Heart rate variability behavior at different stages of practice in Zen meditation: a study of the system dynamics using multiresolution analysis

Abstract

The dynamic interactions between the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system (ANS) are responsible for the oscillations in heart rate known as heart rate variability (HRV). Thus, the importance of HRV as an indirect measure of the autonomic activity is widely known. Meditation is perhaps the best practice to investigate the intrinsic properties of the ANS, since it involves a state of complete physical immobility and absence of voluntary efforts. In this study we analyzed HRV during Zen meditation in 13 practitioners with varying degrees of expertise. Given that HRV derives from a set of rhythmic processes operating at different time-scales, a multiresolution analysis was performed. For each time series the wavelet variance was estimated at seven discrete scales using a modified version of the discrete wavelet transform, the maximal overlap discrete wavelet transform (MODWT), and we performed a principal components analysis on this data set. We found evidences that different stages in the practice of Zen meditation can be characterized by specific patterns of cardiac variability that tend to evolve to a «low cost mode of functioning», defined by the appearance of resonance phenomena between cardiovascular rhythms, that probably favors the meditation practice.

Las interacciones dinámicas entre las ramas simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo (SNA) son responsables de las oscilaciones en la frecuencia cardíaca conocidas como variabilidad de la fre-cuencia cardíaca (VFC). Por lo tanto, la importancia de la VFC como medida indirecta de la actividad auto-nómica es ampliamente conocida. La meditación es quizás la mejor práctica para investigar las propiedades intrínsecas del SNA, ya que implica un estado de completa inmovilidad física y ausencia de esfuerzos volun-tarios. En este estudio se analizó el comportamiento de la VFC durante la meditación zen en 13 practicantes con diferentes niveles de práctica. Dado que la VFC se deriva de un conjunto de procesos rítmicos que ope-ran a diferentes escalas de tiempo, se llevó a cabo un análisis multirresolución. Para cada serie temporal se estimó la varianza wavelet en siete escalas distintas utilizando una versión modificada de la transformada wavelet discreta, la transformada wavelet discreta de máximo solapamiento (MODWT), y se realizó un análisis de componentes principales de este conjunto de datos. Se han encontrado evidencias de que las diferentes etapas en la práctica de la meditación zen pueden ser caracterizadas por patrones específicos de variabilidad cardíaca que tienden a evolucionar a un modo de «funcionamiento de bajo coste» definido por la aparición de fenómenos de resonancia entre los ritmos cardiovasculares.