Granger causality analysis in depressed baroreflex regulation conditions

The baroreflex sensitivity represents a fundamental clinical parameter helpful to better predict the risk of death in subjects after myocardial infarction. Baroreflex sensitivity is non invasively assessed from spontaneous heart period (RR) and systolic arterial pressure (SAP) variabilities and its estimate is reliable only under the hypothesis of a causal relation from SAP to RR. Currently this hypothesis is unreliably tested. This Doctoral dissertation proposes the use of a Granger causality approach in the time domain to test the hypothesis of the involvement of baroreflex in governing RR-SAP interactions and to deal with the confounding factor of respiratory influences. Numerous simulations were performed to evaluate the reliability of Granger causality tests according to different scheme of interactions among series. The approach was applied to four experimental protocols known to depress baroreflex functions and increase the effect of respiration on both RR and SAP, thus making challenging the assessment of the role of baroreflex in regulating RR and SAP. Simulations results pointed out the importance of accounting for exogenous sources contaminating closed loop interactions in causality studies. Experimental results revealed that the role of baroreflex cannot be correctly judged without accounting for respiration both in physiological conditions and during deep anaesthesia. Causality analysis contributes to the differentiation between diverse strategies of mechanical ventilation and administration of anaesthetic during deep anaesthesia. Unfortunately, when the concept of causality was exploited to improve baroreflex sensitivity estimates, no difference was found compared to a more traditional approach based on squared RR-SAP coherence. This disappointing result prompts for the search for further (i.e. in addition to respiration) unaccounted influences that might bias causality analysis and baroreflex sensitivity estimates.

La sensitività di baroriflesso rappresenta un parametro clinico fondamentale, utile per meglio predire il rischio di morte in soggetti colpiti da infarto miocardico. La sensitività di baroriflesso è valutata con tecniche non invasive attraverso la variabilità spontanea del periodo cardiaco (RR) e della pressione arteriosa sistolica (SAP); la sua stima risulta affidabile solo sotto l’ipotesi di relazione causale da SAP verso RR. Solitamente, questa ipotesi non è testata in modo affidabile. La presente Tesi di Dottorato propone un metodo di analisi di causalità secondo Granger nel dominio del tempo, al fine di testare l’ipotesi di coinvolgimento del baroriflesso nella regolazione delle interazioni RR-SAP e delle implicazioni dell’influenza del respiro quale fattore confondente. Numerose simulazioni sono state condotte per valutare l’affidabilità dei test di causalità secondo Granger in accordo a differenti schemi di interazione tra serie discrete. L’approccio scelto è stato applicato a quattro protocolli sperimentali aventi effetto nel deprimere la funzione baroriflessa e nell’aumentare l’effetto del respiro su RR e SAP, rendendo in tal modo di interesse la valutazione del ruolo del baroriflesso nella regolazione di RR e SAP. I risultati delle simulazioni hanno fatto emergere l’importanza di includere, nell’analisi di causalità, le sorgenti esogene contaminanti le interazioni in anello chiuso. I risultati sperimentali hanno rivelato come il ruolo del baroriflesso non possa essere correttamente valutato senza includere il respiro, sia in condizioni fisiologiche che durante anestesia profonda. L’analisi di causalità porta contributo nel differenziare strategie di ventilazione meccanica e tecniche anestesiologiche durante anestesia profonda. Sfortunatamente, quando il concetto di causalità è stato sfruttato per migliorare gli indici di stima della sensitività di baroriflesso, non sono state trovate differenze nel confronto con approcci più tradizionali basati sulla coerenza RR-SAP. Questo risultato disatteso spinge verso la ricerca di ulteriori fattori di influenza (i.e. oltre al respiro) non presi in considerazione, i quali potrebbero confondere l’analisi di causalità e gli indici di stima della sensitività del baroriflesso.