Avhandling - Dissertation

Johan Andersson

Cardiovascular and respiratory effects of apnea in humans

Bilderna ovan visar försökspersoner under försök i vila (till vänster) och under arbete (till höger). Dykresponsen utlöses genom att personen håller andan och samtidigt sänker ned ansiktet i vattenbehållaren. Olika instrument (några synliga i bilderna) används för att mäta förändringar i blodcirkulation och andning. Svensk populärvetenskaplig sammanfattning nedan.

The figures above shows subjects during experiments at rest (left) and during exercise (right). The diving response is initiated by apnea and simultaneous immersion of the face in the water container. Various instruments (some are visible in the picture) are used to record cardiovascular and respiratory parameters. English abstract below. List of included articles below.

Cardiovascular and respiratory effects of apnea in humans

This thesis deals with cardiovascular and respiratory effects of apneas in humans. During apnea (breath-holding), a number of interacting cardiovascular reflexes are initiated, and together these reflexes are called the "diving response". The main cardiovascular characteristics of the human diving response are reduced heart rate, decreased cardiac output, peripheral vasoconstriction, and increased arterial blood pressure. The diving response of some diving mammals has been shown to have an oxygen conserving effect. I.e., some species perform dives that are longer than expected considering their tissue oxygen stores. A shift from aerobic to anaerobic metabolism is probably the major cause of the oxygen conservation, and a reduced oxygen delivery to the tissues by means of the peripheral vasoconstriction is the mechanism by which this shift is attained. Whether or not the human diving response has an oxygen conserving effect has not been elucidated. The main focuses of this study have been the initiation and effects of the human diving response. Involvement of splenic contraction in the human diving response and mechanisms for the oxygen conserving effect of the human diving response are suggested.

The results show that mechanical effects and possibly also input from pulmonary stretch receptors influence the development of the diving response, resulting in a non-linear relationship between the magnitude of the diving response and the lung volume in the near-vital capacity range. Studies on interactions between thermoregulatory and exercise reflexes and the diving response indicate that the human diving response has priority over other cardiovascular responses in the threat of asphyxia, which appears to be a functional quality of an oxygen conserving response.

Increases in hematocrit during apneas were observed in intact but not in splenectomized subjects. Therefore it is suggested that the changes in the intact subjects are due to splenic contraction and an associated release of sequestered erythrocytes. Contraction of the spleen is thus a part of the human diving response, just as in some diving mammals. Increased blood gas storage capacity and facilitated recovery from apneas following splenic emptying are probably involved in prolonging repeated apneas, since a delay of the physiological breaking point of apneas was only observed in the intact subjects.

Apneas reduced the rate of oxygen uptake from the lung compared to the oxygen uptake during eupnea, and with a more pronounced diving response, i.e., during apneas with face immersion, the reduction in oxygen uptake was augmented. This suggests that the human diving response, through reductions in cardiac output and peripheral blood flow, reduce the alveolar-to-capillary oxygen uptake and prolong the turnover time of peripheral oxygen stores during apneas. Thus, the lung oxygen store is preserved while the peripheral (venous) oxygen stores are relatively more reduced with a more pronounced diving response. In addition, an increase in plasma lactate concentration indicates that the anaerobic metabolic rate increases as a consequence of a reduced peripheral oxygen delivery, thereby to some extent reducing the total tissue oxygen consumption during apneas. Therefore, it is concluded that the human diving response has an oxygen conserving effect, similar to the response of some diving mammals.

Människans dykrespons. I bilden visas förändringar i blodtryck (MAP), hjärtfrekvens (Heart rate, HR) och blodflöde i huden (Skin blood flow, SkBF) under andhållning med ansiktet i kallt vatten (apnea). Hjärtfrekvens och blodflöde i huden sjunker medan blodtrycket ökar under andhållning.

The human diving response. The changes in mean arterial blood pressure (MAP), heart rate (HR) and skin capillary blood flow (SkBF) during apnea with face immersions are shown. The heart rate and skin capillary blood flow are reduced while the MAP increases during apnea.

See list of included articles below. Entry into Lund University Dissertation Abstracts.

Svensk populärvetenskaplig sammanfattning

Dykresponsen

Andningsuppehåll (apné) eller fridykning ställer stora krav på att så effektivt som möjligt disponera de förråd med syrgas som finns i kroppen. Känsliga organ såsom hjärnan och hjärtat kan inte klara sig utan syrgas någon längre tid. Huden, musklerna och magtarm-kanalen har däremot en större tolerans mot syrgasbrist. Kroppens syrgasförråd finns framför allt i lungan och i blodet, varför blodflödet från lungan måste omdirigeras under en apné. Blodflödet minskar till de delar av kroppen som är mer tåliga för syrgasbrist och ökar till de delar som är mer känsliga. Omdirigeringen av blodflödet är en del av ett reflexsystem som triggas av apné och fridykning. Detta reflexsystem brukar kallas för "dykresponsen".

Dykresponsens mest framträdande cirkulatoriska förändringar är dels en sammandragning av blodkärl, dels en sänkning av hjärtats slagfrekvens (pulsen). Sänkning av slagfrekvensen kallas också för bradykardi. Sammandragning av blodkärl som leder till hud, muskulatur och vissa inre organ ser till att blodet dirigeras dit det bäst behövs. Bradykardin är delaktig i att minska den totala mängd blod som hjärtat pumpar. Detta sänker hjärtats syrgasbehov. Hos både dykande däggdjur och hos människa utlöses dykresponsen som ett svar på apné. Hos människan förstärks dessutom responsen när receptorer i ansiktet som är känsliga för kyla stimuleras då ansiktet kommer ner i (kallt) vatten.

Både faktorer som beror på omgivningen och faktorer som är kopplade till individen som håller andan påverkar hur kraftig dykresponsen blir. Exempelvis ger kallt vatten och varm luft en kraftigare respons än varmt vatten och kall luft, och en fridykningstränad person har en kraftigare respons än en otränad. En del av dessa faktorers effekter är väl kända medan betydelsen av andra är osäkra. Det är inte heller klarlagt om människans dykrespons verkligen har en syrgassparande funktion. Detta har man däremot visat att dykande däggdjurs dykrespons har. Jag har därför undersökt hur vissa faktorer påverkar initieringen av dykresponsen. Jag har också undersökt vilka effekter dykresponsen har på kroppens syrgasförråd och därmed om den sparar på syrgas vid apné (delstudier I-VI).

Denna avhandling

I delarbete I undersöktes hur olika stora inandade lungvolymer påverkar dykresponsen och andhållningstiden. En mindre lungvolym gav en kraftigare dykrespons än en större lungvolym. Slutsatsen var därför att effekter av det höga tryck som uppkommer i luftvägarna när man håller andan med en stor lungvolym påverkar dykresponsen negativt. Dessutom påverkas responsen av att receptorer i lungan som reagerar på uttänjning av lungan stimuleras. Inte förvånande var andhållningstiden längre med en större än med en mindre lungvolym. Detta beror på en större möjlighet att förhindra en ökning av koldioxidhalten i blodet med en större lungvolym. Det är nämligen den ökande koldioxidhalten i blodet och inte sänkningen i syrgasinnehåll som ger kroppen en signal att börja andas. Däremot gav inandning till 100% av den maximala lungvolymen samma andhållningstid som inandning till 85% av maximal lungvolym. Det beror troligtvis på obehagskänslor vid apné med maximalt fyllda lungor.

I delarbete II studerades det om köldstimulering av armen påverkar dykresponsen under apné eftersom köldstimulering av armen ger en höjning av hjärtats slagfrekvens när man andas. På liknande sätt undersöktes det i delarbete V hur dykresponsen påverkas av att man samtidigt utför ett fysiskt arbete. Fysiskt arbete ger normalt en höjning av hjärtats slagfrekvens och en ökning i blodflöde till muskulaturen. Både köldstimulering av armen och fysiskt arbete kan alltså sägas medföra motsatta cirkulatoriska responser jämfört med apné och köldstimulering av ansiktet. Dykresponsen utlöstes även då armen köldstimulerades och när man utförde fysiskt arbete. Dykresponsen prioriteras alltså framför andra cirkulatoriska responser under apné. Detta tolkade jag som en väl fungerande egenskap hos dykresponsen om den ska skydda hjärna och hjärta när syrgasbrist hotar och om den sparar syrgas.

Förändringar i procentandelen röda blodkroppar i blodet (hematokriten) i samband med apnéer undersöktes i delarbete III. Detta gjordes för att ta reda på om människans mjälte kan fungera som en blodreservoar som töms i samband med apné. Både personer med mjälte och personer med bortopererad mjälte deltog i försöken. Hematokriten ökade hos personer med mjälte men inte hos personer med bortopererad mjälte. Slutsatsen blev därför att människans mjälte har en blodreservoarfunktion, liknande mjältens funktion hos vissa dykande däggdjur. Förlängd andhållningstid beroende på fysiologiska förändringar vid upprepade apnéer kunde bara ses hos personer med mjälte. Detta tyder på att den ökade mängden tillgängliga röda blodkroppar ökar blodets gastransportfunktion och underlättar återhämtningen från apnéer.

Genom att låta försökspersoner hålla andan lika lång tid i luft som med ansiktet nedsänkt i vatten triggades dykresponsen till olika grader. Dykresponsens effekter på kroppens syrgasförråd kunde då studeras (IV-VI). Det fanns mer syrgas kvar i lungan och i artärblodet efter apné i vatten då dykresponsen är mycket uttalad, jämfört med i luft då dykresponsen är svagare. Dykresponsen har alltså en syrgassparande effekt hos människa, liknande den effekt som finns hos dykande däggdjur. Genom att hjärtat minskar den mängd blod som pumpas runt och genom minskat blodflöde till vissa delar av kroppen bevaras lungans syrgasförråd. Minskningen i blodflöde till musklerna leder också till en ökad anaerob förbränning och därmed mjölksyraproduktion genom att strypa syrgastillgången i muskeln.

I denna avhandling visar jag att en sammandragning och tömning av mjälten är en del av människans dykrespons. Dykresponsens syrgassparande funktion påvisas också. Båda dessa effekter har tidigare betvivlats. Mina resultat bekräftar dock att detta sker inte bara hos dykande däggdjur utan också hos människa. Sammanfattningsvis kan det sägas att människans dykrespons har flera gemensamma drag med dykresponsen hos dykande däggdjur.

List of included articles

Andersson, J., and E. Schagatay
Effects of lung volume and involuntary breathing movements on the human diving response. Eur J Appl Physiol 77: 19-24, 1998.
Andersson, J., E. Schagatay, A. Gislén, and B. Holm
Cardiovascular responses to cold-water immersions of the forearm and face, and their relationship to apnoea. Eur J Appl Physiol 83: 566-72, 2000.
Schagatay, E., J. P. A. Andersson, M. Hallén, and B. Pålsson
Selected Contribution: Role of spleen emptying in prolonging apneas in humans. J Appl Physiol 90: 1623-1629, 2001.
Andersson, J., and E. Schagatay
Arterial oxygen desaturation during apnea in humans. Undersea Hyperb Med 25: 21-5, 1998.
Andersson, J. P. A., M. H. Linér, E. Rünow, and E. K. A. Schagatay
The diving response and arterial oxygen saturation during apnea and exercise in breath-hold divers. Submitted for publication in J Appl Physiol, 2001.
Andersson, J. P. A., M. H. Linér, A. Fredsted, and E. K. A. Schagatay
Alveolar gas exchange and cardiovascular responses during apneas in exercising humans. In manuscript, 2001.