安静時の呼吸は、周期的運動ではあるが、それぞれの呼吸は厳密には同一ではない。この、一呼吸ごとの呼吸のゆらぎ(以下単にゆらぎ)が、決定論的な機序によって生ずるのか、それとも単にランダムな動揺なのかということは、スペクトル解析や自己回帰モデルなど、様々な解析法を用いて研究されてきた。しかし、これらの方法では、このゆらぎの機序を十分に説明することはできなかった。

　非線形システム論、すなわちカオス理論は、様々な生体システムの複雑なふるまいを、決定論的機序で説明できる理論として、広く応用されるようになってきているが、正常の呼吸リズムを、この理論を用いて解析した研究は、未だ少ない。

　本研究の目的は、非線形システム論の解析法を用いて、呼吸のゆらぎが呼吸調節システムの決定論的機序に由釆するものか否か、すなわち(このゆらぎは非周期的なので)カオス的であるか否かを明らかにすることである。

　呼吸の時相と深さは、被検者が定常状態にあり、外乱がほとんどない場合でも、非周期的なゆらぎを示す。このゆらぎは、以下の理由により、単にランダムなものではなく、カオスあるいは準周期運動であると仮定しうる。

　(1)ゆらぎの存在にもかかわらず、血液ガスのレベルは非常に狭い範囲にユントロールされている。

　(2)呼吸調節システムは、多重フィードバックループ構造をもち、これは、カオス的ふるまいを示すシステム構築の典型的なもののひとっである。

　(3)過去の研究で、連続する二またはそれ以上の呼吸のパラメータ間に有意の相関を認めたものがかなりある。

　実験データの波形から容易にわかるように、呼吸は強い周期性をもった運動である。しかし、一呼吸ごとのゆらぎに注目すると、そのゆらぎの程度は周期性を持たないように見える。このようなふるまいを示すものは、カオス、準周期性、ランダムなゆらぎを含む周期性(noisy limit cycle)の3種のカテゴリーが考えられ、そのうちのどれが呼吸運動をもっともよく表しうるかを検討するのが本研究の目的であった。カオスと準周期性との鑑別は時に極めて困難であるので、我々は、noisy limit cycleにカテゴライズされるシミュレーションデータをつくり、実験データと比較することによって、実験データのゆらぎの中に決定論(カオスまたは準周期性)を見出そうと試みたわけである。

　結果に示したように、実験データとシミュレーションデータの間には、我々の用いたいずれの分析法でも有意な差を見出し得なかった。このことは、つぎの4つの可能性を示唆する。

　(1)測定ノイズのために、呼吸のダイナミクスが分析結果に反映されなかった。

　(2)呼吸のゆらぎは呼吸調節システム内部の不規則な動揺のために生ずる。

　(3)ゆらぎは決定論的機序によるものであるが、アトラクタの次元が高いため、限られた長さの実験データからは、それを証明し得なかった。

　(4)睡眠ステージか一定の間は呼吸も定常状態であると仮定したが、この仮定が成立しなかった。

　測定ノイズの許容範囲を決定することは困難である。なぜならば、許容レベルは、ノイズの種類、アルゴリズムの種類、データのサイズ、アトラクタの次元などによって異なるからである。RIPによる測定結果は、スパイロメータによって同時に測定した値と良好な相関(r＝0.99)を示すので、RIPは肺容量の変化をかなり正確に測定できると評価しうる。しかし、アトラクタの性質が不明なので、ノイズ(誤差)が許容範囲かどうかは、やはり問題として残る。

　より大きな(長時間の)データセットが得られない限り、(2)の可能性を否定することはできない。一方、(3)については、少なくともREM睡眠以外の睡眠ステージでは、呼吸調節システムのダイナミクスがそう頻繁には変わらないだろうと我々は考えている。データセットを2ないし8個のサブセットに分割して、それぞれのサブセットで相関次元を求めてみたが、サブセット間で有意に異なる結果は得られなかった。また、ステージIおよびIIの睡眠時では、換気のゆらぎは脳波のパターンと明らかな関連があったというPackらの研究から考えても、脳波が定常状態を示す間は、呼吸のダイナミクスも定常状態であると仮定して差し支えないと考えられる。

　我々は、正常成人の呼吸における一呼吸ごとのゆらぎの成因として、決定論的な機序が関与している証拠を見出すことはできなかった。このことは、このゆらぎが、呼吸調節システム内部に由来するランダムなゆらぎか、あるいは高次元の決定論的機序によるものであることを示唆している。しかし、測定ノイズのために、低次元の決定論的機序を同定できなかった可能性も否定し得ない。我々の結論は、呼吸のゆらぎにもかかわらず、血液ガスのレベルか厳密にコントロールされているという事実に反するように思われるかもしれないが、ひとつひとつの呼吸よりも長い時定数を持つゆらぎに注目すれば、異なった結果が得られる可能性があり、今後の課題である。