The main focus of this work is to describe and implement a method to analyze sympathovagal balance. The theoretical part begins with electrocardiogram origin and measurement followed by heart rate variability explanation and a method of tachogram creation. The chapter is finished by description of wavelet transform as a means for tachogram processing and obtaining the sympato-vagal balance coeficient. Practical part of work focuses on developing a solution in Matlab for this problem. The R detector, tachogram creation and wavelet transform processing scripts with sympato-vagal balance assesment are fully described along with an example of their outputs. The work is finished with a conclusion of the findings and the assessment of sympato-vagal balance form them, which is unfortunately not so simple.

The nervous system and immune system have broad and overlapping distributions in the body, and interactions of these ubiquitous systems are central to the field of neuroimmunology. Over the past two decades, there has been explosive growth in our understanding of neuroanatomical, cellular, and molecular mechanisms that mediate central modulation of immune functions through the autonomic nervous system. A major catalyst for growth in this field was the discovery that vagal nerve stimulation (VNS) caused a prominent attenuation of the systemic inflammatory response evoked by endotoxin in experimental animals. This effect was mediated by acetylcholine (ACh) stimulation of nicotinic receptors on splenic macrophages. Hence, the circuit was dubbed the “cholinergic anti-inflammatory pathway”. Subsequent work identified the α7 nicotinic ACh receptor (α7nAChR) as the crucial target for attenuation of pro-inflammatory cytokine release from macrophages and dendritic cells. Further investigation made the important discovery that cholinergic T cells within the spleen and not cholinergic nerve cells were the source of ACh that stimulated α7 receptors on splenic macrophages. Given the important role that inflammation plays in numerous disease processes, cholinergic anti-inflammatory mechanisms are under intensive investigation from a basic science perspective and in translational studies of animal models of diseases such as inflammatory bowel disease and rheumatoid arthritis. This basic work has already fostered several clinical trials examining the efficacy of VNS and cholinergic therapeutics in human inflammatory diseases. This review provides an overview of basic and translational aspects of the cholinergic anti-inflammatory response and relevant pharmacology of drugs acting at the α7nAChR.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / This thesis describes a novel method to reversibly and safely block nerve conduction using a low frequency alternating current (LFAC) waveform at 1 Hz applied through a bipolar extrafascicular electrode. This work follows up on observations made on excised mammalian peripheral nerves and earthworm nerve cords. An in-situ electrophysiology setup was used to assess the LFAC waveform on propagating action potentials (APs) within the cervical vagus nerve in anaesthetized Sprague-Dawley rats (n = 12). Two sets of bipolar cuff or hook electrodes were applied unilaterally to the cervical vagus nerve, which was crushed rostral to the electrodes to exclude reflex effects on the animal. Pulse stimulation was applied to the rostral electrode, while the LFAC conditioning waveform was applied to the caudal electrode. The efferent volley, if unblocked, elicits acute bradycardia and hypotension. The degree of block of the vagal stimulation induced bradycardia was used as a biomarker. Block was assessed by the ability to reduce the bradycardic drive by monitoring the heart rate (HR) and blood pressure (BP) during LFAC alone, LFAC with vagal stimulation, and vagal stimulation alone. LFAC applied via a hook electrode (n = 7) achieved 86.6 +/- 11% block at current levels 95 +/- 38 uAp (current to peak). When applied via a cuff electrode (n = 5) 85.3 +/- 4.60% block was achieved using current levels of 110+/-65 uAp. Furthermore, LFAC was explored on larger vagal afferent fibers in larger human sized nerve bundles projecting to effects mediated by a reflex. The effectiveness of LFAC was assessed in an in-situ electrophysiological setup on the left cervical vagus in anaesthetized domestic swine (n = 5). Two bipolar cuff electrodes were applied unilaterally to the cervical vagus nerve, which was crushed caudal to the electrodes to eliminate cardiac effects. A tripolar extrafascicular cuff electrode was placed most rostral on the nerve for recording of propagating APs induced by electrical stimulation and blocked via the LFAC waveform. Standard pulse stimulation was applied to the left cervical vagus to induce the Hering-Breuer reflex. If unblocked, the activation of the Hering-Breuer reflex would cause breathing to slow down and potentially cease. Block was quantified by the ability to reduce the effect of the Hering-Breuer reflex by monitoring the breathing rate during LFAC alone, LFAC and vagal stimulation, and vagal stimulation alone. LFAC achieved 87.2 +/- 8.8% (n = 5) block at current levels of 0.8 +/- 0.3 mAp. Compound nerve action potentials (CNAP) were monitored directly. They show changes in nerve activity during LFAC, which manifests itself as the slowing and amplitude reduction of components of the CNAPs. Since the waveform is balanced, all forward reactions are reversed, leading to a blocking method that is similar in nature to DC block without the potential issues of toxic byproduct production. These results suggest that LFAC can achieve a high degree of nerve block in both small and large nerve bundles, resulting in the change in behavior of a biomarker, in-vivo in the mammalian nervous system at low amplitudes of electrical stimulation that are within the water window of the electrode.

Gross' emotion regulation model, Porges' polyvagal theory, and other existing research suggest that regulation of emotions, tactics used to handle conflict, and certain physiological processes that occur within the autonomic nervous system (ANS) in response to stress are significantly related, especially in relational contexts. However, despite their pervasiveness and negative impacts, there is a noticeable lack of research on predictors of violent, aggressive, or abusive conflict tactics in couples. In the current study, the predictive role of emotion regulation in relation to conflict tactics was examined, in addition to the role of respiratory sinus arrhythmia (RSA) and pre-ejection period (PEP) as mediators for these variables. Thirty-eight participants (19 couples) completed self-report measures of emotion regulation and conflict tactics, and RSA and PEP were measured during a three-minute baseline and 20-minute conflict discussion. Results showed no significant relationships between emotion regulation and conflict tactics, and no significant relationships between these variables and RSA or PEP were found. These findings may suggest that other variables aside from measures of ANS activity better explain the relationship between emotional and behavioral regulation skills, though additional research is necessary to confirm these findings. Clinical implications of this research point to the exploration of other contributors to violence and aggression aside from poor emotion regulation as it was measured in this study. Future research may benefit from investigating the impact of other variables such as sleep and exercise on ANS reactivity in relation to the use of maladaptive conflict tactics in married couples.

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La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente et représente environ un tiers des hospitalisations attribuables aux troubles du rythme cardiaque. Les mécanismes d’initiation et de maintenance de la FA sont complexes et multiples. Parmi ceux-ci, une contribution du système nerveux autonome a été identifiée mais son rôle exact demeure mal compris. Ce travail cible l’étude de la modulation induite par l’acétylcholine (ACh) sur l’initiation et le maintien de la FA, en utilisant un modèle de tissu bidimensionnel. La propagation de l’influx électrique sur ce tissu est décrite par une équation réaction-diffusion non-linéaire résolue sur un maillage rectangulaire avec une méthode de différences finies, et la cinétique d'ACh suit une évolution temporelle prédéfinie qui correspond à l’activation du système parasympathique. Plus de 4400 simulations ont été réalisées sur la base de 4 épisodes d’arythmies, 5 tailles différentes de région modulée par l’ACh, 10 concentrations d’ACh et 22 constantes de temps de libération et de dégradation d’ACh. La complexité de la dynamique des réentrées est décrite en fonction de la constante de temps qui représente le taux de variation d’ACh. Les résultats obtenus suggèrent que la stimulation vagale peut mener soit à une dynamique plus complexe des réentrées soit à l’arrêt de la FA en fonction des quatre paramètres étudiés. Ils démontrent qu’une décharge vagale rapide, représentée par des constantes de temps faibles combinées à une quantité suffisamment grande d’ACh, a une forte probabilité de briser la réentrée primaire provoquant une activité fibrillatoire. Cette activité est caractérisée par la création de plusieurs ondelettes à partir d’un rotor primaire sous l’effet de l’hétérogénéité du gradient de repolarisation causé par l’activité autonomique. / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent arrhythmia and accounts for about one-third of hospitalizations for cardiac rhythm disturbances. The mechanisms of initiation and maintenance of atrial fibrillation are complex and multifaceted. Among them, a contribution of the autonomic nervous system has been identified but its exact role remains poorly understood. This work targets the study of the effect of autonomic modulation induced by acetylcholine (ACh) on the initiation and maintenance of AF, using a two-dimensional tissue model. Electrical impulse propagation in the tissue was described by as a non-linear reaction-diffusion equation solved on a rectangular mesh with finite difference methods, and ACh kinetics followed a predefined time evolution corresponding to parasympathetic activation. More than 4400 simulations were performed based on 4 fibrillatory initial conditions, 5 sizes of ACh patch, 10 ACh concentrations and 22 time constants representing ACh release and degradation speed. Our results suggest that vagal stimulation can sustain or terminate AF depending on the 4 parameters studied. Results demonstrate that rapid vagal discharge, represented by low time constants combined with sufficient quantities of ACh, has a high probability of breaking the primary reentry and causing fibrillatory activity. This activity is characterized by the generation of several wavelets from a primary rotor under the heterogeneity of repolarization gradient due to autonomic modulation.

La fibrillation auriculaire (FA) est la forme d’arythmie la plus fréquente et représente environ un tiers des hospitalisations attribuables aux troubles du rythme cardiaque. Les mécanismes d’initiation et de maintenance de la FA sont complexes et multiples. Parmi ceux-ci, une contribution du système nerveux autonome a été identifiée mais son rôle exact demeure mal compris. Ce travail cible l’étude de la modulation induite par l’acétylcholine (ACh) sur l’initiation et le maintien de la FA, en utilisant un modèle de tissu bidimensionnel. La propagation de l’influx électrique sur ce tissu est décrite par une équation réaction-diffusion non-linéaire résolue sur un maillage rectangulaire avec une méthode de différences finies, et la cinétique d'ACh suit une évolution temporelle prédéfinie qui correspond à l’activation du système parasympathique. Plus de 4400 simulations ont été réalisées sur la base de 4 épisodes d’arythmies, 5 tailles différentes de région modulée par l’ACh, 10 concentrations d’ACh et 22 constantes de temps de libération et de dégradation d’ACh. La complexité de la dynamique des réentrées est décrite en fonction de la constante de temps qui représente le taux de variation d’ACh. Les résultats obtenus suggèrent que la stimulation vagale peut mener soit à une dynamique plus complexe des réentrées soit à l’arrêt de la FA en fonction des quatre paramètres étudiés. Ils démontrent qu’une décharge vagale rapide, représentée par des constantes de temps faibles combinées à une quantité suffisamment grande d’ACh, a une forte probabilité de briser la réentrée primaire provoquant une activité fibrillatoire. Cette activité est caractérisée par la création de plusieurs ondelettes à partir d’un rotor primaire sous l’effet de l’hétérogénéité du gradient de repolarisation causé par l’activité autonomique. / Atrial fibrillation (AF) is the most frequent arrhythmia and accounts for about one-third of hospitalizations for cardiac rhythm disturbances. The mechanisms of initiation and maintenance of atrial fibrillation are complex and multifaceted. Among them, a contribution of the autonomic nervous system has been identified but its exact role remains poorly understood. This work targets the study of the effect of autonomic modulation induced by acetylcholine (ACh) on the initiation and maintenance of AF, using a two-dimensional tissue model. Electrical impulse propagation in the tissue was described by as a non-linear reaction-diffusion equation solved on a rectangular mesh with finite difference methods, and ACh kinetics followed a predefined time evolution corresponding to parasympathetic activation. More than 4400 simulations were performed based on 4 fibrillatory initial conditions, 5 sizes of ACh patch, 10 ACh concentrations and 22 time constants representing ACh release and degradation speed. Our results suggest that vagal stimulation can sustain or terminate AF depending on the 4 parameters studied. Results demonstrate that rapid vagal discharge, represented by low time constants combined with sufficient quantities of ACh, has a high probability of breaking the primary reentry and causing fibrillatory activity. This activity is characterized by the generation of several wavelets from a primary rotor under the heterogeneity of repolarization gradient due to autonomic modulation.

La mort subite du nourrisson (MSN) est un phénomène imprévisible et mal compris. Elle est définie par « le décès d’un nourrisson âgé de moins d’un an dont les causes restent inexpliquées malgré des investigations approfondies, incluant une autopsie et un examen de la scène du décès ». Si l’incidence est en décroissance depuis 1994 et le début des campagnes de prévention, la MSN reste la première cause de décès post-néonatale. La MSN est un phénomène multifactoriel qui survient préférentiellement chez des enfants vulnérables exposés à des facteurs de risques environnementaux. Ainsi, le fait d’identifier ces enfants à risque est un enjeu majeur dans la prévention de cette pathologie. La réponse vagale exacerbée, exprimée biologiquement par une surexpression des récepteurs muscariniques de sous-types M2 (RM2), pourrait être un facteur de risque de MSN. Nous avons déjà constaté cette anomalie biologique dans notre modèle animal d’hyperréactivité vagale et dans des cœurs de nourrissons décédés de MSN. Le but de ces travaux est d’analyser l’expression sanguine des RM2 en tant que paramètre biologique reflétant une hyperactivité vagale chez l’Homme, dans des cas de malaises vagaux et de malaises sévères inexpliqués du nourrisson. L’implication de la génétique a également été étudiée dans une famille présentant plusieurs cas de MSN. Une surexpression des RM2 a été observée chez des patients présentant des malaises vagaux. Pour la première fois, des anomalies biologiques ont été identifiées dans cette pathologie. Si l’on parvenait à valider ce paramètre biologique en tant que marqueur de risque, cela pourrait permettre d’aider au diagnostic différentiel et à la prise en charge thérapeutique de ces syncopes vagales. Les mêmes anomalies ont été observées chez des enfants de moins d’un an présentant des malaises sévères idiopathiques. Après une première analyse des données du séquençage haut débit d’exomes issus d’une famille présentant plusieurs cas de MSN, nous avons pu identifier 3 gènes pouvant être impliqués dans la MSN. Néanmoins, le scénario et le mode de transmission sont difficiles à définir. Les premières hypothèses s’orientent vers un digénisme ou même un trigénisme. La surexpression des RM2 chez les 2 parents et chez certains enfants est un premier élément suggérant la transmission du caractère « hyperactivité vagale » chez l’Homme.Nos travaux ont permis de mettre en évidence une anomalie biologique commune entre les malaises vagaux, les malaises inexpliqués du jeune enfant et la MSN, à savoir la surexpression des RM2. Ce paramètre, facilement dosable dans le sang, pourrait être un élément complémentaire dans le diagnostic différentiel et la prise en charge de ces pathologies, notamment chez les jeunes enfants pour lesquels ces malaises peuvent être très délétères. L’avancée dans le séquençage du génome permettra peut-être l’identification de facteurs de risque génétiques impliqués dans les malaises inexpliqués ou les MSN. / Sudden Infant Death Syndrome (SIDS) is an unpredictable and poorly understood phenomenon. It is defined as the "sudden unexpected death of a child younger than one year during sleep that cannot be explained after a postmortem evaluation including autopsy, a thorough history, and scene evaluation". Although the incidence has been decreasing since 1994 and the start of prevention campaigns, SIDS remains the leading cause of post-neonatal death. SIDS is a multifactorial phenomenon that occurs preferentially in vulnerable infants exposed to environmental risk factors. Thus, identifying these children at risk is a major challenge in the prevention of this pathology. The exacerbated vagal response, biologically expressed by overexpression of muscarinic M2 receptors (M2R), may be a risk factor for SIDS. We have already observed this biological abnormality in our animal model of vagal hyperreactivity and in hearts of SIDS. The aim of this work is to analyze the blood expression of M2R as a biological parameter reflecting vagal hyperreactivity in humans, in cases of reflex syncope and idiopathic apparent life-threatening events (iALTE) of infants. The involvement of genetics has also been studied in a family with several cases of SIDS (SIDS family). Overexpression of M2R has been observed in patients with reflex syncope. For the first time, biological abnormalities have been identified in this pathology. If this biological parameter could be validated as a risk marker, it could help for differentially diagnosis and treatment of these vagal syncopes. The same abnormalities were observed in children under one year old with iALTE. After a first analysis of the data of the “next generation sequencing” of the exomes of our “SIDS family”, we were able to identify 3 genes that could be involved in SIDS. However, the scenario and the mode of transmission are difficult to define. The first hypotheses are oriented towards a digenism or even a trigenism. The overexpression of M2R in both parents is a first element suggesting the genetic transmission of the character "vagal hyperactivity" in humans. Our work highlights a biological abnormality which is common to reflex syncope, iALTE and SIDS, namely the overexpression of M2R. These results confirm the hypothesis of the involvement of the vagal system overactivity in these pathologies. This parameter, easily measurable in the blood, could be a complementary assessment useful in the differential diagnosis and the management of these pathologies, in particular in infants for whom syncope can be very harmful. The development of the sequencing of human genome will probably allow the identification of genetic risk factors involved in iALTE or SIDS.

L'innervation parasympathique du cœur est responsable de la régulation à court terme de la pression artérielle (PA), par le biais du contrôle battement par battement de la fréquence cardiaque. Une diminution de l'activité vagale est considérée comme indice de mauvais pronostic. La projection vagale du noyau ambigu sur le cœur constitue un chemin commun pour le baroréflexe cardiaque et le chemoreflexe de von Bezold Jarisch (BJ). Des mises au point récentes des techniques d'enregistrement extracellulaire des motoneurones cardiaques vagaux (CVM) chez le rat ont rendu un peu plus aisé l'exploration de ces deux réflexes. Ceci permet une meilleure compréhension des mécanismes et de sites d'action. 1) Un agoniste α-2 adrénergique, la clonidine, hypotenseur central, agit sur la régulation à court-terme de la PA. Le présent travail a montré une augmentation de l'activité unitaire des CVMs, et de la pente du baroréflexe cardiaque au niveau central (relation PA-CVM) quand la clonidine est administrée systémiquement, en dose croissante (10-100µg/kg i.v.). Une analyse approfondie de l'activité des neurones a révélé un nouveau mécanisme d'action de la clonidine via des décharges rapides (« doublet »). 2) Une peptide natriuretique de type B (BNP), utilisée dans le traitement de l'insuffisance cardiaque, a augmenté significativement la bradycardie et l'activité des CVMs lors de l'activation du réflexe BJ. La bradycardie, proportionnelle à l'activation vagale, fait conclure par logique soustractive que le site d'action du BNP est sur le bras afférent du réflexe. Une activation parasympathique centrale représenterait une solution dans le traitement des problèmes cardiovasculaires.