少年和成年业余长跑运动员急性耐力运动后心脏自主神经恢复观察研究

黄传业，田 野，聂金雷

少年和成年业余长跑运动员急性耐力运动后心脏自主神经恢复观察研究

黄传业1，田 野2，聂金雷3

目的：观察少年和成年男子业余跑运动员一次急性耐力运动后心率变异（HRV）变化特征，并探讨运动后HRV变化生理学意义。方法：少年（14.4±1.3岁）与成年（25.7± 2.8岁）受试者各10名，进行1次90min、强度为95%个体无氧阈强度跑台运动。在运动前、运动后15min以及运动后6h测定HRV。结果：运动后15min，TPLn、HFnu和HRV各时域指标明显低于运动前水平，LFnu和LF／HF显著升高；少年受试者HFnu降幅、LFnu和LF／HF升幅明显低于成年受试者（P＜0.05）。运动后6h，HRV各指标均已恢复，其中，TPLn、SDNN、HFnu和RMSSD有反弹的迹象。运动后HFnu相对运动前的降幅与受试者年龄呈负相关关系（r＝－0.645，P＜0.01，n＝20）；另外，HFnu、TPLn相对运动前降低程度与运动前水平高度负相关（P＜0.05，n＝20）。结论：一次急性耐力运动后HRV出现短暂抑制现象，少年受试者运动后HRV降低幅度相对成年较低，可能与发育成熟度不同有关，急性运动后HRV变化可能是运动适应的生理表现。

少年；成年；长跑；心率变异；耐力运动；副交感神经；抑制

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）作为评价心脏自主神经系统功能的非创伤性方法，能敏感地反映急性运动或运动训练引起心脏交感神经和副交感神经调节功能的改变［24］。评估运动后自主神经功能，能够深入了解心血管系统神经对生理应激的调控，具有重要的生理和临床意义［17，24］。近些年，因HRV在预测运动能力变化、心脏事件风险性等方面具有独特的预测价值，越来越多的研究采用HRV观察运动员运动前、后自主神经功能改变情况。目前，急性耐力运动或短时间高强度运动后成人HRV文献资料已有不少［8，13，14，24］，而仅有零星几项关于少年急性运动后HRV变化的研究报道［2，10，25］。随着青少年参加耐力运动逐渐流行，以及运动心脏事件时有发生［20］，有必要了解少年耐力运动后HRV变化情况，为运动医学领域积累相关资料。

研究发现，少年剧烈运动后心率（HR）恢复速率明显快于成人［25］，而且，运动强度越高，少年和成年运动后HR恢复速率的差异变得更为显著［1］。有研究指出，运动后即刻HR迅速降低，与副交感神经“再激活（reactivation）”密切相关；随后，交感和副交感神经共同作用进一步促进HR完全恢复［14］。少年与成人急性运动后HR恢复速度不同，似乎提示了少年和成年自主神经对心血管系统的调节可能有所不同。由于早期研究运动强度、时间、受试者有氧运动水平以及观察时间点的不同，无法比较少年和成人急性运动后恢复期自主神经功能（HRV）变化趋势。上述猜测尚需要直接的实验证据验证。鉴于此，本研究观察并比较了少年和成年业余长跑运动员一次急性耐力运动后HRV指标随时间变化情况，探讨运动后HRV变化的生理学意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从北京市体育运动学校和马拉松俱乐部选取少年和成年男子中长跑业余运动员各10名。所有受试者无任何心血管疾病史或临床症状，未服用任何药物。无饮酒、抽烟等不良嗜好，自我主观感觉良好。研究对象的基本特征如表1所示，少年组（Y）和成年组（A）受试者的运动训练背景（运动年限、周训练量和最大摄氧量）近似，无统计学差异（P＞0.05）。获知本研究实验内容和过程后，所有受试者自愿参加本研究并签署知情同意书。

1.2 实验设计

每名受试者要求完成2个实验日测试。首先，进行身体形态机能检查，并依据田野等文献报道的运动模式及判定标准［21，22］，让所有受试者于专业运动跑台（德国h／p／cosmos，LE500CE）进行一次递增负荷运动直至力竭，确定最大耗氧量（O2max）、最大心率（HRmax）和个体通气无氧阈（IVT），同时判定95%IVT强度对应下运动跑速。相隔4天后，受试者以95%IVT强度对应下的速度完成1次持续90min跑台运动。使用心率表（Polar RS800cx，Kempele，Finland）记录少年和成年人受试者90min跑运动中心率（HRex）。运动强度以最大摄氧量百分比形式（% HRmax）表示：运动强度（%）＝100%×HRex／HRmax。受试者运动中可以自由饮水。分别于90min跑运动前（Pre-Ex）、运动后15min（Rec-1）和运动后6h（Rec-2）采集R-R间期信号，测算HRV。

受试者运动实验前2天不进行任何剧烈运动，测试前饮食清淡，不饮用含酒精或咖啡的饮料，保持充足睡眠。为了尽量降低生物节律的影响，所有受试者90min运动测试基本上在一天的同一时间进行（±0.5h）。每次测试均在温度（20℃）和湿度（50%）相对恒定的实验室中进行。

1.3 心率变异信号采集与分析

根据欧洲心脏医学会和北美节律与电生理医学会推荐标准［13］，受试者于安静室内取仰卧位休息，要求充分放松身体，均匀平稳呼吸。采用心率遥测表Polar RS800cx，分别在Pre-Ex、Rec-1和Rec-2三个时间点持续记录10 min正常R-R间期信号。通过Polar ProTrainer 5.0软件，剔除异常搏动、干扰和伪差后，选取后5min信号样本进行HRV时域和频域分析。时域指标包括：R-R（平均R-R间期）、SDNN（连续正常R-R间期标准差）、RMSSD（相邻正常R-R间期差值均方根），以及pNN50（相邻正常R-R间期差值＞50ms心跳次数占总心跳次数的百分比）。频域指标包括：TP（总功率：0～0.4Hz）、LF（低频功率：0.04～0.15Hz）、HF（高频功率：0.15～0.4Hz）、LF／HF（低频功率与高频功率比值）。为了减少总功率（TP）的干扰，将低频功率（LF）和高频功率（HF）标准化（normalized），标准化公式：LFnu（或HFnu）＝100×LF（或HF）／（TPVLF）［8］。

1.4 数据统计分析

采用SPSS for windows 17.0统计软件进行数据处理。单样本K-S检验各指标数据分布情况，除TP外，各指标均符合正态分布。将TP自然对数（Ln）转换后（TPLn）进行分析。为了进一步分析急性运动前后HRV各指标的变化情况，将运动恢复期时间点（Rec-1，Rec-2）上HRV各指标表示成相对运动前水平的变化量（Delta＝运动后值－运动前值）形式。采用双因素重复测量方差分析两组运动后HRV的变化，当主效应出现显著性差异时，组间各时间点比较采用Bonferroni进行分析。两组受试者基本情况比较采用独立样本t检验。Pearson检验进行相关分析。数据表示为平均值±标准差±SD）形式，显著性水平设为P＜0.05。

2 结果

2.1 运动前安静时HRV各指标分析结果

少年组（Y）和成年组（A）受试者运动前HRV时域和频域各指标如表2和3所示。虽然少年组受试者HRV有高于成年组的趋势，但是无统计学意义（P＞0.05）。

表2 本研究急性运动前HRV时域指标一览表（±SD）Table 2 Heart Rate Variability Time Domain Indexes before an Acute Bout of Endurance Exercise

表2 本研究急性运动前HRV时域指标一览表（±SD）Table 2 Heart Rate Variability Time Domain Indexes before an Acute Bout of Endurance Exercise

R-R（ms）SDNN（ms）RMSSD（ms）pNN50（%）Y 894.2±137.1 74.1±35.8 56.3±34.2 14.3±11.3 A 965.1±142.9 61.2±39.2 39.0±20.9 8.8±8.5

表3 本研究急性运动前HRV频域指标一览表（±SD）Table 3 Heart Rate Variability Frequency Domain Indexes before an Acute Bout of Endurance Exercise

表3 本研究急性运动前HRV频域指标一览表（±SD）Table 3 Heart Rate Variability Frequency Domain Indexes before an Acute Bout of Endurance Exercise

TP Ln（ms2）HF nu LF nu LF／HF Y 8.5±1.0 37.5±16.3 62.5±16.3 2.2±1.2 A 7.9±1.2 47.3±17.4 52.7±17.4 1.4±0.9

2.2 急性耐力运动后HRV恢复时程变化

所有受试者顺利完成90min跑运动测试，少年和成年受试运动中平均HRex和相应的%HRmax（相对运动强度）近似，并无显著性差异（HRex：167±7beats／min vs 159 ±11beats／min；%HRmax：85%±3%vs 84%±5%，P＞0.05）。

图1和图2分别表示了急性运动后6h恢复期内HRV时域和频域指标变化情况。Rec-1时间点上，除LFnu和LF／HF升高，其他HRV指标均有所降低（P＜0.05），然而运动后6h（Rec-2）HRV各指标已经恢复至运动前水平（Pre-Ex），其中，TPLn、SDNN、HFnu、RMSSD和pNN50有反弹（rebound），高于运动前水平的趋势（P＞0.05）。在运动后Rec-1时间点上，仅发现HFnu、LFnu和LF／HF组间存在显著性差异（P＜0.05）；运动后Rec-2时间点上，HRV各指标在2组间无统计学意义（P＞0.05）。

图1 本研究急性耐力运动后恢复期平均R-R间期（A）、SDNN（B）、RMSSD（C）和pNN50（D）变化情况示意图Figure 1 Time Course of Recovery of Average R-R Intervals（A），SDNN（B），RMSSD（C）and pNN50（D）after an Acute Bout of Endurance Exercise

图2 本研究急性耐力运动后恢复期TPLn（A）、HFnu（B）、LFnu（C）和LF／HF（D）变化情况示意图Figure 2 Time Course of Recovery of TPLn（A）、HFnu（B）、LFnu（C）and LF／HF（D）after an Acute Bout of Endurance Exercise

2.3 相关性分析

急性耐力运动后Rec-1时间点上，HFnu相对运动前水平变化量（Delta）与受试者年龄高度负相关（r＝－0.645，P＜0.01，n＝20，图3）。另外，TPLn和HFnu相对运动前水平的变化量（Delta）与其运动前水平呈负相关关系（图4）。

图3 本研究Rec-1时间点上HFnu相对运动前水平变化量（Delta）与受试者年龄相关分析示意图（r＝－0.645，P＜0.01，n＝20）Figure 3 Relationship between the Change in HFnu（Delta）from Baseline at Rec-1and Subjects’Age（r＝－0.645，P＜0.01，n＝20）

图4 本研究Rec-1时间点上HFnu（A）、TPLn（B）相对运动前水平变化量（Delta）与运动前水平（Pre-Ex）相关分析示意图（n＝20）Figure 4 Relationship between the Changes（Delta）in HFnu（A）and TPLn（B）from Baseline at Rec-1Time Point and Baseline Level（n＝20）

3 讨论

自主神经系统调节机制在学龄儿童（School-age children）时期已发育成熟和完善，并达到较佳水平［10，12］。在对260名10～99岁健康受试者安静时HRV的研究中，发现自主神经调节功能随年龄增长呈下降趋势［23］。

本研究少年和成年两组受试者年龄差距较大（11岁），虽然安静状态下两组间HRV时域和频域指标没有统计学差异，但是，成年受试者HRV有低于少年的趋势（表2和表3）。而在急性耐力运动后15min（Rec-1），反映HRV总体大小的SDNN和TPLn，与副交感神经张力相关的HFnu、RMSSD、pNN50等显著降低，随后这些指标逐渐恢复，与早前运动后HRV的研究报道相似［10，13，14］。结果提示，急性耐力运动后HRV，尤其是副交感神经表现为暂时性抑制现象，与副交感神经“后撤（withdrawal）”有关。更为重要的是，本研究少年受试者急性运动后15min时，副交感神经受抑制程度（HFnu下降幅度）明显低于成年受试者（图2）；相应地在该时间点上，少年受试者LFnu（代表交感神经活性）升高幅度低于成年受试者，体现了交感和副交感神经对心血管的控制互为消长关系。在Rec-1时间点上，LF／HF暂时性增高，表明交感－迷走神经平衡性中交感神经支配占优势；而且成年受试者LF／HF增高幅度相比少年略高。Chkauseli等最近的一项研究发现，自主神经功能的平衡性因青年期生理发育而个体差异较大；与少年相比，安静状态下发育成熟的健康成年更多倾向于交感神经调节机制［7］。本研究少年和成年运动后HFnu，LFnu和LF／HF变化趋势提示，运动应激后成年依赖交感神经调节机制表现得更为显著；而在相同相对运动强度下，少年自主神经对运动反应相对较为钝化，结果进一步拓展了Chkauseli等研究［7］。

本研究急性耐力运动后HFnu下降程度与受试者年龄呈负相关关系，似乎在一定程度上佐证了Goulopoulou等前期研究［10］：发育成熟状况可能是影响运动后HRV变化的重要因素。研究表明，运动对HRV的影响可因运动强度、时间，运动环境以及受试者运动水平等因素不同而存在差异［5］。本研究跑台运动方案是在实验室中进行，对相关实验条件（环境、运动强度和时间等）严格控制；另外，少年和成年受试者的运动水平和训练背景相当，因此，可以排除这些因素造成少年和成年运动后HRV表现不同的可能性。综上，相比成年，少年自主神经对急性运动的反应不敏感，表现为运动后HRV受抑制程度较轻，可能与发育成熟度不同有关。

急性运动后造成交感和副交感神经平衡性改变的确切机制，目前尚不清楚。文献报道，运动中肌肉代谢产物增多，通过刺激肌肉化学敏感传入神经元，改变自主传出神经；运动后一段时间内代谢产物（如乳酸等酸性物质）的持续性升高，可能引起交感传出神经兴奋性增高，削弱副交感神经的“再激活”［3，18］。而在一定强度下，运动引起少年代谢产物乳酸积累量相比成年少，运动导致少年肌肉和血液出现代谢性酸中毒的几率可能相对较低［6］。据此推测，运动应激引起少年自主神经平衡性变化的程度相对成年较轻，与体内运动代谢产物积累量不同有关。本研究结果似乎也支持了这一推测，但仍需大量实验证实。另外，长时间运动引起儿茶酚胺浓度持续性升高，可能是运动后短时间内交感神经兴奋增强，副交感神经活性降低的又一原因［26］。本研究少年和成年运动后HRV频域指标反应不同是否与运动引起儿茶酚胺浓度升高不同有关，仍有待探讨。

在本研究中，运动后升高的LFnu和LF／HF，以及受抑制的RMSSD、pNN50、HFnu、TPLn等HRV指标在运动后6h已经恢复。研究表明，在自主神经功能恢复过程中，副交感神经“再激活”起到了重要的调节作用［16］。结合早期研究［9，10，14，19］，发现急性运动后受抑制的HRV完全恢复时间并不一致，需要数分钟或数小时。研究报道，运动后HRV恢复时间呈现运动强度和运动时间依赖性［19］。另外在运动后恢复期，随着肌肉运动代谢产物的清除和循环中儿茶酚胺物质浓度降低，HF（反映副交感神经活性）呈“指数”形式逐渐回升并恢复［9］。因此，不同研究中急性运动后HRV恢复时程的差异，可能与不同强度、时间运动造成运动代谢物产生和儿茶酚胺浓度升高的不同，及其清除速度快慢有关。有研究表明，急性运动后，机体通过增强交感神经活性，延迟副交感神经功能恢复，以促进运动代谢造成的内稳态失调的恢复［4］，这可能是一种代偿性机制。本研究和Mourotl等研究［15］结果共同表明，中等强度耐力运动后，受抑制的HRV完全恢复需要1h以上的时间，该恢复时间明显比急性短时间高强度后的HRV恢复时间［10，16，19］有所延迟，可能与长时间运动后机体清除代谢产物，恢复内环境稳态时间久密切相关。如前面所述，运动应激可能引起少年受试者内环境波动相对成年较小［6］，因此，少年急性运动后副交感神经“再激活”可能相对较早，这似乎也为急性运动后少年心率相比成年人恢复快［25］提供了一种解释。事实上，运动后副交感神经“再激活”，使HR迅速下降，可能是避免运动后心脏遭受过度应力的重要保护机制［18］。

研究发现，急性运动后HRV暂时性受到抑制，运动后24～48h随之出现“反弹”，这种现象似乎并不会因运动形式不同而改变［15］。尽管本研究未观察运动恢复后期（＞24 h）HRV变化情况，然而，SDNN、RMSSD、TPLn和HFnu各指标在运动后6h时有高于运动前水平的趋势，即有反弹的迹象。目前，引起这种反弹现象的机制并不清楚。但是，运动后HRV增高反弹，提示急性运动使自主神经调节功能增强。

采用HRV评价心脏自主神经功能的最大意义可能在于其对心脏事件风险具有预判价值。本研究Rec-1时间点上，TPLn、HFnu相对运动前降低幅度与其运动前水平呈高度负相关，提示HRV增高一定程度上对心血管系统起保护作用。临床研究表明，HRV低的心脏病患者在未来的几年中死亡危险性极高［11］。健康人运动后HRV暂时性降低，是否意味着发生运动心脏事件的风险增加？最近，在完全相同的运动模型下，田野等采用心脏超声和高敏心肌肌钙蛋白T（hs-cTnT）技术，发现少年和成年运动员运动后心脏功能出现暂时性下降；运动员急性运动后即刻hs-cTnT水平陡然上升，随后迅速降低的动力学特征与临床心梗患者特征明显不同［21］，该结果为本研究提供了旁证，说明一次中等强度耐力运动（90min，95%通气无氧阈强度）并没有造成心脏持久性损害。急性运动后，HRV暂时性降低可能是心血管系统对运动应激生理性适应的表现。尽管如此，但并不清楚急性运动后HRV降低对心血管系统有何长远的影响？澄清这一问题，还需要长期随访性观察研究。此外，本研究结果再次说明了，HRV时域和频域是反映运动后自主神经系统变化的良好指标。另外，少年与成年运动后HRV变化幅度提示，在区分不同年龄段人群自主神经对急性运动反应的差异时，HRV频域指标更为灵敏，这为HRV在今后运动实践中的应用提供了一定的参考。

4 结论与建议

1.一次急性耐力运动后一段时间内HRV（尤其是副交感神经）表现为抑制现象。运动水平和训练背景近似的少年和成年急性运动后HRV变化趋势相似，但变化幅度有所差异。与成年相比，运动后少年HRV受抑制程度较轻，与发育成熟度（年龄）有关。

2.急性运动造成交感－副交感神经平衡性改变的机制并不明确。运动代谢产物增多和儿茶酚胺浓度升高，内稳态失衡可能是运动后HRV变化的重要原因，但仍有待深入探讨。

3.急性运动后副交感神经恢复时间长短可能受多重因素的影响，其延迟性恢复可能是一种代偿性保护机制。急性耐力运动后HRV的反弹迹象，可能是心血管系统对一次急性运动生理性适应的体现。在相对运动强度和时间相同的情况下，少年和成年急性耐力运动后受抑制的HRV恢复时程变化，未来研究仍需要长时间、连续多个时间观察点予以进一步验证。

4.少年和成年业余运动员心血管系统均能应付一次急性耐力运动的需求。健康人运动后HRV的暂时性降低对心血管系统有何长远的影响，需要大量的长期纵向观察研究。

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Cardiac Autonomic Recovery after an Acute Bout of Endurance Exercise in Adolescent and Adult Amateur Long-distance Runners

HUANG Chuan-ye1，TIAN Ye2，NIE Jin-lei3

Objective：To examine the time course of heart rate variability（HRV）after an acute bout of endurance exercise in adolescent and adult male amateur runners，and elucidate the physiological significance of HRV changes post-exercise.Method：Ten adolescent（aged 14.4 ±1.3years）and 10adult（aged 25.7±2.8years）runners performed a 90min constantload treadmill run at 95%of individual ventilatory threshold.The HRV indexes were assessed at pre-exercise，15min and 6hpost-exercise.Results：At 15min post-exercise，TPLn，HFnu and HRV time domain indexes were lower than those of pre-exercise，while LFnu and LF／HF were significant increased.LFnu and LF／HF were significant lower in children than adults（P＜0.05）.All HRV indexes were recovered to pre-exercise level at 6hpost-exercise.Meanwhile，TPLn，SDNN，HFnu and RMSSD seemed to rebound and exceed the pre-exercise level.A significant relationship was found between changes in HFnu from baseline and age of subjects（r＝-0.645，P＜0.01，n＝20）.Additionally，the magnitudes of HFnu and TPLn suppressions post-exercise were negative associated with their baseline levels（P＜0.05，n＝20），respectively.Conclusion：HRV was transient suppressed after an acute bout of endurance exercise.The magnitude of HRV suppression in adolescent subjects was lower than adults following exercise.The behavior of HRV response to exercise exhibiting differently might be associated with maturity status and it might reflect the physiological adaptation to acute exercise.

heartratevariability；enduranceexercise；parasympatheticnerve；suppression

G804.26

A

1000-677X（2012）09-0011-06

2012-06-25；

2012-08-26

国家科技支撑计划资助项目（2006BAK37B06）。

黄传业（1982-），男，江苏连云港人，讲师，在读博士研究生，主要研究方向为运动能力与身体机能评定，Tel：（010）87182568，E-mail：hchye＠163.com；田野（1959-），男，山东人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动性疲劳及身体机能恢复，Tel（010）87182528，E-mail：tianye＠ciss.cn；聂金雷（1968-），男，河北保定人，副教授，博士，主要研究方向为运动心脏损伤与疲劳，E-mail：jnie＠ipm.edu.mo。

1.上海体育学院运动科学学院，上海200438；2.国家体育总局体育科学研究所，北京100061；3.澳门理工学院体育暨运动高等学校，澳门1.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.China Institute of Sport Science，Beijing 100061，China；3.Macao Polytechnic Institute，Macao，China.