Cardiac autonomic modulation as a human physiologic response to extreme environments

Abstract

Background: Extreme environments, like climatic exposition, arduous exercise, or microgravity, pose great challenges for human adaptability and resilience. Cardiac autonomic modulation in terms of Heart Rate Variability (HRV) may serve to monitor wellbeing and performance during extraordinary challenges, e.g., ultramarathon competition or head-down tilt (HDT) bed rest. Higher vagal drive relates to wellbeing and better endurance training status, and high-intensity interval training may also enhance parasympathetic predominance and preserve autonomic balance. This dissertation investigated the value of short-term morning HRV assessment under strenuous conditions. Hypothetically, greater parasympathetic drive, maintained autonomic balance and orthostatic tolerance, would be observed through both endurance exercise and interval training. Also, the association between vagal drive and wellbeing with better adaptivity and greater performance in extreme environments was aimed to be established. Methods: Heart rate (HR) recordings (at morning) served to assess short-term HRV indices. Performance prediction by pre-race HRV in supine and standing position, related to training experience, was analyzed in competitors (n=25) of a 100 km walking ultramarathon. Additionally, changes in supine HRV and psychometric correlates were investigated throughout a 690 km subarctic ultramarathon (n=16). Finally, the time-course and extent of changes in supine HRV and orthostatic reactivity promoted through 60-day HDT were investigated (n=23) in subjects undergoing high-intensity exercise, and control subjects. Results: Pre-race HRV was comparable between finishers and non-finishers (who withdrew before course completion) in both ultramarathons. In walking ultramarathon athletes, a higher decrease in pre-race vagal drive during position change predicted greater velocity. Standing vagal drive was higher in better vs. poorly trained competitors (HFnu +11.5, p 0.01). During subarctic ultramarathon, supine vagal drive significantly decreased due to in-race challenges but partly recovered in successful athletes directly post-race. A lower baseline resting HR (representing higher parasympathetic drive) predicted a greater velocity (r -0.6, p 0.04). Furthermore, HRV assessment served to monitor the extent and time-course of cardiovascular deconditioning with impaired autonomic balance and orthostatic intolerance (partly persisting post-HDT) through HDT without countermeasures. Regular exercise mitigated detriments, thus preserving vagal drive. Conclusion: Baseline supine HRV may partly predict ultramarathon performance, with additional information on dynamic autonomic adaptability through orthostatism. Continuous HRV measurements mirrored the extent and time-course of detriments promoted by HDT, which were mitigated through exercise. The non-invasive and easily implemented short-term morning HRV measurement sensitively depicted physiological responses to different extreme environments. It may therefore serve to monitor performance, adaptability, and wellbeing, ultimately relating to adaptive capacity and resilience.

Hintergrund: Extreme Umwelten wie klimatische Exposition, außergewöhnliche physische Belastung, oder Schwerelosigkeit, fordern die menschliche Anpassungsfähigkeit und Resilienz heraus. Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit können mittels kardialer autonomer Modulation, gemessen durch Herzratenvariabilität (HRV), unter Extrembedingungen wie Ultramarathon oder Bettruhe in Kopftieflage erfasst werden. Höhere vagale Aktivität ist mit besserer Ausdauer und Leistung assoziiert, und auch hochintensives Intervalltraining kann parasympathische Prädominanz und autonomes Gleichgewicht steigern. Diese Dissertation erforschte die Bedeutung von morgendlicher Kurzzeit-HRV-Messung unter Extrembedingungen. Eine höhere Vagusaktivität und erhaltenes autonomes Gleichgewicht infolge von Ausdauer- und Intervalltraining wurden erwartet. Zudem sollte die Assoziation zwischen Parasympathikus-Aktivität sowie Wohlbefinden, und Anpassungs- sowie Leistungsfähigkeit in extremen Umwelten dargestellt werden. Methodik: Die morgendliche Kurzzeit-HRV wurde durch Herzfrequenzaufzeichnungen erfasst. HRV-Messung (liegende und stehende Position) vor dem Wettkampf wurde, in Relation mit dem Trainingsstatus, zur Leistungsvorhersage in Teilnehmern (n=25) eines 100 km langen Ultramarathons (gehend) verwendet. Veränderungen in HRV-Indizes (liegend) und psychometrischen Korrelaten wurden während eines 690 km langen subarktischen Ultramarathons (n=16) analysiert. Zudem wurden zeitlicher Verlauf und Veränderungen in HRV-Indizes (liegend) und orthostatischer Toleranz während 60-tägiger Bettruhe in Kopftieflage (n=23) in einer Kontroll-, als auch einer Intervalltrainingsgruppe, untersucht. Ergebnisse: HRV-Ausgangswerte zwischen Finishers und Nicht-Finishers (Teilnehmer, die das Ziel nicht erreichten) beider Ultramarathons waren vergleichbar. Eine höhere Wettkampfgeschwindigkeit war im gehenden Ultramarathon mit einem größerem Abfall vagaler Aktivität während aktivem Aufstehen assoziiert. Bei besser vs. schlechter trainierten Athleten stellte sich ein höherer Parasympathikus-Tonus im Stehen dar (HFnu +11.5, p 0.01). Während einem subarktischem Ultramarathon nahm die Vagusaktivität im Liegen infolge der schweren Belastungen ab, erholte sich aber teilweise direkt nach dem Rennen. Eine niedrigere Ruhe-Herzfrequenz (repräsentativ für Vagusaktivität) war zudem mit höherer Geschwindigkeit assoziiert (r -0.6, p 0.04). Zudem spiegelten HRV-Messungen den zeitlichen Verlauf und das Ausmaß von autonomer Dysbalance und orthostatischer Intoleranz (teils persistierend) während und infolge von Bettruhe wider. Regelmäßiges Training konnte dies jedoch abmildern und die Vagusaktivität erhalten. Fazit: HRV-Ausgangswerte konnten partiell zur Vorhersage von Ultramarathonleistung verwendet werden, wobei ein orthostatischer Test zusätzliche Information über die dynamische autonome Anpassungsfähigkeit lieferte. Kontinuierliche HRV-Messungen repräsentierten das Ausmaß und den zeitlichen Verlauf von HRV-Detrimenten und orthostatischer Intoleranz während Bettruhe, welche durch Intervalltraining abgemildert werden konnten. Die morgendliche Kurzzeit-HRV-Messung stellt somit eine einfache, schnell anwendbare nichtinvasive Methode zur Überwachung von Leistungs- und Anpassungsfähigkeit sowie Wohlbefinden in extremen Umwelten dar. Kardiale autonome Modulation, und ihre dynamische Adaptabilität, spielen zusammenfassend eine entscheidende Rolle für die menschliche Anpassungsfähigkeit und Resilienz.