IHR führt. Die Zunahme von D2R-R im Wachzustand ist mit einer verstärkten Präsenz von chaotischen Anteilen im Verhalten der Herzfrequenz assoziiert. Damit wird angedeutet, daß nichtlineare Eigenschaften innerhalb des kardiorespiratorischen Netzwerkes verstärkt vorhanden sind. Diese Änderung des Arbeitspunktes des Systems zu einem solchen mit einem höheren Anteil nichtlinearer Komponenten im Wachzustand vermag ebenfalls die Abnahme der Kohärenz im Vergleich zum nonREM-Schlaf erklären, bedenkt man den linearen Ansatz der Methode. Unterstützung findet diese Hypothese durch Studien, die starke nichtlineare Eigenschaften der Eingänge in das kardiorespiratorische Netzwerk beschreiben [ 24 , 23 ]. Wird Bezug darauf genommen, daß die Intensität der Einflußnahme im Wachzustand größer ist, so findet die Kohärenzabnahme eine plausible Erklärung. Novak et al. äußerten die Vermutung, daß Arbeitspunkte, welche durch nichtlineare Eigenschaften gekennzeichnet sind, innerhalb der zentralen Organisation der Kontrolle von Atmung und Herzfrequenz bestehen [ 65 ]. Die eigenen Daten liefern hierfür Argumente, die sich im Gegensatz zu der Arbeit von Novak et al. auch auf die Ergebnisse nichtlinearer Verfahren stützen können.

Aber wie ist die Abnahme von D2R-R bei gleichzeitiger Zunahme von D2R-R in den REM-Phasen verglichen mit dem nonREM-Schlaf zu verstehen und wie sind diese Befunde mit der Verminderung der linearen Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung korreliert ? Die entgegengesetzte Reaktion von Atmung und Herzfrequenz auf den Wechsel vom nonREM- zum REM-Schlaf zeugt von einer stärkeren Desynchronisation beider Systeme, die sich auch in der verminderten Kohärenz ausdrückt. Daraus ist abzuleiten, daß die Kontrolle beider Systeme jetzt funktionell am stärksten getrennt ist und daraus folgend


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Atmung und IHR -Regulation die höchste Autonomie voneinander erreichen. Dies kann sowohl durch vermehrt gezielte Eingriffe in den respiratorischen Ausgang des kardiorespiratorischen Netzwerkes als auch durch eine ausgeprägtere funktionelle Trennung der Zugehörigkeit einzelner Neurone zu einem der beiden Systeme [ 46 ] bedingt sein.

Zwei Ursachen sind denkbar, um die Abnahme von D2R-R im REM-Schlaf zu interpretieren: Die Zahl einflußnehmender voneinander autonomer Regulationsmechanismen wird reduziert oder einzelne Einflüsse werden aneinander gekoppelt und sind damit als heteronom anzusehen. Aufgrund der Differenzen zwischen D2resp und D2R-R muß angenommen, daß diese Variationen nur das kardiale Kontrollsystem betreffen. Die Abnahme von D2R-R innerhalb des REM-Schlafes ist aber nicht mit einer signifikanten Änderung der Prädiktabilität verbunden. Das chaotische Verhalten der Herzfrequenz ist somit von der Umgestaltung innerhalb des neuronalen Netzwerkes nicht betroffen.

Es wird deutlich, daß das Regulationssystem infolge des natürlichen Wechsels zwischen verschiedenen Vigilanzstadien andere Arbeitspunkte annimmt als sie beispielsweise nach pharmakologischer Intervention [ 130 ] oder physischer Belastung zu beobachten sind [ 35 ]. In diesen Studien ist die Verminderung der Dimension mit einer Abnahme des LLE verbunden.

Zusammenfassend kann anhand des eigenen Datenmaterials eine Charakterisierung des kardiorespiratorischen Regulationssystems und stattfindende Anpassungsvorgänge innerhalb verschiedener Vigilanzstadien vorgenommen werden. Die zentrale Rhythmogenese innerhalb des neuronalen kardiorespiratorischen Netzwerkes läßt Oszillationen entstehen, die einerseits den Atmungszyklus antreiben und andererseits auch im Muster der Herzfrequenz erkennbar sind. Dieser Prozeß besitzt an sich nur eine geringe Zahl an Freiheitsgraden. Erst nach Modulationen desselben durch verschiedene Einflüsse zentraler und peripherer Herkunft ergibt sich seine Komplexität. Daraus resultiert die hohe Flexibilität innerhalb der zentralen kardiorespiratorischen Koordination, die gleichzeitig eine rasche Anpassung an die im Organismus herrschenden Erfordernisse ermöglicht. Bestehende Rückkopplungen mit nichtlinearen Eigenschaften lassen ein deterministisch-chaotisches Verhalten der Herzfrequenz entstehen. Die Vigilanz greift auf mehreren Wegen in diese zentralen Regulationsmechanismen ein. Indem Informationen von peripheren Rezeptoren oder supramedullären Regionen innerhalb verschiedener Vigilanzstadien unterschiedlich intensiv sind, werden Systemeigenschaften des neuronalen Netzwerkes variiert. Dabei können Herzfrequenz und respiratorisches System nahezu linear koordiniert innerhalb des nonREM-Schlafes eingestellt sein. Andererseits erlangen beide Systeme, obwohl sie nach wie vor den zentralen Rhythmus abbilden, ein hohes Maß an Autonomie voneinander im REM-Schlaf. Innerhalb der Wachphasen nehmen


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nichtlineare Komponenten zu. Sehr wahrscheinlich werden die verschiedenen Arbeitspunkte, an dem sich das System befindet, nicht direkt von einem “Zentrum“ eingestellt, sondern ergeben sich aus der funktionellen Organisation des neuronalen Netzwerkes. Sie können deshalb auch erst auf der Ebene des Gesamtsystems analysiert werden. Gerade der nichtlineare methodische Ansatz trägt dem Rechnung, auch wenn Einzelkomponenten dabei nicht beurteilt werden können. Zeitreihenanalytische Verfahren und neurophysiologische Untersuchungen zum Erregungsmuster einzelner Neurone bilden in dieser Hinsicht eine sich gegenseitig ergänzende Einheit.

Deshalb verbindet sich mit der Einführung nichtlinearer Verfahren die Hoffnung, Regulationsdefizite innerhalb der kardiorespiratorischen Koordination erkennen zu können und diese Methoden diagnostisch zu verwenden [ 78 ]. Diesem Ansatz liegt zugrunde, daß chaotische Eigenschaften ein Kennzeichen intakter Regulation darstellen und infolge einer Destabilisierung des Systems oder eine Isolation der zentralen Kontrolle von der Peripherie die natürlich vorhandenen Freiheitsgrade vermindert und drohende Krankheiten angekündigt werden [ 79 ]. Besondere Hoffnungen bestehen, Kinder mit einem hohen Risiko, am plötzlichen Kindstod (SID) zu versterben, frühzeitig erkennen und damit einer klinischen Überwachung zuführen zu können [ 73 ]. Die eigenen Untersuchungen an gesunden Probanden haben gezeigt, daß Datenerhebungen innerhalb verschiedener Vigilanzstadien sinnvoll sind.


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