Variabilità cardiaca: un dato importante per il laureato in Scienze Motorie

Data:

15/04/2020

Indice degli argomenti

In questo articolo parleremo di variabilità cardiaca (HRV): cos’è? Perché è importante per noi scienziati motori? Come possiamo utilizzarla?

Le origini della misurazione HRV

Nel 1733, Stephen Hales osservò per la prima volta la variazione della pressione arteriosa e la durata del tempo di battito durante il ciclo respiratorio nei cavalli.

Il primo rapporto documentato della variabilità dei ritmi cardiaci è accreditato a Carl Ludwig nel 1847, quando documentò l’aritmia del seno respiratorio (RSA) utilizzando un chimografo a tamburo fumé, un dispositivo da lui inventato che permetteva la misurazione dell’attività meccanica. Utilizzando i galvanometri all’inizio del XX secolo, William Einthoven produsse le prime registrazioni continue dell’attività elettrica del cuore.

All’inizio degli anni ’60, Norman Jeff Holter sviluppò un piccolo dispositivo portatile in grado di ottenere ECG ambulatoriali a lungo termine (>24 ore). Il dispositivo ha portato ad una crescita esponenziale delle informazioni relative al rapporto tra HRV e malattia. L’analisi nel dominio del tempo è stata eseguita su queste prime misurazioni ECG, mentre l’analisi nel dominio della frequenza non è esistita fino ai primi anni ’70.

Il rilevamento della variabilità della frequenza cardiaca in relazione al monitoraggio delle prestazioni nelle attività fisiche è un campo relativamente nuovo che mira a rilevare i cambiamenti nel sistema autonomo in risposta all’esercizio fisico.

Il cuore non batte sempre allo stesso modo

Pensate che il battito cardiaco a riposo sia monotono e regolare come accade con un cronometro? Be’ no! Il cuore non batte ad intervalli regolari, ci sono delle variazioni che prendono il nome di variazioni beat to beat. 

Da diversi studi effettuati in ambito cardiologico è emerso che vi è una differenza nei tempi di contrazione tra un battito e l’altro (nell’ordine di alcuni millisecondi). Questo cambio nella frequenza di contrazione è emerso essere collegato con:

  • azione sistema Simpatico/Parasimpatico;
  • le componenti oscillatorie sono legate all’apparato respiratorio e le componenti a 0.1-Hz, denominate onde di Mayer, sono legate all’attività vasomotoria indotta dal baroreflex;
  • esiste una relazione tra variazioni beat to beat ed attività del sistema termoregolatorio;
  • la variabilità beat to beat è correlata a stati di stress, sovrallenamento, patologie ecc…

È proprio studiando queste variazioni beat to beat che si è venuti a conoscenza di quella che ora è conosciuta come variabilità cardiaca o HRV (Heart Rate Variability) .

La variabilità della frequenza cardiaca (HRV) è normalmente caratterizzata da variazioni tra i picchi del complesso QRS dell’onda ECG, cioè per variazioni dell’intervallo RR.

schema variabilità cardiaca

È stato stabilito un insieme standard di analisi del segnale per la misurazione, l’interpretazione e l’applicazione clinica dell’HRV: questi standard comprendono il dominio tempo, dominio frequenza e loro combinazioni.

Nel dominio della frequenza, l’analisi HRV è stata classicamente descritta per quattro distinti bande:

  1. Frequenza ultra-bassa (ULF), dove f < 0,003 Hz; Potrebbe riflettere il ritmo circadiano e neuroendocrino;
  2. Frequenza bassissima (VLF), dove f < 0,003 f < 0,04 Hz; Potrebbe riflettere cambiamenti vasomotori, termoregolatori;
  3. Bassa frequenza (LF), 0,04 f < 0,15 Hz; Potrebbero riflettere attività simpatica e barorecettoriale;
  4. Alta frequenza (HF), 0,15 f 0,4 Hz; Riflette attività parasimaptica.

Poiché la frequenza f = 0,003 Hz al confine fra le bande ULF e VLF corrisponde ad un periodo di tempo di 333 s, le registrazioni a breve termine di durata < 5 min sono limitate all’analisi delle caratteristiche VLF, LF e HF, mentre la banda ULF richiede registrazione a lungo termine; clinicamente, vengono impiegati monitor ECG portatili che tipicamente registrano fino a 24 ore (monitor Holter).

Si noti inoltre che i segnali HR possono contenere potenza a frequenze superiori a 0,4 Hz, il limite superiore della gamma HF. Le frequenze HF riflettono principalmente la potenza cardiaca parasimpatica mentre le frequenze LF hanno una componente prevalentemente simpatica, il rapporto LF/HF può essere quindi utilizzato come misura dell’equilibrio simpatico-vagale, cioé il relativo contributo di attività simpatica e parasimpatica.

Tuttavia i complessi meccanismi neurali dell’HRV e le implicazioni associate alla salute sono ancora da chiarire ma è chiaro che l’HRV sia un dato talmente importante da dover essere preso in considerazione nella progettazione di sistemi di ingegneria impiegati a supporto della prescrizione e l’attuazione di programmi di esercizio fisico.  

HRV e sport

Sulla base dei dati provenienti dalle principali fonti di indicizzazione, il numero di studi che hanno esaminato la variabilità della frequenza cardiaca (HRV) in generale è aumentato costantemente di almeno 5 volte dal 1990 (fino al 2012), e il numero che indaga le influenze delle diverse attività fisiche sull’HRV è aumentato drasticamente dal 1999. 

L’HRV è stato a lungo studiato per il suo ruolo nella salute cardiaca durante i processi patologici. Tuttavia, studi recenti hanno dimostrato che i parametri dell’HRV cambiano durante e dopo l’esercizio fisico.

Questi risultati suggeriscono che i parametri dell’HRV potrebbero essere utilizzati per analizzare lo stress che l’organismo subisce durante l’allenamento e per ottenere una visione del recupero fisiologico dopo l’allenamento.

Infatti, è ragionevole che i cambiamenti nei modelli del sistema nervoso autonomo (ANS) riflessi dai cambiamenti dell’HRV possano servire come parametri utili per gestire la fatica fisica e l’intensità dell’esercizio fisico. Inoltre, le informazioni relative alla misura in cui il corpo si riprende dopo l’allenamento possono fornire dati utili per la personalizzazione dell’allenamento sportivo, dei carichi di allenamento e dei tempi di recupero.

La maggior parte degli atleti comprende l’importanza del recupero dopo l’esercizio fisico, che viene definito come il ritorno dell’omeostasi corporea dopo l’allenamento a livelli di preallenamento o quasi preallenamento. Il recupero consiste nell’ottenere un riposo adeguato prima che l’allenamento continui a permettere al corpo di ripararsi e rafforzarsi tra un allenamento e l’altro. Consentendo il recupero a livelli di preallenamento o quasi preallenamento, il recupero supporta l’ottimizzazione delle prestazioni future.

Tuttavia, secondo Zatsiorsky e Karaemer questo livello di quasi allenamento si basa sulla dinamica in costante cambiamento dell’atleta e sulla quantità di ulteriore allenamento che si incontra. Il recupero cerca di minimizzare gli effetti negativi dell’allenamento precedente, come la stanchezza, mantenendo l’effetto positivo (cioè la forma fisica e il miglioramento delle prestazioni).

Per ottimizzare il recupero, il monitoraggio dopo gli allenamenti è molto importante per evitare un eccessivo accumulo di fatica fisica durante la preparazione o la competizione.

Se il recupero non viene raggiunto, le prestazioni iniziano a diminuire, come si vede nella sindrome da sovrallenamento in cui l’allenamento per un evento o l’evento stesso spinge oltre la capacità di recupero dell’organismo. I ricercatori nel campo della scienza dello sport sono intensamente impegnati nell’identificazione di strumenti per stimare la quantità di stress fisico nel processo di allenamento necessario per ottimizzare le prestazioni agonistiche.

L’obiettivo dell’allenamento è quello di mettere sul corpo un carico di allenamento sufficiente a disturbare l’omeostasi e l’intero equilibrio autonomo. Gli atleti possono aspettarsi una migliore risposta in termini di adattamento fisiologico solo se il recupero del corpo è sufficiente. La domanda diventa allora come misurare il livello di recupero in modo obiettivo per massimizzare i benefici dell’allenamento.

Tradizionalmente, i ricercatori che studiano il recupero e il livello di prestazione nel laboratorio sperimentale hanno valutato la forma fisica aerobica misurando vari parametri, tra cui l’assorbimento massimo di ossigeno (VO2 max), la velocità minima necessaria per raggiungere il VO2 max (vVO2 max), la velocità all’inizio dell’accumulo di lattato nel sangue (VOBLA) e le ripetute capacità di sprint. Sono stati descritti anche altri fattori nel sangue, tra cui creatina chinasi, cortisolo, conta dei globuli bianchi, proteina C reattiva (CRP), livelli di proteina mieloperossidasi (MPO), e lo stato di glutatione.

Anche se queste misure vengono utilizzate periodicamente per determinare le prestazioni e il recupero, sono troppo costose o complicate per l’uso quotidiano, anche per gli atleti professionisti. Oltre a richiedere grandi e costose attrezzature che si trovano principalmente nei laboratori di performance, i fisiologi dell’esercizio fisico deve essere disponibile per condurre i test e analizzare i risultati. Di conseguenza, gli scienziati e gli allenatori sono alla ricerca di metodi utili e non invasivi per ottenere dati preziosi sui cambiamenti fisiologici che si verificano in risposta all’attività fisica.

L’allenamento ottimale dipende dalla corrispondenza delle abilità specifiche dell’individuo, come la forza muscolare, la resistenza, l’esplosività e la flessibilità alla capacità aerobica dell’individuo, al carico di allenamento e al recupero. Dal momento che i miglioramenti e gli aggiustamenti di ciascuna di queste abilità cambiano costantemente con l’allenamento continuo, bilanciare queste molteplici componenti per prevenire il sovrallenamento può essere una sfida.

A tal fine, l’uso della variabilità della frequenza cardiaca (HRV) può essere una soluzione logica perché riflette i principali processi normativi dopo l’esercizio.

Mentre diversi studi recenti hanno utilizzato l’HRV per individuare quali strumenti misurano il cambiamento in relazione al tipo di esercizio e all’intensità, il suo utilizzo illustra anche come il monitoraggio della forma fisica durante l’esercizio e i periodi post-esercizio possano essere applicati all’allenamento atletico in modo più ampio in futuro. L’equilibrio simpaticovagale cambia in risposta alle diverse intensità e durata dell’allenamento aerobico, come evidenziato dai cambiamenti nelle misure di HRV, compresi i cambiamenti significativi LF, HF, e la potenza totale del dominio di frequenza.

Negli studi condotti su un ciclista, i cambiamenti negli spettri di potenza HRV sono stati rilevati in modo dipendente dall’intensità. Con un carico di lavoro di 60 W che è stato aumentato di 20 W ogni 3 minuti, gli spettri di potenza HRV di un ciclista differivano quantitativamente prima e dopo una serie di impulsi di esercizio di 20 minuti a vari carichi di lavoro. In baseline LF normalizzato era leggermente superiore all’HF normalizzato. Con l’aumentare dell’intensità dell’esercizio nel tempo, il rapporto LF/HF è aumentato con l’intensità dell’esercizio, riflettendo un aumento del tono simpatico (aumento di LF) e una diminuzione del tono parasimpatico (diminuzione di HF). In giovani adulti fisicamente attivi, una maggiore attività vigorosa settimanale è correlata ad un maggior indice HRV in tutto l’intervallo di attività osservato

Per riassumere, i valori HRV cambiano con l’intensità dell’esercizio. Ad esempio, Hottenrott et al.  hanno dimostrato che l’aumento dell’intensità dell’esercizio fisico è stato associato ad un aumento del rapporto LF/HF, che riflette l’aumento del tono simpatico nei ciclisti ricreativi. I triatleti d’élite sfidati con test da sforzo ad intensità moderata e ad alta intensità hanno mostrato un aumento del tono simpatico e parasimpatico, rispettivamente. Allo stesso modo, durante l’esercizio fisico completo, Pichon et al. hanno riportato un aumento dell’input parasimpatico.

Questi studi indicano che, a seconda della durata e dell’intensità dell’esercizio fisico, l’input autonomo può essere simpatico fino ad un certo punto, con predominanza parasimpatica nell’esercizio ad esaurimento.

Ricorda!

  • Livelli più bassi di attività fisica sono associati a un maggiore rischio cardiovascolare con effetti mediati in parte da disfunzioni autonomiche.
  • È necessario tenere presente che la variazione della frequenza cardiaca non è dovuta solo al tono del sistema nervoso autonomo ed è il risultato di alcuni meccanismi come ad esempio il baroreflex (Cevese et al. 2001) o la respirazione (Rentero et al. 2002). Il ritmo respiratorio può influire sugli indici del dominio del tempo e della frequenza per quanto riguarda l’HRV. I risultati degli spettri di HRV indicati da LFn e HFn in esercizio variano a seconda dei diversi rapporti.Ad esempio, uno studio delle differenze di HRV a diverse soglie ventilatorie (VT) ha identificato una predominanza simpatica (indicata da un rapporto LF/HF aumentato) durante l’esercizio relativamente meno intenso e una predominanza parasimpatica (indicata da un rapporto LF/HF diminuito) durante l’esercizio relativamente più intenso. Cottin et al. (14) hanno esaminato 11 triatleti regionali d’élite (età, 14,6 ± 1,1 anni) che sono stati sottoposti a un test di intensità moderata (sotto la potenza di VT) o ad alta intensità (sopra la potenza di VT) fino all’esaurimento. In ogni circostanza, sono stati misurati l’intervallo R-R, VO2, VCO2 e i livelli di lattato nel sangue. Hanno identificato valori assoluti più alti di LF ed HF a intensità moderata rispetto ai cicli ad alta intensità. I risultati normalizzati hanno indicato che l’LFn era significativamente più alto nel ciclismo al di sotto di VT (LF 80% ± 10% vs. HF 20% ± 10%, P<0.001), indicando la predominanza dell’input simpatico. L’opposto è stato osservato durante l’esercizio fisico pesante (LF 11% ± 8% contro HF 89% ± 8%, P<0,001), che indicava la predominanza dell’input parasimpatico.Questi risultati possono essere spiegati da variazioni della frequenza respiratoria combinate con la scomparsa del controllo autonomo cardiaco che si verifica in condizioni di esercizio fisico pesante. Inoltre, il rapporto LF/HF era sempre >1 per i cicli sotto la VT e <1 per i cicli sopra la VT (4,92 ± 2,4 e 0,14 ± 0,12, rispettivamente; P<0,001).
  • L’esposizione a stress recenti o altri fattori psicologici, come la depressione, che può avere un impatto sulla frequenza cardiaca e quindi sull’HRV.

Gli adattamenti autonomici sono uguali tra giovani e adulti?

  • Lee et al. (2003) hanno riportato un aumento della modulazione vagale della frequenza cardiaca dopo solo otto sessioni di allenamento effettuate oltre 2 settimane nei giovani.
  • Iwasaki et al. (2003) hanno mostrato che la maggior parte della risposta autonoma è stata raggiunta dopo 12 settimane di formazione moderata negli adulti. Questi risultati suggeriscono che gli adattamenti significativi dovrebbero essere osservati dopo 7 settimane di intenso allenamento in adulti sani. Tuttavia questi adattamenti sembrano essere correlati in funzione dell’età, come suggerito dagli studi di Earnest et al. (2008) e Verheyden et al. (2006) negli anziani. La maturazione dei bambini infatti potrebbe frenare gli adattamenti autonomici indotti dal training correlati con il massimo consumo di ossigeno (Baquet et al. 2003).

Ad es: un periodo di alta formazione può portare ad un sovraccarico e un accumulo di fatica. Negli adulti si presenta o nessun cambiamento nell’attività autonoma (Pichot et al. 2002) o uno spostamento di attività da parasimpatico a simpatico (Iellamo et al. 2002; Portier et al. 2001)

Interessante vero? Ma scommetto che ti stai facendo un’altra domanda.

Cosa posso usare per misurare l’HRV?

Le lunghezze dei picchi R successivi (RR) nel complesso QRS possono essere descritte matematicamente; il parametro R-R non è coerente tra i picchi R successivi.

Come questa misura varia può essere descritta matematicamente in diversi modi. Durante l’inizio dell’attività fisica, gli intervalli R-R diventano più brevi e più uniformi (meno variegati), a causa dell’aumento dell’attività simpatica e del ritiro parasimpatico. Si sta sempre più apprezzando il fatto che la variazione degli intervalli R-R può fornire informazioni utili per quanto riguarda lo stress fisiologico e i livelli di affaticamento durante e dopo l’allenamento. Una varietà di modelli matematici e algoritmici che rappresentano gli intervalli R-R può essere utilizzata per presentare i dati in domini di tempo o di frequenza o anche in metodi non lineari.

Nonostante la complessità matematica di questi metodi, i monitor per orologi da polso come quelli di Polar o Suunto o i dispositivi portatili di Omegawave Sport Technology Systems possono raccogliere i dati per ulteriori analisi utilizzando un software ampiamente disponibile.

A titolo di esempio, l’attivazione autonomica può essere valutata analizzando l’HRV per stimare il bilancio simpatico-vagale. L’analisi del dominio di frequenza dell’HRV fornisce diversi parametri relativi all’attività simpatica (bassa frequenza/LF) o parasimpatica (vagale) (alta frequenza/HF). Sia LF che HF possono essere indicati come valori o rapporti assoluti (LF/HF). 

La CARDIOLOGIX nel suo software HeartScanner fornisce ad esempio dei valori standard:

strumenti misurazione variabilità cardiaca

Lo sapevi che?

  • 20 minuti di esercizio di stretching possono favorire la salute cardiovascolare attenuando la perdita di tono parasimpatico associata alla gravidanza.
  • Hrv è importante nei soggetti diabetici nei quali una nefropatia diabetica può portare ad un’alterazione dello stesso.
  • Hrv è importante nei soggetti ipertesi data la correlazione tra HRV e predominanza simpatica/parasimpatica.
  • L’efficacia dell’HRV nella previsione di morte cardiaca improvvisa è ben documentata ed è nota già da tanto tempo es.Huikuri et al. 1999.
  • Quando le donne entrano in menopausa, sperimentano un’immediata diminuzione dell’HRV secondario alla perdita di influenza da parte degli estrogeni sulla formazione dei ponti trasversali e nella contrattilità cardiaca (Brockbank et al. 2000). Inoltre, le donne che hanno avuto vampate di calore hanno dimostrato di avere un aumentato dominio simpatico e ridotto dominio parasimpatico non appena il basso livello di estrogeni colpisce il sistema nervoso centrale (Hautamaki et al. 2011).  Per la salute delle donne (Rossouw et al. 2002), l’importanza dell’allenamento di resistenza durante l’invecchiamento non può essere sottovalutato.
  • L’HRV potenziato potrebbe potenzialmente ridurre il rischio di fibrillazione ventricolare.
  • Le riduzioni di HRV con l’età possono essere SOLO parzialmente compensate con un esercizio regolare come suggerito dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. Okazaki et al. (2005) infatti hanno documentato che l’HRV degli atleti master era simile a giovani soggetti di controllo

Variabilità cardiaca e sedentarismo

Leggendo diversi studi ho scoperto che anche dopo una situazione mentalmente stressante, le donne sedentarie hanno un’alterazione dei parametri del HRV maggiori rispetto alle donne attive. Quindi, lo stile di vita attivo sembra portare benefici anche dopo uno stress mentale se confrontato con giovani donne sedentarie.

Negli ultimi anni, lo stile di vita è diventato il fulcro di molti studi correlati a fattori modificabili per le malattie cardiovascolari e i loro metodi di controllo. Questi studi condividono un’enfasi sulla pratica regolare degli esercizi fisici come alleato fondamentale nella prevenzione e nella cura di queste malattie.

In uno studio di coorte che ha coinvolto 33.798 persone in 22 anni, si è scoperto che tutte le cause di mortalità erano associate ad HR a riposo più elevato negli uomini di età compresa tra i 18 e i 59 anni e donne di età compresa tra i 40 e i 59 anni (Groenlandia et al. 1999). È ormai ben noto come i soggetti attivi presentino una bradicardia maggiore a riposo rispetto ai soggetti sedentari.

L’esercizio fisico, se svolto regolarmente, è responsabile degli adattamenti del sistema cardiovascolare sia durante la pratica che a riposo, permettendo all’individuo di adattarsi e, in quanto tale, rispondere più efficacemente alle situazioni di stress fisiologico.

La bradicardia riscontrata nel gruppo dei soggetti attivi è correlato all’aumento della modulazione parasimpatica (banda HF) e la riduzione della modulazione simpatica (banda LF). Gilder et al. (2008) hanno misurato settantadue donne ed osservato che le donne che segnalano volumi più elevati di attività avevano livelli significativamente più alti di attivazione parasimpatica rispetto alle donne meno attive in posizione supina; e hanno anche dimostrato un cambiamento di molto maggiore nell’attivazione parasimpatica in risposta alla posizione di standing (Gilder e Ramsbottom 2008).

Questa risposta potrebbe essere uno dei fattori che stanno alla base dei meccanismi associati alla protezione verso le malattie cardiovascolari forniti dal condizionamento fisico.

Middleton e De Vito (Middleton e De Vito 2005), hanno paragonato le atlete con donne sedentarie hanno trovato un HRV più alto nel gruppo delle atlete. Inoltre, in uno studio che coinvolge donne in premenopausa e donne in menopausa, è stato osservato che il tempo ed i parametri del dominio di frequenza dell’HRV sono diminuiti con l’età sia in donne sedentarie che fisicamente attive. Tuttavia, l’alta frequenza e la potenza totale di HRV (variazione RR) sono state più alte nelle donne fisicamente attive rispetto alle donne sedentarie, indipendentemente dall’età (Davy et al. 1998).

Inoltre, Sandercock et al. (2008) hanno mostrato che i giovani uomini con un livello di attività fisica più elevato registravano un rapporto LF/HF inferiore. Le donne che hanno uno stile di vita attivo attraverso l’attività fisica regolare presentano una diminuita modulazione simpatica se paragonata alle donne che non svolgono esercizio fisico regolarmente.

Il sedentarismo è associato ad un deterioramento sui parametri HRV anche nelle giovani donne.

La pratica regolare dell’esercizio fisico è anche associata ad un miglioramento della qualità della vita, che è reso chiaro nella valutazione dello stato di salute.

Una revisione ha identificato che il più alto livello di attività è associato ad una migliore percezione della qualità di vita negli adulti (Pucci et al. 2012). Barbosa et al. hanno mostrato un significativo guadagno in: capacità funzionale, nel dolore e in generale nella salute rispetto al gruppo di controllo costituito da donne sedentarie (Rezende Barbosa et al. 2016).

Quindi, il miglioramento di questo aspetto per le donne significa un conseguente miglioramento dei livelli di stress e di benessere, che può avere un impatto positivo sul processo di invecchiamento, aiutando al tempo stesso nella prevenzione delle malattie croniche non trasmissibili.

Conclusioni

Possiamo affermare che l’HRV è un dato molto importante ed utile per il professionista delle scienze motorie, in diversi campi:

  • valutazione dello stato di recupero/stress del soggetto
  • performance
  • prevenzione
  • valutazione e allenamento di soggetti patologici in particolari stati della vita: diabete, patologie cardiovascolari, menopausa, gravidanza ecc…

L’HRV inoltre è correlato a diversi fattori che possono alterare i valori dello stesso:

  • azione sistema Simpatico/Parasimpatico;
  • le componenti oscillatorie sono legate all’apparato respiratorio e le componenti a 0.1-Hz, denominate onde di Mayer, sono legate all’attività vasomotoria indotta dal baroreflex;
  • esiste una relazione tra variazioni beat to beat ed attività del sistema termoregolatorio;
  • la variabilità beat to beat è correlata a stati di stress, sovrallenamento, patologie ecc.;
  • il tasso di attività o sedentarietà del soggetto.

Si può agire sull’HRV modulando l’intensità dell’attività fisica oppure attraverso pratiche come il Breathing training essendo la respirazione strettamente correlata all’HRV.

In conclusione è evidente che l’HRV presenta svariati utilizzi e correlazioni fisiologiche: si potrebbe scrivere un trattato in merito a questo argomento.

Emanuele Cascarano
Note sull’autore
Laurea Triennale in Scienze delle Attività Motorie e Sportive Università degli studi dell’Aquila
Laurea Magistrale in Scienze Motorie Preventive E Adattate Università degli studi dell’Aquila
Certificazione Functional Trainer Training Lab Italia
Membro del Progetto University Lab 

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Bibliografia

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