Behavioural correlates of ocular accomodation and the autonomic nervous system

The binding issue of th is thesis was the examination of workload, induced by relinotopic and spatiotopic stimuli, on both the ocu lomotor and cardiovascular systems together with investigating the covariation between the two systems - the 'eye-heart' link. Further, the influence of refractive error on ocular accommodation and cardiovascular function was assessed. A clinical evaluation was undertaken to assess the newly available open-view infrared Shin-Nippon NVision-K 5001 optometer, its benefit being the capability to measure through pupils = 2.3 mm. Measurements of refractive error taken with the NVision-K were found to be both accurate (Difference in Mean Spherical Equivalent: 0.14 ± 0.35 D; p = 0.67) and repeatable when compared to non-cycloplegic subjective refraction. Due to technical difficulties, however, the NVision-K could not be used for the purpose of the thesis, as such, measures of accommodation were taken using the continuously recording Shin-Nippon SRW-5000 openview infrared optometer, coupled with a piezo-electric finger pulse transducer to measure pulse. Heart rate variability (HRV) was spectrally analysed to determine the systemic sympathetic and parasympathetic components of the autonomic nervous system (ANS). A large sample (n = 60), cross-sectional study showed late-onset myopes (LOMs) display less accurate responses when compared to other refractive groups at high accommodative demand levels (3 .0 0 and 4.0D). Tonic accommodation (TA) was highest in the hypermetropes, fo llowed by emmetropes and early-onset myopes while the LOM subjects demonstrated statistically significant lower levels of TA. The root-meansquare (RMS) value of the accommodative response was shown to amplify with increased levels of accommodative demand. Changes in refractive error only became significant between groups at higher demand levels (3.0 D and 4.0 D) with the LOMs showing the largest magnification in oscilIations. Examination of the stimulus-response cross-over point with the unit ratio line and TA showed a correlation between the two (r = 0.45, p = 0.001), where TA is approximately twice the dioptric value of the stimulus-response cross-over point. Investigation of the relationship between ocular accommodation and systemic ANS function demonstrated covariation between the systems. Subjects with a faster heart rate (lower heart period) tended to have a higher TA value (r = -0.27, p < 0.05). Further, an increase in accommodative demand accompanies a faster heart rate. The influence of refractive error on the cardiovascular response to changes in accommodative demand, however, was equivocal. Examination of the microfluctuations ofacconunodation demonstrated a correlation between the temporal frequency location of the accommodative high Frequency component (HFC) and the arterial pulse frequency. The correlation was present at a range of accommodative demands from 0.0 D to 4.0 D and in all four refractive groups, suggesting that the HFC was augmented by physiological factors. Examination of the effect of visual cognition on ocular accommodation and the ANS confirmed that increasing levels of cognition affect the accommodative mechanism. The accommodative response shifted away from the subject at both near and far. This shift in accommodative response accompanied a decay in the systemic parasympathetic innervation to the heart. Differences between refractive groups also existed with LOMs showing less accurate responses compared to emmetropes. This disparity, however, appeared to be augmented by the systemic sympathetic nervous system. The investigations discussed explored Ihe role of oculomotor and cardiovascular fu nction in workload enviromnents, providing evidence for a behavioural link between the cardiovascular and oculomotor systems.

Autonomic nervous system, circadian rhythms, and primary open-angle glaucoma

The etiology of primary open-angle glaucoma (POAG) remains the subject of continuing investigation. Despite the many known risk factors and mechanism of damage, the principal treatment objectives in POAG still consist of reduction of intraocular pressure, which although straightforward in many cases, often leaves the clinician with the question of how far to pursue a sufficiently low pressure to prevent further damage. Other risk factors such as hemodynamic insufficiency due to vascular dysregulation and abnormal blood pressure are often overlooked in the day-to-day practice; their harmful effects for glaucoma are, it seems, more potent at night while the patient sleeps and when clinical investigation is most difficult. Although the status of autonomic nervous system is an important determinant of the systemic hemodynamic parameters, this issue is usually ignored by the clinician in the process of glaucoma diagnosis. Consequently, there is a lack of alternative therapies tailored to address associated systemic risk factors for POAG on a case and chronological basis; this approach could be more effective in preventing the progression and visual loss in selected glaucoma cases. © 2004 Elsevier Inc. All rights reserved.

Drugs and the autonomic nervous system

The nervous systems can initially be divided up into the central and peripheral nervous systems. The central nervous system is the brain and spinal cord and drugs that modify the central nervous system are considered as a subject in systematic pharmacology (therapeutics) section. Everything neural, other that the central nervous system, can be considered peripheral nervous systems. The peripheral nervous systems can be divided into the autonomic(involuntary) nervous system, which is the system that performs without your conscious help, and the somatic or voluntary nervous system, which you can consciously control(Figure 7.1). In addition the autonomic nervous system is divided into the sympathetic and parasympathetic nervous systems...

Cardiovascular risk and mortality in end-stage renal disease patients undergoing dialysis: sleep study, pulmonary function, respiratory mechanics, upper airway collapsibility, autonomic nervous activity, depression, anxiety, stress and quality of life: a prospective, double blind, randomized controlled clinical trial

Background: Chronic kidney disease (CKD) is one of the most serious public health problems. The increasing prevalence of CKD in developed and developing countries has led to a global epidemic. The hypothesis proposed is that patients undergoing dialysis would experience a marked negative influence on physiological variables of sleep and autonomic nervous system activity, compromising quality of life.Methods/Design: A prospective, consecutive, double blind, randomized controlled clinical trial is proposed to address the effect of dialysis on sleep, pulmonary function, respiratory mechanics, upper airway collapsibility, autonomic nervous activity, depression, anxiety, stress and quality of life in patients with CKD. The measurement protocol will include body weight (kg); height (cm); body mass index calculated as weight/height(2); circumferences (cm) of the neck, waist, and hip; heart and respiratory rates; blood pressures; Mallampati index; tonsil index; heart rate variability; maximum ventilatory pressures; negative expiratory pressure test, and polysomnography (sleep study), as well as the administration of specific questionnaires addressing sleep apnea, excessive daytime sleepiness, depression, anxiety, stress, and quality of life.Discussion: CKD is a major public health problem worldwide, and its incidence has increased in part by the increased life expectancy and increasing number of cases of diabetes mellitus and hypertension. Sleep disorders are common in patients with renal insufficiency. Our hypothesis is that the weather weight gain due to volume overload observed during interdialytic period will influence the degree of collapsibility of the upper airway due to narrowing and predispose to upper airway occlusion during sleep, and to investigate the negative influences of haemodialysis in the physiological variables of sleep, and autonomic nervous system, and respiratory mechanics and thereby compromise the quality of life of patients.

Role of Training and Detraining on Inflammatory and Metabolic Profile in Infarcted Rats: Influences of Cardiovascular Autonomic Nervous System

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Automatic risk evaluation in elderly patients based on Autonomic Nervous System assessment

Dysfunction of Autonomic Nervous System (ANS) is a typical feature of chronic heart failure and other cardiovascular disease. As a simple non-invasive technology, heart rate variability (HRV) analysis provides reliable information on autonomic modulation of heart rate. The aim of this thesis was to research and develop automatic methods based on ANS assessment for evaluation of risk in cardiac patients. Several features selection and machine learning algorithms have been combined to achieve the goals. Automatic assessment of disease severity in Congestive Heart Failure (CHF) patients: a completely automatic method, based on long-term HRV was proposed in order to automatically assess the severity of CHF, achieving a sensitivity rate of 93% and a specificity rate of 64% in discriminating severe versus mild patients. Automatic identification of hypertensive patients at high risk of vascular events: a completely automatic system was proposed in order to identify hypertensive patients at higher risk to develop vascular events in the 12 months following the electrocardiographic recordings, achieving a sensitivity rate of 71% and a specificity rate of 86% in identifying high-risk subjects among hypertensive patients. Automatic identification of hypertensive patients with history of fall: it was explored whether an automatic identification of fallers among hypertensive patients based on HRV was feasible. The results obtained in this thesis could have implications both in clinical practice and in clinical research. The system has been designed and developed in order to be clinically feasible. Moreover, since 5-minute ECG recording is inexpensive, easy to assess, and non-invasive, future research will focus on the clinical applicability of the system as a screening tool in non-specialized ambulatories, in order to identify high-risk patients to be shortlisted for more complex investigations.

Training-related modulations of the autonomic nervous system in endurance athletes: is female gender cardioprotective?

The risk of sudden death is increased in athletes with a male predominance. Regular physical activity increases vagal tone, and may protect against exercise-induced ventricular arrhythmias. We investigated training-related modulations of the autonomic nervous system in female and male endurance athletes. Runners of a 10-mile race were invited. Of 873 applicants, 68 female and 70 male athletes were randomly selected and stratified according to their average weekly training hours in a low (≤4 h) and high (>4 h) volume training group. Analysis of heart rate variability was performed over 24 h. Spectral components (high frequency [HF] and low frequency [LF] power in normalized units) were analyzed for hourly 5 min segments and averaged for day- and nighttime. One hundred and fourteen athletes (50 % female, mean age 42 ± 7 years) were included. No significant gender difference was observed for training volume and 10-mile race time. Over the 24-h period, female athletes exhibited a higher HF and lower LF power for each hourly time-point. Female gender and endurance training hours were independent predictors of a higher HF and lower LF power. In female athletes, higher training hours were associated with a higher HF and lower LF power during nighttime. In male athletes, the same was true during daytime. In conclusion, female and male athletes showed a different circadian pattern of the training-related increase in markers of vagal tone. For a comparable amount of training volume, female athletes maintained their higher markers of vagal tone, possibly indicating a superior protection against exercise-induced ventricular arrhythmias.

The ventro-medial prefrontal cortex: a major link between the autonomic nervous system, regulation of emotion, and stress reactivity?

ABSTRACT: Recent progress in neuroscience revealed diverse regions of the CNS which moderate autonomic and affective responses. The ventro-medial prefrontal cortex (vmPFC) plays a key role in these regulations. There is evidence that vmPFC activity is associated with cardiovascular changes during a motor task that are mediated by parasympathetic activity. Moreover, vmPFC activity makes important contributions to regulations of affective and stressful situations.This review selectively summarizes literature in which vmPFC activation was studied in healthy subjects as well as in patients with affective disorders. The reviewed literature suggests that vmPFC activity plays a pivotal role in biopsychosocial processes of disease. Activity in the vmPFC might link affective disorders, stressful environmental conditions, and immune function.

Pleasant sweeping grooming touch in rhesus monkey: effects on autonomic nervous system and its codification in posterior insular and secondary somatosensory cortex

Il tatto assume un'importanza fondamentale nella vita quotidiana, in quanto ci permette di discriminare le caratteristiche fisiche di un oggetto specifico, di identificarlo e di eventualmente integrare le suddette informazioni tattili con informazioni provenienti da altri canali sensoriali. Questa è la componente sensoriale-discriminativa del tatto. Tuttavia quotidianamente il tatto assume un ruolo fondamentale durante le diverse interazioni sociali, positive, come quando abbracciamo o accarezziamo una persona con cui abbiamo un rapporto affettivo e negative, per esempio quando allontaniamo una persona estranea dal nostro spazio peri-personale. Questa componente è la cosiddetta dimensione affettiva-motivazionale, la quale determina la codifica della valenza emotiva che l'interazione assume. Questa componente ci permette di creare, mantenere o distruggere i legami sociali in relazione al significato che il tocco assume durante l'interazione. Se per esempio riceviamo una carezza da un familiare, questa verrà percepita come piacevole e assumerà un significato affiliativo. Questo tipo di tocco è comunente definito come Tocco Sociale (Social Touch). Gli aspetti discriminativi del tatto sono stati ben caratterizzati, in quanto storicamente, il ruolo del tatto è stato considerato quello di discriminare le caratteristiche di ciò che viene toccato, mentre gli aspetti affettivi sono stati solo recentemente indagati considerando la loro importanza nelle interazioni sociali. Il tocco statico responsabile dell'aspetto discriminante attiva a livello della pelle le grandi fibre mieliniche (Aβ), modulando a livello del sistema nervoso centrale le cortecce sensoriali, sia primarie che secondarie. Questo permette la codifica a livello del sistema nervoso centrale delle caratteristiche fisiche oggettive degli oggetti toccati. Studi riguardanti le caratteristiche del tocco affiliativo sociale hanno messo in evidenza che suddetta stimolazione tattile 1) è un particolare tocco dinamico che avviene sul lato peloso delle pelle con una velocità di 1-10 cm/sec; 2) attiva le fibre amieliniche (fibre CT o C-LTMRs); 3) induce positivi effetti autonomici, ad esempio la diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca; e 4) determina la modulazione di regioni cerebrali coinvolte nella codifica del significato affiliativo dello stimolo sensoriale periferico, in particolare la corteccia insulare. Il senso del tatto, con le sue due dimensioni discriminativa e affiliativa, è quotidianamente usato non solo negli esseri umani, ma anche tra i primati non umani. Infatti, tutti i primati non umani utilizzano la componente discriminativa del tatto per identificare gli oggetti e il cibo e l'aspetto emotivo durante le interazioni sociali, sia negative come durante un combattimento, che positive, come durante i comportamenti affiliativi tra cui il grooming. I meccanismi di codifica della componente discriminativa dei primati non umani sono simili a quelli umani. Tuttavia, si conosce ben poco dei meccanismi alla base della codifica del tocco piacevole affiliativo. Pur essendo ben noto che i meccanorecettori amilienici C-LTMRs sono presenti anche sul lato peloso della pelle dei primati non umani, attualmente non ci sono studi riguardanti la correlazione tra il tocco piacevole e la loro modulazione, come invece è stato ampiamente dimostrato nell'uomo. Recentemente è stato ipotizzato (Dunbar, 2010) il ruolo delle fibre C-LTMRs durante il grooming, in particolare durante il cosiddetto swepping. Il grooming è costituito da due azioni motorie, lo sweeping e il picking che vengono eseguite in modo ritmico. Durante lo sweeping la scimmia agente muove il pelo della scimmia ricevente con un movimento a mano aperta, per poter vedere il preciso punto della pelle dove eseguire il picking, ovvero dove prendere la pelle a livello della radice del pelo con le unghie dell'indice e del pollice e tirare per rimuovere parassiti o uova di parassiti e ciò che è rimasto incastrato nel pelo. Oltre il noto ruolo igenico, il grooming sembra avere anche una importante funzione sociale affiliativa. Come la carezza nella società umana, cosi il grooming tra i primati non umani è considerato un comportamento. Secondo l'ipotesi di Dunbar l'attivazione delle C-LTMRs avverrebbe durante lo sweeping e questo porta a supporre che lo sweeping, come la carezza umana, costituisca una componente affiliativa del grooming, determinando quindi a contribuire alla sua codifica come comportamento sociale. Fino ad ora non vi è però alcuna prova diretta a sostegno di questa ipotesi. In particolare, 1) la velocità cui viene eseguito lo sweeping è compatibile con la velocità di attivazione delle fibre CT nell'uomo e quindi con la velocità tipica della carezza piacevole di carattere sociale affiliativo (1-10 cm/sec)?; 2) lo sweeping induce la stessa modulazione del sistema nervoso autonomo in direzione della modulazione del sistema vagale, come il tocco piacevole nell'uomo, attraverso l'attivazione delle fibre CT?; 3) lo sweeping modula la corteccia insulare, cosi come il tocco piacevole viene codificato come affiliativo nell'uomo mediante le proiezioni delle fibre CT a livello dell'insula posteriore? Lo scopo del presente lavoro è quella di testare l'ipotesi di Dunbar sopra citata, cercando quindi di rispondere alle suddette domande. Le risposte potrebbero consentire di ipotizzare la somiglianza tra lo sweeping, caratteristico del comportamento affiliativo di grooming tra i primati non umani e la carezza. In particolare, abbiamo eseguito 4 studi pilota. Nello Studio 1 abbiamo valutato la velocità con cui viene eseguito lo sweeping tra scimmie Rhesus, mediante una analisi cinematica di video registrati tra un gruppo di scimmie Rhesus. Negli Studi 2 e 3 abbiamo valutato gli effetti sul sistema nervoso autonomo dello sweeping eseguito dallo sperimentatore su una scimmia Rhesus di sesso maschile in una tipica situazione sperimentale. La stimolazione tattile è stata eseguita a diverse velocità, in accordo con i risultati dello Studio 1 e degli studi umani che hanno dimostrato la velocità ottimale e non ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs. In particolare, nello Studio 2 abbiamo misurato la frequenza cardiaca e la variabilità di questa, come indice della modulatione vagale, mentre nello Studio 3 abbiamo valutato gli effetti dello sweeping sul sistema nervoso autonomo in termini di variazioni di temperatura del corpo, nello specifico a livello del muso della scimmia. Infine, nello Studio 4 abbiamo studiato il ruolo della corteccia somatosensoriale secondaria e insulare nella codifica dello sweeping. A questo scopo abbiamo eseguito registrazioni di singoli neuroni mentre la medesima scimmia soggetto sperimentale dello Studio 2 e 3, riceveva lo sweeping a due velocità, una ottimale per l'attivazione delle C-LTMRs secondo gli studi umani e i risultati dei tre studi sopra citati, ed una non ottimale. I dati preliminari ottenuti, dimostrano che 1) (Studio 1) lo sweeping tra scimmie Rhesus viene eseguito con una velocità media di 9.31 cm/sec, all'interno dell'intervallo di attivazione delle fibre CT nell'uomo; 2) (Studio 2) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina una diminuzione della frequenza cardiaca e l'aumento della variabilità della frequenza cardiaca se eseguito alla velocità di 5 e 10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 1 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina l'aumento della frequenza cardiaca e la diminuzione della variabilità di questa, quindi il decremento dell'attivazione del sistema nervoso parasimpatico; 3) (Studio 3) lo sweeping eseguito dallo sperimentatore sulla schiena di una scimmia Rhesus di sesso maschile in una situazione sperimentale determina l'aumento della temperatura corporea a livello del muso della scimmia se eseguito alla velocità di 5-10 cm/sec. Al contrario, lo sweeping eseguito ad una velocità minore di 5 cm/sec o maggiore di 10 cm/sec, determina la diminuzione della temperatura del muso; 4) (Studio 4) la corteccia somatosensoriale secondaria e la corteccia insulare posteriore presentano neuroni selettivamente modulati durante lo sweeping eseguito ad una velocità di 5-13 cm/sec ma non neuroni selettivi per la codifica della velocità dello sweeping minore di 5 cm/sec. Questi risultati supportano l'ipotesi di Dunbar relativa al coinvolgimento delle fibre CT durante lo sweeping. Infatti i dati mettono in luce che lo sweeping viene eseguito con una velocità (9.31 cm/sec), simile a quella di attivazione delle fibre CT nell'uomo (1-10 cm/sec), determina gli stessi effetti fisiologici positivi in termini di frequenza cardiaca (diminuzione) e variabilità della frequenza cardiaca (incremento) e la modulazione delle medesime aree a livello del sistema nervoso centrale (in particolare la corteccia insulare). Inoltre, abbiamo dimostrato per la prima volta che suddetta stimolazione tattile determina l'aumento della temperatura del muso della scimmia. Il presente studio rappresenta la prima prova indiretta dell'ipotesi relativa alla modulazione del sistema delle fibre C-LTMRs durante lo sweeping e quindi della codifica della stimolazione tattile piacevole affiliativa a livello del sistema nervoso centrale ed autonomo, nei primati non umani. I dati preliminari qui presentati evidenziano la somiglianza tra il sistema delle fibre CT dell'uomo e del sistema C-LTMRs nei primati non umano, riguardanti il Social Touch. Nonostante ciò abbiamo riscontrato alcune discrepanze tra i risultati da noi ottenuti e quelli invece ottenuti dagli studi umani. La velocità media dello sweeping è di 9.31 cm / sec, rasente il limite superiore dell’intervallo di velocità che attiva le fibre CT nell'uomo. Inoltre, gli effetti autonomici positivi, in termini di battito cardiaco, variabilità della frequenza cardiaca e temperatura a livello del muso, sono stati evidenziati durante lo sweeping eseguito con una velocità di 5 e 10 cm/sec, quindi al limite superiore dell’intervallo ottimale che attiva le fibre CT nell’uomo. Al contrario, lo sweeping eseguito con una velocità inferiore a 5 cm/sec e superiore a 10 cm/sec determina effetti fisiologici negativo. Infine, la corteccia insula sembra essere selettivamente modulata dallo stimolazione eseguita alla velocità di 5-13 cm/sec, ma non 1-5 cm/sec. Quindi, gli studi sul sistema delle fibre CT nell’uomo hanno dimostrato che la velocità ottimale è 1-10 cm/sec, mentre dai nostri risultati la velocità ottimale sembra essere 5-13 cm / sec. Quindi, nonostante l'omologia tra il sistema delle fibre CT nell'umano deputato alla codifica del tocco piacevole affiliativo ed il sistema delle fibre C-LTMRs nei primati non umani, ulteriori studi saranno necessari per definire con maggiore precisione la velocità ottimale di attivazione delle fibre C-LTMR e per dimostrare direttamente la loro attivazione durante lo sweeping, mediante la misurazione diretta della loro modulazione. Studi in questa direzione potranno confermare l'omologia tra lo sweeping in qualità di tocco affiliativo piacevole tra i primati non umani e la carezza tra gli uomini. Infine, il presente studio potrebbe essere un importante punto di partenza per esplorare il meccanismo evolutivo dietro la trasformazione dello sweeping tra primati non umani, azione utilitaria eseguita durante il grooming, a carezza, gesto puramente affiliativo tra gli uomini.