Mesures

Les expériences ont consisté en une respiration spontanée pendant 10 minutes suivie de trois intervalles de respiration guidée à haute fréquence (Fig. 1, zones ombragées vertes) avec 4 minutes de respiration spontanée entre chacune. Le premier intervalle de respiration guidé était à 90% du RHR (commencé vers 600 s), le deuxième intervalle (l’heure de début est autour de 1000 s) correspondait à une fréquence respiratoire égale au RHR, et le troisième intervalle (autour de 1400 s) nécessitait une respiration à 120% du RHR. L’animation guidant la respiration a duré 100 cycles de respiration complets. Le nombre total d’intervalles guidés pour les 22 volontaires considérés dans ce travail est de 66.

La fréquence respiratoire instantanée (bleue) et la fréquence cardiaque (rouge) sont indiquées à partir des données du volontaire 11. Les régions de respiration guidée sont ombragées. Les marqueurs « x » et « + » correspondent respectivement aux maxima du signal respiratoire et aux pics R du signal ECG. Tous les intervalles de repos de 10 minutes au début ne sont pas indiqués, car ces données ne sont pas explicitement analysées dans cet article.

Des enregistrements simultanés des signaux ECG et respiratoires ont été effectués. Selon la procédure de traitement des données décrite dans la section Méthodes, les fréquences respiratoires et cardiaques ont été calculées en Hertz; cependant, à titre illustratif dans cet article, les fréquences sont présentées en battements par minute (BPM). Les fréquences cardiaques et respiratoires tracées ensemble sur la Fig. 1 fournir une image claire du plan expérimental, avec des intervalles d’augmentation des fréquences respiratoires, qui augmentent fortement jusqu’à un taux proche du RHR. La fréquence cardiaque démontre une réponse à un changement d’étape de la fréquence respiratoire; ces réponses d’étape seront discutées ci-dessous.

La fréquence respiratoire comme force motrice

En raison de la conception de l’expérience, la fréquence respiratoire pendant les intervalles guidés était destinée à être constante. Cependant, des expériences ont démontré que les individus étaient incapables de suivre exactement la fréquence du métronome, de sorte qu’il y avait une variabilité de la fréquence respiratoire instantanée. De plus, la déglutition ou la toux ont été observées dans quelques cas. Cependant, les fréquences respiratoires moyennes correspondaient aux valeurs guidées définies par le métronome. La figure 2 montre à quel point les volontaires ont suivi de près le métronome: par rapport à l’intervalle normalisé 2 (100% RHR), les taux moyens pour les intervalles 1 et 3 sont très proches des valeurs de 0,9 (90% RHR) et 1,2 (120% RHR), comme prévu par la procédure expérimentale. Pour ce volontaire (Fig. 2), l’écart par rapport à la moyenne pour chaque intervalle est inférieur à 4%. La moyenne et l’écart type de la fréquence respiratoire pour tous les intervalles et les volontaires sont indiqués dans le tableau SI1 des informations à l’appui (SI). Pour la plupart des intervalles, l’écart type est inférieur à 10%. L’écart type de la fréquence respiratoire définit les incréments de pas possibles minimaux entre les fréquences respiratoires guidées. Les valeurs de l’écart-type des fréquences respiratoires obtenues pour notre cohorte confirment que les changements incrémentaux sélectionnés de 10% et 20% par rapport au RHR garantissent un changement statistiquement significatif de la valeur moyenne de la fréquence respiratoire entre les intervalles de respiration guidée.

Les fréquences respiratoires instantanées, normalisées par la fréquence respiratoire moyenne de l’intervalle 2, sont indiquées par le marqueur ‘x’. Les lignes noires pointillées représentent l’écart-type de la vitesse, tandis que la ligne noire continue est la fréquence respiratoire moyenne pour cet intervalle. En supposant qu’un volontaire suive bien le métronome, la plage entre les lignes d’écart-type sera faible. La normalisation montre le taux de respiration proportionnel par rapport à la RHR. Données des bénévoles 11.

Le test de normalité de Shapiro-Wilk a montré que pour 33 intervalles guidés sur 66, la fréquence respiratoire est normalement distribuée. Les écarts par rapport à la normalité sont principalement associés à la toux et / ou à la déglutition. Le test de Kwiatkowski–Phillips–Schmidt–Shin (KPSS) a démontré que presque tous les intervalles (63 sur 66) sont stationnaires. Ainsi, la composante stochastique de la fréquence respiratoire guidée peut être représentée comme un processus aléatoire gaussien, et le signal respiratoire lui-même correspond à des oscillations quasi-harmoniques stochastiques d’amplitude constante et de fréquence variable (voir Fig. SI1 en SI).

Réponse de la fréquence cardiaque au changement d’étape de la fréquence respiratoire

La moyenne et l’écart type de la fréquence cardiaque pour tous les intervalles et les volontaires sont indiqués dans le tableau SI2 de SI. La variabilité de ces données est significativement plus forte que celle des données de fréquence respiratoire. Cela peut s’expliquer par la dynamique non stationnaire de la fréquence cardiaque. À l’inverse de la fréquence respiratoire guidée, le test KPSS a démontré que pour 63 des 66 intervalles de respiration à haute fréquence, la fréquence cardiaque instantanée n’est pas stationnaire. De plus, le test de Shapiro-Wilk a montré que 49 intervalles de fréquence cardiaque sur 66 ne sont pas normalement distribués. Notez que les intervalles avec une fréquence respiratoire de 120%, qui étaient les intervalles censés afficher la synchronisation, ne correspondaient pas directement aux intervalles dont la fréquence cardiaque était normalement distribuée.

La non-stationnarité constatée est liée à des périodes transitoires d’adaptation qui ont été observées pour la plupart des intervalles guidés, les fréquences cardiaques atteignant des niveaux disproportionnés par rapport à la fréquence respiratoire prescrite, formant une réponse de rampe. L’adaptation était particulièrement visible pendant le premier intervalle de respiration à haute fréquence (Fig. 1). Quoi qu’il en soit, en supposant qu’un volontaire se détend et continue de suivre le métronome respiratoire, sa fréquence cardiaque s’ajuste en conséquence. Cette période transitoire est moins prononcée dans les deuxième et troisième intervalles suivants.

Pour analyser la réponse transitoire, une tendance lente de la fréquence cardiaque a été calculée via une technique de moyenne mobile décrite dans la section Méthodes. Une variété de tendances a été observée (Fig. SI2 dans SI) et pour certains intervalles, il n’y avait pas de tendance. Dans l’exemple présenté à la Fig. 3, le premier intervalle montre une réponse de dépassement avec une augmentation initiale de la fréquence cardiaque suivie d’une décroissance; ce comportement était typique de notre cohorte (des exemples de ces tracés peuvent être trouvés pour tous les volontaires à la Fig. SI2 dans SI). Les schémas pour les deuxième et troisième intervalles étaient plus complexes, mais la majorité incluait une augmentation transitoire du taux. Des estimations approximatives ont montré que la durée de cette augmentation transitoire de la fréquence cardiaque durait entre 10 et 100 secondes. Cette observation remet en question certains résultats19, 20, 21 où tout l’intervalle de respiration guidée était d’environ 30 secondes. Pour certains intervalles, la fréquence cardiaque semblait commencer à tendre vers une valeur stable après l’adaptation initiale. Cependant, aucun état d’équilibre clair n’a été observé et, dans la majorité des cas, la fréquence cardiaque a continué de se diffuser. En fait, une telle dynamique errante est une caractéristique de la fréquence cardiaque22 et doit être prise en compte lors de l’analyse de la synchronisation.

Tendances de la fréquence cardiaque pendant les intervalles de respiration guidée. Les courbes noires correspondent aux tendances. Les lignes rouges spécifient la valeur moyenne (ligne continue) et l’écart type (lignes pointillées) de la fréquence respiratoire pour chaque intervalle. Toutes les données sont normalisées par la fréquence respiratoire moyenne de l’intervalle 2. La réponse de fréquence cardiaque prévue devrait signifier que la courbe noire se situe dans les lignes pointillées rouges pendant la plus grande partie de l’intervalle possible. Données des bénévoles 11.

Synchronisation

Un exemple de synchrogram6 englobant tous les intervalles de respiration guidés et les périodes de repos spontanées est illustré à la Fig. 4, où Ψ représente la phase relative (voir la section Méthodes) du signal respiratoire. Un épisode de synchronisation de phase avec le rapport 1:1 est visible comme une ligne de plateau entre 1400 s et 1450 s pendant le troisième intervalle de respiration guidée, où le taux est fixé à 120% du RHR. Au cours de cet épisode, l’errance de la fréquence cardiaque est limitée et la fréquence cardiaque fluctue autour d’une valeur particulière (Fig. 3 c)). Avant et après cet épisode, la fréquence cardiaque présente un comportement diffusif.

Synchrogramme pour le volontaire 11. Les régions ombragées correspondent aux régions de respiration guidée. La phase Ψ est représentée en radians.

Pour 18 des 22 volontaires, le CRS s’est produit dans le troisième intervalle, lorsque la fréquence respiratoire guidée était supérieure à la RHR. Pour quatre volontaires (numéros 2, 10, 20 et 21), des épisodes de synchronisation ont été observés pour le deuxième intervalle lorsque la fréquence respiratoire était censée être égale au RHR. Une analyse supplémentaire de la fréquence cardiaque pendant l’intervalle de repos de 10 minutes précédant la respiration guidée suggère que la valeur de RHR calculée pour ceux-ci était potentiellement trop élevée, donc pour ce deuxième intervalle, la fréquence respiratoire était supérieure à la RHR réelle. Ainsi, pour tous les volontaires, le CRS a été observé lorsque la fréquence respiratoire était supérieure à la RHR. Dans de nombreux cas, plus d’un épisode de CRS a été observé dans le même intervalle de temps. Ces épisodes ont été identifiés automatiquement par l’indice de synchronisation 6 λ et la différence de phase limitée φ comme décrit dans la section Méthodes. L’épisode le plus long a été distingué et la durée totale de tous les épisodes de l’intervalle donné a été calculée. Tous les résultats sont résumés dans le tableau 1 avec des temps donnés à la seconde la plus proche. Les durées CRS calculées par les deux méthodes ont produit des valeurs proches. Pour la plupart des volontaires, l’épisode le plus long a été prolongé, avec des durées variant de 20 à 80 secondes, correspondant à 30% à 98% de l’intervalle total de respiration guidée.

Un volontaire (numéro 3) a eu de très courts épisodes de CRS. La dynamique de la différence de phase et des taux pour le troisième intervalle pour ce volontaire et le volontaire 2 sont illustrés à la Fig. 5 (des graphiques de comparaison similaires peuvent être trouvés pour tous les volontaires à la Fig. SI3 en SI). L’interprétation de ces graphiques permet de visualiser les durées spécifiées dans le tableau 1. Le panneau supérieur (graphique (a) et (e) de la Fig. 5) démontre la différence de phase entre la fréquence cardiaque et la fréquence respiratoire. Une oscillation de la différence de phase dans une plage limitée inférieure à 2 π, ou la différence de phase proche d’une valeur constante pendant une période prolongée est indicative d’une synchronisation de phase entre les deux signaux. La durée des épisodes de synchronisation pour différents volontaires est indiquée dans le tableau 1. Le deuxième panneau (graphique (b) et (f)) montre la dépendance temporelle de l’index de synchronisation. Une valeur de l’indice proche de un représente une synchronisation 1:1 entre deux signaux oscillants. Les épisodes prolongés au-dessus du seuil de 0,7 justifié expérimentalement déterminent la valeur de λ dans le tableau 1. Le troisième panneau (graphiques (c) et (g)) montre le synchrogramme pour tout l’intervalle de respiration à haut débit. Au cours de la synchronisation de phase, les points du synchrogramme démontrent un plateau. De tels plateaux représentent la phase d’un signal ne changeant pas de plus d’une période entière par rapport à la phase du second signal. Le panneau final (graphiques (d) et (h)) est une représentation des fréquences cardiaques et respiratoires pour une comparaison des vitesses instantanées lors d’épisodes de synchronisation avec la dynamique des phases. Les lignes rouges en pointillés représentent la grande variabilité de la fréquence respiratoire, même pour une respiration contrôlée – plus cette plage est grande, plus la fréquence respiratoire est variable et, par conséquent, plus un volontaire a maintenu une fréquence constante. La ligne rouge continue est la fréquence respiratoire moyenne et la ligne bleue montre la dynamique de la fréquence respiratoire instantanée tout au long de l’intervalle. La ligne noire des graphiques (d) et (h) correspond à la fréquence cardiaque avec des oscillations à haute fréquence supprimées via l’application de techniques de moyenne mobile. Pendant les épisodes de synchronisation de phase, on s’attend à ce que la ligne noire tombe entièrement entre les lignes rouges en pointillés, ce qui représente le fait que la variabilité de la fréquence cardiaque est contenue dans la variabilité de la fréquence respiratoire.

Mesures de synchronisation pour le volontaire 2 (à gauche) et le volontaire 3 (à droite). Les figures (a, e) montrent la différence de phase, les figures (b, f) montrent l’indice de synchronisation, les figures (c, g) montrent le synchrogramme et les figures (d, h) montrent les taux cardiaques lissés (ligne noire) et respiratoires (ligne bleue). Sur les figures (d, h), les lignes rouges spécifient la valeur moyenne (ligne continue) et l’écart type (lignes pointillées) de la fréquence respiratoire pour chaque intervalle.

Dans la Fig. 5, pour les deux cas, les fréquences cardiaques (Fig. 5 (d, h)) sont visuellement proches des fréquences respiratoires pour tout l’intervalle, mais la dynamique de phase (Fig. 5(a, e)) sont remarquablement différentes. La différence de phase φ (Fig. 5(a)) est limitée et presque constante pour le volontaire 2, alors qu’elle augmente de façon monotone pour le volontaire 3 (Fig. 5 e)). Cette différence significative entre la dynamique de phase et de vitesse souligne l’importance de l’utilisation d’approches qualitatives telles que la description de phase pour l’analyse de la synchronisation de signaux à composantes stochastiques et/ou non stationnaires.

Comme mentionné, des épisodes de CRS ont été observés dans le deuxième intervalle (taux censé être équivalent à la RRS) chez quatre volontaires. Par conséquent, leur troisième intervalle correspondait à une fréquence respiratoire significativement plus élevée que la RHR. L’évolution temporelle du déphasage φ pour les trois intervalles est représentée à la Fig. 6 pour l’un de ces volontaires. La différence de phase φ augmente de manière monotone avec le temps pendant le premier intervalle, car les oscillations cardiaques sont plus rapides que la respiration. La différence de phase limitée et presque constante pendant le deuxième intervalle démontre la manifestation de l’effet de synchronisation. Pour le troisième intervalle, la situation est inverse et la différence de phase diminue de manière monotone. On notera que pour tous les autres volontaires, le troisième intervalle correspondait à l’intervalle de synchronisation, et donc à une différence de phase limitée.

Les différences de phase φ pour trois intervalles de respiration guidés sont indiquées pour le volontaire 2. Les courbes bleues, rouges et vertes correspondent respectivement aux premier (90% RHR), deuxième (100% RHR) et troisième (120% RHR) intervalles. Les différences de phase sont normalisées par 2π.

Il existe une nette différence de durée des épisodes de synchronisation entre les résultats pour les athlètes (soulignés par un astérisque) et les non-athlètes (tableau 1). Il convient de noter que la plupart des athlètes avaient une RHR significativement plus faible, autour de 50 BPM (tableau SI1 en SI), par rapport aux autres volontaires, et respiraient donc à des taux plus faibles pendant les intervalles de respiration guidée. Cela conduit à un problème de biais dans la conception de l’expérience – plus un individu est en forme et plus son RHR est bas, plus il a besoin de respirer lentement, bien qu’il soit probablement plus capable de maintenir des taux de respiration plus élevés que les non-athlètes. Tous les athlètes ont eu de longs épisodes de synchronisation. Les résultats des non-athlètes sont moins cohérents; cependant, l’épisode de synchronisation le plus long de la cohorte a été observé chez un non-athlète (volontaire 2).

Comme 9 des 10 athlètes de l’étude sont des hommes, une comparaison globale des épisodes de synchronisation entre les participants masculins et féminins n’est pas nécessairement représentative d’une population uniformément répartie et serait intrinsèquement biaisée par la différence entre les athlètes et les non-athlètes discutée ci-dessus. Cependant, lorsque l’on considère les non-athlètes, il y a 5 hommes et 7 femmes. Le tableau 1 montre qu’il n’existe aucune différence entre les résultats masculins et féminins pour les 12 non-athlètes. Les épisodes de synchronisation et les durées totales sont de longueur comparable. Par coïncidence, les épisodes de synchronisation les plus longs et les plus courts étaient des femmes (volontaires 2 et 3, respectivement), avec des différences claires entre ces résultats démontrés à la Fig. 5.

Bien que les mesures de synchronisation considérées dans cette recherche aient permis d’identifier avec succès des épisodes de CRS, il est important de souligner que ces épisodes pourraient encore être fortuit, sans aucune interaction cardio-respiratoire. En effet, il a été discuté ci-dessus que la fréquence cardiaque démontre une dynamique errante (diffusive) et des changements dans une large gamme. En raison de cette diffusivité, lorsque les fréquences respiratoires et cardiaques sont proches l’une de l’autre pendant un certain temps, leurs taux moyens sont presque égaux, et aucune différence entre les taux ne serait clairement visible pendant ces courtes périodes. Ceci, à son tour, signifierait que toutes les mesures, c’est-à-dire le synchrogramme, l’indice de synchronisation et la différence de phase, identifieraient ces périodes comme des épisodes de synchronisation même en l’absence d’une véritable interaction cardio-respiratoire. Par conséquent, dans ce travail, nous démontrons en outre que les épisodes que nous avons observés n’étaient pas fortuits en utilisant des données de substitution.

Considérons les fréquences respiratoires et cardiaques de substitution générées à l’aide de données aléatoires, normalement distribuées, et dérivons le synchrogramme et l’index de synchronisation pour ces données. Les valeurs moyennes (70 BPM) et les écarts types (3%) des fréquences respiratoires et cardiaques sont choisis pour être égaux et correspondent à deux séries chronologiques aléatoires différentes. Ces vitesses ont été converties en périodes instantanées, comme décrit dans la section Méthodes, ce qui conduit à deux séries chronologiques de substitution : l’une des pics R d’un signal ECG et l’autre des maxima d’un signal respiratoire. Ensuite, les mêmes techniques de traitement du signal ont été appliquées aux données expérimentales, et la différence de phase Ψ a été calculée en même temps que l’indice de synchronisation λ (Fig. 7). On voit que la phase Ψ (Fig. 7a) est presque constante (ΨC ≈ 2) pendant un intervalle de temps long et l’indice de synchronisation λ (Fig. 7b) est supérieure à la valeur seuil (0,7) pour tout l’intervalle. Par conséquent, des épisodes de synchronisation pour ces données de substitution sont clairement observés. Il est important de noter que pour les données de substitution, la valeur presque constante ΨC de la phase Ψ sur le synchrogramme est une valeur aléatoire, malgré toutes les mesures montrant des épisodes de synchronisation. Par exemple, à la Fig. 7 la phase est d’environ 2 (ΨC ≈ 2), mais prendrait une valeur différente pour un autre ensemble de données de substitution. Par conséquent, pour une synchronisation observée par hasard, la distribution de p(Ψ) pour un ensemble de mesures doit être uniforme puisque les séries chronologiques de vitesses sont totalement indépendantes. D’autre part, une différence par rapport à une distribution uniforme p(Ψ) indiquerait la présence d’un couplage entre les systèmes cardio et respiratoire. Sur la Fig. 8, la distribution p (Ψ) dérivée de nos données expérimentales pour les 22 intervalles de respiration guidée avec épisodes de synchronisation de tous les volontaires est montrée. Les valeurs de Ψ ont été choisies parmi les diagrammes de synchrogramme lorsque λ> 0,9. La valeur seuil a été augmentée par rapport à l’analyse expérimentale pour mettre en évidence les épisodes d’interaction la plus forte (notez que d’autres valeurs seuils, par exemple 0.7, conduisent à une forme similaire de la distribution). La distribution (Fig. 8) est asymétrique et a la valeur la plus probable de 4; ΨC ≈ 4. Ce résultat indique que le verrouillage de phase dans nos données expérimentales est observé pour une valeur particulière de Ψ et que les épisodes de synchronisation ne sont donc pas fortuits et résultent d’une véritable interaction cardio-respiratoire.

Synchrogramme (a) et index de synchronisation (b) pour les données de substitution; la moyenne est de 70 BPM et l’écart type est de 3%. Les traits pointillés rouges et magenta correspondent respectivement à λ = 0,7 et λ = 0,9.

La densité de probabilité p(Ψ) pour les données expérimentales est représentée dans un graphique à barres. La phase Ψ est représentée en radians.