Characterization of autonomic and cardiorespiratory control in newborn populations at risk for Sudden Infant Death Syndrome

Sudden Infant Death Syndrome (SIDS) is defined as a sudden and unexplained death of an infant younger than 1 year of age. Although infrequent, SIDS is still the most common cause of infant death between one month and one year of age in developed countries. Thanks to epidemiological, animal and pathophysiological studies, possible risk factors and mechanisms leading to this death are more understood, nonetheless number of deaths has reached a plateau in the last decade and no reliable quantitative tool to assess risk exists. The purpose of this Ph.D. thesis is to employ novel signal processing methodologies in order to accurately estimate the effect of several risk factors on the autonomic and cardiorespiratory control in newborn infants. In particular, the effects of sleep states, sleep position, prematurity and exposure to alcohol and smoking during pregnancy are investigated. The original contribution of this thesis centers on the utilization of noninvasive methodologies, to analyze physiological signals routinely acquired in hospital and home settings. Moreover, the approach to signal analysis incorporates complex system generation and interaction, with a systemic view of the cardiorespiratory physiology. Different modes of interactions were explored, ranging from amplitude to phase modulation. Parameters proposed proved to be capable of characterizing multiple autonomic profiles, providing information in line with pathophysiological findings. Results highlighted sleep position effects on autonomic control, with less parasympathetic activity in prone position, especially at 2 months of age. Prematurity greatly influenced the cardiorespiratory coupling, both in terms of strength and directionality, with weaker respiratory drive associated with prematurity. Lastly, neonates exposed to smoking and alcohol during pregnancy showed a blunted autonomic response when exposed to the autonomic challenge of head up tilt. In conclusion, the methods and results of this Ph.D thesis show the utility and power of complex and multivariate signal processing techniques in the investigation of an enigmatic syndrome such as SIDS, where multiple organs and their control systems are involved.

La sindrome della morte improvvisa del lattante (SIDS) è definita come la morte improvvisa e inspiegata di un bambino entro l’anno di età. Sebbene rara, la SIDS è tutt’ora la più comune causa di morte in bambini tra il mese e l’anno di vita nei paesi sviluppati. Grazie a studi epidemiologici, animali e fisiopatologici, sono stati ipotizzati possibili fattori di rischio e meccanismi che condurrebbero a questa morte. Nonostante ciò, nell’ultimo decennio i numeri di morti per SIDS hanno raggiunto un plateau e non esiste al momento uno strumento per la predizione di rischio. L’obiettivo di questa tesi di dottorato è utilizzare metodi innovativi di signal processing al fine di stimare accuratamente gli effetti di diversi fattori di rischio sul sistema autonomo e sul controllo cardiorespiratorio nei neonati: in particolare, abbiamo investigato l’effetto dello stato del sonno, della posizione, della prematurità e dell’esposizione a fumo e alcool in gravidanza Il contributo orginale della tesi è incentrato sull’utilizzo di metodologie innovative per analizzare segnali fisiologici abitualmente acquisiti in ambiente ospedaliero e a casa; inoltre l’approccio utilizzato per l’analisi dei segnali incorpora sistemi di generazione e di interazione complessi, con una visione sistemica della fisiologia cardiovascolare. Varie modalità di interazione sono state esplorate, a partire dalla modulazione lineare fino alla modulazione di fase. I parametri proposti si sono dimostrati capaci di caratterizzare profili di controllo autonomo, fornendo informazioni in linea con i risultati fisiopatologici. I risultati hanno evidenziato che la posizione del sonno influenza il controllo autonomo, con minore attività parasimpatica in posizione prona, specialmente a due mesi di vita. La prematurià condiziona fortemente l’accoppiamento cardiorespiratorio, sia in termini di forza che di direzionalità, con una minor influenza respiratoria in funzione della prematurità. Da ultimo, i neonati esposti a fumo e alcol in gravidanza hanno mostrato una risposta ridotta quando sottoposti a challenge autonomiche, come il tit. In conclusione, i metodi e risultati di questa tesi di dottorato hanno mostrato l’utilità e le potenzialità di tecniche di analisi di segnali, complesse e multivariate, nel contesto della ricerca di una sindrome così enigmatica come la SIDS, in cui molteplici organi e sistemi di controllo sono coinvolti.