Rapport ANS v.1.1

Het autonoom zenuwstelsel V1.1 Een holistisch model voor mind-body technieken

John De Poorter, Zara T. vzw

© Zara T. vzw | 18-3-2011

1 Het autonoom zenuwstelsel V1.1

Het autonoom zenuwstelsel V1.1

Een holistisch model voor mind-body technieken

Inhoud

1. Uitgangspunten van deze studie .......................................................................... 4

Taijiquan (Tai Chi Chuan) .......................................................................................... 4

Een wetenschappelijke basis voor holistische stromingen ........................................ 5

2. Het autonoom zenuwstelsel ‘revisited’................................................................. 8

De klassieke weetjes .................................................................................................... 8

Het hart als spiegel van de autonome balans ............................................................ 12

Een andere invalshoek via de bloedvaten .................................................................16

Een totaalbeeld dankzij arteriële tonometrie ........................................................... 20

3. De dynamiek van het ANS-evenwicht ................................................................ 22

De basisregels ............................................................................................................ 22

Focus van dit onderzoek: bloeddrukregulatie .......................................................... 23

Een elektrisch model ............................................................................................................................ 23

HR-variaties en ademhaling ................................................................................................................ 26

Humorale regulatie en zijn invloed op de bloeddruk ......................................................................... 29

4. Experimenten rond het ANS-model: V 1.1 .......................................................... 31

Het grote kader .......................................................................................................... 31

De deelvragen van V 1.1 ............................................................................................ 32

Experimentele methode en protocol V 1.1 ................................................................ 32

Experimentele resultaten en bespreking .................................................................. 33

Besluiten V1.1 en opzet voor V1.2 ............................................................................. 43

5. Besluiten en uitdagingen .................................................................................... 44

6. Referenties .......................................................................................................... 46

© Zara T. vzw | 18-3-2011

2 Uitgangspunten van deze studie

Dankwoord De ideeën en ervaringen van een heleboel mensen uit mijn nabije omgeving hebben mij sterk

geïnspireerd. Ik wil deze mensen hier kort vermelden en bedanken voor de boeiende interacties en het

vertrouwen dat ik van hen heb gekregen. Het gaat over Lut De Jaegher, Wim Stevens, Liu Wai Sang,

Ma Jiangbao, Martin Bödicker, Martin Bachem, Annemie Van der Gucht, Peter Van de Velde, Ruth

Bracke, Björn Prins, Guy Leta, Wil Meeus, Patrick Calders, Inge De Wandele, Michell Silva, Liesbet

Lamens, Michiel Demey,…

Ik wil in het bijzonder ook Prof. Patrick Segers bedanken die me aan een tonometrietoestel heeft

geholpen. Dit toestel betekende een belangrijke doorbraak in het kwantitatieve werk.

Zonder de ondersteuning van mijn liefste Izabel en mijn heerlijke kinderen Jana, Jonathan en Zara

was het zeker niet gelukt. Ook mijn moeke Cecile wil ik hier niet vergeten, ze is veel dieper dan de

bloedband met mij verbonden en biedt me oneindig veel ondersteuning.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Woord vooraf Dit rapport bevat de resultaten van 1 jaar onderzoeksactiviteiten rond het autonoom zenuwstelsel

binnen vzw Zara T. De nadruk ligt op de fysiologische modellen die gedurende het voorbije jaar zijn

verzameld en uitgemeten. Deze modellen zijn evenwel dynamisch en worden nog regelmatig verfijnd.

Toch leek het me interessant om deze tussenstand grondig uit te schrijven. Op die manier hoop ik in

interactie te kunnen treden met derden en een kritische reflectie op het materiaal mogelijk te maken.

De doelgroep van deze tekst zijn zowel onderzoekers als breed geïnteresseerden in deze

onderzoeksactiviteiten. Vermits het autonoom zenuwstelsel het onderzoeksdomein is voor een breed

gamma van wetenschappers (zowel alpha- als betawetenschappers) wordt de wiskunde beperkt tot

elementaire formules, grafieken en schema’s. Voor een volledige wiskundige analyse verwijs ik naar de

appendices (voorlopig wel nog in aanmaak). Deze worden direct in het Engels geschreven omdat ze de

basis vormen voor wetenschappelijke publicaties over dit onderwerp.

De tekst is als volgt opgebouwd.

1. In het hoofdstuk ‘Uitgangspunten van deze studie’ krijg je de drijfveren voor dit onderzoek

uiteengezet. Ook wordt de functie van vzw Zara T. in dit geheel geplaatst.

2. In het hoofdstuk ‘Het autonoom zenuwstelsel ‘revisited’’ wordt het autonoom zenuwstelsel

beschreven vanuit twee invalshoeken:

de elektrodynamica (de elektrische stromen in de zenuwen) en

de vloeistofdynamica (de bloedstroom doorheen het hart en de bloedvaten).

Het hart speelt hier een centrale rol omdat daar de elektrische signalen en de stromingsdynamiek

samenkomen en zich op elkaar afstemmen. Dit hoofdstuk kan je overslaan als je al sterk vertrouwd

bent met het autonoom zenuwstelsel.

3. Het hoofdstuk ‘De dynamiek van het ANS-evenwicht’ beschrijft de mechanismen die het

autonoom systeem gebruikt om ons lichaam in balans te houden. Er wordt uitvoerig ingegaan op

een wiskundig model voor bloeddrukregulatie. We zoomen ook kort in op de gevolgen van onze

wiskundige en sterk dynamische aanpak voor de interpretatie van veelgebruikte meetparameters

voor hartritmevariabiliteit (zoals de standaard deviatie en spectrale parameters: VLF, LF, HF, …).

4. Het hoofdstuk ‘Experimenten rond het ANS-model: V 1.1’ bevat de resultaten van een eerste

experimentenreeks waarbij ik een 6-tal personen een gericht experimenteel protocol laat

doorlopen. De resultaten bevestigen grotendeels de inzichten uit de vorige hoofdstukken en bieden

een kader voor toekomstig werk.

5. In het finale hoofdstuk ‘Besluiten en uitdagingen’ worden de krijtlijnen vastgelegd voor

toekomstige activiteiten binnen Zara T. Uiteraard zijn de onderzoeksresultaten uit het vorige

hoofdstuk hier een leidraad.

Het schrijven van deze tekst heeft veel energie gekost, maar was toch bovenal een heel stimulerende

bezigheid. Ik ben me sterk bewust geworden van hoeveel samenhang het produceren van een tekst

geeft aan ideeën. Ik heb het vaste voornemen om dit vanaf nu veel regelmatiger te doen. Ik hoop vooral

dat dit materiaal een inspiratiebron kan zijn voor zowel de lezers als voor mezelf (via hun reacties).

John De Poorter, op een maartse zonnedag, Oosterzele

© Zara T. vzw | 18-3-2011


1. Uitgangspunten van deze studie

Taijiquan (Tai Chi Chuan)

‘Use the Xin (heart, mind) to transport the Qi.’ (Wû, Yu-Xiang, 1812-1880)

Deze openingszin van één van de klassieke Chinese teksten over Taijiquan heeft me altijd gefascineerd.

Het voelde aan als de sleutelzin naar de essentie van deze traditie. Taijiquan is een Chinese

gevechtskunst die ik ondertussen al 25 jaar beoefen. Het is in essentie een bewegingstechniek

gebaseerd op basisprincipes zoals een verhoogd bewustzijn, lichtheid, traagheid, natuurlijkheid en

volharding. Vooral dit laatste, de volharding vinden om bewegingen duizenden malen opnieuw te

herhalen, blijft tot de dag van vandaag de enige echte toegangspoort naar deze bijzondere wereld.

Naarmate de jaren van oefenen vorderden, begon ik meer en meer systematiek terug te vinden in de

effecten van deze bewegingen op mijn lichaam. Chinezen spreken van Qi die doorheen het lichaam

stroomt, die je na verloop van tijd als een heel sterke entiteit begint te ervaren. Belangrijk hierbij was

de reproduceerbaarheid. Taijiquan gaat heel gestructureerd met die Qi-flow om en leert je om deze te

sturen, te vergroten, te verzwakken. Daardoor raakte ik er meer en meer van overtuigd dat het hier niet

gaat over wat autosuggestie maar over een fysiologisch fenomeen dat eigen is aan het menselijk

lichaam. Het moet dus ook terug te vinden zijn in ons westers wetenschappelijk model op het lichaam.

Dit gegeven is mijn drijvende kracht. Dit is het grote vraagstuk dat ik wil oplossen.

Ik ben niet alleen in deze zoektocht. Op het internet vind je een heleboel meningen over wat Qi is of

zou kunnen zijn, maar deze meningen blijven te zwak voor mij. Ze voldoen niet aan de criteria die bij

een begrip van die omvang horen. Ik wil de vergelijking maken met het westers begrip energie.

Niemand kan dit begrip bevattelijk in woorden omschrijven. De meest gebruikte omschrijving: ‘de

mogelijk om arbeid te verrichten’, zegt eigenlijk niks over wat energie is, het beschrijft alleen maar wat

het mogelijk maakt. Het blijft een abstract begrip maar de wetenschappers hebben er een wiskundig

kader omheen gebouwd en een basisprincipe (het behoud van energie) waardoor het getransformeerd

is tot één van de fundamenten van de westerse wetenschap. Het mooie is dat het een heel holistisch

begrip is dat een heleboel wetenschappelijke disciplines met elkaar verbindt. Een dergelijk kader wil

ik ook vinden voor Qi. Ik zie het begrip dan ook als een belangrijke kanshebber om een verbindend

fundament te geven aan de levenswetenschappen.

Verwacht nu niet om in deze teksten het antwoord op de Qi-vraag te krijgen. Ik wil deze zoektocht nog

lang niet kwijt. Ik heb hier enkel een aanzet die geïnspireerd is door die bijzondere openingszin: ‘de

Xin kan de Qi sturen’. Chinees gezien is Xin zowel hart als ‘mind’1 en dit is op zich geen vreemde

combinatie. Ons hart en ons autonoom zenuwstelsel staan immers heel sterk in wisselwerking met

elkaar en ik heb er binnen deze context geen probleem mee om het gangbare materialistisch

paradigma te volgen en ‘mind’ te koppelen aan de elektrische signalen die doorheen onze zenuwen en

1 We gebruiken hier bewust het begrip ‘mind’ i.p.v. geest. In Duitse vertalingen wordt Xin soms ook vertaald door ‘gevoel’. We willen in deze context zeker het begrip bewustzijn vermijden. Dit laatste begrip is immers veel moeilijker binnen een materialistisch paradigma te plaatsen.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


hersenen lopen. Critici zullen opmerken dat het hier alleen maar over het autonome of vegetatieve

zenuwstelsel gaat (datgene waar we weinig of geen impact op hebben) maar als je dit materiaal grondig

doorneemt, zal het je snel duidelijk worden dat dit een achterhaald misverstand is. We kunnen

weldegelijk heel bewust op dit ‘autonome’ deel van ons zenuwstelsel inspelen en het is mijn aanvoelen

dat het ANS een fundamentele rol speelt in dat vreemde fenomeen dat bewustzijn heet. De Xin is de

drijvende ondertoon van deze tekst, en ik zal het voor de duidelijkheid van een westers publiek duiden

met de term ‘autonoom zenuwstelsel’ of ANS (‘Autonomous Nerve System’). Deze tekst heeft tot doel je

de waarde en de relevantie van het ANS te laten aanvoelen. In de toekomst moet dan duidelijk worden

hoe Qi kan gekoppeld worden aan het ANS of de ‘Xin’.

Een wetenschappelijke basis voor holistische stromingen Als kind kwam ik al in contact met allerlei paranormale stromingen zoals handoplegging, pendelen,

astrologie, enz. Ik heb nooit wereldschokkende dingen gezien of gevoeld maar toch zijn er me enkele

ervaringen sterk bijgebleven. Zo was er een vriend van mijn ouders die beweerde dat hij iemand van

op een afstand (enkele cm) met zijn handen kon genezen. Ik kon zelf de tinteling en het pijnstillende

effect voelen die deze man bij mij teweeg bracht toen hij zijn hand in de buurt van een abces in mijn

mond bracht. Op een bepaald moment zei hij dat er niks bijzonder aan was en dat ik dat zelf ook kon.

Ik ging wat wantrouwig met mijn hand voelen boven een pijnlijke plek op mijn eigen arm en schrok zo

hard van het doordingende effect dat ik mijn hand snel wegtrok. Ik was deze gebeurtenis zo goed als

vergeten totdat een vriendin me jaren later met bijna dezelfde woorden opnieuw bewust maakte van de

uitstraling van mijn handen.

Nu is hier inderdaad niets bijzonder aan. Het menselijk lichaam zit vol met elektromagnetische

bronnen en er is vandaag de dag gelukkig veel meer interesse om de uitgezonden straling met

wetenschappelijke middelen te onderzoeken (Becker & Selden, 1985). Maar er is ook veel scepsis, al

dan niet georganiseerd (zie bijvoorbeeld www.skepp.be). Ik heb zeker voeling met bepaalde

uitgangspunten van de beweging van sceptici, namelijk dat er veel charlatans op het veld actief zijn die

je maar beter kan ontmaskeren voordat ze met je geld en je vertrouwen gaan lopen. Ik sta ook achter

het idee dat verschijnselen maar relevant zijn als ze een bepaalde reproduceerbaarheid in zich dragen.

Geïnspireerd door de fysicus B.K. Ridley noem ik de verschijnselen die hier niet aan voldoen de

magische verschijnselen. Deze verschijnselen, die op het persoonlijke vlak heel waardevol zijn, kunnen

echter niet de basis zijn van systematische handelingen, dat behoort tot het domein van de

wetenschap. Maar tot hier gaat mijn voeling met het ganse skepp-gebeuren.

Mijn grootste probleem met skepp is dat deze groep zich naar buiten toe vooral baseert op de

wijdverbreide misconceptie dat wetenschappelijke ontwikkelingen vooral door de experimentele

bewijskracht worden gestuurd. Moderne opvattingen daarentegen geven het experiment een minder

belangrijke plaats omdat een experimenteel bewijs altijd moet gekaderd worden binnen een reeds

bestaand wereldbeeld of paradigma. Ik gebruik hier een gekend maar dikwijls misbruikt voorbeeld om

dit te duiden. Galileo Galilei had binnen het gangbare wetenschappelijke paradigma van zijn tijd (dat

sterk was geïnspireerd op Aristoteles) geen overtuigend bewijs voor het heliocentrisme (Dijksterhuis,

2006). Zijn observaties (maankraters, manen van Jupiter, …) en experimenten (rond het

traagheidsbegrip en de valbeweging) gaven wel de perfecte argumenten voor diegenen die meegingen

in het heliocentrisch paradigma. Maar de 17de- eeuwse aanhangers van het geocentrisme konden met

wat kunstgrepen deze experimentele resultaten ook verklaren vanuit het wereldbeeld van Aristoteles.

Het enige echte argument van Galilei was dat het Copernicaanse model gewoon veel eenvoudiger was

en een wiskundige schoonheid in zich droeg. Dit argument is achteraf beschouwd sterk genoeg

gebleken om de voorstanders van zijn ideeëngoed verder te inspireren. Zoals steeds zorgt tijd er dan

wel voor dat de mainstream van de wetenschappers volgt en dat het eens verguisde heliocentrische

beeld het beeld werd van het wetenschappelijk establishment. De filosoof Thomas Kuhn heeft deze

dynamiek blootgelegd en daarmee overtuigend aangetoond dat bewijskracht niet noodzakelijk de

drijvende kracht is achter wetenschappelijke doorbraken (Kuhn, 1996). De skepp-groep teert dus op

een achterhaald beeld van wetenschappelijke dynamiek. Men stelt zich op als de verdedigers van de

http://www.skepp.be/

© Zara T. vzw | 18-3-2011


wetenschap en daagt de aanhangers van niet passende ideeën uit om hun claims publiekelijk te

bewijzen. Er worden daarbij gemakkelijke slachtoffers gekozen (vb. homeopathie, helderziendheid) die

dan onder de ogen van een lachend publiek te schande worden gezet. Hierbij is er te weinig ruimte

voor reflectie over de gangbare medische paradigma’s rond gezondheid, placebo enz. Binnen een

dergelijk paradigma maken de meeste van de alternatieve geneeswijzen inderdaad geen enkele kans

om credibiliteit op te bouwen (op wat zij-effecten na zoals acupunctuur die in staat is om misselijkheid

te bestrijden (Keulemans, Salomons, & Tiemens, 2010)). Komt daar nog bij dat men binnen bepaalde

universitaire kringen een soort dresscode voorschrijft waarbij onderzoek die de alternatieve visies kan

ondersteunen in het beste geval geen financiële steun krijgt of in het slechtste effectief gewoonweg

geweerd wordt. Onderzoek verhinderen over de grensgebieden van de wetenschap lijkt mij pas echt

dodend voor de wetenschappelijke dynamiek. Had men dit aan het begin van de 20ste eeuw gedaan,

dan hadden we vandaag geen moderne fysica, geen relativiteitstheorie en geen quantummechanica

gehad.

Het opbouwen van een verbredend wetenschappelijk referentiekader voor de holistische stromingen is

dan ook de tweede belangrijke drijfveer voor dit werk. In het eerste hoofdstuk wordt het bij uitstek

holistisch karakter van het ANS beargumenteerd. Ook is er een duidelijke elektromagnetische

component aanwezig wat een verklaringsbasis kan bieden voor wisselwerkingen op afstand. Het is

mijn vaste overtuiging dat het ANS een centrale rol speelt bij een aantal fenomenen die op de grens

van de pseudowetenschappen zitten. Maar zoals het hoort bij een paradigmaverandering, ik heb geen

bewijs en zal dat ook nooit echt kunnen aanleveren. Alleen hoop ik via dit onderzoek een zekere

credibiliteit te kunnen opbouwen door zowel een theoretisch kader uit te bouwen als de bijhorende

experimentele gegevens te verzamelen. Deze andere invalshoek moet de holistische alternatieven een

basis geven waardoor ze aantoonbaar tot reproduceerbaarheid kunnen komen en zo een solide basis

krijgen in onze maatschappij. De holistische stromingen zelf gaan hier echter ook een prijs voor

moeten betalen. Ze moeten zich laten onttoveren en de magische aspecten van hun bedrijf achter zich

laten. Ik hoop alvast dat een aantal groepen hiertoe bereid zullen zijn.

Maar alle verre speculaties achter ons latend, we staan nog maar aan het begin en er is nog veel noeste

arbeid te gaan. In deze eerste stap probeerde ik vooral de basismechanismen van het ANS onder de

knie te krijgen. Ik heb hier vrij resoluut gekozen voor een kwantitatieve analyse. Hierbij is het niet de

bedoeling om me weg te steken achter wiskundige complexiteit maar wel om heel heldere wiskundige

basisprincipes te testen op hun effectiviteit om het ANS te interpreteren. Ik streef dus naar modellen

die scherp gedefinieerd zijn en op die manier een solide basis kunnen bieden voor iedereen die rond

het ANS werkt. Ik wou ook af van de vele meestal kwalitatieve redeneringen en modellen die nu in de

holistische sector worden gebruikt. Niet dat deze ideeën en begrippen niet waardevol zijn maar ze zijn

meestal heel sterk toegepast op één sector en zijn deelproblemen en zijn daardoor moeilijk

veralgemeenbaar. Wiskundige modellen dragen deze veralgemeenbaarheid wel van nature in zich.

Ik ben me er van bewust dat dit een werk van lange adem is dat dit alles niet zonder slag of stoot zal

worden gerealiseerd. Ik heb samen met enkele gelijkgestemden de vzw Zara T. opgericht die een

structuur moet bieden aan diegenen die voor deze zaak willen gaan. In de statuten staat:

De vereniging heeft tot doel, met uitsluiting van elk winstoogmerk, bij te dragen tot het uitdragen en

verspreiden van het holistisch paradigma en dit te confronteren met de dominante reductionistische

en atomistische stromingen, door onder meer :

het organiseren van lessenreeksen en lezingen rond holistische tradities ( vb. Taijiquan,

meditatietechnieken, …),

het opzetten van holistisch geïnspireerde projecten samen met universiteiten, hogescholen,

scholen, verenigingen en andere vzw’s

© Zara T. vzw | 18-3-2011


de ontwikkeling van audio-visuele instrumenten en didactisch materiaal rond holisme.

Dit is dan ook een uitnodiging om deze vzw te komen versterken. We staan open voor een breed

publiek van onderzoekers, mensen met ervaring in holistische technieken en ook gewoon

geïnteresseerden. We staan ook voor een heel directe communicatie van onderzoeksgegevens.

Wetenschap hoort niet thuis in de kasten van de ‘happy few’ maar moet breed worden gedragen. Het

moet maar eens gedaan zijn om het grote publiek als kleuters te behandelen die van alles moet worden

aangeleerd. Nee, het grote publiek kan zelf een heel belangrijke rol spelen in de noodzakelijke

verschuiving van het paradigma, zeker in deze tijden van communicatie via internet. Wens je hierover

meer info dan kan je terecht op de blog (ANSphysics.blogspot.com).

http://zarat.blogspot.com/

© Zara T. vzw | 18-3-2011

8 Het autonoom zenuwstelsel ‘revisited’

2. Het autonoom zenuwstelsel ‘revisited’

De klassieke weetjes Het autonoom zenuwstelsel (ANS) is opgebouwd uit opgebouwd uit twee takken

een (ortho)sympatische2 tak en

een parasympatische tak.

Beiden hebben een breed gamma van fysiologische inwerkingen zowel op het lichaam als op de ‘mind’

(Stern, Ray, & Quigley, 2001). Een actieve parasympathische tak wordt gerelateerd aan relaxatie (‘rest

and digest’) en een actieve sympathische tak aan stress (‘fight or flight’). Beide takken samen geven een

scherp beeld van zowel de lichamelijke als de mentale toestand van de mens. Het ANS stuurt

basisfuncties aan zoals hartslag, doorbloeding, vertering en hormonenhuishouding (Bonaz, 2010;

Cohen & Taylor, 2002). Op het mentale vlak zijn er duidelijke correlaties met (fysieke, cognitieve en

emotionele) stress, welbevinden, aandacht en leren (Bonaz, 2010; Healey & Picard, 2005; Weiss,

2000).

In de sfeer van het Chinese begrip ‘Xin’ (zie p. 4) verstaan we onder ANS dus meer dan enkel de

zenuwsignalen. Het ANS-geheel bestaat ook uit de fysiologische veranderingen die samengaan met

deze signalen. Zo kan je een zenuw zien als een transportkanaal van elektrische informatie. Ter hoogte

van de zenuwuiteinden worden deze signalen omgezet in chemische stoffen (de zogenaamde

neurotransmitters) die allerlei andere processen in beweging zetten. In Figuur 1 en Figuur 3 vind je

een overzicht van de processen die door de ANS-signalen worden aangestuurd. Het zijn dergelijke

tekeningen die me voor het eerst overtuigden van hoe fundamenteel het ANS wel is en hoe holistisch

het is opgebouwd. Je kan gerust stellen dat meestal een ganse reeks van samenhangende fysiologische

processen door de sympatische of parasympatische signalen in werking wordt gezet. Elke verandering

kan gebruikt worden als een indicator voor welke mode het sterkst actief is. Tijdens de langzame

Taijiquan bewegingen valt het me dikwijls op dat mijn ademhaling hoorbaar wordt (door de

parasympatische stimulering van het neusslijmvlies) en heel erg diep tot in mijn buik doortrekt. Mijn

ogen worden licht vochtig, ik krijg veel speeksel in mijn mond en merk achteraf ook op dat mijn

pupillen (voor de gebruikte lichtomstandigheden) vrij klein zijn. Bemerk ook dat het dikwijls over een

balans gaat. Zo zullen de pupillen vergroten door het sympatisch signaal en verkleinen door het

parasympatisch signaal. Als beide takken sterke signalen hebben, kunnen die elkaar in evenwicht

houden met geen zichtbaar netto effect.

2 Voor de eenvoud en parallel aan de Angelsaksische literatuur wordt ‘ortho’ systematisch weggelaten in de verdere behandeling, we gebruiken dus ‘het sympatisch zenuwstelsel’.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 1 Het autonome zenuwstelsel en de uitwerking op het lichaam. (http://home.planet.nl/~roos0864/suzanne/gedrag/zenuwen.htm)

Figuur 2 Een synaps.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 3 Het autonoom systeem (nogmaals, nu met veel meer details) (Van Cranenburgh, 1997)

© Zara T. vzw | 18-3-2011


De elektrische informatie loopt doorheen de zenuwen als een aaneenschakeling van elektrische

zenuwimpulsen van dezelfde elektrische spanning. De frequentie van deze pulsen (het gemiddeld

aantal pulsen dat per tijdseenheid passeert) geeft een maat voor de activiteit in de zenuw. De grootte

van deze activiteit zal verschillen tussen beide zenuwtakken. Tp staat voor de activiteit van de

parasympatische zenuwsignalen en Ts voor de sympatische zenuwactiviteit. Voor de wiskundige

eenvoud stellen Tp en Ts gelijk aan dimensieloze getallen tussen 0 en 1, waarbij 0 staat voor geen

zenuwactiviteit en 1 staat voor een maximale zenuwactiviteit.

In Figuur 2 is de bouw van een synaps te zien, die bevindt zich aan het uiteinde van een zenuwbaan en

zorgt er voor dat het elektrisch signaal wordt omgezet in een chemische concentratie

neurotransmitters. Deze neurotransmitters zetten zich vast op de celwand van de nabijgelegen cellen

(vb. spierweefsel) en beïnvloeden op hun beurt de opbouw van een elektrische spanning in deze cellen.

Bij spieren kan dit leiden tot de depolarisatie van de spiercel waardoor de spier samentrekt. De

aanwezige neurotransmitters worden continu afgebroken door enzymen waardoor er weer nieuwe

zenuwsignalen nodig zijn om de processen aan te sturen. Voor wie hierin geïnteresseerd is wordt in

appendix 1 een wiskundig model voorgesteld die dit dynamisch proces beschrijft.

Er zijn verschillende typen neurotransmitters afhankelijk van het zenuwstelsel. Voor het

parasympatisch systeem is acetylcholine de belangrijkste neurotransmitter, voor het sympatisch

systeem is dit noradrenaline. Beide stoffen hebben een tegengestelde inwerking op bijvoorbeeld de

hartspier. De ene stof (noradrenaline) versnelt de opbouw van de elektrische spanning in de

sinusknoop van het hart waardoor het hart sneller zal kloppen en acetylcholine vertraagt deze opbouw

met het omgekeerde effect.

Volledigheidshalve verwijs ik nog naar enkele elementen uit Figuur 3. Er wordt in deze figuur een

onderscheid gemaakt tussen efferente en afferente signalen. De efferente informatiestroom loopt naar

de organen toe en veroorzaakt daar veranderingen. Het autonoom systeem krijgt evenwel ook

informatie binnen (de afferente signaalstroom). Via deze weg ontvangt het zenuwstelsel informatie

(vb. over de bloeddruk) die kan doorgegeven worden naar andere organen toe. We illustreren dit met

een voorbeeld. Als de bloeddruk stijgt, sturen barosensoren afferente informatie door naar de

parasympatische tak, hierdoor stijgt het parasympatisch signaal zodat het hart zal vertragen en de

bloeddruk zal verlagen. Dit mechanisme wordt in hoofdstuk 3 grondig besproken.

In de sympatische tak in Figuur 3 valt ook nog de truncus sympathicus op, ook wel een ganglia

genoemd. De meeste sympatische zenuwen hebben een synaps in deze bundeling van zenuwbanen.

Sympatische signalen die centraal (in onze hersenen) worden samengesteld passeren dus eerst deze

synaps alvorens de efferente zenuwbanen die signalen doorgeven naar de organen toe. Een gevolg van

deze tussenstop is een duidelijke vertraging van de signalen. Ook hierover meer in hoofdstuk 3.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Het hart als spiegel van de autonome balans Het hart ontvangt de informatie van het autonoom zenuwstelsel en vertaalt dit in een goed afgestemde

aanvoer van bloed en energie naar de organen. Dit mechanisme zit ingenieus in elkaar. Er zijn twee

parameters waarmee het hart het transport van bloed kan regelen. Enerzijds is er het ritme waarmee

het klopt en anderzijds is er het volume aan bloed dat bij elke slag wordt rondgepompt. Naast de

aanvoer van bloed zorgt het hart ook voor een stabiele bloeddruk. Deze is nodig om het bloed

doorheen de verschillende weefels te pompen. Zo is er meer bloeddruk nodig als we rechtstaan dan als

we neerliggen. In het eerste geval moet het bloed tot bovenaan ons lichaam gepompt worden om de

hersenen te voorzien van de nodige energie. Ook hier speelt het hartritme een belangrijke rol (zie

Intermezzo 1), maar ook de kracht waarmee het bloed uit het hart wordt gepompt, wordt aangepast om

de druk te regelen.

Intermezzo 1 Het hart als een ingenieus regelsysteem.

Je kan eenvoudig bij jezelf testen dat je hartslag aanzienlijk toeneemt door je polsslag te meten in

een zittende (of liggende) en in een staande positie. In Figuur 4 zie je het verloop van het hartritme

van een proefpersoon bij de overgang van zitten naar staan. Bemerk dat de hartslag bij het

rechtkomen eerst heel sterk toeneemt om nadien te stabiliseren rond een gemiddeld ritme dat een 15-

tal slagen per minuut hoger is dan in een zittende positie. Wat ook opvalt is dat het hartritme zelfs in

rust totaal niet constant is. Deze hartritmevariaties worden verder in dit rapport besproken.

Figuur 4 Verloop van de hartslag bij de overgang van zitten naar staan. Op het tijdstip t = 340s s krijgt de persoon het signaal om recht te gaan staan.

Het hartritme: de polsslag van het ANS

Als men het hart zou isoleren van de zenuwsignalen van het autonoom zenuwstelsel dan zal het nog

steeds op een vrij stabiel ritme kloppen. Dit ritme noemen we Ho (eenheid : bpm of ‘beats per minute’

slagen per minuut). Dit basisritme van het hart zal constant blijven zolang de concentraties aan

chemische stoffen (zoals adrenalines) in de buurt van de hartspier constant blijven. Het hartritme

wordt wel gemakkelijk beïnvloed door de parasympatische en sympatische zenuwsignalen,

respectievelijk Tp en Ts. Deze zenuwbanen komen samen in de buurt van de sinusknoop van het hart

waar ze via neurotransmitters het hartritme aanpassen. Tp-activiteit gaat het hartritme doen afnemen,

Ts-activiteit doet het toenemen. Als Cp en Cs de concentraties zijn van de neurotransmitters

300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 40050

60

70

80

90

100

110

t (s)

HR

(bpm

)

© Zara T. vzw | 18-3-2011


acetylcholine en norepinephrine, die horen bij respectievelijk het parasympatisch en het sympatisch

signaal dan kan men wiskundig stellen dat

Vergelijking 1

MS en MP zijn positieve evenredigheidsfactoren die weergeven hoe sterk de aanwezige

neurotransmitters het hartritme verhogen3.

Vergelijking 1 beschrijft fundamenteel de wisselwerking tussen het hart en het autonoom

zenuwstelsel. Je kan deze vergelijking op twee manieren interpreteren. Het autonoom zenuwstelsel

stuurt het hart aan. Zo zal bijvoorbeeld de ademhaling Ts en Tp wijzigen waardoor je hartritme

varieert, maar het kan ook omgekeerd (en dit wordt bijvoorbeeld bij baby’s vastgesteld) dat een

variatie van het hartritme Ts en Tp beïnvloedt en dus ook de ademhaling (Yildiz, Ozbay, & Ider, 2006).

Bemerk dat je uit een verandering van het hartritme op het eerste zicht niet kan afleiden welke tak van

het ANS de grootste bijdrage heeft aan deze wijziging. Zo kan een toename van het hartritme zowel het

gevolg zijn van een toename van de sympatische activiteit als door een afname van de parasympatische

activiteit. Om de twee takken volledig uit elkaar te halen is extra informatie nodig. Ofwel haal je die uit

onafhankelijke metingen ofwel gebruik je wiskundige relaties tussen beide takken. Verder in deze tekst

vind je suggesties hoe dit concreet in zijn werk kan gaan.

We vatten de invloed van het ANS op het hart nog eens samen in Tabel 1.

HR HR

Tp Tp

Ts Ts

Tabel 1 Invloed van het autonoom systeem op het hartritme.

Tabel 1 kan de foutieve indruk wekken dat de invloed van het de zenuwsignalen op de hartslag

ogenblikkelijk is. Dit is echter niet zo. Als je een zenuwsignaal wijzigt duurt het doorgaans enkele

seconden voordat het hartritme volledig gevolgd is. De reden hiervoor is dat het eventjes duurt voordat

de concentraties aan neurotransmitters volledig zijn opgebouwd door de elektrische signalen van het

zenuwstelsel. Deze transmitters worden immers continu afgebroken en verdwijnen als er geen

elektrische signalen zijn. De parasympatische signalen hebben sneller een invloed op het hartritme

dan de sympatische (die gemakkelijk enkel seconden vertraagd worden). Ook zijn er wederzijdse

invloeden. Zo zal de aanwezigheid van een sterk parasympatisch signaal de hartslagtoename door het

sympatisch signaal aanzienlijk verzwakken. Wie deze fenomenen grondiger wil bestuderen verwijs ik

3 Vergelijking 1 wordt hier lichtjes anders gebruikt dan in de literatuur (Olufsen, Alston, Tran,

Ottesen, & Novak, 2008; Olufsen et al., 2006; Ottesen, 1997, 2000). Deze onderzoeksgroep

gaat er van uit dat Ho een constante is, terwijl wij veronderstellen dat Ho kan wijzigen onder

invloed van de in het bloed aanwezige hormonale concentraties. Dit gegeven wordt verder

uitgewerkt op pagina 26.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


door naar Intermezzo 2 waar je via enkele simulatieresultaten meer inzicht krijgt van de factoren die

hier een rol spelen. Wie dit liever wiskundig doorgrondt, verwijs ik door naar appendix 1. Op zich zijn

deze uitwijdingen niet noodzakelijk om de draad van het verdere verhaal verder te kunnen volgen.

Intermezzo 2 De dynamiek van Tp en Ts op HR.

In Figuur 5 vind je een simulatie van het volgende experiment. Op het tijdstip t = 0 s wordt een sterk

parasympatisch signaal aangelegd en volgen we hoe het HR afneemt als functie van de tijd (rode curve

Tp = 1, Ts = 0). Het duurt bijna 4 s voordat het hartritme stabiliseert op zijn eindwaarde. Dergelijk

dynamisch gedrag wordt vrij eenvoudig beschreven met behulp van exponentiële functies. De

belangrijkste parameter om dit gedrag te beschrijven is een tijdsconstante. In dit geval speelt de

vooral p, de tijdsconstante van de parasympatische neurotransmitter acetylcholine, een rol. Die

bedraagt ongeveer 1 s. Als regel kan je stellen dat het dynamisch gedrag maar stabiliseert na een 4 tot

5 tal tijdsconstanten. Deze tijdsconstante heeft ook zijn gevolg voor andere dynamische fenomenen.

Het hartritme zal enkel variaties van Tp met een periode langer dan p kunnen volgen. Snellere

variaties van Tp zullen niet in het hartritme terug te vinden zijn. Dit idee wordt verderop in deze tekst

gebruikt in het onderdeel over de invloed van de ademhaling op het HR (pagina 26).

Figuur 5 Simulatie van de afname van HR na het aanleggen op het tijdstip t = 0 s van een constant parasympatisch signaal (Tp = 1) en en dit voor verschillende sympatische signalen die reeds lang voor t = 0 s zijn aangelegd.

In Figuur 5 staan ook de curves die zijn opgenomen als naast het aangelegde parasympatisch signaal

op t = 0 s reeds een reeds stabiel sympatisch signaal aanwezig was. Zoals je kan zien vergroot het

sympatisch signaal de invloed van het parasympatisch signaal. Voor meer details hierover verwijzen

we naar appendix 1.

Het tijdsgedrag van de toename van HR tengevolge van een sympatisch signaal is nog complexer. Hier

stelt men in vast dat er eerst een vertraging d optreedt vooraleer we het eerste orde gedrag waarnemen

dat we kunnen beschrijven met de tijdsconstante s (Figuur 6). Deze vertraging d kan afhankelijk van

de persoon oplopen tot 5 à 10s (Olufsen, et al., 2006). Nauwkeurige metingen laten ook zien dat deze

vertraging afhangt van het parasympatisch signaal dat op de achtergrond is aangelegd (Brack, 2004).

Tot op heden zijn er in de literatuur geen modellen terug te vinden die dit deze afhankelijkheid fysisch

verklaren en kunnen doorrekenen. In appendix 1 vind je hiertoe een poging.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-100

-80

-60

-40

-20

0

t (s)

delta H

R (

bpm

)

Tp=1, Ts = 0

Tp=1, Ts = 0.1

Tp=1, Ts = 0.3

Tp=1, Ts = 0.5

© Zara T. vzw | 18-3-2011


De waarde van s geeft aan hoe snel de noradrenalines worden aangemaakt door het elektrisch signaal

Ts (dat dus met een vertraging d toekomt aan de sinusknoop van het hart). Dit getal is van dezelfde

grootte-orde als p (nl. 1 s).

Figuur 6 Simulatie van de toename van HR (deltaHR) na het aanleggen op het tijdstip t = 0 s van een constant sympatisch signaal (Ts = 1) en dit voor verschillende parasympatische signalen die reeds geruime tijd zijn aangelegd.

De hartcontractiliteit als een onafhankelijke dimensie

De contractiliteit (of de stijfheid) E van het hart is binnen de context van het ANS een interessante

parameter (in het Engels spreekt men van ‘contractility’) die onafhankelijk is van belasting van het

hart (Kass et al., 1987; Little, 1985). Het is een maat voor hoeveel kracht het hart nodig heeft om een

bepaald volume bloed weg te pompen naar de arteriën toe. Hoe groter deze (maximale)4 contractiliteit

hoe meer kracht er nodig is om een zelfde hoeveelheid bloed te verplaatsen. Je kan de contractiliteit

berekenen uit:

Vergelijking 2

Waarbij PES en VES de druk en het volume zijn van linker hartkamer op het einde van de contractie (ES

staat voor ‘end systolic phase’). Vo is het volume dat nodig is om de atmosferische druk in het hart te

bewaren5. De absolute grootte van E is een interessante parameter voor de cardioloog, maar binnen

onze context is het eveneens een interessant gegeven omdat deze hartcontractiliteit beïnvloed wordt

door de sterkte van het sympatisch signaal (Stern, Ray, & Quigley, 2001). Het hart zal dus harder slaan

als de sympatische activiteit hoog is. Dit gegeven is interessant omdat het suggereert dat we hier een

parameter hebben die onafhankelijk is van het parasympatisch systeem wat ons kan toelaten om

4 Deze contractiliteit is niet constant over de ganse slag en bereikt een maximum op het einde van de systole. 5 Je kan E gemakkelijk vergelijken met de k-waarde of de stijfheid van een veer. Hoe groter deze stijfheid, hoer meer kracht er nodig is om deze veer in te duwen.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

5

10

15

20

25

30

35

40

45

t (s)

delta H

R (

bpm

)

Ts = 1, Tp = 0

Ts = 1, Tp = 0.25

Ts = 1, Tp = 0.5

Ts = 1, Tp = 0.75

© Zara T. vzw | 18-3-2011


beiden van elkaar te scheiden. Voor zover we weten is dit idee nog niet geëxploreerd. In Intermezzo 3

wordt uitgelegd hoe je via de contractiliteit een onderscheid kan maken tussen de sympatische en

parasympatische invloeden op het hart. Dit idee is vrij nieuw (het is een product van het schrijven van

deze tekst) en moet verder worden onderzocht.

Intermezzo 3

We vertrekken hier vanuit de volgende relatie:

Vergelijking 3 ,

waarbij E staat voor de contractiliteit, EO de contractiliteit is in afwezigheid van het sympatisch signaal

en M’S is de evenredigheidsfactor die aangeeft in welke mate het sympatisch signaal een toename van E

induceert. We veronderstellen hier voor de eenvoud lineariteit, of we verwaarlozen mogelijke

saturatie-effecten.

Indien het mogelijk zou zijn om E in vivo te meten dan kan je uit Vergelijking 3 eenvoudig de

aanwezige concentraties norepinephrine berekenen, immers

Vergelijking 4

.

Brengen we Vergelijking 4 in Vergelijking 1 dan kunnen we ook de concentratie acetylcholine

berekenen uit:

Vergelijking 5

Dit lijkt dus een interessante en haalbare manier om beide componenten van elkaar te scheiden. In de

literatuur worden verschillenden methoden voorgesteld om E op een niet-invasieve manier te meten

(o.a via (dpA /dt)max of het bepalen van het OA-interval (een tijdsverschil tussen het ECGsignaal en de

drukgolf). Het is duidelijk dat dit spoor verder dient onderzocht te worden. De methode kan wel maar

werken als we ook de constanten EO, MS, MP en M’S kunnen bepalen. Hoe we dit probleem kunnen

oplossen wordt verder besproken in het hoofdstuk over het dynamisch gedrag.

Er dient te worden opgemerkt dat de aanwezigheid van een parasympatisch signaal en de bijhorende

acetylcholine de invloed van het sympatisch signaal op de sterkte van de hartslag vermindert (Hare et

al., 1995). We krijgen dus toch een gewogen invloed, maar dit kan de pret voorlopig niet bederven,

juist integendeel. Hetzelfde effect treedt ook op bij de Cs van de HR (Brack, 2004; Olufsen, et al.,

2006). Het lijkt dus een plausibele veronderstelling dat Cs in beide gevallen dezelfde betekenis hebben.

Het gaat hier immers in beide gevallen over de concentratie norepinephrine die actief is ter hoogte van

de sinusknoop.

Een andere invalshoek via de bloedvaten Het hart is geen geïsoleerd systeem. Het is verbonden met een fractaal netwerk van bloedvaten waarbij

we vooral de arteriën en de venen van elkaar willen onderscheiden. De arteriën brengen het

zuurstofrijke bloed naar de organen, de venen geleiden het zuurstofarme bloed terug naar de longen

waarna dit met zuurstof verrijkt bloed weer wordt aangezogen door het hart. Bij elke hartslag wordt

nieuw bloed doorheen dit systeem gepompt.

De bloedvaten zijn omringd door platte spieren die vooral door het sympatisch signaal worden

beïnvloed. Het is dus ook hier theoretisch mogelijk om via de invloed van de bloedvaten op bloeddruk

een schatting te krijgen van de sterkte van het sympatisch signaal. We onderzoeken of dit haalbaar is.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Je kan het hart-bloedvaten systeem vereenvoudigd voorstellen als een elektrisch circuit met discrete

elementen, het zogenaamde Windkessel model (Liu, Brin, & Yin, 1986 ). Er zijn hierbij twee

eigenschappen van de bloedvaten van belang. Enerzijds heeft het bloedvatensysteem een

weerstandswaarde R dat vooral wordt bepaald door de diameter van de kleinere bloedvaten. Daarnaast

bevat het systeem ook een compliantie C (vergelijkbaar met de capaciteit van een condensator) dat de

buffercapaciteit van de bloedvaten weergeeft. De bloedvaatwanden zijn in ontspannen toestand vrij

elastisch waardoor ze bij toenemende druk kunnen uitrekken en op die manier meer bloed zullen

opnemen.

Figuur 7 Vereenvoudigd Windkessel model dat de invloed van de hartpulsen (CO) op de druk in de arteriën (ABP) beschrijft..

In Figuur 7 kan je zien hoe de arteriële druk (ABP in de figuur of verder voorgesteld door pA(t)) wordt

beïnvloed door de hartslagen (hier voorgesteld door CO). De arteriële druk varieert tussen een

bovendruk (pS) en een onderdruk (pD). Dit elektrisch analogon is een eerste orde systeem waarbij het

dalende gedrag kan beschreven worden door de tijdsconstante RC . Men kan gemakkelijk bewijzen dat

deze tijdsconstante gelijk is aan

Vergelijking 6

Deze tijdsconstante is dus een maat van het product van de weerstand en de compliantie. Hoe groter

deze waarde is, hoe trager de druk terugvalt naar de onderderukwaarde.

Als men een gevoelige druksensor plaatst op een arterie die zich voldoende aan de buitenkant van het

lichaam bevindt (vb. de arteria radialis van de pols) is men in staat om deze drukpulsen in beeld te

brengen (zie ook het onderdeel over tonometrie op p. 20). In Figuur 8 kan je enkele typische verlopen

zien van de bloeddruk overheen een ademhalingsperiode van 10 s. Het is direct duidelijk dat ons

vereenvoudigde Windkesselmodel de grote lijnen van het drukverloop beschrijft maar niet de golvende

bewegingen op het dalende verloop verklaart. Deze ‘notchen’ zijn een gevolg van de terugkaatsing van

de drukgolf en vragen complexere modellen om goed te beschrijven.

http://jap.physiology.org/content/101/2/598/F1.large.jpg

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 8 Gemeten arteriële drukverlopen bij verschilende proefpersonen over de duur van 1 ademhaling met een periode van 10 s.

Toch is het mogelijk om zelfs met een vereenvoudigd model interessante informatie uit dit

drukverloop te extraheren. Ten eerste valt het op dat overheen de volledige ademhaling het dalende

verloop niet steeds dezelfde vorm heeft. Op sommige momenten gaat de curve trager of sneller naar

beneden en ook de ‘notchen’ veranderen van intensiteit. Door de oppervlakte te berekenen onder de

dalende curven kan men een goede schatting krijgen van de tijdsconstante die bij de specifieke

polsslag hoort (Liu, et al., 1986 ). Je vindt enkele resultaten hiervan in terug in Figuur 9.

1600 1602 1604 1606 1608 161075

80

85

90

95

100

105

t (s)

1600 1602 1604 1606 1608 161040

50

60

70

80

90

100

t (s)

1600 1602 1604 1606 1608 161080

90

100

110

120

130

t (s)

1600 1602 1604 1606 1608 161040

60

80

100

120

140

t (s)

© Zara T. vzw | 18-3-2011


a.

b.

Figuur 9 Het verloop van de RC (eenheid is 0.1 s) , de arteriële druk pA (a.e.) en het hartritme HR (bpm) voor 2 verschillende proefpersonen over een periode van een drietal ademhalingen.

Bemerk allereerst dat de HR behoorlijk kan variëren over de ademhaling (zeker in de b. figuur is dit

duidelijk en bedraagt de variatie bijna 20 bpm). Men kan in beide gevallen stellen dat de hartslag hoog

is (hoge Ts en lage Tp) op het moment van de inademhaling en laag tijdens de uitademhaling (lage Ts en

hoge Tp). Maar eenzelfde systematiek geldt niet voor de tijdsconstante RC. In figuur a. zijn HR en RC

zo goed als in fase, maar in b. zijn ze bijna in tegenfase. Het tweede geval komt het meest voor bij de

tot nu toe uitgevoerde experimenten.

RC wordt vooral beïnvloed door de flexibiliteit en de diameter van de arteriën en deze worden

beïnvloed door het sympatisch signaal. Bij een hoge Ts krijgen de gladde spieren rondom de aders meer

signaal en zullen de aders stijver en smaller worden. Dit eerste effect vermindert de compliantie van de

aders en het laatste vergroot de weerstand van de aders. Beide effecten komen samen in RC die het

product is van beiden. Als we veronderstellen dat de HR-toename samengaat met een toename van Ts,

dan zal:

in geval a. de toename van de weerstand domineren en

in geval b. de afname van de compliantie.

Door deze tegenstrijdige wisselwerking kan RC jammer genoeg niet gebruikt worden als een

onafhankelijke maat voor de sterkte van het sympatisch signaal. Het heeft wel zicht op welke manier

het Ts-signaal de persoon beïnvloedt. Persoon a. heeft minder sterke variaties dan persoon b. wat

doorgaans samengaat met een meer gespannen persoonlijkheid. Het is niet onwaarschijnlijk om te

1590 1595 1600 1605 1610 1615 16200

50

100

150

t (s)

RC

pA

HR

1610 1615 1620 1625 1630 1635 16400

20

40

60

80

100

t (s)

RC

pA

HR

© Zara T. vzw | 18-3-2011


veronderstellen dat vanaf een bepaald niveau van gemiddeld Ts-niveau de compliantie niet echt meer

wijzigt en dat het weerstandsmechanisme dominant wordt. Uiteraard is dit voorlopig nog maar

speculatie, maar het is een interessante onderzoeksvraag om mee te nemen bij verder onderzoek.

We vatten de belangrijkste inzichten nog eens samen in Tabel 2.

Sympatisch signaal Ts Ts Ts

De weerstand R R R

De compliantie C van de arteriën C C

RC Niet bepaald Niet bepaald

Het hartritme HR HR HR

Tabel 2 Belangrijkste samenhang tussen verschillende parameters die samengaan met het sympatisch systeem

Door de onbepaaldheid in Tabel 2 kan RC zijn potentiële rol als onafhankelijke maat voor Ts jammer

genoeg niet waarmaken. De enigste uitweg is een onafhankelijke meting van R of C. Dit is haalbaar als

we ook het bloedvolume kunnen meten dat per hartslag wordt rondgepompt (Liu, et al., 1986 ). Deze

mogelijkheid kan nog verder onderzocht worden.

Een totaalbeeld dankzij arteriële tonometrie In mijn zoektocht naar meetinstrumenten om het ANS in vivo te bemonsteren heeft de tonometrie

voor belangrijke nieuwe inzichten gezorgd. Oorspronkelijk ben ik begonnen met de klassieke

meetinstrumenten namelijk de huidgeleidbaarheid als maat voor het sympatisch systeem en de

veranderingen van het hartritme als maat voor het parasympatisch systeem. Maar aan beiden zijn

belangrijke problemen gekoppeld. De huidgeleidbaarheid is sterk gekoppeld aan omgevingsfactoren

zoals de temperatuur en geeft bij lage sympatische intensiteit (od hoge parasympatische activiteit) nog

nauwelijks signalen af. De variaties van het hartritme zijn gekoppeld met zowel het sympatisch als het

parasympatisch systeem waardoor het moeilijk was om ook hieruit directe informatie te gaan afleiden.

Door een aantal toevalligheden en dankzij Prof. Patrick Segers kon ik beschikken over een tonometrie

toestel. Ik had al snel door dat dit signaal veel meer relevante informatie in zich droeg dan een HR

signaal of zelfs een volledig ECG.

Het basisprincipe van een tonometrietoestel is eigenlijk heel eenvoudig. Je kan het het best vergelijken

met het manueel meten van iemand zijn polsslag. Je geeft een lichte druk ter hoogte van de

polsslagader (arteria radialis) totdat je de polsslag voelt. Door de vinger te vervangen door een

gevoelige druksensor (gebaseerd op een piëzokristal) en door een hoge bemonsteringsfrequentie (van

minstens 250 Hz) kan je de drukgolf heel mooi in kaart brengen (zie Figuur 10).

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 10 Principeschets van tonometrie. Het bloedvat wordt met een kracht of druk sensor tegen het onderliggende bot gedrukt. De uitlezeing van de krachtsensor is evenredig met het drukprofiel.

We beschikken over een klinisch toestel HDI/Pulsewave Research Cardiovascular Profiling Instrument

(model CR-2000). Dit toestel is ontwikkeld om via een doorgedreven Windkesselmodel de

Complianties van verschillende adersystemen te bemeten. Het was voor onze metingen noodzakelijk

om het elektrisch sensorsignaal aan te sluiten met mijn computer (nadat de offset was weggefilterd) en

daar de signaalverwerking te doen. Hierdoor beschik ik over een performante meetopstelling die

toelaat om diepgaande onderzoeksactiviteiten op te stellen.

Tonometrie heeft wel het nadeel dat het vrij gevoelig is voor beweging. Als je de pols ook maar lichtjes

beweegt krijg je sterke verstoringen van het signaal. Toch bleek het signaal gemakkelijk vrij stabiel te

houden als de pols eerst wordt gefixeerd. Lange meetsequenties van ongeveer 1 uur zijn haalbaar maar

vragen wel wat concentratie van de vrijwilligers.

Als de meerwaarde van dit meetprincipe binnen wetenschappelijke kringen wordt aanvaard dan moet

het mogelijk zijn om dit toestel te herontwerpen zodat het veel breder inzetbaar is. De

bewegingsgevoeligheid hangt sterk samen met de grote massa van de druksensor die uiteraard enorme

drukverschillen meet als hij door een beweging van de pols wordt verplaatst. Ik ben er van overtuigd

dat een opstelling waarbij de sensor heel licht wordt uitgevoerd nog maar nauwelijks dat probleem kan

hebben en dat tonometrie tijdens beweging een haalbare kaart moet zijn.

© Zara T. vzw | 18-3-2011

22 De dynamiek van het ANS-evenwicht

3. De dynamiek van het ANS-evenwicht

De voorbije 10 jaar heeft men in verscheidene onderzoeksgroepen enorme vooruitgang gemaakt in het

modelleren van de ANS dynamiek. De wiskundige modellen die ik gebruik zijn vooral gebaseerd op het

werk van 2 grote onderzoeksgroepen: enerzijds de Italiaanse groep rond Ursino (Ursino, 1998, 1999;

Ursino, Antonucci, & Belardinelli, 1994; Ursino, Cavalcanti, Severi, & Sangiorgi, 1997; Ursino,

Fiorenzi, & Belardinelli, 1996; Ursino & Innocenti, 1997a, 1997b; Ursino & Magosso, 2000, 2003;

Yildiz & Ider, 2006) en de Deense groep rond Olufsen en Ottesen (Olufsen, et al., 2008; Olufsen et al.,

2005; Olufsen, et al., 2006; Ottesen, 1997, 2000). Hier en daar heb ik wel enkele aanpassingen

doorgevoerd. Het is niet de bedoeling om dit model hier heel uitgebreid te beschrijven, ik zal het vooral

hebben over de uitgangspunten. Wie meer interesse heeft verwijs ik door naar appendix 1 en de papers

van de Deense groep. Een goed overzicht van het model staat in (Olufsen, et al., 2006).

De basisregels De signalen in het ANS (zowel Ts als Tp) streven homeostasis of evenwicht na. Het woord evenwicht

wordt nogal gemakkelijk gebruikt (en misbruikt) en wordt dikwijls foutief geassocieerd met een

statische situatie. In werkelijkheid betekent homeostasis juist dat ons lichaam zich heel dynamisch

aanpast aan veranderende omgevingsfactoren, juist zoals een thermostaat heel dynamisch de

temperatuur in een ruimte constant houdt. Het lichaam gaat vooral de levensnoodzakelijke parameters

zo veel mogelijk binnen stabiele grenzen houden zodat leven mogelijk is. Een voorbeeld van zo een

parameter is de bloeddruk, die moet hoog genoeg zijn om het lichaam en ook de hersenen van energie

te voorzien, maar natuurlijk ook niet te hoog zodat de weefsels voldoende flexibel blijven en niet

beschadigd worden. Als je van zit naar stahouding komt, gaat dit altijd gepaard met een bloeddrukval

die dankzij het ANS zo snel mogelijk wordt gecompenseerd door een toename van de hartslag. Op die

manier blijft ons hoofd helder en voorzien van voldoende energie, maar is er wel heel veel veranderd in

ons lichaam: HR is gestegen, bloedvaten zijn dichtgegaan en stijver geworden, Ts is gestegen en Tp is

gedaald. Je kan dus ruwweg stellen dat het ANS de energiehuishouding van ons lichaam bewaakt en

dit gebeurt op korte termijn vooral door de regulering van de bloeddruk, de doorbloeding en de

lichaamstemperatuur. Op langere termijn is er ook regulering van de verteringsprocessen (de tragere

energiedoorstroming).

Het knappe aan het ANS-regelsysteem is dat het twee veranderlijken heeft die kunnen instaan voor de

regulatie. Dit lijkt veilig, als er eentje niet goed meer werkt neemt het andere wel over, maar er is hier

meer aan de hand. Men kan stellen dat het parasympatisch signaal sneller een invloed heeft op het

hart dan het sympatisch signaal, maar het sympatisch signaal heeft relatief gezien een grotere invloed

op het hart als het parasympatisch signaal. Deze twee mechanismen hebben dus een verschillende

inbreng in de tijdsdynamiek van het autonoom systeem. Er wordt een onderscheid gemaakt tussen

verschillende mechanismen voor deze autonome controle (Berntson, Cacioppo, & Quigley, 1993):

Gebalanceerde of reciproke controle: hierbij gaat het ene signaal omhoog en het andere naar

beneden of omgekeerd. De effecten van deze veranderingen werken meestal wel in dezelfde

richting. Zo zal bijvoorbeeld het hartritme stijgen zowel door een toename van Ts als door een

afname van Tp.

Co-actieve controle: beide mechanismen gaan samen toenemen of afnemen. Een gekend

voorbeeld is de oriënteringsreflex. Als je een verdacht geluid hoort (een knal) gaat je hartslag

eerst naar beneden vooraleer hij gaat toenemen (Stern, et al., 2001). Die hartslagdaling treedt

niet op als je het parasympatisch systeem blokkeert (vb. met medicijnen). Dit wijst er op dat

beide systemen hier in dezelfde richting actief zijn. Het geeft ook aan hoe mentale activiteit de

hartslag beïnvloedt.

Ontkoppelde controle: nu is slechts één mechanisme actief, de andere componente verandert

niet (vb. de aanmaak van adrenaline door het bijniermerg geeft een niet gebalanceerde

versterking van het sympatisch systeem).

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Belangrijk is ook de tijdschaal waarop je naar het ANS-controle kijkt.

We onderscheiden twee tijdschalen

een ‘quasi-statische’ tijdschaal (uren, dagen) via chemische stoffen in het bloed, en

een ogenblikkelijke tijdschaal (seconden) die hoofdzakelijk elektrisch gebeurt (met

uitzondering van de adrenalines van het bijniermerg).

Binnen deze studie is vooral onderzoek verricht naar de snelle processen maar we zijn ons geleidelijk

aan wel bewust geworden van de impact van de ‘quasi-statische’ tijdschaal op de werking van het ANS.

Deze wordt beïnvloed door de aanwezigheid van chemische stoffen in het bloed die uit de nieren

(renine), de bijnierschors (aldosteron en cortisol) en uit de schildklier (thyroxine) komen. Thyroxine

vergroot hartritme (Ho neemt dus toe) en hartcontractiliteit (Eo neemt toe) en thyroxine, cortisol en

renine vergroten de constrictie van de bloedvaten (Ro neemt toe en Co neemt af). Al deze stoffen zorgen

voor een verhoging van de bloeddruk en op deze manier spelen ze rechtstreeks in op het elektrisch

gestuurde ANS. Je kan stellen dat ze zorgen voor een quasi-statische waarden voor Ts,o en Tp,o. Op het

einde van dit hoofdstuk wordt het belang van deze waarden voor de ANS-dynamiek besproken en hoe

je ze kan beïnvloeden.

Focus van dit onderzoek: bloeddrukregulatie Door zijn reciprook karakter is het regelmechanisme van de bloeddruk heel effectief en is het ook een

interessant startpunt om de dynamische aspecten van het ANS te verkennen. We durven hier ook

stellen dat dit bloeddrukregulatie niet alleen een rol speelt bij het rechtstaan of gaan zitten maar een

veel fundamenteler gegeven is met een grote impact in ons dagelijks leven. Zo kan dit mechanisme

mee de invloed van ademhaling op het ANS verklaren en speelt het een belangrijke rol bij bepaalde

types van bewegingen. Zowel ademhaling als beweging worden gebruikt in de meeste relaxatie- en

meditatietechnieken en dit is duidelijk geen toeval.

Een elektrisch model

De arteriële bloeddruk pA is het vertrekpunt van deze uiteenzetting. Deze varieert niet alleen in de tijd

maar ook overheen het lichaam. Door de hydrostatische druk is de bloeddruk ter hoogte van de voeten

aanzienlijk groter dan ter hoogte van het hoofd. Daarnaast kan de activiteit van bepaalde spieren die

ook nog lokaal gaan beïnvloeden (vb. door beweging of door ademhaling).

Om een grootheid te kunnen regelen moet je eerst over informatie van deze grootheid beschikken. In

het lichaam bevinden zich daarvoor barosensoren. Je kan een barosensor vergelijken met een

rekstrookje dat een elektrisch signaal geeft als het wordt uitgerokken. Deze sensoren bevinden zich

vooral op twee plaatsen (in de aortaboog vlak boven het hart en aan de halsslagader (Figuur 11)) en

meten dus de arteriële druk op die twee (cruciale) plaatsen.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 11 De positie van de barosensoren: ter hoogte van de aortaboog (sinus aorticus) en van de splitsing van de arteria carotis communis in een linker en rechter deel (halsregio).

De activiteit van deze sensoren np is een maat voor de grootte van de gemiddelde bloeddruk. Deze

activiteit komt rechtstreeks in het parasympatisch systeem terecht en gaat via de vagus zenuwbaan

naar het hart. We stellen de parasympatische activiteit voor door

Vergelijking 7

,

waarbij M de maximale activiteit is die in de parasympatische tak voorkomt (grootteorde 120 Hz).

Door deze bewerking is Tp genormeerd tot een waarde tussen 0 en 1 en kunnen we de waarden ook op

die manier interpreteren.

Daarnaast wordt ditzelfde signaal in het centrale zenuwstelsel ook omgezet in een sympatisch signaal.

Evenwel wordt het teken aangepast. We gaan er van uit dat dit gebeurt via acetylcholine de

neurotransmitter van het parasympatisch systeem. Je zou dit wiskundig als volgt kunnen

neerschrijven:

Vergelijking 8

Waarbij Ts,c staat voor het sympatisch signaal in het centraal zenuwstelsel. Bemerk dat ook Ts,c

begrensd is tussen 0 en 1. Vergelijking 8 geeft de basis weer van het reciproke controlemechanisme.

Dit Ts,c signaal wordt via de ganglia doorgestuurd naar het hart, de bloedvaten, de bijnieren, … In de

ganglia loopt het sympatisch signaal wel een tijdsvertraging op van de grootte d (Brack, 2004). Het

sympatisch signaal Ts dat toekomt ter hoogte van het hart staat dus nog steeds in verband met Tp,

maar de wiskundige relatie is gewijzigd tot:

Vergelijking 9

Tp komt daarentegen zo goed als niet vertraagd toe aan het hart. De consequenties van deze

eenvoudige vergelijkingen zijn niet niks. Als je één van beide signalen vb. Tp kent, kan je in theorie ook

het andere signaal Ts berekenen. We visualiseren een dergelijke relatie in Figuur 12. Als je adem haalt

met een periode van 10 s krijg je dit theoretische verloop van Tp. Ts is berekend voor enkele waarden

van d. Bemerk ook de sterke invloed van deze delaytijd op de hartslag. We komen hier nog later op

terug bij de studie van de ademhaling.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 12 Visualisatie van een theoretisch reciprook ANS-systeem waarbij Tp een typische variatie kent die bijvoorbeeld het gevolg kan zijn van een ademhaling met een periode van 10s. Ts en Tp zijn sterk aan elkaar gekoppeld en het sympatische signaal komt een tijdsinterval d achter. Het model is doorgerekend voor verschillende waarden van d. Bemerk ook de gevolgen van dit reciproke model op de hartslag waarbij in dit specifieke geval de invloed van het sympatisch systeem op de hartslag twee maal zo groot is als het parasympatisch systeem(MS = 96 , MP = 50, S = 1 s, p = 1 s).

We ontbreken nog 1 stap in het proces. De elektrische signalen komen toe in het hart maar moeten nog

omgezet worden in de neurotransmitters Cp en Cs. Deze omzetting kan wiskundig beschreven worden

door eerste orde dynamische vergelijkingen met tijdsconstanten p en s. De geïnteresseerde lezer kan

de details van dit proces terugvinden in Intermezzo 2 of appendix 1. Zeker voor trage processen zullen

Cp en Cs sterk op hun elektrische signalen lijken. Alleen wordt Cs wel een belangrijk stuk in waarde

verkleind als Cp grote waarden bereikt. Als we Cs en Cp kennen moeten we die enkel in

Vergelijking 1

invullen om het HR te berekenen. We vatten het volledige ANS-model nog eens samen in onderstaand

schema.

1700 1710 1720 1730 1740 1750 176020

30

40

50

60

70

80

90

t (s)

Tp

Ts taud = 10s

HR taud = 10 s

Ts taud = 5 s

HR taud = 5 s

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 13 Schematische voorstelling van ANSmodel voor drukregulatie.

HR-variaties en ademhaling

Ademhaling is één van de pijlers van onze energievoorziening en ook hier zien we een sterke ANS

koppeling. Vele relaxatie en meditatietradities maken hiervan dankbaar gebruik en proberen via de

ademhaling terug balans te brengen in het ANS. Daarom dat mijn eerste experimentencycli over

ademhaling gaan. Een andere reden is dat ademhaling geen beweging vraagt en ik dus ook de

tonometrie kan inzetten voor een grondige analyse.

Op zich is ademhaling heel eenvoudig in het ANSmodel in te passen (zie Figuur 13). Door de

drukverschillen in de longen tijdens het in- en uitademen, varieert eveneens de arteriële druk pA.

Hetzelfde mechanisme als hierboven besproken induceert dan Tp- en Ts signalen en de bijhorende

hartritmevariaties.

In de literatuur bestaat wel wat onenigheid over hoe de ademhaling nu juist het ANS beïnvloedt. De

Italiaanse groep rond Ursino werkt naast het boven beschreven drukmechanisme ook nog via aparte

druksensoren in de longblaasje die eveneens een parasympatische signaal veroorzaken (Ursino &

Magosso, 2003). Deze tellen dan op bij het Tp-signaal van de arteriële druk. De Ursino groep behandelt

dit signaal als volledig ontkoppeld, d.w.z. er wordt geen reciproke terugkoppeling naar het sympatisch

signaal in acht genomen. Dit laatste lijkt wel wat onwaarschijnlijk, zeker omdat het mechanisme

volledig vergelijkbaar is met dat van de arteriële barosensoren.

In versie 1.1 van dit document werd voor de eenvoud alles doorgerekend aan de hand van het model uit

Figuur 13. We gaan er van uit dat de druksignalen uit de longen maar relevant zijn bij grote

drukverschillen dus als er diep wordt in- en uitgeademd. We zullen snel aan de data zien of deze

veronderstelling is vol te houden of dat ons model moet uitgebreid worden.

In het volgend hoofdstuk worden de grenzen van dit model experimenteel verkend. Hiervoor laten we

verschillende proefpersonen ademen met verschillende ademhalingsritmes: van heel snel (periode = 2

s, f = 0.5 Hz) tot heel traag (periode 20 s, f = 0.05 Hz). Voor elke ritme verwachten we dat ook het HR

pA

Tp

Tp Ts

Ts = 1 – Cp(t-d)

© Zara T. vzw | 18-3-2011


tussen een ondergrens en bovengrens zal variëren. In Figuur 14 simuleren we voor elke frequentie hoe

sterk deze variatie (HRV) zal zijn voor een vaste variatie van de arteriële druk (kort voorgesteld als

HR/p). We krijgen dan een aantal interessante figuren, die we uitzetten als functie van de

verschillende parameters. Hierdoor kunnen we het belang van de verschillende parameters beter leren

inschatten. Voordat we het geheel verder analyseren willen we wel nog stellen dat deze spectra niet

volledig overeenkomen met de klassieke HRV-spectra die in de literatuur worden gebruikt (Cohen &

Taylor, 2002). Deze klassieke spectra zijn ook gewogen door het spectrale verloop van de arteriële

druk pA, die zeker ook significant bijdraagt tot het spectrum (zie ook hoofdstuk 4 voor experimentele

voorbeelden van dit drukspectrum en hoe de twee van elkaar kunnen gescheiden worden).

Figuur 14 Spectra van het ANS model voor verschillende modelparameters. De bovenste parameter wordt steeds constant gehouden als de andere parameters worden gevarieerd.

Bemerk allereerst de invloed van de delaytijd d tussen het sympatisch en parasympatisch signaal.

Door deze tijd te variëren zie je dat de maxima en de mina zich verplaatsen. Je kan dit eenvoudig

verstaan door in te zien dat de delaytijd het faseverschil bepaalt tussen het sympatisch en

parasympatisch signaal. Bij bepaalde frequenties (f = (2n+1)/2d, n = 0, 1, 2, 3, …) geeft dit aanleiding

tot grote HR-variaties en bij andere frequenties (f = n/d, n = 1, 2, 3,…) verwachten we eerder minima.

Dit is een heel interessant gegeven. Als we dit spectrum kunnen opmeten dan zal de positie van de

maxima en minima ons direct een idee geven van d.

De invloed van S is eerder beperkt. Wat je wel ziet is dat de schommelingen van de curve verzwakken

bij grotere waarden. Dit heeft alles te maken met het feit dat het sympatisch signaal dan meer wordt

uitgesmeerd en zijn variaties verliest. Door deze kleine verschillen verwachten we niet dat we deze

parameter op een betrouwbare manier uit het spectrum kunnen halen. De invloed van P is veel

belangrijker. Net zoals bij S, kan je zien dat als P significant toeneemt, de schommelingen in de curve

uitdempen. Interessant is ook dat hoe kleiner P is, hoe sterker de hartritmevariaties zijn over het

ganse spectrum. Dit is heel interessant gegeven omdat men in de literatuur de aanwezigheid van

belangrijke HRvariaties in de zone van de ‘hoge’ frequenties (het HF (‘high frequency’) gebied: 0.15 Hz

< f < 0.4 Hz) als een belangrijke indicator gebruikt voor de aanwezigheid van een parasympatisch

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

tauP = 2 s

tauP = 4 s

tauP = 1 s

tauS = 1 s

tauS = 3 s

tauS = 5 s

Mp = 60, Ms = 25

Mp = 30, Ms = 25

Mp = 60, Ms = 50

Mp = 30, Ms = 50

taud = 7 s

taud = 9 s

taud = 5 s

HFLF

LF HF LF HF

HFLF

© Zara T. vzw | 18-3-2011


signaal (Cohen & Taylor, 2002). Deze experimentele observatie hangt dus samen met lage waarden

voor P.

Mp en MS hebben inderdaad ook een invloed op het spectrum. Grotere waarden geven aanleiding tot

sterkere HR-variaties. Het verschil tussen maxima en minima wordt groter naarmate MS en MP dichter

bij elkaar liggen. Ook kan je stellen dat de grootte van de HR-variaties vooral door Mp worden bepaald.

Ons model bevestigt de in de literatuur gebruikte (eerder rudimentaire) methodes voor de analyse van

de hartritmevariaties. Samengevat kan men stellen dat :

HR-variaties inderdaad een duidelijke maat zijn voor de aanwezigheid van een sterk

parasympatisch signaal (de standaard deviatie is dus een bruikbare maat). Alle factoren die de

opbouw van TP verhinderen (zoals een lange P of weinig gevoelige baroreceptoren) zullen hun

weerklank hebben in significant lagere waarden in het HR-spectrum.

De gebruikte spectrale methode om de sterkte van het parasympatisch signaal in de HF-band

van het spectrum te bepalen heeft zeker zijn relevantie. Wel met dien verstande dat deze band

ook gewogen wordt door de sympatische variaties. Van een volledige ontkoppeling is geen

sprake.

De LF band (tussen 0.04 en 0.15 Hz) wordt ook gebruikt om een schatting te maken van de

sympatische activiteit (eventueel wel in verhouding tot de HF-band, men berekent dan

LF/HF). Ook hier kan men zich afvragen of deze werkwijze wel waarmaakt wat ze belooft om

te doen. Dit gebied is duidelijk door beide activiteiten bepaald. De veronderstelling dat men

door de verhouding te nemen van LF/HF de parasympatische bijdrage uit het LF signaal

verwijdert, kan zeker nog verder onderzocht worden. Maar het lijkt mij vrij voor de hand

liggend dat ook een groot deel van de sympatische invloed wordt weggedeeld en dat de

verhouding een maat is voor de drukweging in het spectrum en dus van andere factoren

afhangt dan van de Ts- en Tp-signalen.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Humorale regulatie en zijn invloed op de bloeddruk

De bloeddruk wordt rechtstreeks in balans gehouden door het ANS systeem (zowel elektrisch als via

adrenaline) maar er zijn ook andere mechanismen die deze bloeddruk beïnvloeden. Een belangrijk

systeem is de humorale regulatie die andere levensnoodzakelijke factoren zoals partieeldruk van CO2

en O2, en de pH van het bloed in evenwicht houden. Deze chemosensoren bevinden zich in de buurt

van de barosensoren en gebruiken hormonen (cortisol, aldesteron en thyroxine) om deze parameters

in balans te houden. Al deze hormonen hebben een bloeddrukverhogend effect (ze vergroten Ho, Eo, Ro

en verkleinen Co) en op deze manier beïnvloeden zij het ANS-systeem. Een volledig overzicht van alle

factoren die de bloeddruk beïnvloeden vind je terug in Figuur 15.

We bestuderen de invloed op het ANS-systeem vanuit twee extreme toestanden, namelijk te hoge

bloeddruk (hypertensie) en te lage bloeddruk (hypotensie).

Personen met een hoge bloeddruk (en dus nauwe bloedvaten) krijgen via de baroreceptoren

een hoog parasympatisch signaal Tp,o binnen en een laag sympatisch signaal Ts,o. Dit is wat

tegenstrijdig met het veel gebruikte beeld dat iemand met een hoge bloeddruk doorgaans

een sympaticus wordt genoemd. Zeker als de oorzaak voor de hoge bloeddruk te zoeken is in

humorale regulatie (bijvoorbeeld door langdurige stress) moet je eigenlijk stellen dat deze

types juist sterk gedomineerd worden door een parasympatisch signaal. Evenwel heeft dit

signaal niet voldoende impact op de bloeddruk om het te laten dalen, dit signaal kan als het

ware niet op tegen het hormonenbad waarin het lichaam zich bevindt. Men stelt vast dat

gestresseerde personen zo goed als geen belangrijke HR-variaties hebben. Je kan dit

verklaren doordat het signaal van de barareceptoren en het parasympatisch signaal zo goed

als volledig gesatureerd zit (np M of Tp 1). Hierdoor kan er nauwelijks nog

bloeddrukregulatie voorkomen en al zeker niet door de relatief kleine drukverschillen van

de ademhaling.

Als iemand een lage bloeddruk heeft, krijg je het omgekeerde verhaal. Het sympatisch

signaal Ts,o moet nu zo goed als 1 zijn. Iemand met een lage bloeddruk wordt dus

gedomineerd door een sterk sympatisch signaal. Het verhaal van de HR-variaties is nu wel

anders. De np-waarde is nu heel erg klein, maar een druktoename kan wel nog voor

belangrijke wijzigingen in de np-waarde en voor HR-variaties zorgen.

Verminderde HR-variaties komen dus vooral voor bij personen met een hoge bloeddruk. Dit gegeven

moet gemakkelijk experimenteel te verifiëren zijn. Uiteraard zitten de meeste mensen ergens tussen

die twee uitersten in, maar die extremen geen wel een idee hoe de humorale regulatie inwerkt op het

ANS-systeem. Ik heb ook een sterk vermoeden dat die hormonale beïnvloeding (en de bijhorende

drukvariaties) een interessant verklaringsschema kunnen zijn voor de stemmingsveranderingen bij

vrouwen doorheen hun cyclus. Kortom over dit onderwerp is zeker het laatste nog niet gezegd.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 15 Een schematisch overzicht van alle factoren die mee de bloeddruk beïnvloeden(Van Cranenburgh, 1997).

© Zara T. vzw | 18-3-2011


4. Experimenten rond het ANS-model: V 1.1

Het grote kader Het gebruikte ANS-model werd in de literatuur reeds voor een aantal experimentele setting

gefalsifieerd. Best onderzocht zijn experimenten waarbij een proefpersoon werd gevraagd om uit een

zitpositie recht te staan. Daarnaast zijn er ook experimenten gebeurd waarbij men de invloed van

ademhaling op de HRV onderzoekt (maar hier maakte men wel gebruik van het complexere model van

de Italiaanse groep). In alle geval was de overeenkomst tussen de modellen en de experimenten

bevredigend te noemen.

Met de door Zara T. opgezette experimentenreeksen willen we een pak verder gaan dan de klassieke

falsificatie. We willen de modellen ook effectief gebruiken om de werking van het ANS in specifieke

contexten te gaan bestuderen. We vertrekken daarbij van volgende nog vrij brede onderzoeksvragen:

1. Hoe kunnen we de fysiologische parameters die de ANS-dynamiek van een individu

beschrijven op een betrouwbare manier meten?

2. Kunnen we het gebruikte model gebruiken om de Ts en Tp-signalen onafhankelijk van elkaar

op te meten?

3. Kan het vooropgestelde ANS-model ook de invloed van ademhaling en beweging op het HR

beschrijven? Welke extra uitbreidingen zijn hiervoor noodzakelijk?

Deze onderzoeksvragen geven ook de grote doelen weer van dit ANS-project. Onze basishypothese is

de centrale rol van het ANS in een groot aantal fysiologische (ademhaling, beweging, lichaamstaal, …)

als mentale processen (welbevinden, uitstraling, empathie, intuïtie, …). Via een antwoord op

onderzoeksvraag 1 kunnen deze processen op een betrouwbare manier onderzoeken. Zo kan men de

invloed van allerlei holistische technieken (vb. mindfulness, Taijiquan, equine assisted therapy and

coaching, …) op deze parameters nagaan. Uit de experimentele gegevens van een proefpersoon (vb. HR

en pA) is het mogelijk om de best passende waarden van de verschillende ANS-parameters in te

schatten. De Deense groep heeft hier heel wat ervaring mee opgebouwd (Olufsen, et al., 2005) en we

hebben hun werkwijze softwarematig geïmplementeerd. Als deze werkwijze betrouwbaar is dan

kunnen we via deze parameters een beter zicht krijgen op hoe het ANS van de uitgemeten persoon juist

functioneert. De betrouwbaarheid van de resultaten kunnen we nagaan door de parameters uit één

experiment eveneens te gebruiken voor de simulatie van een totaal ander experiment. Dit is tot nu toe

nog niet gebeurd.

Ook onderzoeksvraag 2 moet je eveneens plaatsen in het kader van onze basishypothese. Het realtime

kunnen opmeten van beide signalen is de grote uitdaging van veel lopend onderzoek. Tot op heden

lukt het enkel om de activiteit van het sympatisch signaal te volgen via huidgeleidbaarheidsmetingen

(Dawson, Schell, & Filion, 2007; Poh, Swenson, & Picard, 2010) maar een echt betrouwbare maat voor

het ogenblikkelijk parasympatisch signaal ontbreekt. Het beschikken over een meetinstrument die

beide signalen ogenblikkelijk weergeeft zou een enorme weerklank hebben voor zowel het theoretisch

inzicht in de werking van het ANS als voor therapieën die gebaseerd zijn op biofeedback. (Edmonds,

Tenenbaum, Mann, Johnson, & Kamata, 2008; McCraty, 2005; Najmuddin, 1998; Yorke, Fleming, &

Shuldham, 2005)

Onderzoeksvraag 3 hangt samen met het gegeven dat ademhaling en beweging de basisfenomenen zijn

waarlangs holistische technieken het ANS beïnvloeden. Een betrouwbaar model voor deze interacties

kan ons helpen om deze interacties op een betrouwbare manier te onderzoeken.

© Zara T. vzw | 18-3-2011

32 Experimenten rond het ANS-model: V 1.1

De deelvragen van V 1.1 We hebben het voorbije jaar al honderden experimenten uitgevoerd die het mogelijk hebben gemaakt

om het samenhangende kader uit de vorige hoofdstukken te produceren. We voelen ons dan ook klaar

om het echte werk aan te vatten en via meer systematisch uitgevoerde experimenten de opgebouwde

modellen te onderzoeken.

Onderzoek V 1.1 behoort tot de reeks over de ademhalingsexperimenten en was in eerste instantie

verkennend bedoeld. Het kadert vooral binnen de grote onderzoeksvragen 1 en 3. We probeerden

onderstaande deelvragen te beantwoorden:

A. Kunnen we de HRV/p spectra (zie p. 26) van testpersonen experimenteel bepalen?

B. Komen de HRV/p patronen overeen met de simulaties van het ANS model (zie ook Figuur 14)?

C. Is het vooropgestelde ANS-model bruikbaar om ademhalingsvariaties te beschrijven?

Experimentele methode en protocol V 1.1 Om bovenstaand doelen te realiseren hebben we onderstaand experimentele opstelling samengesteld.

Volgende parameters werden opgemeten bij 5 gezonde proefpersonen:

HR, borstomtrek en buikomtrek met behulp van 2 Zephyr bioharnesses

de arteriële druk met een HDI/Pulsewave Research Cardiovascular Profiling Instrument

(model CR-2000)

Het meetprotocol bestond uit volgende stappen

Proefpersoon zit in een zetel (zonder leuning) met beide voeten ontspannen op de grond.

(proefpersoon 1 is hierop een uitzondering, deze persoon lag neer).

Zephyrcontacten nat maken en bevestigen aan de proefpersoon: 1 band net onder de borstkas,

1 net onder de navel.

Rechterpols fixeren en de tonometer plaatsen op de arteria radialis. De druk en de positie

optimaliseren tot de signaalsterkte minstens 20 % bedraagt.

Bloeddruk meten.

Flipcamera aanzetten en alle activiteiten opnemen (zodat alle klokken achteraf

gesynchroniseerd kunnen worden).

Beide bioharnesses worden gesynchroniseerd met de meetcomputer en samen aangezet (in het

oog van de camera).

Bemonstering van het tonometersignaal opstarten en computerklok filmen.

Auditief ademhalingsprotocol opstarten

o startsignaal voor een rustperiode van 2 min.

o auditieve pulsen gedurende 2 min. voor verschillende ademhalingsfrequenties:

0.5 Hz, 0.45 Hz, 0.4 Hz, 0.35 Hz, 0.3 Hz, 0.275 Hz, 0.25 Hz, 0.225 Hz, 0.2 Hz,

0.175 Hz, 0.15 Hz, 0.125 Hz, 0.1 Hz, 0.075 Hz, 0.05 Hz

Bloeddruk opmeten

Dataverwerking

Alle datareeksen (HR, ademhaling, druk) inladen op de centrale computer.

De startmomenten op de filmpjes visualiseren en de tijdscode noteren (tot op 1 frame).

Alle data invoeren in MATLAB met als nulpunt het startpunt van het ademhalingsprotocol.

pA(t) inladen in een Matlabroutine ecgViewer (ontwikkeld door John T. Ramshur (E-mail:

[email protected] ) en door mij verder aangepast voor druk). Deze routine bepaalt de

mailto:[email protected]

© Zara T. vzw | 18-3-2011


posities van de maxima door een correlatie te maken met een typisch verloop van het

drukpatroon over 1 hartslag. Deze posities visueel controleren en slechte waarden verwijderen.

Op basis van het deze posities wordt:

o ook de positie van diastole druk berekend en worden de systole (pS), diastole (pD) en

gemiddelde druk (pM) berekend en weggeschreven;

o een HR-reeks berekend die wordt vergeleken met de HR-reeks van Zephyr. Op wat

slechte pieken na moeten beide curve zo goed als volledig samenvallen.

Een spectrum berekenen van zowel HR als pM over de volledige ademhalingsperiode. Hiervoor

werd gebruik gemaakt van een Welch spectrum via het Matlab algoritme pWelch.

Door de simulaties van het HR te vergelijken met de experimentele waarden wordt een

optimale set van fysiologische parameters berekend die de kleinste kwadratische afwijking

geeft (Olufsen, et al., 2005).

We hebben dit protocol toegepast op 6 proefpersonen. Dit was voldoende voor deze verkennende

studie waarbij we vooral de kwaliteit van onze meettechnieken willen evalueren. De proefpersonen

waren gezonde vrijwilligers van divers pluimage. Er zat zelfs één iemand bij met een grote ervaring in

diverse ademhalingstechnieken. Doordat we de proefpersonen in een breed frequentiegebied lieten

ademen zijn we in staat om een goed idee te krijgen van de spectrale gevoeligheid van door ademhaling

geïnduceerde HR-variaties.

Experimentele resultaten en bespreking We overlopen de onderzoeksvragen en beantwoorden die met behulp van de experimentele data.

A. Kunnen we de HRV/p spectra experimenteel bepalen?

De proefpersonen doorliepen een ademhalingssequentie van ongeveer 30 min waarbij ze via een

auditief signaal op vaste frequenties ademden (‘paced breathing’). De frequenties varieerden tussen de

0.5 en 0.05 Hz (waarbij men telkens ongeveer 2 min. in een ademhalingspatroon bleef. We

berekenden zowel het spectrum van het HR en van pM (dit is de gemiddelde druk over een hartslag). In

Figuur 16 vind je de spectra terug van de 6 proefpersonen.

Volgende patronen zijn terug te vinden in de verschillende resultaten:

Er is maar een piek in het HR-spectrum te vinden als er ook een duidelijke piek is in pM. Dit

gegeven ondersteunt de hypothese dat HR-variaties in de ademhaling gekoppeld zijn aan de

variaties in de arteriële druk.

Voor hoge frequenties (> 0.15 Hz) zijn de drukvariaties van dezelfde grootte-orde als de HR-

variaties. Voor lagere frequenties (tussen 0.075 en 0.2 Hz) zien we dat de meeste HR-pieken

duidelijk versterkt worden ten opzichte van de drukpieken. Proefpersoon 1 is hierop een

uitzondering, de drukvariaties zijn nauwelijks meetbaar bij hoge frequenties. Er dient wel te

worden vermeld dat deze persoon neerlag tijdens de metingen en dat dit vermoedelijk een

invloed heeft op de distributie van de arteriële druk doorheen het lichaam.

Voor lagere frequenties (<0.075 Hz) verdwijnt een duidelijk beeld en vinden we soms nog

grote delen van de spectrale energie terug. Nu is het zo dat voor ademhalingsfrequenties vanaf

0.05 Hz (een periode van 20s), het duidelijke ritmische karakter van de ademhalingen bij de

meeste proefpersonen verdwijnt.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 16 HR- en pM-spectra van de ademhalingssequenties van 6 proefpersonen.

Ter aanvulling van deze spectrale resultaten vind je in Tabel 3 de spectrale verdeling van het HR

patroon onderverdeeld in de gebieden die meestal gebruikt worden in HR-variabiliteitsonderzoek (zie

het hoofdstuk ‘HR-variaties en ademhaling’ op p. 26 voor een grondigere bespreking). Vanuit het ANS-

model kan je de VF kolom gebruiken om de parasympatische parameters MP en P tussen de

verschillende personen te vergelijken. Hoge HF wijzen op lage P-waarden gecombineerd met hoge

MP-waarden. Conform de bespreking op p. 26 valt ook op dat de personen met een hoge HF-waarde

ook een hoge LF waarde hebben.

persoon VLF LF HF

1 2.7 6.2 3.7

2 9.2 17.1 7.0

3 6.9 11.1 4.9

4 41.5 10.5 1.2

5 4.1 8.0 1.6

6 8.0 21.9 4.4

Tabel 3 Spectrale verdeling van het HR spectrum volgens de gebieden VLF, LF, HF. De eenheid is 106 s-2.

In onze theoretische analyse van de spectra via Figuur 14 hebben we niet met HR-spectra gewerkt

maar met HRV/p spectra. We kunnen vergelijkbare spectra ook berekenen voor elke proefpersoon.

Hiervoor bepaalden we de oppervlakte van elke door de ademhaling geïnduceerd piek in het HR-

spectrum en deelde die door de corresponderende oppervlakte onder de p-piek. Het resultaat is

uitgezet in Figuur 17.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

f (Hz)

A

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

f (Hz)

A

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

f (Hz)

A

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

f (Hz)

A

HR 2

pM 2

HR 4

pM 4

HR 3

pM 3

HR 5

pM 5

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

600

f (Hz)

A

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

200

400

f (Hz)

A

HR 6

pM 6

HR 1

pM 1

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 17 HRV/p spectra van de verschillende proefpersonen

Deze figuren hebben jammer genoeg niet de resolutie van de simulaties van Figuur 14. In onderdeel B

bespreken we de overeenkomst met deze simulaties. Het is evenwel nu al duidelijk dat een fijnere

bemonstering van het spectrum zich opdringt. We kunnen dit in de toekomst op twee manieren

realiseren.

Ofwel bemonsteren we meer ademhalingsfrequenties. Dit heeft als nadeel dat de meettijd een

stuk gaat toenemen.

Ofwel kunnen we in plaats van discrete ademhalingsfrequenties te bemonsteren de

ademhalingsfrequentie gradueel laten toenemen over het experimentele interval (een 30-tal

minuten). We blijven dan maar enkele ademhalingen bij dezelfde frequentie en gaan dan over

naar de volgende frequentie. Dit heeft het voordeel dat het gepiekte karakter uit de spectra

verdwijnt en dat de spectra ook informatie zullen bevatten van de tussenliggende frequenties.

Een eerste test met dit principe (wel enkel met HR-bemonstering) gaf een breed spectrum en

toont aan dat dit een haalbare aanpak is. We verwijzen verder naar deze

bemonsteringsmethode als de sweep-methode.

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.50

1

2

3

4

5

6

7

8

t (s)

HR

V/p

(a.u

.)

1

2

3

4

5

6

© Zara T. vzw | 18-3-2011


B. Komen de HRV/p patronen overeen met de simulaties van het ANS model?

We kunnen ondanks de magere bemonstering van de gemeten spectra toch stellen dat er een mogelijke

overeenkomst is. In zo goed als alle spectra bemerken we schommelingen wat er op wijst dat de

delaytijd d inderdaad een belangrijke rol speelt. Ook zien we in de meeste spectra wel een

overeenkomst met de globale vorm uit de simulaties. Enkel de spectra van personen 2 en 3 vallen wat

uit de boot als het gaat over de hogere frequenties (f > 0.3 Hz) waar we een gevoelige toename zien die

niet terugkomt in de simulaties. We durven hier evenwel stellen dat dit gebied het minst betrouwbaar

experimenteel bemeten is vooral doordat het voor deze hoge frequenties gaat over kleine HRV

waarden die gedeeld worden door kleine p-waarden.

In Figuur 18 zie je een simulatie van het gemeten spectra (van proefpersonen 3 en 6) op basis van de

modelparameters die we uit de optimalisatie hebben gehaald (zie Tabel 4). We durven ondanks de

ruwe bemonstering stellen dat we een overeenkomst herkennen en dat de schommelingen van het

spectrum vermoedelijk gerelateerd zijn aan de delaytijd. Ook de globale vorm van het spectrum komt

overeen met het model. We zijn er wel van bewust dat het hier maar gaat over een suggestieve

overeenkomst die niet voor alle proefpersonen werd gehaald (zie verdere bespreking in deel C). Maar

dat we hier op een interessant spoor zitten is wel duidelijk. Het verfijnen van de meettechniek moet de

details verder uitklaren.

Figuur 18 Vergelijking van een gemeten spectra (proefpersonen 3 en 6) met simulaties.

C. Is het vooropgestelde ANS-model bruikbaar om ademhalingsvariaties te beschrijven?

De belangrijkste les van onderzoek V 1.1 is dat iedereen zijn eigen manier van ademhalen heeft. De zes

testpersonen laten reeds een breed gamma aan verschillen zien. Om een idee te geven wat dit betekent,

hebben we in Figuur 19, Figuur 20 en Figuur 21 voor een ademhalingsfrequentie van 0.1 Hz volgende

parameters uitgezet:

de ademhalingsamplitudes (zowel thoracaal als abdominaal),

het gemeten hartritme HRexp en het berekende hartritme HRsim,

de RC die een maat is voor de arteriële weerstand en de compliantie,

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

test person 3

simulation

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

f (Hz)

HR

V/p

(a.u

.)

test person 6

simulation

© Zara T. vzw | 18-3-2011


en de gemiddelde arteriële druk pM.

Ondanks de grote variaties vallen volgende patronen op:

Bij alle proefpersonen zijn er bij een ademhalingsfrequentie van 0.1 Hz aanzienlijke HR-

variaties met een grootte tussen de 10-20 bpm).

Bij bijna alle proefpersonen kan men stellen dat tijdens een inademhaling het HR stijgt en bij

een uitademhaling het HR daalt (op kleine faseshifts na). Proefpersoon 1 is een uitzondering

op deze regel, maar deze persoon lag wel neer tijdens het gebeuren. We moeten in de toekomst

zeker verder onderzoeken of dit neerliggen voor een systematische afwijking zorgt of dat dit

patroon enkel voorkomt bij deze proefpersoon.

Een veel gebruikte redenering is dat de arteriële druk moet afnemen bij de inademing en

toenemen bij de uitademhaling. Dit vinden we bij de meeste proefpersonen duidelijk terug.

Proefpersoon 1 valt hier ook uit de boot maar ook bij proefpersoon 5 is het drukverloop veel

complexer. We willen hier wel bemerken dat deze persoon ademde volgens een bepaalde

techniek (daoïstische ademhaling), waarbij men de druk in het abdomen vrij constant houdt.

We zien hier net als bij proefpersoon 1 dat de gemiddelde druk toeneemt bij de inademhaling.

Het verloop van RC is bij zo goed als alle proefpersonen (uitgezonderd proefpersoon 5) in

tegenfase met het verloop van de HR. RC neemt dus toe als HR afneemt. Doordat RC uit twee

tegenwerkende factoren bestaat R en C is het moeilijk om hier veel conclusies uit te trekken.

We hopen in de toekomst deze metingen te combineren met een R-meting. Hierdoor kunnen

we deze informatie veel effectiever inzetten voor interpretatiedoeleinden.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Figuur 19 Gemeten en gesimuleerde meetgegevens bij een ademhalingsperiode van 10 s voor proefpersonen 1 en 2.

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

80

100

120

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170055

60

65

70

75

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 17000.85

1.05

1.23

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

90

100

110

breathing thor (a.u.)

breathing abd (a.u.)

HRexp (bpm)

HRsim (bpm)

tauRC (s)

pM (a.u.)

Test Person 1

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170090

100

110

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

60

80

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 17000

100

200

300

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170090

95

100

105



tauRC (s)

pM (a.u.)

HRexp (bpm)

HRsim (bpm)

Test Person 2

© Zara T. vzw | 18-3-2011



1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170080

100

120

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170050

60

70

80

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170010

15

20

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170050

60

70



tauRC (s)

pM (a.u.)

HRexp (bpm)

HRsim (bpm)

Test Person 3

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170090

100

110

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170040

60

80

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

2

2.5

3

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

120

130

t (s)



tauRC (s)

pM (a.u.)

HRexp (bpm)

HRsim (bpm)

Test Person 4

© Zara T. vzw | 18-3-2011



1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170080

100

120

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170060

70

80

90

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 17000.5

1

1.5

2

t (s)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170050

100

t (s)



HRexp (bpm)

tauRC (s)

pM (a.u.)

Test Person 5

1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 188080

100

120

t (s)

1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880

60

80

t (s)

1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880

0.5

1

t (s)

1780 1790 1800 1810 1820 1830 1840 1850 1860 1870 1880

40

60

80



tauRC (s)

pM (a.u.)

HRexp (bpm)

HRsim (bpm)

Test Person 6

© Zara T. vzw | 18-3-2011


De hamvraag blijft of we via ons model in staat zijn om deze ademhalingspatronen te modelleren. De

aandachtige lezer heeft vermoedelijk al opgemerkt dat in Figuur 19, Figuur 20 en Figuur 21 ook

simulaties van HR zijn terug te vinden. Deze zijn het resultaat van een optimalisatie van de

fysiologische parameters over de ganse ademhalingssequentie. Hiervoor berekent men eerst HR(t)

voor een goed gekozen set van startparameters en vergelijkt men dit resultaat met het gemeten

hartritme (HRexp). Als het verschil te groot is worden de parameters aangepast en controleert men of

dit de verschillen verkleint. Op die manier zoekt men een optimale parameterset. Deze

optimalisatietechniek is wel sterk afhankelijk van de beginparameters en kan vastlopen in bepaalde

lokale minima die niet noodzakelijk samenvallen met de fysische minima. Kortom, deze techniek heeft

zijn beperkingen en zal enkel effectief werken als het model heel goed is en als de beginwaarden van de

parameters goed zijn gekozen. We hebben hier niet de intentie om via deze optimalisatietechniek

allerlei mooie overeenkomsten met het experiment te laten zien en op die manier de relatieve waarde

van deze techniek te verbloemen. Het is bijvoorbeeld heel gemakkelijk haalbaar om voor een beperkt

tijdsinterval een heel goede fit te bekomen maar deze parameters zijn dan meestal niet echt bruikbaar

voor de andere tijdsintervallen. Voor deze evaluatie willen we vooral nagaan of we stabiele parameters

kunnen bekomen die het liefst ook in andere contexten bruikbaar zijn en de fysische parameters zo

goed mogelijk benaderen. Door de optimalisatie door te voeren over alle frequenties moet het model

het onderscheid beschrijven tussen de kleine HR-variaties bij hogere frequenties en de grote HR-

variaties voor de lage frequenties. Voor alle proefpersonen zijn we vertrokken van eenzelfde set

startparameters die overeenkwamen met de waarden uit de literatuur (Olufsen, et al., 2006).

In Tabel 4 vinden we de optimalisatieresultaten terug. Deze parameters geven aanleiding tot de

simulatieresultaten in Figuur 19, Figuur 20 en Figuur 21. We kunnen hier gerust besluiten dat ons

model maar bevredigend de ademhalingspatronen kan simuleren voor proefpersonen 3 en 6. Voor de

andere proefpersonen volgen de simulaties wel de richting van deze variaties maar is de amplitude van

de variaties veel te klein. Dit heeft vooral te maken met het feit dat het model ook moet instaan voor de

kleinere variaties bij de hogere ademhalingsfrequenties en dat er bij proefpersonen (1,2, 4 en 5) voor

een compromis wordt gekozen die de grotere variaties onderdrukt.

Persoon d (s) P (s) S (s) MS MP Ho (bpm)

1 13 3.4 4.6 76 60 76

2 10 0.7 4.7 109 60 54

3 8 1.1 4.8 120 60 70

4 11 0.1 2.9 120 60 74

5 13 3.4 6.2 70 60 69

6 10 3.2 6.1 25 60 92 Tabel 4 Modelparameters berekend door optimalisatie via ons ANS-model. Enkel persoon 3 en 6 geven een goede overeenkomst met het experiment.

We kunnen dus besluiten dat ons model maar een beperkt aantal types van ademhalingen kan

simuleren. Uitbreidingen dringen zich op. De Italiaanse groep heeft dus met reden voor het toevoegen

van een extra bron voor de parasympatische signalen gekozen. Zij breiden het door ons gebruikte

model uit met de signalen van de barosensoren in de longblaasjes (Ursino & Magosso, 2003). Beide

mechanismen staan naast elkaar en kunnen het HR beïnvloeden. Om een idee te krijgen of we

hiermee wel het ademhalingsprobleem kunnen oplossen gebruiken we de bestaande software en

gebruiken we als input in plaats van de arteriële druk de ademhalingsdata. We baseren ons hiervoor op

de experimentele formule dat de toename van de druk in de longen evenredig is met de afname van het

longvolume (Yildiz & Ider, 2006). We vatten deze resultaten samen in Figuur 22 en de

modelparameters in Tabel 5 . Voor proefpersonen 2, 4 en 5 krijgen we nu wel een mooie

overeenkomst. Voor de liggende persoon 1 is er nog steeds geen bruikbaar resultaat. Als we voor deze

© Zara T. vzw | 18-3-2011


persoon het teken van het druksignaal omkeren zien we wel een verbetering maar dit lijkt me meer een

rekentruc dan een echt fysisch gegeven.

Persoon d (s) P (s) S (s) MS MP Ho (bpm)

1 4 2.7 4.9 69 60 81

2 9 0.3 7.3 120 59 43

4 7 1.3 4.2 117 60 76

5 8 4.4 3.7 52 60 81 Tabel 5 Modelparameters berekend door optimalisatie uit een aangepast ANS-model (in plaats van de arteriële druk wordt nu vertrokken vanuit de longdruk.

Figuur 22 Nieuwe simulaties voor proefpersoon 1, 2, 4 en 5 waarbij enkel wordt uitgegaan van het drukpatroon in de longen. Enkel voor proefpersoon 1 werden twee verschillende berekeningswijzen voor deze longdruk gebruikt (a: druk is evenredig met de volumeafname van de longen, en dit principe is ook gebruikt bij de andere proefpersonen, b: druk is evenredig met de volumetoename van de longen).

Deze goede overeenkomsten zijn extra motiverend om de longdruk in het model op te nemen. Maar

het zal hoe dan ook een evenwichtsoefening worden waarbij we extra parameters in het model moeten

opnemen die het relatieve belang van beide mechanismen gaan bepalen. Deze experimentenreeks

wijst er wel op dat de longdruk bij de meeste mensen een belangrijke rol speelt. Het lijkt ons dan ook

belangrijk om in toekomstige meetprotocols te proberen om de invloed van beide effecten van elkaar te

scheiden. Alle suggesties zijn hier welkom. Ik denk aan bijvoorbeeld ‘deep breathing’ of ‘valsalva’

experimenten waarbij de longdruk vrij lang op een hoog niveau wordt gehouden.

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

60

70

HR

(bpm

)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170060

80

HR

(bpm

)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 1700

60

80

HR

(bpm

)

1600 1610 1620 1630 1640 1650 1660 1670 1680 1690 170060

70

80

t (s)

HR

(bpm

)

HRexp 1

HRsima

HRsimb

HRexp 2

HRsim

HRexp 4

HRsim

HRexp 5

HRsim

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Besluiten V1.1 en opzet voor V1.2 Deze verkennende experimentenreeks heeft zijn doel niet gemist. Er is naast veel experimentele know-

how ook veel vertrouwen in de aanpak opgebouwd. We hebben een meettechniek om het HRV/p-

spectrum te bepalen en we weten dat we uit een nauwkeurig bemeten spectrum bepaalde

modelparameters (zoals d en P) kunnen afleiden. Door over te schakelen naar een sweep-methode

waarbij we de ademhalingsfrequentie continu laten toenemen moeten we ook in staat zijn om een fijn

bemonsterd spectrum af te leiden uit de meetdata.

Het gebruikte model volstaat niet om alle ademhalingspatronen te simuleren, daarvoor moet het

worden uitgebreid met een tweede bron voor het parasympatisch signaal, namelijk de variaties van de

druk in de longen. In de volgende experimentenreeks gaan we enkele experimenten toevoegen die

moeten toelaten om het relatieve gewicht van deze twee bronnen experimenteel te bepalen. Het is

interessant om nu reeds te beseffen dat er duidelijk verschillende manieren van ademhalen zijn. Eén

die synchroon loopt met de arteriële druk en één die meer gestuurd wordt vanuit de longen en dat niet

uit de arteriële druk kan worden afgeleid. Het lijkt me een heel interessant gegeven om de factoren die

dit bepalen verder te onderzoeken.

Om onderzoeksvraag 2 (Kunnen we het gebruikte model gebruiken om de Ts en Tp-signalen

onafhankelijk van elkaar op te meten? ) te beantwoorden, lijkt het ook belangrijk om in de volgende

experimentenreeks eveneens de doorbloeding te kwantificeren. Dit zal ons toelaten om de

weerstandswaarde van de bloedvaten R rechtstreeks af te leiden en via RC ook de compliantie C te

berekenen. Daarnaast biedt deze data ook perspectieven om de hartcontractiliteit rechtsreeks te meten

(Stern, et al., 2001). De doorbloeding kan vrij gemakkelijk worden gemeten via photoelectric

plethysmography. Hierbij schijnt men met een infrarode lichtbron doorheen de huid en kan men op

basis van het gereflecteerde lichtsignaal het bloedvolume schatten. We beschikken reeds over de

nodige apparatuur en zullen dit meetinstrument mee opnemen in het volgende experimentenreeks.

De onderzoeksvragen voor V1.2 kunnen we hier al neerschrijven:

A. Kunnen we de meettechniek van de HRV/p-spectra verbeteren zodat we er op een

betrouwbare manier fysiologische parameters uit kunnen extraheren?

B. Kunnen we het relatieve gewicht van de twee ANS-bronnen (d.i. de arteriële druk en de

longdruk) bepalen bij verschillende testpersonen en kunnen we de oorzaken voor

interpersoonlijke verschillen determineren?

C. Kunnen we via de doorbloedingsdata een onafhankelijke maat voor Ts bepalen?

© Zara T. vzw | 18-3-2011

44 Besluiten en uitdagingen

5. Besluiten en uitdagingen

We willen dit document afsluiten met nog enkele algemene beschouwingen.

Deze tekst bevat de basis voor een wiskundig onderbouwd ANS-model. We kunnen nog niet stellen dat

dit model al volledig gebruiksklaar is maar de eerste experimentenreeks laat toch al een aantal

veelbelovende resultaten zien. We gaan met veel vertrouwen de volgende experimenten tegemoet en

maken ons sterk dat we hiermee het model verder kunnen funderen en de meetprocedure ook

bruikbaar maken voor een breder werkveld. Zoals reeds gezegd in de inleiding, het gaat hier niet over

het zoeken naar bewijzen. We willen gewoon een referentiekader opbouwen dat een wetenschappelijke

onderbouwing heeft, de kwantitatieve toets doorstaat en op die manier voldoende krediet heeft om

meer controversiële domeinen te onderzoeken.

Van op een afstand beschouwd kan je gerust stellen dat er in deze tekst niet echt iets nieuws staat. Ik

heb me als niet-specialist ingewerkt in de wetenschappelijke literatuur rond het ANS en enkel de

belangrijkste inzichten hier samengebracht. De belangrijkste meerwaarde van deze tekst is dan ook de

samenhang en het referentiekader van waaruit ik naar deze fysische fenomenen kijk. Ik trek ook een

aantal ideeën veel sterker door dan dat in de literatuur gebeurt wat soms wel tot conclusies leidt die

niet altijd gangbaar zijn. Een voorbeeld hiervan. Ik bezocht gisteren het i-brain festival in Gent waar

één van de sprekers een interessant overzicht gaf over pijnervaringen. Hij stelde dat een sympaticus

iemand is die heel gevoelig is voor pijn. Toen ik hem er op wees dat het sympatisch systeem toch

doorgaans pijn onderdrukt (pijn is niet zo handig in een ‘flight-or-fight’ respons), repliceerde hij dat

dit enkel voor de korte termijnrespons was, op langere termijn worden sympatici heel gevoelig. Echt

consistent lijkt dit evenwel niet. Door het idee van de baroregulatie sterk door te trekken, kom ik in

deze tekst tot een andere verklaring voor dit gegeven. Mensen met een hoge bloeddruk (die dikwijls

worden afgedaan als sympatici) hebben eigenlijk een heel sterk parasympatisch signaal. Hieraan

‘danken’ ze ook hun gevoeligheid, wat toch wel een veel consistenter gegeven is.

Een paradigma leeft van eenvoudige ideeën. Ik zet de belangrijkste in deze tekst uitgewerkte

mechanismen nog eens op een rijtje:

Het hart zorgt voor een basaal ritme in ons lichaam dat net zoals andere ritmes (vb. slaap-

wakker, inademen-uitademen, …) van essentieel belang is voor de energiehuishouding in ons

lichaam. Om bijvoorbeeld de bloeddruk binnen bepaalde grenzen te houden, speelt het ANS in

op dit hartritme en kan dit ofwel verhogen of verlagen. Er zijn steeds twee mechanismen die

kunnen zorgen voor de verhoging of de verlaging. Een ritmeverhoging kan het gevolg zijn van

een toename van het sympatisch signaal of een afname van het parasympatisch signaal, een

ritmeverlaging wordt veroorzaakt door het omgekeerde proces: TS verlaagt of TP verhoogt.

Deze ritmeveranderingen worden aangestuurd door een gebalanceerd (of reciprook)

controlemechanisme. Dit heeft als belangrijkste eigenschap dat het parasympatisch en

sympatisch signaal in tegengestelde richting reageren op verstoringen. De dynamiek die

hierdoor ontstaat wordt nog versterkt door een tijdsvertraging van grootte-orde 10 seconden

tussen beide signalen. Hierdoor kunnen bepaalde veranderingen ofwel worden versterkt ofwel

worden verzwakt.

Naast het hartritme is ook het ademhalingsritme van levensbelang en is de wisselwerking van dit ritme

met het ANS de focus van de eerste experimentenreeks. Hierop een fundamenteel zicht krijgen is een

grote en heel waardevolle uitdaging met een heleboel mogelijke toepassingen. Op dit moment zitten

we op het spoor van twee ademhalingstradities. De Taijiquan-traditie die er eigenlijk op neer komt dat

de ademhaling volledig wordt losgelaten. Men spreekt van natuurlijk ademen, het zijn de bewegingen

zelf die de ademhaling induceren. Daarnaast zijn er ook veel actievere ademhalingstechnieken waarbij

men heel bewust de ademhaling en de beweging van de thorax en het abdomen gaat sturen. Belangrijk

is wel het ANS het ademhalingsritme kan ondersteunen. In zoverre zelf dat niet enkel het hartritme en

© Zara T. vzw | 18-3-2011


de contractiliteit van het hart wordt aangepast maar ook dat de bloedvaten zich open- en dichtzetten

op het ritme van de ademhaling. Het wordt zeker nog een boeiende zoektocht om dit verder uit te

klaren.

We willen ook al wat naar de toekomst kijken. Na het onderzoek rond ademhaling komt beweging in

het vizier (V 2). Hiervoor zal het vermoedelijk nodig zijn om de tonometrie-uitrusting robuust te

maken voor bewegingen. Als dit lukt hebben we een krachtig instrument dat moet toelaten om ook

hier op een kwantitatieve manier op zoek te gaan. Ook hier verwacht ik twee mogelijke manieren van

bewegen, één die ondersteund wordt door het ANS en er mee in fase is en één die er los van staat.

Naarmate ons model op fysiologisch vlak zijn sporen heeft verdiend, begint het echte werk waarbij we

op zoek gaan naar body-mind interacties. Taijiquan en zijn qi-begrip zullen hier de eerste leidraad zijn

maar ook andere technieken zoals equine assisted coaching, mindfulness en acupunctuur zullen

bestudeerd worden. Binnen Zara T. zijn er reeds eerste samenwerkingsprojecten met deze disciplines

opgestart. De zoektocht die we hier samen gaan zal zeker geen gemakkelijke weg worden. Ik heb het

voorbije jaar aan de lijve ondervonden dat de wiskundige en kwantitatieve weg een heel harde weg is

die onverbiddelijk is en zelfs op de beste ideeën inhakt. Maar het resultaat mag gezien worden en de

helderheid en samenhang die deze weg creëert is een onbetaalbare schat die we nog lang kunnen

koesteren.

© Zara T. vzw | 18-3-2011

46 Referenties

6. Referenties

Becker, R. O., & Selden, G. (1985). The body electric. New York: Harper. Berntson, G. G., Cacioppo, J. T., & Quigley, K. S. (1993). Cardiac psychophysiology and autonomic

space in humans: emperical perspectives and conceptual implications. Psychological Bulletin, 114, 296-322.

Brack, K. E. (2004). Interaction between direct sympathetic and vagus nerve stimulation on heart rate in the isolated rabbit heart. Experimental Physiology, 89, 128-139.

Cohen, M. A., & Taylor, J. A. (2002). Topical review: Short-term cardiovascular oscillations in man: measuring and modelling the physiologies. Journal of Physiology, 542(3), 14.

Dawson, R. W., Schell, A. M., & Filion, D. L. (2007). The electrodermal system. In L. G. T. J. T. Cacioppo, G. G. Berntson (Ed.), Handbook of Psychophysiology Cambridge: Cambridge University Press.

Dijksterhuis, E. D. (2006). De mechanisering van het wereldbeeld. Edmonds, W. A., Tenenbaum, G., Mann, D. T. Y., Johnson, M., & Kamata, A. (2008). The effect of

biofeedback training on affective regulation and simulated car-racing performance: A multiple case study analysis. Journal of Sports Sciences, 26(7), 761-773.

Hare, J. M., Keaney, J. F., Balligand, J.-L., Loscalzo, J., Smith, T. W., & Colucci, W. S. (1995). Role of Nitric Oxide in Parasympathetic Modulation of f3-Adrenergic Myocardial Contractility in Normal Dogs. J. Clin. Invest., 95, 360-366.

Kass, D. A., Maughan, W. L., Guo, Z. M., Kono, A., Sunagawa, K., & Sagawa, K. (1987). Comparative influence of load versus inotropic states on indexes of ventricular contractility:experimental and theoretical analysis based on pressure-volume relationships. Circulation, 76(6), 1422-1436.

Keulemans, M., Salomons, J., & Tiemens, P. (2010). Waar maar raar. nwtmagazine, 78(12), 23-31. Kuhn, T. S. (1996). The structure of scientific revolutions (third ed.). Chicago and London: The

university of Chicago Press. Little, W. C. (1985). The Left Ventricular dP/dtmax-End-Diastolic Volume Relation in Closed-Chest

Dogs. Circulation Research, 56, 808-815. Liu, Z., Brin, K. P., & Yin, F. C. (1986 ). Estimation of total arterial compliance: an improved method

and evaluation of current methods. Am J Physiol, 251, 588-600. McCraty, R. (2005). Enhancing emotional, social and academic learning with heart rhythm coherence

feedback. Biofeedback, 130-134. Najmuddin, S. (1998). Effect of electromyographic biofeedback, relaxation techniques (PMR,

autogenic), cognitive therapy and home practice for paralysis of the left-side of the body due to sexual and physical abuse (PTSD) and stress of immobility over a period of two years. From Fantasy to Reality - Creating the Future of Applied Psychophysiology - Proceedings, 204-204.

Olufsen, M. S., Alston, A. V., Tran, H. T., Ottesen, J. T., & Novak, V. (2008). Modeling heart rate regulation - Part I: Sit-to-stand versus head-up tilt. Cardiovascular Engineering, 8(2), 73-87.

Olufsen, M. S., Ottesen, J. T., Tran, H. T., Ellwein, L. M., Lipsitz, L. A., & Novak, V. (2005). Blood pressure and blood flow variation during postural change from sitting to standing: model development and validation. J Appl Physiol, 99, 1523-1537.

Olufsen, M. S., Tran, H. T., Ottesen, J. T., Lipsitz, L. A., Novak, V., & Program, R. E. U. (2006). Modeling baroreflex regulation of heart rate during orthostatic stress. American Journal of Physiology-Regulatory Integrative and Comparative Physiology, 291(5), R1355-R1368.

Ottesen, J. T. (1997). Modelling of the baroreflex-feedback mechanism with time-delay. Journal of Mathematical Biology, 36(1), 41-63.

Ottesen, J. T. (2000). Modelling the dynamical baroreflex-feedback control. Mathematical and Computer Modelling, 31(4-5), 167-173.

Poh, M.-Z., Swenson, N. C., & Picard, R. W. (2010). A Wearable Sensor for Unobtrusive, Long-Term Assessment of Electrodermal Activity. IEEE Transactions on biomedical engineering, 2010(vol.57 (5)), 1243-1252.

Stern, R. M., Ray, W. J., & Quigley, K. S. (2001). Psychopsychology recording (second ed.). New York: Oxford university press.

Ursino, M. (1998). Interaction between carotid baroregulation and the pulsating heart: a mathematical model. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 44(5), H1733-H1747.

© Zara T. vzw | 18-3-2011


Ursino, M. (1999). A mathematical model of the carotid baroregulation in pulsating conditions. Ieee Transactions on Biomedical Engineering, 46(4), 382-392.

Ursino, M., Antonucci, M., & Belardinelli, E. (1994). Role of Active Changes in Venous Capacity by the Carotid Baroreflex - Analysis with a Mathematical-Model. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 36(6), H2531-H2546.

Ursino, M., Cavalcanti, S., Severi, S., & Sangiorgi, A. (1997). Mathematical analysis of the hemodynamic response during hemodialysis. Proceedings of the 18th Annual International Conference of the Ieee Engineering in Medicine and Biology Society, Vol 18, Pts 1-5, 18, 1808-1809.

Ursino, M., Fiorenzi, A., & Belardinelli, E. (1996). The role of pressure pulsatility in the carotid baroreflex control: A computer simulation study. Computers in Biology and Medicine, 26(4), 297-314.

Ursino, M., & Innocenti, M. (1997a). Mathematical investigation of some physiological factors involved in hemodialysis hypotension. Artificial Organs, 21(8), 891-902.

Ursino, M., & Innocenti, M. (1997b). Modeling arterial hypotension during hemodialysis. Artificial Organs, 21(8), 873-890.

Ursino, M., & Magosso, E. (2000). Acute cardiovascular response to isocapnic hypoxia. II. Model validation. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 279(1), H166-H175.

Ursino, M., & Magosso, E. (2003). Role of short-term cardiovascular regulation in heart period variability: a modeling study. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology, 284(4), H1479-H1493.

Van Cranenburgh, B. (1997). Schema's fysiologie: fysiologie, pathologie, neurowetenschap. Maarssen: Elsevier/de tijdstroom.

Yildiz, M., & Ider, Y. Z. (2006). Model based and experimental investigation of respiratory effect on the HRV power spectrum. Physiological Measurement, 27(10), 973-988.

Yildiz, M., Ozbay, Y., & Ider, Y. Z. (2006). Model based analysis of the effects of respiration signal parameters on heart rate variability. 2006 IEEE 14th Signal Processing and Communications Applications, Vols 1 and 2, 365-368.

Yorke, J., Fleming, S., & Shuldham, C. (2005). Psychotherapeutic interventions for children with asthma. Cochrane Database of Systematic Reviews(4), -.

Rapport ANS v.1.1

Documents

Transcript of Rapport ANS v.1.1