Auch wenn das Herz schlägt aus einem sehr vertraut " lub - dub" Muster , der beschleunigt oder verlangsamt sich unsere Tätigkeit erhöht oder verringert , wird das Muster selbst ist nicht so regelmäßig wie Sie vielleicht denken. In der Tat kann die Zeit zwischen den Herzschlägen , selbst bei einer " konstanten " Herzfrequenz variieren - und dieser Variabilität , Ärzte haben festgestellt , ist eine gute Sache .
Reduziert die Herzfrequenzvariabilität (HRV) ist gefunden worden, prädiktiv für eine Reihe von Krankheiten , wie kongestive sein Herzinsuffizienz und Entzündung . Für Sportler wurde ein Rückgang der HRV auch in Verbindung gebracht worden Müdigkeit und Übertraining . Doch die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen, die HRV kontrollieren - und genau, warum diese Variante ist wichtig für eine gute Gesundheit - sind immer noch ein bisschen ein Rätsel .
Durch die Kombination von Herzfrequenzdaten von echten Athleten mit einem Zweig der Mathematik genannt Kontrolltheorie , einem gemeinsamen Team von Ärzten und Caltech -Forscher von der Abteilung für Technik und angewandte Wissenschaften haben nun einen Weg, um die Beziehung zwischen HRV und die Gesundheit besser zu verstehen - einen Schritt dass bald informieren könnte besser Überwachungstechnologien für Sportler und Mediziner .
Die Arbeiten wurden in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht .
Um einen reibungslosen Ablauf , komplexe Systeme , wie zum Beispiel Computer-Netzwerken, Autos und sogar im menschlichen Körper , verlassen sich auf Geben und nehmen Verbindungen und Beziehungen zwischen einer großen Anzahl von Variablen ; wenn eine Variable muss stabil , um ein gesundes System zu erhalten bleiben, muss eine andere Variable in der Lage , sich zu biegen , dass die Stabilität aufrecht zu erhalten. Weil es zu schwierig wäre , jede einzelne Variable zuordnen, die Mathematik und Software-Tools in der Regelungstechnik verwendet, ermöglichen Ingenieuren, die Höhen und Tiefen in einem System zusammenfassen und ermitteln die Ursache eines möglichen Problems .
Forscher, die Kontrolltheorie studieren entdecken zunehmend , dass diese Konzepte können auch sehr nützlich in Studien des menschlichen Körpers sein . Damit ein Körper optimal funktioniert, muss es in einem Umfeld von Stabilität als Homöostase zu betreiben. Wenn der Körper Erfahrungen Stress - Zum Beispiel aus der Ausübung oder extremen Temperaturen - eine stabile halten können Blutdruck und konstante Körpertemperatur teilweise durch Wählen der Herzfrequenz nach oben oder unten . Und HRV spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung dieses Gleichgewicht , sagt Studie Autor John Doyle , die Jean- Lou Chameau Professor für Steuer- und Dynamische Systeme , Elektrotechnik und Bioengineering .
" Eine vertraute verwandtes Problem ist in Fahrt ", sagt Doyle. " Um zu einem Ziel trotz unterschiedlicher Wetter- und Verkehrsbedingungenzu erhalten, jeder Fahrer - auch ein Roboter eine - . Werden Faktoren wie Beschleunigen, Bremsen , Lenkung und Scheibenwischer ändern Wenn diese Faktoren plötzlich eingefroren und unveränderlich , während das Auto noch in Bewegung , es wäre eine fast sicher , dass ein Prädiktor Absturz war unmittelbar bevorstehen. Ebenso Verlust der Herzfrequenzvariabilität prognostiziert eine Art von Störung oder "Crash ", oft bevor es einen anderen Hinweis darauf , "sagt er.
Zu untersuchen, wie HRV hilft, diese Version von " Cruise Control " in den menschlichen Körper , Doyle und seine Kollegen messen die Herzfrequenz , Atemfrequenz , Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxidbildung von fünf gesunden jungen Athleten , wie sie abgeschlossen experimentelle Übung Routinen auf stationären Fahrräder.
Durch die Kombination der Daten aus diesen Experimenten mit Standardmodellen der physiologischen Kontrollmechanismen in den menschlichen Körper , die Forscher waren in der Lage, die wesentlichen Vor- und Nachteile , die notwendig sind , um festzustellen, für Sportler genug Leistung, um eine Übung Arbeitsaufwand zu halten produzieren und gleichzeitig die Innen Homöostase ihre Vitalfunktionen .
"Zum Beispiel muss das Herz, die Lunge und den Kreislauf ausreichend mit Sauerstoff angereichertes Blut zu den Muskeln und anderen Organen , während Blutdruck nicht so viel, um das Gehirn zu beschädigen Anhebung liefern" sagt Doyle. "Das wird in Abstimmung mit Kontrolle der Blutgefäße in den Muskeln und im Gehirn , und die Kontrolle der Atmung durchgeführt . Da die körperlichen Anforderungen der Übung Änderung müssen die Muskeln schwankenden Leistungen , und das Herz, die Blutgefäße zu produzieren , und die Lunge muss dann reagieren auf den Blutdruck und die Sauerstoffversorgung in engen Grenzen zu halten. "
Sobald diese Kompromisse wurden definiert, so die Forscher Kontrolltheorie , um die Trainingsdaten zu analysieren und festgestellt, dass ein gesundes Herz muss bestimmte Muster der Variabilität während des Trainings aufrecht zu erhalten , um dieses komplizierte System im Gleichgewicht zu halten . Der Verlust dieser Variabilität ist ein Vorläufer von Ermüdung, die Stress durch Ausübung induziert. Heute können einige HRV -Monitore in der Klinik ließ der Arzt wissen, wann Variabilität hoch oder niedrig ist , aber sie sind in der Art eines umsetzbaren Diagnose bieten wenig .
Da Monitore in Krankenhäusern bereits HRV Ebenen und Dutzende anderer Signale und Messwerte liefern , die Integration von solchen mathematischen Analysen der Kontrolltheorie in HRV Monitoren konnte , in der Zukunft , bieten eine Möglichkeit, einen Rückgang der HRV zu einer spezifischeren und behandelbar verlinken Diagnose. In der Tat, eine der Doyles Schüler hat eine HRV Anwendung der Regelungstheorie verwendet werden, um besser zu interpretieren traditionelle EKG-Signale .
Kontrolltheorie könnte auch in die HRV -Monitore von Sportlern verwendet werden , um Müdigkeit und Verletzungen durch Übertraining verhindern integriert werden , sagt er.
" Ärzte, die in sehr datenintensive Einstellungen wie OP oder Intensivstation arbeiten, sind dringend Möglichkeiten, um schnell und akut interpretieren die Datenflut ", sagt Marie Csete , MD ( PhD, '00 ) , Chief Scientific Officer bei der Huntington Medical Research Institute und Co-Autor auf dem Papier. " Wir hoffen, dass diese Arbeit ist ein erster Schritt in einem größeren Forschungsprogramm, das Ärzten eine bessere Nutzung der Daten, die für die Patienten kümmern können. "
Diese Studie ist nicht der erste, der Regelungstechnik in der Medizin Anwendung. Regelungstechnik hat bereits den Entwurf eines tragbaren künstlichen Bauchspeicheldrüse für Typ-1- Diabetes-Patienten und einer automatisierten Prototyp -Gerät, das die Verabreichung von Anästhetika während der Operation steuert informiert . Es wird auch nicht das letzte Mal sein , sagt Doyle, deren Sehenswürdigkeiten sind nächste Satz zur Verwendung von Kontrolltheorie , um die Progression von Krebs zu verstehen.
"Wir haben ein neues Konzept , in ähnlicher Weise auf die Kontrolle über Netzwerke , die organisiert und integriert eine Reihe neuer Ideen im Umlauf über die Rolle der gesunden Stroma basiert - Nicht-Tumorzellen in Tumoren vorhanden - bei der Förderung der Krebsprogression ", sagt er .
"Basierend auf Gesprächen mit Dr. Peter Lee am City of Hope [a Krebsforschung und Behandlung Center ] , wir verstehen, dass die Nicht-Tumorzellen interagieren mit dem Immunsystem und mit Chemotherapeutika , den Krankheitsverlauf zu modulieren ", sagt Doyle. " Und ich hoffe, es ist eine ähnliche Geschichte dort , wo das Denken konsequent über die Vor- und Nachteile in der Entwicklung , Regeneration, Entzündungen, Wundheilung und Krebs zu neuen Einsichten und letztendlich neue Therapien zu führen."
Andere Caltech Koautoren der Studie gehören ehemalige Doktoranden Na Li (PhD '13 ) jetzt ein Assistent Professor an der Harvard ; Somayeh Sojoudi (PhD '12 ), die derzeit an der NYU , und Doktoranden Chenghao Simon Chien und Jerry Cruz . Weitere Mitarbeiter über die Studie wurden Benjamin Recht , ein ehemaliger Postdoc-Stipendiat in Doyles Labor und jetzt ein Assistent Professor an der UC Berkeley ; Daniel Bahmiller , ein Arzt Ausbildung in der öffentlichen Gesundheit ; und David Stone , MD, ein Experte in der Intensivmedizin an der University of Virginia School of Medicine.