Assessment of the cardioespiratory coupling during the second and third trimesters of a healthy pregnancy

During pregnancy profound physiological changes occur to sustain the growing fetus and to ensure the homeostasis maintenance. The Autonomic Nervous System (ANS) plays a central role in regulating physiological mechanism and adapting them to the increasing pregnancy-related demands. In fact, ANS dysfunctions can lead to complications such as hypertensive disorders. However, the autonomic control activity during pregnancy is insufficiently explored. Cardiorespiratory coupling is an expression of the autonomic control activity, consequently, keeping track of CRC evolution during a healthy pregnancy allows physicians to outline a useful baseline describing its healthy course and serving as a criterion for discrimination between pathological and healthy conditions. Therefore, this study aims to verify the existence of CRC and evaluate its evolution from second to third trimester of a healthy pregnancy in order to gain new insights on its ANS regulation. Time-domain, frequency-domain and nonlinear metrics were used as standard HRV measures. RR series and respiratory signals were studied in the phase domain by implementing a technique based on the theory of weakly coupled oscillators. Moreover, to showcase comprehensively the changing in the autonomic modulation of HRV as well as of the cardiorespiratory interaction, the univariate and bivariate version of the Phase Rectified Signal Averaging (PRSA) method were implemented, respectively. An expected increase in HR, as well as a vagal tone and cardiac variability reduction resulted. In addition, a decreased ability to respond to HR changes and to accelerate or decelerate suggested a lower HR responsiveness to the autonomic system to counterbalance the increase in the sympathetic tone. A comparable level of phase synchronization led to the idea that respiration plays an important role in phase coupling. This predominance was confirmed by the BPRSA, showing an evident but unchanged coupling from RR series to respiration and vice versa. The first case showed a interaction between decelerations (accelerations) and exhalations (inhalations) with the latter starting about 2 sec before, excluding a cardiac driven coupling. The second showcased the well-known RSA. Finally, the ANS was able to adapt to pregnancy-induced changes and counterbalance itself so that CRC remains intact.

Il Sistema Nervoso Autonomo (SNA) svolge il ruolo fondamentale di regolare i vari meccanismi per mantenere l’omeostasi fisiologica durante i cambiamenti indotti dalla gravidanza. Le disfunzioni di quest ultimo possano portare a gravi complicazioni come i disturbi ipertensivi. Nonostante ciò, l'attività di controllo autonomo durante la gestazione non è stata sufficientemente esplorata. L'accoppiamento cardiorespiratorio risulta esserne un'espressione, di conseguenza tenerne traccia lungo il decorso di una gravidanza sana potrebbe consentire ai clinici di delineare una baseline in grado discriminare tra condizioni patologiche e sane. Il presente studio mira, dunque, a verificare l'esistenza del CRC e valutarne l’evoluzione nel secondo e terzo trimestre di gravidanza al fine di ottenere nuove informazioni sui meccanismi di regolazione del SNA. Gli indici nel dominio del tempo, della frequenza e non-lineari sono stati utilizzati come misure standard delle variabilità cardiaca. L'HR e i segnali respiratori sono stati studiati nel dominio delle fasi implementando una tecnica basata sulla teoria degli oscillatori debolmente accoppiati. Inoltre, al fine di mostrare la modulazione della frequenza cardiaca da parte del SNA e l'interazione cardiorespiratoria, sono state implementate la versione univariata e bivariata di un metodo di rettificazione di fase (PRSA). Ne è risultato un aumento della frequenza cardiaca, nonché una riduzione del tono vagale e della variabilità cardiaca. Inoltre, una ridotta capacità di rispondere ai cambiamenti dell'HR e di accelerare (decelerare), suggerisce una minore responsività dell'HR al SNA attuato per controbilanciare l'aumento del tono simpatico. Un livello comparabile di sincronizzazione di fase ha portato all'ipotesi che la respirazione svolga un ruolo importante nell'accoppiamento; questo è stata confermata dal BPRSA, mostrando un evidente e invariato accoppiamento dalla HR alla respirazione e viceversa. Dal primo è stata dimostrata un'interrelazione tra decelerazioni (accelerazioni) ed espirazioni (inspirazioni) dove l'inizio di queste ultime avviene circa 2 secondi prima, escludendo un accoppiamento guidato dall'HR, mentre il secondo ha messo in mostra l'Aritmia Sinusale Respiratoria (RSA). In conclusione, l'SNA è risultato in grado di adattarsi ai cambiamenti indotti dalla gravidanza e autobilanciarsi in modo che il CRC rimanga invariato.