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 «

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Kapitel 7. Zusammenfassung

Die Regulation von Herzfrequenz und respiratorischem System unterliegt einem in der Medulla oblongata gelegenen neuronalen Netzwerk, welches die Funktion beider Systeme koordiniert und dem Bedarf gemäß einander anpaßt. Mit dem Wechsel zwischen verschiedenen Vigilanzstadien, wie er sich natürlicherweise aus dem Schlaf-Wachverhalten ergibt, vollziehen sich grundlegende Änderungen der Aktivität innerhalb des Zentralnervensystems, die auch in die Funktion des kardiorespiratorischen Zentrums eingreifen.

Die Anwendung zeitreihenanalytischer Verfahren gestattet es, aus einer biologischen Zeitreihe Rückschlüsse auf die dem System zugrundeliegende Dynamik und damit auch seine Regulationsmechanismen zu ziehen. Die Analyse der Zeitreihen der instantanen Herzfrequenz und der Atmung sollte es demzufolge ermöglichen, sich mit dem Wechsel des Vigilanzstadiums vollziehende Adaptationsvorgänge in der Arbeitsweise des Regulationssystems aufzuzeigen. Um jedoch umfassende Einblicke in die zentrale Ansteuerung der Herzfrequenz und ihre Koordination mit dem respiratorischen System zu erhalten, ist neben einer linearen auch eine nichtlineare Datenanalyse sinnvoll und notwendig. Deshalb ist es das Ziel der vorliegenden Studie, Besonderheiten der vegetativen Ansteuerung des Herzens sowie der kardiorespiratorischen Koordination mit beiden Betrachtungsweisen quantitativ zu charakterisieren. Es werden die drei Vigilanzstadien, ruhiger Wachzustand sowie nonREM- und REM-Schlaf berücksichtigt, was es ermöglicht, verschiedene Regulationszustände, die innerhalb der Stadien eingenommen werden, zu kennzeichnen. Daraus ergeben sich wiederum Hinweise auf funktionelle Umstellungen, welche zur Adaptation des Systems an die metabolischen Erfordernisse innerhalb eines Vigilanzstadiums führen.

Grundlage der Studie bildet eine Datenbank aus polygraphischen Messungen an 42 gesunden Kindern im Pubertätsalter, die fortlaufend über 24 Stunden hinweg erfolgten. Es wurden die aus dem EKG rekonstruierten Zeitreihen der instantanen Herzfrequenz und die Respirogramme thorakaler Atmungsexkursionen linearen und nichtlinearen Algorithmen der Zeitreihenanalyse unterzogen.

Anhand der spektralen Charakteristika der Variabilität der instantanen Herzfrequenz gelang es, Unterschiede in der sympathovagalen Ansteuerung zwischen den betrachteten Vigilanzstadien aufzuzeigen. Innerhalb des Wachzustandes wurde eine höhere sympathische Aktivität gefunden als im Schlaf, was in einer erhöhten Herzfrequenz


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Ausdruck findet. Innerhalb des nonREM-Schlafes verliert die sympathische Kontrolle hinsichtlich ihrer rhythmischen Modulation der Herzfrequenz drastisch an Einfluß, was einen Zustand parasympathischer Prädominanz bedingt. Innerhalb des REM-Schlafes nehmen die niederfrequenten Fluktuationen, sowohl Ausdruck sympathischer als auch parasympathischer Aktivität, deutlich zu und sprechen für eine Aktivierung beider Anteile des vegetativen Nervensystems. Neben einer stadienspezifischen Kontrolle der Herzfrequenz im Wachzustand wie im Schlaf konnte besonders innerhalb der nonREM-Phasen der Eingriff eines endogenen circadianen Rhythmus nachgewiesen werden. Die in neuen Studien formulierte kritische Sicht auf den sympathischen Anteil an den niederfrequenten Fluktuationen der Herzfrequenz unter Ruhebedingungen ist bei der Einschätzung der vegetativen Aktivität innerhalb der Vigilanzstadien zu berücksichtigen.

Die Korrelationsdimension und die Lyapunov-Exponenten der Herzfrequenzzeitreihen offenbaren einen niederdimensionalen deterministisch-chaotischen Prozeß, welcher aus nichtlinearen Eigenschaften im Regulationssystem resultiert. Prädiktive Aussagen über das zukünftige Verhalten der Herzfrequenz sind nicht möglich. Die Komplexität der Herzfrequenz reagiert sensitiv auf das Vigilanzstadium. Erstmals konnte gezeigt werden, daß im Gegensatz zum Schlaf ein stärkerer Informationsfluß von peripheren Rezeptoren und ein intensivierter Einfluß supramedullärer Regionen im Wachzustand, funktionelle Eigenschaften des Regulationssystems verändern, was sich in der Dynamik der Herzfrequenz abbildet. Chaotische Komponenten im Muster der Herzfrequenz nehmen zu. Im Vergleich hierzu liegt die Korrelationsdimension im Schlaf niedriger und erreicht innerhalb der REM-Phasen den niedrigsten Wert. Zur Erklärung dieses Verhaltens kann eine stärkere Abhängigkeit einzelner Systemkomponenten voneinander beitragen. In der vorliegenden Arbeit wird die These unterstützt, daß chaotische Eigenschaften ein Kennzeichen der intakten Regulation, also ihrer Integrität darstellen, und dem System ein hohes Maß an Flexibilität ermöglichen.

Die Beziehung von respiratorischem System zur Herzfrequenz wird häufig anhand der hochfrequenten Fluktuationen der Herzfrequenz, der respiratorischen Sinusarrhythmie, beurteilt. Es konnte gezeigt werden, daß dieser Ansatz nicht geeignet ist, Umstellungen in der Intensität der kardiorespiratorischen Beziehung aufzuzeigen, da er lediglich die vagale Erregungsübertragung berücksichtigt. Ein wesentlich sensitiveres Maß ist die Kohärenz, die Informationen über die lineare Intensität der Koordination beider System enthält. Der nonREM-Schlaf verkörpert in dieser Hinsicht ein Stadium, innerhalb dessen eine hohe lineare Synchronizität in der Kontrolle von Herzaktion und Atmung vorliegt. Sowohl innerhalb der Wachphasen als auch im REM-Schlaf wird diese vermindert. Die bekannte


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erhöhte unspezifische neuronale Aktivität innerhalb der Formatio reticularis im Wachzustand ebenso wie eine Rekrutierung zentraler und peripherer Eingänge in das kardiorespiratorische Netzwerk bedingen eine Verminderung der linearen Intensität der kardiorespiratorischen Koordination. Desweiteren kann die erhöhte Präsenz nichtlinearer Komponenten im Wachzustand zu einer Kohärenzminderung führen. Im REM-Schlaf erreicht die Kontrolle von Herzfrequenz und Atmung ein hohes Maß an Autonomie voneinander. Offensichtlich erfolgt in diesem Stadium eine stärkere funktionelle Auftrennung innerhalb des gemeinsamen neuronalen Netzwerkes. Die Abnahme der mit der Korrelationsdimension gemessenen Komplexität der Herzfrequenz bei gleichzeitigem Dimensionsanstieg der Atmung bekräftigt diesen Schluß.

Die zahlreichen bestehenden Rückkopplungen in das zentrale kardiorespiratorische Netzwerk geben der zentralen Rhythmogenese ihre Komplexität. Die Modulation dieser Eingänge durch die Vigilanz bedingt eine Adaptation in der funktionellen Organisation der Neurone an den Schlaf-Wach-Zyklus, was von der Dynamik der Herzfrequenz und der Atmung angezeigt wird.

Mit der Zeitreihenanalyse sind Einblicke in zentrale Regulationsvorgänge möglich. Deshalb besteht zu Recht die Hoffnung, daß mit diesen Verfahren pathophysiologische Defizite erkannt werden können.


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