Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

הערכת מוחין Autoregulation באמצעות לחץ oscillatory הגוף התחתון שלילי ותחזית המרדף רגרסיה

Published: December 10, 2014 doi: 10.3791/51082
Automatic Translation
1,2, 1,2, 2
1Department of Physical Medicine and Rehabilitation, Harvard Medical School, 2Cardiovascular Research Laboratory, Spaulding Hospital Cambridge

Abstract

התהליך שבו זלוף המוחין נשמר קבוע על פני טווח רחב של לחצים מערכתיים המכונה "autoregulation המוחי." ריסון יעיל של זרימה מפני שינויי לחץ מתרחש על פני תקופות קצרות ככל ~ 15 שניות והופך בהדרגה גדולה יותר על פני תקופות זמן ארוכות יותר. לפיכך, שינויים איטיים יותר בלחץ דם ביעילות הקהו ושינויים או תנודות מהירים יותר לעבור לזרימת דם במוח מושפע יחסית. הקושי העיקרי באפיון התלות בתדר של autoregulation המוחי הוא חוסר תנודות ספונטניות בולטות בלחץ דם סביב התדרים של עניין (פחות מ ~ 0.07 הרץ או ~ 15 שניות). לחץ הגוף תחתון oscillatory שלילית (OLBNP) יכול להיות מועסק על מנת ליצור תנודות תמורת ורידים מרכזיות שתגרומנה לתנודות בלחץ דם בתדירות של OLBNP. יתר על כן, הקרנת המרדף רגרסיה (PPR) מספקת שיטה פרמטרית לcharacterizיחסי דואר קוי הגלומים במערכת ללא הנחות מראש וחושף את אי-ליניאריות האופיינית autoregulation המוחי. OLBNP מייצר תנודות גדולות יותר בלחץ דם כתדירות של תנודות בלחץ שליליות הפכה איטית יותר; עם זאת, תנודות בזרימת דם במוח הופכות בהדרגה פחותה. לפיכך, מקום מגורי הקבע תערוכות אזור autoregulatory יותר ויותר בולט בOLBNP תדרים של 0.05 הרץ ומטה (20 מחזורי שניות). מטרתה של גישה זו את זה, כדי לאפשר קביעה מבוססת מעבדה של היחסים קוי האופייניים בין לחץ וזרימה מוחית ויכול לספק גם תובנה ייחודית לשליטת כלי דם במוח משולבת כלשינויים פיסיולוגיים בסיסיים לקויה autoregulation מוחי (למשל, לאחר פגיעה מוחית טראומטית, שבץ מוחי , וכו ').

Introduction

התהליך שבו מוח זלוף נשמר קבוע על פני טווח רחב של לחצים מערכתיים המכונה "autoregulation המוחי." תצפיות מקוריות של זרימת תגובות מוחיות 1 נתמך נגדית רגולציה נגד שינויים בלחץ דם שהנה בעלת חשיבות רבה להסדרה היומית של זלוף המוחין. למרות שהאפיון של autoregulation היה מבוסס על מחקרים של היפו ספג, נשלט ויתר לחץ דם, 2,3 הוא הכיר בכך ששינויים הנגרם על לחץ בהתנגדות הם "תהליך oscillatory '3 הכולל 10-90 שניות שינויים. 4 יתר על כן, ב נתונים פעימה-by-פעימה אלה שני עשורים האחרונים, מדידה של זרימת דם מוחית מהירות על פעימה-by-פעימת בסיס 5 הראה כי זרימה מוחית מוסדרת על פני תקופות קצרות ככל רק כמה פעימות לב. 6,7 מצביעות על כך שאפקטיביים ריסון של זרימה מפני שינויי לחץ מתרחש על פניתקופות קצרות ככל ~ 15 שניות וזה הופך בהדרגה גדול יותר על פני תקופות זמן ארוכות יותר. 8 לפיכך, היחס בין פונקציות לחץ וזרימה כמסנן מעביר גבוה 7,9-12 בי שינויים איטיים יותר בלחץ דם ביעילות הקהו ותנודות מהירות יותר לעבור דרך יחסית לא נפגע.

הקושי העיקרי באפיון התלות בתדר של autoregulation המוחי הוא חוסר תנודות ספונטניות בולטות בלחץ דם סביב התדרים של עניין (פחות מ ~ 0.07 הרץ או ~ 15 שניות). ללא תנודות בלחץ גדולות מספיק, לא ניתן לכמת בצורה מדויקת את זרימת דם במוח בתגובה. המעבדה שלנו התמודדה עם מגבלה זו על ידי שימוש בטכניקה המכונות לחץ oscillatory גוף תחתון שלילי (OLBNP). זה יוצר משמרות ורידי נפח דם הזנב פרופורציונליות לרמה של לחץ שלילי במכל בשל לחץ transmural ורידים מופחת. כאשר pressu השלילימחדש מיושם במרווחים קבועים, התנודות בתוצאת החזר ורידים מרכזיות בתנודות לחץ דם בתדירות של OLBNP. גישה זו נעשתה שימוש במספר מחקרים בכל מעבדות שונות. 8,14-17 זה יוצר משמרות ורידי נפח דם הזנב פרופורציונליות לרמה של לחץ שלילי במכל בשל לחץ transmural ורידים מופחת. כאשר הלחץ השלילי מיושם במרווחים קבועים, התנודות בתמורה ורידים מרכזיות לגרום לתנודות לחץ דם בתדירות של OLBNP. גישה זו נעשתה שימוש במספר מחקרים בכל מעבדות שונות. 8,15-18

אפילו עם גישה שיכולה ליצור תנודות בולטות בלחץ דם סביב התדרים של עניין, יש גורם שמסבך: יש ראיות משמעותיות של הליניאריות בautoregulation המוחי, במיוחד בתדרים הנמוכים ביותר 8 יתר על כן, אין שום מדריך תיאורטי חזק.באשר לטיבו של אי-לינאריות הנוכחית בautoregulation המוחי. לפיכך, אנו משתמשים atheoretical, שיטת הנתונים מונעים ידועה כהקרנת מרדף רגרסיה (PPR) בניתוח שלנו. 19 PPR הוא שיטה פרמטרית לאפיין יחסים קוי הגלומים במערכת ללא כל הנחות מראש באשר לאופי של אי-לינאריות אלה. זהו יתרון ברור עבור לכידת מערכת הפיסיולוגיה שעדיין אינו מוגדרת על ידי מודלים קוי מפורשים. PPR מגלה כי אי-ליניאריות האופיינית autoregulation המוחי דומה "עקומה הקלאסי autoregulatory" תואר לראשונה על ידי לאסן בשנת 1959 (איור 1). 2,19 כלומר, זרימת דם במוח נשארת קבועה יחסית בטווח מסוים של לחץ דם, אבל פסיבי עוקב באופן ליניארי מחוץ לטווח זה. צורה זו הופכת לברורה יותר כמו תנודות לחץ דם הפכו איטיות יותר. לפיכך, הניתוח ליניארי אינו מספיק כדי interroga מלאautoregulation te מוחי והסתמכות על טכניקות ליניארי סביר מתגעגעים מידע חשוב.

בפירוט שמאמר זה הגישה לשניהם רכישת נתונים (שימוש במעבדה של OLBNP) וניתוח (PPR) אנו משתמשים כדי לאפיין autoregulation המוחי בבריאות ובחוליים.

Protocol

1. לחץ שלילי oscillatory גוף התחתון (OLBNP)

  1. התקנת ציוד
    1. עופרת רל II (ECG): להטביע שלוש (או יותר) את האלקטרודות לגופו של הנושא לניטור של קצב לב לאורך כל תקופת המחקר.
    2. Neoprene חצאית: השתמש בחצאית נאופרן מותאם אישית שחותמת את הנושא לתוך תא לחץ שלילי גוף תחתון עד לפסגת הכסל. שים אותה סביב החזה של הנושא לפני שהם ממוקמים פרקדן בטנק ולוודא שאות ECG היא עדיין נאותה. ודא שזה נוח אבל לא כל כך חזק כמו להגביל את הנשימה.
    3. לשכת לחץ שלילי גוף תחתון: יש לי פרקדן שקר נושא על המיטה ולתמרן את תא LBNP מתחתיהם. אם תא LBNP יש אופניים מושב מתכוונן (כדי למזער את חפץ תנועה ללא מנטרל את ההשפעה של השאיבה), לוודא את הנושא הוא יושב בנוחות עליו. השתמש בחתך spacer פרספקס בהתאמה אישית לwa של הנושאגודל ist כדי לעזור לאטום את החדר. לאטום את חצאית נאופרן סביב תא LBNP עם סרט דביק.
    4. לחץ LBNP קאמרי: חבר תא LBNP למתמר לחץ סטנדרטי. כייל את מתמר לחץ למ"מ כספי.
    5. חזור על מחזור טיימר המצורף להנדסת Valve: צרף המותאם אישית שנבנה שסתום מכאני וטיימר מחזור חוזר לתא LBNP.
      הערה: ממסר השהיה מצורף לשני מנועים השולטים שסתום מכאני משמשת כדי לעבור בין לחץ שלילי ולחץ סביבתי. חלופות ממסר השהית מתח למנועים במרווח קבוע לפתוח ולסגור שסתום בין החדר ואת הוואקום. זה יוצר צורת גל לחץ קאמרי LBNP כי הוא גל מרובע פחות בכושר. התאם את זמן המחזור לתדר OLBNP הרצוי.
    6. שנאי משתנה ואבק: צרף נקי אבק ביתי סטנדרטית לשסתום המכני. חבר את הוואקום לשנאי משתנה המאפשר למתחואקום להיות בשליטה. הפעל את שואב האבק ולהתאים את השנאי משתנה עד לחץ LBNP היעד (לדוגמא, 30 מ"מ כספית) מושגת.
    7. לחץ דם עורקים: צרף אזיקי לחץ דם photoplethysmographic לא פולשנית (לדוגמא, Portapres, Finapres) לאצבע (ים) של יד אחת. להבטיח דיוק על ידי השוואת לחץ ללחצי oscillometric מעורק הזרוע של היד הנגדית.
    8. 2 MHz Transcranial דופלר ובדיקת קיבוע התקן
      1. השתמש בבדיקת דופלר גל דופק 2 MHz לinsonate מגזר M1 של עורק המוח האמצעי במקדש (כלומר, חלון transtemporal).
      2. לשנות זווית בדיקה, עומק insonation (~ 55 מ"מ), רווח, ועוצמת שידור למקסם את עוצמת רוח הרפאים של האות.
      3. תקן את הבדיקה דופלר במקום באמצעות מכשיר קיבוע שאין חזרה (כלומר, לא סרט), כך שחפץ תנועה לא הוכנס לאות כמהלך מתנדבים עם תנודות בלחץ שליליות.
        הערה:. זרימת דם במוח ניתן למדידה באופן חד-צדדית או דו-צדדי, אך לא נמצאת הבדל בautoregulation המוחי צפוי בין ההמיספרות אלא אם פציעה מקומית כמו שבץ או פגיעה מוחית טראומטית קיימת 20
    9. CO שתוקפה פג 2: השתמש בצינורית באף צורפה לCO 2 מנתח אינפרא אדום כדי לפקח CO 2 שפג התוקף ולהורות לנושא לנשום רק דרך אפם. בהתחשב בעורקי ההשפעה העמוקים CO 2 יש בזרימת דם מוחית, 21 הצג CO 2 לאורך כל מחקר.
  2. Data Acquisition
    1. הגדרה האנלוגית להמרה דיגיטלית של לחץ דם, זרימת דם במוח, לחץ קאמרי LBNP, ופג תוקף CO 2 לרכישה במינימום של 50 הרץ לכל ערוץ. לרכוש ECG בkHz 1.
      הערה: בעוד עסקות ניתוח שלאחר מכן עם מידע הרבה יותר נמוך תדר (≤0.07 הרץ), זה גritical כדי לפקח על האיכות של האותות שנרכש במהלך מחקר. קצב דגימה של 50 הרץ יאפשר הדמיה מדויקת של לחץ דם וזרימת דם במוח לצורך זיהוי של חפץ.
  3. פרוטוקול LBNP oscillatory
    1. הפעל ואקום ולהבטיח לחץ טנק יציב ב-30 מ"מ כספית.
    2. טיימר מחזור חוזר סט 33 שניות לOLBNP 0.03 הרץ.
    3. התאם בדיקה דופלר (s), כדי להבטיח אות אופטימלית.
    4. רוכש את הנתונים לפחות 15 מחזורים (500 שניות ב0.03 הרץ), כדי להבטיח את הביטחון מספיק באומדני PPR. אם הזמן מאפשר, לאסוף יותר נתונים מזה כפי שהוא יהיה עוד יותר לשפר את יחס אות לרעש.
    5. חזור על השלבים לעיל עבור כל תדרים בין 0.03 הרץ-0.08 הרץ על ידי שינוי משך טיימר מחזור חוזר.
      הערה: החל תדרים כדי אבל באופן אקראי להשתנות תדר ההתחלה בין נושאים.

2. הקרנה המרדף רגרסיה (PPR)

  1. עיבוד מקדים נתונים
    1. השמדה ונמוכה לעבור סינון
      1. פתח Matlab. הקלד את הפקודה "הנתונים = דגימה מחדש (נתונים, 1, SR / 5)" (שם SR הוא קצב הדגימה המקורי) להשמיד את לחץ הדם וזרימת דם במוח עד 5 הרץ.
        הערה: לחלופין, מסנן נמוך לעבור (כדי -19 Chebyshev סוג II) עם הפסקת של 0.4 הרץ. הסינון הוא מיותר, בהתחשב בעיבוד שלאחר מכן, אך יוצר צורות גל אומר כי אין להסתמך על זיהוי שיא של לחץ הדם לעתים רועש וזרימת דם מוחי אותות.
    2. הסרת חפץ
      1. שימוש בצורות הגל שאינו הושמד המקוריות כמדריך, להסיר כל חלקים של האותות עם חפצים ואופן ליניארי לשרבב. אם סעיפים אלה מהווים יותר מ -10% מתקופת ההקלטה, לבטל את ההקלטה לחלוטין.
        הערה: בשלב זה, הגל מעובד כראוי לגישות מסורתיות ליניארי כגון ניתוח פונקצית העברה.
    3. להקה עוברת סינון
      1. בMatlab, סוג: [B, A] = cheby1 (1,1, ו [- 0.005 F + 0.005] / (/ 2 SRD)) נתונים = filtfilt (B, A, detrend (נתונים, "ליניארי") ללהקה -pass לסנן את הלחץ וזרימה בלהקה Hz ± 0.005 (סדר -1 Chebyshev סוג אני עם 1 dB של להקה לעבור אדווה) סביב התדר של OLBNP (איור 2) שבו F הוא תדר OLBNP הדומיננטי, SRD היא הדגימה הושמדה שיעור (Hz 5 אחרי הצעד 2.1.1), ו" נתונים "היא האות הושמדה (לחץ או זרימת דם).
        הערה: זה ממזער הפרעה אפשרית ומגדיל את יחס אות לרעש בניתוח PPR שלאחר מכן. למרות תנודות לחץ דם הדומיננטיות מתרחשת בתדירות oscillatory של לחץ שלילי גוף תחתון, רעש אקראי באותות עלול להפריע לגזירה של לחץ זרימת יחסים. תוצאות ללא סינון להקה עוברת תהיה דומות איכותי אבל דואר שונות אחוזיםxplained (כלומר, R 2) יהיה נמוך יותר. 19
  2. הקרנת מרדף רגרסיה הערכה
    הערה: שימוש בפונקציה מובנית ב'PPR 'בשפת R ואיכות סביבה לסטטיסטית מחשוב, ו / או באמצעות פונקציות אישית בכתב בפלטפורמות אחרות, ליצור פונקציה אחת רכס (M = 1) לזרימה ביחס עורקי לחץ-מוחי .
    1. בMatlab, להיכנס "CVLabPPR (לחץ, זרימה)" הפקודה. הזן את המזהה הלימוד כXXXYYY, שבו XXX הוא קוד מחקר 3 האותיות וYYY הוא שלוש הדמויות מספריות לנושא תעודת זהות. הזן את תאריך החקר בפורמט הבא: YYYY-MM-DD. הזן את # המדידה המספרי (לדוגמא, "1" ליום 1).
    2. הזן את APM (FP להיכנס לfinapress או AL לאמנות-קו). הזן את כלי (MCA, ACA, או PCA). וזן "y" או "n" לשאילתא "האם יש לך מדידות MCA נכון?" Enter "y# 8221; או "n" לשאילתא "האם אתה השאיר מדידות MCA?"
      הערה:
      משוואת 1
      עבור כל קלט (t x - לחץ דם עורקים) ופלט (t y - זרימת דם במוח) בפונקציית העברת autoregressive ליניארי (Eq 1. - הטווח בתוך הסוגריים) עובר דרך פונקציות ליבה פרמטרית (מ 'k; נקרא' רכס פונקציות '), הנקבעות על ידי צמצום הממוצע בריבוע שגיאה. רגרסיה מרדף ההקרנה יכולה לכלול יותר מאשר פונקציה אחת רכס (כלומר, M> 1). עם זאת, למרות שזה יפחית את השגיאה הממוצעת בריבוע, זה עלול לטשטש את הפרשנות של פונקציות רכס עקב אינטראקציות אפשריות ביניהם. מכיוון שמטרתם העיקרית היא להשיג בין לחץ דם וזרימת דם במוח ca שביחסn להתפרש מבחינה פיזיולוגית, PPR צריך להיות מוגבל לפונקציה אחת בלבד רכס (M = 1).
    3. במידה השווה לינארי parameterization. Parameterize פונקצית הרכס כפונקציה ליניארית piecewise לניתוח שלאחר מכן סטטיסטי (איור 3). לMatlab, להשתמש הקירוב שגם חינם-הקשר של ברונו לואונג. הזן את "BSFK (x, y, k, nknots)" הפקודה כאשר k = 2 ליניארי בכושר וnknots = 3 לשלושה אזורים.
      הערה: זה מזהה נקודות שבהם שינויי לחץ הדם-מוח זרימת יחסים, והטווחים בי מערכת היחסים הוא כ יניארי איור 3 מראה סכמטי של התוצאות.. הרווח (כלומר, המדרון ליניארי) של לחץ הזרימה ביחס בתוך כל אזור מספק מדד של היעילות של autoregulation המוחי באזור זה. רווח נמוך יותר מציין נגד רגולציה יעילה יותר של תנודות לחץ ואילו רווחים גבוהים יותר מצביעים על fl הפסיבי יותרתגובות ow לשינויי לחץ.

Representative Results

אמפליטודות OLBNP מ -10 מ"מ כספית 22 עד 120 מ"מ כספית 17 הייתה בשימוש כדי להגדיל את תנודות לחץ דם, אבל 30 מ"מ כספית OLBNP מספיק 23,24 ולא מעבר ליכולת הרגולציה של cerebrovasculature. 17 רמה זו של תוצאות OLBNP בתנודות בלחץ דם ש הוא כ-15-20 מ"מ כספית בגודל 0.03 בהרץ, שאינו גדול יותר משינויי לחץ הדם מתרחשים כאשר הולכים מיושב לעומד. 25 יש כמה מגבלות לטווח שבי OLBNP יכול ליצור תנודות לחץ דם. Autoregulation פעיל רק ב ~ 0.07 הרץ ואיטי יותר, כך הגבול העליון הוא לא בעיה. עם זאת הקושי ביצירת תנודות בתדר נמוך מתחת 0.03 הרץ הוא שמערכת הלב וכלי הדם נגד מסדירה נגד שינויי לחץ דם הנוצרים על-LBNP לפני מחזור הסיום. כאיור 4 מופעים, ב0.025 OLBNP הרץ אנו רואים ממש השיא הגדול ביותר בתנודות בלחץ דם ב0.05 הרץ. בעוד את תגובת התדר של autoregulation המוחי יכולה להיות מאופיינת מ0.03 הרץ-0.08 הרץ להגדיר את טווחי זמן שבי autoregulation פעיל, 23,24 0.03 הרץ ו0.08 OLBNP הרץ מספיקים כיוון שהם מייצגים מגוון רחב של פונקצית autoregulatory (כלומר, אזור מבוטא autoregulatory לאף אחד או אחת צנוע).

OLBNP מייצר תנודות גדולות יותר בלחץ דם כתדירות של תנודות בלחץ שליליות הפכה איטית יותר. איור 5 מראה את לחץ דם ואת זרימת דם מוחית תנודות נובעות מכך OLBNP מ0.08 הרץ (12.5 מחזורי שניות) ל- 0.03 הרץ (33 מחזורי שניות). בתדרים גבוהים יותר, זרימת דם במוח משתנה בתיאום עם לחץ דם. PPR מדגים זאת; קיים קשר ליניארי בין יחסי לחץ דם וזרימת דם במוח בתדירות גבוהה יותר של 0.08 הרץ, 0.07 הרץ (14 מחזורי שניות), ו0.06 הרץ (16.6 מחזורי שניות). בתדרים איטיים יותר של OLBNP, למרות תנודות לחץ דם הפכו גדולות יותר, תנודות בזרימת דם במוח הן בהדרגה לחה בצורה יעילה יותר. לפיכך, מקום מגורי הקבע תערוכות אזור autoregulatory יותר ויותר בולט בתדרי OLBNP מ0.05 הרץ (20 מחזורי שניות), ל0.04 הרץ (25 מחזורי שניות), ל- 0.03 הרץ. בדוגמא שהוצגה, ב0.03 הרץ, עקומת PPR בבירור דומה "עקומת autoregulatory הקלאסית" שתוארה על ידי לאסן (איור 1). הראינו בעבר כי התבוננות זו אינה יכולה להיות מוסברת רק על ידי הגידול בגודל של תנודות לחץ דם כתדירות של התנודות להיות איטית יותר. יש לנו ליישם בעבר PPR לנתונים מ -48 אנשים בגדלים שונים של OLBNP (ובכך, בסדר גודל של תנודות לחץ שונה). 19 למרות שאנו לא באופן מפורש לחקור ביחס פוטנציאלי בין מגוון autoregulatory וסדר הגודל של תנודות לחץ, אנחנו מחדשמועבר שהשינוי בautoregulatory הטווח היה רק ​​~ 6%. לפיכך, התוצאות לפנינו מראות בבירור כי השינוי בעקומת PPR בתדירות לא יכול להיות מוסבר באופן מלא על ידי שינוי בגודל של תנודות לחץ. באותו המחקר, שהערכנו אם אפיון מקום מגורי הקבע של autoregulation הוא לשחזור פני פגישות נפרדות. ניתוח זה הראה כי השיפוע של מגוון autoregulatory במהלך 0.03 הרץ OLBNP לא השתנה (קונקורדנציה של לין = 0.96, p <0.001) ובכך את לחץ הזרימה ביחס ליניארית עקבית לאורך ימים עיון.

למרות שמיטת כלי הדם במוח היא innervated היטב על ידי סיבי עצב סימפטיים, תפקידם בautoregulation לא מקובל. 26 לכן, חלק מהעבודה הקודמת שלנו חקרו את התפקיד הפוטנציאלי של מערכת עצבים הסימפתטית בautoregulation כלי דם במוח. 24 מצאנו תפקיד ברור ל המערכת הסימפטטית בויסות זרימה מוחית, אבל אנחנו were לא מסוגלים לאפיין כיצד השתנו היחסים עם הסרת השפעות אוהדות בשל המגבלות של שיטות ליניארי לאפיון autoregulation. איור 6 מציג את התוצאות מיישום PPR לנתונים לפני (בסיסי) ואחרי מצור אוהד במהלך 0.05 הרץ. העקומה הכוללת הופכת במידה ניכרת יותר ליניארי. יתר על כן, ניתוח מקום מגורי הקבע של 0.03 הרץ הנתונים שבו autoregulation הוא בולט ביותר הראה כי הטווח של אזור autoregulatory נותר ללא שינוי, אך המדרון בתוך כי עליות האזור, המשקף autoregulation פחות יעיל (איור 7).

איור 1
איור 1. העקומה 'הקלאסית' autoregulatory נגזרת מהיחסים בין עליות וירידות בסטטי לחץ וזרימת דם מוחית מצב יציב. אזור של זרימה משתנות desלחץ משתנה Pite (כלומר, מדרון = 0) מתוחמת לפי אזורים בי הגדלת והקטנת לחצים לגרום לזרימת דם במוח שינויים יחסיים.

איור 2
אותות איור 2. העיבוד המקדים ההכרחי לבצע ניתוח PPR. הם הושמדו ראשון לרץ 5 ולאחר מכן להקה לעבור סינון בתדירות של OLBNP (± 0.005 הרץ).

איור 3
איור 3. פרמטרים של עקומת autoregulation המוחית נובעת מניתוח מקום מגורי הקבע של לחץ דם וזרימת דם במוח במהלך 0.03 הרץ OLBNP.

איור 4
ספקטרום כוח איור מציג את סדר הגודל של תנודות בלחץ דם כאשר תדירות OLBNP היא מתחת 0.03 הרץ (33-שני מחזור). שים לב שיש שתי פסגות גדולות בכוח הרפאים לחץ דם וב0.025 0.05 הרץ (40 ו 20 מחזורים לשנייה), אך יש רק שיא אחד בכוח הרפאים LBNP ב0.025 הרץ. יתר על כן, התנודות בגודלה בלחץ היא על 0.05 הרץ והיה לבלבל את הפרשנות של זרימת דם המוחית תגובות.

איור 5
איור 5. דוגמא של ההשפעות של OLBNP 0.08-0.03 הרץ על לחץ דם וזרימת דם במוח. תנודות לחץ עורקים להתרחב עם OLBNP איטי יותר ואילו זרימת דם מוחית התנודות הופכות לקטנות יותר. פונקצית autoregulatory זה מתוארת על ידי התוצאות של ניתוח PPR מוצג בלוחות התחתון. Tהוא אזור autoregulatory בזרימת דם במוח הופך להיות יותר ויותר בולט עם OLBNP איטי יותר.

איור 6
איור 6. פרט וממוצע עקומות autoregulatory PPR מנתוני OLBNP 0.05 הרץ בנושאים לפני (בסיסי) ואחרי מצור אוהד. שים לב לכך שההפסדים של אזור autoregulatory הצר לאחר מצור אוהד.

איור 7
ממוצע 7. איור של הפרמטרים PPR מנתוני OLBNP 0.03 הרץ לפני ואחרי מצור אוהד. היה לי מצור הסימפתטית השפעה מובהקת על עקומת autoregulation המוחית בטווח autoregulatory, במידה ניכרת להגדיל את השיפוע (כלומר, מוח זרימת שינויים מידתיים יותר עם ​​שינויים בלחץ ).

Discussion

דווקא יחסי קלט-פלט מגדירים יכולים לדרוש שהקלט (במקרה, הלחץ הזה) באופן פעיל משנה על פני מגוון רחב מספיק כדי לבחון את תגובת הפלט. עם זאת, תנודות לחץ מתרחשים באופן ספונטני מאוד לא עקביות וקטנות במשרעת בתדרים של autoregulation המוחי. 27 זו הסיבה ששינויים ספונטניים בלחץ והזרימה להראות יחסים עם תקופות של מתאם גבוה ולתקופות של מתאם נמוך מאוד וכי תנודות ב זרימת דם במוח לכאורה מופיעה ללא כונן לחץ דם נראית לעין. 28 OLBNP 22 מספקת טכניקה קריטית כדי ליצור תנודות בלחץ דם עקביות של תדר ומשרעת שונים כדי להעריך את זרימת דם במוח תגובות. למרות שייתכן שיש גישות אחרות שעשויים לספק בדיקה דומה, גישה זו מאפשרת לבדיקות מחמירות של הימור היחסים תלוי משרעת frequency- ו / אולחץ Ween עורקים וזרימת דם מוחית מהירות.

המחקר קודם לחקור כלי מדידת פוטנציאל לautoregulation המוחין השתמש במודלים ליניארי של הקשר בין לחץ דם וזרימת דם במוח (למשל, ניתוח פונקצית העברה). ביחס ליניארי הדוק בין לחץ וזרימת שינויים ללא ריסון נצפה כאשר תנודות בלחץ הן מהירות יחסית, כלומר,> ~ 10 שניות. עם זאת, תנודות איטיות יותר (> ~ 20 שניות) לעורר בין לחץ והזרימה ביחס שהופך בהדרגה קשורה פחות ליניארי. 8,24 אם היחס הוא לא מאוד קשור באופן ליניארי (הנמוך R 2, לכידות בין-רפאים נמוכים) אחד לא יכול להיות כל אמון ברמת הדיוק של אמצעים ליניארי כגון רווח פונקצית העברה ושלב. חוסר היחס ליניארי מעיד על קיומו של אי-לינאריות החשובה המאפיינות autoregulation המוחי. למעשה, מעצם טבעו, autoregulatiבאינו ניתן לאפיון באמצעות גישות ליניארי; גישות ליניארי יכולות להצביע על קיומו או העדרו של autoregulation, אבל לא יכולות לתאר את מאפייניו ואת האפקטיביות שלה.

ישנן שיטות שדומות לשיטות ליניארי בפשטות שלהם, אבל שיכול להעריך יחסים קוי בין הקלט (לחץ) ותפוקה משתנה (זרימה). רגרסיה מרדף הקרנה היא פשוט שיטה פרמטרית, atheoretical, מרובה רגרסיה 29,30 שאינו מניחה מודל מראש או להניח ליניאריות בביחס קלט-הפלט. אלה הם יתרונות ברורים לאפיון מערכת כי הוא הבין באופן חלקי. עם זאת, יש לציין כי שימוש בפונקצית רכס אחד או יותר תגדיל את שונות אחוזים הסבירה אבל על חשבון טשטוש פרשנות פיזיולוגית של מערכות היחסים האופייניות. לכן, מומלצת שרגרסיה מרדף ההקרנה להיות מוגבלת רק פו רכס אחדnction. עם זאת, גישת PPR התוותה עם פונקצית רכס אחד יכולה להסביר חלק ניכר מהשונות בקשר בין לחץ דם וזרימת דם במוח ולחשוף את הקשר קוי האופייני שעולה בקנה אחד על פני אנשים.

מגבלות ושינויים אפשריים

לחץ הגוף תחתון oscillatory שלילית דורש ציוד ונהלים ספציפיים ומתבלט וכך אינו מתאים להערכות מבוססות מרפאת. ייתכן שנח הקלטות של אורך מספיק יכול לספק נתונים מספיקים לניתוח מקום מגורי הקבע של autoregulation המוחי. עם זאת, העבודה קודמת הראתה כי רגרסיה מרדף השלכה של המנוחה נתונים מבצעת גרועה באופן משמעותי מניתוח נתוני OLBNP 0.03 הרץ. למרות לחץ זרימת יחסים לכמת במנוחה וב0.03 הרץ OLBNP קשורים, 19 ההתכתבות הצנועה פשוט מצביעה על כך שלחץ זרימת relationshשב"ס העריך במנוחה לא באופן מהימן משקף את אלו הנגזרים מ0.03 OLBNP הרץ. פתרון אחד יכול להיות כדי ליצור תנודות לחץ עקביות ומשרעת גדולות יותר בתוך התדרים של autoregulation באמצעות נשימה איטית ועמוקה eucapnic או תמרונים גוץ-דוכן חוזרים ונשנים. שיטות אלה הוכחו ליצור תנודות בלחץ גדולות ואמינות שיכולים לספק שינויים על פני מגוון רחב מספיק כדי להתבונן על זרימת דם מוחית תגובות. 31,32

למרות בממוצע, רגרסיה מרדף ההקרנה יכולה להסביר כמות משמעותית של הקשר בין לחץ דם וזרימת תנודות במוח, הסביר שונות עשויות להיות נמוכות בכמה מקרים (~ 6% 19). ביצועים נמוכים יכולים לנבוע, למשל, מנשימת דפוסים אם תדירות ונפח של גאות ושפל אינן בשליטה. עם זאת, לכל מבחן פיסיולוגי כמה תצפיות חריגות, וגישה זו היא לא יוצאת מן הכלל. מדידות עניות ב~ 1 של 20 תצפיות צריכות לאt לערער את התועלת הפוטנציאלית של הגישה.

יישומים עתידיים / מסקנות

לחץ זרימת היחסים האופייניים עשויים להשתנות בתנאים מסוימים pathophysiologic, כגון שבץ 33 ופגיעה מוחית טראומטית. 34 אם יחסים מדויקים יכולים להיות שנרכשו במסגרת הקלינית, רגרסיה מרדף השלכה של autoregulation המוחי עשויה להיות יישום רחב יותר ולהיות שימושיים כ כלי הערכה בי OLBNP אינו זמין. זה אפשרי, כי תמרונים פשוטים (לדוגמא, נשימה עמוקה, שרוול ירך, עמדה לשבת ל) ו / או הקלטות מנוחת משך זמן ארוכות יותר עלולים לגרום ללחץ זרימת מערכת יחסים שיכולים להיתבע לגזור autoregulation המוחי דומה לOLBNP נתונים. עם זאת, קביעת מעבדה מבוססת מערכות רגולטוריות שונות ותרומתם לאי-לינאריות של autoregulation יכולה לספק תובנה ייחודית לשליטת כלי דם במוח, ולאפשר diaגנוסיס של שינויי pathophysiological בautoregulation המוחי (למשל, לאחר פגיעה מוחית טראומטית).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial Doppler Ultrasound Compumedics DWL Multi-Dop X digital  2 MHz probe
ECG and Brachial BP GE Dash 2000
LBNP Tank U. of Iowa Bioengineering Custom Built
Mechanical Valve U. of Iowa Bioengineering Custom Built
Repeat Cycle Timer Macromatics TR-50826-07
Pressure Transducer Gould
Photoplethysmographic finger pressure monitor Finapres Medical Systems Finometer PRO
CO2 gas analyzer VacuMed #17515 CO2 Analyzer, Gold Edition
Data acquisition system AD Instruments Data Acquisition Systems - PowerLab

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Strandgaard, S., Paulson, O. B. Cerebral autoregulation. Stroke. 15, 413-416 (1984).
  2. Lassen, N. A. Cerebral blood flow and oxygen consumption in man. Physiol. Rev. 39, 183-238 (1959).
  3. Symon, L., Held, K., Dorsch, N. W. A study of regional autoregulation in the cerebral circulation to increased perfusion pressure in normocapnia and hypercapnia. Stroke. 4, 139-147 (1973).
  4. Rapela, C. E., Green, H. D. Autoregulation of Canine Cerebral Blood Flow. Circ. Res. 15, 205-212 (1964).
  5. Aaslid, R., Markwalder, T. M., Nornes, H. Noninvasive transcranial Doppler ultrasound recording of flow velocity in basal cerebral arteries. J. Neurosurg. 57, 769-774 (1982).
  6. Aaslid, R., Lindegaard, K. F., Sorteberg, W., Nornes, H. Cerebral autoregulation dynamics in humans. Stroke. 20, 45-52 (1989).
  7. Newell, D. W., Grady, M. S., Sirotta, P., Winn, H. R. Evaluation of brain death using transcranial Doppler. Neurosurgery. 24, 509-513 (1989).
  8. Hamner, J. W., Cohen, M. A., Mukai, S., Lipsitz, L. A., Taylor, J. A. Spectral indices of human cerebral blood flow control: responses to augmented blood pressure oscillations. J. Physiol. 559, 965-973 (2004).
  9. Blaber, A. P., et al. Complexity of middle cerebral artery blood flow velocity: effects of tilt and autonomic failure. Am J Physiol. 273, 2209-2216 (1997).
  10. Diehl, R. R., Linden, D., Lucke, D., Berlit, P. Spontaneous blood pressure oscillations and cerebral. 8, 7-12 (1998).
  11. Panerai, R. B., Rennie, J. M., Kelsall, A. W., Evans, D. H. Frequency-domain analysis of cerebral autoregulation from spontaneous fluctuations in arterial blood pressure. Med. Biol. Eng. Comput. 36, 315-322 (1998).
  12. Zhang, R., Zuckerman, J. H., Levine, B. D. Deterioration of cerebral autoregulation during orthostatic stress: insights from the frequency domain. J. Appl. Physiol. 85, 1113-1122 (1998).
  13. Wolthuis, R. A., Bergman, S. A., Nicogossian, A. E. Physiological effects of locally applied reduced pressure in. 54, 566-595 (1974).
  14. Esch, B. T., Scott, J. M., Warburton, D. E. Construction of a lower body negative pressure chamber. Adv. Physiol. Educ. 31, 76-81 (2007).
  15. Brown, C. M., Dutsch, M., Ohring, S., Neundorfer, B., Hilz, M. J. Cerebral autoregulation is compromised during simulated fluctuations in gravitational stress. Eur. J. Appl. Physiol. 91, 279-286 (2004).
  16. Hidaka, I., et al. Noise-enhanced heart rate and sympathetic nerve responses to oscillatory lower body negative pressure in humans. J. Neurophysiol. 86, 559-564 (2001).
  17. Tzeng, Y. C., Chan, G. S., Willie, C. K., Ainslie, P. N. Determinants of human cerebral pressure-flow velocity relationships: new insights from vascular modelling and Ca(2)(+) channel blockade. J. Physiol. 589, 3263-3274 (2011).
  18. Zhang, R., et al. Autonomic neural control of dynamic cerebral autoregulation in humans. Circulation. 106, 1814-1820 (2002).
  19. Tan, C. O. Defining the characteristic relationship between arterial pressure and cerebral flow. J. Appl. Physiol. 113, 1194-1200 (2012).
  20. Schmidt, E. A., et al. Symmetry of cerebral hemodynamic indices derived from bilateral transcranial Doppler. J. Neuroimaging. 13, 248-254 (2003).
  21. Paulson, O. B., Strandgaard, S., Edvinsson, L. Cerebral autoregulation. Cerebrovasc. Brain. Metab. Rev. 2, 161-192 (1990).
  22. Hamner, J. W., Morin, R. J., Rudolph, J. L., Taylor, J. A. Inconsistent link between low-frequency oscillations: R-R interval responses to augmented Mayer waves. J. Appl. Physiol. 90, 1559-1564 (2001).
  23. Hamner, J. W., Tan, C. O., Tzeng, Y. C., Taylor, J. A. Cholinergic control of the cerebral vasculature in humans. J. Physiol. 590, 6343-6352 (2012).
  24. Hamner, J. W., Tan, C. O., Lee, K., Cohen, M. A., Taylor, J. A. Sympathetic control of the cerebral vasculature in humans. Stroke. 41, 102-109 (2010).
  25. Narayanan, K., Collins, J. J., Hamner, J., Mukai, S., Lipsitz, L. A. Predicting cerebral blood flow response to orthostatic stress from resting dynamics: effects of healthy aging. Am. J. Physiol. Regul. Integr. Comp. Physiol. 281, 716-722 (2001).
  26. Lieshout, J. J., Secher, N. H. Point:Counterpoint: Sympathetic activity does/does not influence cerebral blood flow. Point: Sympathetic activity does influence cerebral blood flow. J. Appl. Physiol. 105, 1364-1366 (2008).
  27. Taylor, J. A., Carr, D. L., Myers, C. W., Eckberg, D. L. Mechanisms underlying very-low-frequency RR-interval oscillations in humans. Circulation. 98, 547-555 (1998).
  28. Giller, C. A., Mueller, M. Linearity and non-linearity in cerebral hemodynamics. Med. Eng. Phys. 25, 633-646 (2003).
  29. Friedman, J. H., Stuetzle, W. Projection pursuit regression. Am. Stat. Assoc. 76, 817-823 (1981).
  30. Friedman, J. H., Tukey, J. W. A projection pursuit algorithm for exploratory data analysis. IEEE Trans. Comp. 23, 881-889 (1974).
  31. Claassen, J. A., Levine, B. D., Zhang, R. Dynamic cerebral autoregulation during repeated squat-stand maneuvers. J. Appl. Physiol (1985). 106, 153-160 (2009).
  32. Taylor, J. A., Myers, C. W., Halliwill, J. R., Seidel, H., Eckberg, D. L. Sympathetic restraint of respiratory sinus arrhythmia: implications for vagal-cardiac tone assessment in humans. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 280, 2804-2814 (2001).
  33. Aries, M. J., Elting, J. W., De Keyser, J., Kremer, B. P., Vroomen, P. C. Cerebral autoregulation in stroke: a review of transcranial Doppler studies. Stroke. 41, 2697-2704 (2010).
  34. Rangel-Castilla, L., Gasco, J., Nauta, H. J., Okonkwo, D. O., Robertson, C. S. Cerebral pressure autoregulation in traumatic brain injury. Neurosurg. Focus. 25, 7 (2008).

Tags

רפואה גיליון 94 זרימת דם במוח לחץ שלילי גוף תחתון autoregulation מערכת עצבים הסימפתטית
הערכת מוחין Autoregulation באמצעות לחץ oscillatory הגוף התחתון שלילי ותחזית המרדף רגרסיה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Taylor, J. A., Tan, C. O., Hamner,… More

Taylor, J. A., Tan, C. O., Hamner, J. W. Assessing Cerebral Autoregulation via Oscillatory Lower Body Negative Pressure and Projection Pursuit Regression. J. Vis. Exp. (94), e51082, doi:10.3791/51082 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter