Respuesta autonómica durante ejercicio estático y dinámico: evaluación por análisis de la variabilidad de la frecuencia cardiaca y la presión arterial - González Camarena, Ramón (Universidad Autónoma Metropolitana, 2000)
A la fecha, la mayor parte de investigadores coinciden con la hipótesis de que durante el ejercicio, sea este estático o dinámico, se va presentando una transición desde una mayor participación vagal en reposo hacia un predominio simpático con atenuación vagal conforme la intensidad del ejercicio se incrementa. Con base en la diferente actividad hemodinámica y en un modelo de control cardiovascular de asa cerrada, en la presente tesis se plantea la hipótesis de que durante el ejercicio estático en estado estable, tanto el simpático como el parasimpático se encuentran aumentados, a diferencia del ejercicio dinámico en que la actividad simpática está aumentada y la parasimpática disminuida. Para probar esta hipótesis, se propuso como objetivo evaluar y comparar la participación relativa de las ramas simpática y parasimpática en la modulación de la respuesta cardiovascular en sujetos sanos durante ejercicio estático y dinámico en condiciones de estado estable. Por su carácter no invasivo y menor posibilidad de alterar la respuesta autonómica espontánea durante el ejercicio, la técnica de evaluación consistió en el análisis de la variabilidad de la frecuencia cardiaca (VFC), de la presión arterial sistólica (VPAS) y la presión arterial diastólica (VPAD). Para ello, primero se hizo un estudio piloto exploratorio, seguido de dos estudios con mayor formalidad y detalle metodológico En el estudio piloto, se exploraron 7 hombres jóvenes y sanos con diversas actividades físicas, quienes fueron estudiados durante tres condiciones experimentales; reposo sentado, ejercicio estático por extensión de rodillas y ejercicio dinámico en ergómetro de bicicleta. En el primer estudio formal se evaluaron 12 sujetos masculinos, sanos y sedentarios, quienes fueron estudiados prácticamente con los mismos protocolos del estudio piloto. El segundo estudio formal se efectuó con ?O voluntarios sanos, dentarios, quienes fueron sometidos a evaluaciones preliminares para conocer con precisión su capacidad física y poder establecer con mayor certeza las cargas de trabajo a realizar. Así, para cada sujeto se obtuvo primero la capacidad (en Kg) de contracción máxima voluntaria (CMV) por extensión de rodillas y, días después, su consumo de oxígeno máximo (VOZMax) en ergómetro de bicicleta por el método de Douglas y con el protocolo de Jones. Con los datos de CMV y V02Max, se fijaron cuatro condiciones experimentales: a) reposo sentado (REPOSO), b) ejercicio estático por extensión de rodillas contra una carga del 30% de la CMV (EE30), c) ejercicio dinámico en ergómetro de bicicleta a carga del 30% del VOZMax (ED30), d) ejercicio dinámico en ergómetro de bicicleta a carga del 60% del VOZMax (ED60). Durante las condiciones de estudio, se registró durante 4.3 minutos el electrocardiograma, la presión arterial continua (Finapres) y la respiración. De estas señales se obtuvieron las series de tiempo de FC, presión sistólica, presión diastólica y respiración que finalmente se cuantificaron por medio de parámetros temporales y espectrales de variabilidad. Los parámetros temporales de variabilidad fueron la desviación estándar (DE), la diferencia de rango máximo-mínimo (ARANGO) y la raíz cuadrática media de las diferencias entre latidos sucesivos (RMSSD). Los parámetros espectrales obtenidos fueron la potencia total en el rango de 0.03-0.4 Hz (PToT), y las potencias de las bandas de frecuencia baja (FBI 0.03-0.07 Hz), de frecuencia intermedia (FI, 0.08-0.14 Hz) y frecuencia alta (FA, 0.15-0.4 Hz), todas ellas expresadas en unidades absolutas (Ipm2/Hz o mmHg2/Hz) o en unidades normalizadas (%). La relación de potencias de la frecuencia cardiaca y la presión sistólica en el rango FI se utilizó pa,-a calcular el índice aF1 como estimador de la sensibilidad de los barorreceptores. El procesamiento estadístico se hizo por análisis de varianza de una vía para muestras repetidas y comparaciones múltiples por Dunnett y Tukey, con significancia estadística para P<0.05. Los resultados del estudio piloto y los dos formales fueron muy consistentes entre ellos, por lo que a continuación se resumen los del segundo estudio formal que fue el más extenso y detallado. Así, en relación con los valores de reposo, la FC (61.9k8.3 Ipm) aumentó en diferente proporción para cada tipo de ejercicio (EE30 =84.1*9.1, ED30 =93.7k8.6, ED60 =143.9 f9.1; en Ipm); la presión arterial media (91.2k5.8 mmHg) también se elevó, pero fue similar entre EE30 (122.2k11.7 mmHg) y ED60 (121.6k12.6 mmHg); y la frecuencia respiratoria (17.9k5.1 cpm) aumentó de manera equivalente entre EE30 (21.9k5.7 cpm) y ED30 (23.4k6.1 cpm). Durante EE30, los promedios de los indices de VFC como DE, ARANGO, PTOT, y de la banda FI, en unidades absolutas, aumentaron en relación con los valores de reposo y fueron significativamente mayores (P<O.OOl) que los observados durante ED30 y ED60. El componente FA durante EE30, tanto en unidades absolutas como normalizadas, no fueron diferentes a la condición de reposo, pero fue mayor (P<O.OOl) que el promedio de la banda FA durante ED30 y ED60. Los parámetros de VPAS y VPAD como DE y ARANGO aumentaron (P<O.OOl) durante ambos tipos de ejercicio; mientras que el promedio de la banda FI se incrementó significativamente (P<O.OI) durante EE30 y ED30. La banda FA para VPAS disminuyó durante ED30 (P<0.05), en tanto que durante ED60 aumentó (P<O.OOl). En comparación con las condiciones de reposo, el índice aFI disminuyó únicamente durante los ejercicios dinámicos ED30 y ED60. A partir de estos datos se concluyó que dada la existencia de diferencias en la respuesta de la VFC y la variabilidad de las presiones arteriales inducidas por los ejercicios estático y dinámico en estado estable, el comportamiento autonómico depende del tipo de ejercicio. En lugar de la atenuación vagal y la mayor actividad simpática observadas durante el ejercicio dinámico, la mayor VFC global y mayor potencia de las bandas FI y FA durante el ejercicio estático sugiere que en este tipo de ejercicio ambas ramas, la simpática y la parasimpática, están aumentadas. En la actual Tesis se apunta también el diferente comportamiento del índice ~FI durante el ejercicio estático y el dinámico, lo cual sugiere una participación diferenciada de barorreceptores y ergorreceptores musculares por el tipo de ejercicio.; It is now commonly accepted that during both types of exercises, static and dynamic, there is a gradual transition from a main vagal dominance at rest, to a vagal withdrawal and higher sympathetic activity related to the exercise intensity. That during static exercise both autonomic branches are increased is proposed as a hypothesis to explore here, which is based on the different hemodynamic response induced by the type of exercise and in a closed loop model of cardiovascular control. Hence, the objective in the present Thesis was to define the relative contribution of the sympathetic and the vagal activity during the static and dynamic steady state exercise in humans, by means of the analysis of the heart rate variability (HRV) and the blood pressure variability, systolic (SBPV) and diastolic (DBPV). To accomplish such objective, a first pilot study was done, fobwed by two other studies with more fine and extensive details. On the first approach, seven male and healthy subjects with different physical capacity were studied during three experimental conditions; rest at sitting position, static exercise by knees extension, and dynamic exercise on a bicycle ergometer. The mode of exercises was kept during all the studies. On the first detailed study twelve healthy and sedentary male volunteers were evaluated during similar experimental protocols as the pilot study. Finally, on the second detailed study ten healthy and sedentary male volunteers were examined, first to know their physical capacity and then to study their autonomic response during four experimental conditions. For each subject the force physical capacity was obtained by maximal voluntary contraction (MVC) during knees extension, while two days latter endurance capacity was measured by the maximal oxygen output (V02Max), according to the method of Douglas and the protocol of Jones. The four experimental protocols were a) rest at sitting position, b) static exercise at 30% of MVC (SE30), c) dynamic exercise at 30% of the VOZM~~ (DE30) and, d) dynamic exercise at 60% of the VOZMax (DE60). In each one of these protocols, the ECG, the continuous and indirect blood pressure (Finapres) and the breathing cycle were recorded during 4.3 minutes of the steady state. From the signals, the time series of the heart rate, systolic and diastolic blood pressures, and respiration were obtained and their variability quantified by means of temporal and spectral parameters. The temporal measures were the standard deviation (SD), the difference maximum-minimum (ARANGE), and the square root of the squared differences between adjacent beats (RMSSD). The spectral parameters computed were the Total spectral power in the frequency region of 0.03-0.4 Hz (PToT), and the spectral powers of the low frequency band (LF, 0.03-0.07 Hz), the middle frequency band (MF, 0.08-0.014 Hz), and the high frequency band (HF, 0.015-0.4 Hz). he spectral parameters were expressed as absolute (bpm2/Hz or mmHg2/Hz for heart rate or blood pressure, respectively) or as normalized units (O/O). The square root of the heart rate spectral power over systolic spectral power ratio was computed in the region defined as MF, to obtain the baroreflex sensitivity index (CLMF). The statistical processing of data was done by one-way analysis of variance for repeated measures followed by the Dunnett or the Tukey multiple comparison tests. A probability level P<0.05 was considered statistically significant. As the pilot and the two detailed studies were consistent about the HRV results, and the last study extended the analysis to blood pressure variability, only the results of the last study are summarized. So, with respect to rest values, the HR (61.9k8.3 bpm) increased in relation with the type of exercise (SE30 =84.1*9.1; DE30 =93.7*8.6,; DE60 = 143.9k9.1; in bpm). The mean arterial pressure (rest = 91.2k5.8 mmHg) was also elevated during exercise, more even for SE30 and DE60 (122.2kI 1.7 and 121.6k12.6 mmHg, respectively) whose mean values were equivalent. The respiratory rate at rest (17.9k5.1 cpm) was seen increased mainly during DE60 (34.8i7.7 cpm), while it was similar during between SE30 and DE30 (21.9k5.7 and 23.4k6.1 cpm, respectively). During SX30, the mean of the indexes of HRV as SD, ARANGE, PTOT, and MF in absolute units increased in relation with rest values and they were significantly higher (P<O.OOl) than during DX30 and DX60. HF during SX30, in normalized and absolute units, was not different of the rest condition, but it was higher (P<O.OOI) than HF during DX30 and DX60. Parameters of SBPV and DBPV as SD and ARANGE increased (P<O.OOl) during both types of exercises and significantly (P<O.OI) increments were observed on MF during SX30 and DX30. Systolic HF was attenuated during DX30 (P<0.05), while diastolic HF was augmented during DX60 (P<O.OOl). Compared with rest condition, the CCMF index decreased (PeO.01) only during dynamic exercises, DE30 and DE60. From the results, it was concluded that the autonomic response is related to the type of exercise, since there was a remarkable difference in HRV and blood pressure variability induced by the static and dynamic steady state exercise. Instead of the vagal withdrawal and increased sympathetic activity observed during the dynamic exercise, the higher overall HRV and the higher FI and HF power found during static exercise suggest that his type of exercise induce to a dual increased activity, vagal and sympathetic. The results point out also to a different response of the CCMF index during static and dynamic exercise, which suggest a differential baroreflex and muscle ergoreflex due to the type of exercise.