离心运动伴不同程度的血流限制对外周疲劳及心脏自主神经功能的效应研究

2021-04-06田宜鑫马晓缓谭朝文俞莹莹

中国体育科技 2021年2期

潘颖，赵彦，田宜鑫，马晓缓，谭朝文，俞莹莹

血流限制伴抗阻运动（blood flow restriction training，BFRT）是一种新型、有效的增肌手段。该训练法通过放置于肢体近端的止血带、气动加压带、弹力带等装置限制血液流向骨骼肌，造成肌内O2输送和代谢物清除受阻，诱发代谢应激反应，进一步触发某些与肌肉增长相关的机制，如系统性激素分泌、快肌纤维募集和细胞肿胀等（Pearson et al.，2015；Schoenfeld，2013）。尽管代谢应激是促进肌肥大的主要机制，但由此引起的细胞内外环境紊乱与最大力量的减小密切相关（Husmann et al.，2018）。Karabulut等（2010）发现，与单纯的小强度抗阻运动相比，袖带压力为220 mmHg的BFRT能明显增强运动后的疲劳等级，如更少的骨骼肌激活（-13%）、更小的收缩力矩（-44%）、更长的恢复时间（大于48 h）。Loenneke等（2013）研究显示，袖带压力为180 mmHg的BFRT未造成明显且持续的力量下降（小于24 h）。骨骼肌的疲劳程度还与收缩类型有关（Jones et al.，1989）。研究显示，离心运动在增加肌力和肌肥大的效果上优于向心运动，但容易造成骨骼肌疲劳（Sieljacks et al.，2016；Sudo et al.，2015）。

当前BFRT较少关注心血管的安全性，这种运动所致的代谢应激反应是否对心脏自主神经功能（heart rate variability，HRV）产生上述影响？Madarame等（2013）认为，BFRT对不同心血管疾病的患者是安全且有效的。血流限制无运动或伴握力运动均会使运动后交感神经活动增强，迷走神经活动减少（Iida et al.，2007；Kluess et al.，2005）。研究间差异的产生可能与血流限制强度有关，即当肌内压、O2和CO2分压以及H＋等代谢产物的浓度达到某一阈值时，代谢反射（metaboreflex）和压力反射（mechanoreflex）才可被激活，对心脏自主神经调节产生一系列影响，如心率加快，交感神经紧张性增强，副交感神经活性受到抑制等（Boushel，2010；Spranger et al.，2015；Vissing et al.，1991）。血流限制强度与袖带压力高度相关（Scott et al.，2015）。

综上所述，探索何种程度的血流限制伴抗阻运动对外周疲劳及心脏自主神经功能的影响至关重要，它是该训练法在不同人群中推广应用的关键因素。如果BFRT造成酸性物质大量堆积，疲劳明显出现，对于乳酸不耐等人群是不推荐的。如果BFRT运动后HRV快速恢复，会降低运动后发生心血管事件的风险，并为运动训练提供有利的生理条件。本文将反映心脏自主神经功能指标与反映外周疲劳指标进行相关性分析，综合评价不同血流限制强度的安全性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

在南京体育学院招募40名无运动基础的女大学生，所有受试身体健康，无心血管、肌肉骨骼以及代谢系统等疾病。将受试随机分为4组：1组进行单纯的小强度（30%1RM）抗阻运动，即对照组（CON组）；2组进行小强度（30%1RM）抗阻伴40%的血流限制运动（BFR40组）；3组进行小强度（30%1RM）抗阻伴60%血流限制运动（BFR60组）；4组进行小强度（30%1RM）抗阻伴80%血流限制运动（BFR80组）。实验前受试被告知实验中可能存在的风险并签署知情同意书，然后进行基本指标检测（表1）。

表1 受试者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects n=40

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

抗阻运动及最大离心力量检测均采用KINEO智能训练仪（Globus，德国）。实验前，将气动加压带（Smart Cuff，美国）置于双侧大腿根部，CON组仅将袖带置于大腿根部，运动全程不加压；BFR40、BFR60以及BFR80组分别在运动前5 s向袖带内充气，压力达到预设值即开始运动，运动结束后将袖带放气并移除。本研究采取离心训练，因此将训练仪的向心重量设为0 kg，离心重量设为最大离心力量的30%。所有受试均完成4组伸膝抗阻运动，第1组重复30次，后3组重复15次，组间休息30 s。该运动量（30＋15＋15＋15）已被证实可造成运动性肌肉损伤（EIMD），使骨骼肌的力量和维度产生适应性变化（Lauver et al.，2017；Thiebaud et al.，2013；Yasuda et al.，2012）。为保证运动频率一致，采用节拍器限制时间，向心收缩2 s，离心收缩2 s。

1.2.2 指标检测

1.2.2.1 安静动脉闭塞压检测

使用Philips HD11XE彩色多普勒超声显像诊断仪（Philips，荷兰）进行下肢动脉闭塞压检测。将气动加压带置于受试者大腿根部（腹股沟皱襞区），然后将3.8 MHz探头置于内踝后缘与跟腱的中点。先将袖带充气至50 mmHg（30 s），随后放气（10 s）。适应血流限制后，逐渐加压直到动脉搏动消失以及超声探头检测不到动脉血流，此压力即最小动脉闭塞压（arterial occlusion pressure，AOP）（Fatela et al.，2016；Mouser et al.，2018）。在小强度负荷的基础上，40% AOP是促使骨骼肌产生适应性变化的最小压力（Counts et al.，2016；Jessee et al.，2018），60% AOP似乎是增加肌肉体积、肌肉力量的有效压力（Hunt et al.，2013，2016；Suga et al.，2010），80% AOP可以与大强度抗阻（70%～80%1RM）产生相似的训练效果（Laurentino et al.，2012；Scott et al.，2015）。小强度负荷伴40%～80% AOP的血流限制范围是推荐且有效的抗阻运动手段（魏佳等，2019；Patterson et al.，2019）。因此，本实验BFR40组、BFR60组以及BFR80组的血流限制强度分别按照个体AOP的40%、60%以及80%设置（表1）。

1.2.2.2 最大离心力量检测

使用KINEO智能训练仪的最大离心力量测试模式进行检测。该仪器通过运动速度自动调整负荷大小，即受试在离心测试时的角速度越慢，仪器给予的负荷越大。该测试有6个等级的初始力量设置，将等级1（level 1）的初始离心负荷设为20 kg，等级6（level 6）的初始离心负荷设为70 kg，向心负荷设为0 kg，每个力量等级重复一次，受试需至少完成3个等级的检测。为了提高检测的准确性，取测试结果最大值和次最大值的平均值作为最大离心力量（表1）。

1.2.2.3 外周疲劳检测

1）骨骼肌收缩性能检测。使用TMG无创肌肉状态检测系统（TMG-BMC，斯洛文尼亚）评价运动前和运动后优势侧股外侧肌的收缩性能。将传感器以0.17 N/m垂直放置于股外侧肌肌腹最隆起处，电极片平行放置于距传感器约5 cm处并连接电刺激仪。电刺激仪产生的脉冲为1 ms-1，初始电流刺激为30 mA；每次脉冲，电流刺激增加15 mA，直到骨骼肌径向位移达到最大值（Krizaj et al.，2008）。为了避免疲劳或增强效应，每两次电刺激之间休息15 s（Renzi et al.，2010）。本研究分别在运动前安静状态，运动后即刻、15 min、30 min、1 h以及24 h进行TMG检测（Franz et al.，2018；Macgregor et al.，2018a；Murray et al.，2016）。检测指标包括最大径向位移（maximal displacement，Dm）、收缩时间（contraction time，Tc）和收缩速度（contraction velocity，Vc）。其中，Dm是骨骼肌接受电刺激收缩产生的最大径向位移，反映骨骼肌的僵硬度和收缩力量；Tc是骨骼肌从最大径向位移的10%收缩到90%所需的时间，反映肌纤维募集的速度，与肌纤维类型有关；Vc是骨骼肌的收缩速度，用最大径向位移除以产生最大径向位移的总时间计算得出。总时间包括收缩时间和延迟时间，该指标是评估骨骼肌疲劳的理想指标（Macgregor et al.，2018b）。

2）最大自主等长力量检测。使用等长肌力测力仪（Dr.Wolff，德国）对下肢伸肌进行最大自主等长力量（maximal voluntary isometric contraction，MVIC）测试。受试坐于测力仪上，调整仪器，使髋、膝关节均处于90°。MVIC共进行3组测试，每组持续5 s，要求受试以最大努力对抗阻力踏板，并给予强烈的口头鼓励，组间休息90 s，取3组测试的平均值纳入统计。每次MVIC测试均在骨骼肌收缩性能检测后进行。

1.2.2.4 心脏自主神经功能检测

使用团队心率监控设备（Firstbeat，芬兰）记录运动前至运动后24 h内的心率，使用Firstbeat SPORT系统对数据进行分析，时间窗为5 min。用于HRV分析的时间包括运动前安静状态，运动后0～5 min、15～20 min、30～35 min、1 h 以及 24 h（Credeur et al.，2019；Okuno et al.，2014；Sardeli et al.，2017；Tai et al.，2019）。指标分为时域指标和频域指标：时域指标包括心率（heart rate，HR）/bpm和相邻R-R间期差值的均方根（RMSSD）/ms；频域指标包括低频功率（low frequency，LF）/ms2（频谱范围0.04～0.15 Hz）、高频功率（high frequency，HF）/ms2（频谱范围0.15～0.4 Hz）、标准化低频功率LF/nu、标准化高频功率HF/nu以及LF/HF比值。其中，RMSSD和HF反映心脏的副交感神经调控；LF反映交感神经和迷走神经的共同张力。由于LF以绝对单位（ms2）不能单独反映交感神经调控，所以用绝对单位（ms2）和标准化单位（nu）共同表示功率指标（Kingsley et al.，2014）。标准化单位是将每个功率成分（HF或LF）除以减去极低频功率（0～0.03 Hz）的总功率，再乘以100得到；标准化LF/nu和HF/nu可分别反映交感神经和副交感神经的调控。LF/HF比值反映交感—副交感调控的平衡性。

1.2.3 统计学方法

采用SPSS 25.0进行统计分析。使用Shapiro-Wilks test进行正态性检验，LF/ms2、HF/ms2不符合正态分布，经对数转换后符合正态分布。统计学方法选用双因素重复测量方差分析（ANOVA），若存在交互作用，需分别检验时间与分组的单独效应，事后检验采用Bonferroni post hoc。使用Perason进行相关性分析。除特殊说明，数据以M±SD形式表示，将P＜0.05作为显著性差异。

2 研究结果

实验前各指标无统计学差异（P＞0.05），数据见表2。

表2 各组实验前基线数据Table 2 Baseline Values of Each Condition n=40

2.1 对骨骼肌收缩性能的影响

对于Tc和Dm，时间与分组无交互作用（P＞0.05）。分组对Tc的主效应不显著（P＞0.05），仅时间存在主效应（P＜0.01）。如图1A，运动后1 h的Tc比运动前高10.89%（P＜0.01）。时间（P＜0.01）与分组（P＜0.01）均对Dm存在主效应。如图1C，运动后即刻、15 min以及30 min的Dm 分别比运动前低 35.34%（P＜0.01）、26.78%（P＜0.01）、21.86%（P＜0.01），可在运动后 1 h内恢复（P＞0.05）。如图 1D，BFR80组的 Dm 分别比 CON、BFR40和BFR60组低 37.34%（P＜0.01）、31.24%（P＜0.01）、24.67%（P＜0.05）。

对于Vc，时间与分组存在交互作用（P＜0.05）。如图1B，组内分析发现CON与BFR40组的Vc运动后未产生显著变化（P＞0.05），BFR60组下降36.10%（P＜0.05），可在运动后30 min内恢复（P＞0.05）；BFR80组下降50.43%（P＜0.01），运动后24 h内恢复（P＞0.05）。组间分析显示，BFR80组的Vc在运动后15 min内比BFR40组低47.20%（P＜0.01），运动后1 h内比CON组低48.85%（P＜0.01）。

图1 各组在不同时间点股外侧肌收缩性能的变化Figure 1. Changes of Vastus Lateralis Contractile Properties in Each Condition at Different Time Points

2.2 对最大自主等长力量的影响

分组与时间存在交互作用（P＜0.01）。如图2，组内分析发现CON组与BFR40组的MVIC未出现明显下降（P＞0.05）；BFR60组下降26.48%（P＜0.01），可在运动后24 h内恢复（P＞0.05）；BFR80组下降32.44%（P＜0.01），且未能在运动后24 h内恢复（P＜0.01）。组间分析显示，BFR80组的MVIC在运动后24 h内比CON组低31.02%（P＜0.01）。

图2 各组在不同时间点最大自主等长力量的变化Figure 2. Changes of MVIC in Each Condition at Different Time Points

2.3 对心脏自主神经功能的影响

2.3.1 时域指标

对于HR，分组与时间无交互作用（P＞0.05），时间（P＜0.01）与分组（P＜0.05）均存在主效应。如图3A，运动后1 h内的HR比运动前安静HR高27.71%（P＜0.01），可在运动后24 h内恢复（P＞0.05）。如图3B，BFR80组HR比CON组高11.27%（P＜0.05）。

图3 各组在不同时间点心脏自主神经功能时域指标的变化Figure 3. Changes of HRV Time Domain in Each Condition at Different Time Points

对于RMSSD，分组与时间存在交互作用（P＜0.01）。如图3C，组内分析发现，所有组（除CON组）的RMSSD均在运动后显著下降（P＜0.01）。其中BFR40组下降26.12%，可在运动后30 min内恢复；BFR60组下降31.34%，可在运动后1 h内恢复；BFR80组下降37.72%，可在运动后24 h内恢复。组间对比显示，运动后1 h内，BFR40组、BFR60组以及BFR80组的RMSSD分别比CON组低18.51%（P＜0.05）、27.91%（P＜0.01）和39.92%（P＜0.01），BFR80组也比 BFR40组低26.28%（P＜0.01）。此外，BFR80组的RMSSD在运动后15 min内比BFR60组低25.38%（P＜0.05）。

2.3.2 频域指标

对于 lnLF/ms2、lnHF/ms2、LF/nu 以及 HF/nu，分组与时间无交互作用（P＞0.05）。在lnLF/ms2中，分组的主效应不显著（P＞0.05），仅时间存在主效应（P＜0.01）。如图4G，运动后即刻、15 min以及30 min的lnLF/ms2分别比运动前低 16.78%（P＜0.01）、11.07%（P＜0.01）和 4.7%（P＜0.05），可在运动后1 h内恢复（P＞0.05）。

图4 各组在不同时间点心脏自主神经功能频域指标的变化Figure 4. Changes of HRV Frequency Domain in Each Condition at Different Time Points

在lnHF/ms2、LF/nu和HF/nu中，时间（P＜0.01）与分组（P＜0.01）均存在主效应。如图4A，运动后即刻、15 min的lnHF/ms2分别比运动前低20.19%（P＜0.01）、6.4%（P＜0.05），可在运动后的30 min内恢复（P＞0.05）。如图4B，BFR40、BFR60以及BFR80组的lnHF/ms2分别比CON组低13.98%（P＜0.05）、12.29%（P＜0.05）、15.41%（P＜0.05）。如图4C，运动后即刻、15 min、30 min及1 h的LF/nu分别比运动前高15.46%（P＜0.01）、17.66%（P＜0.01）、16.26%（P＜0.01）及12.22%（P＜0.05），可在运动后24 h内恢复（P＞0.05）。如图 4D，BFR60和 BFR80组的 LF/nu分别比CON组高13.77%（P＜0.05）、16.43%（P＜0.01）。如图4E，运动后即刻、15 min的HF/nu分别比运动前低20.22%（P＜0.01）、6.37%（P＜0.05），可在运动后30 min内恢复（P＞0.05）。如图 4F，BFR40、BFR60以及 BFR80组的 HF/nu分别比CON组低12.19%（P＜0.05）、13.98%（P＜0.05）和15.41%（P＜0.01）。

对于LF/HF比值，分组与时间存在交互作用（P＜0.05）。如图4H，组内分析发现，CON组和BFR40组的LF/HF比值在运动后未产生显著变化（P＞0.05）；BFR60组上升56.54%（P＜0.05），可在运动后的30 min内恢复；BFR80上升97.47%（P＜0.01），可在运动后24 h内恢复。组间分析显示，BFR60组的LF/HF比值仅在运动后即刻与CON组差异显著（P＜0.05）；BFR80组的LF/HF比值在运动后1 h内始终比CON组、BFR40组高83.65%（P＜0.01）、60.44%（P＜0.05）。

2.4 相关性分析

如图5所示，RMSSD分别与MVIC（r=0.55）、Dm（r=0.65）和 Vc（r=0.62）呈显著正相关（P＜0.05）；LF/nu与MVIC呈低度负相关（r=-0.37），与Dm（r=-0.57）和 Vc（r=-0.59）呈显著负相关（P＜0.05）。MVIC也与Dm（r=0.55）和Vc（r=0.68）呈显著正相关（P＜0.05）。

图5 指标间相关性分析结果Figure 5. Index CorrelationAnalysis Results

3 分析与讨论

本研究发现，在小强度离心运动的基础上，运动后骨骼肌的疲劳等级和心脏自主神经变化与运动中血流的限制程度有关。单纯的小强度抗阻运动未对上述指标产生影响。低强度血流限制（40% AOP）未对外周骨骼肌性能和力量产生影响，但对副交感神经活性产生轻微抑制（30 min内恢复）。中等强度血流限制（60% AOP）未对骨骼肌收缩性能产生显著影响，但使力量出现一定程度的下降（24 h内恢复）；对迷走神经活性进一步抑制（1 h内恢复），增强交感神经支配，在运动后30 min内恢复交感与副交感调控的平衡性。大强度血流限制（80% AOP）在运动后诱发显著的外周疲劳，使HR显著增加、副交感恢复显著延迟、交感神经活性显著增强，从而使运动后24 h内的心脏自主神经功能以交感调节占支配地位。

3.1 对外周疲劳的影响

最大自主等长收缩是评价肌力的重要指标，运动前后MVIC的测量可用于反映骨骼肌的疲劳程度（Chen et al.，2009）。对照组与BFR40组的骨骼肌在运动后未出现明显下降，暗示该两组未明显造成骨骼肌疲劳。尽管高阈值肌纤维（如快肌纤维）的募集是BFRT促进肌肥大的重要机制，但快肌纤维也具有快速疲劳的特点（Schoenfeld，2013）。BFR60组的MVIC运动后轻微下降，可在24 h内恢复；BFR80组的MVIC运动后大幅度下降且明显低于CON组，未能在24 h内恢复。这似乎暗示当血流限制大于60% AOP时，可募集更多的2型肌纤维参与工作。此外，骨骼肌收缩产生的最大力矩在很大程度上取决于骨骼肌的收缩性能（Degens et al.，2010；Ottenheijm et al.，2006），本研究支持该理论。尽管目前还没有研究探索BFRT对骨骼肌收缩性能的影响，但已有研究证实这些指标在单纯抗阻运动中的联系，如肱二头肌在等速离心运动后1～6天内的MVIC变化与Dm下降及骨骼肌收缩时间延长有关（Hunter et al.，2012）。又如，股直肌在5种下肢力量训练后，48 h内△MVIC与△Dm和△Vc呈显著正相关（Simola et al.，2015）。本研究与之相似，即股外侧肌进行血流限制伴离心运动后的24 h内，MVIC与Dm以及Vc呈显著正相关。这种离心运动后MVIC、Dm以及Vc的下降，均暗示工作肌疲劳的出现。研究显示，运动后细胞结构张力增加，肌横桥数量下降，使骨骼肌收缩机制不能完全激活，最终导致肌肉收缩功能受损（Hunter et al.，2012；Murayama et al.，2000；Nosaka et al.，1996）。骨骼肌疲劳后，细胞外pH值降低，使肌纤维传导速度减缓。这与Na＋-K＋泵调节及其引起的细胞内、外Na＋和K＋浓度变化有关。Na＋-K＋泵影响肌膜和T小管去极化，降低Ca2＋的释放，最终影响动作电位的传播，导致兴奋-收缩（excitation contraction，EC）解耦。EC解耦后，骨骼肌接受TMG电刺激时引起较小的最大径向位移，即Dm下降（Hill et al.，2001；Macgregor et al.，2016）。BFR80组的Dm运动后明显低于其他3组，暗示当血流限制达80% AOP时，EC解耦发生率最高。此外，运动后肌纤维肿胀使肌纤维膜导电性能受损，减缓引起骨骼肌收缩电刺激的传导速度，使Tc减慢（Hedayatpour et al.，2009）。本研究中，Tc仅在运动后1 h明显延长，似乎暗示肌细胞肿胀在运动后1 h达到高峰。骨骼肌收缩速度（Vc）是Dm、Tc以及延迟时间（Tr）共同作用的结果，细胞内Ca2＋调节的改变是Vc减退的主要原因，肌浆网Ca2＋释放速率在肌肉疲劳收缩后明显降低，从而影响神经—肌肉接头处的兴奋传递（Allen et al.，2008；García-Manso et al.，2012；Li et al.，2002）。BFR80组的Vc运动后明显低于对照组和BFR40组，暗示80% AOP的血流限制不仅导致EC解耦，也将影响Ca2＋的释放与摄取，且需较长时间（24 h内）才可恢复。

3.2 对心脏自主神经功能的影响

心率是迷走神经和交感神经相互平衡的结果。本研究中，HR与LF/HF比值的变化趋势相似，即当运动后心脏自主神经功能向交感神经调节占优势（LF/HF比值升高）发展时，心率升高。交感神经与副交感神经的恢复程度、恢复时间与运动强度高度相关。大强度抗阻运动会导致运动后心脏自主神经功能向交感神经支配占主导地位转变，这与急性心血管事件的增加有关，如室性心律失常（Mitchell et al.，2012；Vechin et al.，2015）。BFR80组的心率和LF/HF比值明显高于对照组，且需要更长时间恢复（24 h内），暗示80% AOP的血流限制增加了运动强度和心脏负担，因此不建议心血管风险高的患者使用80% AOP进行血流限制训练。血流限制运动中，骨骼肌运动升压反射（exercise pressor reflex，EPR）对心脏自主神经调节起重要作用（Spranger et al.，2015）。EPR主要包括代谢反射和机械压力反射两个部分（Boushel，2010；Mitchell et al.，1983）。BFR会降低局部骨骼肌的血氧饱和度及血流速度（潘颖等，2019）。灌注不足、氧分压下降及静脉回流受阻导致的代谢物堆积，可激活与骨骼肌代谢反射相关的组四传入神经纤维；袖带压力及离心运动可激活与骨骼肌机械压力反射相关的组三传入神经纤维。两通路通过增加交感神经活性，抑制副交感调节，与中央指令（大脑皮层的前馈反射）和动脉压力反射一起介导心血管系统的自主调节（Kaufman et al.，1984a，1984b；Spranger et al.，2015；Sundblad et al.，2018）。本研究支持以上论证，即额外增加血流限制会明显抑制运动后副交感神经活性（RMSSD、HF/ms2和HF/nu下降），其中40%与60% AOP的效果相似，80% AOP会造成更大程度的下降。对于交感神经（LF/nu），40% AOP的影响效果与传统小强度抗阻运动相似。仅当血流限制强度大于60% AOP时，才会明显增强，暗示副交感神经在血流限制运动中的敏感性大于交感神经。不仅如此，缺氧与代谢物刺激组三与组四传入神经介导的反射通路，抑制α运动神经元反射性，表现为脊髓和脊髓上活动对运动单位的支配能力下降（Duchateau et al.，2002；Gandevia，2001；García-Manso et al.，2012），造成骨骼肌功能下降。这可以部分解释本研究中副交感神经功能（RMSSD）与MVIC、Dm以及VC呈正相关，交感神经功能（LF/nu）与MVIC、Dm以及VC呈显著负相关。

本研究依然存在局限性。MVIC作为评价骨骼肌疲劳的金指标被纳入（Place et al.，2007），但由于MVIC检测需要主观用力，它是否对TMG以及HRV产生影响仍需商榷。已有研究在探索急性抗阻运动对骨骼肌疲劳的影响时，将电刺激安排在MVIC检测后的1.5 s或2 s（Husmann et al.，2018；Río-Rodríguez et al.，2016；Wernbom et al.，2012），暗示MVIC检测对肌肉收缩性能的影响可在2 s内恢复。此外，分析HRV时，已去除MVIC测试期间的HR以降低实验误差，但MVIC是否对测试期间以外的HR产生影响，有待进一步研究。