Cerebrovascular reactivity of free divers measured with fnirs

Abstract

Serbest dalış günümüzde yaygınlaşmış ve müsabakaları olan bir spor dalı haline gelmiş olsa da, dalgıçların muazzam derinliklere inebilmelerinin ve uzun süre su altında kalabilmelerinin temelinde yatan fizyolojik mekanizma henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Ardışık maksimal nefes tutmaların etkileri, farklı deneyim düzeylerine sahip iki serbest dalgıç grubu ve kontrol grubu üzerinde incelenmiştir. Dört ardışık maksimal nefes tutma boyunca, hemoglobin konsantrasyonu (işlevsel yakın kızıl altı spektroskopi (iYKAS) ile), kalp atış hızı ve sistemik oksijen satürasyonu (nabız oksimetrisi ile) ölçümleri alınmıştır. Nefes tutma süreleri bütün gruplarda birbirini takip eden denemelerde uzamıştır. Ancak deneyimli serbest dalgıçlardaki uzama, yeni başlayan dalgıçlara ve kontrol grubuna göre daha uzundur. iYKAS ölçümlerinden hesaplanan hemoglobin konsantrasyonu değişim değerleri, serbest dalgıçlarda uzayan nefes tutma sürelerine paralel olarak artış gösterirken, kontrol grubunda neredeyse sabit kalmıştır. Sistemik oxijen satürasyon değerleri ise bütün gruplar için uzayan nefes tutma süreleriyle birlikte bir azalma göstermiştir. Deneyimli serbest dalgıçlardaki azalma ise daha uzun nefes tutma sürelerine bağlı olarak daha fazladır. Hemoglobin konsantrasyonu değişim değerleri ve bağımsız olarak sistemik oksijen satürasyonu değişim değerleri kullanılarak hesaplanan ve nefes tutma süreleri ile normalize edilmiş nefes tutma indeksleri gruplar arasında istatiksel olarak farklıdır (p<0.00005 her iki indeks için). Serbest dalgıç grubunun ardışık nefes tutma indekslerindeki artış, kontrol grubunun indeks artışına göre daha fazladır ve bu da hipoksiye karşı daha gelişmiş bir tepki verdiklerini gösterir. Sonuçlarımız hiperkapniaya karşı verilen serebrovasküler tepkinin öğrenilebildiğini ve eğitilebildiğini ve tepki düzeyinin iYKAS ile güvenilir bir biçimde ölçülebildiğini göstermektedir.

Although breath-hold diving is nowadays practiced as a competitive sports discipline, its underlying physiological mechanisms enabling divers to tolerate great dive depths and durations are still not fully understood. Effect of consecutive maximal dry breath-holds was compared between two groups of free divers with different experience levels and a control group. Hemoglobin concentration (by functional near infrared spectroscopy, fNIRS), heart rate and systemic oxygen saturation (by pulse oxymetry) measurements were performed during four consecutive maximal dry breath-holds. Breath-hold durations increased with consecutive trials in all the groups while the experienced free divers outperformed both the beginner free divers and the control group. Change in hemoglobin concentration from fNIRS measurements increased in parallel with increasing breath-hold durations in free divers but remained almost constant in the control group. Systemic oxygen saturation decreased with increasing breath-hold durations for all the groups with a greater decrease for experienced free divers due to longer breath-hold durations. Breath-hold indices calculated using change in hemoglobin concentration and independently using change in Systemic oxygen saturation normalized to hold durations showed significant differences between groups (p<0.00005 for both indices). Free diver groups exhibited a higher slope of increase of the indices among consecutive breath holds compared to the control group elucidating an enhanced reactivity to hypoxia. Our results indicate that cerebrovascular reactivity to hypercapnia can be learned and trained and the level of reactivity can be reliably quantified by fNIRS.