有氧运动对青少年自主神经功能的急性影响

孙 朋，季 浏，李世昌，陈祥和，王 静，陈培友



有氧运动对青少年自主神经功能的急性影响

孙 朋1,2，季 浏1,2，李世昌1,2，陈祥和2，王 静3，陈培友4

有氧运动；自主神经功能；心率变异性；青少年

引言

自主神经系统(ANS)平衡功能在调节正常的心电生理过程中发挥重要的作用[8]，其与心血管疾病(CVD)的发病率和死亡率关系密切，是预测急、慢性CVD的独立风险因素[49]。研究认为，长期有氧运动能够改善ANS平衡功能[46]。目前，有关急性运动后ANS平衡功能恢复水平的研究较少[20]。研究[18]认为，急性运动后交感神经系统(SNS)和副交感神经系统(PSNS)活性的变化也与CVD的发病率和死亡率高度相关。ANS能够通过SNS和PSNS活性的更变，保持人体的动态平衡。在运动期间，SNS活性增加和PSNS活性的退让是引起心率(HR)升高和血管收缩的必要机制。相反，在运动后恢复期，PSNS活性的增强和SNS活性的退让可以使心率恢复(HRR)和血管舒张[3]。心率变异性(HRV)[6]和动脉压力感受器敏感性(BRS)[45]被认为是反映ANS功能和定量评价SNS和PSNS张力及其平衡的无创、有效指标。HRV通过分析连续正常R-R间期变化的变异性来反映HR变化的程度和规律，它产生于ANS对窦房结的调制[12]。BRS是动脉压力感受器通过感知系统动脉血压(BP)的变化而反射性引起心脏R-R间期(RRI)的变化，从而调节HR。当运动引起系统BP升高时，通过动脉压力感受反射性引起PSNS活性的增强和SNS活性的退让，抑制HR的快速增加并舒张血管，减缓运动引起系统BP的升高[47]。

研究发现，基础状态人体ANS平衡功能水平可能存在性别差异[35]。也有研究[31]发现，最大有氧运动停止后5 min内HRV在性别间存在差异。但是，中等强度急性有氧运动后，ANS功能恢复水平以及恢复时间在青少年中是否也存在性别间的差异尚不清楚。此外，急性有氧运动后引发ANS平衡功能变化的具体机制也不完全清楚。因此，本实验通过分析中等强度急性有氧运动后30 min和60 min男、女青少年HR、HRV、BRS、呼吸频率(BF)的变化，研究有氧运动对ANS平衡功能的急性影响，并试图探讨引起性别间ANS平衡功能恢复水平差异的可能机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究通过招募，筛选60名(男30名，女30名)中等身体活动水平的青少年(20～25岁)受试者自愿参加本次研究。身体活动水平通过脂质研究临床问卷(Lipid Research Clinics Questionnaire)进行评价[2]。所有受试者均为健康状态：无吸烟史、无高血压(收缩压<140 mmHg，舒张压<90 mmHg)，无任何心血管以及代谢性疾病。

1.2 方法

本研究包括2次测试，每次测试均要求受试者在测试前一周内不能服用任何可能影响心血管功能的药物(如泰诺、阿司匹林、布洛芬等)；24 h内不能进行中、高强度的体育运动；12 h内不能饮酒以及食用各种维生素制剂；4 h内，不能饮用含有咖啡因、茶等刺激性的饮料；3小时内不能食用任何食物。由于人体血流动力学指标在上午不稳定。为了排除时间上可能产生的影响，第2次测试全部安排在每天下午14:30～18：00进行，测试过程在室温恒定(20℃)的室内下进行。

第1次测试结束后48 h～2 wk，受试者进行第2次测试。第2次测试主要测量受试者在运动前、运动后30 min[37]和60 min[40]仰卧状态的HR、HRV、BRS、BF等系列指标。

1.2.1 基本指标的测量

受试者身着轻便服装赤脚测量身高和体重(身高精确到0.1 cm，体重精确到0.1 kg)，身体质量指数(BMI)=体重/身高2。受试者仰卧在测试床上，使用彩色多普勒超声波(ProSound SSD-α10; Aloka,Japan)选择7.5MH线阵双功探头在B模式下对受试者右侧颈总动脉分叉处近端后壁1～2 cm处颈动脉内膜-中层厚度(IMT)进行测量，取3次心舒张期颈动脉IMT的平均值作为实验数据。

1.2.2 HRV的测量

受试者仰卧测试床在左、右锁骨下和左腹下部，分别黏贴一个电极片，同时，连接心电图来标记心动周期，两个R波峰定义为一个心动周期。用多导电生理记录仪(MP100,BIOPAC Systems Inc.,CA,USA)进行5 min逐级心跳(beat-to-beat)实时监控[33]，记录数据并保存以备离线分析，分析前首先检查QRS复合波是否紊乱。HRV的线性分析主要包括频域指标和时域指标。在进行频域指标的分析时，运用WinCPRS软件(Turku,Finland)的回归模型，利用傅里叶变换(Fourier transform)把逐级心跳波动转换成频域指标：总频率(TP)、高频(HF,0.15～0.4 Hz)、低频(LF，0.04～0.15 Hz)和低频/高频比率(LF/HF)。时域指标主要包括RRI和相邻正常心跳间期差值平方和的均方根(RMSSD)。LF和HF同时被转换成标准单位：nLF=LF/TP-VLF100；nHF=HF/TP-VLF100。所有数据的采集和分析符合欧洲心脏病学会(ESC)和北美心脏起搏和电生理学会(NASPE)的操作要求[19]。由于TP、HF、LF和RMSSD的呈现负偏态分布，因此，以上指标同时转化成自然对数进行分析。

1.2.3 BRS的测量

受试者仰卧在测试床上，用手指体积描记技术(Finometer,FMS,Amsterdam,the Netherlands)通过监控受试者左手中指体积变化，反映受试者的血流动力学指标的变化，并连续记录5 min的测试数据。同时，将袖带缚在受试者左臂肱动脉处，用以计算并矫正受试者BP。通过受试者自身瞬间的心搏间期(IBI)和收缩压(SBP)的变化，评价自发的心迷走压力反射的敏感性[23]。通过受试者胸部的上、下起伏记录受试者的自主BF。任何3个或超过3个，并且IBI和SBP发生同向变化(up或down)的连续心跳被记录，并用以分析。对每段连续变化回归线的斜率用WinCPRS软件进行分析，取平均斜率作为BRS的指标[50]。BRSup-up和BRSdn-dn将被用作分析自发性的BRS的指标，并且只选取相关系≥0.8的指标进行分析[22]。

1.3 运动方案

在室温恒定(20℃)的室内进行急性跑台有氧运动，5 min低强度的热身后，受试者进行45 min70%心率储备的有氧运动，目标心率=(最大心率-安静心率)70%+安静心率。受试者佩戴心率监控仪(Polar Electro,Woodbury,NY)实时监控HR的变化。当受试者实时HR达到目标心率-5时开始计时。45 min的有氧运动维持在目标心率±5的范围。运动结束后受试者休息15 min，然后仰卧在测试床上，准备进行运动后30 min和60 min相关指标的测试。

1.4 统计分析

2 结果

2.1 受试者基础指标的比较

表1 本研究受试者基础状态指标比较一览表Table 1 Participants Characteristics at Rest

注：*P<0.05，与男性比较。

2.2 有氧运动对HRV的急性影响

分析HRV的频域指标发现，相对于运动前水平，两个性别间在运动后30 min和60 min的LnHF和LnLF/HF存在显著的性别和时间交互影响的差异(P<0.05，表2)。进一步分析LnHF的变化值(ΔLnHF)发现，男性的ΔLnHF在运动后30 min和60 min均与运动前水平存在显著性差异(P<0.05)；女性的ΔLnHF在运动后30 min和60 min的水平与运动前相比不存在显著差异(图1a)。分析LnLF/HF的变化值(ΔLnLF/HF)发现，男性的ΔLnLF/HF在运动后30 min和60 min逐渐降低，但是均与运动前水平存在显著性差异(P<0.05)；女性的ΔLnLF/HF在运动后30 min和60 min的水平与运动前不存在显著的差异(图1b)。研究结果还发现，nHF和nLF存在时间影响上的显著性差异(P<0.05)，但是不存在性别和时间交互影响的差异(表2)。

分析HRV的时域指标发现，相对于运动前水平，两个性别间的青少年在运动后30 min和60 min的LnRRI、HR和LnRMSSD存在显著的性别和时间交互影响的差异(P<0.05，表3)。进一步分析HR的变化值(ΔHR)发现，相对于运动前水平，在运动后30 min和60 min两个性别青少年的HR虽然表现为逐渐恢复的趋势，相比较运动前水平，均存在显著性差异(P<0.05，图2c)。分析LnRMSSD的变化值(ΔLnRMSSD)发现，男性的ΔLnRMSSD在运动后30 min和60 min虽然逐渐减少，但是均与运动前水平存在显著性差异(P<0.05)，女性的ΔLnRMSSD在运动后30 min显著低于运动前水平(P<0.05)，而在运动后60 min已达到运动前水平(图1d)。研究结果显示，ApEn 、SampEn 、pNN50和BF存在时间上的显著性差异(P<0.05)，但是不存在性别和时间交互影响的差异(表3)。

表2 本研究运动前和运动后受试者心率变异性(HRV)频域指标参数变化一览表Table 2 Frequency Domain Measures of Heart Rate Variability at Baseline and Recovery Following Exercise in Male and Female

注：*P<0.05，2×3 ANOVA重复测量方差分析，性别与时间交互影响；ΔP<0.05，时间影响；#P<0.05，性别影响。下同。

表3 本研究运动前和运动后受试者心率变异性(HRV)时域指标参数变化一览表Table 3 Time Domain Measures of Heart Rate Variability at Baseline and Recovery Following Exercise in Male and Female

2.3 有氧运动对BRS的急性影响

相对于运动前水平，两个性别间的青少年在运动后30 min和60 min的BRS(up-up)存在显著的性别和时间交互影响的差异(P<0.05),而BRS(dn-dn)不存在交互影响的显著性差异(图2)。进一步分析BRS(up-up)的变化值(ΔBRS(up-up))发现，男性的ΔBRS(up-up)在运动后30 min低于运动前水平(P<0.05),但是,在运动后60 min与运动前没有显著性差异。女性的ΔBRS(up-up)在运动后30 min和60 min均不存在显著性差异(图1e)。

图2 本研究受试者LnHF、Ln LF/HF、HR、LnRMSSD、BRS(up-up)变化值示意图Figure 2. Change Value From Baseline for LnHF,Ln LF/HF,HR,LnRMSSD,BRS(up-up)注：* P<0.05，与运动基础状态比较。

图3 本研究Ln HF与Ln LF/HF，LnHF与Ln RMSSD，LnHF与BRS up-up，O2peak与HR相关性示意图(置信区间=95%)Figure 3. Association between Ln HF and Ln LF/HF,LnHF and Ln RMSSD,LnHF and BRS up-up,O2peak and HR(CI=95%)

2.4 相关性分析

3 讨论

急性有氧运动应激性引起SNS活性的增强和SPNS活性的降低，使HR增加和血管收缩[15]，增加系统的血流量，为骨骼肌的收缩提供更多的养分。在急性运动后恢复期，ANS的动态平衡的变化主要是通过改变中枢神经活性而引起[48]，表现为PSNS主导的增强和SNS活性的降低，并趋向于运动前的基础水平[47]。

3.1 有氧运动对HRV的急性影响

HRV是反映神经体液因素对窦房结的调节作用，是评价ANS活性和定量评估心脏SNS与迷走神经张力及其平衡性的公认指标[6]。ANS活动的量化可以通过HR变化的程度表现出来，即通过测量连续正常RRI的变异性来反映HR变化程度、规律，从而用以判断其对心血管活动的影响。Guiraud等[16]的研究认为，急性有氧运动能够显著降低HRV的HF部分。Gladwell等[15]的研究发现，急性有氧运动后主要表现为迷走神经的恢复，但是迷走神经的恢复仅仅持续在运动停止后15 min。15 min后，迷走神经的活动基本能够恢复到运动前水平。但是Stuckey等[47]的研究则发现，在运动停止后60 min仍然能检测到受试者的HF低于运动前水平，LF/HF也显著高于运动前水平。这表明，运动引起的SNS活性的升高和PSNS活性的降低，在运动后60 min仍然没有恢复到运动前水平。而Liu等[26]的研究则发现，运动干预后，男性的LF/HF显著降低，女性的LF/HF却没有明显的变化。目前，有关运动后ANS恢复水平的研究尚存在一定的争议。

本研究通过分析HRV的频域和时域指标发现，反映PSNS活性的频域指标LnHF在运动后的恢复水平存在性别差异，在女性中表现为运动停止后30 min已经恢复到运动前水平，而在男性中表现为运动停止60 min后仍低于运动前水平。反应迷走-交感平衡的频域指标LnLF/HF的恢复水平也存在性别间的差异，同样，表现为男性的恢复延迟于女性。频域指标LF成分的具体意义尚存在争议，但是普遍认为，LF成分能够更多地反映交感神经的紧张[43]。研究结果发现，运动后恢复期的LnLF明显低于运动前水平，但是不存在显著的性别间差异。进一步对LnHF和LnLF/HF的分析发现，两者呈中等负相关。因此，运动后不同性别间的LnLF/HF的差异有可能是由LnHF变化的差异引起。时域指标RMSSD反应由PSNS介导的自主神经调控心脏的整体功能[9]，分析 LnRMSSD发现，虽然男性在运动停止后60 min LnRMSSD仍低于运动前水平。但是，不同的是女性在运动停止后30 min没有完全恢复到运动前水平，在运动停止后60 min才恢复到运动前水平。Okuno等[36]的研究认为，运动后RMSSD的变化与HF关系相关。进一步分析发现，LnHF与LnRMSSD呈高度正相关，验证了Okuno的实验结论。在运动后LnHF和LnRMSSD的相似变化更加有力地说明了，急性有氧运动后ANS平衡功能的恢复水平存在性别差异，该差异可能是由于PSNS在男性中恢复延迟于女性引起。Antelmi等[5]的研究同样也发现，在急性运动后交感-迷走的平衡功能存在性别间的差异，但是没有对引起性别差异的可能机制进行进一步分析。

HF主要是反映窦房结传出的迷走神经冲动的活性[32]，与BF关系密切[14]。内皮介导的，特别是来自毛细血管内皮局部的NO释放，能够提高在呼吸周期中的迷走神经传入的影响。迷走神经传出冲动在呼气期间增加，在吸气期间降低，会产生呼吸性窦性心律不齐。因此，与呼吸相关的短程HRV的主要部分可能会受内皮功能紊乱[13]和BF影响的。因此，为了寻证引起运动后HF恢复水平性别间差异是否由BF或内皮功能的差异引起，本研究对受试者的IMT和BF进行测量，发现两个组别的IMT不存在显著性差异。BF在两个组别的3个时间点也不存在显著性的差异，说明运动后性别间HF恢复水平的差异不是由BF和内皮功能的差异引起。研究[16]认为，运动强度会对运动后ANS平衡功能恢复水平产生影响，为了排除运动强度的影响，该研究对男、女性别的受试者采取不同个体的绝对运动强度(70%心率储备)进行应激刺激。因此，运动强度也不是引起因为运动后性别间HF恢复水平差异的因素。Mendonca的研究[31]认为，ANS在性别间的差异，可能由于性别间性激素水平的差异引起。运动后ANS功能恢复水平的差异有可能由于激素依赖的不同，对传入受体的刺激引起。有研究[53]报道，雌性激素能够影响ANS的调节功能，雌二醇能够促进心迷走神经的调节功能。Hilliard等[24]和Mitro等[30]的研究均发现，内源性雌激素(雌二醇)能够通过下调血管紧张素1(AT1)受体水平，起到对迷走神经的保护。Dogru的研究[10]则认为，在男性中睾酮激素与PSNS的活性，雌二醇与SNS的活性相关，在女性中则相反。但是男性中睾酮激素的水平仅与HRV的时域指标有微弱的联系，与频率主导的HRV没有任何关系。因此，LnRMSSD与LnHF和LnLF/HF之间的细微差异可能是由于睾酮激素水平的差异引起。综上所述，运动后HRV恢复水平的性别差异很有可能由性激素水平的差异引起，但是其具体机制尚不清楚，有待进一步研究。

3.2 有氧运动对HR的急性影响

此外，性激素[11]、儿茶酚胺(NE和EPI)[29]等因素也有可能是运动后调节HRR的因素。Dos等[11]的研究发现，在最大有氧运动停止后，服用类固醇受试者的HRR明显减慢。Guyton等[17]的研究认为，儿茶酚胺，虽然不一定能够反映交感神经的活性，但是与急性运动后HRR水平关系密切。Perini等[38]的研究发现，急性有氧运动后随着HR的逐渐恢复，体内儿茶酚胺水平会持续升高。遗憾的是，本研究没有对上述指标进行检测，急性运动后引起HRR性别间差异的具体机制还需要进一步探究。

3.3 有氧运动对BRS的急性影响

BRS通过控制传入心脏和循环系统的自主神经冲动，进而对神经循环控制进行调节，是反映压力感受器在BP变化刺激后反射性改变RRI的效率[47]，是评价心迷走神经调节功能的重要指标。其主要功能是减缓系统BP的大范围波动，维持人体安静状态的体内生理平衡和调节应激状态的反应。有氧运动可引起人体BP升高，通过压力感受器的感知，负向调节HR，减缓BP的急剧升高，对保护机体循环系统有着积极的意义。

有氧运动可引起BRS的降低，在运动停止后会逐渐恢复到运动前水平。Heffernan等[23]的研究发现，运动停止20 min后BRS仍显著低于运动前水平。Stuckey等[47]的研究认为，BRS的恢复可持续到运动停止后2 h。本研究数据显示，两个性别在3个时间点的BRS(dn-dn)不存在时间和性别交互作用的显著性差异，而BRS(up-up)在两个性别和3个时间点存在时间和性别交互影响的显著性差异。进一步分析ΔBRS(up-up)发现，在运动后30 min女性的BRS(up-up) 已经恢复到运动前水平。男性的ΔBRS(up-up)在运动后30 min仍显著低于运动前水平，运动后60 min已恢复到运动前水平。本研究结果认为，急性有氧运动停止后30 min，女性的BRS能够恢复到运动前水平，而在运动停止60 min 男性的BRS才逐渐恢复到运动前水平。因此，与BRS相关的急性有氧运动后ANS平衡功能的恢复，男性显著延迟于女性，主要是受BRS(up-up)的影响。研究[21]认为，BRS可能和HRV中的HF关系密切，两者从不同的层面反映PSNS的紧张水平。研究数据发现，BRS(up-up)和LnHF呈中度正相关，其变化的一致性和相关性再次验证了急性有氧运动后PSNS活性水平的恢复存在显著的性别间的差异。

Reimann等[42]的研究认为，男、女性别在BRS恢复水平上的差异，可能是由于压力感受器在条件适应过程的回路中对血管感知的BP刺激的敏感的差异引起。此外，性激素水平的差异也有可能是引起性别间BRS恢复水平差异的重要因素。Saleh等[44]的研究发现，对小鼠注射外源性雌激素，小鼠的BRS显著提高。Wilczak等[52]的研究也认为，性激素水平的变化能够显著影响人体BRS的变化水平。因此，本研究中，BRS在运动后恢复水平在性别间的差异可能是由于性激素水平的差异引起。

4 结论

研究发现，中等强度的急性有氧运动后，青少年ANS平衡功能的恢复水平存在性别间的差异表现为男性的恢复延迟于女性。引起ANS平衡功能恢复水平性别间差异的主要原因是由于男性PSNS活性的恢复延迟于女性，该差异可能是由性激素水平的差异引起。研究还发现，运动后HRR的水平与ANS平衡功能恢复水平不同步，有氧运动能力的差异可能影响了运动后HR的恢复。

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Acute Effects of Aerobic Exercise on Autonomic Nervous Function in Adolescents

SUN Peng1,2,JI Liu1,2,LI Shi-chang1,2,CHEN Xiang-he2,WANG Jing3,CHEN Pei-you4

aerobicexercise;autonomicnervousfunction;heartratevariability;adolescent

1000-677X(2015)03-0030-09

2014-08-21；

2015-02-18

青少年POWER工程协同创新中心资助项目 (44801400)；青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室建设项目(40500-541235-14203/004)；中国博士后科学基金资助(2014M551356)。

孙朋(1981-)，男,山东高密人，工程师，主要研究方向为运动适应与机能评定，E-mail:psun@tyxx.ecnu.edu.cn；季浏(1961-)，男，江苏泰兴人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为体育运动心理学,E-mail:lji@tyxx.ecnu.edu.cn；李世昌(1956-)，男，上海人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动适应与机能评定，E-mail:scli@tyxx.ecnu.edu.cn。

1.华东师范大学 青少年健康评价与运动干预教育部重点实验室，上海 200241；2.华东师范大学 体育与健康学院，上海 200241；3.上海体育科学研究所，上海 200030；4.南京师范大学 体育科学学院，南京 210046 1.East China Normal University,Shanghai 200241,China; 2.East China Normal University,Shanghai 200241; 3.Shanghai Research Institute of Sports Science,Shanghai 200030,China; 4.Nanjing Normal University,Nanjing 210046,China.

G804.2

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