Studio della dinamica del controllo autonomico durante tilt-test con e senza ABVN tVNS mediante algoritmi tempo-varianti

Introduction The autonomic nervous system (SNA) is the component of the nervous system described as independent of reason and which controls cardiac contraction, visceral activities, glandular functions and all the activities necessary to maintain the body's homeostasis. The autonomous control is composed of two interacting systems: the sympathetic system (SNS) and the parasympathetic system (PNS). The two systems are anatomically separated and in most of the target organs they perform antagonistic functions; however there are also structures innervated by only a system or structures in which the action of the two systems is synergistic. The SNS is active in situations of stress or emergency, in which it prepares the body to spend energy to fight or flee, that is to say "fight or flight". The PNS, on the other hand, is more active in resting situations and returns the body to a state of rest after a stressful event. Heart rate (HR) at all times reflects the effect of these two systems. Sympathetic heart control is crucial for increased cardiac output, for example during exercise. The vagal control of HR is modulated by respiration. Inspiration reduces vagal output and produces tachycardia, while exhalation increases vagal output and causes bradycardia. This effect is known as RSA (sinus respiratory arhythmia). The sympathetic innervation of blood vessels is also the first actor in maintaining blood pressure (BP). SNA dysfunctions, also called dysautonomies, can derive from diseases that directly involve SNA or from pathologies such as myocardial infarction. Furthermore, the relationship between dysautonomia and disease has been established in various cardiovascular pathologies that would be favored by it, such as: myocardial infarction, hypertension, heart failure, atrial fibrillation, long QT syndrome, neurocardiogenic syncope, diabetes mellitus and postural orthostatic tachycardia syndrome [Goldberger2019]. Already in the 90s it was hypothesized that the imbalance of SNA towards the sympathetic component could directly contribute to the progression of the disease. Numerous drugs have been developed since then for those conditions characterized by a high adrenergic state. Today the most effective intervention is the pharmacological one based on beta-blocker therapy. Other approaches still under study and optimization include the destruction of autonomic nerves and electrostimulation. In this work it was intended to deepen the approach based on electrostimulation and, in particular, on the stimulation of the vagal nerve (VNS - Vagal Nerve Stimulation). The vagal nerve is the longest among the cranial nerves, it is mainly composed of parasympathetic fibers and it mediates, in particular, the parasympathetic innervation of the heart. One of the non-invasive VNS techniques is based on the transcutaneous stimulation (tVNS) of the auricular branch of the vagus nerve at ear level, as ABVN tVNS, via an electrode positioned in the cymba conchae. The link between SNA dysfunctions and different pathologies has contributed to the development of quantitative markers of autonomic activity and the most promising has been immediately the heart rate variability (HRV - Heart Rate Variability) [Association1996]. The PNS nerves act more quickly, under 1 s, while the SNS nerves are slower, above 5 s. The different timing of action of the two systems allowed to study the heart rate variability from the spectral point of view, identifying the bands belonging to the sympathetic, typically lower frequencies, and of the parasympathetic which, acting more quickly, becomes detectable at frequencies higher. This type of analysis allows us to observe and study the so-called sympathetic-vagal balance and furthermore, subjecting an individual to certain non-invasive maneuvers which cause a "stress" to the SNS, such as, for example, the tilt-test, it is possible to evaluate and quantify the changes in the sympathetic-vagal balance that accompany these maneuvers. Materials and methods Eleven young and healthy subjects (5 males, 6 females) were recruited to conduct this study, with an average age of 27 years. Inclusion criteria included an age limit greater than 18 years and a stable sinus rhythm monitored at the ECG. All subjects underwent two protocol days: 1) one day with tVNS, 2) one without tVNS (SHAM day), at least 24 hours after the first session. To assess the cardiac and peripheral autonomic control, the following signals were monitored continuously at rest and during the passive standing tilt maneuver (Tilt test 75 °): ECG derivation II, respiratory signal via a belt (BT 16 Plus, FM Elettronica, Monza) and beat-to-beat non-invasive blood pressure monitoring (Finometer MIDI®, Finapres Medical System®). The protocol was approved by the ethical committee of the L. Sacco hospital in Milan and was developed in accordance with the Helsinki declaration. Transcutaneous electrical stimulation was performed through a non-invasive device (NEMOS®; Cerbomed, Germany) in the cymba conchae of the left external ear. The processing of the extracted signals and the extraction of the parameters of interest were carried out in Matlab environment. The analysis focused on the trend over time of the various parameters related to HRV, assessed both in conjunction with the pressure signal and with the respiratory signal. In order to extract the power spectra of the signals, a bivariate analysis was performed with a time-varying autoregressive algorithm. The values of the powers and their trend over time have been calculated and reported in absolute value and in percentage value. To characterize the dynamic response of the cardiovascular system to the tilt test, the tachogram transient was analyzed in the transition from the supine to the orthostatic position and vice versa. The quadratic coherence values and the coherent and inconsistent quantities of signals were calculated. Furthermore, the baroreceptive gain was calculated. Finally, a statistical analysis of the data was carried out. Results and conclusions A preliminary analysis of the RR intervals of the tachogram resulted in a slowing of the HR in resting conditions (supine position) of an average of 2% in the presence of tVNS stimulation. The spectral analysis of the tachogram also revealed a reduction in the LF/HF ratio, confirming an increased PNS activity due to the tVNS. The rapidity of the cardiac response to the tilt test during the transition phases from one position to another seems to be influenced by the tVNS. During post tilt recovery, the tVNS induces an increase in gain in the HF band. The increase in baroceptive gain indicates a greater sensitivity of the cardiovascular system to pressure disturbances and, therefore, a better control of the same. The results obtained in this study make it possible to envisage the use of the tVNS as a therapy in a wide spectrum of pathologies that present an imbalance of the sympatho-vagal balance or alterations in cardiac variability. Moreover, the analytical approach used could be useful to identify pathological situations due not only to an unbalance of the SNA, but also to temporary desynchronizations of its components.

Introduzione Il sistema nervoso autonomo (SNA) è la componente del sistema nervoso descritto come indipendente dalla ragione e che controlla la contrazione cardiaca, le attività viscerali, le funzioni ghiandolari e tutte le attività necessarie per mantenere l'omeostasi dell'organismo. Il controllo autonomo è composto da due sistemi interagenti: il sistema simpatico (SNS) e il sitema parasimpatico (PNS). I due sistemi sono anatomicamente separati e nella maggior parte degli organi bersaglio esercitano funzioni antagoniste, tuttavia esistono anche strutture innervate da solo un sistema o strutture in cui l'azione dei due sistemi risulta sinergica. Il sistema simpatico è attivo in situazioni di stress o emergenza, in cui prepara il corpo a spendere energia per combattere o fuggire, ovvero "fight or flight". Il sistema parasimpatico, al contrario, è più attivo in situazioni di riposo e riporta il corpo a uno stato di riposo dopo un evento stressante. La frequenza cardiaca (FC) in ogni istante riflette l'effetto di questi due sistemi. Il controllo simpatico del cuore è cruciale per l'aumento della gittata cardiaca, per esempio durante esercizio. Il controllo vagale della FC è modulato dalla respirazione. L'inspirazione riduce l'output vagale e produce tachicardia, mentre l'espirazione aumenta l'output vagale e provoca bradicardia. Questo effetto è noto come aritmia respiratoria sinusale RSA. L'innervazione simpatica dei vasi sanguigni è anche il primo attore nel mantenimento della pressione arteriosa (PA). Disfunzioni del SNA, anche dette disautonomie, possono derivare da malattie che coinvolgono direttamente il SNA oppure da patologie quale l'infarto miocardico. Inoltre, la relazione tra disautonomia e malattia è stata stabilita in diverse patologie cardiovascolari che sarebbero favorite da essa, quali: l'infarto miocardico, l'ipertensione, lo scompenso cardiaco, la fibrillazione atriale, la sindrome del QT lungo, le sincopi neurocardiogene, il diabete mellito e la sindrome da tachicardia posturale ortostatica [Goldberger2019]. Già negli anni '90 veniva ipotizzato come lo sbilanciamento del SNA verso la componente simpatica potesse direttamente contribuire alla progressione della malattia. Numerosi farmaci sono stati sviluppati da allora per le condizioni caratterizzate da un elevato stato adrenergico. Oggi l'intervento più efficace è quello farmacologico basato sulla terapia con beta-bloccanti. Altri approcci ancora in fase di studio e di ottimizzazione includono la distruzione di nervi autonomici e l'elettrostimolazione. In questo lavoro si intende approfondire l'approccio basato sull'elettrostimolazione ed, in particolare, sulla stimolazione del nervo Vago (VNS - Vagal Nerve Stimulation). Il nervo Vago è il più lungo tra i nervi cranici, è composto prevalentemente da fibre parasimpatiche e media, in particolare, l'innervazione parasimpatica del cuore. Una delle tecniche di VNS non invasiva si basa sulla stimolazione transcutanea (tVNS) della branca auricolare del nervo vago a livello dell'orecchio, \textit{ABVN tVNS}, tramite elettrodo posizionato nella cymba conchae. Il legame tra disfunzioni del SNA e diverse patologie ha contribuito allo sviluppo di marcatori quantitativi di attività autonomica ed il più promettente è risultato essere da subito la variabilità di frequenza cardiaca (HRV - Heart Rate Variability) [Association1996]. I nervi parasimpatici agiscono più rapidamente, sotto 1 s, mentre i nervi simpatici sono più lenti, sopra i 5 s. Le diverse tempistiche di azione dei due sistemi hanno permesso di studiare la HRV dal punto di vista spettrale, individuando le bande di pertinenza del simpatico, tipicamente frequenze più basse, e del parasimpatico che, agendo più velocemente, si rende rilevabile a frequenze più elevate. Questo tipo di analisi permette di osservare e studiare la cosiddetta bilancia simpato-vagale ed inoltre, sottoponendo un soggetto a determinate manovre non invasive che causano uno "stress" al sistema simpatico, come ad esempio il tilt-test, è possibile valutare e quantificare i cambiamenti nell'equilibrio simpato-vagale che accompagnano tali manovre. Materiali e metodi Per condurre questo studio sono stati reclutati undici soggetti giovani e sani (5 maschi, 6 femmine), con età media di 27 anni. I criteri di inclusione comprendevano un limite di età maggiore di 18 anni e un ritmo sinusale stabile monitorato all'ECG. Tutti i soggetti si sono sottoposti a due giorni di protocollo: 1)un giorno con tVNS, 2) uno senza tVNS (giorno SHAM), almeno 24 ore dopo la prima sessione. Per valutare il controllo autonomico cardiaco e periferico è stato effettuato un monitoraggio continuo, a riposo e durante la manovra di ortostatismo passivo (Tilt test 75°), dei seguenti segnali: derivazione II dell'ECG, segnale respiratorio attraverso una cintura dotata di sensori (BT 16 Plus, FM Elettronica, Monza) e un monitoraggio della pressione arteriosa non invasivo beat-to-beat (Finometer MIDI®, Finapres Medical System®). Il protocollo è stato approvato dal comitato etico dell'ospedale L. Sacco di Milano ed è stato sviluppato in accordo con la dichiarazione di Helsinki. La stimolazione elettrica transcutanea è stata esercitata tramite dispositivo non invasivo (NEMOS®; Cerbomed, Germany) nella cymba conchae dell'orecchio esterno sinistro. Il processing dei segnali estratti e l'estrazione dei parametri di interesse sono stati svolti in ambiente Matlab. L'analisi si è focalizzata sull'andamento nel tempo dei diversi parametri relativi alla HRV, valutati sia in accoppiamento con il segnale pressorio che con il segnale respiratorio. Al fine di estrarre gli spettri di potenza dei segnali, è stata effettuata un'analisi bivariata con algoritmo autoregressivo tempo-variante. I valori delle potenze ed il loro andamento nel tempo sono stati calcolati e riportati in valore assoluto ed in valore percentuale. Per caratterizzare la riposta dinamica del sistema cardiovascolare al tilt test, è stato analizzato il transitorio del tacogramma nel passaggio dalla posizione supina a quella ortostatica e viceversa. Sono stati calcolati i valori di coerenza quadratica e le quantità di potenza coerente e non coerente tra i segnali. E' stato calcolato, inoltre, il guadagno barocettivo. Infine è stata svolta un'analisi statistica dei dati. Risultati e conclusioni Da un'analisi preliminare degli intervalli RR del tacogramma è risultato un rallentamento della FC in condizioni di riposo, (posizione supina) in media del 2%, in presenza di stimolazione tVNS. L'analisi spettrale del tacogramma ha, inoltre, rivelato una riduzione del rapporto LF/HF, a conferma di un'aumentata attività parasimpatica dovuta alla tVNS. La rapidità della risposta cardiaca al tilt test durante le fasi di transizione da una posizione all'altra sembra risentire della tVNS. Nel passaggio da posizione supina a posizione ortostatica, infatti, si è osservata una più lenta risposta cardiaca in condizioni di stimolazione ed, invece, si è osservato un recupero più rapido nel passaggio da posizione ortostatica a supina. Risultato che sembra confermare uno spostamento della bilancia simpato-vagale a favore della componente vagale, responsabile di riportare l'organismo a condizioni di riposo in seguito a uno stress. E' stato osservato un aumento della coerenza quadratica tra attività cardiaca e pressoria, soprattutto in banda HF e in fase di riposo. E' risultato, inoltre, un aumento del guadagno barocettivo a riposo nel caso di tVNS. Durante il recupero post tilt la tVNS induce un aumento del guadagno in banda HF. L'aumento del guadagno barocettivo indica una maggiore sensibilità del sistema cardiovascolare alle perturbazioni pressorie e, quindi, un miglior controllo delle stesse. I risultati ottenuti in questo studio permettono di prospettare l'utilizzo della tVNS come terapia in un ampio spettro di patologie che presentino un disequilibrio della bilancia simpato-vagale o alterazioni della variabilità cardiaca. Inoltre l'approccio di analisi utilizzato potrebbe essere utile ad individuare situazioni patologiche dovute non solo a uno sbilanciamento del SNA, ma anche a temporanee desincronizzazioni delle sue componenti.