Разное

Дыхание гипоксическое: Гипоксическая тренировка как одна из альтернатив допингу

Гипоксическая дыхательная тренировка — Блог SWIMROCKET

Гипоксическая дыхательная тренировка

Гипоксическая дыхательная тренировка — один из видов дыхательных занятий, которые часто применяют в тренировках профессиональные спортсмены. Она представляет способ, при помощи которого повышается эффективность дыхания и ускоряется анаболизм. Подробнее о данном типе спортивных занятий и какова их польза — читайте в нашей статье.

Для чего нужна гипоксическая дыхательная тренировка?

Как известно, профессиональные спортсмены готовятся к серьезным соревнованиям в горах. Именно там воздух содержит меньшее количество кислорода и большее — диоксида углерода. Такая пропорция лучше подходит для активной вентиляции легких человека.

Такое дыхание хорошо тем, что создает эффект, схожий с эффектом от занятий в горах. Они позволяют спортсмену научиться дышать меньше, при этом извлекая такое же количество кислорода, которое он извлекает обычно. Такой прием уменьшает нагрузку на сердце, легкие и другие, жизненно важные органы, предотвратит риск развития атеросклероза, а также увеличит процент содержания в крови анаболических гормонов.

Гипоксическая дыхательная тренировка — польза

Во-первых, гипоксические тренировки повышают иммунитет спортсмена. Во-вторых, используя этот тип спортивных занятий, меньше напрягаются легкие, снижается риск износа мышц сердца, сосудов и других внутренних органов.

Такие дыхательные тренировки повышают выносливость, увеличивают мощность вашего дыхательного аппарата и производительность сердечнoй мышцы и, что не мало важно, нормализуют гормональный фон.

Примеры гипоксических дыхательных тренировок

Пример № 1. Находясь в состоянии покоя, задержите дыхание настолько, насколько это возможно. Как только вы понимаете, что больше нет сил, постепенно начните выдыхать воздух, после чего сымитируйте дыхательный процесс — это позволит вам не дышать как можно дольше. Выполните это упражнение примерно четыре-пять раз. Для больше продуктивности — засекайте время, стараясь с каждым новым подходом улучшить свой результат.

Пример № 2. Выполняя приседания или просто вращая головой, задержите дыхание так же, как и в первом упражнении. Конечно, вследствие того, что ваше тело будет находиться в движении, недостаток кислорода вы почувствуете быстрее. Но постарайтесь не делать паузу между подходами длиннее, чем одна-три минуты. Можно завершить это упражнение специальными наклонами, когда вы выдыхаете воздух из легких, наклоняя туловище вперед, затем задерживаете дыхание, после чего совершаете небольшой вдох и поднимаетесь наверх. Повторите это упражнение несколько раз.

Пример № 3. Это задание нужно совместить с беговой тренировкой. Задержите дыхание и бегите, сколько хватит сил. Затем походите в течение 2 минут, выполняя неглубокие вдохи и выдохи. После чего снова повторите задание.

Понравился наш текст? Еще больше полезных материалов читайте на нашем сайте в разделе «Блог». А также записывайтесь на тренировки в нашу школу плавания SwimRocket.  

Вас может заинтересовать

Гипоксическая тренировка — путь к здоровью и долголетию — Самоздрав

Facebook

Вконтакте

Одноклассники

Для нашего организма очень важно дыхание. В дыхательную систему поступает необходимый кислород, который способствует окислению органических веществ, а выделяется углекислый газ. Так, один из видов тренировки — гипоксия.

Те, кто занимается гипоксическими тренировками, отмечают следующие положительные изменения в организме: Улучшается работа дыхательного аппарата. Укрепляется иммунитет. Легко снимается стрессовое напряжение. Дыхание становится правильным, полным. Улучшается работа мозга.

методики освоения:

1.Задержки дыхания в покое. Делается натощак. Перерыв между задержками не меньше 1 минуты, не более 3-х минут.

2.Ограничение дыхания в повседневной жизни. Необходимо постоянно ощущать легкую нехватку воздуха.

3.Задержка дыхания на ходу.

4.Задержки дыхания при наклонах.

5.Ступенчатое дыхание.

6.Кратковременные задержки дыхания.

О том, насколько полезен горный воздух, было рассказано ранее. Но есть существенные недостатки такого вида терапии.

Это: Для лечения и профилактики заболевания необходимо от 30 до 60 дней. Нет индивидуального подбора гипоксического фактора. Есть случаи плохой переносимости горного климата.

Нормобарическая гипоксия. Это способ, который повышает сопротивляемость организма за счет привыкания к гипоксии. Она достигается при дыхании газовой смесью, в которой содержание кислорода снижено до 10%

Стоит отметить: чтобы была эффективной гипоксическая тренировка, необходимо придерживаться условий :

Гипоксическое воздействие на организм должно длиться 3-10 минут, не более. Общая продолжительность сеанса за день – не более 1,5-2 часа.

Гипоксические нагрузки стоит пересмотреть или отменить если наблюдаются следующие проявления: Кашель. Боли в желудке. Боли в желчном пузыре, обострение гипертонии. Некоторым необходимо подготовить организм. Для этого рекомендуют использовать следующие способы:

Использовать растения-адаптогены. К ним относятся: элеутерококк колючий, аралия маньчжурская, золотой корень и др..

Выполнение упражнений на растяжение. Это повышает адаптационные свойства организма к гипоксии.

Паровая баня. Кровообращение в сосудах улучшается за счет их расширения.

Занятия бегом. Появляется стойкая гипоксия в результате повышения потребности организма в кислороде. Это гипоксия двигательная.

Дозированное голодание. Это  мощный стимулятор, который повышает адаптационные свойства организма к гипоксии и обладает оздоровительным эффектом.

 

Однако, для того, чтобы заниматься гипоксическими тренировками не обязательно уезжать в горы. Сохранить молодость и здоровье вам поможет уникальная отечественная разработка — дыхательный тренажер “Самоздрав”. Занимаясь на тренажере, вы дышите воздухом, обогащенным углекислым газом и при этом можете регулировать не только время тренировки, но и объем вдыхаемой вами воздушной смеси. Постепенно увеличивая нагрузку вы можете подобрать наиболее удобный для вас режим тренировок, в результате которых у вас улучшается сон, нормализуется артериальное давление, вы будете значительно легче переносить стресс. Заниматься на тренажере “Самоздрав” легко и удобно, это можно делать во время просмотра телепередач или листая ленту соцсетей.

Рассмотрев положительные и отрицательные стороны такого вида занятий мы видим что, гипоксическая тренировка – путь к здоровью и долголетию.

Гипоксический тренинг на Ленинском проспекте и Шаболовской

Гипоксический тренинг в Москве проходят в современном фитнес-клубе BIOSFERA.

Современный спорт — это не только обычные тренировки, но и новые методы и способы стимуляции организма, в основе которых лежат глубокие исследования физиологии человека. Hypoxico — новый метод, основанный на дыхании с уменьшенным содержанием кислорода, благодаря чему оказывается стимулирующее и адаптирующее воздействие.

Гипоксический тренинг изучался еще во времена СССР, когда активно велась гонка космических технологий. Но популярным в то время он не стал.

Суть гипоксического тренинга

Цель гипоксического тренинга — включить последовательно по цепочке физиологические механизмы организма, за счет чего включаются и его дремлющие механизмы.

На первом этапе метода Hypoxico происходит срочная адаптация, благодаря которой в работу организма включается быстрая компенсация:

  • сердцебиение учащается
  • повышается частота и глубина дыхания

Из-за своих особенностей организм в таком состоянии долгое время находиться не может, потому что сильно перенапрягаются различные системы. Поэтому в скором времени подключается долгосрочная адаптация, которая включает в себя перестройку функции кроветворения, дыхание клеток и другое.

Такая перестройка подходит для спортсменов и фитнесистов, так как благодаря ей сил хватает надолго. Также значение имеет и медицинский фактор — министерство здравоохранения рекомендует гипоксический тренинг для лечения и профилактики многих заболеваний, например, он снижает риск онкологии.

Все знают о кислородотерапии. Популярны кислородные коктейли, которые используют, чтобы быстро восстановить организм, но их эффект очень краткосрочен. Такую терапию часто ставят в один ряд с тренингом, в котором участвует гипоксическая маска. На самом же деле, чем больше кислорода получает организм, тем быстрее он изнашивается, состаривается.

Результаты гипоксических тренировок

Результат, который принесет гипоксический тренинг в Москве, зависит от того, какая задача поставлена. Для того, чтобы добиться эффекта, хотя бы на начальных этапах обязательно нужен тренер. Он поможет определиться с целями и возможностями их достижения.

Для тренировок используется гипоксическая маска. У тренинга есть несколько режимов, нужно выбирать тот, что больше всего подходит под цель, например:

  • выносливость
  • похудении
  • работоспособность
  • нормализация сна
  • акклиматизация
  • адаптация после травмы
  • сушка тела

Грамотный тренер поможет решить любую проблему с помощью правильного режима гипоксической тренировки.

Есть люди, очень слабо реагирующие на гипоксическую стимуляцию, потому перед началом тренингов нужно пройти специальный тест, который поможет узнать уровень гипоксической устойчивости организма. Клуб Biosfera имеет в штате специализированных врачей, которые проанализируют состояние здоровья и помогут на тренировках добиваться больших успехов, в зависимости от состояния организма.

Кому нужен гипоксический тренинг?

Клуб Biosfera предлагает гипоксический тренинг в Москве для всех желающих. Такие занятия подойдут:

  • профессиональным спортсменам
  • спортсменам-любителям
  • людям с лишним весом
  • людям, испытывающим сильный стресс
  • альпинистам
  • пожилым людям

Это не весь список. В целом гипоксический тренинг подходит практически для всех категорий людей, но есть противопоказания. Нельзя тренироваться при:

  • острых инфекционных заболеваниях
  • лихорадке
  • гипертонии
  • астме
  • нарушении кровообращения
  • инфаркт
  • пороки сердца

Чтобы не навредить здоровью, перед тренировками обязательна консультация врача.

С каждым годом технологии совершенствуются, гипоксический тренинг стал более комфортным и эффективным. Профессиональные тренера могут подстраивать тренировку под каждого клиента индивидуально, следить за реакцией организма, корректировать задачи тренировок для достижения цели.

Клуб Biosfera для гипоксических тренировок

Велнес-клуб в центре Москвы — это удобное местоположение и комфортные тренировки. В клубе можно посещать не только специальные тренировки, но и спа-процедуры, банный комплекс, сауну, джакузи. Клуб премиум-класса поможет сделать тело красивым, гибким, молодым.

Hypoxico в Biosfera — это самый эффективный способ похудения и развития выносливости.

Тренажер дыхательный Фролова

Под термином гипоксические тренировки понимается вдыхание специальных гипоксических смесей, в которых содержится пониженное количество кислорода. Ещё во времена Гиппократа было известно о благотворном влиянии на организм гипоксии в горноклиматических регионах. И по сей день всем известно, что дольше всего живут люди в горной местности.

Дыхательный тренажёр Фролова предназначен для гиперкапнической и гипоксической тренировок организма.

Вдыхание горного воздуха создаёт в организме человека комплекс приспособительных реакций. Причём это не предположение, а научно доказанный факт. Результатом многолетних исследований стал метод создания и использования специальных воздушных смесей с пониженным содержанием кислорода. Метод получил название гипокситерапия.

Гипокситерапия способствует повышению работоспособности, улучшению жизнеспособности и функционального состояния. Оздоровление организма достигается благодаря значительному увеличению человеческих физиологических резервов.

Согласно наблюдениям, проведение сеансов гипокситерапии повышает физическую и умственную работоспособность, улучшает настроение, раскрывает капилляры, увеличивает количество циркулирующей крови. Кроме того, наблюдается выброс эритроцитов в кровяное русло, увеличивается минутный объём кровообращения, а также улучшается доставка кислорода к клеткам и тканевое кровоснабжение.

Именно благодаря всем этим качествам гипоксические тренировки считаются очень перспективными в плане улучшений функций органов (лёгких, ЖКТ, мозга, репродуктивных органов) и физиологических систем.

Гипоксическое воздействие в строгих дозах повышает устойчивость и сопротивляемость организма к негативным факторам окружающей среды. Процедуры нормализуют обмен углеродов, белков, жиров, электролитов. Таким образом, гипоксическую терапию можно назвать универсальным средством нормализации психофизиологических показателей, повышения возможностей адаптации, функций нервной системы, а также средством, регулирующим работу органов.

Экономичным и эффективным методом проведения гипокситерапии является метод А.З. Колчинской. Согласно методу академика Колчинской человек во время тренировок вдыхает через маску нормальный воздух, чередуя его с гипоксической смесью, содержание кислорода в которой не больше 10-12%. Благодаря тренировкам по методу Колчинской повышаются адаптационные возможности, а также уровень специфического и неспецифического иммунитета. Также существенно снижется частота и количество обострений заболеваний. Стоит отметить, что по этому показателю гипокситерапия выигрывает у традиционных противовоспалительных методов. Кроме того, метод Колчинской нормализует гормональный фон, психоэмоциональное состояние и фазовую структуру менструального цикла.

Благодаря такому влиянию гипоксических тренировок на человеческий организм их можно использовать не только для лечения болезней дыхания и внутренних органов, нервной системы, кровообращения, но и для защиты от всевозможных инфекций, вредных погодных и экологических факторов и радиации. Гипоксические тренировки способствуют повышению эффективности функциональности внешнего дыхания, резервов дыхательной системы, снижению объёма дыхания (в минуту), увеличению объёма и частоты дыхания, а также максимального времени задержки дыхания на вдохе и вентиляции лёгких. Именно поэтому такие методики получили широкое распространение в спорте – существенно повышается эффективность тренировок. Таким образом, гипоксические тренировки – прекрасная альтернатива горноклиматическим тренировкам.

Для проведения таких тренировок используются специально созданные устройства. Они позволяют регулировать и контролировать газовый состав воздушной смеси.

Именно такой эффект и обеспечивают процедуры, проводимые с помощью тренажера Фролова. Тренажёр удлиняет выдох, благодаря чему создаётся кратковременная гипоксия. За счёт этого тренировка на тренажёре Фролова аналогична гипоксической интервальной тренировке на дорогостоящих аппаратах.

Профилактика коронавируса


Метод интервальной гипоксической терапии в режиме “гипоксия-гипероксия” для реабилитации пациентов после перенесенной пневмонии, вызванной COVID-19, и профилактики ее развития у лиц из группы риска.

Метод интервальной нормобарической гипоксической терапии (ИГТ) является немедикаментозным аппаратным методом, который используется для лечения и реабилитации пациентов путем повышения функциональных резервов организма через улучшение кислородтранспортных систем. Метод основан на индивидуально дозированном использовании гипоксических (со сниженным содержанием кислорода) газовых смесей при обычном атмосферном давлении в циклично-фракционном режиме: дыхание гипоксической газовой смесью чередуется с периодами реоксигенации.

 

В настоящее время данный метод применяется в клинической практике для лечения и реабилитации пациентов с хроническими бронхолегочными, сердечно-сосудистыми заболеваниями и метаболическими нарушениями, а также для улучшения качества жизни пожилых пациентов. Метод имеет минимум противопоказаний, не имеет возрастных ограничений, легко осуществим и хорошо переносится пациентами. Безусловным преимуществом метода ИГТ является его совместимость с традиционными методами лечения и способность потенцировать действие фармакологических препаратов.

 

Обоснование для применения метода интервальной гипоксической терапии в клинической практике Российской Федерации:
• Нормобарическая гипокситерапия /Разсолов Н.А., Чижов А.Я., Потиевский Б.Г., Потиевская В.И. //Методические рекомендации для врачей. —  М., 2002.
• Научные публикации (Перечень – Приложение №1)

 

В представленных в приложении №1 научных публикациях были отмечены следующие физиологические эффекты:
• повышение вентиляторных резервов дыхания
• улучшение легочной микроциркуляции
• улучшение газообменной функций легких
• уменьшение оксидантно-антиоксидантного дисбаланса

Клинические эффекты:

• улучшение показателей функций внешнего дыхания
• уменьшение одышки при физической нагрузке
• снижение частоты приступов удушья, кашля
• повышение физической работоспособности  

У лиц зрелого возраста после курса ИГТ возрастает показатель альвеолярной вентиляции на 20%, достоверно увеличивается соотношение АВ/МОД, что указывает на возрастающую эффективность внешнего дыхания. Увеличивается потребление кислорода на 6%, вентиляционный эквивалент снижается на 15%, достоверно возрастает кислородный эффект дыхательного цикла.

 

Согласно последним данным Управления больничных учреждений Гонконга, 25% излечившихся от короновируса нового типа пациентов страдают от ухудшения функции легких и удушья при ходьбе. При этом отмечается, что ухудшение работы легких может составлять 20-30%. Это приводит к тому, что пациентам с перенесенной короновирусной инфекцией и, в частности, вирусной (вирусо-бактериальной) пневмонией, требуется реабилитация с использованием методов, направленных как на восстановление дыхательных функций, так и улучшение оксигенации тканей.

 

Метод ИГТ может стать уникальным методом реабилитации таких пациентов. Следует отметить, что в настоящее время разработан и внедряется в клиническую практику новый режим ИГТ – “гипоксия-гипероксия” (в период восстановления пациент дышит оксигенированной газовой смесью, содержащей до 40% кислорода). Оксигенированные интервалы выполняют нормализующую и регуляторную роль: предотвращают возможность передозировки гипоксии, что позволяет оптимизировать условия, необходимые для формирования долгосрочной адаптации. Также, дополнительная оксигенация в период восстановления делает процедуру максимально комфортной и выполнимой для пациента.

 

Также ранее было показано, что после 10 сеансов ИГТ у исследуемых достоверно повышается уровни T- и В — лимфоцитов относительно фоновых показателей, что наряду с возросшими значениями НСТ-теста, отражает определенную мобилизацию неспецифических защитных механизмов (М. О. Берова, 2007).  С учетом того, что при COVID-19 развивается абсолютная лимфопения, можно рекомендовать данный метод, как метод профилактики COVID-19 у лиц, входящих в группу риска. Повышение толерантности к физической нагрузке у пожилых и кардиологических пациентов, даже при ее отсутствии, показанное в исследованиях ряда российских и зарубежных авторов, является дополнительным преимуществом применения данного метода при ограничении двигательной активности в период карантина и самоизоляции.

 

C учетом того, что в большинстве случаев, вирусная пневмония по данным ВОЗ развивается у пациентов старше 80 лет, а тяжесть заболевания обусловлена как возрастом пациента, так и наличием сопутствующей патологии,

основными требованиями для проведения ИГТ являются:


• индивидуальное дозирование гипоксического воздействия на основе изменений физиологических параметров организма в ответ на гипоксию
• мониторинг состояния пациента (SpO2 и ЧСС) на протяжении всей процедуры с возможностью автоматической коррекции параметров воздействия (длительность периодов гипоксии и реоксигенации) в ответ на изменения показателей пациента (биологическая обратная связь)

  При правильной дозировке и индивидуальном подборе режима ИГТ положительный эффект достигает 87 % — у взрослых и 92 % — у детей.

 
Для обеспечения санитарно-гигиенических требований аппараты последнего поколения имеют многоступенчатую систему фильтрации и очистки подаваемой газовой смеси из окружающего воздуха, а также внешний порт (разъем) для присоединения индивидуального дыхательного контура через антибактериальный/противовирусный фильтр, обеспечивающий защиту от вирусной и бактериальной контаминации как самого пациента, так и аппарата. Использование двухпортовой маски в составе индивидуального дыхательного контура обеспечивает однонаправленный поток газовой смеси от аппарата к пациенту, выдох осуществляется в окружающую среду. 

 

Приложение No.1. Научные публикации:

1.Intermittent hypoxia increases exercise tolerance inelderly men with and without coronary artery disease /M. Burtscher, O. Pachinger, I. Ehrenbourg [et al.] // Int.J. Cardiol. – 2004. – Vol. 96. – P. 247–254.

2.Krivoschekov SI, Tszo N, Neshumova TV, Kuzovleva TS, Kuznetsov OM. Influence of ten sessions of interval hypoxic training on effectiveness of respiratory metabolism and the lipid level in blood of patients with angina in health resort treatment. Hyp. Med. 1996. Vol. 4. No. 1. P. 14-15.

3.Serebrovskaya T.V., Bakunovsky A.N., Nesvitailova K.V., Mankovska I.N. Intermittent Hypoxia in Treatment of Bronchial Asthma in Childhood. Intermittent Hypoxia and Human Diseases. Springer, London (2012)

4.Serebrovskaya TV,Xi L. Intermittenthypoxiainchildhood: theharmfulconsequencesversuspotentialbenefitsoftherapeuticuses. Front Pediatr.2015 May 19;3:44

5.Urike Bayer, Rudolf Likar, Georg Pinter, Haro Stettner, Susanne Demschar, Brigitte Trumer, Stefan Neuwersch, Oleg Glazachev, Martin Burtscher. Intermittent hypoxic-hyperoxic training on cognitive performance in geriatric patients. Alzheimer & Dementia: Translational Research & Clinical Interventions, 3 (2017)

6.Ахматова С.Н., Фадина З.М., Логинов А.Г., Феофанова И.Д. Применение прерывистой нормобарической гипоксии в лечении больных хроническими обструктивными заболеваниями легких в условиях санатория // Кремлевская медицина. Клинический вестник. — 1999, No 4. – С. 46-47

7.Борукаева И.Х. Комбинированный метод лечения с интервальной гипоксической тренировкой и энтеральной оксигенотерапией в реабилитации больных бронхиальной астмой // Вестник восстановительной медицины. – No 4 (38). – 2010

8.Валуй А.А., Оленская Т.Л., Николаева А.Г., Марченко А.А., Коваленко Ю.А. Адаптация к периодической гипоксии — как фактор восстановления дыхательной функции легких в реабилитационном периоде у пациентов перенесших долевую пневмонию. //В сб: «Достижения фундаментальной, клинической медицины и фармации». Материалы 71-ой научной сессии сотрудников университета. Витебский ГМУ. Витебск — 2016.- С.124-126

9.Геппе Н.А., Богданова Т.А. Контроль эффективности интервальной гипоксической тренировки у детей с бронхиальной астмой/ Прерывистая нормобарическая гипокситерапия / Доклады Международной академии проблем гипоксии. Том IV.// Под ред.Р.Б. Стрелкова.М.: «Бумажная галерея», 2005. – 232 с.

10.Глазачев О.С., Дудник Е.Н., Поздняков Ю.М. Адаптация к интервальной гипоксии-гипероксии в реабилитации пациентов с ишемической болезнью сердца. Курский научно-практический вестник “Человек и его здоровье”, 2014, No1.

11.Глазачев О.С., Е.Н. Дудник, М.А. Запара, В.Г. Самарцева, В.В. Кофлер. Адаптация к дозированной гипоксии-гипероксии как фактор повышения качества жизни пожилых пациентов с кардиальной патологией. Успехи геронтологии, 2019, Т. 32- No 1-2.

12.Глазачев О.С., Поздняков Ю.М., Уринский А.М., Забашта С.П. Повышение толерантности к физическим нагрузкам у пациентов с ишемической болезнью сердца путем адаптации к гипоксии-гипероксии. Кардиоваскулярная терапия и профилактика, 2014; 13(1).

13.Гребенюк С. А., Озаровский Е. Е. Применение прерывистой нормобарической гипокситерапии в лечении больных с хроническими неспецифическими заболеваниями легких в условиях военного санатория // Военно-медицинский журнал — 2003. – Т. 324, No 11 . — С. 69-70

14.Дьякова Э.В. Нормобарическая гипокситерапия в реабилитации различных форм детского церебрального паралича у детей/ Доклады Международной академии проблем гипоксии. Том IV.// Под ред.Р.Б. Стрелкова.М.: «Бумажная галерея», 2005. – 232 с.

15.Елизаров A.H. Метод гипоксической адаптации влечении пациентов с ишемической болезнью сердца /А.Н. Елизаров, Т.А. Князев, В.А. Бадтиева // Кремлевская медицина. – 2007. – No 4. – С. 32–35.

16.Загайная Е.Э., Д.Ю. Щекочихин, Ф.Ю. Копылов, О.С. Глазачев, А.Л. Сыркин, Т.Г. Сазонтова. Интервальные гипоксические тренировки в кардиологической практике. Кардиология и сердечно-сосудистая хирургия, 6, 2014.

17.Ибрагимова Ш.И., Абусуев С.А. Лечение больных сахарным диабетом 2-го типа пожилого и старческого возраста прерывистой нормобарической гипокситерапией. Кубанский научный медицинский вестник No 1 (130) 2012

18.Иванов А.Б., Борукаева И.Х., Шхагумов К.Ю., Абазова З.Х. Комбинированное применение гипокситерапии и оксигенотерапии — эффективный метод коррекции иммунологического статуса больных бронхиальной астмой//Журнал научных статей Здоровье и образование в XXI веке. — 2015. Т.17, No4. — С. 312-317

19.Использование длительных гипоксических тренировок для вторичной профилактики ишемическойболезни сердца / А.Г. Калачев, С.А. Ельчаниноа,А.Г. Филиппова [и др.] // Вестник аритмологии. –2004. – No 35 (приложение). – С. 30–31.

20.Ищук В.А. Безопасность и эффективность интервальных нормобарических гипоксических тренировок у пожилых больных с ишемической болезньюсердца / В.А. Ищук // Журнал АМН Украины. –2007. – Т. 13, No 2. – C. 374–384.

21.Карпова Э.С. Ишемическое прекондиционирование и его кардиопротективный эффект в программахкардиореабилитации больных с ишемической болезнью сердца после чрескожных коронарных вмешательств / Э.С. Карпова, Е.В. Котельникова, Н.П. Лямина // Рос. кардиол. журн. – 2012. – No 4. –С. 104–108.

22.Махова Г.Е. Прерывистая нормобарическая гипокситерапия — перспективный и эффективный немедикаментозный метод реабилитации больных с трансмуральным инфарктом миокарда/ Доклады Международной академии проблем гипоксии. Том IV.// Под ред.Р.Б. Стрелкова.М.: «Бумажная галерея», 2005. – 232 с.

23.Степанов В.К., Дворников М.В., Маев Э.З., Емельянов Б.Н., Козырев П.В., Виноградов Н.В., Козырева Е.П. Нормобарическая интервальная гипокситерапия с дозированной оксигенацией в пульмонологии // Прерывистая нормобарическая гипокситерапия: Доклады Международной академии проблем гипоксии. Т. IV. — М.: «Бумажная галерея», 2005. — С. 154-163

Индикаторы индивидуальной устойчивости к гипоксии — путь оптимизации применения гипоксических тренировок у детей | Глазачев

1. . Mateika J.H., El-Chami M., Shaheen D., Ivers B. Intermittent hypoxia: a low-risk research tool with therapeutic value in humans. J Appl Physiol 2015; 118(5): 520—32. DOI: 10.1152/japplphysiol.00564.2014

2. Navarrete-Opazo A., Mitchell G.S. Therapeutic potential of intermittent hypoxia: a matter of dose. Am J Physiol Regul In-tegr Comp Physiol 2014; 307: R1181—R1197. DOI: 10.1152/ajpregu.00208.2014

3. Геппе Н.А., Даирова Р.А., Урбах В.А. Немедикаментозная реабилитация при бронхиальной астме у детей. Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского. 1994; 1: 73—78.

4. Serebrovskaya T.V., Xi L. Intermittent hypoxia in childhood: the harmful consequences versus potential benefits of therapeutic uses. Front Pediatr 2015; 3: 44. DOI: 10.3389/fped.2015.00044.

5. Zhang D., She J., Zhang Z., Yu M. Effects of acute hypoxia on heart rate variability, sample entropy and cardiorespiratory phase synchronization. Biomed Eng Online 2014; 11: 13—23. DOI: 10.1186/1475-925X-13-73.

6. Сазонтова Т.Г., Глазачев О.С., Болотова А.В., Дудник Е.Н., Стряпко Н.В., Бедарева И.В. и др. Адаптация к гипоксии-гипероксии повышает физическую выносливость: роль активных форм кислорода и редокс-сигнализации. Рос физиол журн им. И.М. Сеченова 2012; 98(6): 793—807.

7. Сыркин А.Л., Глазачев О.С., Копылов Ф.Ю., Дудник Е.Н., Загайная Е.Э., Тутер Д.С. Адаптация к интервальной гипоксии-гипероксии в реабилитации пациентов с ишемической болезнью сердца: переносимость физических нагрузок и качество жизни. Кардиология 2017; 57(5): 10—16. DOI: 10.18565/cardio.2017.5.10-16

8. Борукаева И.Х. Эффективность интервальной гипоксической тренировки при бронхиальной астме у детей и подростков. Педиатрия. Журнал им. Г.Н. Сперанского 2007; 4: 29-35.

9. Зеленкова И.Е., Зоткин С.В., Корнеев П.В., Копров С.В., Альмяшев Д.Х., Глазачев О.С., Грушин А.А. Вариабельность гипоксической устойчивости у спортсменов различной квалификации и спортивной специализации. Спортивная медицина: наука и практика 2016; 6(4): 5-10.

10. Малеев Д.О. Определение индивидуальной устойчивости организма лыжников-гонщиков высокой квалификации к острой гипоксии. Человек. Спорт. Медицина 2015; 15(4): 19-23.

11. Serebrovskaya T.V., Bakunovsky A.N., Nesvitailova K.V., Mankovska I.N. Intermittent Hypoxia in Treatment of Bronchial Asthma in Childhood. In: Intermittent Hypoxia and Human Diseases. L. Xi, T. Serebrovskaya (eds). Springer, London 2012; 135-143.

12. Алеманова Г.Д. Прогнозирование эффективности гипобарической гипоксии у детей и подростков с бронхиальной астмой. Российский вестник перинатологии и педиатрии 2010; 55(3): 61-66.

13. Кривощеков С.Г., Балиоз Н.В., Некипелова Н.В., Капилевич Л.В. Возрастные, гендерные и индивидуально-типологические особенности реагирования на острое гипоксическое воздействие. Физиология человека 2014; 40(6): 34-40.

14. Bassovitch O., Serebrovskaya T. Equipment and regimes for intermittent hypoxia therapy. In: Intermittent Hypoxia: From Molecular Mechanisms to Clinical Applications. L. Xi, T. Serebrovskaya (eds). Springer, London 2011: 561-572.

Импульсная гипоксия с использованием гелия при лечении хронического обструктивного бронхита

Информация только для специалистов в сфере медицины, фармации и здравоохранения!

Проблема лечения хронического бронхита остается одной из основных в современной клинической медицине. Применение антибактериальных, гормональных, противовоспалительных препаратов и бета2-симпатомиметиков не полной в мере решает проблему терапии больных хроническим бронхитом.

Становится очевидным факт необходимости разработки новых подходов к лечению хронического обструктивного бронхита (ХОБ).

В последние годы разработан метод повышения неспецифической резистентности организма при его адаптации к гипоксии посредством импульсной (интервальной) нормобарической гипоксической стимуляции.

Кратковременное дыхание воздухом с пониженным содержанием кислорода вызывает системные, а при повторных сеансах — тканевые и клеточные реакции, что повышает устойчивость организма к неблагоприятным влияниям. Во время коротких нормоксических интервалов между сериями вдыхания газовой гипоксической смеси активность приспособительных механизмов продолжает оставаться повышенной и в результате курса тренировок закрепляется на качественно новом уровне.

Для повышения эффективности метода импульсной гипоксии для лечения больных с патологией органов дыхания мы заменили азот на гелий, который обладает более высокой диффузионной способностью, меньшей плотностью и более выраженным антиателектатическим действием. Использовались газовые смеси, содержащие 10% кислорода и 90% гелия. Курс лечения состоял из 10 сеансов. Время одного цикла — 3 минуты. Время одной паузы между ингаляциями газовой смеси — 3 минуты.

Эффективность импульсной гипоксии с применением гелия (ИГГ) изучали у 82 больных хроническим обструктивным бронхитом, которые плохо поддавались комплексному лечению. Контрольную группу (60 человек) составили больные ХОБ, принимающие лечение антибактериальными средствами, бронхолитиками, муколитиками, бета-2-симпатомиметиками в сочетании с лечебной физкультурой и физиотерапией. До начала лечения больному ХОБ производились лабораторные исследования, регистрировалась ЭКГ, определялась степень нарушения функции внешнего дыхания, проводилась проба на переносимость гипоксии.

После проведения курса ИГГ у всех больных ХОБ уменьшились одышка, кашель, значительно улучшилось отделение мокроты, а концу курса лечения или сразу после его окончания у большинства пациентов (69 больных) отделение мокроты прекратилось совсем, что сопровождалось положительными аускультативными изменениями в легких: исчезали или уменьшались сухие и разнохарактерные влажные хрипы. Если в начале лечения ИГГ, уровень С02 в выдыхаемом воздухе у больных ХОБ был равен 3,73+0,12 (об.%), то после курса — 4,96 + 0,13 (%), что достоверно выше в сравнении с контрольной группой.

В процессе ИГГ отмечено приспособление сердечно-сосудистой системы и системы крови к воздействию гипоксического фактора.

Если в начале курса лечения Hb составлял 135,3+2,09, то в конце лечения-145,0+2,23. На фоне курса ИГГ в основной группе отмечено повышение уровня эритроцитов периферической крови с 4,2+0,09 до 4,8+ 0,11.

В основной группе отмечено достоверное повышение форсированной жизненной емкости легких (FVC) и жизненной емкости легких (VC), объема форсированного выдоха за 1-ю секунду (FEV 1) и резервного объема выдоха (ERV). Отмечено достоверное повышение максимальной объемной скорости выдоха (РЕF), потоковых показателей, характеризующих бронхиальную проходимость на уровне крупных, средних и мелких бронхов: FEF 75, FEF 50, FEF 25. В то же время в контрольной группе также отмечено повышение объемных и потоковых показателей, но это повышение не было статистически достоверным.

Применение в комплексном лечении ИГГ оказало влияние на объем обычной медикаментозной терапии, применяемый больными ХОБ. Все больные ХОБ в той или иной мере принимали перорально секретолитики (бисольвон, бромгексин, амбробене), эуфиллин и пролонгированный теофиллин — теопэк, бета-2-агонисты ингаляционно (беротек, вентолин).

На фоне лечения ИГГ удалось существенно сократить прием секретолитиков, причем 64% больных ХОБ перестали принимать секретолитики, начиная уменьшать их прием в начале курса ИГГ и, отменив, в конце или сразу после него. 35% больных ХОБ сумели полностью отменить теопек, 63% больных отменили эуфиллин и 47% больных ХОБ отменили беротек, причем сокращение объема фармакотерапии было статистически достоверно. Важно отметить, что во время прохождения курса ИГГ и сразу после него обострений основного заболевания не было. 89 % больных ХОБ отметили стабильное улучшение течения своего заболевания.

Таким образом, лечение импульсной гипоксией с использованием гелия оказалось эффективным у 89 % больных хроническим обструктивным бронхитом. В процессе кратковременного воздействия гипоксического фактора повышались приспособительные реакции организма.

Наблюдения показали, что импульсная гипоксия с использованием гелия может занять достойное место в комплексном лечении больных хроническим обструктивным бронхитом.

Что это такое, причины, симптомы

Обзор

Что такое церебральная гипоксия?

Церебральная гипоксия возникает, когда мозг не получает достаточно кислорода. Связанное с этим состояние, аноксия, возникает, когда кислород не достигает мозга. Медицинские работники часто используют эти термины вместе: гипоксически-аноксическое повреждение головного мозга.

Без кислорода клетки мозга умирают, и может произойти травма головного мозга. Это может произойти, даже когда в мозг поступает достаточное количество крови, например, когда вы вдыхаете дым или угарный газ.

Лечение может помочь людям с черепно-мозговой травмой в результате церебральной гипоксии. Но никто не может вернуть мертвые клетки мозга или обратить вспять черепно-мозговую травму. Состояние может привести к пожизненному повреждению мозга. Если это будет продолжаться слишком долго, это может быть фатальным.

Как недостаток кислорода влияет на мозг?

Ваш мозг управляет вашей нервной системой. Для работы ему нужен кислород. Фактически, мозг использует около пятой части общего количества кислорода в организме. Кислород помогает посылать нервные сигналы и сообщения по всему телу.

Когда мозг не получает достаточно кислорода, клетки мозга начинают умирать. Гибель клеток происходит в течение 5 минут при низком уровне кислорода.

Симптомы и причины

Что вызывает недостаток кислорода в головном мозге (церебральная гипоксия)?

На приток кислорода к мозгу могут влиять многие факторы, в том числе:

Какие признаки церебральной гипоксии?

Человек, страдающий церебральной гипоксией, может:

  • Выглядит дезориентированным и невнятно произносит слова.
  • Дышите быстро или неглубоко или перестаньте дышать.
  • Придает коже и губам голубоватый или сероватый оттенок.
  • У вас расширение зрачков, судороги или припадки.
  • Не отвечать, когда вы произносите их имя или просите сделать что-нибудь, например, пожать вам руку.

Каковы отдаленные последствия церебральной гипоксии?

Люди, выздоравливающие после церебральной гипоксии, могут иметь пожизненные проблемы, такие как:

Каковы осложнения церебральной гипоксии?

Тяжелая кислородная недостаточность может вызвать опасные для жизни проблемы, включая кому и судороги.

Через 10 минут без кислорода наступает смерть мозга. Смерть мозга означает отсутствие активности мозга. Человеку нужны средства жизнеобеспечения, такие как аппарат искусственной вентиляции легких, чтобы помочь ему дышать и остаться в живых.

Диагностика и тесты

Как диагностируется гипоксия головного мозга?

Медицинский работник может назначить анализы для определения степени тяжести травмы головного мозга. Эти тесты включают:

Ведение и лечение

Как лечить и лечить церебральную гипоксию?

Церебральная гипоксия требует неотложной медицинской помощи.Вам следует позвонить в службу 911. Службы экстренной помощи и медицинские работники примут меры, чтобы быстро восстановить приток кислорода к мозгу. Если сердечный приступ или инсульт привели к потере кислорода, они будут лечить это состояние.

Профилактика

Как предотвратить гипоксию головного мозга?

Если кто-то рядом с вами перестает дышать, вы можете выполнить сердечно-легочную реанимацию (если его сердце остановилось) и сделать искусственное дыхание. Эти усилия могут восстановить кровоток и кислород до прибытия медицинской бригады. Ваши действия могут предотвратить серьезную травму мозга.

Как снизить риск церебральной гипоксии?

Важно контролировать такие состояния, как высокое кровяное давление. Состояния, которые могут вызвать сердечный приступ или инсульт, повышают риск церебральной гипоксии.

Вы также можете принять меры безопасности, чтобы снизить риск несчастных случаев, вызывающих гипоксию мозга. Вы и ваша семья можете:

  • Пристегните ремни безопасности.
  • Установите в доме детекторы дыма и детекторы угарного газа.
  • Используйте спасательные жилеты, плавайте в местах, где есть спасатели, и следите за детьми вокруг воды, включая ванны.
  • Надевайте шлемы во время тяжелых физических нагрузок, а также во время езды на велосипеде, коньках или лыжах.

Перспективы / Прогноз

Каков прогноз (перспективы) для людей с церебральной гипоксией?

У человека с легкой церебральной гипоксией может быть немного симптомов, если таковые имеются. Они могут выздороветь без заметных долговременных эффектов.

Перспективы человека с церебральной гипоксией зависят от:

  • Сколько времени мозг находится без кислорода.
  • Степень поражения головного мозга.
  • Возраст на момент происшествия (люди моложе 25 лет могут поправиться лучше).

Исследования показывают, что человек, который выходит из комы менее чем за четыре недели, имеет больше шансов на выздоровление с небольшими долгосрочными повреждениями.

Некоторые люди остаются в стойком вегетативном состоянии. Это означает, что они кажутся бодрствующими, но не могут сознательно отвечать на команды или общаться. Шансы на выздоровление невелики, если это состояние длится более трех месяцев.

Жить с

Когда мне позвонить врачу?

Вы должны позвонить 911, если кто-то испытывает:

  • Потеря сознания или отсутствие реакции.
  • Изъятия.
  • Мелкое дыхание или остановка дыхания.
  • Признаки сердечного приступа или инсульта.

Какие вопросы я должен задать своему врачу о церебральной гипоксии?

Если у близкого человека гипоксия головного мозга, спросите врача:

  • Насколько серьезна черепно-мозговая травма?
  • Может ли помочь физиотерапия, трудотерапия или логопед?
  • Могут ли лекарства облегчить симптомы?
  • Каков долгосрочный прогноз?
  • Стоит ли обращать внимание на признаки осложнений?

Записка из клиники Кливленда

Церебральная гипоксия требует немедленной медицинской помощи.Чем дольше человек остается без кислорода, тем выше риск серьезного повреждения головного мозга и смерти мозга. Восстановление после церебральной гипоксии часто включает физиотерапию, профессиональную терапию и логопедию. Ваш лечащий врач может предоставить вам ресурсы, которые могут помочь в выздоровлении.

Гипоксемия: симптомы, причины, лечение

Обзор

Что такое гипоксемия?

Гипоксемия возникает, когда уровень кислорода в крови ниже нормы. Если уровень кислорода в крови слишком низкий, ваше тело может не работать должным образом.

Кровь переносит кислород к клеткам по всему телу, чтобы поддерживать их здоровье. Гипоксемия может вызывать легкие проблемы, такие как головные боли и одышка. В тяжелых случаях это может нарушить работу сердца и мозга. Гипоксемия, вызывающая низкий уровень кислорода в тканях организма, называется гипоксией. Иногда люди используют эти два термина как синонимы, но это не одно и то же.

Симптомы и причины

Что вызывает гипоксемию?

Различные условия и обстоятельства могут повлиять на способность организма доставлять в кровь нормальный уровень кислорода.Некоторые из наиболее частых причин гипоксемии включают:

  • Заболевания сердца, в том числе пороки сердца
  • Заболевания легких, такие как астма, эмфизема и бронхит
  • Места на больших высотах, где содержание кислорода в воздухе ниже
  • Сильные обезболивающие или другие проблемы, замедляющие дыхание
  • Апноэ во сне (нарушение дыхания во время сна)
  • Воспаление или рубцевание легочной ткани (как при фиброзе легких)

Каковы симптомы гипоксемии?

Симптомы гипоксемии различаются в зависимости от тяжести состояния.В их числе:

  • Головная боль
  • Одышка
  • Учащенное сердцебиение
  • Кашель
  • Свистящее дыхание
  • Путаница
  • Голубоватый цвет кожи, ногтей и губ

Диагностика и тесты

Как врачи диагностируют гипоксемию?

Чтобы диагностировать гипоксемию, ваш врач проведет физический осмотр, чтобы прослушать ваше сердце и легкие. Нарушения в этих органах могут быть признаком низкого содержания кислорода в крови.Ваш врач также может проверить, не выглядят ли ваша кожа, губы или ногти синеватыми.

Доктора используют тесты для проверки уровня кислорода, в том числе:

  • Пульсоксиметрия : Датчик, который надевается на палец, измеряет количество кислорода в крови. Пульсоксиметрия безболезненна и неинвазивна. Многие врачи регулярно используют его при каждом посещении.
  • Анализ газов артериальной крови : игла используется для взятия пробы крови из артерии для измерения уровня кислорода в крови.
  • Другие тесты на дыхание: Они могут включать дыхание через трубки, подключенные к компьютерам или другим машинам.

Ведение и лечение

Как врачи лечат гипоксемию?

Лечение гипоксемии направлено на повышение уровня кислорода в крови. Врачи могут использовать лекарства для лечения основных состояний, вызывающих гипоксемию. Эти лекарства часто вводятся через ингалятор, который позволяет вдыхать лекарство в легкие.

В более тяжелых случаях врач может назначить кислородную терапию. Люди обычно получают дополнительный кислород через устройство, называемое канюлей (трубкой), которое зажимается снаружи носа, или через дыхательную маску. Место и количество времени, в течение которого люди проходят кислородную терапию, зависят от индивидуальных потребностей. Вы можете получать кислород дома, с помощью портативного аппарата во время путешествия или в больнице.

Каковы осложнения или побочные эффекты гипоксемии?

Если в вашей крови недостаточно кислорода, она не может доставить достаточно кислорода к органам и тканям, которые в нем нуждаются.Эта ситуация может быть фатальной, если она серьезна в краткосрочной перспективе, и может повлиять на сердце или мозг, если она сохраняется в течение длительного периода времени.

Профилактика

Можно ли предотвратить гипоксемию?

Существуют меры, которые можно предпринять, чтобы предотвратить повторение гипоксемии после лечения. Чтобы повысить уровень кислорода в крови, ваш врач может порекомендовать:

  • Упражнения глубокого дыхания
  • Легкие упражнения, например ходьба или йога
  • Соблюдение здорового питания
  • Пить много воды
  • Отказ от курения

Перспективы / Прогноз

Каковы перспективы людей с гипоксемией?

Симптомы гипоксемии исчезнут после лечения.В зависимости от причины, людям с гипоксемией может потребоваться лечение однократно или на постоянной основе. Ваш врач будет работать с вами, чтобы управлять этим заболеванием, чтобы вы могли вести активный и здоровый образ жизни.

Жить с

Когда мне следует обращаться к врачу по поводу гипоксемии?

Обратитесь к врачу, если вы испытываете симптомы гипоксемии. Ранняя диагностика и лечение могут помочь гарантировать, что состояние не ухудшится и не вызовет опасных осложнений.

Гипоксия и гипоксемия: симптомы, лечение, причины

Когда вашему организму не хватает кислорода, вы можете получить гипоксемию или гипоксию.Это опасные условия. Без кислорода ваш мозг, печень и другие органы могут быть повреждены через несколько минут после появления симптомов.

Гипоксемия (низкий уровень кислорода в крови) может вызвать гипоксию (низкий уровень кислорода в тканях), когда ваша кровь не переносит в ткани достаточно кислорода для удовлетворения потребностей вашего организма. Слово гипоксия иногда используется для описания обеих проблем.

Симптомы

Хотя они могут варьироваться от человека к человеку, наиболее распространенными симптомами гипоксии являются:

  • Изменение цвета кожи от синего до вишнево-красного
  • Путаница
  • Кашель
  • Быстрое сердцебиение
  • Учащенное дыхание
  • Одышка
  • Медленное сердцебиение
  • Потоотделение
  • Свистящее дыхание

Если у вас есть симптомы гипоксии, звоните 911.

Как это лечится

Вам нужно будет отправиться в больницу, чтобы лечиться от гипоксии и следить за уровнем кислорода.

Самое главное, чтобы в организм поступало больше кислорода. Вы получите его через небольшую пробку в носу или через маску, закрывающую нос и рот. Для многих людей этого достаточно, чтобы довести уровень кислорода до нормы.

Ингалятор или лекарство от астмы внутрь могут облегчить дыхание. Если это не поможет, врач может попробовать ввести лекарство через вену на руке (капельницу).Вам могут потребоваться стероидные препараты на короткое время, чтобы уменьшить воспаление в легких, или антибиотики для лечения основной инфекции.

Когда ваша жизнь в опасности, а другие методы лечения не работают, вам может понадобиться аппарат, который поможет вам дышать.

Причины гипоксии

Тяжелый приступ или обострение астмы может вызвать гипоксию у взрослых и детей. Во время приступа ваши дыхательные пути сужаются, что затрудняет попадание воздуха в легкие. Кашель для очистки легких требует еще большего количества кислорода и может ухудшить симптомы.

Гипоксия также может быть результатом повреждения легких в результате травмы.

Другие факторы, которые могут вызвать гипоксию, включают:

Предотвращение гипоксии

Лучший способ предотвратить гипоксию — держать астму под контролем каждый день. Придерживайтесь своего плана лечения астмы.

  • Принимайте лекарства, чтобы предотвратить обострения и необходимость использования спасательного ингалятора.
  • Правильно питайтесь и оставайтесь активными.
  • Знайте свои триггеры астмы и найдите способы их избежать.

Вместе с врачом составьте план действий при приступах астмы, чтобы вы знали, что делать, если у вас проблемы с дыханием.

Кардиореспираторные последствия и их центральные нейронные субстраты

Abstract

Контролируемое медленное дыхание (6 / мин, частота, часто принимаемая во время практики йоги) может улучшить сердечно-сосудистую функцию, включая реакцию на гипоксию. Мы протестировали нейронные субстраты кардиореспираторного контроля у людей во время произвольного контролируемого дыхания и гипоксической нагрузки с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Двадцать здоровых добровольцев были просканированы во время ритмичного (медленного и нормального) дыхания и во время спонтанного дыхания нормоксическим и гипоксическим (13% вдыхаемого O 2 ) воздухом.Сердечно-сосудистые и респираторные показатели были измерены одновременно, включая индивидуальное артериальное давление от подгруппы участников (N = 7). Замедленное дыхание ассоциировалось с увеличением дыхательного объема. Вызванная гипоксия увеличивала частоту сердечных сокращений и подавляла вариабельность сердечного ритма. Внутри мозга медленное дыхание активировало спинной мост, периакведуктальное серое вещество, мозжечок, гипоталамус, таламус, а также боковую и переднюю части коры островка. Блоки гипоксии активировали средний мост, двустороннюю миндалину, переднюю островковую и затылочно-височную коры.Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксией выражалось в вентральной полосатой активности и фронтальной полярной активности. В разных условиях активность спинного мозга, спинного мозга и моста коррелирует с дыхательным объемом и, наоборот, с частотой сердечных сокращений. Активность в ростровентральном мозговом веществе коррелировала с межкадровым давлением и вариабельностью сердечного ритма. Широко распространенная активность островка и полосатого тела отслеживала снижение частоты сердечных сокращений, в то время как субрегионы островковой коры коррелировали с мгновенным увеличением дыхательного объема.Наши результаты определяют влияние медленного дыхания на центральную и сердечно-сосудистую реакцию на гипоксическую нагрузку. Они подчеркивают задействование дискретных ядер ствола мозга для кардиореспираторного контроля и задействование кортикостриатных цепей для поддержки физиологических реакций, которые сопровождают регуляцию дыхания во время гипоксической нагрузки.

Введение

Дыхательная система оказывает сильное влияние на вегетативную нервную координацию телесных процессов. Один из путей, посредством которых дыхание модулирует сердечно-сосудистую функцию, — это барорефлекс.Артериальные барорецепторы активируются за счет выброса крови из сердца под давлением. Сигналы барорецепторов передаются в мозговое вещество для рефлексивно-вегетативного оттока: активность мышечного симпатического нерва сужает сосудистые русла, повышая кровяное давление, в то время как парасимпатическая активность через блуждающий нерв замедляет частоту сердечных сокращений, помогая снизить кровяное давление. Психологический, физический и химиосенсорный стресс подавляет барорефлекс, позволяя кровяному давлению и частоте сердечных сокращений повышаться вместе; эффект, который, если он преувеличен или устойчив, пагубен для здоровья сердечно-сосудистой системы [1].

Интересно, что дыхание с медленной частотой дыхания, равной шести вдохам в минуту, может вызывать эффекты, положительно влияющие на здоровье сердечно-сосудистой системы: медленное дыхание повышает чувствительность барорефлекса у здоровых людей и пациентов с сердечной недостаточностью [2] [3]. Медленное дыхание также снижает активность симпатических нервов в мышцах, ослабляя гипертензивную вазоконстрикцию [4], и блокирует сердечно-сосудистые реакции на физиологический стресс, вызванный легкой гипоксией [5] [2]. Таким образом, польза для здоровья может быть получена в результате тренировки людей дышать примерно с половиной средней скорости в состоянии покоя.Практикующие йогу представляют ту часть общества, которая занимается упражнениями на медленное дыхание как для психологического, так и для физического здоровья. Сообщается, что психические состояния спокойствия и благополучия сопровождают медленное йогическое дыхание и связанные с ним физические положения и маневры. Однако эти эффекты не являются исключительными для практик восточных религиозных традиций [6]. Таким образом, произвольная модуляция частоты дыхания предлагает канал, с помощью которого можно формировать вегетативную активность для улучшения как сердечно-сосудистой системы, так и психологического здоровья.

Исследования респираторного и сердечно-сосудистого контроля на животных делают упор на стволовых механизмах мозга [7]. Осцилляторные движущие силы дыхательного ритма идентифицированы в ретротрапециевидной / парафациальной респираторной области и в пре-Бетцингерском комплексе [8] [9]. Функциональная нейровизуализация у людей расширяет эти знания, чтобы идентифицировать гомологи таких дыхательных центров ствола мозга внутри моста и продолговатого мозга [10–13]. Важно отметить, что нейровизуализация человека подчеркивает вклад центров переднего мозга в рефлексивную и волевую регуляцию дыхания и представление респираторных ощущений [11] [14–18].Нейровизуализация также расширяет наше понимание взаимодействия между внутренним состоянием (включая дыхание) и познанием или эмоциями [19]. Однако нейронные механизмы, посредством которых медленное дыхание влияет как на психическое, так и на физическое состояние, остаются малоизученными.

Настоящее исследование было мотивировано, чтобы детализировать центральный контроль дыхания и связанные автономно-опосредованные сердечно-сосудистые реакции на гипоксию у людей в условиях нормальной частоты и медленного дыхания. В частности, мы стремились идентифицировать нейронные механизмы, лежащие в основе гипотетического ослабления медленным дыханием сердечно-сосудистых «стрессовых» реакций на гипоксию.Для достижения этой цели мы исследовали нервные, респираторные и сердечно-сосудистые реакции на гипоксическую нагрузку при разной частоте дыхания и определили нейронные субстраты, связанные с генерированием и отображением вызванных физиологических изменений.

Материалы и методы

Участники

Двадцать три здоровых участника-добровольца (8 женщин 12 мужчин; возрастное отклонение = 34,5 ± 10,4 года) были набраны с помощью рекламы исследования, которое было одобрено Управлением исследований медицинской школы Брайтона и Сассекса. и Комитет по этике (BSMSRGEC) Университета Сассекса (номер утверждения 10 / 033CRI).Каждый участник дал полное информированное согласие в письменной форме в соответствии с процедурами, утвержденными BSMSRGEC. Данные от двадцати участников были включены в окончательный анализ, поскольку у остальных трех участников были получены недостаточные / неполные наборы данных. Семь участников можно было классифицировать как «обученных дышащих» на основании регулярной практики йоги, опытной игры на духовых инструментах или регулярного развлекательного или профессионального дайвинга.

Экспериментальная задача и гипоксическое испытание

Во время сканирования участник лежал на спине на кровати сканера и носил респираторную маску, надеваемую на нос и рот, которая была присоединена к дыхательному контуру, через который она / она дышали атмосферным воздухом, чередующимся с гипоксической газовой смесью. (13% O 2 ).Схема включала пневмотахограф для точного измерения дыхательных объемов и была присоединена через полиэтиленовую трубку к капнографу. Участник также смотрел на проекционный экран через зеркало, установленное на катушке для головы, и носил электростатические наушники для передачи слуховых сигналов и ослабления шума сканера. Участница держала коробку с кнопками, с помощью которой она / она могла выставлять оценки в определенное время во время эксперимента.

Основная экспериментальная сессия проводилась в течение непрерывного периода (26.От 5 до 27,5 минут, в зависимости от псевдослучайного порядка, см. Ниже), в течение которого участнику предлагалось в течение блоков по одну минуту либо дышать в своем собственном темпе (без интервала), либо медленно (в медленном темпе), либо дышать более быстро (обычный ритм — примерно соответствует нормальной частоте дыхания в положении лежа на спине у большинства участников). Инструкции подавались в виде звуковых сигналов в начале каждого блока и на протяжении всего ритмичного дыхания с заданной скоростью («вдохните», «выдохните»). Участник также слышал звуковые сигналы каждую секунду на протяжении каждого блока.В начале каждого блока участнику предлагалось визуально закрыть глаза, а в конце каждого блока — слухом — открыть глаза. Между экспериментальными блоками участница выполнила две визуальные аналоговые оценки того, насколько настороженно и насколько положительно / отрицательно она / она чувствовала себя в то время. Для бдительности подсказка «ТРЕВОГА» была написана над горизонтальной линейной шкалой от -50 (очень сонная) до +50 (максимально бодрствующая). Для эмоционального эмоционального состояния слово «ЧУВСТВО» было представлено над аналогичной шкалой, где -50 означало очень плохо, а +50 — очень хорошо.Перед экспериментом каждый участник практиковался в управлении точным положением курсора по шкале с помощью нажатия левой и правой кнопок.

Во время экспериментальной сессии газ, вдыхаемый участником, переключался между атмосферным (нормоксическим) воздухом и гипоксической смесью. Двенадцать участников начали с периода нормоксического дыхания, выполнив три одноминутных блока (непрерывное, медленное и регулярное дыхание). Затем их перевели на гипоксическую смесь.После 1,5-минутного блока «промывки» они выполнили три одноминутных блока (без интервалов в медленном темпе, в обычном темпе), за которыми следовали 1-минутный блок «промывки», дыша атмосферным воздухом. Затем повторялась последовательность периодов нормоксии / гипоксии. Остальные одиннадцать участников начали экспериментальную сессию, вдыхая гипоксическую смесь, начиная с 1,5-минутного периода «отмывки», выполняя три блока в условиях гипоксии, с последующим периодом «отмывки». Псевдослучайная последовательность блоков без интервалов, медленных и обычных темпов в пределах каждого нормоксического / гипоксического периодов и между участниками обеспечила контроль над эффектами порядка.Во время блоков промывки и промывки гипоксии участнику предлагали дышать в собственном темпе с закрытыми глазами. Экспериментальная сессия (включая представление реплик и запись оценок) контролировалась программой, работающей в Matlab (MathWorks, Natick), и синхронизировалась с получением сканирования ().

Сбор физиологических данных, иллюстрирующих план эксперимента.

На рисунке показана запись данных (программное обеспечение CED Spike, Кембридж) во время эксперимента, в котором участники вдыхали смеси нормоксического и гипоксического воздуха в течение примерно 5 минут с их естественной спонтанной скоростью (без интервалов) и со скоростью стимуляции, приближающейся к обычной ( нормальный темп: 9.9 вдохов в минуту) и в медленном темпе (в медленном ритме 5,5 вдохов в минуту). Эти условия задачи были уравновешены внутри и между участниками, а периодам гипоксии предшествовал 1,5-минутный период «отмывки», за которым следовал 1-минутный период «отмывки». Во время эксперимента изменения объема, связанные с дыханием, регистрировались непосредственно с использованием пневмотахографии наряду с измерением выдыхаемого CO 2, и с помощью пульсовой оксиметрии, сатурации артериальной крови кислородом, объема пульса и частоты пульса.В эксперименте повторялись условия задания при гипоксии и нормоксии. Для подгруппы участников также регистрировалось индивидуальное кровяное давление.

Физиологический мониторинг и анализ

Во время сканирования дыхание участника контролировалось с помощью пневмотахографии (калибровка в конце каждого сеанса) для определения объема вентиляции (Бернарди и др., 2006) и капнографии для определения уровня приливного CO2 (Oridion Microcap) вместе с насыщением кислородом от пульсоксиметрии (Нонин 8600ФО).Сердечно-сосудистые данные регистрировались во время сканирования также с использованием пульсовой оксиметрии для определения времени сердца и индекса амплитуды пульса. У семи участников данные об артериальном давлении были также получены с помощью Portapres (Finapres Medical Systems BV), который был модернизирован на собственном производстве для обеспечения совместимости с МРТ. У этих участников датчик артериального давления был размещен на указательном пальце левой руки, а предметный столик пульсоксиметра — на безымянном пальце левой руки; у всех остальных пульсоксиметр находился на указательном пальце левой руки.Все физиологические сигналы были записаны вместе с сигналами синхронизации, указывающими время сканирования (отдельные объемы эхопланарных изображений) и различных экспериментальных блоков, через аналого-цифровой преобразователь (CED1401) в программное обеспечение Spike (Cambridge Electronic Design, Великобритания) (). Впоследствии данные были экспортированы в Matlab, очищены от артефактов и усреднены для статистического сравнения блочных эффектов. Они также подверглись повторной выборке, чтобы ввести их в качестве регрессоров в анализ изображений головного мозга для интерпретации региональной мозговой активности.

Сбор и анализ данных нейровизуализации

Исследование проводилось в Центре клинических визуализаций Медицинской школы Брайтона и Сассекса (CISC-BSMS) на магнитно-резонансном сканере Siemens Avanto мощностью 1,5 Тл. Чтобы получить наборы данных временных рядов, индексирующие гемодинамические корреляты изменений региональной активности мозга, мы получили непрерывные T2 * эхопланарные изображения (EPI), чувствительные к контрасту, зависящему от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), в то время как каждый участник проходил экспериментальную сессию (изотропные 36 x 3 мм с чередованием срезы, TE / TA = 50 / 3208ms, наклон 30 ° к AP комиссуральной плоскости).Предварительная обработка наборов данных нейровизуализации и последующий анализ нейровизуализации проводились с использованием программного обеспечения статистического параметрического картирования (SPM8; http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) на вычислительной платформе Matlab. Наборы данных функциональной визуализации (36 объемов EPI срезов) были предварительно обработаны с поправкой на синхронизацию срезов, перемещением между объемами, пространственной нормализацией к стандартному пространству MNI и сглаживанием с помощью гауссова ядра FWHM 8 мм для получения 2 мм 3 повторно дискретизированного размера вокселя.

Для каждого участника данные нейровизуализации временных рядов были введены в два отдельных набора анализов первого уровня: 1) представляющие интерес блоки задач (непрерывное, медленное и регулярное дыхание в ритме при нормоксии и гипоксии) были смоделированы вместе с блоками, не представляющими интереса. (периоды гипоксической отмывки и отмывки) и потенциально искажающие физиологические коварианты (изменения CO 2 , SaO 2 ) для проверки влияния экспериментальных манипуляций 2) Индивидуальные физиологические показатели, изменяющиеся в ходе экспериментальной сессии , были объединены с канонической функцией гемодинамического ответа (контроль гемодинамического отставания от предполагаемой основной нейронной активности) и подвергнуты пониженной выборке до частоты сбора данных нейровизуализации, чтобы позволить идентифицировать с помощью регрессионного анализа сканирование региональной активности мозга, колеблющейся в зависимости от конечной точки. приливной CO 2 , насыщение артериальной крови кислородом SaO 2 , частота дыхания, дыхательный и минутный объем (вентиляция ция), частота сердечных сокращений и стандартное отклонение интервала между ударами.Таким образом, эти анализы были настроены на реакции мозга, связанные с физиологическими изменениями, происходящими с временным разрешением 3,21 с и выше, предоставляя подробную информацию о центральном контроле периферических вегетативных реакций и их взаимосвязи, включая взаимодействие с экспериментальными манипуляциями с задачами.

В оба набора анализов шесть регрессоров движения также были включены в качестве искажающих ковариат. Данные были отфильтрованы во временной области с использованием высокочастотного фильтра (период отсечки 128 секунд), устраняя дрейф сигнала и повышая чувствительность к конкретным условиям, связанным с ними физиологическим изменениям и их взаимодействию.Мы также скорректировали глобальный сигнал с помощью пропорционального масштабирования. Для проверки были проведены анализы второго уровня; 1) в рамках ANOVA, моделирующего условия задачи, для основных эффектов и взаимодействий экспериментальных манипуляций, и 2) с использованием однократных T-тестов, для согласованных эффектов физиологических изменений на региональную активность мозга во всей группе. Эффекты сообщаются при значимости P <0,05 с поправкой, определяемой с использованием комбинации использования при пороговой значимости по вокселям P <0.001 без коррекции в сочетании с пороговым значением протяженности кластера> 41 смежных воксела (вычислено с помощью моделирования по Мон-Карло с 1000 итераций [20]. Кроме того, при сообщении активности в небольших вентральных ядрах полосатого тела и ствола мозга и функциональных нейронных коррелятов крови между ударами и сердечными сокращениями данные об изменении давления (полученные в подгруппе участников) описываются с одним и тем же порогом по вокселям, за исключением порогового значения протяженности кластера.

Результаты

A) Субъективный опыт

В начале исследования и после каждого условия задачи участники оценивали свою субъективную степень бдительности и комфорта по визуальной аналоговой шкале, контролируемой кнопочным блоком (см. Методы).Для всех участников и условий задачи не было общего эффекта состояния задачи на сообщаемый комфорт или бдительность при значимости критерия (была только тенденция для взаимодействия гипоксии и частоты дыхания для настороженности (F (2,34) = 2,61 p = 0,09 ), в сторону повышения активности при медленном или нормальном дыхании при нормоксии, но не при гипоксии). При подведении итогов большинство участников сообщили, что экспериментальная установка с дыхательными аппаратами и соответствующим оборудованием для мониторинга была неудобной.В целом, этот дискомфорт лишь незначительно уменьшился в ходе эксперимента, и наблюдалась сопутствующая тенденция к ослаблению оценок бдительности (для первого и четвертого кварталов эксперимента; средняя оценка комфорта: 28,5,0 против 29,0; средняя оценка бдительности: 30,2 против 29,2.Влияние порядка задач в эксперименте на комфорт (F1, 19) = 1,6, нс для бдительности; F (1, 19) = 0,85, нс). Условия эксперимента были псевдорандомизированными и уравновешивались между участниками, и вполне вероятно, что дискомфорт, не связанный с выполнением задания, затмил влияние легкой гипоксии и частоты дыхания на оцениваемое субъективное благополучие и бдительность.

B) Физиологические изменения, вызванные условиями задания

В ходе исследования контролируемая частота дыхания точно соответствовала сигналам кардиостимуляции как при гипоксии, так и при нормоксии (медленные ритмы дыхания в минуту: гипоксия 5,5 ± 0,84, нормоксия 5,3 ± 0,45; гипоксия с нормальным ритмом 9,9 ± 0,29, нормоксия 9,9 ± 1,7). Частота спонтанного (без заданного) дыхания была близка к нормальной частоте дыхания при стимуляции, хотя в среднем была ниже из-за трех человек, у которых была относительно низкая частота дыхания (менее 8 вдохов в минуту) и которые входили в группу из семи «обученных дышащих».Тренированные дышащие по сравнению с другими участниками не показали каких-либо систематических различий в физиологической реактивности на условия задания. Не было существенной разницы в частоте спонтанного (без интервалов) дыхания между гипоксическими (9,1 ± 2,3) и нормоксическими (8,7 ± 2,5) состояниями ()

Групповые физиологические эффекты, вызванные экспериментальными манипуляциями.

Графики ошибок среднего физиологического ответа, измеренного в экспериментальных условиях различных заданий. Данные подтверждают экспериментальные манипуляции для частоты дыхания и насыщения кислородом (рис. 2A и 2B) и показывают значительное влияние гипоксии на частоту сердечных сокращений (рис. 2C).Эффекты задания также наблюдались на минутной вентиляции (VE; рис. 2D), дыхательном объеме (VT; рис. 2E) и уровне CO 2 в конце выдоха (рис. 2F). Результаты для других параметров представлены в тексте.

Гипоксическая проблема, то есть вдыхание 13% O 2 в газовой смеси азота, по сравнению с нормоксией, вызвала снижение насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в среднем с 97,0% до 90,8% по группе. Этот основной эффект гипоксии был значительным (F (1,19) = 54,7, p <0,001). Не было значительных различий в величине этого эффекта между различными условиями дыхания ().Гипоксия была связана с общим увеличением частоты сердечных сокращений при различных условиях дыхания (среднее количество ударов в минуту ± стандартное отклонение: нормоксия 69,2 ± 10,6; гипоксия 73,3 ± 10,7 F (1,19) = 36,5, p <0,001) (. Гипоксия не вызывала стойкие различия в вариабельности сердечного ритма (стандартное отклонение интервалов пульса, с -1 : гипоксия 0,058 ± 0,02; нормоксия 0,062 ± 0,02; нс).

Минутный объем (VE) различался в зависимости от уровня частоты дыхания (F (2, 38) = 13,4, p <0,001), что больше для нормального ритма дыхания, чем для медленных или спонтанных состояний.Также наблюдалась значимая взаимосвязь между частотой дыхания и гипоксией для VE (F (2,38) = 5,0, p = 0,01), при этом разница в VE между быстрым и медленным дыханием была значительно больше при гипоксии (8,9 ± 3,5 против 7,4). ± 4,1 мин -1 , p Bonf <0,001), но не ниже нормоксии (9,0 ± 3,7 против 8,2 ± 4,5 мин -1 ) (). Дыхательный объем (VT) был наибольшим в условиях медленной стимуляции (F (2,38) = 13,2, p <0,001), но на него не повлияла гипоксическая стимуляция ().

Конечный выдох CO 2 (etCO 2 ) снижался в среднем при гипоксии (31.2 ± 3,7 по сравнению с 31,9 ± 4,1 мм рт. дыхание при усреднении по гипоксическим и нормоксическим состояниям (31,0 ± 4,2 против 32,1 ± 3,8 мм рт. ст., p Bonf <0,001). Однако значительного взаимодействия между гипоксией и частотой дыхания не наблюдалось ().

Измерение артериального давления между сердечными сокращениями регистрировалось одновременно с фМРТ у подгруппы участников (N = 7, включая одного «обученного дышащего») ().Артериальное давление различалось незначительно в зависимости от условий задания (F (1,6) = 0,17, н.у.) (). Физиологические эффекты задания (SaO2, частота дыхания, ЧСС, ЖТ, ЖЭ, ЧСС и ВСР), очевидные в большей (N = 20) группе, были отражены в этой подгруппе участников, что указывает на то, что они были репрезентативными для всей группы () . Наблюдалась тенденция во взаимосвязи между частотой сердечных сокращений и артериальным давлением, которая соответствовала подавлению барорефлекса гипоксией.

Физиологические данные, включая артериальное давление между ударами в подмножестве N = 7.

A) Последовательное измерение артериального давления во время фМРТ. На рисунке представлен крупный план записи физиологических данных, как показано на рисунке, а также запись артериального давления между ударами, которое было получено в эксперименте у 7 из 20 участников. B) Эффекты артериального давления между ударами, вызванные экспериментальными манипуляциями. Цифра означает средние данные по изменениям артериального давления, зарегистрированные для подгруппы участников (N = 7). Наблюдаемые различия были недостоверными при стандартном статистическом пороге. C) -H) Экспериментальные вызванные физиологические ответы для подгруппы участников). На рисунке показан характер физиологических изменений в подгруппе участников, у которых было зарегистрировано артериальное давление, для сравнения с данными всей группы, изображенными на. Ответы в этой подгруппе точно отражали ответы всей группы (N = 20).

C) Изменения нейровизуализации, связанные с условиями задачи

В ходе исследовательского нейровизуализационного анализа мы не наблюдали никаких сверхпороговых различий между «обученными дышащими» и другими участниками исследования в ответах мозга на условия задачи или коррелировали с измеренной периферической физиологией.Следовательно, мы объединили участников в одну группу. Постфактумальные оценки результатов региональной нейровизуализации не показали, что эти региональные эффекты в группе были вызваны именно этой подгруппой участников.

Гипоксия в сравнении с нормоксией

Гипоксическая нагрузка вызвала доминирующее повышение региональной активности мозга, с заметной активацией в пределах среднего дорсального моста, двусторонней миндалины, таламуса и коры мозжечка. Внутри неокортекса гипоксия была связана с усиленной активацией затылочных, медиальных и дорсолатеральных префронтальных областей (2).Не было кластеров большей активности во время нормоксии по сравнению с гипоксией ().

Мозговые реакции на манипуляции с экспериментальными задачами.

Групповые данные представлены на сагиттальном корональном и горизонтальном срезах нормализованного головного мозга, чтобы проиллюстрировать различия надпороговой активности, связанные с условиями задания. Данные проиллюстрированы со значимостью P <0,05 с поправкой, определенной с использованием комбинации использования с пороговой значимостью по вокселям P <0,001 без поправки в сочетании с пороговым значением экстента кластера> 41 смежных вокселей (вычислено посредством моделирования Мон-Карло с 1000 итераций. [20]). A) Основной эффект гипоксии: повышенная активность при дыхании 13% O 2 газовая смесь против нормоксичного воздуха. Повышенная активность во время гипоксической нагрузки наблюдается в областях, включая затылочно-височную кору, миндалину и мост. B) Основной эффект от частоты дыхания с кардиостимуляцией: повышенная активность, связанная с медленным дыханием с ритмом v. Дыхание с нормальной частотой ритма: Повышенная активность при медленном по сравнению с нормальным дыханием наблюдается в областях, включая мозжечок, сенсомоторную кору, спинной мост, средний мозг и таламус . C) Активность, отражающая взаимодействие между наличием и отсутствием гипоксии во время стимуляции нормальной скорости v. Медленное дыхание. Активность в левом боковом лобном полюсе и вентральном полосатом теле отражает влияние медленного дыхания на реакцию мозга на гипоксию.

Таблица 1

Региональная активация, связанная с условиями задачи.

8 передний полюс R 8 0, -18 4,08 Поз. -26,08,63 R 3 38,2, -40 9 4
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
Гипоксия выше нормоксии
Вентральная затылочная и веретенообразная кора с обеих сторон L -12, -84, -12 17285 5.20
R 16, -78, -8 5,15
R 20, -80, -18 5,09
Стержень головного мозга 9047 -2,26, -30 11 4,40
Дорсомедиальная префронтальная кора (дополнительная моторная зона) L -2,20,58 514 4,40 904 904 8,12,54 4.21
L -8,10,56 3,88
Передняя изоляция L -44,22, -4 300 4,25
L -28,56,6 398 4,22
Миндалевидное тело двустороннее L -24,0, -20 86 4,17
55 3.76
Ункус / передняя островковая часть R 36,10, -22, 195 4,13
Дорсолатеральная префронтальная кора L -54,22,2048
R 50,16,30 222 4,07
R 48,16,48 79 3,84
-62, -48, -4 259 4.07
Гипоталамус / черная субстанция L -8, -12,10 42 4,05
Боковая верхняя лобная извилина L -26,08,63 3,98
Угловая извилина L -28, -54,52 117 3,90
Средняя лобная извилина R 46,22,14
Таламус R 14, -12,10 41 3.7
Нормоксия больше гипоксии
Нет надпороговых кластеров
Темп> дыхание без ритма
Средняя лобная извилина R 32,34,16 50 3,94
Без интервалов> ритмичное дыхание
Средняя часть островка R 50, -4,0 45 3.50
Медленное дыхание с кардиостимуляцией превышает нормальное значение
Мозжечок (расширенное скопление, охватывающее дорсальный ствол мозга и полосатое тело) L -20, -40, -34 24014 5.94
Средний мозг: периакв. 4 4,63
Ствол мозга: дорсальный мост -6, -30, -30 4.20
Вентральное полосатое тело L -14,0, -2 4,78
R 12,4, -4 199 4,23
18, -8,4 71 4,16
Дорсальная передняя поясная корка R 8,38,32 103 4,12
133 4.07
Верхняя лобная извилина R 30,2,66 7337 5,25
Верхняя теменная долька L -54, -36,42 9358
Дыхание в ритме с нормальной скоростью больше, чем дыхание в ритме с медленной скоростью
Нет надпороговых кластеров
Взаимодействие: гипоксия (в норме v.низкая скорость)> нормоксия (нормальная v. низкая скорость)
Боковой передний полюс L -26,58,8 350 4,44
Дополнительный участок двигателя R 12,20,50 60
Мозжечок R 42, -74, -32 45 3,72
Вентральное полосатое тело, L -16,6, -6 32 384
16,8, -8 14 3,53
Взаимодействие: гипоксия (медленная скорость против нормальной)> нормоксия (медленная против нормальной скорости)
Нет надпороговых кластеров
Контролируемое (кардиостимулируемое) дыхание

Сначала мы проверили влияние спонтанной (без задержки) активности мозга на контрастирующее дыхание с ритмом при контролируемом (ритмичном) дыхании с медленной и нормальной частотой.Самопроизвольное дыхание было связано с большей активацией коры правой средней части островка, в отличие от контролируемого дыхания, которое вызывало большую активность в правой дорсолатеральной префронтальной коре. Затем мы сравнили влияние контролируемого дыхания на медленную и нормальную скорость на региональную активность мозга. Контролируемое дыхание с более медленной скоростью (5,5 вдохов в минуту) вызывало гораздо большую активность, чем нормальное ритмическое дыхание в стволе мозга, по дорсальной длине моста в PAG, в гипоталамической и таламической областях, в пределах червя мозжечка и латеральных кортикальных слоях, а также в областях полосатого тела. и гиппокамп и моторная, дополнительная моторная и париетальная кора (;).

Взаимодействие между частотой ритмичного дыхания и гипоксической нагрузкой

Независимо от основных эффектов гипоксии и ритма дыхания, активация в левом лобном полюсе и двустороннем вентральном полосатом теле отражала взаимодействие этих двух манипуляций с заданиями. Последствия этого эффекта интригуют, поскольку мы не наблюдали значительного взаимодействия ни в субъективных, ни в физиологических реакциях на условия задачи (;).

D) Изменения нейровизуализации, связанные с физиологическими показателями

Уровни CO2 в конце выдоха

Известно, что уровни CO2 влияют на цереброваскулярную реактивность и, возможно, вызывают глобальные изменения сигнала в экспериментах по функциональной нейровизуализации с использованием ЖИРНОГО контраста.Сначала мы протестировали прямые воксельные эффекты уровней CO2 в конце прилива, сначала без какой-либо глобальной коррекции, а затем снова с использованием пропорционального масштабирования. Оба аналитических подхода дали по существу одинаковые надпороговые результаты. Повышение уровня СО2 было связано с повышенной активностью двусторонней коры середины задней части островка. Не было значительных корковых или подкорковых активаций, сопровождающих снижение колеблющихся уровней СО2 в конце выдоха ().

Таблица 2

Региональная активация, связанная с физиологическими регрессорами.

9048, 50483 3,94 , 38,12 2,23 4,05 Precuneus — -34, 9048 9048 6484 L 9047 Фронтальная o 7 5 Уменьшение дыхательного объема 55 9
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
CO 2 увеличение
Задний островок — средний островок L -50, -26, 22 790 7,95
Дорсальная постцентральная извилина L 4.25
Средний задний островок R 44, 0, 2 559 4,17
Вентральный задний островок L -38, -22, -2
CO 2 убавки
Без надпороговых вокселей
ЧСС увеличивается
Без надпороговых вокселей
Частота пульса снижается
Премоторная кора (обширное скопление) L -60,2,16 46855 8.86
Хвостатое ядро ​​/ скорлупа R 22,12, -2 7,51
L -30, -16,2 7,15 08
-22,12,4 7,05
Задний островок L -40, -6,14 5,83
R 44, -6,10 5,64
Таламус R 16,10,0 6.05
Ствол головного мозга: дорсальный средний мост R 12, -38, -32 5,38
-12, -32, -34 4,2 Коленная передняя поясная корка L -2,32,0, 116 4,91
L -12,42,4 4,10
L 3.84
Верхняя лобная извилина R 24, -6,62 87 4,82
Мозжечок L -40, -68, -50 80483 80
Передняя веха L -26,54,2 110 4,78
Передний гиппокамп L -30, -6, -32 Передний гиппокамп / миндалины R 20, -8, -24 63 4.75
Парагиппокампальная извилина R 36, -6, -36 4,17
Верхняя височная извилина R 52, -2, -22 87478 9048
Дорсальная передняя поясная корка R 6,14,24 84 4,47
Частота дыхания увеличивается
Боковая передняя скорлупа R 30,12, -2 41 5.67
Дорсолатеральная префронтальная кора средняя лобная извилина R 36,40,12 44 5,47
Инферолатеральная префронтальная кора R 508 R 50,24,14
R 58,24,24 4,24
Частота дыхания снижается
Перивентрикулярные сигналы белого вещества R 24, -24,12 81 4.5
R 22, -10,28 49 4,42
L -30, -40,0 60 4,22
Повышение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Задний гиппокамп L -26, -42,2 338 5,16
Кластеры белого вещества R 24,12,30 147 9047.04
L -16,4,36 143 4,95
Дорсальная перицентральная извилина R 24, -26,72 86 4,64 R 8, -28, -48 14 4,32
Уменьшение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Передняя островковая часть L -26,22, -8 80 4.33
Вентральная затылочная / язычная извилина R 24, -82, -4 55 4,23
Дорсомедиальная префронтальная кора L
Сатурация артериальной крови кислородом увеличивается (SpO 2 )
Нет надпороговых кластеров
Снижение сатурации артериальной крови кислородом (SpO 2 )
Средняя лобная извилина L -48,36,26 57 5.21
Средняя лобная извилина L -38,34,24 4,08
Минутное увеличение вентиляции
Таламус R 18, -12,6 106 8,85
Верхняя лобная извилина L -28,24,46 389 389 L -2,38,18 531 7.87
Боковой затылочно-теменный переход L -42, -68,38 133 7,73
R 50, -70,36 53 6471 R 30,4,12 821 6,71
L -50, -4,16 164 5,59
L 122 5.72
Нижне-височная кора L -64, -14, -18 49 6,30
Мозжечок L -18,- 9048 9048 648 6486
Орбитомедиально-кортикальный фронтальный полюс -4,54, -12 160 5,33
Минутная вентиляция уменьшается
Нижняя затылочная кора R 32, -96,0 437 4.70
R 20, -58,2 121 4,33
R 6, -74,2 76 4,01
Латеральная кора8 -38, -80, -6 303 4,60
Боковое затылочно-теменное соединение R 28, -84,26 53 4,00
Дыхательный объем увеличивается
Средняя часть островка R 36, -6,6 5037 10.88
Precuneus L -4, -38,22 878 8,51
Переднебоковая височная кора L -54,03, -10 7,347 9048 9048
Скорлупа L -20, -6,2 808 7,25
Верхняя височная извилина L -52, -32,6 574 7474 Верхняя лобная извилина R 24,28,50 1373 6.88
Дорсальная передняя поясная извилина R 10,28,16 6,87
Центральная борозда R 44, -16,40
-40, -16,40 46 5,274
Боковая орбитофронтальная кора R 46,34, -8 210 6,54
-36,34,10 41 6.51
Верхняя лобная извилина R 24,50,24 102 6,05
Средняя поясная извилина R 4, -6,40 114 5,73 Гиппокамп L -24, -18, -24 43 4,82
Боковое затылочно-теменное соединение L -40-74,86 46 46 46 R 14, -14,8 6.74
L -20, -12,12 6,59
Ствол головного мозга: спинные мосты 0, -26, -16 24 3,84 24 : средний мост 0, -26, -32 9 4,03
Ствол мозга: продолговатый мозг 2, -38, -44 33 5,31
Головка хвостатая R 10,24,2 6p 5.06
Повышение артериального давления (подгруппа из 7 участников без применения порогового значения вокселов)
Червь мозжечка 0, -60, -28 22 8,65
Медулла L -6, -32, -48 8478
Средний остров R 50,0,2 6 7,72
Средний остров L -50, -8,2 8 6.16
Артериальное давление снижается
Премоторная кора R 50, -4,30, 10 15,18
Средняя лобная извилина L -46,20,44 38 14
Нижне-височная кора R 46, -8, -28 33 12,04
Дорсальная передняя поясная извилина R 14,38,8 13 11
Нижняя лобная извилина L -62,14,22 24 9,71
Дорсально-затылочная кора L -428 L -428
Фронтальная крышка L -50,6,14, 10 9,35
Путамен R 18,26,66 22 переходы R 48, -38,30 18 8.24
Средний остров L -32, -12,0 18 8,18
Средний остров R 52,24, -2 15
Насыщение кислородом

Насыщение кислородом лежит в основе сигнала зависимости уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), используемого в экспериментах фМРТ для определения нервной активности. Относительная гипоксия, индуцированная в этом эксперименте, как отмечалось выше, вызвала усиление активации в мозгу, а не измеримое уменьшение BOLD-сигнала.Использование насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в качестве непрерывного регрессора для индивидуальных анализов первого уровня привело к отсутствию надпороговых положительно коррелированных кластеров активности на групповом уровне, в то время как активность в левой дорсолатеральной префронтальной коре увеличивалась с уменьшением SaO2 ().

Частота дыхания

Активность преимущественно правой дорсолатеральной префронтальной коры и скорлупы коррелировала с увеличением частоты дыхания (во всех условиях), в то время как было очень небольшое изменение активности серого вещества (было некоторое изменение перивентрикулярного сигнала), связанное с уменьшением частоты дыхания.Это отсутствие отрицательно коррелированного ответа контрастирует с наблюдаемыми эффектами условия задачи, описанными выше ().

Минутная вентиляция и дыхательный объем

Воксельная активность показала более сильную связь с изменениями в VE и VT. Активность увеличивалась в левой дорсолатеральной префронтальной коре, орбитомедиальной / фронтальной полярной коре, предклинье, двусторонней средней островке и таламусе с увеличением VE, что также было связано со снижением активности в нижней затылочной коре.Активность в мозговом веществе, среднем и дорсальном мостах, таламусе, двусторонней средней дорсальной островке, двусторонней скорлупе и надгенивальной поясной извилине и правой передней островке отслеживала увеличение ЖТ, наряду с предклинием верхней височной извилины и правой теменной долей. Голова хвостатого ядра отслеживает уменьшение ЖТ ().

Частота сердечных сокращений и вариабельность сердечного ритма

Активность, распределенная по всему мозгу, коррелировала со снижением колебаний частоты сердечных сокращений. Это включало изменения фокальной активности в мосту и таламусе, но особенно отражалось в активации двусторонней хвостатой скорлупы и сенсомоторной коры.Передний гиппокамп, ранняя зрительная кора, височные полюса и мозжечок также показали эту корреляцию с замедлением сердечного ритма. Не было надпороговых групп активности, которые положительно коррелировали с увеличением частоты сердечных сокращений.

Активность в мозговом веществе и гиппокампе положительно коррелировала с непрерывной вариабельностью сердечного ритма, полученной здесь из вариабельности межимпульсового интервала (стандартное отклонение более 15 секунд). Напротив, уменьшение вариабельности сердечного ритма было связано с повышенной активностью в пределах передней островковой части, дорсомедиальной префронтальной коры (пре-SMA) и области левой затылочной коры.

Артериальное давление и вариабельность артериального давления

Активность в мозговом веществе положительно коррелировала с межмолекулярным артериальным давлением в подгруппе участников, у которых она была измерена (N = 7). Коррелированная активность также присутствовала в двусторонней средней островке и черве мозжечка. Области, включая передний островок / глазничную покрышку, островок, переднюю поясную извилину, левую дорсолатеральную префронтальную кору и правое височно-теменное соединение, показали обратную взаимосвязь с колебаниями артериального давления между ударами ().

Ствол мозга коррелятов кардиореспираторного контроля

Ствол мозга опосредование кардиореспираторных изменений представлял особый интерес для этого исследования. Как уже отмечалось, гипоксическая нагрузка была связана с усилением активности в дорсальной средней части моста, в области, охватывающей Kölliker-Fuse, парабрахиальные ядра и голубое пятно [13]. Блоки медленного дыхания, по сравнению с дыханием с нормальной частотой, задействовали эту же область вместе с большим количеством областей рострального моста с двух сторон, включая периакведуктальное серое вещество, в средний мозг и гипоталамус (2).Примечательно, что мы не наблюдали активности ствола мозга, отражающей надпороговое взаимодействие между гипоксической нагрузкой и медленным ритмом дыхания.

Корреляция между активностью ствола мозга и динамическими физиологическими изменениями в ходе экспериментального исследования обеспечивает дальнейшее понимание проксимальных кардиореспираторных регуляторных центров (): активность в вентральной верхней части мозгового вещества отслеживала вариабельность сердечного ритма у всех участников. В том же регионе отслеживались колебания артериального давления между сердечными сокращениями у тех участников, для которых были доступны эти данные, что свидетельствовало о его прямом участии в контроле барорефлекса.Активность в спинном мозге коррелирует с изменениями дыхательного объема, эта область охватывает часть ядра единственного тракта. Внутри среднего мозга PAG и более передняя ростральная область среднего мозга коррелировали со снижением частоты сердечных сокращений в ходе эксперимента. Последний центр перекрывался с активностью, которая увеличивалась с увеличением дыхательного объема. Как снижение частоты сердечных сокращений, так и увеличение дыхательного объема от одного дыхания к другому были также связаны с активацией средней части моста непосредственно перед областью, реагирующей на гипоксические нагрузки и медленным ритмом дыхания ().

Очаговая деятельность ствола мозга, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Избранная иллюстрация активности, связанной с физиологическими изменениями. Данные проиллюстрированы при пороговой значимости по вокселям P <0,001 без коррекции). A) в мозговом веществе, где один и тот же локус отражает повышение артериального давления и увеличение вариабельности сердечного ритма в соответствии с нервным субстратом для барорефлекса, опосредующего приспособления к гипоксической нагрузке. B) в мосту и среднем мозге, где соседние ядра демонстрируют взаимосвязь с уменьшением частоты сердечных сокращений и увеличением дыхательного объема, предположительно представляя человеческие гомологи центров ствола мозга, поддерживающих кардиореспираторное сцепление, как было выявлено у экспериментальных животных.

Вклад островковой коры

Предполагаемая роль островка как висцеросенсорной коры заставила нас специально исследовать, как активность внутри субрегионов [21] островка отражает экспериментальные условия и / или коррелирует с физиологическими изменениями во время экспериментальной сессии. Мы сохранили тот же порог значимости, что и для данных, представленных в другом месте, и не применили менее строгие поправки на небольшой объем локальной области интереса для статистической значимости. В целом, основные эффекты гипоксии или ритмичного дыхания с медленной по сравнению с нормальной частотой не были связаны с заметными изменениями в активации островных областей.Дискретный кластер активности в пределах левого переднего (агранулярного) островка, однако, действительно отражает взаимодействия между этими состояниями. В ходе эксперимента большая часть от задней части к передней части островка, от гранулярных, дисгранулярных до агранулярных областей с обеих сторон, показала усиленную активацию с уменьшением частоты сердечных сокращений. Этот эффект также отражался в повышенной активности в соседних базальных ганглиях. Похожая картина наблюдалась в отношении увеличения дыхательного объема, на этот раз в основном ограниченного правым полушарием и с преобладанием дискретного кластера активности в задней гранулярной островке с дальнейшим кластером в передней части агранулярного островка.Здесь также подкорковые хвостатые и таламическая активность были преимущественно правосторонними. Повышение уровня CO2 в конце выдоха вызывало двустороннюю активность задней / средней части островка (гранулярную / дисгранулярную). Повышение активности в той же области в ответ на изменение дыхательного объема предполагает, что эта область может поддерживать интегрированное представление хемосенсорных и механорецептивных респираторных сигналов. Поэтому было интересно, что эта зернистая островная область также отражала динамическое повышение артериального давления в подгруппе участников, для которых были получены такие данные.Снижение вариабельности сердечного ритма, вероятно, отражающее подавление барорефлекса, было связано с повышенной активацией левого переднего агранулярного островка, в то время как увеличение вариабельности артериального давления (которое в группах пациентов может представлять собой отрицательный показатель здоровья сердечно-сосудистой системы) было связано с усиленной активацией в правой дорсальной передней части. (дисгранулярная) кора островка ().

Очаговая активность коры островка, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Представлены сагиттальные и горизонтальные срезы стандартного головного мозга, чтобы выделить изменения активности в пределах коры островка, связанные с вызванными заданием изменениями физиологических регрессоров.Следует отметить компоненты изменения сигнала глубокого островка, связанные с уменьшением частоты сердечных сокращений, слияние с заметным вовлечением базальных ганглиев, отражающее активацию стриатокортикального слоя, ранее наблюдавшуюся в отношении замедления сердечного ритма, связанного с ожиданием [22]. Широко распределенное изменение сигнала, связанное с этим конкретным анализом, вероятно, несет в себе большую часть артефактов, помимо того, что контролировалось путем включения движения, глобальных и артериальных регрессоров O 2 / end tidalCo 2 в качестве искажающих ковариат в анализах.Вентиляция (ЖТ) вызвала преимущественно правополушарные изменения в теменной и островковой части коры и базальных ганглиях. Повышение CO в конце выдоха 2 было связано с усиленной активацией заднего «первичного интероцептивного» островка, но не влияло на глобальный сигнал при пороговой значимости. Вариабельность сердечного ритма, повышение артериального давления и вариабельность артериального давления были связаны с очаговой активацией отдельных субрегионов передней и средней островков, согласующихся с висцеротопографией [23].Данные проиллюстрированы с поправкой на значимость P <0,05, определяемую комбинацией значимости по вокселям и пороговых значений степени кластера (см. Методы).

Обсуждение

Наше исследование изначально было вызвано интересом к сообщаемым преимуществам для здоровья и психологическим последствиям медленного дыхания около шести вдохов в минуту, которое, как наблюдается, повышает чувствительность барорефлекса и ослабляет сердечно-сосудистые реакции на такие проблемы, как гипоксия. Более того, тренировка медленного дыхания в таких практиках, как йога, и в определенных клинических группах дает субъективную и клиническую пользу.Здесь мы применили сложную комбинацию экспериментальной респираторной физиологии, подробного мониторинга сердечно-сосудистой системы и функциональной визуализации мозга, чтобы охарактеризовать нейронные механизмы, посредством которых центральный контроль дыхания взаимодействует с вегетативными сердечно-сосудистыми реакциями, в том числе вызываемыми во время гипоксической нагрузки. Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на эти механизмы у людей, подчеркивая вклад ствола мозга и переднего мозга в интеграцию произвольного дыхания с внутренним состоянием тела, включая адаптивные сердечно-сосудистые реакции.Однако в нашем исследовании не учитывались различия в влиянии медленного дыхания на субъективное настроение, что, вероятно, связано с (неестественными) экспериментальными процедурами. Однако как наши физиологические данные, так и данные нейровизуализации предполагают механизмы, которые могут способствовать субъективным психологическим эффектам медленного дыхания в других контекстах (например, усиление вентрального полосатого тела при медленном дыхании во время гипоксической нагрузки). Этот второстепенный вопрос будет изучен в дальнейших исследованиях, в которых также будут использованы различия между обученными «йогическими» дышащими и людьми, не прошедшими такой подготовки.

Мы проверили гипотезу о том, что медленное дыхание модулирует вегетативные реакции на гипоксию посредством дискретного набора нейронных процессов. Мы показываем, что эти процессы порождают активность в центрах ствола мозга, поддерживающую гомеостатические рефлексы, одновременно с активностью в областях переднего мозга, поддерживая волевой контроль, аффективное состояние и висцеральные ощущения. Эти результаты были получены на основе сложной комбинации функциональной нейровизуализации, подробного физиологического мониторинга (включая способность исследовать мозговые корреляты артериального давления между ударами) и интервенционной экспериментальной физиологии человека.Выявляя и разделяя региональные паттерны реакций мозга на медленное дыхание, гипоксию и их взаимодействие, мы обеспечиваем понимание механизмов, в более широком смысле связанных с положительными преимуществами для здоровья, включая улучшение сердечно-сосудистой функции и психологического благополучия.

В исследованиях физиологии человека с помощью нейровизуализации используются технические и методологические достижения. Например, можно уверенно идентифицировать функциональную активацию ядер ствола мозга [24]. Существуют разные подходы к управлению движением и физиологическими сигналами, которые могут искажать сигналы нейровизуализации, особенно вокруг ствола мозга [25] [26].Однако традиционные методологические подходы или их модификации, дополненные одновременным сбором физиологических данных, могут достигать сильных результатов без a priori отклонения компонентов данных, которые могут отражать функциональную взаимозависимость нервных и других физиологических сигналов [11] [11] [ 24] [27–29]. В этом контексте настоящее исследование было предпринято с множественными физиологическими измерениями, касающимися дыхания и сердечно-сосудистой функции, чтобы дать интерпретативное понимание нервных реакций, сопровождающих экспериментальные манипуляции с дыханием.Тем не менее, мы также признаем ограничения в степени, в которой можно контролировать не нейронные эффекты на BOLD-сигнал. Предоставляя подробный отчет, полученный уникальным образом с помощью многоосной физиологической записи, наши результаты локализуют и количественно определяют изменение сигнала, которое может представлять собой артефакт или физиологическое отклонение от обычных исследований нейровизуализации. Доступен ряд различных технических подходов, направленных на вычитание физиологического шума из наборов данных функциональной нейровизуализации. Они по-разному основаны на регрессии глобальных сигналов и сигналов тканевых компартментов или на декомпозициях, определяемых априорными распределениями сердечных и респираторных сигналов [30] [31], и получили широкое признание в области исследований в состоянии покоя.Некоторые из более сложных подходов в принципе можно было бы применить и к имеющимся данным, относящимся к задаче; мы использовали только коррекцию движения, пропорциональное масштабирование глобального сигнала и, для условий задачи, также включение регрессоров SaO 2 и CO 2 . Однако, поскольку по определению физиологические сигналы и нейронные репрезентации висцерального состояния, по крайней мере, частично коррелированы, чрезмерная коррекция испортила бы результаты, удалив отклонения, связанные не только с шумом, но и с интересующей нейронной активностью.В настоящем исследовании мы рассматриваем это как более серьезный риск, чем риск ложных срабатываний, поскольку риск неправильного вывода в целом снижается за счет мониторинга нескольких физиологических осей и наблюдения конвергентных корреляций в анатомических структурах, для которых есть априори. доказательства участия в гомеостатическом контроле.

В стволе мозга наше исследование подчеркивает специфическое участие мозговых и понтинных ядер в кардиореспираторном контроле, расширяя текущие знания о ответах ствола мозга на респираторную проблему у животных и людей.Исследования на грызунах указывают на вентральный респираторный столб в мосту и мозговом веществе, содержащий инспираторные и экспираторные премоторные нейроны и охватывающий пре-Бетцингерское ядро, которое содержит ритмогенные нейроны, особенно для вдоха. Более рострально, вентрально по отношению к лицевому ядру, нейроны в ретротрапециевидном ядре управляют истечением [8]. Интересно, что активация ствола мозга, наблюдаемая в нашем исследовании, выделяет дорсальные ядра больше, чем этот вентральный столбик. Хотя это наблюдение согласуется с опубликованными исследованиями дыхания с помощью нейровизуализации человека, где дорсальные мозговые ядра (NA / NTS) и центры моста демонстрируют более сильную активацию респираторной нагрузки, следует отметить, что вентральное мозговое ядро, которое мы идентифицируем, также отражает показатели сердечно-сосудистой системы (увеличивает частоту сердечных сокращений). артериального давления и вариабельности сердечного ритма), которые близко совпадают с барорефлексом.Активность в дорсальной мозговой области, включая NA / NTS, усиливалась за счет увеличения дыхательного объема от одного дыхания к другому. В отличие от того, где мы видим активность в ростральном вентральном мозговом слое, связь связана с сердечно-сосудистыми реакциями, связанными с контролем барорефлекса (артериальное давление и вариабельность сердечного ритма), а не с респираторными проблемами, которые в конечном итоге породили эти сердечные реакции. Активность в спинном мосту также была связана с увеличением дыхательного объема, что особенно заметно на контрасте между медленным и нормальным ритмом дыхания.Задействованные области, охватывающие шовные и парабрахиальные ядра, PAG и locus coeruleus, примыкают к кластерам активности, отвечающим на гипоксический вызов (средний мост) и замедление сердечного ритма. В целом картина в стволе мозга предполагает функциональную модульность, характеризующуюся интегрированным кардиореспираторным контролем.

Наблюдаемый образец ответа мозга на гипоксическое воздействие соответствует реакции на стресс. Повышенная активность в двусторонней миндалине, области, участвующей в обработке страха, сопровождается вовлечением «воспринимающей угрозу» ранней зрительной коры, предварительной дополнительной моторной коры «подготовка к действию» и области голубого пятна в мосту (источник восходящей норадренергической активности). проекции возбуждения).Это сочетание аффективных нейронных реакций может быть вызвано и условным раздражителем-угрозой. У людей знания о функциональных изменениях мозга в результате гипоксии ранее были ограничены. У анестезированных грызунов снижение уровня вдыхаемого O 2 ниже 10% ослабляет ЖИРНЫЕ ответы (т.е. сигнал, используемый для определения нейронной активности в экспериментах с фМРТ) [32]. У бодрствующих грызунов гипоксия увеличивает церебральный кровоток, отчасти за счет системных сердечно-сосудистых реакций [33].У людей мозговой кровоток увеличивается при гипоксии, но это может иметь непостоянное влияние на эффект BOLD-сигнала [34]. Наши данные согласуются с скоординированной нейронной реакцией, усиливая общий жирный сигнал через мозг и задействуя области мозга, которые обычно связаны с защитным поведением и поведением бегства. Мы также наблюдали связанное с гипоксией изменение активности в областях, близких к таламусу, и потенциально это может представлять гомолог субталамической области, описанной Reis и соавторами, опосредующей связанную с гипоксией церебральную вазодилатацию в сочетании с вентролатеральным мозговым веществом [35].

Контролируемое медленное дыхание вызывало широкие изменения активности за пределами спинного моста, затрагивающие гипоталамус и таламус, базальные ганглии, сенсомоторную кору и преддополнительную двигательную область. Вовлечение последних моторных областей наблюдается также во время задержки дыхания и волевого гиперпноэ [12] [36–38]. Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксической нагрузкой было одним из важных факторов мотивации для настоящего исследования. Медленное дыхание со скоростью около шести вдохов в минуту связано с ослаблением вегетативных реакций на гипоксический стресс и сохранением чувствительности к барорефлексу как у здоровых людей, так и у людей на высоте, а также у пациентов с сердечной недостаточностью и гипертонией [3] [5] [39] [40] .Более того, есть мотивационный элемент, поскольку: преимущества медленного дыхания обычно сопровождаются субъективным чувством спокойствия, которое потенциально лежит в основе применения контроля дыхания в медитации и йоге [6]. Однако в рамках нашего исследования медленное дыхание увеличивало дыхательный объем, но в остальном не вызывало серьезных изменений дыхательных и вегетативных параметров или состояния субъективных ощущений. Это расхождение с более ранними (лабораторными) исследованиями, вероятно, объясняется рядом ограничивающих факторов: размер выборки был относительно небольшим, а участники (некоторые из которых были « обученными дышащими ») в среднем имели относительно низкую частоту спонтанного дыхания. .Также важна степень дискомфорта, связанного с дыхательным аппаратом в стесненной среде катушки МРТ сканера. Наконец, имел место компромисс между длительностью экспериментальных периодов, оптимальных для исследований фМРТ «блочного дизайна», и продолжительностью эффективных физиологических манипуляций. Это привело нас к выбору коротких периодов различных условий дыхания (продолжительность 1 минута, т.е. 6 вдохов для медленного дыхания), которые намного короче, чем для опубликованных лабораторных испытаний.Это определенно ограничивало величину общих изменений, и, как таковые, не было никаких взаимодействий между гипоксией и частотой дыхания, выраженных в периферических физиологических показателях, которые достигли значимости критерия. Однако в целом наша уверенность в обобщаемости результатов, особенно в мозге, повышается благодаря тому факту, что мы наблюдали некоторые эффекты в ожидаемом направлении, несмотря на особые условия, необходимые для проведения комбинированного физиологического и нейровизуализационного исследования. Также примечательно, что среди множества областей мозга, которые действительно выражали значительную взаимосвязь между гипоксией и частотой дыхания, были двустороннее вентральное полосатое тело, область, участвующая в мотивационном влечении, и левый лобный полюс, предположительно поддерживающий психофизиологическую регуляцию и регуляцию внимания [41] [42]. ].Предположительно, этот паттерн изменений может отражать переход от «состояния дистресса» (в данном случае вызванного гипоксией) к более созерцательному психическому состоянию, усиливающему внимание и способствующему самоанализу.

Наши наблюдения за островковой корой головного мозга частично дают представление о прогнозируемых эмоциональных последствиях гипоксической проблемы и ее модуляции медленным дыханием. В соответствии с висцеросенсорной ролью коры островка, изменения активности сопровождались изменениями частоты сердечных сокращений, вариабельности частоты сердечных сокращений, дыхательного объема, уровня CO 2 , межкадрового кровяного давления и краткосрочной изменчивости кровяного давления.Одним из сюрпризов в этих данных является то, что активность отрицательно коррелировала с частотой сердечных сокращений в этих экспериментальных манипуляциях на билатеральном островке в сочетании с аналогичными изменениями во всем неостриатуме. Это контрастирует с более обычным паттерном активности островков, связанным с увеличением сердечно-сосудистой активности в исследованиях нейровизуализации. Тем не менее, были ответы задней и средней части островка на повышение артериального давления и ответа левой передней части островка на снижение вариабельности сердечного ритма, оба составляющих индикатора подавления барорефлекса [43].Повышение CO 2 в конце выдоха, другого физиологического фактора дыхания, также было связано с усилением активности задней и средней части островка. Однако передняя агранулярная кора островка, участвующая в сознательном доступе к висцеросенсорным представлениям и их преобразованию в эмоциональные состояния, не реагировала устойчиво на гиперкапнию или даже на гипоксическое влечение к дыханию. Эти данные, наряду с доказательствами того, что паника может быть вызвана респираторной стимуляцией независимо от миндалины [44], могут помочь в проведении целевых вмешательств при одышке, связанном с ней дистрессе и выражении вегетативных стрессовых реакций.

Кардиореспираторные последствия и их центральные нейронные субстраты

Abstract

Контролируемое медленное дыхание (6 / мин, частота, часто принимаемая во время практики йоги) может улучшить сердечно-сосудистую функцию, включая реакцию на гипоксию. Мы протестировали нейронные субстраты кардиореспираторного контроля у людей во время произвольного контролируемого дыхания и гипоксической нагрузки с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Двадцать здоровых добровольцев были просканированы во время ритмичного (медленного и нормального) дыхания и во время спонтанного дыхания нормоксическим и гипоксическим (13% вдыхаемого O 2 ) воздухом.Сердечно-сосудистые и респираторные показатели были измерены одновременно, включая индивидуальное артериальное давление от подгруппы участников (N = 7). Замедленное дыхание ассоциировалось с увеличением дыхательного объема. Вызванная гипоксия увеличивала частоту сердечных сокращений и подавляла вариабельность сердечного ритма. Внутри мозга медленное дыхание активировало спинной мост, периакведуктальное серое вещество, мозжечок, гипоталамус, таламус, а также боковую и переднюю части коры островка. Блоки гипоксии активировали средний мост, двустороннюю миндалину, переднюю островковую и затылочно-височную коры.Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксией выражалось в вентральной полосатой активности и фронтальной полярной активности. В разных условиях активность спинного мозга, спинного мозга и моста коррелирует с дыхательным объемом и, наоборот, с частотой сердечных сокращений. Активность в ростровентральном мозговом веществе коррелировала с межкадровым давлением и вариабельностью сердечного ритма. Широко распространенная активность островка и полосатого тела отслеживала снижение частоты сердечных сокращений, в то время как субрегионы островковой коры коррелировали с мгновенным увеличением дыхательного объема.Наши результаты определяют влияние медленного дыхания на центральную и сердечно-сосудистую реакцию на гипоксическую нагрузку. Они подчеркивают задействование дискретных ядер ствола мозга для кардиореспираторного контроля и задействование кортикостриатных цепей для поддержки физиологических реакций, которые сопровождают регуляцию дыхания во время гипоксической нагрузки.

Введение

Дыхательная система оказывает сильное влияние на вегетативную нервную координацию телесных процессов. Один из путей, посредством которых дыхание модулирует сердечно-сосудистую функцию, — это барорефлекс.Артериальные барорецепторы активируются за счет выброса крови из сердца под давлением. Сигналы барорецепторов передаются в мозговое вещество для рефлексивно-вегетативного оттока: активность мышечного симпатического нерва сужает сосудистые русла, повышая кровяное давление, в то время как парасимпатическая активность через блуждающий нерв замедляет частоту сердечных сокращений, помогая снизить кровяное давление. Психологический, физический и химиосенсорный стресс подавляет барорефлекс, позволяя кровяному давлению и частоте сердечных сокращений повышаться вместе; эффект, который, если он преувеличен или устойчив, пагубен для здоровья сердечно-сосудистой системы [1].

Интересно, что дыхание с медленной частотой дыхания, равной шести вдохам в минуту, может вызывать эффекты, положительно влияющие на здоровье сердечно-сосудистой системы: медленное дыхание повышает чувствительность барорефлекса у здоровых людей и пациентов с сердечной недостаточностью [2] [3]. Медленное дыхание также снижает активность симпатических нервов в мышцах, ослабляя гипертензивную вазоконстрикцию [4], и блокирует сердечно-сосудистые реакции на физиологический стресс, вызванный легкой гипоксией [5] [2]. Таким образом, польза для здоровья может быть получена в результате тренировки людей дышать примерно с половиной средней скорости в состоянии покоя.Практикующие йогу представляют ту часть общества, которая занимается упражнениями на медленное дыхание как для психологического, так и для физического здоровья. Сообщается, что психические состояния спокойствия и благополучия сопровождают медленное йогическое дыхание и связанные с ним физические положения и маневры. Однако эти эффекты не являются исключительными для практик восточных религиозных традиций [6]. Таким образом, произвольная модуляция частоты дыхания предлагает канал, с помощью которого можно формировать вегетативную активность для улучшения как сердечно-сосудистой системы, так и психологического здоровья.

Исследования респираторного и сердечно-сосудистого контроля на животных делают упор на стволовых механизмах мозга [7]. Осцилляторные движущие силы дыхательного ритма идентифицированы в ретротрапециевидной / парафациальной респираторной области и в пре-Бетцингерском комплексе [8] [9]. Функциональная нейровизуализация у людей расширяет эти знания, чтобы идентифицировать гомологи таких дыхательных центров ствола мозга внутри моста и продолговатого мозга [10–13]. Важно отметить, что нейровизуализация человека подчеркивает вклад центров переднего мозга в рефлексивную и волевую регуляцию дыхания и представление респираторных ощущений [11] [14–18].Нейровизуализация также расширяет наше понимание взаимодействия между внутренним состоянием (включая дыхание) и познанием или эмоциями [19]. Однако нейронные механизмы, посредством которых медленное дыхание влияет как на психическое, так и на физическое состояние, остаются малоизученными.

Настоящее исследование было мотивировано, чтобы детализировать центральный контроль дыхания и связанные автономно-опосредованные сердечно-сосудистые реакции на гипоксию у людей в условиях нормальной частоты и медленного дыхания. В частности, мы стремились идентифицировать нейронные механизмы, лежащие в основе гипотетического ослабления медленным дыханием сердечно-сосудистых «стрессовых» реакций на гипоксию.Для достижения этой цели мы исследовали нервные, респираторные и сердечно-сосудистые реакции на гипоксическую нагрузку при разной частоте дыхания и определили нейронные субстраты, связанные с генерированием и отображением вызванных физиологических изменений.

Материалы и методы

Участники

Двадцать три здоровых участника-добровольца (8 женщин 12 мужчин; возрастное отклонение = 34,5 ± 10,4 года) были набраны с помощью рекламы исследования, которое было одобрено Управлением исследований медицинской школы Брайтона и Сассекса. и Комитет по этике (BSMSRGEC) Университета Сассекса (номер утверждения 10 / 033CRI).Каждый участник дал полное информированное согласие в письменной форме в соответствии с процедурами, утвержденными BSMSRGEC. Данные от двадцати участников были включены в окончательный анализ, поскольку у остальных трех участников были получены недостаточные / неполные наборы данных. Семь участников можно было классифицировать как «обученных дышащих» на основании регулярной практики йоги, опытной игры на духовых инструментах или регулярного развлекательного или профессионального дайвинга.

Экспериментальная задача и гипоксическое испытание

Во время сканирования участник лежал на спине на кровати сканера и носил респираторную маску, надеваемую на нос и рот, которая была присоединена к дыхательному контуру, через который она / она дышали атмосферным воздухом, чередующимся с гипоксической газовой смесью. (13% O 2 ).Схема включала пневмотахограф для точного измерения дыхательных объемов и была присоединена через полиэтиленовую трубку к капнографу. Участник также смотрел на проекционный экран через зеркало, установленное на катушке для головы, и носил электростатические наушники для передачи слуховых сигналов и ослабления шума сканера. Участница держала коробку с кнопками, с помощью которой она / она могла выставлять оценки в определенное время во время эксперимента.

Основная экспериментальная сессия проводилась в течение непрерывного периода (26.От 5 до 27,5 минут, в зависимости от псевдослучайного порядка, см. Ниже), в течение которого участнику предлагалось в течение блоков по одну минуту либо дышать в своем собственном темпе (без интервала), либо медленно (в медленном темпе), либо дышать более быстро (обычный ритм — примерно соответствует нормальной частоте дыхания в положении лежа на спине у большинства участников). Инструкции подавались в виде звуковых сигналов в начале каждого блока и на протяжении всего ритмичного дыхания с заданной скоростью («вдохните», «выдохните»). Участник также слышал звуковые сигналы каждую секунду на протяжении каждого блока.В начале каждого блока участнику предлагалось визуально закрыть глаза, а в конце каждого блока — слухом — открыть глаза. Между экспериментальными блоками участница выполнила две визуальные аналоговые оценки того, насколько настороженно и насколько положительно / отрицательно она / она чувствовала себя в то время. Для бдительности подсказка «ТРЕВОГА» была написана над горизонтальной линейной шкалой от -50 (очень сонная) до +50 (максимально бодрствующая). Для эмоционального эмоционального состояния слово «ЧУВСТВО» было представлено над аналогичной шкалой, где -50 означало очень плохо, а +50 — очень хорошо.Перед экспериментом каждый участник практиковался в управлении точным положением курсора по шкале с помощью нажатия левой и правой кнопок.

Во время экспериментальной сессии газ, вдыхаемый участником, переключался между атмосферным (нормоксическим) воздухом и гипоксической смесью. Двенадцать участников начали с периода нормоксического дыхания, выполнив три одноминутных блока (непрерывное, медленное и регулярное дыхание). Затем их перевели на гипоксическую смесь.После 1,5-минутного блока «промывки» они выполнили три одноминутных блока (без интервалов в медленном темпе, в обычном темпе), за которыми следовали 1-минутный блок «промывки», дыша атмосферным воздухом. Затем повторялась последовательность периодов нормоксии / гипоксии. Остальные одиннадцать участников начали экспериментальную сессию, вдыхая гипоксическую смесь, начиная с 1,5-минутного периода «отмывки», выполняя три блока в условиях гипоксии, с последующим периодом «отмывки». Псевдослучайная последовательность блоков без интервалов, медленных и обычных темпов в пределах каждого нормоксического / гипоксического периодов и между участниками обеспечила контроль над эффектами порядка.Во время блоков промывки и промывки гипоксии участнику предлагали дышать в собственном темпе с закрытыми глазами. Экспериментальная сессия (включая представление реплик и запись оценок) контролировалась программой, работающей в Matlab (MathWorks, Natick), и синхронизировалась с получением сканирования ().

Сбор физиологических данных, иллюстрирующих план эксперимента.

На рисунке показана запись данных (программное обеспечение CED Spike, Кембридж) во время эксперимента, в котором участники вдыхали смеси нормоксического и гипоксического воздуха в течение примерно 5 минут с их естественной спонтанной скоростью (без интервалов) и со скоростью стимуляции, приближающейся к обычной ( нормальный темп: 9.9 вдохов в минуту) и в медленном темпе (в медленном ритме 5,5 вдохов в минуту). Эти условия задачи были уравновешены внутри и между участниками, а периодам гипоксии предшествовал 1,5-минутный период «отмывки», за которым следовал 1-минутный период «отмывки». Во время эксперимента изменения объема, связанные с дыханием, регистрировались непосредственно с использованием пневмотахографии наряду с измерением выдыхаемого CO 2, и с помощью пульсовой оксиметрии, сатурации артериальной крови кислородом, объема пульса и частоты пульса.В эксперименте повторялись условия задания при гипоксии и нормоксии. Для подгруппы участников также регистрировалось индивидуальное кровяное давление.

Физиологический мониторинг и анализ

Во время сканирования дыхание участника контролировалось с помощью пневмотахографии (калибровка в конце каждого сеанса) для определения объема вентиляции (Бернарди и др., 2006) и капнографии для определения уровня приливного CO2 (Oridion Microcap) вместе с насыщением кислородом от пульсоксиметрии (Нонин 8600ФО).Сердечно-сосудистые данные регистрировались во время сканирования также с использованием пульсовой оксиметрии для определения времени сердца и индекса амплитуды пульса. У семи участников данные об артериальном давлении были также получены с помощью Portapres (Finapres Medical Systems BV), который был модернизирован на собственном производстве для обеспечения совместимости с МРТ. У этих участников датчик артериального давления был размещен на указательном пальце левой руки, а предметный столик пульсоксиметра — на безымянном пальце левой руки; у всех остальных пульсоксиметр находился на указательном пальце левой руки.Все физиологические сигналы были записаны вместе с сигналами синхронизации, указывающими время сканирования (отдельные объемы эхопланарных изображений) и различных экспериментальных блоков, через аналого-цифровой преобразователь (CED1401) в программное обеспечение Spike (Cambridge Electronic Design, Великобритания) (). Впоследствии данные были экспортированы в Matlab, очищены от артефактов и усреднены для статистического сравнения блочных эффектов. Они также подверглись повторной выборке, чтобы ввести их в качестве регрессоров в анализ изображений головного мозга для интерпретации региональной мозговой активности.

Сбор и анализ данных нейровизуализации

Исследование проводилось в Центре клинических визуализаций Медицинской школы Брайтона и Сассекса (CISC-BSMS) на магнитно-резонансном сканере Siemens Avanto мощностью 1,5 Тл. Чтобы получить наборы данных временных рядов, индексирующие гемодинамические корреляты изменений региональной активности мозга, мы получили непрерывные T2 * эхопланарные изображения (EPI), чувствительные к контрасту, зависящему от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), в то время как каждый участник проходил экспериментальную сессию (изотропные 36 x 3 мм с чередованием срезы, TE / TA = 50 / 3208ms, наклон 30 ° к AP комиссуральной плоскости).Предварительная обработка наборов данных нейровизуализации и последующий анализ нейровизуализации проводились с использованием программного обеспечения статистического параметрического картирования (SPM8; http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) на вычислительной платформе Matlab. Наборы данных функциональной визуализации (36 объемов EPI срезов) были предварительно обработаны с поправкой на синхронизацию срезов, перемещением между объемами, пространственной нормализацией к стандартному пространству MNI и сглаживанием с помощью гауссова ядра FWHM 8 мм для получения 2 мм 3 повторно дискретизированного размера вокселя.

Для каждого участника данные нейровизуализации временных рядов были введены в два отдельных набора анализов первого уровня: 1) представляющие интерес блоки задач (непрерывное, медленное и регулярное дыхание в ритме при нормоксии и гипоксии) были смоделированы вместе с блоками, не представляющими интереса. (периоды гипоксической отмывки и отмывки) и потенциально искажающие физиологические коварианты (изменения CO 2 , SaO 2 ) для проверки влияния экспериментальных манипуляций 2) Индивидуальные физиологические показатели, изменяющиеся в ходе экспериментальной сессии , были объединены с канонической функцией гемодинамического ответа (контроль гемодинамического отставания от предполагаемой основной нейронной активности) и подвергнуты пониженной выборке до частоты сбора данных нейровизуализации, чтобы позволить идентифицировать с помощью регрессионного анализа сканирование региональной активности мозга, колеблющейся в зависимости от конечной точки. приливной CO 2 , насыщение артериальной крови кислородом SaO 2 , частота дыхания, дыхательный и минутный объем (вентиляция ция), частота сердечных сокращений и стандартное отклонение интервала между ударами.Таким образом, эти анализы были настроены на реакции мозга, связанные с физиологическими изменениями, происходящими с временным разрешением 3,21 с и выше, предоставляя подробную информацию о центральном контроле периферических вегетативных реакций и их взаимосвязи, включая взаимодействие с экспериментальными манипуляциями с задачами.

В оба набора анализов шесть регрессоров движения также были включены в качестве искажающих ковариат. Данные были отфильтрованы во временной области с использованием высокочастотного фильтра (период отсечки 128 секунд), устраняя дрейф сигнала и повышая чувствительность к конкретным условиям, связанным с ними физиологическим изменениям и их взаимодействию.Мы также скорректировали глобальный сигнал с помощью пропорционального масштабирования. Для проверки были проведены анализы второго уровня; 1) в рамках ANOVA, моделирующего условия задачи, для основных эффектов и взаимодействий экспериментальных манипуляций, и 2) с использованием однократных T-тестов, для согласованных эффектов физиологических изменений на региональную активность мозга во всей группе. Эффекты сообщаются при значимости P <0,05 с поправкой, определяемой с использованием комбинации использования при пороговой значимости по вокселям P <0.001 без коррекции в сочетании с пороговым значением протяженности кластера> 41 смежных воксела (вычислено с помощью моделирования по Мон-Карло с 1000 итераций [20]. Кроме того, при сообщении активности в небольших вентральных ядрах полосатого тела и ствола мозга и функциональных нейронных коррелятов крови между ударами и сердечными сокращениями данные об изменении давления (полученные в подгруппе участников) описываются с одним и тем же порогом по вокселям, за исключением порогового значения протяженности кластера.

Результаты

A) Субъективный опыт

В начале исследования и после каждого условия задачи участники оценивали свою субъективную степень бдительности и комфорта по визуальной аналоговой шкале, контролируемой кнопочным блоком (см. Методы).Для всех участников и условий задачи не было общего эффекта состояния задачи на сообщаемый комфорт или бдительность при значимости критерия (была только тенденция для взаимодействия гипоксии и частоты дыхания для настороженности (F (2,34) = 2,61 p = 0,09 ), в сторону повышения активности при медленном или нормальном дыхании при нормоксии, но не при гипоксии). При подведении итогов большинство участников сообщили, что экспериментальная установка с дыхательными аппаратами и соответствующим оборудованием для мониторинга была неудобной.В целом, этот дискомфорт лишь незначительно уменьшился в ходе эксперимента, и наблюдалась сопутствующая тенденция к ослаблению оценок бдительности (для первого и четвертого кварталов эксперимента; средняя оценка комфорта: 28,5,0 против 29,0; средняя оценка бдительности: 30,2 против 29,2.Влияние порядка задач в эксперименте на комфорт (F1, 19) = 1,6, нс для бдительности; F (1, 19) = 0,85, нс). Условия эксперимента были псевдорандомизированными и уравновешивались между участниками, и вполне вероятно, что дискомфорт, не связанный с выполнением задания, затмил влияние легкой гипоксии и частоты дыхания на оцениваемое субъективное благополучие и бдительность.

B) Физиологические изменения, вызванные условиями задания

В ходе исследования контролируемая частота дыхания точно соответствовала сигналам кардиостимуляции как при гипоксии, так и при нормоксии (медленные ритмы дыхания в минуту: гипоксия 5,5 ± 0,84, нормоксия 5,3 ± 0,45; гипоксия с нормальным ритмом 9,9 ± 0,29, нормоксия 9,9 ± 1,7). Частота спонтанного (без заданного) дыхания была близка к нормальной частоте дыхания при стимуляции, хотя в среднем была ниже из-за трех человек, у которых была относительно низкая частота дыхания (менее 8 вдохов в минуту) и которые входили в группу из семи «обученных дышащих».Тренированные дышащие по сравнению с другими участниками не показали каких-либо систематических различий в физиологической реактивности на условия задания. Не было существенной разницы в частоте спонтанного (без интервалов) дыхания между гипоксическими (9,1 ± 2,3) и нормоксическими (8,7 ± 2,5) состояниями ()

Групповые физиологические эффекты, вызванные экспериментальными манипуляциями.

Графики ошибок среднего физиологического ответа, измеренного в экспериментальных условиях различных заданий. Данные подтверждают экспериментальные манипуляции для частоты дыхания и насыщения кислородом (рис. 2A и 2B) и показывают значительное влияние гипоксии на частоту сердечных сокращений (рис. 2C).Эффекты задания также наблюдались на минутной вентиляции (VE; рис. 2D), дыхательном объеме (VT; рис. 2E) и уровне CO 2 в конце выдоха (рис. 2F). Результаты для других параметров представлены в тексте.

Гипоксическая проблема, то есть вдыхание 13% O 2 в газовой смеси азота, по сравнению с нормоксией, вызвала снижение насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в среднем с 97,0% до 90,8% по группе. Этот основной эффект гипоксии был значительным (F (1,19) = 54,7, p <0,001). Не было значительных различий в величине этого эффекта между различными условиями дыхания ().Гипоксия была связана с общим увеличением частоты сердечных сокращений при различных условиях дыхания (среднее количество ударов в минуту ± стандартное отклонение: нормоксия 69,2 ± 10,6; гипоксия 73,3 ± 10,7 F (1,19) = 36,5, p <0,001) (. Гипоксия не вызывала стойкие различия в вариабельности сердечного ритма (стандартное отклонение интервалов пульса, с -1 : гипоксия 0,058 ± 0,02; нормоксия 0,062 ± 0,02; нс).

Минутный объем (VE) различался в зависимости от уровня частоты дыхания (F (2, 38) = 13,4, p <0,001), что больше для нормального ритма дыхания, чем для медленных или спонтанных состояний.Также наблюдалась значимая взаимосвязь между частотой дыхания и гипоксией для VE (F (2,38) = 5,0, p = 0,01), при этом разница в VE между быстрым и медленным дыханием была значительно больше при гипоксии (8,9 ± 3,5 против 7,4). ± 4,1 мин -1 , p Bonf <0,001), но не ниже нормоксии (9,0 ± 3,7 против 8,2 ± 4,5 мин -1 ) (). Дыхательный объем (VT) был наибольшим в условиях медленной стимуляции (F (2,38) = 13,2, p <0,001), но на него не повлияла гипоксическая стимуляция ().

Конечный выдох CO 2 (etCO 2 ) снижался в среднем при гипоксии (31.2 ± 3,7 по сравнению с 31,9 ± 4,1 мм рт. дыхание при усреднении по гипоксическим и нормоксическим состояниям (31,0 ± 4,2 против 32,1 ± 3,8 мм рт. ст., p Bonf <0,001). Однако значительного взаимодействия между гипоксией и частотой дыхания не наблюдалось ().

Измерение артериального давления между сердечными сокращениями регистрировалось одновременно с фМРТ у подгруппы участников (N = 7, включая одного «обученного дышащего») ().Артериальное давление различалось незначительно в зависимости от условий задания (F (1,6) = 0,17, н.у.) (). Физиологические эффекты задания (SaO2, частота дыхания, ЧСС, ЖТ, ЖЭ, ЧСС и ВСР), очевидные в большей (N = 20) группе, были отражены в этой подгруппе участников, что указывает на то, что они были репрезентативными для всей группы () . Наблюдалась тенденция во взаимосвязи между частотой сердечных сокращений и артериальным давлением, которая соответствовала подавлению барорефлекса гипоксией.

Физиологические данные, включая артериальное давление между ударами в подмножестве N = 7.

A) Последовательное измерение артериального давления во время фМРТ. На рисунке представлен крупный план записи физиологических данных, как показано на рисунке, а также запись артериального давления между ударами, которое было получено в эксперименте у 7 из 20 участников. B) Эффекты артериального давления между ударами, вызванные экспериментальными манипуляциями. Цифра означает средние данные по изменениям артериального давления, зарегистрированные для подгруппы участников (N = 7). Наблюдаемые различия были недостоверными при стандартном статистическом пороге. C) -H) Экспериментальные вызванные физиологические ответы для подгруппы участников). На рисунке показан характер физиологических изменений в подгруппе участников, у которых было зарегистрировано артериальное давление, для сравнения с данными всей группы, изображенными на. Ответы в этой подгруппе точно отражали ответы всей группы (N = 20).

C) Изменения нейровизуализации, связанные с условиями задачи

В ходе исследовательского нейровизуализационного анализа мы не наблюдали никаких сверхпороговых различий между «обученными дышащими» и другими участниками исследования в ответах мозга на условия задачи или коррелировали с измеренной периферической физиологией.Следовательно, мы объединили участников в одну группу. Постфактумальные оценки результатов региональной нейровизуализации не показали, что эти региональные эффекты в группе были вызваны именно этой подгруппой участников.

Гипоксия в сравнении с нормоксией

Гипоксическая нагрузка вызвала доминирующее повышение региональной активности мозга, с заметной активацией в пределах среднего дорсального моста, двусторонней миндалины, таламуса и коры мозжечка. Внутри неокортекса гипоксия была связана с усиленной активацией затылочных, медиальных и дорсолатеральных префронтальных областей (2).Не было кластеров большей активности во время нормоксии по сравнению с гипоксией ().

Мозговые реакции на манипуляции с экспериментальными задачами.

Групповые данные представлены на сагиттальном корональном и горизонтальном срезах нормализованного головного мозга, чтобы проиллюстрировать различия надпороговой активности, связанные с условиями задания. Данные проиллюстрированы со значимостью P <0,05 с поправкой, определенной с использованием комбинации использования с пороговой значимостью по вокселям P <0,001 без поправки в сочетании с пороговым значением экстента кластера> 41 смежных вокселей (вычислено посредством моделирования Мон-Карло с 1000 итераций. [20]). A) Основной эффект гипоксии: повышенная активность при дыхании 13% O 2 газовая смесь против нормоксичного воздуха. Повышенная активность во время гипоксической нагрузки наблюдается в областях, включая затылочно-височную кору, миндалину и мост. B) Основной эффект от частоты дыхания с кардиостимуляцией: повышенная активность, связанная с медленным дыханием с ритмом v. Дыхание с нормальной частотой ритма: Повышенная активность при медленном по сравнению с нормальным дыханием наблюдается в областях, включая мозжечок, сенсомоторную кору, спинной мост, средний мозг и таламус . C) Активность, отражающая взаимодействие между наличием и отсутствием гипоксии во время стимуляции нормальной скорости v. Медленное дыхание. Активность в левом боковом лобном полюсе и вентральном полосатом теле отражает влияние медленного дыхания на реакцию мозга на гипоксию.

Таблица 1

Региональная активация, связанная с условиями задачи.

8 передний полюс R 8 0, -18 4,08 Поз. -26,08,63 R 3 38,2, -40 9 4
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
Гипоксия выше нормоксии
Вентральная затылочная и веретенообразная кора с обеих сторон L -12, -84, -12 17285 5.20
R 16, -78, -8 5,15
R 20, -80, -18 5,09
Стержень головного мозга 9047 -2,26, -30 11 4,40
Дорсомедиальная префронтальная кора (дополнительная моторная зона) L -2,20,58 514 4,40 904 904 8,12,54 4.21
L -8,10,56 3,88
Передняя изоляция L -44,22, -4 300 4,25
L -28,56,6 398 4,22
Миндалевидное тело двустороннее L -24,0, -20 86 4,17
55 3.76
Ункус / передняя островковая часть R 36,10, -22, 195 4,13
Дорсолатеральная префронтальная кора L -54,22,2048
R 50,16,30 222 4,07
R 48,16,48 79 3,84
-62, -48, -4 259 4.07
Гипоталамус / черная субстанция L -8, -12,10 42 4,05
Боковая верхняя лобная извилина L -26,08,63 3,98
Угловая извилина L -28, -54,52 117 3,90
Средняя лобная извилина R 46,22,14
Таламус R 14, -12,10 41 3.7
Нормоксия больше гипоксии
Нет надпороговых кластеров
Темп> дыхание без ритма
Средняя лобная извилина R 32,34,16 50 3,94
Без интервалов> ритмичное дыхание
Средняя часть островка R 50, -4,0 45 3.50
Медленное дыхание с кардиостимуляцией превышает нормальное значение
Мозжечок (расширенное скопление, охватывающее дорсальный ствол мозга и полосатое тело) L -20, -40, -34 24014 5.94
Средний мозг: периакв. 4 4,63
Ствол мозга: дорсальный мост -6, -30, -30 4.20
Вентральное полосатое тело L -14,0, -2 4,78
R 12,4, -4 199 4,23
18, -8,4 71 4,16
Дорсальная передняя поясная корка R 8,38,32 103 4,12
133 4.07
Верхняя лобная извилина R 30,2,66 7337 5,25
Верхняя теменная долька L -54, -36,42 9358
Дыхание в ритме с нормальной скоростью больше, чем дыхание в ритме с медленной скоростью
Нет надпороговых кластеров
Взаимодействие: гипоксия (в норме v.низкая скорость)> нормоксия (нормальная v. низкая скорость)
Боковой передний полюс L -26,58,8 350 4,44
Дополнительный участок двигателя R 12,20,50 60
Мозжечок R 42, -74, -32 45 3,72
Вентральное полосатое тело, L -16,6, -6 32 384
16,8, -8 14 3,53
Взаимодействие: гипоксия (медленная скорость против нормальной)> нормоксия (медленная против нормальной скорости)
Нет надпороговых кластеров
Контролируемое (кардиостимулируемое) дыхание

Сначала мы проверили влияние спонтанной (без задержки) активности мозга на контрастирующее дыхание с ритмом при контролируемом (ритмичном) дыхании с медленной и нормальной частотой.Самопроизвольное дыхание было связано с большей активацией коры правой средней части островка, в отличие от контролируемого дыхания, которое вызывало большую активность в правой дорсолатеральной префронтальной коре. Затем мы сравнили влияние контролируемого дыхания на медленную и нормальную скорость на региональную активность мозга. Контролируемое дыхание с более медленной скоростью (5,5 вдохов в минуту) вызывало гораздо большую активность, чем нормальное ритмическое дыхание в стволе мозга, по дорсальной длине моста в PAG, в гипоталамической и таламической областях, в пределах червя мозжечка и латеральных кортикальных слоях, а также в областях полосатого тела. и гиппокамп и моторная, дополнительная моторная и париетальная кора (;).

Взаимодействие между частотой ритмичного дыхания и гипоксической нагрузкой

Независимо от основных эффектов гипоксии и ритма дыхания, активация в левом лобном полюсе и двустороннем вентральном полосатом теле отражала взаимодействие этих двух манипуляций с заданиями. Последствия этого эффекта интригуют, поскольку мы не наблюдали значительного взаимодействия ни в субъективных, ни в физиологических реакциях на условия задачи (;).

D) Изменения нейровизуализации, связанные с физиологическими показателями

Уровни CO2 в конце выдоха

Известно, что уровни CO2 влияют на цереброваскулярную реактивность и, возможно, вызывают глобальные изменения сигнала в экспериментах по функциональной нейровизуализации с использованием ЖИРНОГО контраста.Сначала мы протестировали прямые воксельные эффекты уровней CO2 в конце прилива, сначала без какой-либо глобальной коррекции, а затем снова с использованием пропорционального масштабирования. Оба аналитических подхода дали по существу одинаковые надпороговые результаты. Повышение уровня СО2 было связано с повышенной активностью двусторонней коры середины задней части островка. Не было значительных корковых или подкорковых активаций, сопровождающих снижение колеблющихся уровней СО2 в конце выдоха ().

Таблица 2

Региональная активация, связанная с физиологическими регрессорами.

9048, 50483 3,94 , 38,12 2,23 4,05 Precuneus — -34, 9048 9048 6484 L 9047 Фронтальная o 7 5 Уменьшение дыхательного объема 55 9
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
CO 2 увеличение
Задний островок — средний островок L -50, -26, 22 790 7,95
Дорсальная постцентральная извилина L 4.25
Средний задний островок R 44, 0, 2 559 4,17
Вентральный задний островок L -38, -22, -2
CO 2 убавки
Без надпороговых вокселей
ЧСС увеличивается
Без надпороговых вокселей
Частота пульса снижается
Премоторная кора (обширное скопление) L -60,2,16 46855 8.86
Хвостатое ядро ​​/ скорлупа R 22,12, -2 7,51
L -30, -16,2 7,15 08
-22,12,4 7,05
Задний островок L -40, -6,14 5,83
R 44, -6,10 5,64
Таламус R 16,10,0 6.05
Ствол головного мозга: дорсальный средний мост R 12, -38, -32 5,38
-12, -32, -34 4,2 Коленная передняя поясная корка L -2,32,0, 116 4,91
L -12,42,4 4,10
L 3.84
Верхняя лобная извилина R 24, -6,62 87 4,82
Мозжечок L -40, -68, -50 80483 80
Передняя веха L -26,54,2 110 4,78
Передний гиппокамп L -30, -6, -32 Передний гиппокамп / миндалины R 20, -8, -24 63 4.75
Парагиппокампальная извилина R 36, -6, -36 4,17
Верхняя височная извилина R 52, -2, -22 87478 9048
Дорсальная передняя поясная корка R 6,14,24 84 4,47
Частота дыхания увеличивается
Боковая передняя скорлупа R 30,12, -2 41 5.67
Дорсолатеральная префронтальная кора средняя лобная извилина R 36,40,12 44 5,47
Инферолатеральная префронтальная кора R 508 R 50,24,14
R 58,24,24 4,24
Частота дыхания снижается
Перивентрикулярные сигналы белого вещества R 24, -24,12 81 4.5
R 22, -10,28 49 4,42
L -30, -40,0 60 4,22
Повышение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Задний гиппокамп L -26, -42,2 338 5,16
Кластеры белого вещества R 24,12,30 147 9047.04
L -16,4,36 143 4,95
Дорсальная перицентральная извилина R 24, -26,72 86 4,64 R 8, -28, -48 14 4,32
Уменьшение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Передняя островковая часть L -26,22, -8 80 4.33
Вентральная затылочная / язычная извилина R 24, -82, -4 55 4,23
Дорсомедиальная префронтальная кора L
Сатурация артериальной крови кислородом увеличивается (SpO 2 )
Нет надпороговых кластеров
Снижение сатурации артериальной крови кислородом (SpO 2 )
Средняя лобная извилина L -48,36,26 57 5.21
Средняя лобная извилина L -38,34,24 4,08
Минутное увеличение вентиляции
Таламус R 18, -12,6 106 8,85
Верхняя лобная извилина L -28,24,46 389 389 L -2,38,18 531 7.87
Боковой затылочно-теменный переход L -42, -68,38 133 7,73
R 50, -70,36 53 6471 R 30,4,12 821 6,71
L -50, -4,16 164 5,59
L 122 5.72
Нижне-височная кора L -64, -14, -18 49 6,30
Мозжечок L -18,- 9048 9048 648 6486
Орбитомедиально-кортикальный фронтальный полюс -4,54, -12 160 5,33
Минутная вентиляция уменьшается
Нижняя затылочная кора R 32, -96,0 437 4.70
R 20, -58,2 121 4,33
R 6, -74,2 76 4,01
Латеральная кора8 -38, -80, -6 303 4,60
Боковое затылочно-теменное соединение R 28, -84,26 53 4,00
Дыхательный объем увеличивается
Средняя часть островка R 36, -6,6 5037 10.88
Precuneus L -4, -38,22 878 8,51
Переднебоковая височная кора L -54,03, -10 7,347 9048 9048
Скорлупа L -20, -6,2 808 7,25
Верхняя височная извилина L -52, -32,6 574 7474 Верхняя лобная извилина R 24,28,50 1373 6.88
Дорсальная передняя поясная извилина R 10,28,16 6,87
Центральная борозда R 44, -16,40
-40, -16,40 46 5,274
Боковая орбитофронтальная кора R 46,34, -8 210 6,54
-36,34,10 41 6.51
Верхняя лобная извилина R 24,50,24 102 6,05
Средняя поясная извилина R 4, -6,40 114 5,73 Гиппокамп L -24, -18, -24 43 4,82
Боковое затылочно-теменное соединение L -40-74,86 46 46 46 R 14, -14,8 6.74
L -20, -12,12 6,59
Ствол головного мозга: спинные мосты 0, -26, -16 24 3,84 24 : средний мост 0, -26, -32 9 4,03
Ствол мозга: продолговатый мозг 2, -38, -44 33 5,31
Головка хвостатая R 10,24,2 6p 5.06
Повышение артериального давления (подгруппа из 7 участников без применения порогового значения вокселов)
Червь мозжечка 0, -60, -28 22 8,65
Медулла L -6, -32, -48 8478
Средний остров R 50,0,2 6 7,72
Средний остров L -50, -8,2 8 6.16
Артериальное давление снижается
Премоторная кора R 50, -4,30, 10 15,18
Средняя лобная извилина L -46,20,44 38 14
Нижне-височная кора R 46, -8, -28 33 12,04
Дорсальная передняя поясная извилина R 14,38,8 13 11
Нижняя лобная извилина L -62,14,22 24 9,71
Дорсально-затылочная кора L -428 L -428
Фронтальная крышка L -50,6,14, 10 9,35
Путамен R 18,26,66 22 переходы R 48, -38,30 18 8.24
Средний остров L -32, -12,0 18 8,18
Средний остров R 52,24, -2 15
Насыщение кислородом

Насыщение кислородом лежит в основе сигнала зависимости уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), используемого в экспериментах фМРТ для определения нервной активности. Относительная гипоксия, индуцированная в этом эксперименте, как отмечалось выше, вызвала усиление активации в мозгу, а не измеримое уменьшение BOLD-сигнала.Использование насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в качестве непрерывного регрессора для индивидуальных анализов первого уровня привело к отсутствию надпороговых положительно коррелированных кластеров активности на групповом уровне, в то время как активность в левой дорсолатеральной префронтальной коре увеличивалась с уменьшением SaO2 ().

Частота дыхания

Активность преимущественно правой дорсолатеральной префронтальной коры и скорлупы коррелировала с увеличением частоты дыхания (во всех условиях), в то время как было очень небольшое изменение активности серого вещества (было некоторое изменение перивентрикулярного сигнала), связанное с уменьшением частоты дыхания.Это отсутствие отрицательно коррелированного ответа контрастирует с наблюдаемыми эффектами условия задачи, описанными выше ().

Минутная вентиляция и дыхательный объем

Воксельная активность показала более сильную связь с изменениями в VE и VT. Активность увеличивалась в левой дорсолатеральной префронтальной коре, орбитомедиальной / фронтальной полярной коре, предклинье, двусторонней средней островке и таламусе с увеличением VE, что также было связано со снижением активности в нижней затылочной коре.Активность в мозговом веществе, среднем и дорсальном мостах, таламусе, двусторонней средней дорсальной островке, двусторонней скорлупе и надгенивальной поясной извилине и правой передней островке отслеживала увеличение ЖТ, наряду с предклинием верхней височной извилины и правой теменной долей. Голова хвостатого ядра отслеживает уменьшение ЖТ ().

Частота сердечных сокращений и вариабельность сердечного ритма

Активность, распределенная по всему мозгу, коррелировала со снижением колебаний частоты сердечных сокращений. Это включало изменения фокальной активности в мосту и таламусе, но особенно отражалось в активации двусторонней хвостатой скорлупы и сенсомоторной коры.Передний гиппокамп, ранняя зрительная кора, височные полюса и мозжечок также показали эту корреляцию с замедлением сердечного ритма. Не было надпороговых групп активности, которые положительно коррелировали с увеличением частоты сердечных сокращений.

Активность в мозговом веществе и гиппокампе положительно коррелировала с непрерывной вариабельностью сердечного ритма, полученной здесь из вариабельности межимпульсового интервала (стандартное отклонение более 15 секунд). Напротив, уменьшение вариабельности сердечного ритма было связано с повышенной активностью в пределах передней островковой части, дорсомедиальной префронтальной коры (пре-SMA) и области левой затылочной коры.

Артериальное давление и вариабельность артериального давления

Активность в мозговом веществе положительно коррелировала с межмолекулярным артериальным давлением в подгруппе участников, у которых она была измерена (N = 7). Коррелированная активность также присутствовала в двусторонней средней островке и черве мозжечка. Области, включая передний островок / глазничную покрышку, островок, переднюю поясную извилину, левую дорсолатеральную префронтальную кору и правое височно-теменное соединение, показали обратную взаимосвязь с колебаниями артериального давления между ударами ().

Ствол мозга коррелятов кардиореспираторного контроля

Ствол мозга опосредование кардиореспираторных изменений представлял особый интерес для этого исследования. Как уже отмечалось, гипоксическая нагрузка была связана с усилением активности в дорсальной средней части моста, в области, охватывающей Kölliker-Fuse, парабрахиальные ядра и голубое пятно [13]. Блоки медленного дыхания, по сравнению с дыханием с нормальной частотой, задействовали эту же область вместе с большим количеством областей рострального моста с двух сторон, включая периакведуктальное серое вещество, в средний мозг и гипоталамус (2).Примечательно, что мы не наблюдали активности ствола мозга, отражающей надпороговое взаимодействие между гипоксической нагрузкой и медленным ритмом дыхания.

Корреляция между активностью ствола мозга и динамическими физиологическими изменениями в ходе экспериментального исследования обеспечивает дальнейшее понимание проксимальных кардиореспираторных регуляторных центров (): активность в вентральной верхней части мозгового вещества отслеживала вариабельность сердечного ритма у всех участников. В том же регионе отслеживались колебания артериального давления между сердечными сокращениями у тех участников, для которых были доступны эти данные, что свидетельствовало о его прямом участии в контроле барорефлекса.Активность в спинном мозге коррелирует с изменениями дыхательного объема, эта область охватывает часть ядра единственного тракта. Внутри среднего мозга PAG и более передняя ростральная область среднего мозга коррелировали со снижением частоты сердечных сокращений в ходе эксперимента. Последний центр перекрывался с активностью, которая увеличивалась с увеличением дыхательного объема. Как снижение частоты сердечных сокращений, так и увеличение дыхательного объема от одного дыхания к другому были также связаны с активацией средней части моста непосредственно перед областью, реагирующей на гипоксические нагрузки и медленным ритмом дыхания ().

Очаговая деятельность ствола мозга, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Избранная иллюстрация активности, связанной с физиологическими изменениями. Данные проиллюстрированы при пороговой значимости по вокселям P <0,001 без коррекции). A) в мозговом веществе, где один и тот же локус отражает повышение артериального давления и увеличение вариабельности сердечного ритма в соответствии с нервным субстратом для барорефлекса, опосредующего приспособления к гипоксической нагрузке. B) в мосту и среднем мозге, где соседние ядра демонстрируют взаимосвязь с уменьшением частоты сердечных сокращений и увеличением дыхательного объема, предположительно представляя человеческие гомологи центров ствола мозга, поддерживающих кардиореспираторное сцепление, как было выявлено у экспериментальных животных.

Вклад островковой коры

Предполагаемая роль островка как висцеросенсорной коры заставила нас специально исследовать, как активность внутри субрегионов [21] островка отражает экспериментальные условия и / или коррелирует с физиологическими изменениями во время экспериментальной сессии. Мы сохранили тот же порог значимости, что и для данных, представленных в другом месте, и не применили менее строгие поправки на небольшой объем локальной области интереса для статистической значимости. В целом, основные эффекты гипоксии или ритмичного дыхания с медленной по сравнению с нормальной частотой не были связаны с заметными изменениями в активации островных областей.Дискретный кластер активности в пределах левого переднего (агранулярного) островка, однако, действительно отражает взаимодействия между этими состояниями. В ходе эксперимента большая часть от задней части к передней части островка, от гранулярных, дисгранулярных до агранулярных областей с обеих сторон, показала усиленную активацию с уменьшением частоты сердечных сокращений. Этот эффект также отражался в повышенной активности в соседних базальных ганглиях. Похожая картина наблюдалась в отношении увеличения дыхательного объема, на этот раз в основном ограниченного правым полушарием и с преобладанием дискретного кластера активности в задней гранулярной островке с дальнейшим кластером в передней части агранулярного островка.Здесь также подкорковые хвостатые и таламическая активность были преимущественно правосторонними. Повышение уровня CO2 в конце выдоха вызывало двустороннюю активность задней / средней части островка (гранулярную / дисгранулярную). Повышение активности в той же области в ответ на изменение дыхательного объема предполагает, что эта область может поддерживать интегрированное представление хемосенсорных и механорецептивных респираторных сигналов. Поэтому было интересно, что эта зернистая островная область также отражала динамическое повышение артериального давления в подгруппе участников, для которых были получены такие данные.Снижение вариабельности сердечного ритма, вероятно, отражающее подавление барорефлекса, было связано с повышенной активацией левого переднего агранулярного островка, в то время как увеличение вариабельности артериального давления (которое в группах пациентов может представлять собой отрицательный показатель здоровья сердечно-сосудистой системы) было связано с усиленной активацией в правой дорсальной передней части. (дисгранулярная) кора островка ().

Очаговая активность коры островка, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Представлены сагиттальные и горизонтальные срезы стандартного головного мозга, чтобы выделить изменения активности в пределах коры островка, связанные с вызванными заданием изменениями физиологических регрессоров.Следует отметить компоненты изменения сигнала глубокого островка, связанные с уменьшением частоты сердечных сокращений, слияние с заметным вовлечением базальных ганглиев, отражающее активацию стриатокортикального слоя, ранее наблюдавшуюся в отношении замедления сердечного ритма, связанного с ожиданием [22]. Широко распределенное изменение сигнала, связанное с этим конкретным анализом, вероятно, несет в себе большую часть артефактов, помимо того, что контролировалось путем включения движения, глобальных и артериальных регрессоров O 2 / end tidalCo 2 в качестве искажающих ковариат в анализах.Вентиляция (ЖТ) вызвала преимущественно правополушарные изменения в теменной и островковой части коры и базальных ганглиях. Повышение CO в конце выдоха 2 было связано с усиленной активацией заднего «первичного интероцептивного» островка, но не влияло на глобальный сигнал при пороговой значимости. Вариабельность сердечного ритма, повышение артериального давления и вариабельность артериального давления были связаны с очаговой активацией отдельных субрегионов передней и средней островков, согласующихся с висцеротопографией [23].Данные проиллюстрированы с поправкой на значимость P <0,05, определяемую комбинацией значимости по вокселям и пороговых значений степени кластера (см. Методы).

Обсуждение

Наше исследование изначально было вызвано интересом к сообщаемым преимуществам для здоровья и психологическим последствиям медленного дыхания около шести вдохов в минуту, которое, как наблюдается, повышает чувствительность барорефлекса и ослабляет сердечно-сосудистые реакции на такие проблемы, как гипоксия. Более того, тренировка медленного дыхания в таких практиках, как йога, и в определенных клинических группах дает субъективную и клиническую пользу.Здесь мы применили сложную комбинацию экспериментальной респираторной физиологии, подробного мониторинга сердечно-сосудистой системы и функциональной визуализации мозга, чтобы охарактеризовать нейронные механизмы, посредством которых центральный контроль дыхания взаимодействует с вегетативными сердечно-сосудистыми реакциями, в том числе вызываемыми во время гипоксической нагрузки. Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на эти механизмы у людей, подчеркивая вклад ствола мозга и переднего мозга в интеграцию произвольного дыхания с внутренним состоянием тела, включая адаптивные сердечно-сосудистые реакции.Однако в нашем исследовании не учитывались различия в влиянии медленного дыхания на субъективное настроение, что, вероятно, связано с (неестественными) экспериментальными процедурами. Однако как наши физиологические данные, так и данные нейровизуализации предполагают механизмы, которые могут способствовать субъективным психологическим эффектам медленного дыхания в других контекстах (например, усиление вентрального полосатого тела при медленном дыхании во время гипоксической нагрузки). Этот второстепенный вопрос будет изучен в дальнейших исследованиях, в которых также будут использованы различия между обученными «йогическими» дышащими и людьми, не прошедшими такой подготовки.

Мы проверили гипотезу о том, что медленное дыхание модулирует вегетативные реакции на гипоксию посредством дискретного набора нейронных процессов. Мы показываем, что эти процессы порождают активность в центрах ствола мозга, поддерживающую гомеостатические рефлексы, одновременно с активностью в областях переднего мозга, поддерживая волевой контроль, аффективное состояние и висцеральные ощущения. Эти результаты были получены на основе сложной комбинации функциональной нейровизуализации, подробного физиологического мониторинга (включая способность исследовать мозговые корреляты артериального давления между ударами) и интервенционной экспериментальной физиологии человека.Выявляя и разделяя региональные паттерны реакций мозга на медленное дыхание, гипоксию и их взаимодействие, мы обеспечиваем понимание механизмов, в более широком смысле связанных с положительными преимуществами для здоровья, включая улучшение сердечно-сосудистой функции и психологического благополучия.

В исследованиях физиологии человека с помощью нейровизуализации используются технические и методологические достижения. Например, можно уверенно идентифицировать функциональную активацию ядер ствола мозга [24]. Существуют разные подходы к управлению движением и физиологическими сигналами, которые могут искажать сигналы нейровизуализации, особенно вокруг ствола мозга [25] [26].Однако традиционные методологические подходы или их модификации, дополненные одновременным сбором физиологических данных, могут достигать сильных результатов без a priori отклонения компонентов данных, которые могут отражать функциональную взаимозависимость нервных и других физиологических сигналов [11] [11] [ 24] [27–29]. В этом контексте настоящее исследование было предпринято с множественными физиологическими измерениями, касающимися дыхания и сердечно-сосудистой функции, чтобы дать интерпретативное понимание нервных реакций, сопровождающих экспериментальные манипуляции с дыханием.Тем не менее, мы также признаем ограничения в степени, в которой можно контролировать не нейронные эффекты на BOLD-сигнал. Предоставляя подробный отчет, полученный уникальным образом с помощью многоосной физиологической записи, наши результаты локализуют и количественно определяют изменение сигнала, которое может представлять собой артефакт или физиологическое отклонение от обычных исследований нейровизуализации. Доступен ряд различных технических подходов, направленных на вычитание физиологического шума из наборов данных функциональной нейровизуализации. Они по-разному основаны на регрессии глобальных сигналов и сигналов тканевых компартментов или на декомпозициях, определяемых априорными распределениями сердечных и респираторных сигналов [30] [31], и получили широкое признание в области исследований в состоянии покоя.Некоторые из более сложных подходов в принципе можно было бы применить и к имеющимся данным, относящимся к задаче; мы использовали только коррекцию движения, пропорциональное масштабирование глобального сигнала и, для условий задачи, также включение регрессоров SaO 2 и CO 2 . Однако, поскольку по определению физиологические сигналы и нейронные репрезентации висцерального состояния, по крайней мере, частично коррелированы, чрезмерная коррекция испортила бы результаты, удалив отклонения, связанные не только с шумом, но и с интересующей нейронной активностью.В настоящем исследовании мы рассматриваем это как более серьезный риск, чем риск ложных срабатываний, поскольку риск неправильного вывода в целом снижается за счет мониторинга нескольких физиологических осей и наблюдения конвергентных корреляций в анатомических структурах, для которых есть априори. доказательства участия в гомеостатическом контроле.

В стволе мозга наше исследование подчеркивает специфическое участие мозговых и понтинных ядер в кардиореспираторном контроле, расширяя текущие знания о ответах ствола мозга на респираторную проблему у животных и людей.Исследования на грызунах указывают на вентральный респираторный столб в мосту и мозговом веществе, содержащий инспираторные и экспираторные премоторные нейроны и охватывающий пре-Бетцингерское ядро, которое содержит ритмогенные нейроны, особенно для вдоха. Более рострально, вентрально по отношению к лицевому ядру, нейроны в ретротрапециевидном ядре управляют истечением [8]. Интересно, что активация ствола мозга, наблюдаемая в нашем исследовании, выделяет дорсальные ядра больше, чем этот вентральный столбик. Хотя это наблюдение согласуется с опубликованными исследованиями дыхания с помощью нейровизуализации человека, где дорсальные мозговые ядра (NA / NTS) и центры моста демонстрируют более сильную активацию респираторной нагрузки, следует отметить, что вентральное мозговое ядро, которое мы идентифицируем, также отражает показатели сердечно-сосудистой системы (увеличивает частоту сердечных сокращений). артериального давления и вариабельности сердечного ритма), которые близко совпадают с барорефлексом.Активность в дорсальной мозговой области, включая NA / NTS, усиливалась за счет увеличения дыхательного объема от одного дыхания к другому. В отличие от того, где мы видим активность в ростральном вентральном мозговом слое, связь связана с сердечно-сосудистыми реакциями, связанными с контролем барорефлекса (артериальное давление и вариабельность сердечного ритма), а не с респираторными проблемами, которые в конечном итоге породили эти сердечные реакции. Активность в спинном мосту также была связана с увеличением дыхательного объема, что особенно заметно на контрасте между медленным и нормальным ритмом дыхания.Задействованные области, охватывающие шовные и парабрахиальные ядра, PAG и locus coeruleus, примыкают к кластерам активности, отвечающим на гипоксический вызов (средний мост) и замедление сердечного ритма. В целом картина в стволе мозга предполагает функциональную модульность, характеризующуюся интегрированным кардиореспираторным контролем.

Наблюдаемый образец ответа мозга на гипоксическое воздействие соответствует реакции на стресс. Повышенная активность в двусторонней миндалине, области, участвующей в обработке страха, сопровождается вовлечением «воспринимающей угрозу» ранней зрительной коры, предварительной дополнительной моторной коры «подготовка к действию» и области голубого пятна в мосту (источник восходящей норадренергической активности). проекции возбуждения).Это сочетание аффективных нейронных реакций может быть вызвано и условным раздражителем-угрозой. У людей знания о функциональных изменениях мозга в результате гипоксии ранее были ограничены. У анестезированных грызунов снижение уровня вдыхаемого O 2 ниже 10% ослабляет ЖИРНЫЕ ответы (т.е. сигнал, используемый для определения нейронной активности в экспериментах с фМРТ) [32]. У бодрствующих грызунов гипоксия увеличивает церебральный кровоток, отчасти за счет системных сердечно-сосудистых реакций [33].У людей мозговой кровоток увеличивается при гипоксии, но это может иметь непостоянное влияние на эффект BOLD-сигнала [34]. Наши данные согласуются с скоординированной нейронной реакцией, усиливая общий жирный сигнал через мозг и задействуя области мозга, которые обычно связаны с защитным поведением и поведением бегства. Мы также наблюдали связанное с гипоксией изменение активности в областях, близких к таламусу, и потенциально это может представлять гомолог субталамической области, описанной Reis и соавторами, опосредующей связанную с гипоксией церебральную вазодилатацию в сочетании с вентролатеральным мозговым веществом [35].

Контролируемое медленное дыхание вызывало широкие изменения активности за пределами спинного моста, затрагивающие гипоталамус и таламус, базальные ганглии, сенсомоторную кору и преддополнительную двигательную область. Вовлечение последних моторных областей наблюдается также во время задержки дыхания и волевого гиперпноэ [12] [36–38]. Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксической нагрузкой было одним из важных факторов мотивации для настоящего исследования. Медленное дыхание со скоростью около шести вдохов в минуту связано с ослаблением вегетативных реакций на гипоксический стресс и сохранением чувствительности к барорефлексу как у здоровых людей, так и у людей на высоте, а также у пациентов с сердечной недостаточностью и гипертонией [3] [5] [39] [40] .Более того, есть мотивационный элемент, поскольку: преимущества медленного дыхания обычно сопровождаются субъективным чувством спокойствия, которое потенциально лежит в основе применения контроля дыхания в медитации и йоге [6]. Однако в рамках нашего исследования медленное дыхание увеличивало дыхательный объем, но в остальном не вызывало серьезных изменений дыхательных и вегетативных параметров или состояния субъективных ощущений. Это расхождение с более ранними (лабораторными) исследованиями, вероятно, объясняется рядом ограничивающих факторов: размер выборки был относительно небольшим, а участники (некоторые из которых были « обученными дышащими ») в среднем имели относительно низкую частоту спонтанного дыхания. .Также важна степень дискомфорта, связанного с дыхательным аппаратом в стесненной среде катушки МРТ сканера. Наконец, имел место компромисс между длительностью экспериментальных периодов, оптимальных для исследований фМРТ «блочного дизайна», и продолжительностью эффективных физиологических манипуляций. Это привело нас к выбору коротких периодов различных условий дыхания (продолжительность 1 минута, т.е. 6 вдохов для медленного дыхания), которые намного короче, чем для опубликованных лабораторных испытаний.Это определенно ограничивало величину общих изменений, и, как таковые, не было никаких взаимодействий между гипоксией и частотой дыхания, выраженных в периферических физиологических показателях, которые достигли значимости критерия. Однако в целом наша уверенность в обобщаемости результатов, особенно в мозге, повышается благодаря тому факту, что мы наблюдали некоторые эффекты в ожидаемом направлении, несмотря на особые условия, необходимые для проведения комбинированного физиологического и нейровизуализационного исследования. Также примечательно, что среди множества областей мозга, которые действительно выражали значительную взаимосвязь между гипоксией и частотой дыхания, были двустороннее вентральное полосатое тело, область, участвующая в мотивационном влечении, и левый лобный полюс, предположительно поддерживающий психофизиологическую регуляцию и регуляцию внимания [41] [42]. ].Предположительно, этот паттерн изменений может отражать переход от «состояния дистресса» (в данном случае вызванного гипоксией) к более созерцательному психическому состоянию, усиливающему внимание и способствующему самоанализу.

Наши наблюдения за островковой корой головного мозга частично дают представление о прогнозируемых эмоциональных последствиях гипоксической проблемы и ее модуляции медленным дыханием. В соответствии с висцеросенсорной ролью коры островка, изменения активности сопровождались изменениями частоты сердечных сокращений, вариабельности частоты сердечных сокращений, дыхательного объема, уровня CO 2 , межкадрового кровяного давления и краткосрочной изменчивости кровяного давления.Одним из сюрпризов в этих данных является то, что активность отрицательно коррелировала с частотой сердечных сокращений в этих экспериментальных манипуляциях на билатеральном островке в сочетании с аналогичными изменениями во всем неостриатуме. Это контрастирует с более обычным паттерном активности островков, связанным с увеличением сердечно-сосудистой активности в исследованиях нейровизуализации. Тем не менее, были ответы задней и средней части островка на повышение артериального давления и ответа левой передней части островка на снижение вариабельности сердечного ритма, оба составляющих индикатора подавления барорефлекса [43].Повышение CO 2 в конце выдоха, другого физиологического фактора дыхания, также было связано с усилением активности задней и средней части островка. Однако передняя агранулярная кора островка, участвующая в сознательном доступе к висцеросенсорным представлениям и их преобразованию в эмоциональные состояния, не реагировала устойчиво на гиперкапнию или даже на гипоксическое влечение к дыханию. Эти данные, наряду с доказательствами того, что паника может быть вызвана респираторной стимуляцией независимо от миндалины [44], могут помочь в проведении целевых вмешательств при одышке, связанном с ней дистрессе и выражении вегетативных стрессовых реакций.

Кардиореспираторные последствия и их центральные нейронные субстраты

Abstract

Контролируемое медленное дыхание (6 / мин, частота, часто принимаемая во время практики йоги) может улучшить сердечно-сосудистую функцию, включая реакцию на гипоксию. Мы протестировали нейронные субстраты кардиореспираторного контроля у людей во время произвольного контролируемого дыхания и гипоксической нагрузки с использованием функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ). Двадцать здоровых добровольцев были просканированы во время ритмичного (медленного и нормального) дыхания и во время спонтанного дыхания нормоксическим и гипоксическим (13% вдыхаемого O 2 ) воздухом.Сердечно-сосудистые и респираторные показатели были измерены одновременно, включая индивидуальное артериальное давление от подгруппы участников (N = 7). Замедленное дыхание ассоциировалось с увеличением дыхательного объема. Вызванная гипоксия увеличивала частоту сердечных сокращений и подавляла вариабельность сердечного ритма. Внутри мозга медленное дыхание активировало спинной мост, периакведуктальное серое вещество, мозжечок, гипоталамус, таламус, а также боковую и переднюю части коры островка. Блоки гипоксии активировали средний мост, двустороннюю миндалину, переднюю островковую и затылочно-височную коры.Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксией выражалось в вентральной полосатой активности и фронтальной полярной активности. В разных условиях активность спинного мозга, спинного мозга и моста коррелирует с дыхательным объемом и, наоборот, с частотой сердечных сокращений. Активность в ростровентральном мозговом веществе коррелировала с межкадровым давлением и вариабельностью сердечного ритма. Широко распространенная активность островка и полосатого тела отслеживала снижение частоты сердечных сокращений, в то время как субрегионы островковой коры коррелировали с мгновенным увеличением дыхательного объема.Наши результаты определяют влияние медленного дыхания на центральную и сердечно-сосудистую реакцию на гипоксическую нагрузку. Они подчеркивают задействование дискретных ядер ствола мозга для кардиореспираторного контроля и задействование кортикостриатных цепей для поддержки физиологических реакций, которые сопровождают регуляцию дыхания во время гипоксической нагрузки.

Введение

Дыхательная система оказывает сильное влияние на вегетативную нервную координацию телесных процессов. Один из путей, посредством которых дыхание модулирует сердечно-сосудистую функцию, — это барорефлекс.Артериальные барорецепторы активируются за счет выброса крови из сердца под давлением. Сигналы барорецепторов передаются в мозговое вещество для рефлексивно-вегетативного оттока: активность мышечного симпатического нерва сужает сосудистые русла, повышая кровяное давление, в то время как парасимпатическая активность через блуждающий нерв замедляет частоту сердечных сокращений, помогая снизить кровяное давление. Психологический, физический и химиосенсорный стресс подавляет барорефлекс, позволяя кровяному давлению и частоте сердечных сокращений повышаться вместе; эффект, который, если он преувеличен или устойчив, пагубен для здоровья сердечно-сосудистой системы [1].

Интересно, что дыхание с медленной частотой дыхания, равной шести вдохам в минуту, может вызывать эффекты, положительно влияющие на здоровье сердечно-сосудистой системы: медленное дыхание повышает чувствительность барорефлекса у здоровых людей и пациентов с сердечной недостаточностью [2] [3]. Медленное дыхание также снижает активность симпатических нервов в мышцах, ослабляя гипертензивную вазоконстрикцию [4], и блокирует сердечно-сосудистые реакции на физиологический стресс, вызванный легкой гипоксией [5] [2]. Таким образом, польза для здоровья может быть получена в результате тренировки людей дышать примерно с половиной средней скорости в состоянии покоя.Практикующие йогу представляют ту часть общества, которая занимается упражнениями на медленное дыхание как для психологического, так и для физического здоровья. Сообщается, что психические состояния спокойствия и благополучия сопровождают медленное йогическое дыхание и связанные с ним физические положения и маневры. Однако эти эффекты не являются исключительными для практик восточных религиозных традиций [6]. Таким образом, произвольная модуляция частоты дыхания предлагает канал, с помощью которого можно формировать вегетативную активность для улучшения как сердечно-сосудистой системы, так и психологического здоровья.

Исследования респираторного и сердечно-сосудистого контроля на животных делают упор на стволовых механизмах мозга [7]. Осцилляторные движущие силы дыхательного ритма идентифицированы в ретротрапециевидной / парафациальной респираторной области и в пре-Бетцингерском комплексе [8] [9]. Функциональная нейровизуализация у людей расширяет эти знания, чтобы идентифицировать гомологи таких дыхательных центров ствола мозга внутри моста и продолговатого мозга [10–13]. Важно отметить, что нейровизуализация человека подчеркивает вклад центров переднего мозга в рефлексивную и волевую регуляцию дыхания и представление респираторных ощущений [11] [14–18].Нейровизуализация также расширяет наше понимание взаимодействия между внутренним состоянием (включая дыхание) и познанием или эмоциями [19]. Однако нейронные механизмы, посредством которых медленное дыхание влияет как на психическое, так и на физическое состояние, остаются малоизученными.

Настоящее исследование было мотивировано, чтобы детализировать центральный контроль дыхания и связанные автономно-опосредованные сердечно-сосудистые реакции на гипоксию у людей в условиях нормальной частоты и медленного дыхания. В частности, мы стремились идентифицировать нейронные механизмы, лежащие в основе гипотетического ослабления медленным дыханием сердечно-сосудистых «стрессовых» реакций на гипоксию.Для достижения этой цели мы исследовали нервные, респираторные и сердечно-сосудистые реакции на гипоксическую нагрузку при разной частоте дыхания и определили нейронные субстраты, связанные с генерированием и отображением вызванных физиологических изменений.

Материалы и методы

Участники

Двадцать три здоровых участника-добровольца (8 женщин 12 мужчин; возрастное отклонение = 34,5 ± 10,4 года) были набраны с помощью рекламы исследования, которое было одобрено Управлением исследований медицинской школы Брайтона и Сассекса. и Комитет по этике (BSMSRGEC) Университета Сассекса (номер утверждения 10 / 033CRI).Каждый участник дал полное информированное согласие в письменной форме в соответствии с процедурами, утвержденными BSMSRGEC. Данные от двадцати участников были включены в окончательный анализ, поскольку у остальных трех участников были получены недостаточные / неполные наборы данных. Семь участников можно было классифицировать как «обученных дышащих» на основании регулярной практики йоги, опытной игры на духовых инструментах или регулярного развлекательного или профессионального дайвинга.

Экспериментальная задача и гипоксическое испытание

Во время сканирования участник лежал на спине на кровати сканера и носил респираторную маску, надеваемую на нос и рот, которая была присоединена к дыхательному контуру, через который она / она дышали атмосферным воздухом, чередующимся с гипоксической газовой смесью. (13% O 2 ).Схема включала пневмотахограф для точного измерения дыхательных объемов и была присоединена через полиэтиленовую трубку к капнографу. Участник также смотрел на проекционный экран через зеркало, установленное на катушке для головы, и носил электростатические наушники для передачи слуховых сигналов и ослабления шума сканера. Участница держала коробку с кнопками, с помощью которой она / она могла выставлять оценки в определенное время во время эксперимента.

Основная экспериментальная сессия проводилась в течение непрерывного периода (26.От 5 до 27,5 минут, в зависимости от псевдослучайного порядка, см. Ниже), в течение которого участнику предлагалось в течение блоков по одну минуту либо дышать в своем собственном темпе (без интервала), либо медленно (в медленном темпе), либо дышать более быстро (обычный ритм — примерно соответствует нормальной частоте дыхания в положении лежа на спине у большинства участников). Инструкции подавались в виде звуковых сигналов в начале каждого блока и на протяжении всего ритмичного дыхания с заданной скоростью («вдохните», «выдохните»). Участник также слышал звуковые сигналы каждую секунду на протяжении каждого блока.В начале каждого блока участнику предлагалось визуально закрыть глаза, а в конце каждого блока — слухом — открыть глаза. Между экспериментальными блоками участница выполнила две визуальные аналоговые оценки того, насколько настороженно и насколько положительно / отрицательно она / она чувствовала себя в то время. Для бдительности подсказка «ТРЕВОГА» была написана над горизонтальной линейной шкалой от -50 (очень сонная) до +50 (максимально бодрствующая). Для эмоционального эмоционального состояния слово «ЧУВСТВО» было представлено над аналогичной шкалой, где -50 означало очень плохо, а +50 — очень хорошо.Перед экспериментом каждый участник практиковался в управлении точным положением курсора по шкале с помощью нажатия левой и правой кнопок.

Во время экспериментальной сессии газ, вдыхаемый участником, переключался между атмосферным (нормоксическим) воздухом и гипоксической смесью. Двенадцать участников начали с периода нормоксического дыхания, выполнив три одноминутных блока (непрерывное, медленное и регулярное дыхание). Затем их перевели на гипоксическую смесь.После 1,5-минутного блока «промывки» они выполнили три одноминутных блока (без интервалов в медленном темпе, в обычном темпе), за которыми следовали 1-минутный блок «промывки», дыша атмосферным воздухом. Затем повторялась последовательность периодов нормоксии / гипоксии. Остальные одиннадцать участников начали экспериментальную сессию, вдыхая гипоксическую смесь, начиная с 1,5-минутного периода «отмывки», выполняя три блока в условиях гипоксии, с последующим периодом «отмывки». Псевдослучайная последовательность блоков без интервалов, медленных и обычных темпов в пределах каждого нормоксического / гипоксического периодов и между участниками обеспечила контроль над эффектами порядка.Во время блоков промывки и промывки гипоксии участнику предлагали дышать в собственном темпе с закрытыми глазами. Экспериментальная сессия (включая представление реплик и запись оценок) контролировалась программой, работающей в Matlab (MathWorks, Natick), и синхронизировалась с получением сканирования ().

Сбор физиологических данных, иллюстрирующих план эксперимента.

На рисунке показана запись данных (программное обеспечение CED Spike, Кембридж) во время эксперимента, в котором участники вдыхали смеси нормоксического и гипоксического воздуха в течение примерно 5 минут с их естественной спонтанной скоростью (без интервалов) и со скоростью стимуляции, приближающейся к обычной ( нормальный темп: 9.9 вдохов в минуту) и в медленном темпе (в медленном ритме 5,5 вдохов в минуту). Эти условия задачи были уравновешены внутри и между участниками, а периодам гипоксии предшествовал 1,5-минутный период «отмывки», за которым следовал 1-минутный период «отмывки». Во время эксперимента изменения объема, связанные с дыханием, регистрировались непосредственно с использованием пневмотахографии наряду с измерением выдыхаемого CO 2, и с помощью пульсовой оксиметрии, сатурации артериальной крови кислородом, объема пульса и частоты пульса.В эксперименте повторялись условия задания при гипоксии и нормоксии. Для подгруппы участников также регистрировалось индивидуальное кровяное давление.

Физиологический мониторинг и анализ

Во время сканирования дыхание участника контролировалось с помощью пневмотахографии (калибровка в конце каждого сеанса) для определения объема вентиляции (Бернарди и др., 2006) и капнографии для определения уровня приливного CO2 (Oridion Microcap) вместе с насыщением кислородом от пульсоксиметрии (Нонин 8600ФО).Сердечно-сосудистые данные регистрировались во время сканирования также с использованием пульсовой оксиметрии для определения времени сердца и индекса амплитуды пульса. У семи участников данные об артериальном давлении были также получены с помощью Portapres (Finapres Medical Systems BV), который был модернизирован на собственном производстве для обеспечения совместимости с МРТ. У этих участников датчик артериального давления был размещен на указательном пальце левой руки, а предметный столик пульсоксиметра — на безымянном пальце левой руки; у всех остальных пульсоксиметр находился на указательном пальце левой руки.Все физиологические сигналы были записаны вместе с сигналами синхронизации, указывающими время сканирования (отдельные объемы эхопланарных изображений) и различных экспериментальных блоков, через аналого-цифровой преобразователь (CED1401) в программное обеспечение Spike (Cambridge Electronic Design, Великобритания) (). Впоследствии данные были экспортированы в Matlab, очищены от артефактов и усреднены для статистического сравнения блочных эффектов. Они также подверглись повторной выборке, чтобы ввести их в качестве регрессоров в анализ изображений головного мозга для интерпретации региональной мозговой активности.

Сбор и анализ данных нейровизуализации

Исследование проводилось в Центре клинических визуализаций Медицинской школы Брайтона и Сассекса (CISC-BSMS) на магнитно-резонансном сканере Siemens Avanto мощностью 1,5 Тл. Чтобы получить наборы данных временных рядов, индексирующие гемодинамические корреляты изменений региональной активности мозга, мы получили непрерывные T2 * эхопланарные изображения (EPI), чувствительные к контрасту, зависящему от уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), в то время как каждый участник проходил экспериментальную сессию (изотропные 36 x 3 мм с чередованием срезы, TE / TA = 50 / 3208ms, наклон 30 ° к AP комиссуральной плоскости).Предварительная обработка наборов данных нейровизуализации и последующий анализ нейровизуализации проводились с использованием программного обеспечения статистического параметрического картирования (SPM8; http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) на вычислительной платформе Matlab. Наборы данных функциональной визуализации (36 объемов EPI срезов) были предварительно обработаны с поправкой на синхронизацию срезов, перемещением между объемами, пространственной нормализацией к стандартному пространству MNI и сглаживанием с помощью гауссова ядра FWHM 8 мм для получения 2 мм 3 повторно дискретизированного размера вокселя.

Для каждого участника данные нейровизуализации временных рядов были введены в два отдельных набора анализов первого уровня: 1) представляющие интерес блоки задач (непрерывное, медленное и регулярное дыхание в ритме при нормоксии и гипоксии) были смоделированы вместе с блоками, не представляющими интереса. (периоды гипоксической отмывки и отмывки) и потенциально искажающие физиологические коварианты (изменения CO 2 , SaO 2 ) для проверки влияния экспериментальных манипуляций 2) Индивидуальные физиологические показатели, изменяющиеся в ходе экспериментальной сессии , были объединены с канонической функцией гемодинамического ответа (контроль гемодинамического отставания от предполагаемой основной нейронной активности) и подвергнуты пониженной выборке до частоты сбора данных нейровизуализации, чтобы позволить идентифицировать с помощью регрессионного анализа сканирование региональной активности мозга, колеблющейся в зависимости от конечной точки. приливной CO 2 , насыщение артериальной крови кислородом SaO 2 , частота дыхания, дыхательный и минутный объем (вентиляция ция), частота сердечных сокращений и стандартное отклонение интервала между ударами.Таким образом, эти анализы были настроены на реакции мозга, связанные с физиологическими изменениями, происходящими с временным разрешением 3,21 с и выше, предоставляя подробную информацию о центральном контроле периферических вегетативных реакций и их взаимосвязи, включая взаимодействие с экспериментальными манипуляциями с задачами.

В оба набора анализов шесть регрессоров движения также были включены в качестве искажающих ковариат. Данные были отфильтрованы во временной области с использованием высокочастотного фильтра (период отсечки 128 секунд), устраняя дрейф сигнала и повышая чувствительность к конкретным условиям, связанным с ними физиологическим изменениям и их взаимодействию.Мы также скорректировали глобальный сигнал с помощью пропорционального масштабирования. Для проверки были проведены анализы второго уровня; 1) в рамках ANOVA, моделирующего условия задачи, для основных эффектов и взаимодействий экспериментальных манипуляций, и 2) с использованием однократных T-тестов, для согласованных эффектов физиологических изменений на региональную активность мозга во всей группе. Эффекты сообщаются при значимости P <0,05 с поправкой, определяемой с использованием комбинации использования при пороговой значимости по вокселям P <0.001 без коррекции в сочетании с пороговым значением протяженности кластера> 41 смежных воксела (вычислено с помощью моделирования по Мон-Карло с 1000 итераций [20]. Кроме того, при сообщении активности в небольших вентральных ядрах полосатого тела и ствола мозга и функциональных нейронных коррелятов крови между ударами и сердечными сокращениями данные об изменении давления (полученные в подгруппе участников) описываются с одним и тем же порогом по вокселям, за исключением порогового значения протяженности кластера.

Результаты

A) Субъективный опыт

В начале исследования и после каждого условия задачи участники оценивали свою субъективную степень бдительности и комфорта по визуальной аналоговой шкале, контролируемой кнопочным блоком (см. Методы).Для всех участников и условий задачи не было общего эффекта состояния задачи на сообщаемый комфорт или бдительность при значимости критерия (была только тенденция для взаимодействия гипоксии и частоты дыхания для настороженности (F (2,34) = 2,61 p = 0,09 ), в сторону повышения активности при медленном или нормальном дыхании при нормоксии, но не при гипоксии). При подведении итогов большинство участников сообщили, что экспериментальная установка с дыхательными аппаратами и соответствующим оборудованием для мониторинга была неудобной.В целом, этот дискомфорт лишь незначительно уменьшился в ходе эксперимента, и наблюдалась сопутствующая тенденция к ослаблению оценок бдительности (для первого и четвертого кварталов эксперимента; средняя оценка комфорта: 28,5,0 против 29,0; средняя оценка бдительности: 30,2 против 29,2.Влияние порядка задач в эксперименте на комфорт (F1, 19) = 1,6, нс для бдительности; F (1, 19) = 0,85, нс). Условия эксперимента были псевдорандомизированными и уравновешивались между участниками, и вполне вероятно, что дискомфорт, не связанный с выполнением задания, затмил влияние легкой гипоксии и частоты дыхания на оцениваемое субъективное благополучие и бдительность.

B) Физиологические изменения, вызванные условиями задания

В ходе исследования контролируемая частота дыхания точно соответствовала сигналам кардиостимуляции как при гипоксии, так и при нормоксии (медленные ритмы дыхания в минуту: гипоксия 5,5 ± 0,84, нормоксия 5,3 ± 0,45; гипоксия с нормальным ритмом 9,9 ± 0,29, нормоксия 9,9 ± 1,7). Частота спонтанного (без заданного) дыхания была близка к нормальной частоте дыхания при стимуляции, хотя в среднем была ниже из-за трех человек, у которых была относительно низкая частота дыхания (менее 8 вдохов в минуту) и которые входили в группу из семи «обученных дышащих».Тренированные дышащие по сравнению с другими участниками не показали каких-либо систематических различий в физиологической реактивности на условия задания. Не было существенной разницы в частоте спонтанного (без интервалов) дыхания между гипоксическими (9,1 ± 2,3) и нормоксическими (8,7 ± 2,5) состояниями ()

Групповые физиологические эффекты, вызванные экспериментальными манипуляциями.

Графики ошибок среднего физиологического ответа, измеренного в экспериментальных условиях различных заданий. Данные подтверждают экспериментальные манипуляции для частоты дыхания и насыщения кислородом (рис. 2A и 2B) и показывают значительное влияние гипоксии на частоту сердечных сокращений (рис. 2C).Эффекты задания также наблюдались на минутной вентиляции (VE; рис. 2D), дыхательном объеме (VT; рис. 2E) и уровне CO 2 в конце выдоха (рис. 2F). Результаты для других параметров представлены в тексте.

Гипоксическая проблема, то есть вдыхание 13% O 2 в газовой смеси азота, по сравнению с нормоксией, вызвала снижение насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в среднем с 97,0% до 90,8% по группе. Этот основной эффект гипоксии был значительным (F (1,19) = 54,7, p <0,001). Не было значительных различий в величине этого эффекта между различными условиями дыхания ().Гипоксия была связана с общим увеличением частоты сердечных сокращений при различных условиях дыхания (среднее количество ударов в минуту ± стандартное отклонение: нормоксия 69,2 ± 10,6; гипоксия 73,3 ± 10,7 F (1,19) = 36,5, p <0,001) (. Гипоксия не вызывала стойкие различия в вариабельности сердечного ритма (стандартное отклонение интервалов пульса, с -1 : гипоксия 0,058 ± 0,02; нормоксия 0,062 ± 0,02; нс).

Минутный объем (VE) различался в зависимости от уровня частоты дыхания (F (2, 38) = 13,4, p <0,001), что больше для нормального ритма дыхания, чем для медленных или спонтанных состояний.Также наблюдалась значимая взаимосвязь между частотой дыхания и гипоксией для VE (F (2,38) = 5,0, p = 0,01), при этом разница в VE между быстрым и медленным дыханием была значительно больше при гипоксии (8,9 ± 3,5 против 7,4). ± 4,1 мин -1 , p Bonf <0,001), но не ниже нормоксии (9,0 ± 3,7 против 8,2 ± 4,5 мин -1 ) (). Дыхательный объем (VT) был наибольшим в условиях медленной стимуляции (F (2,38) = 13,2, p <0,001), но на него не повлияла гипоксическая стимуляция ().

Конечный выдох CO 2 (etCO 2 ) снижался в среднем при гипоксии (31.2 ± 3,7 по сравнению с 31,9 ± 4,1 мм рт. дыхание при усреднении по гипоксическим и нормоксическим состояниям (31,0 ± 4,2 против 32,1 ± 3,8 мм рт. ст., p Bonf <0,001). Однако значительного взаимодействия между гипоксией и частотой дыхания не наблюдалось ().

Измерение артериального давления между сердечными сокращениями регистрировалось одновременно с фМРТ у подгруппы участников (N = 7, включая одного «обученного дышащего») ().Артериальное давление различалось незначительно в зависимости от условий задания (F (1,6) = 0,17, н.у.) (). Физиологические эффекты задания (SaO2, частота дыхания, ЧСС, ЖТ, ЖЭ, ЧСС и ВСР), очевидные в большей (N = 20) группе, были отражены в этой подгруппе участников, что указывает на то, что они были репрезентативными для всей группы () . Наблюдалась тенденция во взаимосвязи между частотой сердечных сокращений и артериальным давлением, которая соответствовала подавлению барорефлекса гипоксией.

Физиологические данные, включая артериальное давление между ударами в подмножестве N = 7.

A) Последовательное измерение артериального давления во время фМРТ. На рисунке представлен крупный план записи физиологических данных, как показано на рисунке, а также запись артериального давления между ударами, которое было получено в эксперименте у 7 из 20 участников. B) Эффекты артериального давления между ударами, вызванные экспериментальными манипуляциями. Цифра означает средние данные по изменениям артериального давления, зарегистрированные для подгруппы участников (N = 7). Наблюдаемые различия были недостоверными при стандартном статистическом пороге. C) -H) Экспериментальные вызванные физиологические ответы для подгруппы участников). На рисунке показан характер физиологических изменений в подгруппе участников, у которых было зарегистрировано артериальное давление, для сравнения с данными всей группы, изображенными на. Ответы в этой подгруппе точно отражали ответы всей группы (N = 20).

C) Изменения нейровизуализации, связанные с условиями задачи

В ходе исследовательского нейровизуализационного анализа мы не наблюдали никаких сверхпороговых различий между «обученными дышащими» и другими участниками исследования в ответах мозга на условия задачи или коррелировали с измеренной периферической физиологией.Следовательно, мы объединили участников в одну группу. Постфактумальные оценки результатов региональной нейровизуализации не показали, что эти региональные эффекты в группе были вызваны именно этой подгруппой участников.

Гипоксия в сравнении с нормоксией

Гипоксическая нагрузка вызвала доминирующее повышение региональной активности мозга, с заметной активацией в пределах среднего дорсального моста, двусторонней миндалины, таламуса и коры мозжечка. Внутри неокортекса гипоксия была связана с усиленной активацией затылочных, медиальных и дорсолатеральных префронтальных областей (2).Не было кластеров большей активности во время нормоксии по сравнению с гипоксией ().

Мозговые реакции на манипуляции с экспериментальными задачами.

Групповые данные представлены на сагиттальном корональном и горизонтальном срезах нормализованного головного мозга, чтобы проиллюстрировать различия надпороговой активности, связанные с условиями задания. Данные проиллюстрированы со значимостью P <0,05 с поправкой, определенной с использованием комбинации использования с пороговой значимостью по вокселям P <0,001 без поправки в сочетании с пороговым значением экстента кластера> 41 смежных вокселей (вычислено посредством моделирования Мон-Карло с 1000 итераций. [20]). A) Основной эффект гипоксии: повышенная активность при дыхании 13% O 2 газовая смесь против нормоксичного воздуха. Повышенная активность во время гипоксической нагрузки наблюдается в областях, включая затылочно-височную кору, миндалину и мост. B) Основной эффект от частоты дыхания с кардиостимуляцией: повышенная активность, связанная с медленным дыханием с ритмом v. Дыхание с нормальной частотой ритма: Повышенная активность при медленном по сравнению с нормальным дыханием наблюдается в областях, включая мозжечок, сенсомоторную кору, спинной мост, средний мозг и таламус . C) Активность, отражающая взаимодействие между наличием и отсутствием гипоксии во время стимуляции нормальной скорости v. Медленное дыхание. Активность в левом боковом лобном полюсе и вентральном полосатом теле отражает влияние медленного дыхания на реакцию мозга на гипоксию.

Таблица 1

Региональная активация, связанная с условиями задачи.

8 передний полюс R 8 0, -18 4,08 Поз. -26,08,63 R 3 38,2, -40 9 4
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
Гипоксия выше нормоксии
Вентральная затылочная и веретенообразная кора с обеих сторон L -12, -84, -12 17285 5.20
R 16, -78, -8 5,15
R 20, -80, -18 5,09
Стержень головного мозга 9047 -2,26, -30 11 4,40
Дорсомедиальная префронтальная кора (дополнительная моторная зона) L -2,20,58 514 4,40 904 904 8,12,54 4.21
L -8,10,56 3,88
Передняя изоляция L -44,22, -4 300 4,25
L -28,56,6 398 4,22
Миндалевидное тело двустороннее L -24,0, -20 86 4,17
55 3.76
Ункус / передняя островковая часть R 36,10, -22, 195 4,13
Дорсолатеральная префронтальная кора L -54,22,2048
R 50,16,30 222 4,07
R 48,16,48 79 3,84
-62, -48, -4 259 4.07
Гипоталамус / черная субстанция L -8, -12,10 42 4,05
Боковая верхняя лобная извилина L -26,08,63 3,98
Угловая извилина L -28, -54,52 117 3,90
Средняя лобная извилина R 46,22,14
Таламус R 14, -12,10 41 3.7
Нормоксия больше гипоксии
Нет надпороговых кластеров
Темп> дыхание без ритма
Средняя лобная извилина R 32,34,16 50 3,94
Без интервалов> ритмичное дыхание
Средняя часть островка R 50, -4,0 45 3.50
Медленное дыхание с кардиостимуляцией превышает нормальное значение
Мозжечок (расширенное скопление, охватывающее дорсальный ствол мозга и полосатое тело) L -20, -40, -34 24014 5.94
Средний мозг: периакв. 4 4,63
Ствол мозга: дорсальный мост -6, -30, -30 4.20
Вентральное полосатое тело L -14,0, -2 4,78
R 12,4, -4 199 4,23
18, -8,4 71 4,16
Дорсальная передняя поясная корка R 8,38,32 103 4,12
133 4.07
Верхняя лобная извилина R 30,2,66 7337 5,25
Верхняя теменная долька L -54, -36,42 9358
Дыхание в ритме с нормальной скоростью больше, чем дыхание в ритме с медленной скоростью
Нет надпороговых кластеров
Взаимодействие: гипоксия (в норме v.низкая скорость)> нормоксия (нормальная v. низкая скорость)
Боковой передний полюс L -26,58,8 350 4,44
Дополнительный участок двигателя R 12,20,50 60
Мозжечок R 42, -74, -32 45 3,72
Вентральное полосатое тело, L -16,6, -6 32 384
16,8, -8 14 3,53
Взаимодействие: гипоксия (медленная скорость против нормальной)> нормоксия (медленная против нормальной скорости)
Нет надпороговых кластеров
Контролируемое (кардиостимулируемое) дыхание

Сначала мы проверили влияние спонтанной (без задержки) активности мозга на контрастирующее дыхание с ритмом при контролируемом (ритмичном) дыхании с медленной и нормальной частотой.Самопроизвольное дыхание было связано с большей активацией коры правой средней части островка, в отличие от контролируемого дыхания, которое вызывало большую активность в правой дорсолатеральной префронтальной коре. Затем мы сравнили влияние контролируемого дыхания на медленную и нормальную скорость на региональную активность мозга. Контролируемое дыхание с более медленной скоростью (5,5 вдохов в минуту) вызывало гораздо большую активность, чем нормальное ритмическое дыхание в стволе мозга, по дорсальной длине моста в PAG, в гипоталамической и таламической областях, в пределах червя мозжечка и латеральных кортикальных слоях, а также в областях полосатого тела. и гиппокамп и моторная, дополнительная моторная и париетальная кора (;).

Взаимодействие между частотой ритмичного дыхания и гипоксической нагрузкой

Независимо от основных эффектов гипоксии и ритма дыхания, активация в левом лобном полюсе и двустороннем вентральном полосатом теле отражала взаимодействие этих двух манипуляций с заданиями. Последствия этого эффекта интригуют, поскольку мы не наблюдали значительного взаимодействия ни в субъективных, ни в физиологических реакциях на условия задачи (;).

D) Изменения нейровизуализации, связанные с физиологическими показателями

Уровни CO2 в конце выдоха

Известно, что уровни CO2 влияют на цереброваскулярную реактивность и, возможно, вызывают глобальные изменения сигнала в экспериментах по функциональной нейровизуализации с использованием ЖИРНОГО контраста.Сначала мы протестировали прямые воксельные эффекты уровней CO2 в конце прилива, сначала без какой-либо глобальной коррекции, а затем снова с использованием пропорционального масштабирования. Оба аналитических подхода дали по существу одинаковые надпороговые результаты. Повышение уровня СО2 было связано с повышенной активностью двусторонней коры середины задней части островка. Не было значительных корковых или подкорковых активаций, сопровождающих снижение колеблющихся уровней СО2 в конце выдоха ().

Таблица 2

Региональная активация, связанная с физиологическими регрессорами.

9048, 50483 3,94 , 38,12 2,23 4,05 Precuneus — -34, 9048 9048 6484 L 9047 Фронтальная o 7 5 Уменьшение дыхательного объема 55 9
Расположение пика кластера сторона Координаты MNI пика Протяженность Пик вокселя T-score
CO 2 увеличение
Задний островок — средний островок L -50, -26, 22 790 7,95
Дорсальная постцентральная извилина L 4.25
Средний задний островок R 44, 0, 2 559 4,17
Вентральный задний островок L -38, -22, -2
CO 2 убавки
Без надпороговых вокселей
ЧСС увеличивается
Без надпороговых вокселей
Частота пульса снижается
Премоторная кора (обширное скопление) L -60,2,16 46855 8.86
Хвостатое ядро ​​/ скорлупа R 22,12, -2 7,51
L -30, -16,2 7,15 08
-22,12,4 7,05
Задний островок L -40, -6,14 5,83
R 44, -6,10 5,64
Таламус R 16,10,0 6.05
Ствол головного мозга: дорсальный средний мост R 12, -38, -32 5,38
-12, -32, -34 4,2 Коленная передняя поясная корка L -2,32,0, 116 4,91
L -12,42,4 4,10
L 3.84
Верхняя лобная извилина R 24, -6,62 87 4,82
Мозжечок L -40, -68, -50 80483 80
Передняя веха L -26,54,2 110 4,78
Передний гиппокамп L -30, -6, -32 Передний гиппокамп / миндалины R 20, -8, -24 63 4.75
Парагиппокампальная извилина R 36, -6, -36 4,17
Верхняя височная извилина R 52, -2, -22 87478 9048
Дорсальная передняя поясная корка R 6,14,24 84 4,47
Частота дыхания увеличивается
Боковая передняя скорлупа R 30,12, -2 41 5.67
Дорсолатеральная префронтальная кора средняя лобная извилина R 36,40,12 44 5,47
Инферолатеральная префронтальная кора R 508 R 50,24,14
R 58,24,24 4,24
Частота дыхания снижается
Перивентрикулярные сигналы белого вещества R 24, -24,12 81 4.5
R 22, -10,28 49 4,42
L -30, -40,0 60 4,22
Повышение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Задний гиппокамп L -26, -42,2 338 5,16
Кластеры белого вещества R 24,12,30 147 9047.04
L -16,4,36 143 4,95
Дорсальная перицентральная извилина R 24, -26,72 86 4,64 R 8, -28, -48 14 4,32
Уменьшение вариабельности сердечного ритма (sd [пульс])
Передняя островковая часть L -26,22, -8 80 4.33
Вентральная затылочная / язычная извилина R 24, -82, -4 55 4,23
Дорсомедиальная префронтальная кора L
Сатурация артериальной крови кислородом увеличивается (SpO 2 )
Нет надпороговых кластеров
Снижение сатурации артериальной крови кислородом (SpO 2 )
Средняя лобная извилина L -48,36,26 57 5.21
Средняя лобная извилина L -38,34,24 4,08
Минутное увеличение вентиляции
Таламус R 18, -12,6 106 8,85
Верхняя лобная извилина L -28,24,46 389 389 L -2,38,18 531 7.87
Боковой затылочно-теменный переход L -42, -68,38 133 7,73
R 50, -70,36 53 6471 R 30,4,12 821 6,71
L -50, -4,16 164 5,59
L 122 5.72
Нижне-височная кора L -64, -14, -18 49 6,30
Мозжечок L -18,- 9048 9048 648 6486
Орбитомедиально-кортикальный фронтальный полюс -4,54, -12 160 5,33
Минутная вентиляция уменьшается
Нижняя затылочная кора R 32, -96,0 437 4.70
R 20, -58,2 121 4,33
R 6, -74,2 76 4,01
Латеральная кора8 -38, -80, -6 303 4,60
Боковое затылочно-теменное соединение R 28, -84,26 53 4,00
Дыхательный объем увеличивается
Средняя часть островка R 36, -6,6 5037 10.88
Precuneus L -4, -38,22 878 8,51
Переднебоковая височная кора L -54,03, -10 7,347 9048 9048
Скорлупа L -20, -6,2 808 7,25
Верхняя височная извилина L -52, -32,6 574 7474 Верхняя лобная извилина R 24,28,50 1373 6.88
Дорсальная передняя поясная извилина R 10,28,16 6,87
Центральная борозда R 44, -16,40
-40, -16,40 46 5,274
Боковая орбитофронтальная кора R 46,34, -8 210 6,54
-36,34,10 41 6.51
Верхняя лобная извилина R 24,50,24 102 6,05
Средняя поясная извилина R 4, -6,40 114 5,73 Гиппокамп L -24, -18, -24 43 4,82
Боковое затылочно-теменное соединение L -40-74,86 46 46 46 R 14, -14,8 6.74
L -20, -12,12 6,59
Ствол головного мозга: спинные мосты 0, -26, -16 24 3,84 24 : средний мост 0, -26, -32 9 4,03
Ствол мозга: продолговатый мозг 2, -38, -44 33 5,31
Головка хвостатая R 10,24,2 6p 5.06
Повышение артериального давления (подгруппа из 7 участников без применения порогового значения вокселов)
Червь мозжечка 0, -60, -28 22 8,65
Медулла L -6, -32, -48 8478
Средний остров R 50,0,2 6 7,72
Средний остров L -50, -8,2 8 6.16
Артериальное давление снижается
Премоторная кора R 50, -4,30, 10 15,18
Средняя лобная извилина L -46,20,44 38 14
Нижне-височная кора R 46, -8, -28 33 12,04
Дорсальная передняя поясная извилина R 14,38,8 13 11
Нижняя лобная извилина L -62,14,22 24 9,71
Дорсально-затылочная кора L -428 L -428
Фронтальная крышка L -50,6,14, 10 9,35
Путамен R 18,26,66 22 переходы R 48, -38,30 18 8.24
Средний остров L -32, -12,0 18 8,18
Средний остров R 52,24, -2 15
Насыщение кислородом

Насыщение кислородом лежит в основе сигнала зависимости уровня оксигенации крови (ЖИРНЫЙ), используемого в экспериментах фМРТ для определения нервной активности. Относительная гипоксия, индуцированная в этом эксперименте, как отмечалось выше, вызвала усиление активации в мозгу, а не измеримое уменьшение BOLD-сигнала.Использование насыщения артериальной крови кислородом (SaO2) в качестве непрерывного регрессора для индивидуальных анализов первого уровня привело к отсутствию надпороговых положительно коррелированных кластеров активности на групповом уровне, в то время как активность в левой дорсолатеральной префронтальной коре увеличивалась с уменьшением SaO2 ().

Частота дыхания

Активность преимущественно правой дорсолатеральной префронтальной коры и скорлупы коррелировала с увеличением частоты дыхания (во всех условиях), в то время как было очень небольшое изменение активности серого вещества (было некоторое изменение перивентрикулярного сигнала), связанное с уменьшением частоты дыхания.Это отсутствие отрицательно коррелированного ответа контрастирует с наблюдаемыми эффектами условия задачи, описанными выше ().

Минутная вентиляция и дыхательный объем

Воксельная активность показала более сильную связь с изменениями в VE и VT. Активность увеличивалась в левой дорсолатеральной префронтальной коре, орбитомедиальной / фронтальной полярной коре, предклинье, двусторонней средней островке и таламусе с увеличением VE, что также было связано со снижением активности в нижней затылочной коре.Активность в мозговом веществе, среднем и дорсальном мостах, таламусе, двусторонней средней дорсальной островке, двусторонней скорлупе и надгенивальной поясной извилине и правой передней островке отслеживала увеличение ЖТ, наряду с предклинием верхней височной извилины и правой теменной долей. Голова хвостатого ядра отслеживает уменьшение ЖТ ().

Частота сердечных сокращений и вариабельность сердечного ритма

Активность, распределенная по всему мозгу, коррелировала со снижением колебаний частоты сердечных сокращений. Это включало изменения фокальной активности в мосту и таламусе, но особенно отражалось в активации двусторонней хвостатой скорлупы и сенсомоторной коры.Передний гиппокамп, ранняя зрительная кора, височные полюса и мозжечок также показали эту корреляцию с замедлением сердечного ритма. Не было надпороговых групп активности, которые положительно коррелировали с увеличением частоты сердечных сокращений.

Активность в мозговом веществе и гиппокампе положительно коррелировала с непрерывной вариабельностью сердечного ритма, полученной здесь из вариабельности межимпульсового интервала (стандартное отклонение более 15 секунд). Напротив, уменьшение вариабельности сердечного ритма было связано с повышенной активностью в пределах передней островковой части, дорсомедиальной префронтальной коры (пре-SMA) и области левой затылочной коры.

Артериальное давление и вариабельность артериального давления

Активность в мозговом веществе положительно коррелировала с межмолекулярным артериальным давлением в подгруппе участников, у которых она была измерена (N = 7). Коррелированная активность также присутствовала в двусторонней средней островке и черве мозжечка. Области, включая передний островок / глазничную покрышку, островок, переднюю поясную извилину, левую дорсолатеральную префронтальную кору и правое височно-теменное соединение, показали обратную взаимосвязь с колебаниями артериального давления между ударами ().

Ствол мозга коррелятов кардиореспираторного контроля

Ствол мозга опосредование кардиореспираторных изменений представлял особый интерес для этого исследования. Как уже отмечалось, гипоксическая нагрузка была связана с усилением активности в дорсальной средней части моста, в области, охватывающей Kölliker-Fuse, парабрахиальные ядра и голубое пятно [13]. Блоки медленного дыхания, по сравнению с дыханием с нормальной частотой, задействовали эту же область вместе с большим количеством областей рострального моста с двух сторон, включая периакведуктальное серое вещество, в средний мозг и гипоталамус (2).Примечательно, что мы не наблюдали активности ствола мозга, отражающей надпороговое взаимодействие между гипоксической нагрузкой и медленным ритмом дыхания.

Корреляция между активностью ствола мозга и динамическими физиологическими изменениями в ходе экспериментального исследования обеспечивает дальнейшее понимание проксимальных кардиореспираторных регуляторных центров (): активность в вентральной верхней части мозгового вещества отслеживала вариабельность сердечного ритма у всех участников. В том же регионе отслеживались колебания артериального давления между сердечными сокращениями у тех участников, для которых были доступны эти данные, что свидетельствовало о его прямом участии в контроле барорефлекса.Активность в спинном мозге коррелирует с изменениями дыхательного объема, эта область охватывает часть ядра единственного тракта. Внутри среднего мозга PAG и более передняя ростральная область среднего мозга коррелировали со снижением частоты сердечных сокращений в ходе эксперимента. Последний центр перекрывался с активностью, которая увеличивалась с увеличением дыхательного объема. Как снижение частоты сердечных сокращений, так и увеличение дыхательного объема от одного дыхания к другому были также связаны с активацией средней части моста непосредственно перед областью, реагирующей на гипоксические нагрузки и медленным ритмом дыхания ().

Очаговая деятельность ствола мозга, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Избранная иллюстрация активности, связанной с физиологическими изменениями. Данные проиллюстрированы при пороговой значимости по вокселям P <0,001 без коррекции). A) в мозговом веществе, где один и тот же локус отражает повышение артериального давления и увеличение вариабельности сердечного ритма в соответствии с нервным субстратом для барорефлекса, опосредующего приспособления к гипоксической нагрузке. B) в мосту и среднем мозге, где соседние ядра демонстрируют взаимосвязь с уменьшением частоты сердечных сокращений и увеличением дыхательного объема, предположительно представляя человеческие гомологи центров ствола мозга, поддерживающих кардиореспираторное сцепление, как было выявлено у экспериментальных животных.

Вклад островковой коры

Предполагаемая роль островка как висцеросенсорной коры заставила нас специально исследовать, как активность внутри субрегионов [21] островка отражает экспериментальные условия и / или коррелирует с физиологическими изменениями во время экспериментальной сессии. Мы сохранили тот же порог значимости, что и для данных, представленных в другом месте, и не применили менее строгие поправки на небольшой объем локальной области интереса для статистической значимости. В целом, основные эффекты гипоксии или ритмичного дыхания с медленной по сравнению с нормальной частотой не были связаны с заметными изменениями в активации островных областей.Дискретный кластер активности в пределах левого переднего (агранулярного) островка, однако, действительно отражает взаимодействия между этими состояниями. В ходе эксперимента большая часть от задней части к передней части островка, от гранулярных, дисгранулярных до агранулярных областей с обеих сторон, показала усиленную активацию с уменьшением частоты сердечных сокращений. Этот эффект также отражался в повышенной активности в соседних базальных ганглиях. Похожая картина наблюдалась в отношении увеличения дыхательного объема, на этот раз в основном ограниченного правым полушарием и с преобладанием дискретного кластера активности в задней гранулярной островке с дальнейшим кластером в передней части агранулярного островка.Здесь также подкорковые хвостатые и таламическая активность были преимущественно правосторонними. Повышение уровня CO2 в конце выдоха вызывало двустороннюю активность задней / средней части островка (гранулярную / дисгранулярную). Повышение активности в той же области в ответ на изменение дыхательного объема предполагает, что эта область может поддерживать интегрированное представление хемосенсорных и механорецептивных респираторных сигналов. Поэтому было интересно, что эта зернистая островная область также отражала динамическое повышение артериального давления в подгруппе участников, для которых были получены такие данные.Снижение вариабельности сердечного ритма, вероятно, отражающее подавление барорефлекса, было связано с повышенной активацией левого переднего агранулярного островка, в то время как увеличение вариабельности артериального давления (которое в группах пациентов может представлять собой отрицательный показатель здоровья сердечно-сосудистой системы) было связано с усиленной активацией в правой дорсальной передней части. (дисгранулярная) кора островка ().

Очаговая активность коры островка, коррелирующая с физиологическими изменениями.

Представлены сагиттальные и горизонтальные срезы стандартного головного мозга, чтобы выделить изменения активности в пределах коры островка, связанные с вызванными заданием изменениями физиологических регрессоров.Следует отметить компоненты изменения сигнала глубокого островка, связанные с уменьшением частоты сердечных сокращений, слияние с заметным вовлечением базальных ганглиев, отражающее активацию стриатокортикального слоя, ранее наблюдавшуюся в отношении замедления сердечного ритма, связанного с ожиданием [22]. Широко распределенное изменение сигнала, связанное с этим конкретным анализом, вероятно, несет в себе большую часть артефактов, помимо того, что контролировалось путем включения движения, глобальных и артериальных регрессоров O 2 / end tidalCo 2 в качестве искажающих ковариат в анализах.Вентиляция (ЖТ) вызвала преимущественно правополушарные изменения в теменной и островковой части коры и базальных ганглиях. Повышение CO в конце выдоха 2 было связано с усиленной активацией заднего «первичного интероцептивного» островка, но не влияло на глобальный сигнал при пороговой значимости. Вариабельность сердечного ритма, повышение артериального давления и вариабельность артериального давления были связаны с очаговой активацией отдельных субрегионов передней и средней островков, согласующихся с висцеротопографией [23].Данные проиллюстрированы с поправкой на значимость P <0,05, определяемую комбинацией значимости по вокселям и пороговых значений степени кластера (см. Методы).

Обсуждение

Наше исследование изначально было вызвано интересом к сообщаемым преимуществам для здоровья и психологическим последствиям медленного дыхания около шести вдохов в минуту, которое, как наблюдается, повышает чувствительность барорефлекса и ослабляет сердечно-сосудистые реакции на такие проблемы, как гипоксия. Более того, тренировка медленного дыхания в таких практиках, как йога, и в определенных клинических группах дает субъективную и клиническую пользу.Здесь мы применили сложную комбинацию экспериментальной респираторной физиологии, подробного мониторинга сердечно-сосудистой системы и функциональной визуализации мозга, чтобы охарактеризовать нейронные механизмы, посредством которых центральный контроль дыхания взаимодействует с вегетативными сердечно-сосудистыми реакциями, в том числе вызываемыми во время гипоксической нагрузки. Наши результаты позволяют по-новому взглянуть на эти механизмы у людей, подчеркивая вклад ствола мозга и переднего мозга в интеграцию произвольного дыхания с внутренним состоянием тела, включая адаптивные сердечно-сосудистые реакции.Однако в нашем исследовании не учитывались различия в влиянии медленного дыхания на субъективное настроение, что, вероятно, связано с (неестественными) экспериментальными процедурами. Однако как наши физиологические данные, так и данные нейровизуализации предполагают механизмы, которые могут способствовать субъективным психологическим эффектам медленного дыхания в других контекстах (например, усиление вентрального полосатого тела при медленном дыхании во время гипоксической нагрузки). Этот второстепенный вопрос будет изучен в дальнейших исследованиях, в которых также будут использованы различия между обученными «йогическими» дышащими и людьми, не прошедшими такой подготовки.

Мы проверили гипотезу о том, что медленное дыхание модулирует вегетативные реакции на гипоксию посредством дискретного набора нейронных процессов. Мы показываем, что эти процессы порождают активность в центрах ствола мозга, поддерживающую гомеостатические рефлексы, одновременно с активностью в областях переднего мозга, поддерживая волевой контроль, аффективное состояние и висцеральные ощущения. Эти результаты были получены на основе сложной комбинации функциональной нейровизуализации, подробного физиологического мониторинга (включая способность исследовать мозговые корреляты артериального давления между ударами) и интервенционной экспериментальной физиологии человека.Выявляя и разделяя региональные паттерны реакций мозга на медленное дыхание, гипоксию и их взаимодействие, мы обеспечиваем понимание механизмов, в более широком смысле связанных с положительными преимуществами для здоровья, включая улучшение сердечно-сосудистой функции и психологического благополучия.

В исследованиях физиологии человека с помощью нейровизуализации используются технические и методологические достижения. Например, можно уверенно идентифицировать функциональную активацию ядер ствола мозга [24]. Существуют разные подходы к управлению движением и физиологическими сигналами, которые могут искажать сигналы нейровизуализации, особенно вокруг ствола мозга [25] [26].Однако традиционные методологические подходы или их модификации, дополненные одновременным сбором физиологических данных, могут достигать сильных результатов без a priori отклонения компонентов данных, которые могут отражать функциональную взаимозависимость нервных и других физиологических сигналов [11] [11] [ 24] [27–29]. В этом контексте настоящее исследование было предпринято с множественными физиологическими измерениями, касающимися дыхания и сердечно-сосудистой функции, чтобы дать интерпретативное понимание нервных реакций, сопровождающих экспериментальные манипуляции с дыханием.Тем не менее, мы также признаем ограничения в степени, в которой можно контролировать не нейронные эффекты на BOLD-сигнал. Предоставляя подробный отчет, полученный уникальным образом с помощью многоосной физиологической записи, наши результаты локализуют и количественно определяют изменение сигнала, которое может представлять собой артефакт или физиологическое отклонение от обычных исследований нейровизуализации. Доступен ряд различных технических подходов, направленных на вычитание физиологического шума из наборов данных функциональной нейровизуализации. Они по-разному основаны на регрессии глобальных сигналов и сигналов тканевых компартментов или на декомпозициях, определяемых априорными распределениями сердечных и респираторных сигналов [30] [31], и получили широкое признание в области исследований в состоянии покоя.Некоторые из более сложных подходов в принципе можно было бы применить и к имеющимся данным, относящимся к задаче; мы использовали только коррекцию движения, пропорциональное масштабирование глобального сигнала и, для условий задачи, также включение регрессоров SaO 2 и CO 2 . Однако, поскольку по определению физиологические сигналы и нейронные репрезентации висцерального состояния, по крайней мере, частично коррелированы, чрезмерная коррекция испортила бы результаты, удалив отклонения, связанные не только с шумом, но и с интересующей нейронной активностью.В настоящем исследовании мы рассматриваем это как более серьезный риск, чем риск ложных срабатываний, поскольку риск неправильного вывода в целом снижается за счет мониторинга нескольких физиологических осей и наблюдения конвергентных корреляций в анатомических структурах, для которых есть априори. доказательства участия в гомеостатическом контроле.

В стволе мозга наше исследование подчеркивает специфическое участие мозговых и понтинных ядер в кардиореспираторном контроле, расширяя текущие знания о ответах ствола мозга на респираторную проблему у животных и людей.Исследования на грызунах указывают на вентральный респираторный столб в мосту и мозговом веществе, содержащий инспираторные и экспираторные премоторные нейроны и охватывающий пре-Бетцингерское ядро, которое содержит ритмогенные нейроны, особенно для вдоха. Более рострально, вентрально по отношению к лицевому ядру, нейроны в ретротрапециевидном ядре управляют истечением [8]. Интересно, что активация ствола мозга, наблюдаемая в нашем исследовании, выделяет дорсальные ядра больше, чем этот вентральный столбик. Хотя это наблюдение согласуется с опубликованными исследованиями дыхания с помощью нейровизуализации человека, где дорсальные мозговые ядра (NA / NTS) и центры моста демонстрируют более сильную активацию респираторной нагрузки, следует отметить, что вентральное мозговое ядро, которое мы идентифицируем, также отражает показатели сердечно-сосудистой системы (увеличивает частоту сердечных сокращений). артериального давления и вариабельности сердечного ритма), которые близко совпадают с барорефлексом.Активность в дорсальной мозговой области, включая NA / NTS, усиливалась за счет увеличения дыхательного объема от одного дыхания к другому. В отличие от того, где мы видим активность в ростральном вентральном мозговом слое, связь связана с сердечно-сосудистыми реакциями, связанными с контролем барорефлекса (артериальное давление и вариабельность сердечного ритма), а не с респираторными проблемами, которые в конечном итоге породили эти сердечные реакции. Активность в спинном мосту также была связана с увеличением дыхательного объема, что особенно заметно на контрасте между медленным и нормальным ритмом дыхания.Задействованные области, охватывающие шовные и парабрахиальные ядра, PAG и locus coeruleus, примыкают к кластерам активности, отвечающим на гипоксический вызов (средний мост) и замедление сердечного ритма. В целом картина в стволе мозга предполагает функциональную модульность, характеризующуюся интегрированным кардиореспираторным контролем.

Наблюдаемый образец ответа мозга на гипоксическое воздействие соответствует реакции на стресс. Повышенная активность в двусторонней миндалине, области, участвующей в обработке страха, сопровождается вовлечением «воспринимающей угрозу» ранней зрительной коры, предварительной дополнительной моторной коры «подготовка к действию» и области голубого пятна в мосту (источник восходящей норадренергической активности). проекции возбуждения).Это сочетание аффективных нейронных реакций может быть вызвано и условным раздражителем-угрозой. У людей знания о функциональных изменениях мозга в результате гипоксии ранее были ограничены. У анестезированных грызунов снижение уровня вдыхаемого O 2 ниже 10% ослабляет ЖИРНЫЕ ответы (т.е. сигнал, используемый для определения нейронной активности в экспериментах с фМРТ) [32]. У бодрствующих грызунов гипоксия увеличивает церебральный кровоток, отчасти за счет системных сердечно-сосудистых реакций [33].У людей мозговой кровоток увеличивается при гипоксии, но это может иметь непостоянное влияние на эффект BOLD-сигнала [34]. Наши данные согласуются с скоординированной нейронной реакцией, усиливая общий жирный сигнал через мозг и задействуя области мозга, которые обычно связаны с защитным поведением и поведением бегства. Мы также наблюдали связанное с гипоксией изменение активности в областях, близких к таламусу, и потенциально это может представлять гомолог субталамической области, описанной Reis и соавторами, опосредующей связанную с гипоксией церебральную вазодилатацию в сочетании с вентролатеральным мозговым веществом [35].

Контролируемое медленное дыхание вызывало широкие изменения активности за пределами спинного моста, затрагивающие гипоталамус и таламус, базальные ганглии, сенсомоторную кору и преддополнительную двигательную область. Вовлечение последних моторных областей наблюдается также во время задержки дыхания и волевого гиперпноэ [12] [36–38]. Взаимодействие между медленным дыханием и гипоксической нагрузкой было одним из важных факторов мотивации для настоящего исследования. Медленное дыхание со скоростью около шести вдохов в минуту связано с ослаблением вегетативных реакций на гипоксический стресс и сохранением чувствительности к барорефлексу как у здоровых людей, так и у людей на высоте, а также у пациентов с сердечной недостаточностью и гипертонией [3] [5] [39] [40] .Более того, есть мотивационный элемент, поскольку: преимущества медленного дыхания обычно сопровождаются субъективным чувством спокойствия, которое потенциально лежит в основе применения контроля дыхания в медитации и йоге [6]. Однако в рамках нашего исследования медленное дыхание увеличивало дыхательный объем, но в остальном не вызывало серьезных изменений дыхательных и вегетативных параметров или состояния субъективных ощущений. Это расхождение с более ранними (лабораторными) исследованиями, вероятно, объясняется рядом ограничивающих факторов: размер выборки был относительно небольшим, а участники (некоторые из которых были « обученными дышащими ») в среднем имели относительно низкую частоту спонтанного дыхания. .Также важна степень дискомфорта, связанного с дыхательным аппаратом в стесненной среде катушки МРТ сканера. Наконец, имел место компромисс между длительностью экспериментальных периодов, оптимальных для исследований фМРТ «блочного дизайна», и продолжительностью эффективных физиологических манипуляций. Это привело нас к выбору коротких периодов различных условий дыхания (продолжительность 1 минута, т.е. 6 вдохов для медленного дыхания), которые намного короче, чем для опубликованных лабораторных испытаний.Это определенно ограничивало величину общих изменений, и, как таковые, не было никаких взаимодействий между гипоксией и частотой дыхания, выраженных в периферических физиологических показателях, которые достигли значимости критерия. Однако в целом наша уверенность в обобщаемости результатов, особенно в мозге, повышается благодаря тому факту, что мы наблюдали некоторые эффекты в ожидаемом направлении, несмотря на особые условия, необходимые для проведения комбинированного физиологического и нейровизуализационного исследования. Также примечательно, что среди множества областей мозга, которые действительно выражали значительную взаимосвязь между гипоксией и частотой дыхания, были двустороннее вентральное полосатое тело, область, участвующая в мотивационном влечении, и левый лобный полюс, предположительно поддерживающий психофизиологическую регуляцию и регуляцию внимания [41] [42]. ].Предположительно, этот паттерн изменений может отражать переход от «состояния дистресса» (в данном случае вызванного гипоксией) к более созерцательному психическому состоянию, усиливающему внимание и способствующему самоанализу.

Наши наблюдения за островковой корой головного мозга частично дают представление о прогнозируемых эмоциональных последствиях гипоксической проблемы и ее модуляции медленным дыханием. В соответствии с висцеросенсорной ролью коры островка, изменения активности сопровождались изменениями частоты сердечных сокращений, вариабельности частоты сердечных сокращений, дыхательного объема, уровня CO 2 , межкадрового кровяного давления и краткосрочной изменчивости кровяного давления.Одним из сюрпризов в этих данных является то, что активность отрицательно коррелировала с частотой сердечных сокращений в этих экспериментальных манипуляциях на билатеральном островке в сочетании с аналогичными изменениями во всем неостриатуме. Это контрастирует с более обычным паттерном активности островков, связанным с увеличением сердечно-сосудистой активности в исследованиях нейровизуализации. Тем не менее, были ответы задней и средней части островка на повышение артериального давления и ответа левой передней части островка на снижение вариабельности сердечного ритма, оба составляющих индикатора подавления барорефлекса [43].Повышение CO 2 в конце выдоха, другого физиологического фактора дыхания, также было связано с усилением активности задней и средней части островка. Однако передняя агранулярная кора островка, участвующая в сознательном доступе к висцеросенсорным представлениям и их преобразованию в эмоциональные состояния, не реагировала устойчиво на гиперкапнию или даже на гипоксическое влечение к дыханию. Эти данные, наряду с доказательствами того, что паника может быть вызвана респираторной стимуляцией независимо от миндалины [44], могут помочь в проведении целевых вмешательств при одышке, связанном с ней дистрессе и выражении вегетативных стрессовых реакций.

Гипоксемия (низкий уровень кислорода в крови) Причины

Несколько факторов необходимы для непрерывного снабжения клеток и тканей вашего тела кислородом:

  • В воздухе, которым вы дышите, должно быть достаточно кислорода
  • Ваши легкие должны иметь возможность вдыхать кислородсодержащий воздух и выдыхать углекислый газ
  • Ваш кровоток должен обеспечивать циркуляцию крови к вашим легким, поглощать кислород и переносить его по всему телу

Проблема, связанная с любым из этих факторов — например, большая высота, астма или болезнь сердца — может привести к гипоксемии, особенно в более экстремальных условиях, таких как физические упражнения или болезнь.Когда уровень кислорода в крови падает ниже определенного уровня, вы можете испытывать одышку, головную боль, замешательство или беспокойство.

Общие причины гипоксемии включают:

  1. Анемия
  2. ОРДС (острый респираторный дистресс-синдром)
  3. Астма
  4. Врожденные пороки сердца у детей
  5. Врожденные пороки сердца у взрослых
  6. ХОБЛ (хроническая обструктивная болезнь легких) обострение — обострение симптомов
  7. Эмфизема
  8. Интерстициальное заболевание легких
  9. Лекарства, такие как некоторые наркотики и анестетики, угнетающие дыхание
  10. Пневмония
  11. Пневмоторакс (коллапс легкого)
  12. Отек легких (избыток жидкости в легких)
  13. Тромбоэмболия легочной артерии ( сгусток крови в артерии легкого)
  14. Легочный фиброз (рубцы и повреждение легких)
  15. Апноэ во сне

Показанные здесь причины обычно связаны с этим симптомом.Проконсультируйтесь со своим врачом или другим медицинским работником для точного диагноза.

Получите самую свежую информацию о здоровье от экспертов Mayo Clinic.

Зарегистрируйтесь бесплатно и будьте в курсе достижений в области исследований, советов по здоровью и актуальных тем, касающихся здоровья, таких как COVID-19, а также опыта в области управления здоровьем.

Узнайте больше об использовании данных Mayo Clinic.

Чтобы предоставить вам наиболее актуальную и полезную информацию и понять, какие информация полезна, мы можем объединить вашу электронную почту и информацию об использовании веб-сайта с другая имеющаяся у нас информация о вас. Если вы пациент клиники Мэйо, это может включать защищенную медицинскую информацию.Если мы объединим эту информацию с вашими защищенными информация о здоровье, мы будем рассматривать всю эту информацию как защищенную информацию и будет использовать или раскрывать эту информацию только в соответствии с нашим уведомлением о политика конфиденциальности. Вы можете отказаться от рассылки по электронной почте в любое время, нажав на ссылку для отказа от подписки в электронном письме.

Подписаться!

Спасибо за подписку

Наш электронный информационный бюллетень Housecall будет держать вас в курсе самой последней информации о здоровье.

Извините, что-то пошло не так с вашей подпиской

Повторите попытку через пару минут

Повторить

  • Определение
  • Когда обращаться к врачу
Дек.01, 2018 Показать ссылки
  1. Теодор AC. Оксигенация и механизмы гипоксемии. http://www.uptodate.com/home. Проверено 18 ноября 2015 г.
  2. Wilkinson JM (экспертное заключение). Клиника Мэйо, Рочестер, Миннесота, 28 ноября 2015 г.
  3. AskMayoExpert. Гипоксемия. Рочестер, Миннесота: Фонд Мейо медицинского образования и исследований; 2014.
  4. Broaddus VC, et al., Eds. Острая гипоксическая дыхательная недостаточность и ОРДС. В: Учебник респираторной медицины Мюррея и Наделя.6-е изд. Филадельфия, Пенсильвания: Сондерс Эльзевир; 2016. http://www.clinicalkey.com. Проверено 18 ноября 2015 г.
  5. Vincent JL, et al., Eds. Артериальная гипоксемия. В кн .: Учебник реанимации. 6-е изд. Филадельфия, Пенсильвания: Сондерс Эльзевир; 2011. http://www.clinicalkey.com. Проверено 18 ноября 2015 г.
  6. Штрол КП. Обзор обструктивного апноэ во сне у взрослых. http://www.uptodate.com/home. Проверено 18 ноября 2015 г.
  7. Wilkins MR, et al.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *