Multiscale analysis of heart rate variability at different levels of zen meditation: evidence for stage-specific changes in autonomic regulation

Abstract

The dynamic interactions between the sympathetic and parasympathetic branches of the autonomic nervous system (ANS) are responsible for the oscillations in heart rate well known as heart rate variability (HRV).In this thesis we analyzedHRV during Zenmeditation(Zazen)performed by 20 subjects with different time-practice. We choose to investigate Zen Buddhist meditation, because this practice has a mindfulnessapproach, which means that it includes the reflexive observationof the whole perceptual field and consists on sitting and doing nothing that starts out from a personal will. The absence of ‘intentionality’and the inexistence of any rule determining how should be the breathing pattern, makes this ‘technique’especially suitable to investigate the intrinsic properties of the ANS.Considering that HRV derives from an ensemble ofrhythmic processes, a frequency and time-frequency analysis and multivariate statistics was chosen and were enhanced by a nonlinear approach based on symbolic dynamics. The time-scale properties of the signal were explored using wavelet methods. For each time series the wavelet variance (WV) was estimated at seven discrete scales using a modified version of the discrete wavelet transform (DWT), the maximal overlap discrete wavelet transform (MODWT), and we performed a principal components analysis (PCA) on this data set to discriminate different HRV patterns. An internal characteristic of each clusterin the PCA space was the similar time-practice among practitioners. Unique patterns of cardiac oscillations that tend to a frequencies couplingwith increasing experience in meditationprovidedsome evidence that there is a gradual physiological adaptation to the practice of mindfulness meditation, characterized by stage-specific changes in autonomic regulation of HRV.The xivmultiscaleanalysis of HRV, compared to the classic spectral analysis using three frequency ranges,allowed us to detect other frequency intervals that better explained the complex dynamical interactions among autonomic mediated-oscillatory processes embedded in the heart ratetime series that operate atdistinct time-scales.In addition, the aggregation of a nonlinear method presenteda detailed picture of the essential dynamics of the system. The analysis of binary sequences representing the acceleration and deceleration of the heartbeats showeda transition from high to low complexity dynamics with increasing experience in Zenmeditation, and revealed that a high orderly dynamic might be underlying a pronounced HRV pattern.

Las interacciones dinámicas entre las ramas simpática y parasimpática del sistema nervioso autónomo (SNA) son las responsables de las oscilaciones en el ritmo cardiaco conocidas como variabilidad de la frecuencia cardiaca (VFC). En esta tesis se analizó la VFC durante la práctica de meditación Zen (Zazen) en 20 meditadores con diferentes grados de experiencia. Decidimos investigar la meditación Budista Zen, porque esta práctica tiene un enfoque dirigido hacia el estado de mindfulness, lo que implica una observación reflexiva de la totalidad del campo de percepción. Consiste en sentarse y no hacer nada que parta de un acto voluntario personal. La ausencia de ‘intencionalidad’ y la inexistencia de cualquier norma que determine cómo debe ser el patrón respiratorio, hace de este un métodoespecialmente adecuadopara investigar las propiedades intrínsecas del SNA. Teniendo en cuenta que la VFC deriva de un conjunto de procesos rítmicos, las frecuencias contenidas en esta señal se han analizado tanto globalmente como en su evolución temporal, con ayuda de herramientas estadísticas multivariantes. También se ha contrastado el análisis con la aplicación de métodos no lineales basados en la dinámica simbólica. Las propiedades tiempo-escala de la señal han sido exploradas usando técnicas wavelet. Cada serie temporal fue descompuesta en siete escalas y se estimaron sus varianzas wavelet (VW). Para ello se utilizó una versión modificada de la transformada wavelet discreta (TWD), la transformada wavelet discreta de máximo solapamiento (TWDMS)(en inglés maximal overlap discrete wavelet transform, o MODWT).A la matriz formada por las siete varianzas, para cada una de las series temporales registradas, se le aplicó un análisis de componentes principales (ACP), que permitió discriminar diferentes patrones de oscilaciones xvicardiacas entre los meditadores. Los diferentes agrupamientos que se observaron en el plano definido por las componentes principales, tienen en común la presencia de meditadores con tiempos similares de práctica. La aparición de patrones específicos de oscilaciones cardiacas que tienden a un acoplamiento de frecuencias con el aumento de la experiencia en meditación, sugiere una adaptación fisiológica gradual a la práctica de la meditación mindfulness, caracterizada porcambios específicos en la regulación autonómica asociadas al tiempo de práctica.El análisis multiescala de la VFC, comparado con el análisis espectral clásico en tres rangos de frecuencia, nos ha permitido detectar otros intervalos de frecuencia que explican mejor las complejas interacciones dinámicas entre procesos oscilatorios mediados por el SNA, que operan a distintas escalas temporales. Además, la agregación de un método no lineal presentó un panorama detallado de las dinámicas esenciales del sistema. El análisis de secuencias binarias que representan la aceleración y desaceleración de los latidos cardiacos mostró una transición de dinámicas de alta complejidad a dinámicas de baja complejidad a medida que aumenta la experiencia en meditación Zen, y reveló que detrás de un patrón de gran variabilidad cardiaca, puede subyacer una dinámica altamente ordenada.