Was ist die Herzrate und was die Herzperiode?
Herzratenänderungen begleiten nahezu alle Änderungen psychischer und physischer Anforderungen.
Beispiel?
• Schmerz- und Angstreaktionen sind von einem Anstieg der HR begleitet,
• während Entspannungs-, Orientierungs- und Aufmerksamkeitsprozesse von einer Abnahme der HR begleitet werden.
• HR wird zumeist gemessen als
Zu- und Abnahmen gegenüber einer Baseline.
• Die Herzfrequenz steht mit dem Blutdruck
im engen Zusammenhang
Blutdruckanstieg führt zu erhöhter Stimulation von … die wiederrum…
Barorezeptoren, die wiederum über den Vaguskern (Medulla oblongata) zu einer vagal vermittelten Dezeleration der Sinusknoten-Frequenz führt.
Kennst du noch weitere EInflussfaktoren auf die Herzrate?
• Körpertemperatur,
• Sauerstoffgehalt im Blut und
• Atmung (respiratorische Sinusarrhythmie)
Tonische Veränderungen sind…. Veränderungen
lang anhaltende
Mittlere HR-Werte:
Differenz zwischen Experimentalphase und Baseline
Tonische HR
Anzahl der R-Zacken pro Zeiteinheit.
• R-Zacke sollte klar identifizierbar sein; am besten über geeignete Algorithmen auszuwerten.
• Absolute Amplitude und Anstieg des Signals können verwendet werden.
Wie sieht eine tonische Herzrate aus?
• Lacey und Kollegen (1963) postulieren, dass eine niedrigere HR mit erhöhter sensorischer Sensitivität einhergeht
Was verbessern zunehmende und abnehmende HR also?
• HR-Abnahme verbessert „sensory intake“ durch eine geringeren Barorezeptor-Druck, der stärkere kortikale Aktivität ermöglicht.
• Zunehmende HR hingegen verbessert mentale Aktivität aufgrund der Unterdrückung potentiell ablenkender Reize.
Und, haben Lacey und Kollegen Recht?
• Mehrere Untersuchungen ergaben widersprüchliche Ergebnisse.
• z.B. gibt es keine Unterschiede in sensorischer Diskriminationsleistung wenn visuelle Stimuli während unterschiedlicher Herzphasen präsentiert werden (Elliott & Graf, 1972).
• Dasselbe gilt für akustische Stimulation (Edwards & Alsip, 1963).
• Andere Studien hingegen zeigen Effekte (z.B. Al et al., 2020; Galvez-Pol et al., 2022; Grund et al., 2022).
• Es gibt Hinweise, dass eine Abnahme der HR mit verbesserter Wahrnehmungsleistung für externale Reize einhergeht – die Befunde sind aber nicht eindeutig.
Der Herzschlag beeinflusst die Wahrnehmung! Was sagen wir dazu?
• Die Sensitivität für schmerzvolle, visuelle, taktile und auditive Stimuli sind häufig reduziert, wenn sie während der Systole im Vergleich zur Diastole dargeboten werden (z.B., Al et al., 2020; Edwards et al., 2007; McIntyre et al., 2006).
• Die Annahme ist, dass Wahrnehmung in Abhängigkeit von körperlichen Prozessen variiert.
• Allerdings ist unklar, ob dies auch für aktive Berührung der Fall ist.
Debatte “Herzschlag verändert die Wahrnehmung”: Zeigt sich etwa, dass Personen Objekte präferiert während unterschiedlicher Herzphasen berühren und ändert dies die Wahrnehmung?
• Galvez-Pol et al. hat die Herzaktivität von Versuchspersonen aufgezeichnet während diese Objekte aktiv berührten ohne die Objekte zu sehen. Was weißt du darüber?
Die Aufgabe war zu bestimmen, ob das Objekt vertikale oder horizontal angeordnete Rillen aufwies.
• Daneben gab es eine Kontrollbedingung, in der keine Gratings auf den Objekten waren.
• Die Probanden sollten die Objekte einfach berühren ohne Diskriminationsleistung.
• Galvez-Pol et al. hat die Herzaktivität von Versuchspersonen aufgezeichnet während diese Objekte aktiv berührten ohne die Objekte zu sehen.
Was waren die Ergebnisse?
• Die Ergebnisse zeigen, dass Proband:innen die Berührung zwar nicht in einer spezifischen Herzphase begannen, dass die Herzphase aber trotzdem die Diskriminationsleistung beeinflusste.
Wurde die Berührung während der Systole begonnen, berührten die Proband:innen die Objekte länger. Dieser Effekt war besonders deutlich für schwer diskriminierbare Rillen- Orientierungen
Galvez-Pol et al. argumentieren, dass dies eine Kompensation der geringeren Sensitivität während der Systole sei.
Das deutet auf eine active Adjustierung für die Verarbeitung sensorischer Informationen anhand körperlicher Prozesse hin und damit einen Erklärungsansatz für Unterschied in der Wahrnehumg der Umgebung für neurotypische und –diverse Individuen.
Herzrate und Reaktionszeit- Gibts da einen Zusammenhang?
• In einfachen RT-Experimenten ist häufig eine Herzratenabnahme bei fixem Prästimulus-Intervall zu beobachten (z.B. Obrist et al. 1969).
• schnellere RTs gehen mit einer stärkeren Abnahme der Herzrate einher.
• Dies gilt nicht wenn die Herzrate external manipuliert wird (z.B. in Schrittmacher-Patienten; Nowlin et al. 1970).
• Die Herzratenabnahme indiziert eine Handlungsvorbereitung wenn ein Stimulus erwartet wird.
Herzrate und komplexe Motorik: Gibts da einen Zusammenhang?
• Die HR nimmt über den Verlauf des Lernens komplexer Verhaltensmuster kontinuierlich ab.
• Autofahren lernen über eine Zeitraum von 5 Tagen zeigte eine signifikante Abnahme der HR mit zunehmender Fertigkeit (Ohkubo & Hamley, 1972).
• Allerdings kann der beobachtete Zusammenhang auch durch Angst/Stress mediiert werden.
Herzrate und Angst/Stress: In einer „Zipwire“ Studie untersuchten Lewis und Kollegen (1984) die HR bei Männern und Frauen, die eine Hängebahn rutschen mussten.
Was kam dabei raus?
• HR zeigte die höchsten Werte beim Rutschen.
• Männer und Frauen zeigten vergleichbare HR,
• aber Männer gaben an weniger ängstlich zu sein.
Tonische HR ist nicht diagnostisch: Gib an warum
• Unterscheidung von Aufgabenarten nicht möglich
Körperliche Aktivität führt immer auch zu Anstiegen der HR
Ebenso reagiert die HR auf emotionale Erregung (z.B. Haider, 1972, HR bei Musikern in Konzert höher als bei Proben).
-> HR ist ein Indikator für allgemeine Aktivierung
->Interpretierbar nur bei Kenntnis der Aufgaben- und Ausführungsbedingungen.
Was ist die Herzratenvariabilität?
• HRV spiegelt phasische Zu- und Abnahmen der Herzschlagfrequenz infolge verschiedener Regulationsmechanismen wider.
• z.B. Atmung,
• Blutdruckregelung,
• Temperaturregelung.
• Sowohl sympathische als auch parasympathische Einflüsse tragen zur Variabilität bei.
Variabilität durch Wirkung des Sympathikus:
Welche Varianten gibt es?
• Positiv chronotrop (Steigerung der Spontanfrequenz der Sinuszellen),
Positiv dromotrop (Verkürzung der Erregungsüberleitungszeit),
Positiv inotrop (Steigerung der Kontraktionskraft von Vorhof und Ventrikel
unabhängig von der Vordehnung),
Positiv lusitrop (Beschleunigung der Relaxation des Herzmuskels).
• Variabilität durch Wirkung des Parasympathikus:
• Negativ chronotrop (Reduktion der Spontanfrequenz der Sinuszellen),
• Negativ dromotrop (Verlängerung der Erregungsüberleitungszeit),
• Negativ inotrop (Verringerung der Kontraktionskraft der Vorhöfe unabhängig von der Vordehnung).
Nach sympathischer Stimulation steigt die Herzfrequenz nach… Sekunden an
und erreicht ihr Maximum nach … Sekunden
Rückgang auf Baseline nach … Sekunden
1-2
4
20
Nach vagaler Stimulation erfolgt bereits nach ca….. (also innerhalb von ein- bis zwei Herzschlägen)
mit maximaler Frequenzabsenkung nach ….
Rückgang auf Baseline nach…
150 ms
500ms
1 Sekunde
Ursache für die unterschiedliche zeitliche Wirkung von Sympathikus und Parasympathikus liegt in Zeitbedarf der…und des …
Signalleitung
Transmittermetabolismus
Parasympathische Aktivität am Sinusknoten vermittelt über Acetylcholin:
• Metabotrope ACh-Rezeptoren (muskarinerg, Verlangsamung der Sinusknoten-Depolarisation und AP-Bildung durch Erhöhung der Kaliumleitfähigkeit).
• Alle Prozesse finden an Proteinkomplexen innerhalb der Membran statt.
• Das parasympathische System ist in der Lage, das sympathische System direkt zu hemmen (durch M2-Rezeptoren auf der Oberfläche sympathischer Neurone).
• Sympathische Aktivität am Sinusknoten vermittelt über Noradrenalin:
• Metabotrope β1 Rezeptoren (intrazelluläre Signalkaskade).
• Das Signal muss über second-messengers zu Proteinkinasen im Zytosol und zurück zu Membrangebundenen Kanälen.
Der Abbau von Adrenalin erfolgt über zwei Enzyme:
(Catechol-O- Methyltransferase (COMT) und Monoaminooxidase (MAO)):
• Die Plasmahalbwertszeit liegt bei 1 bis 3 Minuten.
Acetylcholin wird rasch durch Diffusion und enzymatischen Abbau
(Acetylcholinesterase) aus dem synaptischen Spalt entfernt.
• Acetylcholinesterase liegt in hoher Konzentration prä- und postsynaptisch vor und spaltet ACh in Millisekunden.
• Das parasympathische Nervensystem kann die Herzrate zwischen …. und …. modulieren.
Das sympathische Nervensystem kann die Herzrate lediglich in Bereichen unter… signifikant beeinflussen
0 und 0.5 Hz
0.1 Hz
Aus den EKG R-Zacken können unterschiedliche Variabilitätsmasse berechnet werden:
in der Zeitdomäne: Statistik der R-Zacken Intervalle (z.B. Vergleich der HRV in Ruhe vs. Belastung)
in der Frequenzdomäne: Powerspektrum der RR-Intervalle (Vergleich unterschiedlicher Frequenzbänder zwischen Bedingungen)
HRV Zeitdomäne: Erkläre die Grundannahme und Parametrisierung
• Grundannahme: HR steigt mit steigender Beanspruchung.
Parametrisierung:
• Anzahl der R-Zacken pro Minute (BPM)
• Mittlerer Abstand zwischen zwei R-Zacken in Millisekunden (Inter-Beat- Intervall, IBI).
• BPM und IBI sind ineinander überführbar (nichtlineare Transformation).
• Erfassung von Variation in Zeitabständen von R-Zacken um den
Mittelwert
Einfache Maße wie Varianz, Standardabweichung oder Variationskoeffizient der…
gemessenen Intervalle
HRV bildet das Ausmaß an…. ab
Variabilität
kurzfristige Schwankungen wie auch…
langsame Verschiebungen
Tonische Veränderungen können umso größer werden, je…
….länger die analysierte Zeitreihe.
IBIs (Interbeat Intervall) für Datenanalysen besser als HR geeignet wegen:
(aber kontroverse Ergebnisse in verschiedenen Forschungsbereichen)
• direkterem Bezug zu physiologischen Prozessen und
• günstigeren Verteilungseigenschaften.
Herzratenvariabilität:
Was muss man beachten wenn man die berechnet?
Root mean squared successive differences (RMSS) ist ein geeignetes Maß für kurzfristige, schnelle Änderungen des Herzschlages.
Warum?
• sensitiv für schnelle Fluktuationen,
• robust gegenüber langsamen Trends.
Allerdings:
• HRV im Zeitbereich differenziert nicht zwischen verschiedenen Einflussfaktoren (z.B. Atmung, Blutdruckregulation).
Für kürzere Messstrecken (2 bis 5 Minuten) können drei Frequenzbänder unterschieden werden:
• Low Frequency (0.01-0.05 Hz; auch VLF)
• Mid-Frequency (MF; 0.05 – 0.15 Hz; Barorezeptorreflex; oft als low frequency
LF bezeichnet) und
• High Frequency (HF; 0.15 – 0.4 Hz; RSA)
Frequenzbänder nach Berntson et al (1997) und Mulder (1985, 1992)
hallo muss ich da etwa die paper für lesen
Herzratenvariabilität: WIe sieht high/mid/low frequency am Graphen aus?
• Unter Stress erhöht die sympathische Innervation die Herzfrequenz.
• Parasympathische Innervation drosselt die Herzfrequenz während Erholungsphase.
Was zeigt hier was?
HF-Anteil reflektiert parasympathische Innervation.
• LF (nach Mulder Mid-Frequency) Anteil reflektiert sowohl sympathische als auch parasympathische Innervierung.
• Das Verhältnis LF/HF kann als Indikator der ANS Balance angesehen werden.
Die Verteilung der Power der einzelnen Frequenzbänder und die zentrale (Peak-) Frequenz variieren in Abhängigkeit…
Die physiologischen Grundlagen der VLF Komponente sind weniger gut untersucht als….
… autonomer Modulationen der Herzrate.
… für die LF und HF Komponenten.
• Es ist fragwürdig, ob ein einzelner physiologischer Prozess die VLF Komponente erklären kann.
Ebenso sollte mit Vorsicht interpretiert werden:
• Ebenso sollte die VLF Komponente in kurzen Aufnahmeintervallen (≤5 Minuten) mit Vorsicht interpretiert werden.
Power im VLF, LF und HF Band wird wie folgt angegeben:
Milisekunden quadriert (ms^2 ).
Was passiert hier?
Was zeigen Kuchendiagramme über Frequenzbereiche der HRV?
Herzratenvariabilität und Mentale Beanspruchung: Was weißt du darüber?
• Variabilität der RR-Intervalle im EKG nimmt unter mentaler Beanspruchung ab,
• der Herzschlag wird bei mentaler Beanspruchung regelmäßiger.
• Vermutlich aufgrund einer präziseren zentralnervösen Herzfrequenzsteuerung
unter Anspannung (Manzey, 1998).
• Die HRV ist sensitiv für Veränderungen der mentalen Beanspruchung,
• besitzt allerdings nur schlechte Diagnostizität für verschiedene Arten mentaler Beanspruchung (Gaillard & Kramer, 2000).
Herzratenvariabilität und Mentale Beanspruchung:
• Rowe et al. (1998) untersuchten Komplexität von Displays in einer Monitoring-Aufgabe. Erkläre
HRV und Mental Effort
Weitere Einflüsse auf HRV
• Auch emotionale Belastungsfaktoren wie Angst beeinflussen die HRV.
• Ebenso zeigt physisch-muskuläre Beanspruchung einen Einfluss,
• allerdings nicht so ausgeprägt wie bei der HR – üblicherweise korrelieren HR und HRV mäßig miteinander, um r = -0.40 (Manzey, 1998).
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