Human PhysiologyHuman PhysiologyФизиология человека0131-16463034-6150The Russian Academy of Sciences68530910.31857/S0131164625010057VMZBHQArticlesСтатьиResearch ArticleInfluence of head-up tilt on respiratory-related oscillations of blood pressure and heart rate at different inspiration/expiration phase ratioВлияние ортостаза на связанные с дыханием колебания артериального давления и ритма сердца при разном соотношении фаз вдоха и выдохаZhedyaevR. Yu.ЖедяевР. Ю.
Russian Federation
zhedyaev-r@mail.ruBorovikaA. S.БоровикА. С.
Russian Federation
zhedyaev-r@mail.ruTarasovaO. S.ТарасоваО. С.
Russian Federation
zhedyaev-r@mail.ruVinogradovaO. L.ВиноградоваО. Л.
Russian Federation
microgravity@mail.ruInstitute of Biomedical Problems, RASФГБУН ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАНMoscow State UniversityМосковский государственный университет имени М.В. Ломоносова15022025511526219062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0131-1646/article/view/685309

Сardiovascular diseases are commonly associated with disturbances in parasympathetic heart rhythm control, so the development of new methods for assessing vagal cardiotropic influences is an important biomedical task. This work aimed a studying the synchronization of respiration-related oscillations of mean arterial pressure (MAP) and heart rate (HR) depending on the duration of the expiration phase, during which cardiac vagal influences increase. In the study involving nine young men, a passive head-up test was performed at a fixed respiratory rate of 0.2 Hz (12 cycles/min) and different ratios of the inspiration and expiration phase durations: 30/70% and 70/30%. Blood pressure, HR, and pulmonary ventilation were continuously recorded during the experiment. In the supine position, the power of HR oscillations at the respiratory frequency was significantly higher with longer expiratory phase, the power of MAP oscillations; the phase synchronization index, and the phase difference between HR and MAP oscillations did not depend on the breathing pattern. During verticalization of the body, the power of HR oscillations decreased: with 30% expiratory phase – to a lower level than with 70% expiratory phase. The power of MAP oscillations increased and the phase difference between MAP and HR oscillations decreased during orthostasis regardless of the duration of the inspiratory phase, but increased synchronization of MAP and HR oscillations was observed only during a short inspiratory phase. Thus, the phase structure of the respiratory cycle can significantly affect the power of respiration-related HR oscillations and their synchronization with MAP oscillations of the corresponding frequency.

Многие сердечно-сосудистые заболевания сопряжены с нарушением парасимпатической регуляции ритма сердца, поэтому поиск новых способов оценки вагусных кардиотропных влияний является важной биомедицинской задачей. Целью работы было исследование синхронизации связанных с дыханием колебаний среднего артериального давления (АДср) и частоты сердечных сокращений (ЧСС) в зависимости от длительности фазы выдоха, во время которой происходит повышение вагусных влияний на сердце. В исследовании с участием девяти молодых мужчин проводили пассивный ортостатический тест при фиксированной частоте дыхания 0.2 Гц (12 циклов/мин) и разном соотношении длительности фаз вдоха и выдоха: 30/70% и 70/30%. Во время эксперимента непрерывно регистрировали давление крови, ЧСС и легочную вентиляцию. В положении лежа мощность колебаний ЧСС на частоте дыхания была значительно выше при более длительной фазе выдоха, мощность колебаний АДср, индекс фазовой синхронизации и разность фаз колебаний ЧСС и АДср не зависели от паттерна дыхания. Во время вертикализации тела мощность колебаний ЧСС снижалась: при длительности фазы выдоха 30% – до более низкого уровня, чем при фазе выдоха 70%. Мощность колебаний АДср, увеличивалась, а разность фаз между колебаниями АДср и ЧСС уменьшалась при ортостазе независимо от длительности фазы вдоха, но усиление синхронизации колебаний АДср и ЧСС наблюдалось только при короткой фазе вдоха. Таким образом, фазовая структура дыхательного цикла может существенно влиять на мощность связанных с дыханием колебаний ЧСС и их синхронизацию с соответствующими по частоте колебаниями АДср.

respiratory sinus arrhythmiawavelet analysisphase synchronization indexphase differencehead-up testдыхательная синусовая аритмиявейвлет-анализиндекс фазовой синхронизацииразность фазортостатический тестРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-25-00293Baevsky R.M., Ivanov G.G., Chireikin L.V. et al. Analysis of heart rate variability when using various electrocardiographic systems // Vestnik of Arhythmology. 2003. № 24. P. 65.Баевский Р.М., Иванов Г.Г., Чирейкин Л.В. и др. Анализ вариабельности сердечного ритма при использовании различных электрокардиографических систем (методические рекомендации) // Вестник аритмологии. 2002. № 24. С. 65.Camm A., Malik M., Bigger J. Heart rate variability. Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use. Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology // Eur. Heart J. 1996. V. 17. № 3. P. 354.Malpas S.C. Neural influences on cardiovascular variability: possibilities and pitfalls // Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 2002. V. 282. № 1. P. H6.Julien C. An update on the enigma of Mayer waves // Cardiovasc. Res. 2020. V. 116. № 14. P. e210.Gourine A., Gourine A.V. Neural mechanisms of cardioprotection // Physiology (Bethesda). 2014. V. 29. № 2. P. 133.Kollai M., Koizumi K. Reciprocal and non-reciprocal action of the vagal and sympathetic nerves innervating the heart // J. Auton. Nerv. Syst. 1979. V. 1. № 1. P. 33.Costa-Silva J.H., Zoccal D.B., Machado B.H. Glutamatergic antagonism in the NTS decreases post-inspiratory drive and changes phrenic and sympathetic coupling during chemoreflex activation // J. Neurophysiol. 2010. V. 103. № 4. P. 2095.Ottaviani M.M., Wright L., Dawood T., Macefield V.G. In vivo recordings from the human vagus nerve using ultrasound-guided microneurography // J. Physiol. 2020. V. 598. № 17. P. 3569.Patros M., Ottaviani M.M., Wright L. et al. Quantification of cardiac and respiratory modulation of axonal activity in the human vagus nerve // J. Physiol. 2022. V. 600. № 13. P. 3113.Saul J.P., Berger R.D., Albrecht P. et al. Transfer function analysis of the circulation: unique insights into cardiovascular regulation // Am. J. Physiol. 1991. V. 261. № 4. Pt. 2. P. H1231.Clemson P.T., Hoag J.B., Cooke W.H. et al. Beyond the baroreflex: a new measure of autonomic regulation based on the time-frequency assessment of variability, phase coherence and couplings // Front. Netw. Physiol. 2022. V. 2. P. 891604.Cohen M.A., Taylor J.A. Short-term cardiovascular oscillations in man: measuring and modelling the physiologies // J. Physiol. 2002. V. 542. Pt. 3. P. 669.Tipton M.J., Harper A., Paton J.F.R., Costello J.T. The human ventilatory response to stress: rate or depth? // J. Physiol. 2017. V. 595. № 17. P. 5729.Cooke W.H., Hoag J.B., Crossman A.A. et al. Human responses to upright tilt: a window on central autonomic integration // J. Physiol. 1999. V. 517. Pt. 2. P. 617.Elstad M., Toska K., Chon K.H. et al. Respiratory sinus arrhythmia: Opposite effects on systolic and mean arterial pressure in supine humans // J. Physiol. 2001. V. 536. Pt. 1. P. 251.Borovik A.S., Pavlova E.A., Zhedyaev R.Yu. et al. [Changes in the phase relationships of arterial pressure and heart rate oscillations during orthostasis: the effect of gravitational unloading] // Aviakosm. Ekolog. Med. 2024. V. 58. № 5. P. 25.Боровик А.С., Павлова Е.А., Жедяев Р.Ю. и др. Изменение фазовых соотношений колебаний артериального давления и сердечного ритма при ортостазе: влияние гравитационной разгрузки // Авиакосм. и эколог. мед. 2024. Т. 58. № 5. С. 25.Borovik A.S., Kuznetsov S.Y., Vinogradova O.L. Phase synchronization of arterial pressure and heart rate as a measure of baroreflex activity // IEEE Xplore. 2014. P. 217.Vinogradova O.L., Borovik A.S., Zhedyaev R.Yu., Tarasova O.S. Respiratory sinus arrhythmia: physiological mechanisms and relationship with systemic blood pressure fluctuations // Human Physiology. 2024. V. 50. № 3. P. 276.Виноградова О.Л., Боровик А.С., Жедяев Р.Ю., Тарасова О.С. Дыхательная синусовая аритмия: физиологические механизмы и связь с колебаниями системного артериального давления // Физиология человека. 2024. Т. 50. № 3. С. 102.Wesseling K.H., Jansen J.R., Settels J.J., Schreuder J.J. Computation of aortic flow from pressure in humans using a nonlinear, three-element model // J. Appl. Physiol. 1993. V. 74. № 5. P. 2566.Stauss H.M. Heart rate variability: Just a surrogate for mean heart rate? // Hypertension. 2014. V. 64. № 6. P. 1184.Lilly J.M., Olhede S.C. Generalized Morse Wavelets as a Superfamily of Analytic Wavelets // IEEE Trans. Signal Process. 2012. V. 60. № 11. P. 6036.Le Van Quyen M., Foucher J., Lachaux J.P. et al. Comparison of Hilbert transform and wavelet methods for the analysis of neuronal synchrony // J. Neurosci. Methods. 2001. V. 111. № 2. P. 83.Rosenblum M., Pikovsky A., Kurths J. et al. Phase synchronization: From theory to data analysis // Handb. Biol. Phys. 2001. Chapter 9. V. 4. P. 279.Borovik A.S., Orlova E.A., Tomilovskaya E.S. et al. Phase coupling between baroreflex oscillations of blood pressure and heart rate changes in 21-day dry immersion // Front. Physiol. 2020. V. 11. P. 455.Zhedyaev R.Y., Tarasova O.S., Semenov Y.S. et al. The change in baroreflex regulation of heart rhythm after “dry” immersion appears during orthostasis, but not lower body negative pressure test // J. Evol. Biochem. Physiol. 2024. V. 60. № 1. P. 273.Strauss-Blasche G., Moser M., Voica M. et al. Relative timing of inspiration and expiration affects respiratory sinus arrhythmia // Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 2000. V. 27. № 8. P. 601.Bae D., Matthews J.J.L., Chen J.J., Mah L. Increased exhalation to inhalation ratio during breathing enhances high-frequency heart rate variability in healthy adults // Psychophysiology. 2021. V. 58. № 11. P. e13905.Meehan Z.M., Shaffer F. Do longer exhalations increase HRV during slow-paced breathing? // Appl. Psychophysiol. Biofeedback. 2024. V. 49. № 3. P. 407.Paprika D., Gingl Z., Rudas L., Zöllei E. Hemodynamic effects of slow breathing: does the pattern matter beyond the rate? // Acta Physiol. Hung. 2014. V. 101. № 3. P. 273.Eckberg D.L., Cooke W.H., Diedrich A. et al. Respiratory modulation of human autonomic function on Earth // J. Physiol. 2016. V. 594. № 19. P. 5611.Baselli G., Cerutti S., Badilini F. et al. Model for the assessment of heart period and arterial pressure variability interactions and of respiration influences // Med. Biol. Eng. Comput. 1994. V. 32. № 2. P. 143.Pagani M., Lombardi F., Guzzetti S. et al. Power spectral analysis of heart rate and arterial pressure variabilities as a marker of sympatho-vagal interaction in man and conscious dog // Circ. Res. 1986. V. 59. № 2. P. 178.Taylor J.A., Eckberg D.L. Fundamental relations between short-term RR interval and arterial pressure oscillations in humans // Circulation. 1996. V. 93. № 8. P. 1527.