Dyspnea, the awareness of an increase in breathing discomfort, is commonly experienced during physical activity in healthy individuals and in patients with cardiopulmonary disease. It is well established that the intensity of perceived dyspnea is consistently higher during exercise in healthy women compared to men, regardless of age, height, and weight. However, the mechanism(s) of this sex-related difference in activity-related dyspnea is/are poorly understood and represented the primary focus of this thesis.Compared to men, women have smaller lungs, narrower airways, and weaker breathing muscles. These anatomical differences manifest as greater mechanical constraints on ventilation, particularly during the stress of exercise when ventilatory requirements are high. In addition, the amount of work the breathing muscles must perform in order to move a given volume of air into and out of the lungs during exercise is considerably higher in women than men. It is reasonable to predict that, because of these differences, the central nervous system must activate the respiratory muscles (particularly the diaphragm) to a greater extent during exercise in women compared to men to achieve the same level of ventilation and that this higher respiratory muscle activation may account for the increased perception of activity-related dyspnea in women. While it is not feasible to directly measure the neural output of the brains' respiratory control center at rest or during exercise in humans, central neural respiratory motor drive can be assessed indirectly by quantifying the electromyogram of the crural diaphragm (EMGdi) using a special electrode catheter positioned in an individual's esophagus. To date, no previous study, in health or disease, has examined whether the combination of relatively greater dynamic mechanical ventilatory constraints and a higher EMGdi (i.e., neuromechanical uncoupling of the respiratory system) during exercise in women is responsible, at least in part, for sex differences in activity-related dyspnea. To address this important question we compared detailed assessments of EMGdi, respiratory muscle function, ventilation, breathing pattern, operating lung volumes, cardio-metabolic function, and dyspnea intensity and unpleasantness ratings during symptom-limited incremental bicycle exercise testing in 25 healthy, young (20-40 yrs) women and 25 age-matched men. Our results demonstrated relatively greater mechanical constraints on tidal volume expansion at any given ventilation during exercise in women compared to men. The present study was the first to demonstrate that esophageal electrode catheter-derived measures of EMGdi were consistently higher at any given ventilation during exercise in women compared with men and that these differences reflected, in large part, the presence of relatively greater dynamic mechanical ventilatory constraints in women. In keeping with the results of previous studies, sensory intensity and unpleasantness ratings of dyspnea were higher at any given ventilation during submaximal exercise in women compared to men. However, in contrast to our a priori hypothesis, these perceptual differences could not be readily explained by greater neuromechanical uncoupling of the respiratory system, but primarily reflected the awareness of a relatively higher EMGdi (or central neural respiratory motor drive) needed to achieve any given ventilation during exercise in the setting of greater dynamic mechanical ventilatory constraints in women. These findings may have implications for our understanding of the physiological mechanisms of sex differences in activity-related dyspnea in variants of health (e.g., aging) and in patients with cardiopulmonary disease. / La dyspnée, définie comme la conscience d'une augmentation de gêne respiratoire, est souvent connu pendant l'activité physique chez les sujets sains ainsi que chez les patients ayant une maladie cardio-pulmonaire. Il est bien établi que l'intensité de la dyspnée perçue est systématiquement plus élevée au cours de l'exercice chez les femmes en bonne santé par rapport aux hommes, indépendamment de l'âge, de la taille et du poids. Cependant le/les mécanisme(s) de cette différence sont mal compris et la clarification de ceux-ci comportent l'objet principal de la thèse en question.Comparativement aux hommes, les femmes ont de plus petits poumons, des voies respiratoires plus étroites et des muscles respiratoires plus faibles. Ces différences anatomiques se manifestent par de plus grandes contraintes mécaniques sur la ventilation, en particulier pendant le stress de l'exercice lorsque les besoins ventilatoires sont élevés. Par conséquent, le travail que les muscles respiratoires doivent effectuer afin de déplacer un volume défini d'air dans les poumons pendant l'exercice est considérablement plus élevé chez les femmes que chez les hommes. En raison de ces différences, nous prévoyons que le système nerveux central doit activer les muscles respiratoires (notamment le diaphragme) dans une plus grande mesure chez les femmes pour atteindre le même niveau de ventilation et que cette activation supérieure peut expliquer la perception accrue de la dyspnée liée à l'activité chez les femmes. Même s'il n'est pas possible de mesurer directement les signaux envoyés par le centre de contrôle respiratoire chez l'homme, le contrôle moteur de la respiration peut être évalué indirectement en quantifiant l'électromyogramme du diaphragme crural (EMGdi) en utilisant un cathéter à électrode spécialisée placée dans l'oesophage d'un individu. À ce jour, aucune étude n'a examiné si la combinaison de contraintes ventilatoires mécaniques plus grandes et d'un EMGdi plus élevé pendant l'exercice chez les femmes est responsable des différences de sexe dans la dyspnée liée à l'activité. Nous avons donc comparé des évaluations détaillées de EMGdi, de fonction musculaire respiratoire, de ventilation, de modèle de respiration, de volumes pulmonaires opérationnels, de fonction cardio-métabolique, et d'intensité de la dyspnée et des cotes de désagréments lors de tests d'exercice incrémental de vélo dans 25 jeunes (20-40 yrs) femmes saines et 25 hommes sains du même âge. Nos résultats démontrent des contraintes mécaniques sur l'expansion du volume courant pendant l'exercice plus fortes chez les femmes par rapport aux hommes. La présente étude est la première à démontrer que les mesures de cathéter à électrodes œsophagiennes dérivés de EMGdi étaient systématiquement plus élevés peu importe le niveau de ventilation au cours de l'exercice chez les femmes par rapport aux hommes et que ces différences reflètent, en grande partie, la présence de contraintes ventilatoires mécaniques dynamiques relativement plus grande chez les femmes. En accord avec les résultats d'études antérieures, l'intensité sensorielle et le désagrément de dyspnée ont été supérieurs à n'importe quelle ventilation donnée au cours de l'exercice sous-maximal chez les femmes par rapport aux hommes. Cependant, contrairement à notre hypothèse a priori, ces différences de perception ne peuvent être facilement expliquées par un plus grand découplage neuromécanique du système respiratoire et reflètent la conscience d'une EMGdi relativement élevée (ou moteur d'entraînement respiratoire neural central) nécessaire pour atteindre une ventilation donnée pendant l'exercice dans le cadre de contraintes ventilatoires mécaniques dynamiques plus grande chez les femmes. Ces résultats pourraient avoir des implications dans notre compréhension des mécanismes de différences de sexe dans la dyspnée liée à l'activité dans les variantes de la santé et chez les patients ayant une maladie cardio-pulmonaire.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.119732 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Schaeffer, Michele |
| Contributors | Dennis Jensen (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Kinesiology and Physical Education) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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