脳灌流は、脳の自己調節を通じて、さまざまな圧力にわたって維持されます。ただし、オートレギュレーションの特性評価には、レギュレーションされた周波数での顕著な圧力変動が必要です。説明されているプロトコルは、振動性下半身の負圧が圧力変動を生成して、自己調節曲線の定量化のための投影追跡回帰のデータを提供する方法を示します。
脳灌流は、脳の自己調節を通じて、さまざまな圧力にわたって維持されます。ただし、オートレギュレーションの特性評価には、レギュレーションされた周波数での顕著な圧力変動が必要です。説明されているプロトコルは、振動性下半身の負圧が圧力変動を生成して、自己調節曲線の定量化のための投影追跡回帰のデータを提供する方法を示します。
脳灌流全身圧力の広い範囲にわたって一定に維持されるプロセスとして知られている「脳の自己調節」圧力変化に対する流量の効果的な減衰は、〜15秒のように短い期間にわたって発生し、より長い期間にわたって徐々に大きくなる。したがって、血圧の遅い変化が効果的に平滑化され、より高速な変化又は変動は比較的影響を受けた脳血流に通過する。脳の自己調節の周波数依存性を特徴付ける主要な困難は、対象となる周波数の周りの動脈圧(〜0.07 Hzまたは〜15秒未満)で顕著な自発的な変動がないことである。振動下半身陰圧(OLBNP)はOLBNPの周波数での動脈圧変動をもたらす中心静脈リターンにおける振動を生成するために使用することができる。また、射影追跡回帰(PPR)はcharacterizにノンパラメトリック方法を提供し、電子非線形先験的な仮定のないシステムに固有の関係とは、脳の自己調節の特性非直線性を明らかにしている。負圧力振動の周波数が遅くなるようOLBNPは、動脈圧の大きな変動を発生させる。しかし、脳の血流の変動は次第により少ないとなる。したがって、PPRは、下記OLBNP 0.05ヘルツの周波数と(20秒サイクル)で、ますます顕著自己調節領域を示している。このアプローチの目的は、圧力および脳フロー間の特性の非線形関係の実験室ベースの決定を可能にする統合脳血管制御、ならびに外傷性脳損傷後に損なわれ、脳の自己調節( 例えば 、基礎となる生理学的な変化にユニークな洞察を提供することができ、ストローク、 等 )。
脳灌流全身圧力の広い範囲にわたって一定に維持されるプロセスとして知られている「脳の自己調節」脳血流応答のオリジナルの観察は、1毎日の調節のために非常に重要である動脈圧の変化に対するカウンタレギュレーションをサポート脳灌流の。自動調節の特徴が維持制御機能低下および高血圧の研究に基づいていたが、2,3、抵抗圧力誘起変化は10から90秒に変更を包含する「振動プロセスの3であることが確認された。4また、内過去20年間、基礎5は、脳の流れがわずか心拍限り短い期間にわたって調節されることが示されているビート·バイ·ビート。6,7における脳血流速度の測定は、これらのビート·バイ·ビートのデータが有効であることを示唆している圧力変化に対する流れの減衰がオーバー発生〜15秒のように短い期間と、より長い期間にわたって徐々に大きくなる。8したがって、ハイパスフィルタとしての圧力と流量の関数関係7,9-12血圧の遅い変化が効果的に平滑化され、より高速な振動が通過することを特徴比較的影響を通して。
脳の自己調節の周波数依存性を特徴付ける主要な困難は、対象となる周波数の周りの動脈圧(〜0.07 Hzまたは〜15秒未満)で顕著な自発的な変動がないことである。十分に大きな圧力振動せず、一方が正確に脳血流応答を定量化することができない。我々の研究室では、振動下半身陰圧(OLBNP)として知られている技術を使用することによって、この制約に対処している。これは、減少した静脈経壁圧にタンク内の負圧のレベルに比例尾静脈血液量シフトを生成する。場合には負のpressu設定した間隔で適用され、再、OLBNPの周波数での動脈圧変動における中心静脈リターン結果の振動。このアプローチは、異なる研究室全体でいくつかの研究で使用されてきた。8,14-17これにより減少静脈経壁圧にタンク内の負圧のレベルに比例尾静脈血液量シフトを生成する。負圧が設定された間隔で印加されると、中央の静脈還流の振動はOLBNPの周波数での動脈圧変動をもたらす。このアプローチは、異なる研究室全体でいくつかの研究で使用されてきた。8,15-18
でも、対象となる周波数の周りの動脈圧で顕著な変動を発生させることができるアプローチで、複雑な要因があります:脳自己調節における非線形性の有意な証拠は、特に最も低い周波数では、そこにある8また、強い理論的なガイドはありません。脳自己調節に存在する非線形性の性質として。したがって、我々は、我々の分析で射影追跡回帰(PPR)として知られている理論に基づかない、データ駆動型メソッドを使用します。19 PPRは、これらの非線形性の性質などの任意の先験的な仮定することなく、システムに内在する非線形関係を特徴づけるノンパラメトリック手法である。これは、その生理学まだ明示的な非線形モデルによって定義されていないシステムを捕捉するための決定的な利点である。 PPRは、脳の自己調節の特性の非直線性は、最初1959年にラッセンによって記載された「古典的な自己調節曲線」( 図1)。ある2,19に似ていることが明らかになった、脳の血流が動脈圧の一定の範囲内で比較的一定のままであるが、受動的にこの範囲外の線形に追跡する。動脈圧変動が遅くなるように、この形状は、より明らかになる。したがって、線形解析は完全にinterrogaには不十分であるリニア技術に関するTE脳自己調節と信頼は、おそらく重要な情報を外す
この記事の我々の詳細には私たちが健康と病気で脳の自己調節を特徴付けるために使用するデータ集録(OLBNPの実験に使用される)と分析(PPR)の両方にアプローチ。
1.振動下半身陰圧(OLBNP)
2.射影追跡回帰(PPR)

120mmHgで17までの10 mmHgの22からOLBNP振幅は、動脈圧変動を増強するために使用されてきたが、30 mmHgのOLBNPは、脳血管系の調節能力を超え23,24十分ではない。17 OLBNP結果このレベルの血圧振動のそれスタンディングに座っから行くときの血圧の変化が発生して以下である0.03 Hzで、少なくとも大きさが約15〜20 mmHgである。25、いくつかの制限がOLBNPの動脈圧変動を発生させることができる範囲にある。自己調節は、〜0.07 Hzから遅い時のみ有効ですので、上限は問題ではありません。しかし、0.03 Hz以下の低周波振動を生成することが困難で、サイクルが完了する前に、心血管系のLBNP誘導性の動脈圧の変化に対するカウンタレギュレートすることである。 図4に示すように、0.025 HzのOLBNPで私たちは実際に最大のピークを参照してください。0.05 Hzで動脈圧振動。それらは自己調節機能の範囲を表しているので、脳の自己調節の周波数応答(自己調節が活性である範囲内の時間スケール、23,24 0.03 Hzから0.08 HzのOLBNP十分であると定義するために0.03ヘルツ、0.08ヘルツから特徴付けることができるが、 すなわち noneに顕著な自己調節領域またはささやか1)。
負圧力振動の周波数が遅くなるようOLBNPは動脈圧に大きな変動が発生する。 図5は、0.03 Hzの(33秒サイクル)に0.08ヘルツ(12.5秒サイクル)から動脈圧とOLBNPとその結果としての脳血流の変動を示している。より高い周波数では、脳の血流が動脈圧と協調して変動する。 PPRは、これを示し、 0.08ヘルツ、0.07ヘルツ(14秒サイクル)、及び0.0のより高い周波数での動脈圧と脳血流量の比例直線関係が存在する6ヘルツ(16.6秒サイクル)。動脈圧変動が大きくなるもののOLBNPの遅い周波数では、脳血流量の変動が徐々により効果的に減衰される。したがって、PPRは0.05 Hzの(20秒サイクル)から、0.04 Hzの(25秒サイクル)に、0.03 HzにOLBNP周波数でますます顕著自己調節領域を示している。図示の例では、0.03 Hzで、PPR曲線は、明らかにラッセン( 図1)によって記載された「古典的な自己調節曲線」に似ている。我々は以前に、振動の周波数が遅くなると、この観察は、動脈圧の変動の大きさが増加するだけでは説明できないことを示した。我々は以前、我々は、明示的に自己調節範囲の圧力変動の大きさの電位の関係を探求しなかったが、我々は再OLBNP(圧力変動、したがって、異なる大きさ)。19の異なる大きさの間に48の個体からのデータにPPRを適用している自己調節範囲の変動しか〜6%であったことを移植。したがって、我々の前の結果は、明らかに周波数のPPR曲線の変化が十分に圧力変動の大きさの変化では説明できないことを示している。同研究では、自己調節のPPRの特性は、別のセッション間で再現性があるかどうかを評価した。この分析は、0.03 HzのOLBNP時の自己調節範囲の傾きが(林のコンコーダンスは= 0.96、P <0.001)、従って、非線形圧力-流量関係は研究日で一貫して変化しなかったことを示した。
脳血管床がよく交感神経線維によって神経支配されていますが、自己調節におけるそれらの役割は、広く受け入れられていない。26。したがって、私たちの前の仕事の一部は脳血管自動調節に交感神経系の潜在的な役割を検討した。24我々は明確な役割を見つけた交感神経脳の流れを調節するシステムが、私たちのw関係による自動調節を特徴付けるための線形方法の限界に交感神経の影響を除去しながらどのように変化したか。 図6は、(ベースライン)の前と0.05 Hzの中の交感神経遮断した後にデータにPPRアプリケーションからの結果を示し特徴付けるEREことができません。全体的な曲線は、著しくより直線になる。また、自己調節が最も明らかである0.03 HzのデータのPPR分析はあまり有効で自動調節( 図7)を反映し、自己調節領域の範囲は変わらないことを示したが、その領域が増加する中で勾配。

図1.静的な増加との関係から派生し、圧力と定常状態の脳血流の低下「クラシック」自己調節曲線。不変の流れDESの地域増減圧力は比例脳血流の変化をもたらす、請求ピーテ交換圧力( すなわち 、傾き= 0)領域によって囲まれている。

図2 PPR分析を実行するために必要な前処理。シグナルは、第5 Hzから(0.005ヘルツ±)OLBNPの周波数でフィルタリングし、次いで、バンドパスに間引かれている。

図0.03 HzのOLBNP中の動脈圧および脳血流のPPR分析から得脳自動調節曲線の3パラメータ。

OLBNP周波数が0.03 Hzで(33秒周期)未満である場合 >図4 パワースペクトルは動脈圧の変動の大きさを示している。つの大きなピークが0.025で動脈圧のスペクトルパワーであることに注意してください0.05ヘルツ(40 20秒サイクル)、しかし0.025 HzでLBNPスペクトルパワーで唯一の単一のピークがあります。また、圧力の最大の変動は0.05 Hzであり、脳の血流応答の解釈を混乱させるだろう。

0.08から動脈圧および脳血流に対する0.03 HzまでOLBNPの影響の図5の例。脳血流量の変動が小さくなるのに対し、動脈圧力変動が遅いOLBNPに大きくなる。この自己調節機能は下のパネルに示すPPR分析の結果により説明される。 T脳血流彼自己調節領域が遅くOLBNPと次第に顕著になる。

図6.個人および(ベースライン)の前に被験者で0.05 HzのOLBNPデータからPPRの自己調節曲線を平均し、交感神経遮断後に。こと交感神経遮断した後、狭い自己調節部位の損失に注意してください。

交感神経遮断前後0.03 HzのOLBNPデータからPPRパラメータを図7の平均。交感神経遮断は顕著な圧力変化との勾配( すなわち 、より比例脳血流の変化を増大させる、自己調節範囲内の脳自動調節曲線に顕著な効果を有した)。
正確に定義入出力関係は、入力(この場合は、圧力)を積極的出力応答を観察するために十分に広い範囲にわたって変化することを要求することができる。しかし、自然発生的に生じる圧力変動は、脳自動調節の周波数範囲内の振幅が非常に矛盾した、小型である。27。これは、圧力と流量における自発的な変化は高い相関性と極めて低い相関の周期の期間との関係を示すことが理由であると振動であること脳血流は、一見明白な動脈圧ドライブに見える。28 OLBNP 22脳血流応答を評価するために、変化する周波数及び振幅の一貫性動脈圧力振動を作成するための重要な技術を提供する。同様のプローブを提供するかもしれない他のアプローチがあるかもしれないが、このアプローチは、周波数および/または振幅に依存関係の賭けの厳格なテストを可能にする予期する動脈圧および脳の血流速度。
脳の自己調節のための潜在的な測定ツールを探索する先行研究は、動脈圧及び脳血流( 例えば、伝達関数解析)との関係の線形モデルを使用している。圧力振動が比較的速い、 すなわち 、>約10秒である場合のない減衰と圧力と流量の変化の間のほぼ直線的な関係が観察される。しかし、遅い振動(>〜20秒)の圧力との関係を生む、それが次第に直線的に関連するとなって流れる。8,24の関係は非常に直線的に関係していない場合は(低R 2、低クロススペクトルコヒーレンス)が1は、いかなるを持つことができませんこのような伝達関数のゲイン及び位相のような線形尺度の精度で信頼。線形関係の欠如は、脳の自動調節の特徴である重要な非線形性の存在を示す。実際には、その性質上、autoregulatiには、リニアなアプローチを経由して特性評価に従順ではありません。線形手法は、自動調節の有無を示すことができるが、その特性およびその有効性を説明することはできない。
そのシンプルで直線的な方法と同等であるが、それは入力(圧力)と出力(フロー)変数間の非線形の関係を評価することができる方法があります。射影追跡回帰は、単純に先験的モデルを断定または入出力関係に直線性を想定していないノンパラメトリック、理論に基づかない、複数の回帰法29,30です。これらは、完全には理解されているシステムを特徴づけるための明確な利点である。ただし、パーセント分散を増加させる複数のリッジ関数を使用して説明したが、特性関係の生理学的解釈を曖昧にするのを犠牲にしていることに留意すべきである。したがって、射影追跡回帰が1つしかリッジFUに限定することをお勧めしますnction。それにもかかわらず、単一のリッジ機能を概説PPRアプローチは、動脈圧と脳血流量との関係のばらつきのかなりの部分を説明し、個人間で一貫している特性の非線形関係を明らかにすることができる。
制限事項および可能な修正
振動下半身負圧が具体的かつ目障り機器および手順が必要ですので、クリニックベースの評価には適していません。これは、十分な長さの記録を休止する脳の自己調節のPPR解析に十分なデータを提供する可能性がある。しかし、これまでの研究は、安静時のデータの射影追跡回帰が0.03 HzのOLBNPデータの分析よりも大幅に悪化し実行することを示した。安静時および0.03 HzのOLBNP中に定量化圧力-流量の関係が関連しているが、19控えめな対応が単純に加圧流relationshを示唆している安静時に推定さIPSは確実に0.03 HzのOLBNPから誘導されたものとは異なる場合があります。一つの解決策は、遅い、深いeucapnic呼吸または反復スクワットスタンド操縦を介して自己調節の周波数内で一貫して大きな振幅の圧力変動を発生させることができる。これらの方法は、脳の血流応答を観察するために十分に幅広い変化を与えることが確実に大きな圧力変動を発生させることが示されている。31,32
平均して、射影追跡回帰は、動脈圧および脳フロー変動の間の関係のかなりの量を説明することができるものの、分散が少ない場合は(〜6%19)に低くてもよいと説明した。周波数および一回換気量が制御されていない場合、低性能の呼吸パターンから、例えば、導出できた。しかし、すべての生理学的試験は、いくつかの異常な所見を有し、このアプローチは、例外ではない。 〜1の20の観測で悪いの測定すべきでありませんTアプローチの潜在的な有用性を損なう。
将来のアプリケーション/結論
特徴的な圧力-流量の関係は、ストローク33および外傷性脳損傷などのいくつかの病態生理学的条件に変更してもよい。34正確な関係は、臨床設定において取得することができれば、脳の自己調節の射影追跡回帰は、広範なアプリケーションを持っているとしても有用であるOLBNPが利用できない評価ツール。それは簡単な操作( 例えば 、深呼吸、ももカフ、座る·ツー·スタンド)、および/ またはより長い期間休止記録はデータをOLBNPに匹敵する脳自己調節を誘導するために訴えられることができ、圧力、流れ関係につながる可能性があります。それにもかかわらず、異なる規制制度と自己調節の非線形性への貢献の実験室ベースの決定は、脳血管コントロールにユニークな洞察を提供し、DIAされる可能性があります脳自己調節( 例えば 、外傷性脳損傷の後)における病態生理学的変化の霊知。
著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この研究は、National Heart, Lung, and Blood Instituteの助成金HL-093113の支援を受けました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 経頭蓋ドップラー超音波 | 治療薬DWL | マルチドップXデジタル | 2 MHzプローブ |
| ECGおよび上腕血圧 | GE | Dash 2000 | |
| LBNPタンク | アイオワ大学バイオエンジニアリング | カスタムメイド | |
| バルブ | アイオワ大学バイオエンジニアリング | カスタムビルド | |
| リピートサイクルタイマー | マクロマティクス | TR-50826-07 | |
| 圧力トランスデューサ | グールド | ||
| 光電式容積脈波指圧モニター | Finapres Medical Systems | Finometer PRO | |
| CO2 ガス分析器 | VacuMed | #17515 CO2 Analyzer, Gold Edition | |
| データ収集システム | ADインスツルメンツ | データ収集システム - PowerLab |