Respiratory variations during cognitive tasks in patients after stroke: a time and frequency domain analysis

The number of studies looking at the impact of cognitive tasks on biological signals has increased over the last years. Heart rate variability (HRV) is one of the most investigated bio-marker of the cognitive response, whereas little research involve respiration. The aim of the present study is to investigate the respiratory signal as reliable bio-marker to monitor patients’ cognitive flexibility. In particular, the fifty-five subjects involved in the present analysis are patients undergoing post-stroke rehabilitation at Villa Beretta - Presidio di Riabilitazione dell’Ospedale Valduce. In this context, it is very important to have an indication of patient’s cognitive response, in order to have evidence of their recovery. Specifically, mirror testing (MT) and motor imagery (MI) tasks were performed in order to assess the different autonomic outcomes from a respiratory point of view. Respiratory signals analysis was carried out both in the time and frequency domain. In particular, an algorithm able to provide a reliable automatic extraction of the time domain parameters was developed, whereas frequency domain parameters extraction followed the guidelines of the cardiac signal analysis concurrently performed at Villa Beretta - Presidio di Riabilitazione dell’Ospedale Valduce. Results support the functional link between a vegetative response and the execution of cognitive tasks, by reporting significant variations with respect to the resting state. Moreover, the present study also distinguished between what occurs during visualization (MT) and what occurs during imagination (MI) through significant differences in respiratory rate and expiratory time. Finally, the respiratory and the cardiac analyses outcomes were compared, making it possible to observe a similar trend. This comparable behavior points out that the control mechanisms of non-voluntary rhythmic activities of breath and heart are both likely to be affected by the mental task.

Negli ultimi anni è aumentato il numero di studi che esaminano l'impatto di task cognitivi sui segnali biologici. La variabilità della frequenza cardiaca è uno dei bio-marker della risposta cognitiva più studiati, mentre pochi studi coinvolgono il respiro. Lo scopo del presente studio è indagare l’utilizzo del segnale respiratorio come bio-marker affidabile per monitorare la flessibilità cognitiva dei pazienti. In particolare, i cinquantacinque soggetti coinvolti nella presente analisi sono pazienti in riabilitazione post-ictus presso Villa Beretta - Presidio di Riabilitazione dell'Ospedale Valduce. In questo contesto, è molto importante avere un'indicazione della risposta cognitiva del paziente, per avere un riscontro del suo recupero. In particolare, sono stati eseguiti test di mirroring (MT) e motor imagery (MI) per valutare i diversi esiti autonomici da un punto di vista respiratorio. L'analisi dei segnali respiratori è stata effettuata sia nel dominio del tempo che in quello della frequenza. In particolare, è stato sviluppato un algoritmo in grado di fornire un'estrazione automatica dei parametri nel dominio del tempo, mentre l'estrazione dei parametri nel dominio della frequenza ha seguito le linee guida dell'analisi del segnale cardiaco eseguita contestualmente presso Villa Beretta - Presidio di Riabilitazione dell'Ospedale Valduce. I risultati supportano il legame funzionale tra la risposta vegetativa e l'esecuzione di compiti cognitivi, riportando variazioni significative rispetto allo stato di riposo. Inoltre, è stata riscontrata una distinzione tra ciò che avviene durante la visualizzazione (MT) e ciò che avviene durante l'immaginazione (MI) attraverso differenze significative nella frequenza respiratoria e nel tempo di espirazione. Infine, sono stati confrontati i risultati delle analisi dei segnali respiratori e cardiaci, che hanno permesso di osservare un andamento simile dei parametri. Questo risultato suggerisce che i meccanismi di controllo delle attività ritmiche non volontarie del respiro e del cuore sono entrambi influenzati dal compito mentale.