SYMBOLIC DYNAMICS OF HEART RATE DURING MENTAL STRESS
Authors: Димитриев Д.А. , Саперова Е.В. , Индейкина О.С. 
Published: August 2024

Динамика ритма сердца представляет собой результат сложного нелинейного взаимодействия между различными осцилляторами и механизмами обратной связи, функционирование которых существенно меняется при ментальной нагрузке. Целью нашей работы было исследование символьной динамики ритма сердца и хаотических свойств последовательности интервалов RR. В исследовании приняли участие 30 добровольцев (студентов), которые проводили последовательные вычисления в уме. Запись ЭКГ осуществлялась трижды - до арифметического ментального стресса, в ходе решения задач и после окончания вычисления. Полученные записи сигнала обрабатывались на наличие артефактов и выбросов, а затем анализировались с вычислением ЧСС, энтропии Шеннона SE, максимального показателя Ляпунова LLE и мер анализа распределения паттернов символов OV %, 1V %, 2LV %, 2UV %. Результаты анализа показали, что ментальный стресс сопровождается существенным увеличением ЧСС и уменьшением LLE, что свидетельствует о снижении уровня сложности системы регуляции сердечного ритма в состоянии стресса; на это также указывает выраженное снижение энтропии Шеннона SE. Ментальный стресс вызвал существенное изменение распределения паттернов последовательностей стимулов, что выразилось в увеличении доли последовательностей одинаковых символов 0V % и уменьшении доли паттернов с монотонно меняющимися тремя символами 2LV % и паттернов c тремя разными символами 2UV2 %. Период восстановления после ментального стресса характеризовался возвратом показателей к исходным уровням. Ментальный стресс вызвал статистически незначимое снижение доли паттернов с двумя одинаковыми символами 1V %. Арифметический ментальный стресс характеризуется существенным уменьшением уровня сложности системы регуляции ритма сердца, которое сопровождалось смещением вегетативного баланса в сторону симпатического тонуса на фоне небольшого, статистически незначимого снижения влияния вегетативных центров ствола мозга на пейсмекер сердца.

The dynamics of the heart rate is the result of a complex non-linear interaction between various oscillators and feedback mechanisms, the functioning of which changes significantly under mental load. The aim of our work was to study the symbolic dynamics of the heart rate and the chaotic properties of the sequence of RR intervals. The study involved 30 volunteers (students) who performed sequential mental calculations. The ECG was recorded three times: before the arithmetic mental stress, during mental calculations, and after the end of the calculation. The resulting signal records were processed for the presence of artifacts and outliers, and then analyzed with the calculation of heart rate, Shannon entropy SE, maximum Lyapunov exponent LLE, and analysis measures for the distribution of symbol patterns OV %, 1V %, 2LV %, 2UV %. The results of the analysis showed that mental stress is accompanied by a significant increase in heart rate and a decrease in LLE, which indicates a decrease in the complexity of the heart rate regulation system in a state of stress; this is also indicated by a pronounced decrease in the Shannon entropy SE. Mental stress caused a significant change in the distribution of patterns of stimulus sequences, which resulted in an increase in the proportion of sequences of identical symbols 0V % and a decrease in the proportion of patterns with monotonously changing three symbols 2LV % and patterns with three different symbols 2UV2 %. The recovery period after mental stress was characterized by the return of indicators to their original levels. Mental stress caused a statistically insignificant decrease in the proportion of patterns with two identical symbols 1V%. Arithmetic mental stress is characterized by a significant decrease in the level of complexity of the heart rhythm regulation system, which was accompanied by a shift in the autonomic balance towards sympathetic tone against the background of a small, statistically insignificant decrease in the influence of the autonomic centers of the brainstem on the heart pacemaker.