Arq Bras Cardiol abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC fcfqSJBxd3b4pRwwvbwdGyh S0066-782X2022005014203 S0066-782X2022001100766 abc.20211058 10.36660/abc.20211058 Artigo Original Mapeamento Potencial de Superfície Corporal durante a Despolarização Ventricular em Ratos Após Exercício Exaustivo Agudo 0000-0001-6140-1252 Ivonin Alexey G. 1 Smirnova Svetlana L. 1 Roshchevskaya Irina M. 1 2 Department of Comparative Cardiology Komi Scientific Centre of the Ural Branch Russian Academy of Sciences Syktyvkar Federação Russa Department of Comparative Cardiology – Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences , Syktyvkar – Federação Russa Laboratory of Pharmacological Screening Research Zakusov Institute of Pharmacology Moscow Federação Russa Laboratory of Pharmacological Screening – Research Zakusov Institute of Pharmacology , Moscow – Federação Russa Correspondência: Alexey G. Ivonin • Department of Comparative Cardiology – Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences – 24 Kommunisticheskaya str. Syktyvkar 167982 – Federação Russa E-mail: alexivonin@mail.ru

Contribuição dos autores

Concepção e desenho da pesquisa, Obtenção de dados e Revisão crítica do manuscrito quanto ao conteúdo intelectual importante: Ivonin AG, Smirnova SL, Roshchevskaya IM; Análise e interpretação dos dados: Ivonin AG, Roshchevskaya IM; Análise estatística e Redação do manuscrito: Ivonin AG.

Potencial conflito de interesse

Não há conflito com o presente artigo.

 06 09 2022 11 2022 119 5 766 775 30 12 2021 03 04 2022 01 06 2022 This 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 cited. Resumo Fundamento

O exercício físico exaustivo pode causar alterações significantes nas propriedades elétricas do miocárdio.

 Objetivo

Avaliar, através do mapeamento potencial de superfície corporal, a atividade elétrica do coração de ratos durante a despolarização ventricular após exercício exaustivo agudo.

 Métodos

Ratos machos com doze semanas de idade foram submetidos a exercício agudo em esteira a 36 m/min até a exaustão. Eletrocardiogramas unipolares (ECGs) da superfície do tronco foram registrados em ratos anestesiados com zoletil três a cinco dias antes (Pré-Ex), 5 e 10 minutos após exercício exaustivo (Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10, respectivamente) simultaneamente com ECGs nas derivações dos membros. Os mapas potenciais de superfície corporal instantâneos (BSPMs, body surface potential maps ) foram analisados durante a despolarização ventricular. Os valores de p <0,05 foram considerados estatisticamente significantes.

 Resultados

Comparado com o Pré-Ex, uma conclusão precoce da segunda inversão de distribuições de potencial, uma conclusão precoce da despolarização ventricular, bem como uma diminuição na duração da fase média e a duração total da despolarização ventricular nos BSPMs foram reveladas no Pós-Ex5. Além disso, em comparação com o Pré-Ex, um aumento na amplitude do extremo negativo do BSPM no pico da onda R no ECG na derivação II (pico RII) e uma diminuição na amplitude do extremo negativo do BSPM a 3 e 4 ms após o pico RII foram demonstrados no Pós-Ex 5. No Pós-Ex 10, os parâmetros dos BSPMs não diferiram daqueles do Pré-Ex.

 Conclusão

Em ratos, o exercício exaustivo agudo causa alterações reversíveis nas características temporais e de amplitude dos BSPMs durante a despolarização ventricular, provavelmente relacionadas a alterações na excitação da massa principal do miocárdio ventricular.

 Ratos Ventrículos do Coração Miocárdio Exercícios Agudo Mapeamento de Potencial de Superfície Corporal Introdução

Os efeitos benéficos do exercício físico regular na saúde pública, incluindo a redução do risco de doenças cardiovasculares, estão bem estabelecidos. 1 , 2 Entretanto, o excesso de exercício pode causar danos ao organismo, principalmente ao coração. Vários estudos demonstraram uma deterioração transitória da função cardíaca após episódios agudos de exercícios de resistência prolongados em indivíduos aparentemente saudáveis. 3 , 4 O excesso de exercício físico pode ser um gatilho para arritmias ventriculares malignas, infarto agudo do miocárdio e morte súbita cardíaca em pessoas suscetíveis. 5

A pesquisa sobre o impacto do exercício exaustivo no sistema cardiovascular é essencial. Mas, em humanos, é difícil determinar objetivamente a exaustão em condições de laboratório, uma vez que ela é medida pela incapacidade do indivíduo de manter o regime de exercícios por esforço volitivo. 6 , 7 Nesse sentido, a vantagem dos modelos animais (por exemplo, ratos, camundongos) na avaliação de respostas fisiológicas a exercícios exaustivos é que existem critérios objetivos para a definição de exaustão, como a incapacidade de um animal continuar correndo apesar dos estímulos externos durante um teste de corrida em esteira 8 , 9 ou afundar em uma piscina durante um teste de natação forçada. 10

Numerosos estudos em animais de laboratório mostraram danos ao tecido miocárdico e comprometimento da função cardíaca associados à apoptose de cardiomiócitos, estresse oxidativo e respostas inflamatórias após episódios agudos de exercício exaustivo. 11 - 13 É relatado que o exercício exaustivo agudo causa alterações nos padrões eletrocardiográficos em ratos, sugerindo alterações na despolarização ventricular. 14 , 15

O mapeamento potencial da superfície corporal com base em um registro simultâneo de potenciais gerados pelo coração, a partir de vários locais, em toda a superfície do tronco, fornece mais informações fisiológicas e diagnósticas sobre eventos elétricos no miocárdio em comparação com a eletrocardiografia convencional. 16 - 18 Ao utilizar o mapeamento potencial da superfície corporal, o presente estudo teve como objetivo avaliar a atividade elétrica do coração em ratos de laboratório durante a despolarização ventricular após exercício exaustivo agudo.

 Métodos Animais experimentais

Ratos albinos machos não consanguíneos de doze semanas de idade (n=24), pesando entre 200 e 300 g, foram adquiridos da Stolbovaya Branch of the Scientific Center for Biomedical Technologies of the Federal Medical-Biological Agency (Federação Russa). Os ratos foram alojados em gaiolas grupais em uma sala com temperatura controlada (22 ± 2°C) sob um ciclo claro/escuro de 12 horas e alimentados com ração comercial padrão para roedores e água ad libitum . Todos os procedimentos e protocolos experimentais foram realizados de acordo com o Guia para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório publicado pelo National Institutes of Health (Publicação NIH No. 85-23, revisado em 1996) e aprovado pelo Comitê de Ética da Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Syktyvkar, Federação Russa).

 Protocolo de exercício

Uma esteira motorizada para roedores (Panlab / Harvard Apparatus, Espanha) foi utilizada para criar o exercício agudo exaustivo para ratos. Pulsos elétricos leves (0,5 mA) da grade eletrificada na parte traseira da esteira motivaram os animais a se exercitarem. Antes do experimento, os ratos foram acostumados ao exercício em esteira por três dias consecutivos (10 min/dia, 12-36 m/min, 0° de inclinação). Apenas alguns ratos, capazes de correr em modo adaptativo, foram selecionados para o estudo mais aprofundado. No dia do teste de exercício, os ratos correram a uma velocidade de 36 m/min e inclinação de 0° até a exaustão. A exaustão foi definida como o ponto em que o rato não conseguia mais correr, apesar de ser empurrado contra a grade de choque pela esteira em movimento. 8 O tempo de corrida até a exaustão foi calculado com o software Sedacom versão 2.0 (Panlab / Harvard Apparatus, Espanha).

 Eletrocardiografia convencional e mapeamento potencial de superfície corporal

O registro da atividade elétrica cardíaca foi realizado três a cinco dias antes (Pré-Ex), 5 e 10 minutos após (Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10, respectivamente) o exercício agudo exaustivo. Os ratos foram anestesiados com Zoletil (combinação de tiletamina/zolazepam, Virbac, França) na dose de 3,5 mg/100 g, i.m. e colocados em decúbito dorsal sobre uma almofada de aquecimento para manter a temperatura corporal aproximadamente em 37°C. Eletrocardiogramas unipolares (ECGs) foram registrados a partir de eletrodos agulha subcutâneos, distribuídos uniformemente ao redor do tronco, desde o nível da junção cervicotorácica até as margens costais inferiores ( Figura 1 ). Foram utilizados 64 eletrodos no Pré-Ex e 32 eletrodos no Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10. Simultaneamente com ECGs unipolares da superfície do tronco, ECGs foram registrados em derivações de membros bipolares. O terminal central Wilson serviu como referência para derivações unipolares do tronco. Os dados foram adquiridos utilizando um sistema de computador multicanal (largura de banda de 0,05-1000 Hz, taxa de amostragem de 4000 Hz e precisão de 16 bits). Os ratos tiveram um período de três a cinco dias para se recuperar da anestesia antes do exercício exaustivo. Para registro dos potenciais cardíacos pós-exercício, os ratos foram anestesiados imediatamente após a exaustão.

Posições dos eletrodos na superfície corporal do rato utilizando 64 derivações unipolares no tronco. Quatro fileiras de eletrodos de agulha foram colocados na superfície ventral e quatro fileiras na superfície dorsal do corpo (oito eletrodos em cada fileira). Ao usar 32 derivações unipolares do tronco, o número de fileiras de eletrodos nas superfícies ventral e dorsal do corpo diminuiu duas vezes.

A duração dos intervalos R-R e os parâmetros de despolarização ventricular (duração do QRS, duração e amplitude das ondas R e S, soma das amplitudes das ondas R e S) foram analisados no ECG na derivação II do membro (ECG II ). Os intervalos R-R foram usados para calcular a frequência cardíaca (FC). Com base nos ECGs unipolares, foram construídos mapas equipotenciais (isopotenciais) instantâneos da superfície corporal, refletindo a distribuição dos potenciais cardíacos em cada instante de despolarização ventricular em um padrão plano da superfície torácica alinhado a um plano retangular. Os mapas potenciais de superfície corporal (BSPMs, body surface potential maps ) analisaram a localização espacial e as trajetórias de deslocamento das áreas e extremos de potenciais positivos e negativos na superfície do tórax, as amplitudes dos extremos em instantes sequenciais de tempo durante a despolarização ventricular, as amplitudes máximas dos extremos para toda a despolarização ventricular e o momento em que os extremos atingiram amplitudes máximas. As características temporais dos BSPMs foram apresentadas em ms em relação ao pico da onda RII (até o pico R II – com sinal negativo).

De acordo com a dinâmica espaço-temporal da distribuição do potencial de superfície corporal, as seguintes fases de despolarização ventricular foram diferenciadas: 19

Fase inicial – desde a formação de um padrão de distribuição potencial cardíaco, correspondente à despolarização ventricular, até a conclusão da primeira inversão de áreas potenciais positivas e negativas.

Fase média – desde a conclusão da primeira inversão até a conclusão da segunda inversão de áreas potenciais.

Fase terminal – desde a conclusão da segunda inversão de áreas potenciais até o desaparecimento do padrão de distribuição potencial correspondente à despolarização ventricular.

Para cada rato, as características do ECG II e BSPMs foram determinadas de três a cinco batimentos no Pré-Ex, Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10.

 Análise estatística

A análise estatística foi realizada pelo pacote de software Statistica (versão 10.0, StatSoft, Tulsa, OK, EUA). A normalidade dos dados contínuos foi verificada pelo teste de Shapiro-Wilk. As variáveis com distribuição normal foram expressas como média ± desvio padrão e as variáveis com distribuição não-normal foram apresentadas como mediana, primeiro e terceiro quartis. Para os dados com distribuição normal, foi utilizada a análise de variância (ANOVA) de medidas repetidas, seguida do teste de comparação múltipla de Dunnett como análise post-hoc . Quando os dados não estavam distribuídos normalmente, foi realizado o teste não-paramétrico de Friedman, seguido do teste de Wilcoxon com ajuste de Bonferroni. A significância estatística foi estabelecida em nível alfa de 0,05, exceto para o teste de Wilcoxon, no qual o nível alfa foi ajustado para 0,025 (de acordo com o número de comparações pareadas) para evitar erro tipo I. O tamanho da amostra foi determinado por conveniência. Foram considerados dados 20 indicando que até 10% dos ratos de fornecedores comerciais se recusam a correr em esteira e precisam ser eliminados dos estudos de exercícios.

 Resultados Desempenho no exercício

Dos 24 ratos utilizados em sessões de familiarização de corrida, 20 foram selecionados para o exercício exaustivo agudo de acordo com sua capacidade de corrida. Nesses ratos, o tempo de corrida até a exaustão foi de 19,5 ± 5,6 min.

 Parâmetros convencionais de ECG

A Tabela 1 mostra os achados do ECG II . Não houve alterações estatisticamente significantes nos valores de FC após exercício exaustivo em esteira. Comparados aos valores do Pré-Ex, a duração do QRS II e a duração da onda R II foram menores no Pós-Ex 5. Comparados com os do Pré-Ex, a amplitude da onda S II e a soma das amplitudes das ondas R II e S II foram maiores no Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10. Não houve mudanças significantes na duração da onda S II ou na amplitude da onda R II após corrida exaustiva em esteira.

Parâmetros ECG II antes e após exercício exaustivo agudo em esteira
Pré-Ex Pós-Ex 5 Pós-Ex 10
FC, bpm 480,3 ± 23,3 484,5 ± 25,2 490,7 ± 28,8
Duração do QRS II , ms 16,0 ± 1,1 15,3 ± 1,2* 15,8 ± 1,7
Duração da onda R II , ms 9,7 ± 1,0 9,1 ± 0,9* 9,4 ± 1,0
Duração da onda S II , ms 6,3 ± 1,4 6,2 ± 1,5 6,3 ± 1,7
Amplitude da onda R II , mV 0,62 ± 0,16 0,65 ± 0,15 0,63 ± 0,14
Amplitude da onda S II , mV -0,28 ± 0,15 -0,35 ± 0,18* -0,35 ± 0,19*
Soma das amplitudes das ondas R II e S II , mV 0,90 ± 0,19 0,99 ± 0,20* 0,98±0,20*

Os dados são expressos como média ± desvio padrão (n = 20). Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo. FC: frequência cardíaca. ANOVA de medidas repetidas e teste post-hoc de Dunnett; *p < 0,05 vs. Pré-Ex.

Padrão espacial dos BSPMs

Antes do exercício exaustivo, o padrão de distribuição potencial de superfície corporal, correspondente ao início da despolarização ventricular, foi observado antes do aparecimento do complexo QRS no ECG II ( Figura 2 , instante Pré-Ex,–9 ms). Nesse caso, a área dos potenciais cardíacos positivos cobria a parte cranial do tórax ventral e todo o dorso do tórax, com o extremo positivo localizado principalmente no terço cranial do tórax lateral esquerdo. A área de potenciais negativos e o extremo negativo localizavam-se na parte caudal do tórax ventral. Durante a subida da onda R II , ocorreu a primeira inversão das distribuições de potencial nos BSPMs e, como resultado, as áreas positivas e negativas mudaram suas posições relativas ( Figura 2 , Pré-Ex, instante –5,5 ms). Ao término da primeira inversão, o extremo positivo localizava-se de forma caudal no tórax ventral, e o extremo negativo localizava-se cranialmente, mais frequentemente no dorso. No instante do pico da onda R II , a localização das áreas e extremos nos BSPMs permaneceu essencialmente inalterada ( Figura 2 , Pré-Ex, instante 0 ms). Durante a descida das ondas R II e S II , a segunda inversão das distribuições de potenciais foi observada nos BSPMs e, como consequência, a área de potenciais negativos se localizou na parte caudal do tórax, lateralmente ou ventralmente à esquerda, enquanto a área de potenciais positivos ocupou a superfície torácica remanescente ( Figura 2 , Pré-Ex, instante 4,0 ms). Ao completar a segunda inversão, o extremo positivo se deslocou cranialmente e lateralmente à direita, com o extremo negativo sendo localizado caudalmente no lado esquerdo do tórax. Durante a transição da onda S II para a onda T II , foi registrado um padrão nos BSPMs de uma posição instável das áreas positiva e negativa, que indicava a conclusão da despolarização ventricular ( Figura 2 , Pré-Ex, instante 5,5 ms). Após o exercício exaustivo, as distribuições potenciais espaciais durante a despolarização ventricular foram bastante semelhantes às do Pré-Ex ( Figura 2 , Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10).

Mapas equipotenciais da superfície corporal durante a despolarização ventricular antes e após exercício exaustivo em esteira do mesmo rato. As áreas de potenciais positivos (preenchidas) e negativos são mostradas. Os sinais, mais e menos, denotam a localização dos extremos positivo e negativo, respectivamente. Abaixo de cada mapa, são mostrados o tempo relativo ao pico da onda RII e as amplitudes dos extremos positivo e negativo. Perto de cada mapa, o ECGII é mostrado com um marcador de tempo (linha vertical). O espaçamento de contorno isopotencial é de 0,2 mV. Em cada mapa, a parte esquerda representa a superfície ventral do corpo e a direita representa a superfície dorsal do corpo. Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo.

Características temporais dos BSPMs

Não houve alterações significantes no momento do início da despolarização ventricular ou no momento da conclusão da primeira inversão de distribuições potenciais nos BSPMs após exercício exaustivo em esteira ( Figura 3 ). Comparada com a do Pré-Ex, a segunda inversão de distribuições potenciais nos BSPMs foi concluída significantemente mais cedo no Pós-Ex 5 ( Figura 3 ). Além disso, em comparação com o Pré-Ex, a despolarização ventricular nos BSPMs foi concluída significantemente mais cedo no Pós-Ex 5 ( Figura 3 ).

Parâmetros temporais dos BSPMs durante a despolarização ventricular, antes e após exercício exaustivo em esteira. O tempo é mostrado em relação ao pico da onda RII. Os dados são expressos como média ± desvio padrão (n = 20). Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo. ANOVA de medidas repetidas e teste post-hoc de Dunnett; *p < 0,05 vs. Pré-Ex.

Não foram observadas alterações significantes na duração das fases inicial e terminal da despolarização ventricular nos BSPMs após corrida exaustiva em esteira ( Figura 4 ). Em comparação com as do Pré-Ex, a duração da fase média e a duração total da despolarização ventricular diminuíram no Pós-Ex 5 ( Figura 4 ).

Duração das fases individuais e duração total da despolarização ventricular nos BSPMs antes e após exercício agudo exaustivo em esteira. Os dados são expressos como média ± desvio padrão (n = 20). Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo. ANOVA de medidas repetidas e teste post-hoc de Dunnett; *p < 0,05 vs. Pré-Ex.

Características dos extremos de BSPM

Durante a despolarização ventricular, as amplitudes dos extremos positivo e negativo dos BSPMs pré e pós exercício exaustivo em esteira aumentaram progressivamente, atingindo valores máximos próximos ao pico da onda R II , depois diminuíram ( Figura 2 , Tabela 2 ). Não houve alterações significantes nas amplitudes máximas dos extremos dos BSPMs durante a despolarização ventricular, nem no momento em que os extremos atingiram amplitudes máximas após exercício exaustivo agudo ( Figura 5 ).

Amplitudes dos extremos do BSPM em diferentes instantes de tempo durante a despolarização ventricular antes e após exercício exaustivo agudo em esteira
Momento, ms
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Extremo positivo, mV Pré-Ex 0,19 (0,06; 0,31) 0,44 (0,19; 0,54) 0,67 (0,41; 0,81) 0,89 (0,80; 1,09) 1,06 (0,90; 1,20) 0,92 (0,79; 1,16) 0,74 (0,54; 0,91) 0,45 (0,17; 0,79) 0,41 (0,29; 0,63) 0,4 (0,33; 0,52)
Pós-Ex 5 0,14 (0,05; 0,24) 0,34 (0,19; 0,46) 0,57 (0,43; 0,73) 0,88 (0,67; 1,05) 1,02 (0,78; 1,20) 0,95 (0,77; 1,15) 0,76 (0,39; 0,9) 0,33 (0,22; 0,59) 0,44 (0,19; 0,59) 0,34 (0,20; 0,46)
Pós -Ex 10 0,19 (0,06; 0,28) 0,41 (0,19; 0,50) 0,67 (0,44; 0,77) 0,84 (0,56;1,02) 0,95 (0,75; 1,16) 0,95 (0,76; 1,15) 0,61 (0,28; 0,91) 0,39 (0,18; 0,57) 0,41 (0,21; 0,58) 0,4 (0,2; 0,53)
Extremo negativo, mV Pré-Ex -0,14 (-0,11; -0,21) -0,28 (-0,16; -0,35) -0,40 (-0,26; -0,52) -0,58 (-0,38; -0,64) -0,64 (-0,51; -0,73) -0,71 (-0,62; -0,85) -0,58 (-0,49; -0,74) -0,42 (-0,29; -0,56) -0,28 (-0,20; -0,40) -0,16 (-0,09; -0,27)
Pós -Ex 5 -0,14 (-0,07; -0,19) -0,26 (-0,18; -0,35) -0,42 (-0,27; -0,50) -0,57 (-0,41;-0,67) -0,65 (-0,58; -0,78) -0,77 (-0,68; -0,92)* -0,65 (-0,44; -0,78) -0,39 (-0,22; -0,44) -0,21 (-0,14; -0,30)* -0,08 (-0,05; -0,189)*
Pós -Ex 10 -0,16 (-0,08; -0,20) -0,29 (-0,17; -0,35) -0,45 (-0,30; -0,53) -0,60 (-0,40; -0,69) -0,66 (-0,55; -0,75) -0,75 (-0,60; -0,90) -0,67 (-0,45; -0,73) -0,39 (-0,20; -0,46) -0,23 (-0,13; -0,36) -0,12 (-0,06; -0,23)

O tempo é mostrado em relação ao pico da onda RII. Os dados são expressos como mediana, primeiro e terceiro quartis (n = 20). Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo. Teste de Wilcoxon com ajuste de Bonferroni; *p < 0,025 vs. Pré-Ex no mesmo tempo.

Amplitudes máximas de extremos positivo (A) e negativo (B) nos BSPMs durante despolarização e o momento em que os extremos positivo e negativo atingiram amplitudes máximas (C e D, respectivamente) antes e após o exercício exaustivo agudo em esteira. O tempo é mostrado em relação ao pico da onda RII. Os dados são expressos em mediana, primeiro e terceiro quartis, valores mínimo e máximo (n = 20). Pré-Ex: antes do exercício exaustivo; Pós-Ex 5: 5 minutos após exercício exaustivo; Pós-Ex 10: 10 minutos após exercício exaustivo. Teste de Friedman, p > 0,05.

As amplitudes dos extremos de BSPM em diferentes instantes de tempo durante a despolarização ventricular são mostradas na Tabela 2 . Devido às variações individuais nos tempos de início e término da despolarização ventricular nos BSPMs, o intervalo de tempo correspondente à despolarização dos ventrículos em todos os animais estudados (ou seja, de -5 a 4 ms em relação ao pico R II ) foi analisado. Em cada momento analisado do intervalo de tempo escolhido, não foram observadas alterações significantes na amplitude do extremo positivo do BSPM após exercício exaustivo em esteira. No momento do pico R II , a amplitude do extremo negativo do BSPM no Pós-Ex 5 foi maior em comparação com o Pré-Ex ( Tabela 2 , momento 0 ms). Além disso, a 3 e 4 ms após o pico R II , as amplitudes do extremo negativo do BSPM no Pós-Ex 5 foram menores em comparação com as do Pré-Ex ( Tabela 2 , momentos 3 e 4 ms).

 Discussão

No presente estudo, avaliamos a atividade elétrica do coração durante a despolarização ventricular após exercício exaustivo agudo em esteira em ratos previamente não treinados, utilizando mapeamento potencial de superfície corporal em combinação com eletrocardiografia convencional.

A resposta cardiovascular imediata ao exercício forçado em esteira em roedores é o aumento da FC 21 , 22 garantindo o aumento do débito cardíaco. Em ratos Wistar, a aceleração da FC, durante a corrida em esteira, é determinada predominantemente pela atividade do nervo autonômico cardíaco, especialmente pelo aumento do fluxo simpático. 23 A diminuição da FC, após a cessação do exercício físico, é provavelmente a manifestação da reativação vagal. 24 Estudos anteriores em ratos não treinados demonstraram o declínio da FC para o nível inicial aos 10 minutos após corrida exaustiva aguda em esteira. 25 No presente estudo, em ambas as situações após exercício exaustivo (Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10), os valores da FC foram quase iguais aos da linha basal (Pré-Ex). Em nossa opinião, esses resultados podem ser explicados por uma diminuição da FC para o nível pré-exercício nos primeiros 5 minutos após a corrida até a exaustão.

Em seres humanos saudáveis, a resposta do ECG ao exercício físico consiste tanto em uma diminuição na duração do QRS ou em nenhuma alteração na duração do QRS. 26 , 27 O encurtamento da duração do QRS com o exercício em indivíduos saudáveis é atribuído ao aumento da velocidade de condução intraventricular, devido ao aumento do tônus adrenérgico. 26 Enquanto isso, o prolongamento do QRS com o exercício é considerado um achado anormal do ECG e pode servir como marcador de isquemia miocárdica. 28 Foi observado o prolongamento significante da duração do QRS, acompanhado pelo comprometimento da capacidade funcional cardíaca em ratos Sprague-Dawley saudáveis, que foram submetidos a exercício exaustivo aguda em esteira, em comparação com seus controles sedentários. 15 Encontramos uma diminuição na duração do QRS II e da duração da onda R II no Pós-Ex em comparação com a do Pré-Ex, enquanto no Pós-Ex 10, esses parâmetros retornaram ao nível próximo ao Pré-Ex. É geralmente aceito que, em humanos, a onda R nas derivações de membros no ECG representa a despolarização dos ventrículos esquerdo e direito, e a onda S reflete predominantemente a excitação das partes basais dos ventrículos. 29 A gênese das ondas R e S em ECGs em ratos é semelhante à de humanos. 30 Assim, nossos resultados sugerem que as mudanças na duração do QRS após exercício exaustivo agudo em ratos estavam relacionadas a uma diminuição transitória na duração da excitação da maior parte do miocárdio ventricular.

Em humanos aparentemente saudáveis, uma diminuição da amplitude da onda R, com ou sem aumento da amplitude da onda S, é observada nos ECGs no exercício máximo. 31 , 32 A redução na amplitude da onda R, com exercício extenuante, é atribuída a uma diminuição do volume diastólico final ventricular, 27 bem como a alterações na ativação elétrica cardíaca, 31 enquanto presume-se que o aumento na amplitude da onda S está relacionado a deslocamentos do eixo elétrico ou alterações de condução ventricular. 33 Nesse estudo, a amplitude da onda R II não se alterou após a corrida exaustiva em esteira. Entretanto, em comparação com o Pré-Ex, a amplitude da onda S II aumentou no Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10. Uma vez que a soma das amplitudes das ondas R II e S II também aumentou no Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10, as variações na amplitude da onda S II após exercício exaustivo provavelmente não foram resultado de um desvio do eixo QRS. Devido à falta de um segmento ST isoelétrico em ratos, o aumento da amplitude da onda S no ECG de ratos é considerado como depressão do segmento ST e é interpretado como um sinal de isquemia miocárdica. 34 , 35 Assim, no presente estudo, o aumento da amplitude da onda S II em ratos exaustos pode ser causado por alterações isquêmicas induzidas pelo exercício nos ventrículos cardíacos. No entanto, mais estudos são necessários para confirmar essa suposição.

Mudanças na distribuição espacial dos potenciais cardíacos na superfície do corpo, durante a despolarização ventricular, são indicadores de alterações na direção das frentes de onda de excitação nos ventrículos cardíacos. 16 , 36 Miller et al. 37 observaram mudanças significantes na trajetória de migração do extremo negativo, bem como o aparecimento dos extremos anteriores positivos adicionais nos BSPMs durante o complexo QRS, no exercício máximo em indivíduos saudáveis, o que eles consideraram como sendo devido a um atraso na ativação da parede livre do ventrículo esquerdo em relação ao início da excitação no ventrículo direito e septo intraventricular.

Takala et al. 38 não revelaram alterações nos padrões espaciais dos BSPMs do intervalo QRS-tempo após exercício máximo em indivíduos saudáveis. No presente estudo, os padrões espaciais do BSPM durante a despolarização ventricular foram semelhantes aos observados anteriormente em ratos Wistar saudáveis. 39 As localizações das áreas e extremos, e sua dinâmica nos BSPMs em Pós-Ex 5 e Pós-Ex 10 foram quase idênticas àquelas no Pre-Ex, o que sugeriu que a direção principal da onda de ativação em ventrículos de ratos não mudou muito com o exercício exaustivo agudo em esteira.

Em ratos, a primeira inversão das distribuições de potencial nos BSPMs, durante a despolarização ventricular, é causada por um rompimento da onda de excitação no subepicárdio, tanto da base do ventrículo direito quanto do ápice do ventrículo esquerdo, e a segunda inversão resultou da mudança na direção da onda de ativação em direção à base do ventrículo esquerdo e ao cone excretor da aorta. 19 Durante a fase inicial da despolarização ventricular nos BSPMs, a onda de excitação, em ratos, propaga-se pelo sistema condutor e depois move-se através do miocárdio em direção endo-epicárdica. Durante as fases média e terminal da despolarização ventricular nos BSPMs, há excitação da massa principal do miocárdio ventricular e da base do ventrículo esquerdo, respectivamente. 19 Nesse estudo, no Pós-Ex 5, em comparação com o Pré-Ex, foi demonstrado uma conclusão precoce da segunda inversão de distribuições potenciais, uma conclusão precoce da despolarização ventricular, bem como uma diminuição na duração da fase média e da duração total da despolarização ventricular nos BSPMs, o que parece ser resultado de uma diminuição na duração da ativação da massa principal do miocárdio ventricular. No Pós-Ex 10, os parâmetros temporais dos BSPMs não diferiram do Pré-Ex. Assim, no presente estudo, as mudanças nas características temporais do BSPM, subsequentes ao exercício exaustivo agudo em esteira, foram causadas por uma redução reversível na duração da fase média da despolarização ventricular, enquanto as durações das fases inicial e terminal permaneceram essencialmente inalteradas. Comparado com o eletrocardiograma convencional, o mapeamento potencial de superfície corporal permitiu a identificação mais precisa do estágio de despolarização ventricular, cuja duração se alterou consideravelmente em consequência do exercício exaustivo de ratos em esteira.

Em relação ao efeito do exercício extenuante nos parâmetros de amplitude do BSPM, Mirvis 40 descreveu uma redução na amplitude do extremo positivo e um aumento na amplitude do extremo negativo nos mapas isopotenciais da superfície anterior do tórax em diferentes pontos do complexo QRS durante o exercício submáximo em indivíduos saudáveis. Outros autores 37 revelaram a diminuição da amplitude máxima do extremo positivo do BSPM durante o QRS, com exercício máximo em voluntários saudáveis, o que eles supuseram ser resultado das mudanças nas frentes de onda de ativação na parede do ventrículo esquerdo. Em nosso estudo, as amplitudes máximas dos extremos positivo e negativo do BSPM durante a despolarização ventricular e o tempo em que os extremos atingiram as amplitudes máximas não se alteraram significantemente após o exercício exaustivo em esteira. Enquanto isso, em comparação com o Pré-Ex, a amplitude do extremo negativo do BSPM no instante do pico R II e 3 e 4 ms após o pico R II mudou no Pós-Ex 5. As causas exatas dessas alterações não são claras. Como mostramos, no momento de 3 ms após R II -pico, a segunda inversão das distribuições de potencial nos BSPMs ainda continuava no Pré-Ex, ao passo que já estava completa no Pós-Ex 5. Portanto, a diminuição da amplitude dos extremos negativos do BSPM 3 e 4 ms após o pico R II no Pós-Ex 5 em comparação com o Pré-Ex pode estar associada a uma conclusão precoce da segunda inversão de distribuições dos potenciais nos BSPMs.

Em resumo, de acordo com os resultados, este é o primeiro estudo a mostrar as distribuições potenciais de superfície corporal durante a despolarização ventricular em ratos após exercício exaustivo agudo. Sugerimos que as mudanças transitórias nas características temporais e de amplitude dos BSPMs observadas em ratos, após corrida em esteira até a exaustão, foram fisiológicas e refletiram o comportamento elétrico do coração em exercício físico extenuante.

O presente estudo tem limitações. Primeiro, nossos resultados são restritos apenas a ratos machos adultos jovens e não podem ser aplicados diretamente à população de ratos de laboratório como um todo. Em segundo lugar, no presente estudo, o registro da atividade elétrica cardíaca foi realizado em animais anestesiados com zoletil. Embora tenha sido demonstrado que o zoletil tem um efeito cardiovascular mínimo, 41 a influência desse anestésico nos dados obtidos não pode ser completamente excluída.

 Conclusão

Em conclusão, nossos dados mostraram que o exercício agudo em esteira até a exaustão não alterou o padrão espacial das distribuições de potenciais de superfície corporal durante a despolarização ventricular, mas induziu a diminuição da duração da fase média e da duração total da despolarização ventricular, bem como as mudanças na amplitude do extremo negativo dos BSPMs durante a despolarização ventricular em ratos.

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Vinculação acadêmica

Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.

Fontes de financiamento: O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

 Original Article Body Surface Potential Mapping during Ventricular Depolarization in Rats after Acute Exhaustive Exercise 0000-0001-6140-1252 Ivonin Alexey G. 1 Smirnova Svetlana L. 1 Roshchevskaya Irina M. 1 2 Russian Federation Department of Comparative Cardiology – Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Syktyvkar – Russian Federation Russian Federation Laboratory of Pharmacological Screening – Research Zakusov Institute of Pharmacology, Moscow – Russian Federation Mailing Address: Alexey G. Ivonin • Department of Comparative Cardiology – Komi Scientific Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences – 24 Kommunisticheskaya str. Syktyvkar 167982 – Russian Federation E-mail: alexivonin@mail.ru

Author Contributions

Conception and design of the research, Acquisition of data and Critical revision of the manuscript for important intellectual content: Ivonin AG, Smirnova SL, Roshchevskaya IM; Analysis and interpretation of the data: Ivonin AG, Roshchevskaya IM; Statistical analysis and Writing of the manuscript: Ivonin AG.

Potential Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

 Abstract Background

Exhaustive physical exercise can cause substantial changes in the electrical properties of the myocardium.

 Objective

To evaluate, using body surface potential mapping, the electrical activity of the heart in rats during ventricular depolarization after acute exhaustive exercise.

 Methods

Twelve-week-old male rats were submitted to acute treadmill exercise at 36 m/min until exhaustion. Unipolar electrocardiograms (ECGs) from the torso surface were recorded in zoletil-anesthetized rats three to five days before (Pre-Ex), 5 and 10 minutes after exhaustive exercise (Post-Ex 5 and Post-Ex 10, respectively) simultaneously with ECGs in limb leads. The instantaneous body surface potential maps (BSPMs) were analyzed during ventricular depolarization. P values <0.05 were considered statistically significant.

 Results

Compared with Pre-Ex, an early completion of the second inversion of potential distributions, an early completion of ventricular depolarization, as well as a decrease in the duration of the middle phase and the total duration of ventricular depolarization on BSPMs were revealed at Post-Ex 5. Also, compared with Pre-Ex, an increase in the amplitude of negative BSPM extremum at the R-wave peak on the ECG in lead II (RII-peak) and a decrease in the amplitude of negative BSPM extremum at 3 and 4 ms after RII-peak were showed at Post-Ex 5. At Post-Ex 10, parameters of BSPMs did not differ from those at Pre-Ex.

 Conclusion

In rats, acute exhaustive exercise causes reversible changes in the temporal and amplitude characteristics of BSPMs during ventricular depolarization, most likely related to alterations in the excitation of the main mass of the ventricular myocardium.

 Rats Heart Ventricles Myocardium Exercises Acute Body Surface Potential Mapping Introduction

The beneficial effects of regular physical exercise on public health, including reduced risk of cardiovascular diseases, have been well established.1 , 2 However, excessive exercise can cause damage to the body, especially the heart. A number of studies have demonstrated a transient deterioration in cardiac function after acute bouts of prolonged endurance exercise in apparently healthy individuals.3 , 4 Excessive physical exercise may be a trigger for malignant ventricular arrhythmias, acute myocardial infarction and sudden cardiac death in susceptible persons.5

Research on the impact of exhaustive exercise on the cardiovascular system is essential. But, in humans, it is difficult to objectively determine exhaustion under laboratory conditions, since it is measured by the inability of the subject to maintain the exercise regimen by volitional effort.6 , 7 In this regard, the advantage of model animals (e.g., rats, mice) in evaluating physiological responses to exhaustive exercises is that there are objective criteria for the definition of exhaustion, such as the inability of an animal to continue running despite the external stimuli during a treadmill running test8 , 9 or sinking to the bottom of the pool during a forced swimming test.10

Numerous studies in laboratory animals have shown myocardial tissue damage and cardiac function impairment associated with cardiomyocyte apoptosis, oxidative stress and inflammatory responses after acute bouts of exhaustive exercise.11 - 13 It has been reported that acute exhaustive exercise causes changes in electrocardiographic patterns in rats, suggesting ventricular depolarization alterations.14 , 15

Body surface potential mapping based on a simultaneous register of cardiac-generated potentials, from multiple sites, over the entire torso surface, provides more physiological and diagnostic information about electrical events in the myocardium, compared with conventional electrocardiography.16 - 18 By using body surface potential mapping, the present study aimed to evaluate the electrical activity of the heart in laboratory rats during ventricular depolarization after acute exhaustive exercise.

 Methods Experimental animals

Twelve-week-old male outbred albino rats (n=24), weighing between 200 and 300 g, were purchased from the Stolbovaya Branch of the Scientific Center for Biomedical Technologies of the Federal Medical-Biological Agency (Russian Federation). The rats were housed in group cages in a temperature-controlled room (22 ± 2°C) under a 12-h light/dark cycle and fed standard commercial rodent chow and water ad libitum . All experimental procedures and protocols were carried out in accordance with the Guide for the Care and Use of Laboratory Animals published by the National Institutes of Health (NIH Publication No. 85-23, revised 1996) and approved by the Ethics Committee of the Komi Science Centre of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences (Syktyvkar, Russian Federation).

 Exercise protocol

A motorized rodent treadmill (Panlab / Harvard Apparatus, Spain) was used to create acute exhaustive exercise for rats. Mild electrical pulses (0.5 mA) from the electrified grid on the rear of the treadmill motivated the animals to exercise. Before experimentation, the rats were accustomed to treadmill exercise for three consecutive days (10 min/day, 12-36 m/min, 0° incline). Only certain rats, capable of running in an adaptive mode, were selected for further study. On the day of the exercise test, the rats were running at a speed of 36 m/min and 0° incline until exhaustion. Exhaustion was defined as the point at which the rat could not run anymore, despite being pushed against the shock grid by the moving treadmill belt.8 The running time to exhaustion was computed using Sedacom version 2.0 software (Panlab / Harvard Apparatus, Spain).

 Conventional electrocardiography and body surface potential mapping

The registration of heart electrical activity was performed three to five days before (Pre-Ex), 5 and 10 minutes after (Post-Ex 5 and Post-Ex 10, respectively) acute exhaustive exercise. The rats were anesthetized with Zoletil (tiletamine / zolazepam combination, Virbac, France) at a dose of 3.5 mg / 100 g, i.m. and placed in the supine position on a heating pad to maintain body temperature approximately at 37°C. Unipolar electrocardiograms (ECGs) were recorded from subcutaneous needle electrodes, evenly distributed around the torso from the level of the cervicothoracic junction to the inferior rib margins ( Figure 1 ). A total of 64 electrodes at Pre-Ex and 32 ones at Post-Ex 5 and Post-Ex 10 were used. Simultaneously with unipolar ECGs from the surface of the torso, ECGs were recorded in bipolar limb leads. The Wilson central terminal served as a reference for the unipolar torso leads. The data were acquired using a multichannel computer system (bandwidth of 0.05-1000 Hz, sampling rate of 4000 Hz, and accuracy of 16 bits). The rats had a period of three to five days to recover from anesthesia prior to exhaustive exercise. To register post-exercise cardiac potentials, the rats were anesthetized immediately after exhaustion.

Positions of electrodes on the rat’s body surface using 64 unipolar torso leads. Four rows of needle electrodes were placed on the ventral, and four rows on the dorsal surface of the body (eight electrodes in each row). When using 32 unipolar torso leads, the number of electrode rows on the ventral and dorsal body surfaces decreased twice.

The duration of R-R intervals and ventricular depolarization parameters (QRS duration, R- and S-wave duration and amplitude, the sum of R- and S-wave amplitudes) were analyzed on the ECG in the limb lead II (ECGII). The R-R intervals were used to compute the heart rate (HR). Based on unipolar ECGs, instantaneous body surface equipotential (isopotential) maps were constructed, reflecting the distribution of cardiac potentials in each instant of ventricular depolarization on a flat pattern of the chest surface aligned to a rectangular plane. The body surface potential maps (BSPMs) analyzed the spatial location and shifting trajectories of the areas and extrema of positive and negative potentials on the thorax surface, the amplitudes of extrema in sequential time instants during ventricular depolarization, the maximum amplitudes of extrema for the whole ventricular depolarization, and the time when the extrema reached maximum amplitudes. Temporal characteristics of the BSPMs were presented in ms, relative to the peak of RII-wave (up to the RII-peak – with a minus sign).

According to the spatial-temporal dynamics of body surface potential distribution, the following phases of ventricular depolarization were differentiated:19

Initial phase – from the formation of a cardiac potential distribution pattern, corresponding to ventricular depolarization, to the completion of the first inversion of positive and negative potential areas.

Middle phase – from completion of the first inversion to completion of the second inversion of potential areas.

Terminal phase – from the completion of the second inversion of potential areas to the disappearance of potential distribution pattern corresponding to ventricular depolarization.

For each rat, characteristics of ECGIIand BSPMs were determined from the three to five beats at Pre-Ex, Post-Ex 5, and Post-Ex 10.

 Statistical analysis

The statistical analysis was performed using a Statistica software package (version 10.0, StatSoft, Tulsa, OK, USA). Continuous data normality was checked using the Shapiro-Wilk test. Normally distributed variables were expressed as mean ± standard deviation, and non-normally distributed variables were presented as median, first and third quartiles. For the data with normal distribution, the repeated measures analysis of variance (ANOVA) was used, followed by Dunnett’s multiple comparison test as a post-hoc analysis. When the data were non-normally distributed, the non-parametric Friedman test, followed by Wilcoxon’s test with Bonferroni adjustment, was performed. A statistical significance was established at an alpha level of 0.05, except for Wilcoxon’s test, in which the alpha level was adjusted to 0.025 (according to the number of pairwise comparisons) to avoid a type I error. The sample size was determined by convenience. Data20 have been taken into account that up to 10% of rats from commercial vendors refuse to run on a treadmill and should be eliminated from exercise studies.

 Results Exercise performance

Of 24 rats used to get familiarized with running sessions, 20 were selected for the acute exhaustive exercise according to their running ability. In these rats, the running time to exhaustion was 19.5 ± 5.6 min.

 Conventional ECG parameters

Table 1 shows the ECGIIfindings. There were no statistically significant changes in HR values after exhaustive treadmill exercise. Compared with those at Pre-Ex, the QRSIIduration and RII-wave duration were lower at Post-Ex 5. Compared with those at Pre-Ex, the SII-wave amplitude and the sum of RII- and SII-wave amplitudes were higher at Post-Ex 5 and Post-Ex 10. There were no significant changes in either the SII-wave duration or the RII-wave amplitude after exhaustive treadmill running.

ECGII parameters before and after acute exhaustive treadmill exercise
Pre-Ex Post-Ex 5 Post-Ex 10
HR, bpm 480.3 ± 23.3 484.5 ± 25.2 490.7 ± 28.8
QRSIIduration, ms 16.0 ± 1.1 15.3 ± 1.2* 15.8 ± 1.7
RII-wave duration, ms 9.7 ± 1.0 9.1 ± 0.9* 9.4 ± 1.0
SII-wave duration, ms 6.3 ± 1.4 6.2 ± 1.5 6.3 ± 1.7
RII-wave amplitude, mV 0.62 ± 0.16 0.65 ± 0.15 0.63 ± 0.14
SII-wave amplitude, mV -0.28 ± 0.15 -0.35 ± 0.18* -0.35 ± 0. 19*
Sum of RII- and SII-wave amplitudes, mV 0.90 ± 0.19 0.99 ± 0.20* 0.98±0.20*

Data are expressed as mean ± standard deviation (n = 20). Pre-Ex: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise. HR: heart rate. Repeated measures ANOVA and Dunnett’s post-hoc test; *p < 0.05 vs. Pre-Ex.

Spatial pattern of BSPMs

Before exhaustive exercise, the body surface potential distribution pattern, corresponding to the onset of ventricular depolarization, was observed prior to the appearance of the QRS complex on ECGII( Figure 2 , Pre-Ex, instant –9 ms). In this case, the area of the positive cardiac potentials covered the cranial part of the ventral chest and the entire dorsal chest, with the positive extremum being located mainly in the cranial third of the left-lateral chest. The area of negative potentials, and the negative extremum, were located in the caudal part of the ventral chest. During the upslope of RII-wave, the first inversion of potential distributions occurred on BSPMs, and as a result, the positive and negative areas changed their relative positions ( Figure 2 , Pre-Ex, instant –5.5 ms). By the completion of the first inversion, the positive extremum was located caudally on the ventral chest, and the negative extremum was located cranially, more frequently on the back. In the instant of the RII-wave peak, the location of areas and extrema on BSPMs remained essentially unchanged ( Figure 2 , Pre-Ex, instant 0 ms). During the downslope of RII- and SII-waves, the second inversion of potential distributions was observed on the BSPMs, and as a consequence, the area of negative potentials was located in the caudal part of the chest, left laterally or ventrally, while the area of positive potentials occupied the remaining chest surface ( Figure 2 , Pre-Ex, instant 4.0 ms). By the completion of the second inversion, the positive extremum shifted cranially and right laterally, with the negative extremum being located caudally on the left lateral chest. During the transition from SII-wave to TII-wave, a pattern was recorded on the BSPMs of an unstable position of the positive and negative areas, which indicated the completion of the ventricular depolarization ( Figure 2 , Pre-Ex, instant 5.5 ms). After exhaustive exercise, spatial potential distributions during ventricular depolarization were quite similar to those at Pre-Ex ( Figure 2 , Post-Ex 5 and Post-Ex 10).

Body surface equipotential maps during ventricular depolarization before and after acute exhaustive treadmill exercise in the same rat. The areas of positive (filled) and negative potentials are shown. The signs, plus and minus, show the location of the positive and negative extrema, respectively. Below each map, the time relative to the RII-wave peak and the amplitudes of the positive and negative extrema are shown. Near to each map, ECGII is shown with a time marker (vertical line). The isopotential contour spacing is 0.2 mV. In each map, the left part represents the ventral body surface, and the right represents the dorsal body surface. Pre-Ex: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise.

Temporal characteristics of BSPMs

There were no significant changes in either the time of ventricular depolarization onset or the time of the first inversion completion of potential distributions on BSPMs after exhaustive treadmill exercise ( Figure 3 ). Compared with that at Pre-Ex, the second inversion of potential distributions on BSPMs was completed significantly earlier at Post-Ex 5 ( Figure 3 ). In addition, compared with that at Pre-Ex, ventricular depolarization on BSPMs was completed significantly earlier at Post-Ex 5 ( Figure 3 ).

Temporal parameters of BSPMs during ventricular depolarization, before and after acute exhaustive treadmill exercise. The time is shown relative to the RII-wave peak. Data are expressed as mean ± standard deviation (n = 20). Pre-Ex: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise. Repeated measures ANOVA and Dunnett’s post-hoc test; *p < 0.05 vs. Pre-Ex.

No significant changes in the duration of the initial and the terminal phases of ventricular depolarization were observed on the BSPMs after exhaustive treadmill running ( Figure 4 ). Compared with those at Pre-Ex, the duration of the middle phase and the total duration of ventricular depolarization decreased at Post-Ex 5 ( Figure 4 ).

Duration of individual phases and total duration of ventricular depolarization on BSPMs before and after acute exhaustive treadmill exercise. Data are expressed as mean ± standard deviation (n = 20). PreEx: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise. Repeated measures ANOVA and Dunnett’s post-hoc test; *p < 0.05 vs. Pre-Ex.

Characteristics of BSPM extrema

During ventricular depolarization, the amplitudes of positive and negative BSPM extrema pre- and post-exhaustive treadmill exercise progressively increased, reaching maximum values near the peak of the RII-wave, then decreased ( Figure 2 , Table 2 ). There were no significant changes in either the maximum amplitudes of BSPM extrema during ventricular depolarization, or the time when extrema reached maximum amplitudes after acute exhaustive exercise ( Figure 5 ).

Amplitudes of BSPM extrema at different time moments during ventricular depolarization before and after acute exhaustive treadmill exercise
Time moment, ms
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Positive extremum, mV Pre-Ex 0.19 (0.06; 0.31) 0.44 (0.19; 0.54) 0.67 (0.41; 0.81) 0.89 (0.80; 1.09) 1.06 (0.90; 1.20) 0.92 (0.79; 1.16) 0.74 (0.54; 0.91) 0.45 (0.17; 0.79) 0.41 (0.29; 0.63) 0.4 (0.33; 0.52)
Post-Ex 5 0.14 (0.05; 0.24) 0.34 (0.19; 0.46) 0.57 (0.43; 0.73) 0.88 (0.67; 1.05) 1.02 (0.78; 1.20) 0.95 (0.77; 1.15) 0.76 (0.39; 0.9) 0.33 (0.22; 0.59) 0.44 (0.19; 0.59) 0.34 (0.20; 0.46)
Post -Ex 10 0.19 (0.06; 0.28) 0.41 (0.19; 0.50) 0.67 (0.44; 0.77) 0.84 (0.56;1.02) 0.95 (0.75; 1.16) 0.95 (0.76; 1.15) 0.61 (0.28; 0.91) 0.39 (0.18; 0.57) 0.41 (0.21; 0.58) 0.4 (0.2; 0.53)
Negative extremum, mV Pre-Ex -0.14 (-0.11; -0.21) -0.28 (-0.16; -0.35) -0.40 (-0.26; -0.52) -0.58 (-0.38; -0.64) -0.64 (-0.51; -0.73) -0.71 (-0.62; -0.85) -0.58 (-0.49; -0.74) -0.42 (-0.29; -0.56) -0.28 (-0.20; -0.40) -0.16 (-0.09; -0.27)
Post -Ex 5 -0.14 (-0.07; -0.19) -0.26 (-0.18; -0.35) -0.42 (-0.27; -0.50) -0.57 (-0.41;-0.67) -0.65 (-0.58; -0.78) -0.77 (-0.68; -0.92)* -0.65 (-0.44; -0.78) -0.39 (-0.22; -0.44) -0.21 (-0.14; -0.30)* -0.08 (-0.05; -0.189)*
Post -Ex 10 -0.16 (-0.08; -0.20) -0.29 (-0.17; -0.35) -0.45 (-0.30; -0.53) -0.60 (-0.40; -0.69) -0.66 (-0.55; -0.75) -0.75 (-0.60; -0.90) -0.67 (-0.45; -0.73) -0.39 (-0.20; -0.46) -0.23 (-0.13; -0.36) -0.12 (-0.06; -0.23)

The time is shown relative to the RII-wave peak. Data are expressed as median, first and third quartiles (n = 20). Pre-Ex: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise. Wilcoxon test with Bonferroni adjustment; *p < 0.025 vs. Pre-Ex at the same time.

Maximum amplitudes of positive (A) and negative (B) extrema on BSPMs during ventricular depolarization, and the time when positive and negative extrema reached maximum amplitudes (C and D, respectively) before and after acute exhaustive treadmill exercise. The time is shown relative to the RIIwave peak. Data are expressed as median, first and third quartiles, minimum and maximum (n = 20). PreEx: before exhaustive exercise; Post-Ex 5: 5 minutes after exhaustive exercise; Post-Ex 10: 10 minutes after exhaustive exercise. Friedman test, p > 0.05.

The amplitudes of BSPM extrema at different moments during ventricular depolarization are shown in Table 2 . Due to the individual variations in the onset and completion times of ventricular depolarization on BSPMs, the time range corresponding to the depolarization of ventricles in all studied animals (i.e. from -5 to 4 ms relative to RII-peak) was analyzed. At each analyzed moment of the chosen time range, no significant changes in the amplitude of positive BSPM extremum were observed after exhaustive treadmill exercise. At the RII-peak, the amplitude of negative BSPM extremum at Post-Ex 5 was higher compared with that at Pre-Ex ( Table 2 , instant 0 ms). Additionally, 3 and 4 ms after RII-peak, the amplitudes of negative BSPM extremum at Post-Ex 5 were lower compared with those at Pre-Ex ( Table 2 , moments 3 and 4 ms).

 Discussion

In the present study, the electrical activity of the heart was evaluated during ventricular depolarization after acute exhaustive treadmill exercise in previously untrained rats, by using body surface potential mapping in combination with conventional electrocardiography.

The immediate cardiovascular response to forced treadmill exercise in rodents is an increase in HR,21 , 22 ensuring an increase in cardiac output. In Wistar rats, the HR acceleration, during treadmill exercise, is predominantly determined by the cardiac autonomic nerve activity, especially by an augmentation in sympathetic outflow.23 The decrease in HR, after physical exercise cessation, is likely the manifestation of vagal reactivation.24 Previous studies on untrained rats have demonstrated the decline in HR to the initial level at 10 minutes after acute exhaustive treadmill running.25 In the present study, in both situations after exhaustive exercise (Post-Ex 5 and Post-Ex 10), HR values were nearly equal to that at baseline (Pre-Ex). In our opinion, these results could be explained by a decrease in HR to the pre-exercise level within the first 5 minutes following running until exhaustion.

In healthy human subjects, the ECG response to physical exercise consists of either a decrease in the QRS duration or no changes in QRS duration.26 , 27 The shortening of the QRS duration with exercise in healthy individuals is attributed to enhanced intraventricular conduction velocity, due to increased adrenergic tone.26 Meanwhile, QRS prolongation with exercise is considered an abnormal ECG finding and might be used as a marker of myocardial ischemia.28 The significant prolongation of the duration of QRS, accompanied by the impairment of the cardiac functional capacity, was observed in healthy Sprague-Dawley rats, which were submitted to acute exhaustive treadmill exercise, compared with their sedentary control.15 We found a decrease in the QRSIIduration and RII-wave duration at Post-Ex compared with those at Pre-Ex, while at Post-Ex 10 these parameters returned to near Pre-Ex level. It is generally accepted that, in humans, the R-wave in limb leads of ECG represents the depolarization of the left and right ventricles, and S-wave reflects predominantly the excitation of the basal parts of ventricles.29 The genesis of R- and S-waves on ECGs in rats is similar to that in humans.30 Thus, our results suggested that the changes in QRS duration after acute exhaustive exercise in rats were related to a transient decrease in the excitation duration in most of the ventricular myocardium.

In apparently healthy humans, a decrease in the R-wave amplitude, with or without an increase in the S-wave amplitude, is observed on ECGs at maximal exercise.31 , 32 The reduction in the R-wave amplitude, with strenuous exercise, is attributed to a decrease in the ventricular end-diastolic volume,27 as well as to changes in cardiac electrical activation,31 while the increase in S-wave amplitude is assumed to be related to electrical axis shifts or ventricular conduction alterations.33 In this study, the RII-wave amplitude did not alter after exhaustive treadmill running. However, compared with Pre-Ex, the amplitude of SII-wave increased at Post-Ex 5 and Post-Ex 10. Since the sum of the RII- and SII-wave amplitudes also increased at Post-Ex 5 and Post-Ex 10, variations in SII-wave amplitude following exhaustive exercise were probably not the result of a QRS axis deviation. Because of the lack of an isoelectric ST-segment in rats, the increase in the S-wave amplitude on rat ECGs is regarded as the ST-segment depression and is interpreted as a sign of myocardial ischemia.34 , 35 So, in the present study, the increase in the amplitude of SII-wave in exhausted rats may be caused by exercise-induced ischemic alterations in heart ventricles. Nonetheless, further studies are needed to confirm this assumption.

Changes in the spatial distribution of cardiac potentials on the body surface, during ventricular depolarization, are indicators of alterations in the direction of excitation wavefronts in the heart ventricles.16 , 36 Miller et al.37 observed significant changes in the migration trajectory of negative extremum, as well as the appearance of additional anterior positive extrema on BSPMs during the QRS complex at maximal exercise in healthy subjects, which they considered to be due to a delay in the activation of the left ventricular free wall, relative to the onset of excitation in the right ventricle and intraventricular septum.

Takala et al.38 disclosed no changes in spatial patterns of QRS-time BSPMs after maximal exercise in healthy individuals. In the present study, spatial BSPM patterns during ventricular depolarization were similar to those previously observed in healthy Wistar rats.39 The locations of areas and extrema, and their dynamics on BSPMs at Post-Ex 5 and Post-Ex 10 were almost identical to those at Pre-Ex, which suggested that the main direction of the activation wave in rat ventricles did not change greatly with acute exhaustive treadmill exercise.

In rats, the first inversion of potential distributions on the BSPMs, during ventricular depolarization, is caused by a breakthrough of the excitation wave on the subepicardium of both the base of the right ventricle and the apex of the left ventricle, and the second inversion resulted from the change in the direction of the activation wave towards the base of the left ventricle and the excretory cone of the aorta.19 During the initial phase of ventricular depolarization on BSPMs, the excitation wave, in rats, spreads through the conducting system and then moves through the myocardium in an endo-epicardial direction. During the middle and terminal phases of ventricular depolarization on BSPMs, there is an excitation of the main mass of the ventricular myocardium, and the base of the left ventricle, respectively.19 In this study, at Post-Ex 5, in comparison with Pre-Ex, an earlier completion of the second inversion of potential distributions, an earlier completion of ventricular depolarization, as well as a decrease in the duration of the middle phase and the overall duration of ventricular depolarization were demonstrated on BSPMs, which appears to have resulted from a decrease in the activation duration of the main mass of the ventricular myocardium. At Post-Ex 10, temporal parameters of BSPMs did not differ from those at Pre-Ex. Thus, in the present study, the changes in the temporal BSPM characteristics, subsequent to acute exhaustive treadmill exercise, were caused by a reversible reduction in the duration of the middle phase of ventricular depolarization, while the durations of the initial and terminal phases remained essentially unchanged. Compared with conventional electrocardiography, body surface potential mapping allowed a more accurate identification of the stage of ventricular depolarization, the duration of which was considerably altered as a result of exhaustive treadmill exercise in rats.

Regarding the effect of strenuous exercise on the amplitude of BSPM parameters, Mirvis40 described a reduction in the amplitude of positive extremum and an increase in the amplitude of negative extremum on isopotential maps of the anterior surface of the thorax at different points of the QRS complex during submaximal exercise in healthy subjects. Other authors37 revealed the decrease in the maximum amplitude of the positive BSPM extremum during QRS, with maximal exercise in healthy volunteers, which they surmised was a result from the changes in activation wavefronts in the left ventricular wall. In our study, the maximum amplitudes of positive and negative BSPM extrema during ventricular depolarization, and the time when the extrema reached maximum amplitudes, did not alter significantly after exhaustive treadmill exercise. Meanwhile, compared with those at Pre-Ex, the amplitude of negative BSPM extremum in the instant of RII-peak and 3 and 4 ms after RII-peak changed at Post-Ex 5. The exact causes of these changes are unclear. As we have shown, in the moment of 3 ms after RII-peak, the second inversion of potential distributions on BSPMs was still continuing at Pre-Ex, whereas it was already completed at Post-Ex 5. Therefore, the decrease in amplitude of the negative BSPM extremum 3 and 4 ms after RII-peak at Post-Ex 5 as compared with those at Pre-Ex may be associated with an earlier completion of the second inversion of potential distributions on BSPMs.

In summary, according to the results, this is the first study to show the body surface potential distributions during ventricular depolarization following acute exhaustive exercise in rats. We suggest that the transient changes in temporal and amplitude characteristics of BSPMs observed in rats, after treadmill running until exhaustion, were physiological and reflected the electrical behavior of the heart at strenuous physical exercise.

The present study has limitations. First, our results are restricted only to young adult male rats and cannot be applied directly to the population of laboratory rats as a whole. Second, in the current study, the recording of the heart electrical activity was performed in zoletil-anesthetized animals. Although it has been shown that zoletil has a minimal cardiovascular effect,41 the influence of this anesthetic on the obtained data cannot be completely excluded.

 Conclusion

In conclusion, our data showed that acute treadmill exercise until exhaustion did not alter the spatial pattern of body surface potential distributions during ventricular depolarization but induced the decrease in the duration of the middle phase, and the total duration of ventricular depolarization, as well as the changes in the amplitude of negative extremum of BSPMs during ventricular depolarization in rats.

Study Association

This study is not associated with any thesis or dissertation work.

Sources of Funding: There were no external funding sources for this study.