Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system

The nervous system maintains physiological homeostasis through reflex pathways that modulate organ function. This process begins when changes in the internal milieu (e.g., blood pressure, temperature, or pH) activate visceral sensory neurons that transmit action potentials along the vagus nerve, the...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Γρηγορίου, Παναγιώτης
Άλλοι συγγραφείς: Grigoriou, Panagiotis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15366
id nemertes-10889-15366
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Heart rate variability
Vagus nerve
ARMAX model
Inflammations
Autonomic nervous system
Proinflammatory cytokines
Διακύμανση καριακού ρυθμού
Πνευμονογαστρικό νεύρο
ARMAX μοντέλο
Φλεγμονές
Αυτόνομο νευρικό σύστημα
Προφλεγμονώδεις κυτοκίνες
spellingShingle Heart rate variability
Vagus nerve
ARMAX model
Inflammations
Autonomic nervous system
Proinflammatory cytokines
Διακύμανση καριακού ρυθμού
Πνευμονογαστρικό νεύρο
ARMAX μοντέλο
Φλεγμονές
Αυτόνομο νευρικό σύστημα
Προφλεγμονώδεις κυτοκίνες
Γρηγορίου, Παναγιώτης
Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
description The nervous system maintains physiological homeostasis through reflex pathways that modulate organ function. This process begins when changes in the internal milieu (e.g., blood pressure, temperature, or pH) activate visceral sensory neurons that transmit action potentials along the vagus nerve, the longest nerve of the autonomic nervous system, to the brainstem. IL-1β and TNF, inflammatory cytokines produced by immune cells during infection and injury, and other inflammatory mediators have been implicated in activating sensory action potentials in the vagus nerve. The extraction of metrics that describe the functioning of the cardiovascular system, as well as its general modeling, is an important factor in understanding the human body, as well as in predicting future situations. Heart rate Variability (HRV) has been suggested by many studies to work as a proxy for many conditions and one of them is the inflammation. Here we employ methods to process cardiac and vagus nerve biosignals, extract HRV measurements and model the relationship between them to infer if the cytokine-specific information in sensory neural signals within the vagus nerve is also present in the HRV. Firing rates of the vagus nerve of mice responders to IL-1β and TNF exposure and saline exposure as a control, as well as heart activity from the nerve recordings were used for the study. A plethora of HRV measurements were extracted and their statistical properties were examined for the different states. The measurements that were statistically significant were the RMSSD (P < .05), SDSD (P < .05), SD1 (P < .05) and SD1nu (P < .05) for the case of TNF. For the modeling of the relationship ARMAX models were fitted but were not able to denote a noteworthy behavior. However, it can be challenged that a relationship is emerging between HRV and the vagus nerve activity in inflammation.
author2 Grigoriou, Panagiotis
author_facet Grigoriou, Panagiotis
Γρηγορίου, Παναγιώτης
author Γρηγορίου, Παναγιώτης
author_sort Γρηγορίου, Παναγιώτης
title Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
title_short Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
title_full Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
title_fullStr Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
title_full_unstemmed Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
title_sort study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15366
work_keys_str_mv AT grēgorioupanagiōtēs studyoftherelationshipofcardiacandneuralbiosignalsandtheimportancefortheautonomicnervoussystem
AT grēgorioupanagiōtēs meletēsyschetisēskardiakōnkaineurikōnbiosēmatōnkaiēsēmasiatēsstoautonomoneurikosystēma
_version_ 1799945011331072000
spelling nemertes-10889-153662022-09-06T05:12:51Z Study of the relationship of cardiac and neural biosignals and the importance for the autonomic nervous system Μελέτη συσχέτισης καρδιακών και νευρικών βιοσημάτων και η σημασία της στο αυτόνομο νευρικό σύστημα Γρηγορίου, Παναγιώτης Grigoriou, Panagiotis Heart rate variability Vagus nerve ARMAX model Inflammations Autonomic nervous system Proinflammatory cytokines Διακύμανση καριακού ρυθμού Πνευμονογαστρικό νεύρο ARMAX μοντέλο Φλεγμονές Αυτόνομο νευρικό σύστημα Προφλεγμονώδεις κυτοκίνες The nervous system maintains physiological homeostasis through reflex pathways that modulate organ function. This process begins when changes in the internal milieu (e.g., blood pressure, temperature, or pH) activate visceral sensory neurons that transmit action potentials along the vagus nerve, the longest nerve of the autonomic nervous system, to the brainstem. IL-1β and TNF, inflammatory cytokines produced by immune cells during infection and injury, and other inflammatory mediators have been implicated in activating sensory action potentials in the vagus nerve. The extraction of metrics that describe the functioning of the cardiovascular system, as well as its general modeling, is an important factor in understanding the human body, as well as in predicting future situations. Heart rate Variability (HRV) has been suggested by many studies to work as a proxy for many conditions and one of them is the inflammation. Here we employ methods to process cardiac and vagus nerve biosignals, extract HRV measurements and model the relationship between them to infer if the cytokine-specific information in sensory neural signals within the vagus nerve is also present in the HRV. Firing rates of the vagus nerve of mice responders to IL-1β and TNF exposure and saline exposure as a control, as well as heart activity from the nerve recordings were used for the study. A plethora of HRV measurements were extracted and their statistical properties were examined for the different states. The measurements that were statistically significant were the RMSSD (P < .05), SDSD (P < .05), SD1 (P < .05) and SD1nu (P < .05) for the case of TNF. For the modeling of the relationship ARMAX models were fitted but were not able to denote a noteworthy behavior. However, it can be challenged that a relationship is emerging between HRV and the vagus nerve activity in inflammation. Το νευρικό σύστημα συμβάλλει στη διατήρηση σταθερού εσωτερικού περιβάλλοντος (ομοιόσταση), ελέγχοντας και συντονίζοντας τις λειτουργίες των υπόλοιπων συστημάτων του οργανισμού μέσω αντανακλαστικών οδών. Αυτή η διαδικασία ξεκινά όταν αλλαγές στο εσωτερικό περιβάλλον (πχ η πίεση του αίματος, η θερμοκρασία ή το pH) ενεργοποιούν τους σπλαχνικούς αισθητικούς νευρώνες που μεταδίδουν δυναμικά ενέργειας μέσω του πνευμονογαστρικού νεύρου, του μεγαλύτερου νεύρου του αυτόνομου νευρικού συστήματος, στον εγκέφαλο. Η ιντερλευκίνη 1β (IL-1β) και ο παράγοντας νέκρωσης όγκων (TNF), φλεγμονώδεις κυτοκίνες που παράγονται από ανοσοκύτταρα κατά τη διάρκεια μόλυνσης και τραυματισμού, και άλλοι φλεγμονώδεις μεσολαβητές έχουν εμπλακεί στην ενεργοποίηση των δυναμικών ενέργειας στο πνευμονογαστρικό. Η εξαγωγή μετρήσεων που περιγράφουν τη λειτουργία του καρδιαγγειακού συστήματος, καθώς και η γενικότερη μοντελοποίησή του, είναι εξαιρετικά εργαλεία για την κατανόηση του ανθρώπινου σώματος, καθώς και για την πρόβλεψη μελλοντικών καταστάσεων. Η διακύμανση του καρδιακού ρυθμού (HRV) έχει προταθεί από πολλές μελέτες ότι λειτουργεί ως δείκτης για πολλές καταστάσεις όπως είναι και η φλεγμονή. Στη διπλωματική αυτή χρησιμοποιούμε μεθόδους για την επεξεργασία καρδιακών και νευρικών βοσημάτων, την εξαγωγή μετρήσεων της HRV και τη μοντελοποίηση της σχέσης μεταξύ τους, με σκοπό να συμπεράνουμε αν η πληροφορία της φλεγμονής, συσχετισμένη με τις φλεγμονώδεις κυτοκίνες, που βρίσκεται στα αισθητικά νευρικά σήματα του πνευμονογαστρικού υπάρχει επίσης και στη διακύμανση του καρδιακού ρυθμού. Για τη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν οι ρυθμοί πυροδότησης του πνευμονογαστρικού νεύρου ποντικών που ανταποκρίθηκαν στην έκθεση σε IL-1β και TNF και έκθεση σε φυσιολογικό ορό για σημείο αναφοράς, καθώς και η καρδιακή δραστηριότητα. Μια πληθώρα μετρήσεων της HRV εξήχθησαν και οι στατιστικές τους ιδιότητες εξετάστηκαν για τις διαφορετικές καταστάσεις. Μετρήσεις που προέκυψαν στατιστικά σημαντικές ήταν τα μέτρα RMSSD (P <.05), SDSD (P <.05), SD1 (P <.05) και SD1nu (P <.05) για την περίπτωση του TNF. Για τη μοντελοποίηση της σχέσης χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα ARMAX, αλλά δεν κατέστη δυνατό να δηλώσουν μια αξιοσημείωτη συμπεριφορά. Ωστόσο, μπορεί να αμφισβητηθεί ότι εμφανίζεται να υπάρχει μια σχέση μεταξύ της HRV και της δραστηριότητας του πνευμονογαστρικού νεύρου σε συνθήκες φλεγμονής. 2021-10-18T09:54:54Z 2021-10-18T09:54:54Z 2021-10-14 http://hdl.handle.net/10889/15366 en application/pdf