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心电学中的混沌现象

现代研究认为,人体是一个大量线性与非线性关系广泛混杂的整体,而心脏是最复杂的非线性动力系统之一,解剖学上的类分形结构是健康心脏非线性节律特性的生理基础。冠状动脉和静脉、连接二尖瓣三尖瓣与心肌的腱索、希-浦系统等都有具有类分形的结构。很多实验观察表明,心脏的生理节律既不同于周期振荡,也非完全随机,而是具有混沌特性,在确定系统中表现为貌似随机的行为。以长时间的体表心电信号为代表的人体生理节律在不同时间尺度下表现为分形结构的自相似特性、相空间图显示其动态特性接近奇怪吸引子,心率的变化模式符合混沌动态过程。

认识过程

混沌理论是数学家族的成员,在它的创始阶段,就已有人多次尝试建立疾病的数学模型。其中,Nobitz(1924)、van der Pol和van der Mark(1928)以及Wiener和Rosenblueth(1946)率先开始了对心律失常的数学建模探索。在生命科学领域中,混沌与心电学的最初姻缘也来自于对心律失常的研究。早在1946年,L.N.Katz的第二版《心电图》学中就出现过“混沌心动”(chaotic heart action)一词,当时是指异位起搏点引起早搏(期前收缩)性心律,出现复杂而不规则的心电图表现。而20世纪70年代开始L.Glass等人对胚胎鸡心脏自律细胞进行周期性电刺激的实验,则是真正意义上对心脏节律活动中混沌现象的研究。它是混沌理论问世以来短短的历史中最受注目的研究项目之一。实验是在具有自律性的胚胎鸡心肌细胞团上,通过插入细胞内的微电极给予电脉冲刺激,当刺激改变时,心搏模式出现了混沌特征——倍周期分岔。他们画出了Poincare映像,并于1981年开始在《科学》等杂志上发表了这一系列的研究结果。Glass说,“在刺激和一小块鸡心之间可以建立许多不同的节律,我们使用非线性数学,能极好地了解不同节律和它们的排序”。另一位心脏病兼物理学家查德J.科恩在哈佛大学和麻省理工学院的一项联合研究中,在用犬做的实验中也观察到倍周期序列。

 电刺激后心肌细胞搏动的不同模式倍周期分岔现象(引自Science,1981,214:1350-1353)

电刺激后心肌细胞搏动的不同模式倍周期分岔现象(引自Science,1981,214:1350-1353)

与此同时,Kitney和Rompelman(1980)及Akselrod等(1981)、Kobayashi和Musha(1982)描述了正常心率的多变性。Goldberger及其同事(1985,1986)、West和Goldberger(1987)、Goldberger和Rigney(1988)对此提出假说,认为心率的这种涨落与混沌有关。1988年Goldberger和Rigney在总结上述观点时说,心搏骤停是从正常心搏的分形、混沌动态到垂死心脏的病态周期的一种分岔现象。

由于Katz曾将不规则的节律描述为“混沌心动”,自那时(1946年)起,明显不规则的节律曾经都被视为心脏猝死的前兆。

20世纪80年代,众多学者的实验研究结果对这一观点提出质疑,问题的焦点是:心室颤动是否属于混沌。Goldberger等人在1986—1988年间,对开胸麻醉的犬心脏进行电刺激诱发室颤,观察心率变化的频谱,发现室颤与窄带的频谱相关,而通常混沌现象表现为宽频带谱。Goldberger等人在1985—1987年期间还讨论了室颤与窦性节律的属性问题,结果认为心脏的窦性节律是混沌而室颤不是混沌,原因是心脏的窦房结被多元性非线性机制所控制,包括自主神经张力变化、激素、前后负荷等诸多因素。在同期的1986年,另一位学者观察到左室功能紊乱导致猝死的病人均有心率变异性(heart rate variability,HRV)降低。这一资料支持窦性节律是混沌的观点。在随后的多项研究中,对HRV的认识逐渐达到了今天的水准。

生理病理与混沌

目前的研究认为,生理条件下存在混沌,病理情况下混沌丧失或部分丧失——由混沌走向随机/周期,或更接近随机/周期。对人体心脏搏动的相空间吸引子进行的研究表明,健康人的相空间轨迹图十分相似,特征是运行轨道复杂,但分布在一定区域范围内,表现了奇怪吸引子的特点。心脏病人的相空间轨迹图各不相同,其中一类是运行轨迹较健康人简单,吸引子所占的空间范围明显小于健康人;另一类是相空间范围较大,但运行轨道简单,类似于有规律的周期运动与混沌行为截然不同。哈佛医学院的心脏病学家Goldberger根据自己的实验结果提出,衰老的标志是心率、血压变化及脑电波等生理信号复杂性的丧失。

有人对健康年轻人、健康老人及房颤病人的RR间期序列的相关维和最大Lyapunov指数进行计算的研究发现,年轻人组是7~8维,健康老人是6~6.5维,房颤是4~4.5维。Lyapunov指数在健康年轻人是0.19~0.23,健康老人0.12~0.16,房颤病人是0.083~0.123。表明,三者的RR间期序列均具混沌特征,相关维和最大Lyapunov指数从健康年轻人到房颤病人依次减小,表明无论年轻人、老年人与房颤病人,其心电信号均具有混沌特征,但三组心电信号复杂性依次减小。

一项对正常窦性心律、起搏心律、室性心律失常和束支传导阻滞四组病例的长程心电数据进行Poincare截面、测度熵、分维数等混沌指标的分析结果显示,不同心律的Poincare截面图有不同分布形式,表明其复杂度与维数有差异。维数的计算结果,在四组中正常窦性心律组维数最大,束支阻滞、室性早搏和起搏心律组的维数依次减小。其中,正常窦性心律与束支传导阻滞组的维数比较接近。测度熵计算结果,正常心律组的数值大于其他三组,起搏心律组的数值最小,但所有病例的测度熵均大于零。表明各种心律均有别于测度熵为零的周期运动,也有别于测度熵为无穷大的随机运动,而是介于两者之间,具有混沌特征。但其中正常心律组具有最高的复杂度,而起搏心律则最接近于周期运动。

房颤电生理机制中的混沌学说

传统的分析方法认为,心房颤动与心室颤动(室颤)没有本质的区别,都是心肌纤维毫无规则、杂乱无章地随机行为,这种杂乱无章地随机行为被称为“噪声”,其节律是不可知的。然而,非线性分析方法的广泛应用,改变了以往的观念,为研究提供了新思路、新方法,使对某些问题的研究和解决成为可能。非线性方法的研究表明,某些原先被视为“噪声”的行为,有可能是一个确定性的混沌过程。很多观察结果表明,在貌似随机的房颤节律背后存在着特定的规律,而用非线性的混沌理论可能解释这些电生理现象。这种全新的思维模式对进一步认识房颤打开了新视界。

不同类型的房颤,其形成的电生理机制不尽相同。其中基于非线性的混沌理论提出的自旋波(spiralwave)学说认为,心肌兴奋波涡旋,形成自旋波是发生颤动的基础。在解剖和功能传导障碍区边缘,由于兴奋波的波阵面传导速度差异,波阵面向传导速度慢的一侧变曲,使传导轨迹呈螺旋状,形成螺旋波。其三维立体结构为自卷波(scroll wave),现在发现多形性室速可来自于单一或成对(8字形折返)的自卷波。波碎裂学说认为,一个兴奋能否传导取决于波长,如果达不到能够引起传导的波长,则兴奋无法传导,并在局部发生波阵面的碎裂,形成自旋波折返,自旋波折返的中心是房颤的主导核心。自旋波的行为状态可以从准周期碎裂演化为多子波,形成时空上的混沌运动。实验揭示了自旋波运动形式与功能性折返之间的关系,认为稳定的自旋波可表现为心房扑动、单一形态的房性或室性心动过速,而自旋波碎裂是形成房颤和室颤的主要机制。

一般认为,波碎裂的产生与心肌细胞不应期的异质性有关,但计算机模拟研究发现,在不存在解剖和电生理异质性的组织中,心电活动的动力学可因心率的变化,使不应期离散度增大,进而导致波碎裂。

外来刺激对心脏自主节律的影响

加拿大麦吉尔大学的Mines(闵纳斯)是最早探索对心肌进行电刺激引发颤动,并为之捐躯的研究者。1914年,28岁的Mines制造了一台型电脉冲仪,以自体为对象进行电刺激实验不幸身亡。被发现时,他心前区处连着刺激仪,而另一台仪器记录了他心脏停搏的过程。60年后,该校的L.Glass等用鸡胚胎心肌细胞团进行实验不仅观察到了周期倍化(分岔)、锁相振荡(停止于某一分岔处)准周期运动等混沌行为。并发现当外界刺激极弱时,不易出现锁相,自主心率处于准周期振荡;当刺激适当增强,锁相区增宽,只有当刺激周期等于或接近自主周期的整数倍(倍周期)时,才能实现锁相。

倍周期分岔和准周期运动都是非线性系统从非混沌态演化到混沌态,进而走向随机的重要途径,在准周期运动通向混沌的过程中时常出现锁相状态。随控制参量的增加,准周期与锁相交替出现,最终进入混沌态。麦吉尔大学与哈佛大学及麻省理工学院的研究者认为,一个参数的微小变化,无论是时间上,或者是电导率上的,都可使正常心搏产生2倍周期分岔而进入性质完全不同的性态之中,即由健康的混沌态进入致命的混沌态。

此后其他学者的几项实验研究都重复了上述结果,表明外来刺激对自主节律有极大的影响,由于耦合方式不同,可产生不同的行为模式,并与某些心律失常有对应关系。这就是现今心电生理检查时,用起搏刺激诱发心动过速的原理。

基于这种认识,对心律失常发生的机制,出现了令人耳目一新的解释。通常室性早搏被认为是心室自律性增高的结果,但对心室而言,房室结下传的激动无疑是一个“外来刺激”。房室结下传的频率与时间(落在心室动作电位不同区域)不同,可发生不同的心律失常。若房室结频率较高,则会使心室同步,心电图无异常改变;若房室结频率较低(接近心室自主频率),并且落在两次心室自主节律之间的特定时间段内,则出现室性早搏二联律,这种联律性心搏是锁相振荡的表现。同样窦性节律与异位节律点之间的耦合可导致并行心律等等。因此,心脏传导系统各部位间的不同耦合方式可以成为导致各种心律失常的原因。

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