Multiskalen-Entropie-Analyse biologischer Signale

Traditionelle Ansätze zur Messung der Komplexität biologischer Signale berücksichtigen nicht die multiple Zeitskalen, die in solchen Zeitserien inhärent sind. Diese Algorithmen haben widersprüchliche Ergebnisse geliefert, als sie auf reale Datensätze angewendet wurden, die in Gesundheits- und Krankheitszuständen gewonnen wurden. Wir beschreiben im Detail die Grundlage und Implementierung der Multiskalen-Entropie (MSE)-Methode. Wir erweitern und erläutern frühere Befunde, die ihre Anwendbarkeit auf die Schwankungen des menschlichen Herzschlags unter physiologischen und pathologischen Bedingungen zeigen. Die Methode zeigt konsistent einen Verlust an Komplexität mit dem Alter, mit einer erratischen Herzrhythmusstörung (Vorhofflimmern) und mit einem lebensbedrohlichen Syndrom (kongenitale Herzinsuffizienz). Darüber hinaus haben diese verschiedenen Bedingungen unterschiedliche MSE-Kurvenprofile, was diagnostische Anwendungen nahelegt. Die Ergebnisse unterstützen eine allgemeine Theorie des "Komplexitätsverlusts" in Bezug auf Alterung und Krankheit. Wir wenden die Methode auch auf die Analyse von kodierenden und nicht kodierenden DNA-Sequenzen an und finden, dass letztere eine höhere Multiskalen-Entropie aufweisen, was mit der aufkommenden Sichtweise übereinstimmt, dass sogenannte "Junk-DNA"-Sequenzen wichtige biologische Informationen enthalten.