Heart Rate Variability as a Translational Dynamic Biomarker of Altered Autonomic Function in Health and Psychiatric Disease

Abstract

The autonomic nervous system (ANS) is responsible for the precise regulation of tissue functions and organs and, thus, is crucial for optimal stress reactivity, adaptive responses and health in basic and challenged states (survival). The fine-tuning of central ANS activity relies on the internal central autonomic regulation system of the central autonomic network (CAN), while the peripheral activity relies mainly on the two main and interdependent peripheral ANS tracts, the sympathetic nervous system (SNS) and the parasympathetic nervous system (PNS). In disease, autonomic imbalance is associated with decreased dynamic adaptability and increased morbidity and mortality. Acute or prolonged autonomic dysregulation, as observed in stress-related disorders, affects CAN core centers, thereby altering downstream peripheral ANS function. One of the best established and most widely used non-invasive methods for the quantitative assessment of ANS activity is the computerized analysis of heart rate variability (HRV). HRV, which is determined by different methods from those used to determine the fluctuation of instantaneous heart rate (HR), has been used in many studies as a powerful index of autonomic (re)activity and an indicator of cardiac risk and ageing. Psychiatric patients regularly show altered autonomic function with increased HR, reduced HRV and blunted diurnal/circadian changes compared to the healthy state. The aim of this article is to provide basic knowledge on ANS function and (re)activity assessment and, thus, to support a much broader use of HRV as a valid, transdiagnostic and fully translational dynamic biomarker of stress system sensitivity and vulnerability to stress-related disorders in neuroscience research and clinical psychiatric practice. In particular, we review the functional levels of central and peripheral ANS control, the main neurobiophysiologic theoretical models (e.g., polyvagal theory, neurovisceral integration model), the precise autonomic influence on cardiac function and the definition and main aspects of HRV and its different measures (i.e., time, frequency and nonlinear domains). We also provide recommendations for the proper use of electrocardiogram recordings for HRV assessment in clinical and research settings and highlight pathophysiological, clinical and research implications for a better functional understanding of the neural and molecular mechanisms underlying healthy and malfunctioning brain–heart interactions in individual stress reactivity and psychiatric disorders.

Medicine and Psychology: Modern Problems, New Technologies and Ways of Developing Outdated Theories

“…Внутрішній біологічний годинник людини тісно і двонаправлено пов'язаний із стресовою системою. Критична втрата гармонійного часового порядку на різних рівнях організації може вплинути на фундаментальні властивості нейроендокринної, імунної та вегетативної систем, що призводить до порушення біоповедінкових адаптаційних механізмів із підвищеною чутливістю до стресу і уразливості [63,64]. Поєднання декількох хвороб призводить до двонаправленості патофізіологічних змін.…”

“…Циркадний осцилятор, розташований у супрахіазматичному ядрі гіпоталамуса, контролює циркадні ритми рухової активності організму та секрецію гормонів, зокрема мелатоніну та інсуліну [109]. Внаслідок хронодеструкції сну знижується секреція мелатоніну, який залучений до патогенезу ожиріння, МС та ЦД 2-го типу [110] [63]. Отже, хронічна нейроавтономна дизрегуляція при ПТСР, пов'язана з порушенням хронодинаміки, може бути відповідальною за вищий ризик ССЗ, що спостерігається при цьому розладі [113].…”

Individual typological approach to the analysis of the body function of medical students

“…В зарубежных исследованиях активно применяются нелинейные методы анализа ВСР, которые включают фрактальные измерения, Poincaré-плоты (графики, отображающие взаимосвязь между последовательными RR-интервалами), энтропию, масштабирование спектра Фурье на 1/f и другие [23][24][25][26][27]. Несмотря на то, что нелинейные методы показали себя мощными средствами исследования, с их помощью не удалось получить крупных достижений при обработке медицинских данных, в т.ч.…”

Heart Rate Variability and Pulse Rate Variability: Do Anatomical Location and Sampling Rate Matter?

“…These metrics have demonstrated high clinical utility in their ability to discriminate pathophysiological differences between healthy and clinical populations (e.g., myocardial infarction, diabetes, renal failure) (reviewed in: [4]). With the constant development and expansion of technology, a plethora of commercial devices are being developed claiming they can capture cardiovascular activity during activities of daily life [5][6][7][8][9]. These claims are often stated without proper reporting of their validity.…”