5: Kardiovaskuläre Indikatoren 2

• Einige Befunde aus Laborexperimenten mit relativ geringen Beanspruchungsunterschieden weisen auf höhere Sensitivität der HRV hin (Bsp. Mulder & Mulder, 1981; Aasman et al., 1987; Röttger et al. 2009)

• Bei komplexen Aufgaben und entsprechend hoher Beanspruchung oft aber auch umgekehrte Effekte -> HR differenziert zwischen verschiedenen Beanspruchungsniveaus, die HRV dagegen nur dichotom zwischen Ruhe und Beanspruchung (Veltmann & Gaillard, 1998; De Rivecourt et al., 2008; Jorna, 1992)

eispielexperiment von Röttger et al. (2009)

Vergleich der Beanspruchung bei einer simulierten Prozesskontrollaufgabe (AutoCAMS) in Abhängigkeit von

• der Art der Anforderung (nur Überwachung vs. aktives Fehlermanagement)

• Verfügbarkeit unterschiedlich leistungsstarker automatischer Assistenzsysteme für das Fehlermanagement: keine Unterstützung vs. Diagnoseunterstützung vs. Diagnose- und Handlungsunterstützung)

Versuchsplan – Unabhängige Variablen (Aufgaben)

• Ruhephase

•  Pursuit Task“ (P): Einem voraus fliegenden Flugzeug in konstantem Abstand folgen

• „Tunnel Task“ (T): unterschiedlich schwierige Profile in einem Tunnel abfliegen und dabei noch unterschiedlich schwierige Zusatzaufgaben („continuous memory“) bearbeiten (T1 – T4 mit zunehmendem Schwierigkeitsgrad)

• Reihenfolge: Ruhe-P-T1-P-T2-P-T3-P-T4-P-T3-P-T2-P-T1-P-Ruhe

Versuchsplan – Abhängige Variablen

• Kardiovaskuläre Maße: Herzperiode, HRV, syst./diast. Blutdruck

• Atmung (u.a. Frequenz, Amplitude)

• Elektrookulogramm (u.a. Lidschlussfrequenz, -dauer)

• Subjektive Beanspruchungseinschätzung

• Leistung (Trackingfehler; RZ und Fehler bei Zusatzaufgabe)

Schlussfolgerungen:

• HRV („mid“ und „high“ Frequenzband) scheint bei komplexen Aufgaben mit erhöhter Grundbeanspruchung nicht mehr so sensitiv für Beanspruchungsunterschiede zu sein wie HR

• Keine statistisch belegbaren Unterschiede in der Sensitivität zwischen den beiden betrachteten Frequenzbändern der HRV

• Einflüsse von Atmung auch auf 0,10 Hz-Komponente möglich, wenn substantieller Anteil der Atmung in diesem (unteren) Frequenzbereich liegt

• Bei langer (> 10 min) kontinuierlicher kognitiver Beanspruchung nimmt die Herzrate oft über die Zeit hinweg ab und die HRV in allen Frequenzbändern zu

  
  

•  Untersuchung der Beanspruchung bei einer komplexen Planungsaufgabe (dispatcher task)

• Forschungsfrage: Können konsistente kardiovaskuläre Muster während andauernder Aufgabenbearbeitung detektiert werden?

•  N = 12 Probanden

• Drei Experimentdurchgänge á 2h jeweils mit abwechselnden Phasen niedrigerund hoher Beanspruchung

• Erfassung verschiedener kardiovaskulärer Indikatoren (Blutdruck, HR, Baroreflex Sensitivität, HRV-Frequenzbänder)

• Sowohl HR als auch HRV (0,1Hz-Komponente; RSA ) sind sensitiv

  -> 0.1 Hz- Komponente besonders oft benutzt und untersucht

• Sensitivität der HRV nur bei relativ einfachen Aufgaben, wenn das allgemeine Beanspruchungsniveau niedrig bis mittelhoch ist, höher als bei HR (bei komplexen

  Aufgaben umgekehrt)

• Bei komplexen Aufgaben differenziert HRV nur noch zwischen Ruhe und Beanspruchung, nicht mehr zwischen verschieden hohen Belastungsbedingungen

• Keine Hinweise auf Diagnostizität im weiteren oder engeren Sinne

• Bei kontinuierlich anhaltender kognitiver Beanspruchung (> 10 min) deutliche time-on-task Effekte in Form einer „paradoxen“ Zunahme der HRV (besonders relevant bei längeren Anwendungen im Feld)

•  Kontrolle der Herzrate unterliegt einer komplexen Interaktion der Einflüsse vom sympathischen und parasympathischen Nervensystem

• Auch die 0,1 Hz-Komponente der HRV (mid frequency) spiegelt sowohl parasympathische, als auch sympathische Einflüsse wider

• RSA-Komponente (high frequency) der HRV spiegelt dagegen vorwiegend Veränderungen der parasympathischen Aktivität wider

  
  

  -> Probleme der Diagnostizität (und Sensitivität) von HR und HRV könnten mit mangelnder Trennung sympathischer und parasympathischer Einflüsse bei reiner Betrachtung der HR bzw. HRV (0,1 Hz-Komponente) zusammenhängen

Autonomic Space versucht dieses Thema auszudifferenzieren

•  Klassische Sichtweise einer reziproken Kopplung des sympathischen und parasympathischen Teils des autonomen Nervensystems ist zu einfach

• Sympathikus und Parasympathikus können reziprok zueinander, unabhängig voneinander oder direkt gekoppelt reagieren

• Autonome Kontrolle von Organen daher eher darstellbar in einem zweidimensionalen Raum, dessen (orthogonale) Achsen die beiden physiologischen Teilsysteme bilden (autonomic space)

• Acht verschiedene Arten autonomer Kontrolle können unterschieden werden

—> wie sind die Faktorladungen auf verschiedene Faktoren, also wer ist Aktiviert

• Sensitivität von HR (bzw. HRV) Reaktionen auf Beanspruchungsunterschiede abhängig von Art der Kopplung der jeweils ausgelösten physiologischen Reaktionen

  
  

• Höchste Sensitivität anzunehmen bei reziproker Kopplung

  
  

• Keine/geringe Sensitivität anzunehmen bei direkter Kopplung

• Möglicherweise Erhöhung der Diagnostizität kardiovaskulärer Indikatoren durch Beschreibung der Beanspruchungsreaktion im autonomic space

• Voraussetzung: getrennte Erfassung der sympathischen und parasympathischen Anteile an Herzratenveränderungen

•  Erfassung verschiedener kardiovaskulärer Parameter bei der Bewältigung

  verschiedener Aufgaben (Herzperiode; 0,1 Hz und RSA Komponente d. HRV)

•  Bildung der „residualen Herzperiode“ als Markiervariable für sympathische Aktivität

  (Basis: Regression auf RSA)*

• Bestimmung der mittleren Interkorrelation der verschiedenen Kennwerte für die

  verschiedenen Aufgabenbedingungen

•  Extraktion unabhängiger Dimensionen „sympathischer“ und „parasympathischer“ Aktivität mittels Hauptkomponentenanalyse

• Laborexperiment zu kardiovaskulären Reaktionen auf unterschiedliche Anforderungen bei Trackingaufgaben

• N=12 Vpn

Unabhängige Variablen:

• motorische Beanspruchung (2 Stufen – Amplituden der zu korrigierenden Abweichungen)

• perzeptiv-kognitive Beanspruchung (3 Stufen – Art der Kontrolle: Position, Geschwindigkeit, Beschleunigung)

Abhängige Variablen:

•  Leistung: Trackingfehler

• subjektive Beanspruchung: Bedford-Skala

• kardiovaskuläre Parameter: HR, HRV (0.1Hz), HRV (RSA)

• andere physiologische Parameter (Atmung, EMG, Lidschluss

(1) Erhöhung der motorischen Anforderungen

• Herzperiode nimmt ab (Erhöhung Herzrate)

• Effekt auf parasympathische, aber nicht sympathische Komponente

  -> ungekoppelte parasympathische Hemmung

  
  

• (2) Erhöhung der perzeptiv-kognitiven Anforderungen

  
  

  • Verringerung der Herzperiode (Erhöhung Herzrate)

  • Effekt auf sympathische, aber nicht parasympathische Komponenten

• -> ungekoppelte sympathische Aktivierung

FAZIT: Die unterschiedlichen Beanspruchungsvariationen führen zu gleichen Reaktionen der Herzperiode, aber unterschiedlichen Reaktionen im autonomic space

• Bei Erhöhung motorischer Anforderungen ungekoppelte parasympathische Hemmung

•  Befunde für Effekte perzeptiv-kognitiver Anforderungen bei Trackingaufgaben eher weniger konsistent

•  Bei Zunahme (kognitiver) Gedächtnisanforderungen Hinweise auf reziproke Kopplung mit Zunahme sympathischer Aktivierung und gleichzeitiger parasympathischer Hemmung

• Bei Anforderungen verteilter Aufmerksamkeit (Doppelaufgaben) Hinweis auf ungekoppelte sympathische Aktivierung

-> unterschiedliche Muster kardiovaskulärer Reaktionen bei perzeptiv-kognitiven und motorischen Anforderungen

Diagnostizität kardiovaskulärer Reaktionen im autonomic space (aus Backs, 2001)

•  Interessanter methodischer Ansatz zur differenzierteren Beschreibung der physiologischen Grundlagen von kardiovaskulären Beanspruchungsreaktionen

• Kann teilweise inkonsistente Befunde zur Sensitiviät kardiovaskulärer Parameter erklären

• Herzrate und HRV vermutlich besonders sensitiv für Unterschiede in der Beanspruchung des Arbeitsgedächtnisses (d.h. bei reziprok gekoppelten autonomen Reaktionen)

• Hinweise auf mögliche Erhöhung der Diagnostizität kardiovaskulärer Parameter durch differenzierte Auswertung

•  Befunde aber insgesamt noch zu wenig konsistent, um Ansatz abschließend zu beurteilen

• Sowohl HR, als auch HRV (0,1Hz-Komponente; RSA) sind sensitiv für Unterschiede in der mentalen Beanspruchung

• HRV besonders geeignet bei relativ einfachen Aufgaben, relativ geringen Beanspruchungsniveaus und kurzen Bearbeitungsphasen

• Bei komplexen Aufgaben differenziert HRV oft nur noch zwischen Ruhe und Beanspruchung (dann HR sensitiver)

• Bei kontinuierlich anhaltender kognitiver Beanspruchung (> 10 min) oft „paradoxen“ Zunahme der HRV und Abnahme der HR in Zusammenhang mit Blutdruckanstiegen

• Keine Hinweise auf Diagnostizität im weiteren oder engeren Sinne

• Mögliche Ansätze für Diagnostizität über Analyse der spezifischen Effektmuster im vegetativen Nervensystem (Konzept des autonomic space) durch differenzierte Betrachtung von sympathisch bzw. parasympathisch vermittelten Effekten

• Autonomic space —> Unterscheidung verschiedener Beanspruchungszuständen nach Art der jeweiligen autonomen Kontrolle, d.h. des Zusammenwirkens von Aktivierungen des Sympathikus (S) und Parasympathikus (PS)