睡眠不足对人体力竭运动后自主神经的影响

杜维平，宋 婧，郝建华，池爱平

(1.陕西师范大学 体育学院，陕西 西安 710119;2.包头市体育运动学校，内蒙古 包头 014010)

充足的睡眠可以有效恢复人体的体能，而低质量的睡眠不仅不能使人体体能得到恢复，还会造成心交感神经和迷走神经的失衡，从而造成运动能力的下降[1]。研究发现，一次睡眠不足后，对人体最大无氧功率无较大影响，但会造成平均无氧功率和最小无氧功率显著性下降，疲劳指标出现梯度上升；此外，与睡眠正常者相比，一次性睡眠不足者运动时达到最大摄影量峰值的时间也会显著性提前，睡眠不足会造成人体无氧能力和抗疲劳能力下降，并且对有氧能力的消极影响也较为明显[2-3]。

运动后的心脏自主神经活性可以用心率变异性(Heart Rate Variability，HRV)和单位时间心率恢复的速度(Heart Rate Recovery HRR)来评价，心率变异性包含了大量自主神经对心脏系统的调节信息，在运动前后检测HRV可以有效评估心交感神经和迷走神经的平衡性，是监控心脏自主神经和运动训练适应性的有效手段[4]。

尽管已有文献对睡眠和训练学参数对心脏自主神经影响进行了研究，但二者的交互性对心脏自主神经的影响及其变化规律的研究目前鲜有报道。因此，为了探索一次性睡眠不足对人体力竭运动后心脏自主神经活性的影响，以体育专业大学生为实验对象，建立不同程度的睡眠不足模型，检测其通过布鲁斯(Bruce)方案的跑台力竭运动后的HRV指标和HRR指标，探索睡眠不足后进行力竭运动对人体心脏自主神经活性的影响，为进一步阐明睡眠与运动性疲劳之间的关系提供理论依据。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

选取某高校体育教育专业30名男生(18～20岁)为研究对象，所有研究对象为普通高考体育类考生(考试训练项目均为100 m、800 m、铅球、立定跳远)；根据某高校体育专业学生身体素质达标测试成绩进行筛选，确定研究对象具有良好的运动能力。

纳入研究对象的筛选条件：100 m成绩达到12.3 s、800 m成绩达到2 min 16 s和立定跳远达到2.66 m。

对研究对象的身高、体重、体成分(体成分测试仪，型号Inbody3.0)等指标进行测试，确保实验对象身体基本条件相对均一，离散度较为集中。

1.2 研究方法

1.2.1 睡眠模式的建立

参考2015年美国睡眠基金会18～25岁青年人夜晚睡眠时间推荐量，建立了不同程度睡眠不足模型[5]：轻度睡眠不足组(T1)(4 h<睡眠时间<6 h)和重度睡眠不足组(T2)(睡眠时间≤4 h)两种模型。造模前告知研究对象本次实验的过程与目的，并签订知情同意书，且在造模期间，研究对象不能有抽烟、喝酒、剧烈运动和情绪波动等情况。

睡眠模型的时间控制：三组研究对象入睡时间分别为：对照组夜间十点；T1组次日凌晨一点；T2组次日凌晨四点；所有研究对象均在次日早晨七点准时被唤醒；同时，研究对象在夜晚佩戴人体机能检测仪(GTX-9美国)，用来确认实际睡眠时间。对睡眠时间数据整理与分析，筛选出符合轻度睡眠不足和重度睡眠不足要求的研究对象各10人；此外，选择另外10名睡眠时间在7 h～9 h的测试者作为对照组。

1.2.2 运动模型的建立

采用运动跑台(h/p/cosmos cos10253 德国)的布鲁斯方案(Bruce Protocol)作为一次性力竭运动的干预方式。调节跑台模式为Bruce运动方案，为防范受试者发生体力不支等意外情况，在受试者上跑台前将系好紧急安全带并佩戴Polar表监测和记录动态心率；启动跑台后，系统自动每三分钟升一级，每级末根据主观感觉运动负荷评估表(Rating of Perceived Exertion RPE)询问受试者每级别跑台的感受并记录。

力竭运动终止的标准为受试者出现以下任意三种情况[6-8]：①行为表现：受试者表现出呼吸困难并伴随大汗的情况；②血压变化：受试者收缩压大于150 mmHg，舒张压大于75 mmHg；③心率：受试者心率接近或达到本人最大心率(220-年龄)；④RPE等级：受试者RPE值达到18～19级时，经鼓励后仍无法继续运动。

1.2.3 HRV及HRR指标采集方法

三种睡眠时间后让实验对象进行力竭运动，采集每次运动前安静状态下5 min、运动后即刻及运动后30 min HRV指标以及运动后心率恢复指标。

HRV指标采集：使用身体机能检测仪GTX-9检测实验对象实验期间HRV的时域指标：R-R间期标准差(SDNN)和相邻R-R间期差的均方根(RMSSD)；频域指标：低频输出功率的均值(LF)和高频输出功率的均值(HF)。

HRR指标采集：检测实验对象实验期间恢复心率，计算运动后60 s心率下降的绝对值(HRR60)；运动后120 s心率下降的绝对值(HRR120)；运动后60 s心率下降与运动最大心率比值(%HRR60)；运动后心率恢复的相对系数(CHRR)；%HRR60和CHRR计算公式如下：

%HRR60=HRR60/HRpeak×100%；

CHRR=HRR60/HRpeak-HRrest×100%。

1.2.4 统计分析

将HRV与HRR数据从Kubios软件中导出，再运用Microsoft Excel、SPSS 24.0、GraphPad Prism统计分析作图；数据是否服从正态分布采用Kolmogorov-Smirnov检验，方差齐性采用Levene检验；符合正态分布与方差齐性的数据采用单因素重复方差分析(one-way rmANOVA)；不符合正态分布与方差齐性的数据采用Friedman检验；数据结果以“均数±标准差”(χ±s)表示，显著性差异水平为P<0.05。

2 研究结果

2.1 睡眠模型评估结果

根据不同程度睡眠不足模型的造模方法，同时采用睡眠检测仪记录实验对象的实际睡眠时间，确保研究对象的睡眠时间符合模型要求，三组睡眠时间结果见图1 所示。

图1 研究对象睡眠结果注：与对照组比较*表示P<0.05，** 表示P<0.01，***表示 P<0.001；#与T1组比较# 表示P<0.05，##表示 P<0.01。

图1结果显示，研究对象在T1、T2两种睡眠不足模型中的实际睡眠时间均符合造模要求，即：T1为4～6h、T2≤4h；且正常对照组的睡眠时间也大于7h。

2.2 运动模型评估结果

为了明确运动力竭的终止标准，本实验确定以行为表现、血压变化、心率峰值和RPE等级4项条目作为运动力竭的评价标准。结果见表1所示。

表1结果显示，在运动力竭的终止标准评价的4个指标中，研究对象运动行为表现均为：呼吸急促/大汗；收缩压大于150 mmHg且舒张压大于75 mmHg；心率接近本人最大心率(200～202次/min)；RPE等级达到18～20级。上述4个指标中超过3个符合本实验的力竭运动标准。

表1 运动模型评估结果(N=30)

2.3 不同睡眠模式组力竭运动后HRR结果

表2结果显示的是三种睡眠模式下进行力竭运动后心率恢复的变化特点。

表2 不同睡眠模式组力竭运动后HRR变化

表2结果显示，与对照组相比，运动后T2组120 s心率下降的绝对值显著性下降(P<0.05)；三组相比较，运动后60 s心率下降的绝对值、运动后60 s心率下降与运动最大心率比值以及运动后心率恢复的相对系数随着睡眠剥夺时间的增加呈现出下降趋势，但与对照组相比无显著性差异。

2.4 不同睡眠模式组力竭运动前后HRV时域指标结果

不同睡眠模式组力竭运动前后HRV时域指标结果见图2所示。

图2 不同睡眠模式组力竭运动前后时域指标变化注：(a：RMSSD比较，b：SDNN比较)；与运动前同组相比较，*表示P<0.05；**表示P<0.01；#表示与对照组相比P<0.05。

图2中短时HRV时域指标显示，运动前安静状态下睡眠时间越少对应越低时域指标，且与对照组相比：T2组运动前时域RMSSD和SDNN均有显著性下降(P<0.05)。与运动前相比：运动后即刻三组RMSSD均极显著性下降(P<0.01)，T1组和T2组SDNN显著性下降(P<0.05)，对照组SDNN运动后即刻下降但无显著性。运动后30 min，三组的RMSSD对比运动前仍极显著性下降(P<0.01)，T1组SDNN与运动前相比也显著性下降(P<0.05)。

2.5 不同睡眠模式组力竭运动前后HRV频域指标结果

不同睡眠模式组力竭运动前后HRV频域指标结果如图3、图4所示。

图3 不同睡眠模式组力竭运动前后频域指标变化注：(a：运动前LF、HF比较，b：运动后即刻LF、HF比较，c：运动后30 min LF、HF比较；#表示与对照组比较 P<0.05，##表示P<0.01；*表示与运动前同组相比较P<0.05，**表示P<0.01。

由图3可以看出，HRV频域指标变化较大；运动前安静状态下随睡眠时间剥夺的增加呈现越低的频域指标LF和HF，且与对照组相比，运动前安静状态下T1组LF、HF有显著性下降(P<0.05)，T2组LF、HF极显著性下降(P<0.01)；与运动前相比：运动后即刻和运动后30 min三组的HRV频域指标LF和HF均极显著性下降(P<0.01)；运动后30 min与对照组相比：T2组HF极显著性下降(P<0.01)。

图4显示的是不同睡眠模式组力竭运动后LF和HF两者比值的变化。三组LF/HF比值在一次力竭运动后呈现梯度上升；与运动前相比，运动后即刻三组LF/HF均显著性上升(P<0.05)；运动后30 min恢复过程中，与对照组相比，T1组和T2组恢复较慢，且T2组与对照组相比有显著性差异(P<0.05)；说明睡眠是影响力竭运动后心自主神经恢复的重要因素。

图4 不同睡眠模式组力竭运动后LF/HF比值结果注：*表示与运动前同组相比较P<0.05；#表示与对照组同项比较P<0.05。

3 分析与讨论

3.1 睡眠不足对人体安静状态下HRV的影响

身体在受到睡眠不足影响后会激活自主神经系统来调节循环功能，而循环功能的调节主要通过交感神经和迷走神经(副交感神经)的相互作用来实现[9-10]。研究表明，HRV时域指标SDNN的下降代表了心交感神经的活性增强，时域RMSSD和频域HF的降低代表迷走神经活性受到抑制[9]。本实验中，体育专业大学生接受不同程度的睡眠剥夺后发现，睡眠时间越少对应越低的HRV时域指标RMSSD、SDNN和频域指标LF、HF，且与对照组相比，T2组安静状态下HRV时域RMSSD、SDNN和频域HF、LF均有显著性下降，T1组运动前安静状态下HRV频域指标HF、LF也显著性下降。因此本研究认为，对人体睡眠时间的剥夺(少于4～6 h)会导致心交感神经在心脏自主调节的过程中占主导，心迷走神经对HR的调节效应性减少，从而造成运动前安静状态下自主神经在心脏节律的过程中失衡。关于睡眠不足后引起自主神经失衡的生理机制，研究认为，心律失常受自主神经系统、激素和心理等多种因素的影响，短时间的睡眠也可以使交感神经系统过度激活，交感神经过度激活后，使心率加快、心肌收缩力增强，从而导致室性心动过速、心室纤颤、心房颤动等心律失常[10]。此外，睡眠不足还可升高健康人群血液循环中的去甲肾上腺素及肾上腺素水平，而去甲肾上腺素能激活心肌细胞膜上的β1肾上腺素受体，β1受体通过一系列化学反应使细胞内钙离子增加而加快心率，导致心律失常的发生[11]。

3.2 睡眠不足对人体力竭运动后HRV的影响

越来越多的实验证明，运动强度是造成HRV变化的主要因素[12]。研究发现，大强度运动(VO2max80%以上)疲劳后，运动员心率的瞬时波动趋向减少，HRV的时域RMSSD和SDNN指标比安静状态显著下降；此外，5周的高原训练中(有氧间歇、中等强度有氧、无氧阈)，第4周与第1周相比，SDNN、RMSSD指标分别下降了16.42%和21.92%。而从低运动强度到中等运动强度(约50%～60%的最大摄氧量)，RMSSD下降最大，直到第一个乳酸阈值/通气阈值，此后，迷走神经对HR控制的贡献率逐渐减少。在HRV频域指标方面，一般认为人体运动过程中心率大于100次/min时，迷走神经对心脏HR调节的作用增强，HRV频域指标LF、HF上升，但随着运动强度的不断增强，迷走神经对HR的调节作用逐渐减少，此时表现为较低的LF和HF。这些发现解释迷走神经对心率的控制随运动强度上升稳步下降，自主神经出现失衡。本实验让受试者在睡眠不足情况下进行力竭运动，运动后5 min限度内时域指标显示：与运动前相比，运动后即刻三组HRV时域指标RMSSD、频域指标HF与LF均呈现极显著性下降，说明力竭运动强度的加压下，迷走神经对HR的控制达到最低，此强度对心脏自主神经系统造成的影响是明显的。且运动后即刻与对照组相比，T1和T2两组并无显著性差异，提示运动强度是造成心脏自主神经在运动后失衡的主要原因，这与大多数实验相一致。但我们发现：较对照组相比，T1组和T2组时域SDNN也显著性下降，运动后即刻睡眠不足组LH/HF均高于对照组，且睡眠时间越短，运动后SDNN指标越低，对照组无显著性下降，说明睡眠不足会进一步加深运动强度对自主神经的影响。

而在恢复期间，我们发现：运动后30 min三组的HRV时域和频域指标与运动前相比仍呈显著性下降趋势，未能完全恢复到运动前的基线，说明力竭运动对心脏自主神经造成的负荷短时间内不能完全恢复，迷走神经活性仍处于抑制状态。但与对照组相比较，T1和T2两组的时域和频域指标恢复速度较慢，且HF和LF/HF比值与对照组相比有显著性的差异，分析认为这可能是睡眠不足影响迷走神经对HR的抑制作用，造成运动性心血管系统疲劳的恢复速度减慢。

3.3 睡眠不足对人体力竭运动后HRR的影响

心率恢复(HRR)与迷走神经有关，并且是高强度运动后评价迷走神经再激活的重要指标[5]，HRR相关指标如CHRR、%HRR、HRR120和HRR60等的下降与运动强度与运动疲劳也有一定的关系，这就提示我们HRR可以作为机体对运动强度的适应性与非适应性变化，为运动中心脏自主神经的研究提供了更多的视角。本文对力竭运动后HRV反馈的结果分析认为，睡眠不足会进一步加深运动强度对自主神经调节HR的影响，这一点从力竭运动后HRR指标中也得到了证实。本实验中，HRR的相关指标随着睡眠时间剥夺程度的增加而呈现出降低的趋势，并且与对照组相比，运动后T2组120 s心率下降的绝对值(HRR120)存在显著性下降。研究发现，运动后心率的下降主要原因是迷走神经的再激活效应，即迷走神经活性在疲劳后的恢复和交感神经的降低，并且β-肾上腺素并不在这一阶段中起阻滞的作用，交感神经的活性在运动后即刻不再升高。本实验与对照组相比，T1组和T2组HRR相关指标下降，更加证明了睡眠不足情况下的力竭运动对其疲劳程度较对照组更加显著，造成心迷走神经在运动后再激活过程减缓，恢复过程受到的抑制也更加明显。因此，本文认为睡眠不足与运动强度的交互作用在自主神经系统对心血管系统的调节过程中具有重要的影响。

4 结论

(1)睡眠不足造成心脏自主神经节律失衡，表现为运动前安静状态下与对照组相比，T2组HRV时域指标RMSSD、SDNN和HRV频域指标LF、HF显著性下降。(2)力竭运动负荷是造成运动后心血管系统疲劳的主要原因，但睡眠不足进一步加深了对此的影响，主要表现为与运动前相比，运动后三组HRV时域指标RMSSD、SDNN、频域指标HF与LF均显著性降低，且睡眠不足组与对照组相比有显著性差异。(3)在恢复期间，与对照组相比，T1组和T2组HF和LF/HF恢复较慢，HRR指标下降，但T2组与对照组相比有显著性差异，说明睡眠不足还是影响力竭运动后心功能恢复的重要因素。