Arq Bras CardiolabcArquivos Brasileiros de CardiologiaArq. Bras. Cardiol.0066-782X1678-4170Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBCZZSSTvgfNYkshTgmp46dm7jS0066-782X201900100073410.5935/abc.20190218Short EditorialThe Neurolinguistics of the Heart0000-0003-3057-514XRivarolaEsteban Wisnivesky1ScanavaccaMauricio2Universidade de São PauloFaculdade de MedicinaHospital das ClÍnicasSão PauloSPBrazilUniversidade de São Paulo - Faculdade de Medicina Hospital das ClÍnicas -Instituto do Coração - Unidade de Arritmia, São Paulo, SP - BrazilUniversidade de São PauloInstituto do CoraçãoUnidade Clínica de ArritmiaSão PauloSPBrazilUniversidade de São Paulo - Instituto do Coração - Unidade Clínica de Arritmia, São Paulo, SP - BrazilMailing Address: Esteban Wisnivesky Rivarola, Universidade de São Paulo - Faculdade de Medicina Hospital das Clínicas -Instituto do Coração - Unidade de Arritmia - Avenida Eneas de Carvalho Aguiar, 44. Postal Code 05403-000, São Paulo, SP - Brazil. E-mail: eteban@hotmail.com041120191020191134734736This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly citedKeywordsHeart Failure;Gini CoefficientStress, Psychological, Action SpectrumSympathetic Nervous SystemParasympathetic Nervous SystemNeurolinguistic Programming
The association between mental stress and cardiac function has always been of major interest. In the 19th century, Claude Bernard, the father of evidence-based medicine, first acknowledged the vagus nerve as a structural and functional link connecting the heart and the brain. Nowadays, stress is considered one of the most significant health problems in modern society, related to the physiopathology of psychiatric, metabolic and cardiovascular diseases, and the search for its biomarkers remains a challenging task for researchers and clinicians.
But what is stress? How can we define it, before we tackle it?
From a phylogenetic point of view, the perception of threat and safety is the core element implicated in mental events related to stress. This threat appraisal works as a trigger of complex neurological processes leading to adaptive adjustments of heart rate, cardiac contractility and vascular resistance that follows sympathetic tone enhancement and parasympathetic withdrawal, and ultimately result in the survival of the individual and of the species. In summary, the heart and the brain are in constant communication in order to keep us from danger.
Although several physiological mechanisms are known to take part in this elaborate neurological circuitry, the autonomic nervous system is, undisputedly, the protagonist. The study "Introduction of Application of Gini Coefficient to Heart Rate Variability Spectrum for Mental Stress Evaluation",1 identified an increase in the low frequency spectral power and in total spectral inequalities (using the Gini coefficient) during a cognitive mental challenge (arithmetic exercise). Interestingly, the 0.1Hz band expression, frequently associated with the arterial baroreflex activation, was significantly increased. Authors therefore proposed these indexes as biomarkers of stress and implicated baroreflex hyperactivity in its psychophysiology.
To the extent that we assume autonomic tonus changes as a reliable sign of mental stress, the heart rate variability (HRV) may indeed provide some interesting information. However, a careful appreciation of the involved neural structures may yield an insight into a sophisticated system and indicate that a reductionist interpretation of the autonomic response pattern may turn out to be misleading.
Observe the peripheric autonomic nervous pathways carefully. Its extrinsic components, mainly comprised by the vagus nerve and the numerous afferent and efferent nerves of the sophisticated sympathetic thoracic chain, are responsible to carry, through the central nervous system and back to the heart, sympathetic and parasympathetic information from baro and chemoreceptors, generating balanced responses that maintain internal homeostasis. Take into consideration that most of these structures are bimodal, with both vagal and sympathetic inputs.2 Close to the epicardial surface, this innervation resolves into the intrinsic system, consisting of a dense net of thousands of neural cells and hundreds of epicardial ganglia, plentifully located in the atrial surface.3,4 Cardiac ganglia work as integrative centers, where efferent data can be modulated, so the whole system can flexibly respond to a wide range of stimuli.5 This modulation, this capacity to provide adaptive control over the periphery, is the hallmark of the autonomic nervous system.
Intrinsic and extrinsic systems are connected to the central nervous system. Here is where things start getting tricky. By using PET Scan and MRI, a series of neuroimaging studies6,7 describe a central autonomic network,7 containing cortical and subcortical areas, through which the brain controls visceromotor functions and goal-directed behavior. The network includes prefrontal cortices, the central nucleus of the amygdala, the paraventricular nucleus of the hypothalamus, the parabrachial nucleus, the nucleus of the solitary tract, and the nucleus ambiguous, among others. All these components are reciprocally interconnected, and the interplay of these inputs provides flexible adjustments. The system essentially operates as a continuous integration of concepts such as “self” and “danger” with external perceptions and memory into Gestalt representations, generating likely responses.
After appraising a potential threat, a primitive quick mental stress reaction arises from the amygdala. The reaction to uncertainty or danger is a relatively simple sympathoexcitatory state known as “fight or flight”, that in its pristine form results in a rather predictable HR increment. However, this initial perception often gives way to more elaborate mental interpretations as certain cortical areas action unfolds. The frontal cortex (FC), and medial preFC in particular, has a significant role by activating GABAergic pathways exerting inhibitory control over an activated amygdala.7 The more abstract the stressful event, the more important and modulated the inhibition of subcortical cardioacceleratory circuits are, meaning that all these neural structures can be differentially recruited depending on the nature of the challenge, creating context-specific response patterns.
Complex tasks requiring cognitive functions, such as arithmetic, online processing and manipulation of information are highly dependent on this reciprocal downregulation between the cortex and the amygdala.8 The resultant HRV takes so many variables into account that defining specific spectral bands as reliable biomarkers, assuming a mechanistic causality, seems unlikely, especially so when it comes to abstract stressful contexts, such as expectations of future outcomes, emotional conditions and representation of economic values.7
To illustrate this limitation, in a very simplified way, imagine you are about to take a math test. At first, the challenge may disturb you, being felt as “danger”, and so the amygdala nucleus promptly triggers a vagal withdraw (affecting both high and low frequency spectral powers) and a sympathoexcitatory reflex (modifying low frequency spectra). A few minutes later you realize you can handle it and start feeling confident. It is just going to take a little focus. A more accurate Gestalt representation has now been reached. By activating a GABA pathway, three main different areas of your preFC engage: 1-posterior and dorsal region of the rostral preFC (linked to cognitive functions), 2-dorso medial preFC (reliably related to social cognition) and finally 3- medial-orbitoFC and anterior ventral preFC (associated with autonomic aspects of emotional contexts and to “reward and punishment”).6,7
Exerting a balanced inhibitory control over the amygdala through an integrated Central Autonomic Network, these anatomic structures guide goal-directed behavior and adaptability and ultimately dictates the amount of acetylcholine and norepinephrine to be released from the post-ganglionic fibers close to the sinus node, reshaping HRV spectra once again. Keep in mind that genetic background and cognitive performance may influence all these processes significantly.7
What is the value of HRV on assessing stress, then? As of 1965, Hon and Lee9 had already identified inter-beat interval patterns preceding severe fetal distress even before a perceivable change in fetal heart rate. Undoubtedly, HRV has been proven to be an essential index of adaptability of the organism, and therefore, extensively studied under a wide range of stressful stimuli. Conflicting results, however, suggest distinct reactions to different forms of stress. While some authors demonstrated a global increase in HRV after exposure to noise,10,11 public speech tasks12 and sustained attention,13 others found a global HRV reduction during memory14 and cognitive tasks.15 Emotional conditions have been proven to correlate with high-frequency band reduction by some authors,16 and yet to be neutral by others.12
We are far from relying on surrogate endpoints to understand the different parts of the link between heart and brain. Even by using much more sophisticated techniques, such as regional cerebral blood flow neuroimaging, we are still scratching the surface of this intricate physiology. HRV could be an interesting tool for detecting general features of the stress response, although unreliable for distinguishing its complex mechanisms.
Short Editorial related to the article: Introduction of Application of Gini Coefficient to Heart Rate Variability Spectrum for Mental Stress Evaluation
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A associação entre estresse mental e função cardíaca sempre foi de grande interesse. No século 19, Claude Bernard, pai da Medicina baseada em evidências, reconheceu o nervo vago pela primeira vez como um elo estrutural e funcional que conecta o coração e o cérebro. Atualmente, o estresse é considerado um dos problemas de saúde mais significativos da sociedade moderna, relacionado à fisiopatologia das doenças psiquiátricas, metabólicas e cardiovasculares, e a busca por seus biomarcadores continua sendo uma tarefa desafiadora para pesquisadores e clínicos.
Mas o que é estresse? Como podemos defini-lo antes de enfrentá-lo?
Do ponto de vista filogenético, a percepção de ameaça e segurança é o elemento central implicado em eventos mentais relacionados ao estresse. Essa avaliação da ameaça funciona como um gatilho de processos neurológicos complexos, levando a ajustes adaptativos, como frequência cardíaca, contratilidade cardíaca e aumentos na resistência vascular, que se seguem ao aumento do tônus simpático e à retirada parassimpática e, finalmente, resultam na sobrevivência do indivíduo e da espécie. Em resumo, o coração e o cérebro estão em constante comunicação para nos manter longe do perigo.
Embora se saiba que vários mecanismos fisiológicos participam desse sofisticado circuito neurológico, o sistema nervoso autônomo é, indiscutivelmente, o protagonista. O estudo “Introdução da Aplicação do Coeficiente de Gini ao Espectro de Variabilidade da Frequência Cardíaca para Avaliação do Estresse Mental”,1 identificou um aumento na potência espectral de baixa frequência e nas desigualdades espectrais totais (utilizando o coeficiente de Gini) durante um desafio mental cognitivo (exercício aritmético). Curiosamente, a expressão da banda de 0,1Hz, frequentemente associada à ativação do barorreflexo arterial, aumentou significativamente. Os autores propuseram, portanto, que esses índices fossem utilizados como biomarcadores de estresse e implicaram a hiperatividade barorreflexa em sua psicofisiologia.
Na medida em que assumimos alterações do tônus autonômico como um sinal confiável de estresse mental, a variabilidade da frequência cardíaca (VFC) pode realmente fornecer algumas informações interessantes. Entretanto, uma avaliação cuidadosa das estruturas neurais envolvidas pode fornecer uma clara visão de um sistema sofisticado e indicar que uma interpretação reducionista do padrão de resposta autonômica pode se revelar enganosa.
Observe atentamente as vias nervosas autonômicas periféricas. Seus componentes extrínsecos, compostos principalmente pelo nervo vago e pelos numerosos nervos aferentes e aferentes da sofisticada cadeia simpática torácica, são responsáveis por transportar, através do sistema nervoso central e de volta ao coração, as informações simpáticas e parassimpáticas dos baro- e quimiorreceptores, gerando respostas equilibradas que mantêm a homeostase interna. Leve em consideração que a maioria deles é bimodal, com entradas vagais e simpáticas.2 Perto da superfície epicárdica, essa inervação se resolve no sistema intrínseco, constituído por uma rede densa de milhares de células neurais e centenas de gânglios epicárdicos, abundantemente localizados na superfície atrial.3,4 Os gânglios cardíacos funcionam como centros integradores, onde os dados eferentes podem ser modulados, de forma que o sistema todo possa responder com flexibilidade a uma ampla gama de estímulos.5 Essa modulação, essa capacidade de fornecer controle adaptativo sobre a periferia, é a marca do sistema nervoso autônomo.
Sistemas intrínsecos e extrínsecos estão conectados às estruturas do sistema nervoso central. Aqui é onde as coisas começam a ficar complicadas. Utilizando PET-CT e RM, uma série de estudos de neuroimagem6,7 descreve uma rede autonômica central,7 contendo áreas corticais e subcorticais, através das quais o cérebro controla as funções visceromotoras e o comportamento direcionado a objetivos.
A rede inclui os córtices pré-frontais, o núcleo central da amígdala, o núcleo paraventricular do hipotálamo, o núcleo parabraquial, o núcleo do trato solitário e o núcleo ambíguo, entre outros. Todos esses componentes estão reciprocamente interconectados, e a interação dessas entradas fornece ajustes flexíveis. O sistema opera essencialmente como uma integração contínua de conceitos como “eu” e “perigo” com percepções externas e memórias nas representações da Gestalt, gerando respostas prováveis.
Depois de avaliar uma ameaça em potencial, uma reação de estresse mental rápida e primitiva surge da amígdala. A reação à incerteza ou ao perigo é um estado simpático-excitatório relativamente simples, conhecido como “lutar ou fugir”, que em sua forma primitiva resulta em um incremento previsível da FC. Contudo, essa percepção inicial geralmente dá lugar a interpretações mentais mais elaboradas, à medida que certas ações das áreas corticais se revelam.
O córtex frontal (CF) e, em particular, o córtex pré-frontal (CPF) medial, têm um papel significativo ao ativar as vias GABAérgicas que exercem controle inibitório sobre uma amígdala ativada.7 Quanto mais abstrato o evento estressante, mais importante e modulada é a inibição dos circuitos cardioaceleratórios subcorticais, o que significa que todas essas estruturas neurais podem ser recrutadas diferencialmente, dependendo da natureza do desafio, criando padrões de resposta específicos ao contexto.
Tarefas complexas que requerem funções cognitivas, como a aritmética, processamento e manipulação de informações online, são altamente dependentes dessa downregulação recíproca entre o córtex e a amígdala.8 A VFC resultante leva em consideração tantas variáveis que parece improvável definir bandas espectrais específicas como biomarcadores confiáveis, assumindo uma causalidade mecanicista, especialmente quando se trata de contextos estressantes abstratos, como expectativas de resultados futuros, condições emocionais e representação de valores econômicos.7
Para ilustrar essa limitação, de uma maneira muito simplificada, imagine que você está prestes a fazer uma prova de matemática. No início, o desafio pode perturbá-lo, o que é inicialmente considerado um “perigo”, e assim o núcleo da amígdala imediatamente desencadeia uma retirada vagal (afetando as potências espectrais de alta e baixa frequência) e um reflexo simpático-excitatório (modificando os espectros de baixa frequência). Alguns minutos depois, você percebe que pode lidar com isso e começa a se sentir confiante. Você só irá necessitar de um pouco de concentração. Uma representação mais precisa da Gestalt foi alcançada. Ao ativar uma via GABA, três principais áreas diferentes do seu CPF são envolvidos: 1-região posterior e dorsal do CPF rostral (vinculado a funções cognitivas); 2- CPF dorsomedial (confiavelmente relacionado à cognição social) e finalmente 3- CPF medial-orbital e CPF ventral-anterior (associados a aspectos autonômicos de contextos emocionais e à “recompensa e punição”).6,7
Ao exercer um controle inibitório equilibrado sobre a amígdala através de uma Rede Autonômica Central integrada, essas estruturas anatômicas orientam o comportamento e a adaptabilidade direcionados a objetivos e, finalmente, ditam a quantidade de acetilcolina e norepinefrina a serem liberadas das fibras pós-ganglionares próximas ao nó sinusal, remodelando os espectros da VFC mais uma vez. Lembre-se de que o histórico genético e o desempenho cognitivo podem influenciar significativamente todos esses processos.7
Qual é o valor da VFC na avaliação do estresse, então? Desde 1965, Hon e Lee9 já haviam identificado padrões de intervalo entre batimentos anteriores ao sofrimento fetal grave, mesmo antes de uma mudança perceptível na frequência cardíaca fetal. Sem dúvida, foi comprovado que a VFC é um índice essencial de adaptabilidade do organismo e, portanto, tem sido estudado extensivamente sob uma ampla gama de estímulos estressantes. Resultados conflitantes, no entanto, sugerem reações distintas a diferentes formas de estresse. Enquanto alguns autores demonstraram um aumento global da VFC após exposição ao ruído,10,11 tarefas envolvendo discurso público12 e atenção sustentada,13 outros encontraram uma redução global da VFC durante tarefas envolvendo memória14 e cognição15. Alguns autores provaram que as condições emocionais se correlacionam com a redução da banda de alta frequência16, e outros, que elas são neutras.12
Ainda estamos longe de confiar em endpoints substitutos para entender as diferentes partes da associação entre o coração e o cérebro. Mesmo utilizando técnicas muito mais sofisticadas, como a neuroimagem do fluxo sanguíneo cerebral regional, ainda estamos arranhando a superfície dessa intricada fisiologia. A VFC pode ser uma ferramenta interessante para detectar características gerais da resposta ao estresse, embora não seja confiável para distinguir entre seus mecanismos complexos.
Minieditorial referente ao artigo: Introdução da Aplicação do Coeficiente de Gini ao Espectro de Variabilidade da Frequência Cardíaca para Avaliação do Estresse Mental