Heart rate variability results from the combined activity of several physiological systems, including the cardiac, vascular, and respiratory systems which have their own internal regulation, but also interact with each other to preserve the homeostatic function. These control mechanisms operate across multiple temporal scales, resulting in the simultaneous presence of short-term dynamics and long-range correlations. The Network Physiology framework provides statistical tools based on information theory able to quantify structural aspects of multivariate and multiscale interconnected mechanisms driving the dynamics of complex physiological networks. In this work, the multiscale representation of Transfer Entropy from Systolic Arterial Pressure (S) and Respiration (R) to Heart Period (H) and of its decomposition into unique, redundant and synergistic contributions is obtained using a Vector AutoRegressive Fractionally Integrated (VARFI) framework for Gaussian processes. This novel approach allows to quantify the directed information flow accounting for the simultaneous presence of short-term dynamics and long-range correlations among the analyzed processes. The approach is first illustrated in simulated VARFI processes and then applied to H, S and R time series measured in healthy subjects monitored at rest and during mental and postural stress. Our results highlight the dependence of the information transfer on the balance between short-term and long-range correlations in coupled dynamical systems, which cannot be observed using standard methods that do not consider long-range correlations. The proposed methodology shows that postural stress induces larger redundant effects at short time scales and mental stress induces larger cardiovascular information transfer at longer time scales.


翻译:包括心脏、血管和呼吸系统在内的若干生理系统的综合活动导致心脏、血管和呼吸系统的心率变化,这些系统有自己的内部调控,但也彼此互动,以维护内脏功能。这些控制机制在多个时间尺度上运作,导致同时存在短期动态和长距离关联。网络生理框架提供基于信息理论的统计工具,能够量化多种变异和多尺度相互关联的机制的结构方面,驱动复杂的生理网络的动态。在这项工作中,从心血管压力(S)和呼吸(R)转移到心脏时期(H)的多比例化导体向心血管时期(R)的转移,以及将其分解成独特、冗余和协同贡献的多比例化。这些控制机制在多个时间尺度上运作,同时存在短期动态和多尺度的相互关联机制。这一方法首先在模拟VARFI(S)进程和呼吸(R)向心脏时期(H、S)转移)的多尺度内,其分解成独特、冗余和协同贡献。在高尺度上,在健康主体的递增后反应中,无法用长期的递变压法方法来量化定向信息流流动。在动态压力和后,在动态压力体系中考虑短期和后变压中测算。

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