بررسی الگوی فراکتال ضربان قلب در Drosophila Pupae توسط سیستم ضبط نوری قابل مشاهده

تنظیم ضربان قلب برای عملکرد منظم قلبی عروقی بسیار مهم است. الگوی فراکتال ضربان قلب - یک تنظیم چند مقیاس در نوسانات فوری - برای مهره داران به خوبی شناخته شده است. بدوی ترین سیستم قلب Drosophila یک مدل مفید را برای درک منشأ تکاملی چنین الگوی فراکتال و همچنین تغییرات الگوی فراکتال در حین وضعیت بیمار فراهم می کند. ما یک سیستم ضبط ضربان قلب نوری غیر تهاجمی به خصوص برای ضبط طولانی مدت با استفاده از تجزیه و تحلیل مؤلفه اصلی (PCA) به جای سیستم ضبط فلورسانس مناسب بود تا از اثر مخدوش در اثر تابش نور شدید جلوگیری شود. برای کاهش سطح داخل سلولی Ca 2+ ، بیان رتیکولوم Sarco-endoplasmic Ca 2+ -ATPase (SERCA) به طور خاص بافت کوبیده شد. گروه SERCA فواصل ضربان قلب طولانی تر (میانگین ± SD: 151. 6 ms 1009. 7) را در مقایسه با گروه کنترل (45. 4 ms 545. 5 ، P ، P نشان می دهد.<0.001). The multiscale correlation of SERCA group (scaling exponent: 0.77 ± 0.07), on the other hand, is weaker than that of the control Drosophila (scaling exponent: 0.85 ± 0.03) (p = 0.016).

معرفی

میانگین تعداد ضربان قلب در طول طول عمر پستانداران ثابت شده است. یعنی پستانداران با اندازه کوچکتر به دلیل ضربان قلب پایه بالاتر که مربوط به متابولیسم 1 است ، امید به زندگی کوتاه تر دارند. با این حال ، گونه های انسانی 10-20 سال امید به زندگی با حداقل افزایش ضربان قلب در طول عمر را نشان می دهد که نشان می دهد گسترش زندگی انسان با کند کردن ضربان قلب به دست نمی آید. شواهد متاآنالیز از جمله حدود 68000 بیمار همچنین نشان می دهد که بیماران با ضربان قلب پایین که توسط بتا مسدود کننده حاصل می شود ، با خطر بیشتری برای مرگ و میر همه علت ، مرگ و میر قلبی عروقی یا حوادث قلبی عروقی 2 همراه بود. از دیدگاه جامع ، خروجی ها از طیف گسترده ای از سیستم های فیزیولوژیکی ، مانند ضربان قلب ، مقررات چند مقیاس را در نوسانات زمانی پیچیده 3،4،5،6 نشان می دهد. علاوه بر تعداد ضربان قلب ، این آیین نامه توسط ساختارهای فراکتال با خواصی مشخص می شود که در طیف گسترده ای از مقیاس های زمانی 7 متغیر هستند. این الگوهای فراکتالی در سیستم های فیزیولوژیکی سالم قوی هستند اما در سیستم های تخریب شده که در برابر حوادث فاجعه بار آسیب پذیرتر هستند و با آشفتگی ها کمتر سازگار هستند ، به طور قابل توجهی مختل یا از بین می روند. استفاده از تجزیه و تحلیل فراکتال ممکن است رویکردهای جدیدی برای ارزیابی خطر قلبی و پیش آگهی 8،9،10،11،12،13 فراهم کند. بنابراین ، اعتقاد بر این است که Fractal ویژگی بارز سیستم های فیزیولوژیکی سلامت است و مکانیسم های اساسی تنظیم فراکتال از علاقه های زیادی برخوردار است اما هنوز مشخص نشده است. ما فرض کردیم که چنین الگوهای فراکتالی ضربان قلب ممکن است در ساختار لوله ای ساده بندپایان 14 حفظ شود. برای کشف این موضوع ، ما از لوله قلب Drosophila به عنوان یک مدل استفاده کردیم زیرا این یکی از بدوی ترین سیستم های قلب در پادشاهی حیوانات است. علاوه بر این ، کار اخیر نشان می دهد که انتشار Ca 2 به سیتوزول از فروشگاه های شبکه سارکوپلاسمی برای ضربان ساز قلبی در مهره ها و بندپایان 15،16،17 بسیار مهم است و از نظر بالینی مربوط به حوادث کشنده آریتمی در بیماران مبتلا به نارسایی مزمن قلبی 18،19 است. در این مطالعه ، بیان شبکه رتیکول-آندوپلاسمی Ca 2+ -ATPase (SERCA) به طور خاص حذفی برای کاهش سطح Ca2 داخل سلولی ، در این مطالعه بود.

برای کشف خصوصیات مقیاس زمانی الگوهای ضربان قلب برای تجزیه و تحلیل فراکتال ، به ویژه برای مقیاس بزرگ ، صدها ضربه مداوم قلب برای به دست آوردن نتایج قابل اعتماد مورد نیاز است. روش معمول برای تشخیص ضربان قلب در دروسوفیلا از طریق مشاهده نوری 20 است. ساختار قلب Drosophila را می توان با استفاده از آماده سازی های نیمه دست و پا یا نشانگر پروتئین فلورسنت سبز خاص قلب (GFP) (Cypher-GFP Gene Trap 21) بررسی کرد. با این حال ، آماده سازی های نیمه بی حد و حصر ، لوله قلب را از بافت های همسایه جدا می کنند و از این طریق لوله قلب را از حلقه های نظارتی عایق می کنند ، که این مرکز مطالعه ما است. از طرف دیگر ، نشانگر GFP برای تجسم نیاز به نور با شدت بالایی دارد ، که به ناچار گرما تولید می کند که ممکن است عملکرد قلبی و الگوهای ضربان قلب 22،23 را مختل کند. برای تشخیص حرکت قلب Drosophila در یک حیوان دست نخورده اما عاری از تنش های حرارتی ، ما تصاویر را از Drosophila در زیر لامپ طبیعی بدون برش یا قرار گرفتن در معرض تابش لیزر در مطالعه حاضر می گیریم.

نتایج

تشخیص ضربان قلب

تظاهرات ساختار قلب دروسوفیلا با نشانگر GFP در شکل 1a نشان داده شده است. حرکت دیواره لوله قلب را می توان از ردیابی تک-حالت M-Mode که از دنباله تصویر گرفته شده است ، همانطور که در شکل 1B نشان داده شده است ، بررسی کرد. یک ساختار قلب Drosophila معمولی که در زیر لامپ طبیعی تجسم شده است ، در شکل 1C نشان داده شده است. ردیابی تک-حالت M-Pixel متناسب با موقعیت های مختلف لوله قلب در شکل 1D نشان داده شده است ، که برای آن دیواره قلب به راحتی در مقایسه با آنچه که با نشانگر GFP تجلی یافته است ، مشخص نمی شود. حرکت دیواره استخراج شده قلب با استفاده از روش تجزیه و تحلیل مؤلفه اصلی (PCA) در شکل 2 نشان داده شده است. اگرچه PCA ابزاری قدرتمند برای بازسازی حرکت دیواره زمانی در مورد با لامپ است که در شکل 2 B-D نشان داده شده است ،تداخل در بافتهای دیگر می تواند گاهی اوقات حرکت دیواره قلب استخراج شده را آلوده کند (شکل 2B). برای به حداقل رساندن اثرات آلودگی ها برای ایجاد کیفیت حرکت دیواره بازسازی شده با لامپ به همان اندازه که با نشانگر GFP (شکل 2A) خوب است ، ما PCA را به تعدادی از حرکات دیواری که از مکان مختلف لوله قلب بازسازی شده است ، اعمال کردیمبشر

میانگین ضربان قلب SERCA و حیوانات کنترل

میانگین چرخه ضربان قلب در گروه SERCA نسبت به گروه کنترل به طور قابل توجهی طولانی تر بود (کنترل: 45. 4 545 545. 5 ، SERCA: 151. 6 ms 1009. 7 ، P<0.001). The crawl activity is similar in SERCA and control Drosophila larvae , confirming a heart specific depletion of SERCA.

همبستگی های فراکتال در گروه کنترل ارائه شد اما با کاهش SERCA خاص قلب مختل شد

برای بررسی الگوهای فراکتال در نوسانات ضربان قلب ، ما با استفاده از تجزیه و تحلیل نوسان دفع شده (DFA) ، خاصیت همبستگی را در نوسانات ضربان قلب از گروه کنترل بررسی کردیم. نوسانات ضربان قلب گروه کنترل ، همبستگی های فراکتالی قوی را در طیف گسترده ای از مقیاس های زمانی از 6 تا 500 ضربان به نمایش گذاشت (~3-280 ثانیه) ، همانطور که توسط یک فرم قدرت قانون f (n) نشان داده شده است~N α (یک خط مستقیم در یک طرح ورود به سیستم) با 0. 03 α = 0. 85 α (شکل 3B). در مقابل ، همبستگی های فراکتال در مقیاس زمانی کاهش یافته کلسیم در مقیاس زمانی کاهش یافته است

بحث

مطالعه پیچیدگی تنوع ضربان قلب به ابزارهای غیر تهاجمی برای انجام یک ضبط طولانی مدت نیاز دارد. همچنین ، روشهای غیر تهاجمی برای حفظ پیچیدگی ذاتی تغییرپذیری ضربان قلب ترجیح می دهند وقتی این احتمال را در نظر گرفتیم که عوامل محیطی ، مانند تغییرات دمای محیط و تنش های حرارتی ، ممکن است کنترل عملکرد قلبی عروقی و تنظیم متابولیک را مختل کنند. در حالی که نشانگر GFP به طور گسترده ای برای ضبط های کوتاه حرکت انقباض قلب پذیرفته شده است و نتایج کاملاً رضایت بخش است ، تولید گرمای انباشته شده توسط نور با شدت بالا مورد استفاده برای تحریک GFP باعث القاء کاردیومیوپاتی یا انقباض قلب نامنظم 22،23 و غیره می شود. استفاده از آن را برای ضبط های بلند مدت محدود کنید. برای پرداختن به این مسئله ، ما یک روش رایگان برچسب برای آزمایش پیشنهاد می کنیم. با استفاده از روش جدید ، ما با استفاده از PCA در سری تصویر وضوح که برای تشخیص قابل اعتماد حرکت دیواره کافی نیست ، ریتم های مرتبط با انقباض قلب را استخراج کردیم. ریتم استخراج شده با وفاداری چرخه های قلبی ثبت شده از الکتروکاردیوگرام و سری تصویر فلورسنت را دوباره به دست آورد. نکته مهم این است که به ما این امکان را می دهد تا به طور مداوم ریتم قلب را در طی یک ساعت کنترل کنیم ، یعنی 12 برابر بیشتر از حداکثر مدت زمان مجاز توسط روشهای معمولی (~300 ثانیه برای الکتروکاردیوگرام). ضبط طولانی مدت و مداوم از ضربان قلب ، ارزیابی پویایی قلبی در مقیاس های بزرگ و چند زمان را که از اهمیت بالینی برخوردار است ، امکان بهبود تشخیص بیماران مبتلا به بیماری های قلبی و پیش بینی میزان بقای این بیماران 24 را فراهم می کند. 25،26.

یکی از یافته های شگفت انگیز در این مطالعه این است که تنظیم قلب مگس سرکه یک ویژگی فراکتالی را نشان می دهد که با وجود تفاوت در میانگین ضربان قلب، برای انواع مختلف ژن باقی می ماند. کاهش SERCA مطمئناً بر سرعت انقباض قلب تأثیر می گذارد، اما نوسانات ضربان قلب پیچیده باقی می مانند و دارای همبستگی فراکتال در طیف گسترده ای از مقیاس های زمانی (6 تا 500 ضربه) هستند. مشخص نیست که آیا تنظیم فراکتالی نوسانات ضربان قلب بیشتر بر ویژگی های الکتروفیزیولوژیک ذاتی یک کاردیومیوسیت یا ویژگی های ساختاری قلب تپنده به عنوان یک موجودیت متکی است. لوله قلب مگس شبیه همتای پستانداران در سطح کاردیومیوسیت است اما در سطح ساختاری به عنوان یک اندام بسیار متفاوت است. اگرچه لوله قلب مگس که تنها از 108 کاردیومیوسیت تشکیل شده است، هزاران برابر کمتر و ساده تر از قلب انسان است، اما همچنان نوسانات ضربان قلب فراکتال مشابه آنچه در انسان مشاهده می شود ایجاد می کند. این یافته نشان می دهد که تنظیم فراکتال می تواند مستقل از پیچیدگی ساختاری قلب باشد. این فرضیه با این واقعیت مطابقت دارد که کاهش SERCA در کاردیومیوسیت بر یکپارچگی آناتومیکی لوله قلب تأثیر نمی گذارد، اما به طور قابل توجهی بر نوسانات ضربان قلب فراکتال تأثیر می گذارد، که نشان می دهد ویژگی های الکتروفیزیولوژیکی ذاتی نقش مهمی در تنظیم فراکتالی نوسانات ضربان قلب دارد. همچنین یکی از توضیحات احتمالی را ارائه می دهد که چرا شکست (کاهش) همبستگی فراکتالی چند مقیاسی دینامیک ضربان قلب می تواند با افزایش خطر حوادث آریتمی کشنده در گروه های مختلف بیماران قلبی عروقی مرتبط باشد 8،9،24 و ارزش های پیش آگهی را به همراه دارد. مرگ و میر همه علل بیماران نارسایی قلبی 26 .

توجه داشته باشیم که اختلاف فاز بزرگی بین ریتم های نوری و الکترونیکی اندازه گیری شده در مطالعه قبلی 27 وجود دارد. این اختلاف فاز ممکن است ناشی از تأخیر در انتقال از منشاء قدم زدن به کاردیومیوسیت های تصویربرداری باشد. شکل موج صاف در سونوگرافی داپلر و اشباع اکسیژن هنوز هم می تواند برای تجزیه و تحلیل تغییرپذیری ضربان قلب 28،29 در تغییرات بزرگ R-R استفاده شود. فواصل ضرب و شتم استخراج شده حتی اگر شکل موج صاف باشد ، تغییرات زیادی را نشان می دهد. علاوه بر این ، ما به طور همزمان فواصل RR حاصل از الکترود و روش نوری خود را ثبت کردیم. در حالی که این دو روش نتایج مداوم از میانگین و انحراف استاندارد از فواصل RR را نشان داد (شکل S2) ، روش نوری برای ضبط طولانی مدت و بدون هیچ گونه عارضه ای مناسب است. نتایج حاصل از DFA نه نویز تصادفی است و نه الگوی خاص ناشی از مصنوعات ، و بیشتر از اعتبار سنجی تنوع محاسبه شده از این شکل های موج صاف پشتیبانی می کند.

نگرانی دیگر در مورد تأثیر مکث ضربان قلب است. به خوبی شناخته شده است که با افزایش دمای محیط و برعکس ، ضربان قلب به طرز چشمگیری افزایش می یابد. ما مشاهده کردیم که ضربان قلب در گروه SERCA در مطالعه ما به طرز چشمگیری کاهش می یابد ، که در مطالعات دیگر نیز 17 یافت می شود. یک توضیح احتمالی این است که مکث قلب دروسوفیلا واکنش به استرس مکانیکی 30 است. در مطالعه ما ، ما دریافتیم که تحت شرایط GFP با برچسب ، الگوهای مکث تا حد زیادی در SERCA و گروه کنترل افزایش می یابد که ممکن است به دلیل قرار گرفتن در معرض نور شدید باشد. علاوه بر این ، تغییر ضربان قلب در برخی از لاروهای SERCA در طول ضبط همزمان افزایش یافته است (شکل S2B) به ویژه در پایان ضبط ها که نشان می دهد ریتمیک نامنظم تر لوله قلب ناشی از ضبط مزاحم است. جالب اینجاست که ، نه بروز مکرر مکث و نه مدت زمان چشمگیر در ضبط های طولانی مدت و بدون تحریک خارجی ، شاهد نبود. بنابراین ، الگوهای مکث مختلف می تواند در هر Drosophila فردی بی ربط به کاهش SERCA مشاهده شود که دلالت بر مکث خود به خود دارد ممکن است تحت تأثیر کاهش SERCA قرار نگیرد.

مورفولوژی قلبی از ساختار لوله ای ساده در بندپایها تا چند کنسرت در پستانداران تکامل می یابد و تنوع تا حد زیادی موضوع اندازه بدن و سازگاری 31،32 است. با این حال ، این که آیا تنظیم ضربان قلب فراکتال حفظ شده است یا تازه در طول تکامل توسعه یافته است ، ناشناخته مانده است ، بنابراین مکانیسم مولکولی زمینه ساز تنوع ریتم قلب به عنوان یک پاسخ فیزیولوژیکی به محرک ها است. انتشار پتانسیل عمل ، انقباض کاردیومیوسیت ها و برنامه رونویسی مشخص کردن رشد قلب بین دروسوفیلا و انسان مشابه است و باعث می شود لوله قلب دروسوفیلا یک مدل امکان پذیر برای ردیابی منشأ پویایی قلبی فراکتال باشد. به طور مکمل ، ژنتیک مگس قدرتمند می تواند به ما امکان دهد مکانیسم های علیت عملکرد قلبی را در مقیاس های مختلف و از سطح مولکولی تا سیستم کشف کنیم.

روش

سویه های دروسوفیلا ، پرورش و صلیب

برای کاهش سطح داخل سلولی Ca 2+ ، ما به طور خاص با استفاده از سیستم بیان دو طرفه GAL4-UAS 34 ، بیان SERCA 33 را کاهش دادیم. به طور خاص ، یک خط GAL4 خاص قلب NP1029-GAL4 35 با UAS-SERCA-DSRNA (شماره سهام بلومینگتون 25928) عبور می کند. فرزندان F1 ، NP1029-GAL4/+ (UAS-SERCA-DSRNA/+) فاکتور رونویسی GAL4 را فقط در قلب بیان می کند اما دیگر بافتهای عضلانی برای هدایت بیان serca-dsRNA ، در نتیجه تداخل RNA (RNAi) واسطه تخریب mRNA SERCA است.، کاهش بیان SERCA و از بین بردن یون کلسیم کلسیم شبکه سارکو-آندوپلاسمی در کاردیومیوسیت ها. NP1029-GAL4/+ (UAS-MCD8-GFP/+) از یک کنترل استفاده می شود. هر دو SARCO-ANDOPLASMIC RETICULAM کلسیم کاهش یافته SERCA و مگس های شاهد در محیط مگس استاندارد ساکارز-آگار در دمای 25 درجه سانتیگراد مطرح شدند. برای جمع آوری تصاویر از لوله قلب در زیر لامپ طبیعی ، شفیره های شفاف و بی حرکت Drosophila در طی 30 دقیقه پس از شکل گیری آن ، برای ضبط تصویر در اسلایدهای شیشه ای استاندارد بدون برش و بیهوشی ذهنی بود.

راه اندازی آزمایشی

یک لارو جداگانه روی یک اسلاید میکروسکوپ قرار داده شد ، که توسط نوار دو طرفه ثابت شده و توسط یک لایه نازک از گلیسرول پوشانده شده است تا شفافیت را تقویت کند. هر نمونه از طریق میکروسکوپ دو چشمی Zeiss (Stereolumar. V12 ، میکروسکوپ کارل زایس GmbH ، آلمان) مشاهده شد و تصاویر برای تشخیص ضربان قلب به طور مداوم در زیر نور بصری به مدت یک ساعت ثبت شد (KL 1500 LCD ، Schott AG ، آلمان) (شکل S1A)بشرتصویر بلند مدت در 6 شفیره طبیعی و 9 SERCA Drosophila ثبت شد. از آنجا که لوله قلب شفیره Drosophila با قطعه ای از دیواره خلفی به دیواره قدامی ، با قطعه منقبض شده است ، فرض می کنیم که انقباض ضربان قلب از ضربان ساز خلفی آغاز شده است تا از طریق دریچه قلبی لوله قلب به آئورت برسد. مقطع تصویر برای تشخیص ضرب و شتم ، بنابراین ، از منطقه در نزدیکی دریچه قلبی لوله قلب انتخاب شد و فواصل ضربان قلب ضرب و شتم به روش PCA به دست آمد (به استخراج توالی ضربان قلب مراجعه کنید). دمای اتاق در حدود 25 درجه سانتیگراد حفظ شد و دمای بدن لارو (اندازه گیری شده از دماسنج مادون قرمز) بین 25 درجه سانتیگراد و 28 درجه سانتیگراد در طی فرآیند بود. تصاویر جریان از قلب ضرب و شتم از طریق دوربین 100 هرتز (5MP CMOS USB3. 0 ، Mightex Systems ، Canada) با وضوح = 128 × 192 و قرار گرفتن در معرض 10 میلی ثانیه با 100 سرعت فریم در حالت رنگ خاکستری تغذیه شد. پردازش تصویربرداری و نرم افزار تشخیص ضربان قلب با استفاده از نرم افزار MATLAB کدگذاری شد (نسخه 7. 11 ، Mathwork Inc. ، USA). برای تأیید صحت روش پیشنهادی برای تشخیص ضربان قلب ، سیگنال های الکتریکی لوله قلب در گروه دیگری از لارو به طور همزمان از طریق الکترودهای تنگستن اندازه گیری شدند. توجه داشته باشید که مشاهدات الکترود مزاحم باعث نشت مایعات بدن و مرگ دروسوفیلا در طی چند دقیقه می شود. الکترودها به یک تقویت کننده دیفرانسیل (ISO-80 ، World Precision Instruments ، USA) وصل شدند و سیگنال ها دیجیتالی شدند و بر روی رایانه نوت بوک به عنوان نمایش در شکل S1A ضبط شدند. استخراج توالی ضربان قلب. از PCA برای تشخیص دیوار لوله قلب از ویدیوی جمع آوری شده از دوربین استفاده شد. داده های ویدئویی به عنوان یک ماتریس سه بعدی M × N × L ذخیره شدند ، که در آن m × N برای جهت افقی و عمودی هر تصویر و L برای تعداد دنباله تصویر (شکل 4A). ما PCA را به ردیابی تک پیکسل M-Mode اعمال کردیم و از ماتریس حرکت و (N × L) برای یک موقعیت افقی ثابت ، که از برش انتخاب شده تشکیل شده است ، مشتق می شویم.

4a) از تصویر در زمان مختلف برای به دست آوردن دو مؤلفه مرتبط با حالت های دیاستول یا سیستول. یعنی A = U σ V T ، که در آن ستون های اول و دوم ماتریس U به ترتیب جزء دیاستول یا سیستول هستند (شکل 4C). علاوه بر این ، دو ستون اول σ V T عملکرد زمان وزنه برداری به دو مؤلفه اصلی اساسی است (شکل 4D). ضرایب وزنه برداری از مؤلفه اول می تواند با حرکت دیواره قلب همراه باشد. از آنجا که حرکت لوله قلب همیشه در جهت عمودی نبود ، ردیابی تک پیکسل M با استفاده از یک موقعیت افقی خاص ممکن است با حرکت افقی گاه به گاه از سایر بافت ها دخالت شود. PCA سپس به ماتریس B که شامل عملکرد وزن زمانی است که از موقعیت های مختلف افقی لوله قلب گرفته شده است برای به دست آوردن انقباضات ریتمیک قلب غالب (مؤلفه اصلی ماتریس B) استفاده شد. با استفاده از PCA ، حرکت دیواره قلب مشتق شده از تصاویر مداوم در زیر لامپ طبیعی با ضبط الکتروکاردیوگرام که همزمان از طریق الکترودهای تنگستن اندازه گیری می شد ، سازگار بود (شکل S1B).

سرانجام ، قله های محلی انقباضات ریتمیک قلب بازسازی شده شناسایی می شوند و سری زمانی از فاصله اوج را می توان به عنوان نوسانات ضربان قلب در نظر گرفت. توجه داشته باشید که مکث (بدون انقباض قلب) اغلب در ضبط طولانی مدت یک لارو رخ می دهد. داده ها در دوره های مکث برای تجزیه و تحلیل بیشتر حذف شدند (شکل 5). برای از بین بردن ضربات دور ، یک پنجره کشویی با اندازه 10 ضربه روی سیگنال اعمال شد و در صورت انحراف قابل توجهی از میانگین پنجره (یعنی 5 ضرب و شتم قبل و 5 ضربه زیر ، یک فاصله RR به عنوان یک دور از دسترس مشخص شد. فاصله RR). درجه انحراف از آستانه از پیش تعیین شده (به عنوان مثال 25 ٪ و 50 ٪ میانگین برای مرزهای فوقانی و پایین) استفاده کرد. برای هر دور مشخص شده ، مقدار آن فاصله RR خطی از دو ضربان مجاور درون یابی شد. فواصل RR مشتق شده بین ضربان قلب ثبت شده توسط سیستم نوری پیشنهادی و روش الکتروگرام نسبتاً سازگار بود (شکل S2).

تجزیه و تحلیل نوسان دفع شده~n α .The parameter α, called the scaling exponent, quantifies the correlation properties in the signal as follows: if α = 0.5, there is no correlation in the fluctuations (“white noise”); if α>برای ارزیابی دینامیک قلبی ، ما DFA را برای برآورد همبستگی در نوسانات ضربان قلب یک لارو در مقیاس های زمانی مختلف 37 انجام دادیم. در مقایسه با تجزیه و تحلیل همبستگی سنتی مانند تجزیه و تحلیل طیفی قدرت و تجزیه و تحلیل HURST ، DFA می تواند همبستگی هایی را در داده هایی که ممکن است با استفاده از غیرقانونی بودن یا روندهای 38،39 پوشانده شوند ، به طور دقیق تعیین کنند. این روش عملکرد نوسان محروم ، F (N) ، از نوسانات در مقیاس های مختلف زمانی (شماره ضربان قلب N) را تعیین می کند. یک فرم قدرت از F (n) نشان دهنده تنظیم فراکتال در نوسانات ، عملکرد F (n) است

0. 5 ، همبستگی های مثبتی وجود دارد ، که در آن مقادیر بزرگ ضربان قلب بیشتر به احتمال زیاد با فواصل فعالیت بزرگ دنبال می شوند (و برعکس برای فواصل ضربان قلب کوچک). به ویژه ، نوسانات با α ≈ 1 مکانیسم های بسیار پیچیده ای را نشان می دهد که تعادل خوبی بین منظم و سازگاری سیستم ها دارند ، همانطور که در بسیاری از خروجی های فیزیولوژیکی در شرایط عادی مشاهده می شود.

تحلیل آماری

برای مقایسه متغیرهای اسمی بین گروهها از آزمون کای یا فیشر دقیق استفاده شد. متغیرهای مداوم به عنوان میانگین مقدار ± SD نشان داده شد و نرمال بودن آن متغیرها با استفاده از آزمون Shapiro-Wilk مورد بررسی قرار گرفت. آزمون Ma-Whitney U یا آزمون t دانشجویی متعاقباً بر اساس مقایسه بین گروه اعمال شد. تمام آزمایشات آماری دو دم و سطح معنی داری در مقادیر P کمتر از 05/0 تنظیم شد.

محدودیت های مطالعه

یکی از محدودیت های مهم ریتم های اندازه گیری شده نوری باید در نظر داشته باشد این است که فواصل RR مشتق شده هیچ اطلاعاتی در رابطه با انقباض یا تغییرات مورفولوژیکی شکل موج الکتریکی را نشان نمی دهد. اگرچه افسردگی حداکثر نیروی انقباض یا تغییرات پتانسیل عمل میوسیت مربوط به کاهش SERCA در اینجا موضوع اصلی نیست ، تغییرات طولی آن پارامترهای مهم و تأثیرات آنها بر همبستگی چند مقیاس مربوط به ژن SERCA برای مطالعه بیشتر. سرانجام ، الگوریتم برای دفع فاصله RR فوری از چند ثانیه از داده ها برای دوره های ضبط طولانی تر (به عنوان مثال ساعت تا روز) لازم است زیرا داده های تصویر فضای ذخیره سازی بیش از حد مصرف می کنند.

اطلاعات اضافی

نحوه استناد به این مقاله: لین ، C. و همکاران. بررسی الگوی فراکتال ضربان قلب در شفیره Drosophila توسط سیستم ضبط نوری قابل مشاهده. علمیRep 6 ، 31950 ؛doi: 10. 1038/srep31950 (2016).

• منابع
• Levine ، H. J. Rest ضربان قلب و امید به زندگی. مجله دانشکده قلب و عروق آمریکایی 30 ، 1104-1106 (1997). ArticleCaspubMedGoogle Scholar
• Bangalore ، S. ، Sawhney ، S. & Messerli ، F. H. رابطه کاهش ضربان قلب ناشی از بتا مسدود کننده و محافظت از قلبی در فشار خون بالا. مجله دانشکده قلب و عروق آمریکایی 52 ، 1482-1489 ، doi: 10. 1016/j. jacc. 2008. 06. 048 (2008). ArticleCaspubMedGoogle Scholar
• ایوانوف ، P. C. و همکاران. چند عیار در پویایی ضربان قلب انسان. طبیعت 399 ، 461-465 ، doi: 10. 1038/20924 (1999). ArticleCasadSpubmedGoogle Scholar
• ایوانوف ، P. C. و همکاران. رفتار مقیاس گذاری فواصل ضربان قلب به دست آمده توسط تجزیه و تحلیل سری زمانی مبتنی بر موجک. طبیعت 383 ، 323-327 (1996). ArticleCasadSpubmedGoogle Scholar
• Vitanov ، N. K. & Yankulova ، E. D. تجزیه و تحلیل چند منظوره از همبستگی های دوربرد در پویایی قلبی Drosophila melanogaster. Chaos ، Solitons & Fractals 28 ، 768-775 (2006). Articleadsgoogle Scholar
• Hu ، K. ، Harper ، D. G. ، Shea ، S. A. ، Stopa ، E. G. & Scheer ، F. A. نشانگرهای زیستی غیر تهاجمی از اختلال در انتقال دهنده عصبی ساعت در انسان مبتلا به زوال عقل. گزارش های علمی 3 (2013).
• گلدبرگر ، A. L. و همکاران. دینامیک فراکتال در فیزیولوژی: تغییرات با بیماری و پیری. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا 99 عرضه 1 ، 2466 2472 ، doi: 10. 1073/pnas. 012579499 (2002). ArticleadspubmedPubmed CentralGoogle Scholar
• Makikallio ، A. M. et al. دینامیک ضربان قلب مرگ و میر پس از ضربه را پیش بینی می کند. عصب شناسی 62 ، 1822-1826 (2004). ArticleCaspubMedGoogle Scholar
• Huikuri ، H. V. et al. خصوصیات همبستگی فراکتال دینامیک فاصله R-R و مرگ و میر در بیماران مبتلا به عملکرد بطن چپ افسرده پس از انفارکتوس حاد میوکارد. گردش 101 ، 47-53 (2000). ArticleCaspubMedGoogle Scholar
• Lo ، M.-T. ، Tsai ، P.-H. ، Lin ، P.-F. ، Lin ، C. & Hsin ، Y. L. خصوصیات غیرخطی و غیر استیشن در سیگنال های EEG: بررسی نوسانات پیچیده توسط هیلبرت-هونگ تبدیلبشرپیشرفت در تجزیه و تحلیل داده های تطبیقی 1 ، 461-482 (2009). ArticleMathscinetGoogle Scholar
• Peng ، C. K. ، Costa ، M. & Goldberger ، A. L. تجزیه و تحلیل داده های تطبیقی از نوسانات پیچیده در سری زمانی فیزیولوژیکی. Adv Adapt Data Anal 1 ، 61-70 ، doi: 10. 1142/S1793536909000035 (2009). ArticlePubmedPubmed CentralGoogle Scholar
• Buchman ، T. G. Fractals در همودینامیک بالینی. بیهوشی 117 ، 699-700 ، doi: 10. 1097/aln. 0b013e31826a4d49 (2012). ArticlePubmedGoogle Scholar
• پنگ، سی. ک.، هاولین، اس.، استنلی، اچ. ای. و گلدبرگر، A. ال. کمیت سازی شارهای مقیاس پذیری و پدیده های متقاطع در سری های زمانی ضربان قلب غیر ثابت. آشوب (وودبری، N. Y.) 5، 82-87، doi: 10. 1063/1. 166141 (1995). مقالهCASADSGoogle Scholar
• Lehmacher, C., Abeln, B. & Paululat, A. فراساختار سلولهای قلب مگس سرکه. ساختار و توسعه بندپایان 41، 459-474، doi: 10. 1016/j. asd. 2012. 02. 002 (2012). مقاله Google Scholar
• Satin, L. S. & Cook, D. L. غیرفعال شدن جریان کلسیم در سلول های ترشح کننده انسولین با هجوم کلسیم و دپلاریزاسیون غشا انجام می شود. Pflugers Archiv: مجله فیزیولوژی اروپایی 414، 1-10 (1989). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Bogdanov، K. Y.، Vinogradova، T. M. & Lakatta، E. G. گیرنده رایانودین سلول گره ای سینوسی دهلیزی و مبدل Na(+)-Ca(2+): شرکای مولکولی در تنظیم ضربان ساز. تحقیقات گردش 88، 1254-1258 (2001). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Sanyal, S., Jeings, T., Dowse, H. & Ramaswami, M. جهش های شرطی در SERCA، شبکه سارکو آندوپلاسمی Ca2+-ATPase، ضربان قلب و ریتمیک را در مگس سرکه تغییر می دهد. مجله فیزیولوژی تطبیقی. B، فیزیولوژی بیوشیمیایی، سیستمیک و محیطی 176، 253-263، doi: 10. 1007/s00360-005-0046-7 (2006). ArticleCASGoogle Scholar
• کاتلر، ام جی و همکاران. انتقال ژن Ca2+ ATPase 2a شبکه سارکوپلاسمی هدفمند برای بازگرداندن ثبات الکتریکی در قلب نارسا. تیراژ 126، 2095 2104، doi: 10. 1161/CIRCULATIONAHA. 111. 071480 (2012). ArticleCASPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• کاتلر، ام جی و همکاران. S-nitrosylation نابجا باعث ایجاد آریتمی بطنی ناشی از کلسیم در قلب دست نخورده می شود. مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم ایالات متحده آمریکا 109، 18186 18191، doi: 10. 1073/pnas. 1210565109 (2012). ArticleADSPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• روش های ارزیابی رشد، عملکرد و پیری قلب مگس سرکه. Methods 68, 265-272 (2014). ArticleCASPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• مری، A. و همکاران. پروتئین LIM عضله مگس سرکه، Mlp84B، برای عملکرد قلب ضروری است. مجله زیست شناسی تجربی 211، 15-23، doi: 10. 1242/jeb. 012435 (2008). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Huang, W.-Y., Aramburu, J., Douglas, P. S. & Izumo, S. بیان تراریخته پروتئین فلورسانس سبز می تواند باعث کاردیومیوپاتی متسع شود. طب طبیعت 6، 482-483 (2000). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Ho، Y.-L.، Lin، Y.-H.، Tsai، I.-J.، Hsieh، F.-J.& Tsai، H.-J. ارزیابی درون تنی مورفولوژی و عملکرد قلب در گورخرماهی فلورسنت سبز خاص قلب. مجله انجمن پزشکی فورموسان 106، 181-186 (2007). ArticlePubMedGoogle Scholar
• لین، ی.-اچ. و همکاراناختلال پیچیدگی برگشت پذیر ریتم قلب در بیماران مبتلا به آلدوسترونیسم اولیهگزارش های علمی 5 (2015).
• لو، M.-T. و همکارانتجزیه و تحلیل پیچیدگی ارتجاعی بیرونی دینامیک ضربان قلبگزارش های علمی 5 (2015).
• Ho، Y.-L.، Lin، C.، Lin، Y.-H. و لو، M.-T. ارزش پیش آگهی تحلیل غیر خطی تغییرپذیری ضربان قلب در بیماران مبتلا به نارسایی احتقانی قلب - یک مطالعه آزمایشی آنتروپی چند مقیاسی. PloS one 6, e18699 e18699 (2011). ArticleCASADSPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• کو، پی اچ و همکاران. ضبط ECG غیر تهاجمی مگس سرکه با استفاده از الکترود آلیاژ گالیم-ایندیوم یوتکتیک: ابزاری امکان پذیر برای تحقیقات آینده در مورد مکانیسم های مولکولی درگیر در آریتمی قلبی. PLoS One 9, e104543, doi: 10. 1371/joual. pone. 0104543 (2014). ArticleCASADSPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• کوری، پی جی و همکاران. تعیین فشار بطن راست با داپلر موج پیوسته: مطالعه کاتتریزاسیون داپلر همزمان در 127 بیمار. مجله کالج آمریکایی قلب و عروق 6، 750-756 (1985). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• اشمیت، پی و اسنودن، تی. اثرات مهار موضعی بر ضربان قلب و اشباع اکسیژن. مجله پزشکی اورژانس 17، 777-782 (1999). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Senatore, S., Rami Reddy, V., Semeriva, M., Perrin, L. & Lalevee, N. پاسخ به استرس مکانیکی توسط کانال TRPA بدون درد در قلب مگس سرکه واسطه می شود. PLoS genetics 6, e1001088, doi: 10. 1371/joual. pgen. 1001088 (2010). ArticleCASPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• West, G. B., Brown, J. H. & Enquist, B. J. یک مدل کلی برای منشاء قوانین مقیاس بندی آلومتریک در زیست شناسی. Science 276, 122-126, doi: DOI 10. 1126/science. 276. 5309. 122 (1997). ArticleCASPubMedGoogle Scholar
• Buldyrev, S., Goldberger, A., Havlin, S., Peng, C. K. & Stanley, H. E. In Fractals in Science (eds Armin, Bunde & Shlomo, Havlin ) Ch. 3، 49-88 (اسپرینگر برلین هایدلبرگ، 1994).
• Sanyal، S. و همکاران. تجزیه و تحلیل جهش های فلجی شرطی در شبکه کلسیم ATPase سارکو آندوپلاسمی مگس سرکه مکانیسم های جدیدی را برای تنظیم تحریک پذیری غشاء نشان می دهد. ژنتیک 169، 737-750، doi: 10. 1534/genetics. 104. 031930 (2005). ArticleCASPubMedPubMed CentralGoogle Scholar
• Duffy ، J. B. Gal4 System in Drosophila: چاقوی ارتش سوئیس ژنتیک مگس. Genesis (New York ، N. Y .: 2000) 34 ، 1-15 ، doi: 10. 1002/gene. 10150 (2002). ArticleCasgoogle Scholar
• Lalevee ، N. ، Monier ، B. ، Senatore ، S. ، Perrin ، L. & Semeriva ، M. کنترل ریتم قلبی توسط ORK1 ، یک کانال پتاسیم دامنه دو نفره Drosophila. زیست شناسی فعلی: CB 16 ، 1502-1508 ، doi: 10. 1016/j. cub. 2006. 05. 064 (2006). ArticleCaspubMedGoogle Scholar
• Molin a-Picó ، A. ، Cuest a-Frau ، D. ، Mir ó-Martínez ، P. ، Oltr a-Crespo ، S. & Aboy ، M. تأثیر خطاهای تشخیص پیچیده QRS در الگوریتم های آنتروپی. کاربرد تبعیض تنوع ضربان قلب. روش ها و برنامه های رایانه ای در زیست پزشکی 110 ، 2-11 (2013). ArticlePubmedGoogle Scholar
• پنگ ، C. K. و همکاران. سازمان موزاییک نوکلئوتیدهای DNA. بررسی فیزیکی. E ، فیزیک آماری ، پلاسما ، مایعات و مباحث بین رشته ای مرتبط 49 ، 1685-1689 (1994). محقق Casgoogle
• Chen ، Z. ، Ivanov ، P. ، Hu ، K. & Stanley ، H. E. تأثیر غیرقانونی ها بر تجزیه و تحلیل نوسان دفع شده. بررسی فیزیکی. E ، فیزیک ماده آماری ، غیرخطی و نرم 65 ، 041107 (2002). Articleadsgoogle Scholar

Hu ، K. ، Ivanov ، P. C. ، Chen ، Z. ، Carpena ، P. & Stanley ، H. E. تأثیر روند بر تجزیه و تحلیل نوسان دفع شده. بررسی فیزیکی. E ، فیزیک آماری ، غیرخطی و نرم فیزیک 64 ، 011114 (2001). ArticleCasadsGoogle Scholar

سپاسگزاریها

C LIN و M-T LO توسط بیشتر (تایوان ، ROC) ، کمک هزینه شماره 105-2218-E-008-003 ، 104-3115-E-008-001 ، 103-2321-B-008-003 پشتیبانی شدند. M-T LO همچنین توسط 103-2221-E-008-006-MY3 پشتیبانی شد. بنیاد مشترک CGH و NCU ، Grant No CNJRF-101CGH-NCU-A4 را اعطا کنید. VGHUST103-G1-3-3. K Hu توسط کمک های مالی NIH R00HL102241 ، P01AG009975 و R01 AG048108 پشتیبانی شد. Y-L HO توسط دانشگاه ملی تایوان ، کمک هزینه شماره 104R7608 و 104R7608-1 پشتیبانی شد.

اطلاعات نویسنده

1. نویسندگان و وابستگی ها
2. گروه علوم و مهندسی زیست پزشکی ، دانشگاه مرکزی ملی ، شهر تاویوان ، تایوان چن لین ، Yi-Chung Chang ، Chien-hung Yeh ، Wan-Hsin Hsieh & Men-Tzung LO
3. موسسه پزشکی مولکولی ، کالج پزشکی دانشگاه ملی تایوان ، تایپه ، تایوان Yi-Chung Chang ، Ya-Chen چنگ ، ژوئن-تای وو و Hsiu-Hsiang Lee
4. بخش قلب و عروق ، گروه پزشکی داخلی ، بیمارستان ملی دانشگاه تایوان و کالج پزشکی ملی دانشگاه تایوان ، تایپه ، تایوان یا چن چنگ ، پو-جونگ لای و یی-لون هو
5. بخش اختلالات خواب و شبانه روزی ، برنامه بیودینامیک پزشکی ، بیمارستان بریگام و زنان ، دانشکده پزشکی هاروارد ، بوستون ، MA ، ایالات متحده Chien-Hung Yeh & Kun Hu

1. گروه مهندسی برق ، دانشگاه مرکزی ملی ، شهر Taoyuan ، تایوان Chien-Hung Yeh