Variabilità della frequenza cardiaca: Un prezioso biomarcatore con un impatto importante sulla salute fisiologica e psicologica

La frequenza cardiaca è il numero di battiti cardiaci al minuto, e variabilità della frequenza cardiaca (HRV) quantifica la variabilità della frequenza cardiaca. Sebbene la frequenza cardiaca possa essere ragionevolmente stabile, il tempo che intercorre tra due contrazioni cardiache successive (intervalli R-R) può variare considerevolmente a riposo; di conseguenza, l'HRV è l'indice di variabilità della frequenza cardiaca. variazione da battito a battito negli intervalli di tempo tra battiti cardiaci adiacenti o consecutivi, chiamati intervalli tra i battiti (IBI). Le oscillazioni di un cuore sano sono complesse e in continua evoluzione, il che consente al sistema cardiovascolare di adattarsi rapidamente a improvvise sfide fisiche e psicologiche all'omeostasi. 

L'HRV è considerato un biomarcatore non invasivo, pratico e riproducibile della funzione del sistema nervoso autonomo, in quanto le oscillazioni tra battiti cardiaci consecutivi derivano principalmente dalla interazione dinamica tra gli input del sistema parasimpatico (PNS) e del sistema nervoso simpatico (SNS) al cuore. In particolare, l'aumento dell'input simpatico diminuisce HRVmentre l'aumento dell'input parasimpatico aumenta l'HRV. Mentre l'attività del SNS aumenta in caso di stress, minaccia fisica o esercizio fisico, il PNS rilassa il corpo dopo periodi di stress o di pericolo e fa sentire sicuri e rilassati. Il PNS e il SNS sono rami del sistema nervoso autonomo che, insieme al sistema nervoso somatico, costituiscono il sistema nervoso periferico.

In un cuore umano sano, esiste una relazione dinamica tra il PNS e il SNS. L'attività del PNS predomina a riposo, con una frequenza cardiaca media di circa 75 battiti al minuto. 

L'HRV rappresenta la capacità del cuore di rispondere a vari stimoli fisiologici e ambientali. Pertanto, la capacità del sistema nervoso autonomo di rispondere dinamicamente a cambiamenti ambientali risulta in un aumento dell'HRV e in genere indica un cuore sano. Al contrario, un basso HRV è associato a compromissione della regolazione e dell'omeostasi funzioni del sistema nervoso autonomo, che riducono la capacità dell'organismo di far fronte a fattori di stress interni ed esterni. 

Molte condizioni fisiche e abitudini di vita possono influenzare l'HRV, compresi i fattori fisiologici (ad esempio, respirazione, ritmi circadiani e postura), i fattori non modificabili (ad esempio, età, sesso e fattori genetici), i fattori modificabili dello stile di vita (ad esempio, attività fisica, indice di massa corporea, fumo, alcol e stress) e altri fattori (ad esempio, farmaci come anticolinergici, stimolanti e beta-bloccanti).

Complessivamente, un alto livello di HRV è associato alla salute generale, alla capacità di autoregolazione, all'adattabilità e alla resilienza fisiologica e psicologica. 

Metriche HRV

L'HRV può essere analizzato attraverso a) misure nel dominio del tempo, b) misure nel dominio della frequenza e c) misure non lineari.
Gli indici del dominio temporale dell'HRV quantificano la quantità di variabilità nelle misurazioni dell'intervallo tra i battiti (IBI) che, come già detto, è il tempo che intercorre tra i battiti cardiaci successivi. Il due misure più comuni sono la deviazione standard degli intervalli R-R (SDRR), una misura della variabilità complessiva, e il quadrato medio delle differenze successive degli intervalli R-R (RMSSD), una misura della variabilità da battito a battito.
Mentre le misure nel dominio del tempo visualizzano un parametro rispetto al tempo, le misure nel dominio della frequenza visualizzano un parametro rispetto alla frequenza. Una determinata misura può essere convertita tra i domini del tempo e della frequenza con una coppia di operatori matematici chiamati trasformazioni. Gli indici nel dominio della frequenza stimano la distribuzione di potenza assoluta o relativa in quattro bande di frequenza o ritmi che operano in diversi intervalli di frequenza. Pertanto, le oscillazioni della frequenza cardiaca sono suddivise in bande a bassissima frequenza (ULF), bassissima frequenza (VLF), bassa frequenza (LF) e alta frequenza (HF). 

• Il Banda ULF (≤0,003Hz) richiede un periodo di registrazione di almeno 24 ore. Riflette le oscillazioni circadiane, la temperatura corporea, il metabolismo e l'attività del sistema renina-angiotensina.
• Il Banda VLF (0,0033-0,04Hz) richiede un periodo di registrazione di almeno 5 minuti, ma può essere monitorato meglio nell'arco di 24 ore. Rappresenta i meccanismi di regolazione a lungo termine, la termoregolazione e i meccanismi ormonali.
• Il Banda LF (0,04-0,15Hz) è tipicamente registrato su un periodo minimo di due minuti e comprende ritmi con periodi compresi tra 7 e 25 secondi. Riflette una combinazione di influenze simpatiche e parasimpatiche. 
• Il Banda HF (0,15-0,40Hz) viene convenzionalmente registrata su 1 minuto e riflette l'attività parasimpatica. È chiamata anche banda respiratoria perché corrisponde alle variazioni della frequenza cardiaca legate al ciclo respiratorio (la frequenza cardiaca aumenta durante l'inspirazione e diminuisce durante l'espirazione). 
• Ritmi respiratori diversi influenzano bande di frequenza diverse. In particolare, la banda LF è influenzata dalla respirazione da ~ 3-9 respiri al minuto, mentre la banda HF è influenzata dalla respirazione da ~ 9-25 respiri al minuto.

Infine, la potenza da LF a HF (Rapporto LF/HF) riflette l'equilibrio tra l'attività del SNS e del PNS in condizioni controllate. Un basso rapporto LF/HF riflette la dominanza parasimpatica. Al contrario, un rapporto LF/HF elevato indica una dominanza simpatica, che si verifica quando si mettono in atto comportamenti di lotta o fuga. Oltre all'HRV nel dominio del tempo e della frequenza, esistono anche altre misure dell'HRV basate su dinamica non linearecome l'analisi power-law, l'entropia approssimata (ApEn), la dimensionalità e l'analisi delle fluttuazioni detrenderizzate (DFA). 

L'effetto dell'allenamento sull'HRV

L'allenamento all'esercizio fisico ha è stato dimostrato che aumenta l'HRV in individui sani, con intensità dell'esercizio è il più forte determinante dell'HRV.
Per quanto riguarda la durata dell'esercizio, il limitato numero di prove suggerisce che una durata prolungata dell'esercizio può diminuire l'HRV durante l'esercizio.
Per quanto riguarda la modalità di esercizio, durante l'esercizio moderato allo stato stazionario, l'esercizio della parte superiore del corpo provoca maggiore HRV rispetto all'esercizio con la parte inferiore del corpo e con il peso corporeo alla stessa frequenza cardiaca submassimale e allo stesso %VO assoluto/relativo.2velocità di lavoro massime.
Inoltre, l'attività fisica regolare riduce il rischio di morbilità e mortalità per diverse condizioni cliniche, tra cui le malattie cardiovascolari (CVD) e il diabete.
È fortemente raccomandato per i pazienti affetti da CVD, compresi quelli che hanno subito un infarto miocardico (MI) e i pazienti con insufficienza cardiaca cronica (CHF).
Diversi studi hanno documentato miglioramenti dell'HRV attraverso la partecipazione a programmi di allenamento per l'esercizio fisico tra i pazienti affetti da MI. 

Uno studio hanno scoperto che, dopo un programma di riabilitazione cardiaca di otto settimane, i partecipanti hanno aumentato significativamente i parametri HRV rispetto a coloro che non hanno partecipato al programma di allenamento. 

In un altro studioI ricercatori hanno registrato una riduzione di 30% del rapporto LF/HF dopo che i pazienti affetti da MI avevano completato un programma di riabilitazione di resistenza di otto settimane. Questi miglioramenti sono continuati per un anno dopo la partecipazione al programma.
I miglioramenti dell'HRV possono essere ottenuti anche attraverso programmi di camminata a bassa intensità non supervisionati e di allenamento alla soglia anaerobica.
È stato riscontrato che l'attività fisica esercita effetti benefici sull'HRV anche nei pazienti con CHF. L'insufficienza cardiaca è caratterizzata da un'alterazione della funzione cardiaca ed è associata a una ridotta tolleranza all'esercizio e all'HRV. Sono stati osservati miglioramenti dell'HRV nei pazienti con insufficienza cardiaca in programmi di esercizio aerobico supervisionato, programmi di allenamento di resistenza supervisionato e programmi di allenamento a domicilio.
Tuttavia, non sono noti gli esatti meccanismi alla base della modifica benefica dell'HRV da parte dell'allenamento in queste condizioni. Un'ipotesi suggerisce che l'esercizio fisico aumenta il tono parasimpatico cardiaco e riduce le influenze simpatiche cardiache. Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche per corroborare queste affermazioni. Sono inoltre necessarie ulteriori ricerche per identificare il regime di esercizio, in termini di intensità e durata, che produce miglioramenti ottimali nella HRV.

L'HRV come strumento per l'ottimizzazione dell'allenamento fisico

L'HRV, oltre ad essere uno strumento per la valutazione della funzione del sistema nervoso autonomo, è stato studiato anche per monitoraggio del carico di allenamento, degli adattamenti individuali ai regimi di allenamento e del recupero, nonché individuazione precoce dei fenomeni di sovrallenamento.

L'allenamento guidato dall'HRV produce maggiori miglioramenti nel carico di allenamento massimale (+6-8%) e consente anche miglioramenti significativi delle prestazioni con un carico di allenamento inferiore, non solo negli atleti allenati ma anche negli individui non allenati. L'HRV dovrebbe essere misurato regolarmente durante l'anno negli sport agonistici per controllare la risposta dell'atleta ai diversi stimoli di allenamento. Tuttavia, quando gli adattamenti all'allenamento vengono monitorati tramite l'HRV, è necessario considerare la fase di allenamento dell'atleta. Pertanto, si raccomanda di effettuare misurazioni dell'HRV più frequenti nelle fasi di transizione e di competizione, mentre un paio di misurazioni settimanali possono essere sufficienti durante la fase preparatoria. 

E il recupero? Per ottenere adattamenti ottimali e miglioramenti delle prestazioni è necessario un sottile equilibrio tra stress da esercizio e recupero. Gli atleti ad alte prestazioni sono costantemente esposti a stimoli di allenamento intensivi, in modo tale che possono verificarsi affaticamento indotto dall'allenamento e recupero insufficiente. Se l'allenamento viene continuato senza recupero, c'è un'alta possibilità di sviluppare la sindrome da sovrallenamento, che richiede diverse settimane o addirittura mesi perché l'atleta possa superarla e tornare ad allenarsi con successo. 

Poiché il sovraccarico cronico dell'allenamento riduce l'HRV, l'uso delle misurazioni HRV offre un grande potenziale per l'individuazione precoce e la prevenzione del sovrallenamento. 

HRV e funzione cognitiva

I partecipanti con HF-HRV elevato hanno prestazioni migliori nei compiti cognitivi rispetto ai partecipanti con HF-HRV basso. Più specificamente, un'alta HF-HRV è stata associata a una migliore capacità di ragionamento verbale, mentre una bassa HF-HRV a prestazioni più deboli nelle funzioni cognitive globali, come le capacità di ragionamento verbale, le risposte di memoria e le funzioni esecutive. 

Alcuni studi hanno anche riportato un legame tra un basso HF-HRV e il rischio di sviluppare un deterioramento cognitivo, come la malattia di Alzheimer. Inoltre, una minore LF-HRV è legata a prestazioni cognitive peggiori, in particolare per quanto riguarda la memoria, il linguaggio e i punteggi cognitivi globali. Complessivamente, l'HRV sembra correlarsi con le sfaccettature cognitive verbali ma non con quelle visive.  

La dieta e la sua implicazione con l'HRV e la salute mentale

Vari aspetti della dieta sono stati associati alla HRV. Ad esempio, il consumo alimentare di pesce grasso e acidi grassi omega-3 in generale è associato in modo indipendente all'HRV. In particolare, un maggior consumo di tonno o di altri pesci grassi bolliti o cotti al forno, come salmone e sgombro, è stato associato a un miglioramento degli indici HRV e quindi a un minor rischio di esiti aritmici, tra cui morte improvvisa, malattia coronarica aritmica (CHD) e fibrillazione atriale.

Inoltre, un Modello alimentare mediterraneoL'assunzione di vitamine e minerali in quantità sufficiente e il consumo di caffeina sono stati associati a un aumento dell'HRV.

D'altra parte, gli aspetti di un modello alimentare non sano, come una dieta ad alto contenuto di grassi saturi o trans, riducono la HRV. 

Infine, sebbene il fumo di sigarette e il consumo di alcolici siano stati associati negativamente all'HRV, assunzione di vino, in particolare, è associato positivamente e in modo indipendente all'HRV.
Pertanto, la relazione coerente tra HRV e dieta supporta l'idea che l'HRV possa agire come biomarcatore dell'influenza del cibo e della dieta sulla salute.
Anche se è chiaro che la dieta influenza l'HRV, i percorsi alla base di tali effetti sono multifattoriali e piuttosto complessi. È plausibile che l'impatto della dieta sulla HRV agisca indirettamente attraverso cambiamenti nella salute mentale.
Tradizionalmente, la frequenza cardiaca è stata considerata un prodotto della risposta emotiva o dello stress.
Inoltre, molti studi hanno rilevato un'associazione tra salute mentale e HRV. Pertanto, le situazioni impegnative possono provocare un aumento o una diminuzione dell'HRV. Il primo può verificarsi quando un individuo riesce ad autoregolare le richieste della situazione, mentre il secondo può verificarsi quando la situazione è percepita come minacciosa. D'altra parte, l'alimentazione influenza il funzionamento del cervello, la cognizione e l'umore, che si riflettono in variazioni della frequenza cardiaca.
In particolare, il legame tra HRV e disturbi alimentari indica la possibilità di una causalità reciproca. La maggior parte degli studi che hanno analizzato l'HRV nei soggetti affetti da anoressia nervosa ha rilevato una dominanza parasimpatica.
Allo stesso modo, i soggetti affetti da bulimia nervosa sono caratterizzati da una maggiore attività parasimpatica, in particolare HF-HRV. Un altro studio ha rilevato riduzione dell'HRV in coloro che hanno una propensione all'alimentazione disinibita, che è una tendenza a mangiare troppo in presenza di cibi appetibili o di altri stimoli disinibitori, come lo stress emotivo. Infine, una bassa HRV a riposo è stata associata all'adozione di strategie di regolazione delle emozioni disadattive e a problemi di controllo degli impulsi nell'identificazione delle emozioni.

Complessivamente, sembra che gli individui che hanno difficoltà a regolare le proprie emozioni e sono generalmente depressi siano predisposti ad adottare strategie di regolazione delle emozioni come il consumo di cibi "di conforto", con una conseguente diminuzione della qualità della dieta. A sua volta, una dieta di scarsa qualità potrebbe esacerbare ulteriormente la riduzione della HRV. Questi dati suggeriscono che il comportamento alimentare e la qualità della dieta mediano almeno in parte l'associazione tra umore depresso e HRV. Tuttavia, le ricerche future garantiranno prove più solide sulle vie metaboliche che collegano umore, dieta e HRV. Un'ampia gamma di malattie è associata a una riduzione dell'HRV, tra cui CVD, diabete, obesità e disturbi psichiatrici. 

Il legame tra HRV e patologie cardiache

L'interesse principale per l'HRV riguarda il suo potenziale valore prognostico nella CVD e nella morte cardiaca improvvisa. Infatti, l'HRV predice in modo indipendente morte improvvisa nei pazienti coronarici, e un HRV più basso è associato a un successivo aumento 40% del rischio di subire un primo evento cardiovascolare. Complessivamente, una ridotta HRV, che riflette un'aumentata attività del SNS o una ridotta attività del PNS, è stata associata allo sviluppo di molti disturbi cardiovascolari. condizioni cardiovascolaritra cui la coronaropatia, l'ipertensione, l'insufficienza cardiaca e l'infarto, oltre a esiti cardiovascolari sfavorevoli in coloro che sono già malati. In particolare, la riduzione dell'HRV è risultata essere un fattore predittivo indipendente di morbilità e mortalità in seguito a MI. Il rapporto LF/HF è anche risultato inversamente associato ad un rischio di CVD nell'arco della vita. In particolare, gli uomini sani con una ridotta HRV hanno un rischio di CVD più elevato di circa 4% nel corso della vita, mentre le donne sane hanno un rischio più elevato di 8% nel corso della vita. Inoltre, la velocità di insorgenza dell'insufficienza cardiaca e delle aritmie è stata correlata a una ridotta HRV. Inoltre, l'HRV può essere un fattore prognostico indipendente per i soggetti con angina instabile. Quindi, una ridotta HRV è associata a una prognosi peggiore in diverse condizioni mediche correlate al cuore. Poiché le misure dell'HRV sono semplici e non invasive, possono contribuire notevolmente alla prevenzione delle CVD. 

Un possibile meccanismo attraverso il quale l'HRV influenza la salute cardiovascolare è la Proteina C-reattiva (CRP). La CRP è una proteina prodotta dal fegato come risposta all'infiammazione. Livelli più elevati di CRP sono associati a un maggior rischio di CVD. Sia che influisca sull'infiammazione o su altri meccanismi, l'HRV può essere utilizzato come biomarcatore della morbilità e della mortalità cardiaca, nonché della progressione della CVD e delle future complicazioni del rischio. 

HRV e diabete

Gli studi suggeriscono che un'alterazione del funzionamento del sistema nervoso autonomo, riflessa nell'HRV, si verifica durante le prime fasi del diabete e peggiora progressivamente. In uno studio, l'HF-HRV, che indica l'attività del PNS, era più bassa nei diabetici rispetto ai controlli. Si è concluso che le misure di HRV nel dominio della frequenza sono utili per valutare le neuropatie autonomiche e periferiche dei diabetici. In un altro studio, l'HF-HRV nei non diabetici era maggiore in quelli con livelli di insulina a digiuno più bassi. Pertanto, era implicita una relazione tra l'insulino-resistenza, indicata da livelli più elevati di insulina a digiuno, e una minore HRV. Inoltre, dopo un follow-up di 9 anni, c'è stato un calo generale dell'HRV. Nel complesso, l'HRV sembra essere associata inversamente ai livelli di glucosio plasmatico. 

Come l'HRV è correlato ai problemi legati al peso,

Sembra che l'obesità possa alterare l'HRV. Infatti, diversi studi hanno dimostrato un'associazione inversa tra aumento di peso e HRV. In particolare, l'adiposità viscerale può avere un'associazione più forte con l'HRV rispetto al grasso corporeo totale. In uno studio, una perdita di peso media di 3,9 kg in donne in sovrappeso in postmenopausa è stata associata a un aumento dell'HRV. Inoltre, nei soggetti che si erano sottoposti a restrizione calorica per una media di sette anni, diverse misure della metrica HRV erano significativamente più elevate. Complessivamente, una bassa forma fisica cardiorespiratoria e una maggiore massa grassa sono associate a abbassamento dell'HRVcon la prima che è il determinante più forte. Sebbene l'adiposità influisca negativamente sulla HRV, questo effetto può essere reversibile con la perdita di peso e/o la restrizione calorica. 

HRV e malattie psichiatriche

Una disfunzione del sistema nervoso autonomo, con associata riduzione dell'HRV, è stata riscontrata in un'ampia gamma di disturbi psichiatrici, tra cui il disturbo bipolare, i disturbi d'ansia, il disturbo da stress post-traumatico e la schizofrenia. È inoltre dimostrato che gli indici HRV sono ridotti in condizioni caratterizzate da disregolazione emotiva, come la depressione. Confrontando pazienti depressi e controlli sani, i primi presentavano una HRV più bassa, in particolare nei soggetti con sintomi più gravi. È importante notare che l'HRV può prevedere l'insorgenza di una malattia psicologica dieci anni dopo. Visti i legami tra HRV, regolazione delle emozioni e funzionamento esecutivo, è stato proposto che l'HRV sia un biomarcatore di malattia mentale.

Punti di forza

La ricerca suggerisce che l'HRV sia un biomarcatore in individui con varie condizioni cliniche, in particolare di eziologia cardiaca, un indicatore di salute nella comunità generale, nonché uno strumento non invasivo di controllo autonomo della frequenza cardiaca durante le sfide fisiche e mentali. Molti fattori modificabili dello stile di vita possono modulare beneficamente l'HRV, tra cui l'esercizio fisico e la dieta. Le applicazioni e i dispositivi che misurano l'HRV sono sempre più diffusi, soprattutto tra gli atleti, per monitorare diversi aspetti del loro allenamento, tra cui le prestazioni, gli adattamenti all'allenamento e il recupero.