Caltech-Forscher erforscht link zwischen Variablen Herzfrequenz, Gesundheit und fitness


Mit Hilfe mathematischer Theorie und software-tools, Caltech-Forscher John Doyle Studien, warum eine variable Herzfrequenz ist ein Zeichen von Gesundheit und fitness

Obwohl das Herz schlägt sehr vertraut „lub-dub“ – Muster, die beschleunigt oder verlangsamt, wie unsere Aktivität erhöht oder verringert, wird das Muster selbst ist nicht so regelmäßig wie Sie vielleicht denken. In der Tat, die Zeit zwischen den Herzschlägen variieren kann sogar auf eine „Konstante“ Herzfrequenz-und dass die Variabilität, die ärzte gefunden haben, ist eine gute Sache.

Reduziert die Herzfrequenz-Variabilität (HRV) hat gewesen gefunden zu sein Vorhersagewert für eine Reihe von Erkrankungen, wie Herzinsuffizienz und Entzündungen. Für Sportler, die einen Rückgang der HRV wurde auch im Zusammenhang mit Müdigkeit und überanstrengung. Jedoch, die zugrunde liegenden physiologischen Mechanismen für die Kontrolle der HRV-und warum genau diese variation ist wichtig für eine gute Gesundheit-sind immer noch ein bisschen ein Rätsel.

Durch die Kombination von Herzfrequenz-Daten von echten Athleten mit einem Zweig der Mathematik genannt-control-Theorie, einem kooperativen team von ärzten und Caltech-Forscher der Division of Engineering and Applied Sciences haben sich jetzt ausgedacht, einen Weg, um besser zu verstehen, die Beziehung zwischen HRV und Gesundheit-ein Schritt, der könnte sich demnächst besser informieren monitoring-Technologien für Sportler und Mediziner.

Die Arbeit wurde veröffentlicht in der August-19 print-Ausgabe der Proceedings of the National Academy of Sciences.

Den reibungslosen Ablauf von komplexen Systemen, wie computer-Netzwerken, Autos und sogar der menschliche Körper, verlassen sich auf geben und nehmen verbindungen und Beziehungen zwischen einer großen Anzahl von Variablen; wenn eine variable muss stabil bleiben, um ein gesundes system, eine weitere variable muss in der Lage sein, um flex zu erhalten, die Stabilität. Da wäre es zu schwierig die Zuordnung jeder einzelnen variable, die Mathematik und die software-tools wie in-control-Theorie ermöglichen es Ingenieuren zu geben, um die ups und downs in einem system, und die Ursache eines möglichen Problems.

Forscher, die studieren-control-Theorie werden zunehmend entdecken, dass diese Konzepte können auch sehr nützlich in Studien des menschlichen Körpers. Um für einen Körper, der optimal funktioniert, muss Sie operieren in einem Umfeld von Stabilität als Homöostase bezeichnet. Wenn der Körper erfährt stress-zum Beispiel aus der Ausübung oder extremen Temperaturen-Sie pflegen einen stabilen 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, der Jean-Lou Chameau Professor für Kontrolle und Dynamische Systeme, Elektrotechnik und Bioengineering.

„Eine vertraute Verwandte problem ist in Fahrt,“ Doyle sagt. „Um ein Ziel trotz unterschiedlicher Wetter-und Verkehrsinformationen, Fahrer-sogar ein Roboter-ein-Faktoren wie Beschleunigung, Bremsen, Lenkung und Scheibenwischer. Wenn diese Faktoren plötzlich eingefroren und unveränderlich, während das Auto noch bewegt, wäre es eine fast bestimmten Indikator, dass ein Absturz unmittelbar bevorstand. Ebenso Verlust der Herzfrequenz-Variabilität vorhersagt, irgendeine Art von Fehlfunktion oder ‚crash‘ oft, bevor es irgendwelche anderen Hinweise“, sagt er.

Um zu untersuchen, wie die HRV hilft, diese version von „cruise control“ in den menschlichen Körper, Doyle und seine Kollegen Messen die Herzfrequenz, der Atemfrequenz, der Sauerstoffverbrauch und die Kohlendioxid-generation von fünf gesunden Jungen Athleten, wie Sie abgeschlossen experimentelle übung Routinen auf stationären Fahrrädern.

Durch die Kombination der Daten aus diesen Experimenten mit den standard-Modellen ist der physiologische Regelmechanismen im menschlichen Körper, die Forscher waren in der Lage, um zu bestimmen, die wesentlichen Nachteile, die notwendig sind, für Athleten, um zu produzieren genug Energie, die zur Aufrechterhaltung körperlicher Belastung, während auch die Aufrechterhaltung der internen Homöostase Ihrer Vitalfunktionen.

„Zum Beispiel, das Herz, die Lunge und die Zirkulation muss liefern genügend sauerstoffreiches Blut zu den Muskeln und anderen Organen, ohne sich um den Blutdruck so viel wie zu Schäden am Gehirn,“ Doyle sagt. „Dies geschieht in Absprache mit der Kontrolle der Erweiterung der Blutgefäße in den Muskeln und Gehirn, und die Kontrolle der Atmung. Da die körperlichen Anforderungen der übung ändern, die Muskeln produzieren müssen, die fluktuierende Ausgänge, und das Herz, Blutgefäßen, Lunge und muss dann reagieren, halten den Blutdruck und die Sauerstoffversorgung in engen Grenzen.“

Sobald diese trade-offs definiert wurden, die Forscher dann verwendet, Regelungs-Theorie für die Analyse der Trainings-Daten und festgestellt, dass ein gesundes Herz zu pflegen, auf bestimmte Muster der Variabilität während der übung, um dieses komplizierte system im Gleichgewicht. Verlust dieser Variabilität ist ein Vorläufer von Müdigkeit, den stress durch körperliche Belastung induzierten. Heute, einige HRV-Monitore in der Klinik lassen kann ein Arzt wissen, Wann die Variabilität ist hoch oder niedrig, aber Sie bieten wenig in der Art von eine verwertbare Diagnose.

Weil Monitore in Krankenhäusern können bereits HRV Ebenen und Dutzende von anderen Signalen und Messwerten, die integration solcher mathematischen Analysen der Kontrolle der Theorie in die HRV-Monitore könnte in Zukunft eine Möglichkeit bieten, auf link ein Rückgang der HRV auf eine spezifischere und behandelbare Diagnose. In der Tat, einer von Doyle ‚ s Schüler ist ein HRV-Anwendung von control Theorie besser interpretieren traditionelle EKG-Signale.

Control-Theorie könnte auch integriert werden in die HRV-Monitore von Sportlern verwendet werden, um zu verhindern, dass Müdigkeit und Verletzungen durch übertraining, sagt er.

„Ärzte, die Arbeit in sehr Daten-intensiv-Einstellungen, wie op oder Intensivstation 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 ein Mitverfasser auf dem Papier. „Wir hoffen, dass diese Arbeit ist ein Erster Schritt in ein größeres Forschungsprogramm, das den ärzten hilft, bessere Nutzung der Daten zur Versorgung der Patienten.“

Diese Studie ist nicht die erste zu gelten-control-Theorie in der Medizin. Control-Theorie verfügt bereits über die Gestaltung einer tragbaren künstlichen Bauchspeicheldrüse für Typ-1-Diabetes-Patienten und eine automatisierte Prototyp-Gerät, kontrolliert die Verwaltung der Anästhesie während der Operation. Noch wird es das Letzte sein, sagt Doyle, dessen Sehenswürdigkeiten sind nächsten Satz auf die Verwendung-control-Theorie zu verstehen, die das Fortschreiten von Krebs.

„Wir haben einen neuen Ansatz, der in ähnlicher Weise auf die Kontrolle von Netzwerken, organisiert und integriert eine Reihe von neuen Ideen im Umlauf über die Rolle des gesunden stroma -, nicht-tumor-Zellen in Tumoren-bei der Förderung der Krebs Fortschreiten“, sagt er.

„Basierend auf Gesprächen mit Dr. Peter Lee bei“ City of Hope [a cancer research and treatment center], wir verstehen jetzt, dass die nicht-Tumorzellen interagieren mit dem Immunsystem und mit Chemotherapeutika zu modulieren, das Fortschreiten der Krankheit,“ Doyle sagt. „Und ich hoffe, es gibt eine ähnliche Geschichte, dort, wo das denken konsequent über die vor-und Nachteile in der Entwicklung, regeneration, Entzündung, Wundheilung und Krebs führen zu neuen Einsichten und letztlich neue Therapien.“

Schreibe einen Kommentar