急性中心血容量减少下年轻男性脑循环与心肺反应的时间进程分析：揭示直立应激中的快速生理代偿机制

本文通过下体负压（LBNP）模型，系统研究了健康年轻男性在急性中心血容量（CBV）减少初期（2分钟内）的心血管、呼吸与脑血管动态响应。研究发现，平均动脉压（MBP）与潮气量（VT）在0–30秒内呈显著负相关（r = ?0.78），且呼吸变化较脑血管响应提前10–20秒，揭示了直立应激下呼吸-循环-脑血流调控的快速时序协同机制，为理解体位性低血压的代偿路径提供了新视角。

　　

1 引言

中心血容量（CBV）的减少在重力应激、航天飞行和直立性低血压等条件下对循环和呼吸系统构成严峻挑战。下体负压（LBNP）被广泛用于模拟此类状态。尽管许多研究探讨了LBNP的稳态生理效应，但其最初几分钟内的即时动态响应仍不甚清楚。该初始阶段至关重要，因为代偿机制被迅速激活以维持心血管和脑稳态。

CBV减少会引发跨多系统的复杂联动反应。直立应激时CBV降低的直接血流动力学后果是静脉回流和心输出量减少，从而触发压力感受器介导的心血管调节，包括心率增快和外周血管收缩。这些血流动力学改变也会影响呼吸控制。动物研究表明，颈动脉压力感受器的激活可直接影响呼吸模式，且CBV减少影响肺内通气-灌注匹配，可能改变气体交换效率。

多项研究一致发现，尽管分钟通气量（V?_E）变化很小或没有变化，但CBV减少会导致终末潮气CO₂分压（P_ETCO₂）下降。这种P_ETCO₂的降低似乎源于肺灌注模式的改变和呼吸化学反射敏感性的调整，而非V?_E本身的变化。由于CO₂是有效的脑血管扩张剂，P_ETCO₂的降低对脑血流调节具有重要意义，它通过快速调节脑灌注以维持动脉pH稳态。

2 材料与方法

2.1 伦理批准

本研究遵循《赫尔辛基宣言》最新修订版设定的标准，并获大阪产业大学人类受试者委员会批准（批准号：2023-02）。11名不吸烟的男大学生参与了研究，均无已知心血管或肺部疾病，无头部外伤史，且未服用任何处方药。女性被排除在本研究之外，因先前研究表明女性在CBV减少时 orthostatic耐受性较低，且心率（HR）、压力反射反应、脑血流调节和激素反应性与男性不同。我们承认这是一个显著局限性，未来研究将优先纳入女性受试者。

2.2 受试者

11名健康年轻男性参与研究，平均年龄21.0±1.0岁，身高171.8±8.2 cm，体重64.6±10.0 kg。实验前，受试者被要求24小时内避免剧烈运动，保持日常饮食但避免高盐食物，并在进食轻食至少2小时后到达实验室。

2.3 样本量计算

使用G*Power 3.1.9.7软件进行先验效能分析。基于以往LBNP研究，我们预期主要心血管变量存在大效应量（Cohen’s d ≥ 1.0）。对于重复测量ANOVA，设定α=0.05，效能=80%，预期效应量d=1.0，计算出所需样本量为n=9。为应对可能的脱落并确保统计分析稳健，我们招募了n=11名参与者。事后效能分析证实所有主要结局的效能均充足（>85%）。

2.4 实验方案与程序

受试者仰卧于LBNP箱中，实验重复三次，每次间隔15分钟，包括3分钟休息和2分钟LBNP条件。该方案旨在确认受试者内的可重复性，并提高测量准确性。实验期间，受试者被要求避免进行Valsalva动作。LBNP装置中的圆筒包围受试者下半身，通过降低圆筒内压力对下半身施加负压。与伴随体位改变的直立定位不同，LBNP条件下脚底不接触地面，以消除下肢肌肉机械感受器刺激和前庭系统的输入刺激。该实验设置允许单独评估中心循环血容量减少的影响，并观察与直立姿势相似的反应。

在LBNP条件下，参与者从剑突向下被封闭在LBNP箱中，施加-45 mmHg的LBNP。该负荷水平可诱发相当于直立或中度失血状态的循环改变，适用于评估 distinct 自主神经反应，如心率和血压调节。此外，-45 mmHg已被广泛用于评估仰卧和太空暴露后的循环功能。为确保持续性和与其他研究的可重复性，选择了此方法。

整个实验过程中，使用阻抗体积描记法评估胸腔内体积的变化，包括LBNP期间。压力施加遵循标准化渐进减少方案，目标为30秒内达到-45 mmHg，随后维持目标压力。压力施加动力学分析显示逐步接近目标：30秒时达到目标压力的68.0%±9.6%，60秒时90.7%±7.1%，90秒时94.2%±5.1%，120秒时97.1%±4.7%。个体间压力施加的变异性随时间减少[变异系数（CV）：0–30秒期间14.2%±10.1%，90–120秒期间降至5.0%±4.0%]，表明参与者间趋于稳定。使用组内相关系数（ICC 0.84–0.87）评估每位参与者三次试验的LBNP施加可靠性。

2.5 实验测量

2.5.1 呼吸变量

所有测试在23°C至24°C的恒定室温下进行，以最小化外部刺激。使用自动呼吸逐次气体分析系统（ARCO2000-MET；Arcosystem，千叶，日本）记录呼吸和代谢数据。该系统由差压传感器、采样管、过滤器、抽吸泵和质谱仪组成。我们将呼出气流、CO₂和O₂浓度以200 Hz数字化。通过将流量信号与气体浓度匹配，并考虑气体浓度测量中的时间滞后（350 ms），将流量信号转换为单次呼吸数据。从这些测量中，我们得出潮气量（V_T）、呼吸频率（RR）、分钟通气量（V?_E）和终末潮气CO₂分压（P_ETCO₂）。每次测试前使用已知浓度的标准气体校准氧气和CO₂测量。

2.5.2 血流动力学变量

使用II导联心电图监测HR，并通过由心电图R波触发的心率计（AT601G；日本光电，东京，日本）进行测量。所有信号在每次测试期间以200 Hz采样率使用个人计算机在线连续记录。佩戴在参与者左臂上的自动间接血压计（EBP-330，Minato Medical Science Co.，大阪，日本）每30秒连续记录一次血压（BP）。平均血压使用公式计算：（收缩压?舒张压）/3 + 舒张压。选择使用高精度麦克风检测 Korotkoff 音的听诊法，以确保测量准确性并最小化直立应激期间连续监测可能发生的校准误差。使用经颅多普勒超声（WAKI，Atys Medical，法国）连续监测大脑中动脉平均血流速度（MCA V_mean）。将2 MHz多普勒探头置于左颞窗上方，并使用可调节头带和粘性超声凝胶固定。使用监测仪（COCS-31，Biotecs Co.，京都，日本）在10 μA和20 kHz下测量胸阻抗。胸腔导纳（1/胸腔电阻抗）作为CBV的指标。

2.6 数据分析

所有生理数据最初以200 Hz收集。逐次呼吸测量和逐次心跳心血管记录使用连续采样点之间的线性插值转换为1秒间隔。对于每位参与者，将三次试验的插值数据与LBNP开始时间对齐并平均，以创建每个变量的单个时间序列。然后将所有11名参与者的这些个体时间序列用于统计分析。LBNP期间的心肺反应在连续的30秒时段内进行分析。基线值通过平均前3分钟休息条件的数据计算。相关分析的Delta值计算为每个时间段的（LBNP值?基线值）。对于互相关分析，在LBNP开始后2分钟内每1秒收集一次数据，并使用10秒滑动窗口和时间滞后范围-60至+60秒进行分析。所有数据处理和分析均使用定制开发的软件离线进行。

2.7 统计分析

2.7.1 主要分析（先验）

主要分析侧重于LBNP暴露期间心血管和呼吸变量随时间的变化，并根据样本量计算预先计划。我们使用单因素重复测量方差分析（ANOVA）来分析LBNP条件下响应变量随时间的变化。当检测到显著主效应时，使用Tukey真实显著差异（HSD）检验进行事后比较，以识别基线与LBNP期间每个时间点之间的特定差异。为控制主要结局的多重比较，使用Benjamini–Hochberg程序控制错误发现率（FDR），α=0.05。总共40次比较（10个参数×4个时间点）纳入FDR校正。

2.7.2 可靠性评估

使用组内相关系数（ICC）和变异系数（CV）评估三次试验中生理测量的可靠性。使用双向混合效应模型计算ICC，用于单次测量的绝对一致性。CV计算为SD除以均值并以百分比表示，用于每个变量在三次试验中。这些可靠性度量是针对LBNP暴露期间的每个30秒时段计算的。

2.7.3 探索性分析（事后）

进行探索性相关分析以检查生理变量之间的潜在关系，这些分析未包含在原始效能计算中。使用Pearson积矩相关系数（r）分析研究血压变化与呼吸变量之间以及呼吸参数与脑血流之间的相关性。对于平均BP-呼吸变量相关性，进行了12次比较（3个变量×4个时间段），并应用了Benjamini–Hochberg FDR校正。使用时间滞后范围从-60到+60秒进行呼吸参数与MCA流速之间的互相关分析，显著性使用95%置信区间（CI；±0.17）确定。

2.7.4 统计软件与报告

相关和互相关分析中使用的Delta值计算为（LBNP值?基线值）。数据以均值±SD呈现。统计学显著性设定在α水平0.05（5%）。经FDR校正后基线与各时间点之间的显著差异在图和表中标明。对于相关分析，使用Fisher z变换计算95% CI，效应大小根据Cohen惯例解释：小（|r| = 0.1–0.3）、中（|r| = 0.3–0.5）、大（|r| ≥ 0.5）。所有统计分析均使用SPSS v.27.0（IBM Corp.）进行。

3 结果

表1显示了LBNP期间生理测量的可靠性，使用ICC和CV在三次试验中评估。所有参数在LBNP暴露的四个时间段（0–30、30–60、60–90和90–120秒）均表现出良好的可靠性。在呼吸参数中，P_ETCO₂表现出良好的可靠性（ICC = 0.87–0.91）且变异性相对较低（CV = 3.9%–6.8%）。V?_E保持良好的可靠性（ICC = 0.85–0.88），尽管变异性较高（CV = 13.7%–21.7%）。V_T和RR也显示出良好的可靠性（V_T：ICC = 0.84–0.87，CV = 14.7%–23.6%；RR：ICC = 0.86–0.89，CV = 10.4%–16.4%）。对于心脑血管参数，HR表现出最高的可靠性（ICC = 0.90–0.92，CV = 4.5%–6.7%），其次是平均动脉压（ICC = 0.88–0.90，CV = 3.8%–5.5%）。收缩压和舒张压在整个过程中均保持良好的可靠性（ICC = 0.88–0.90）。MCA V_mean测量显示出一致的可靠性（ICC = 0.87–0.89），尽管后期CV值增加（7.3%–11.2%）。

图3显示了一名代表性受试者在LBNP试验期间生理变量的时间变化，图4显示了这些生理变量相对于基线的百分比变化（表2提供了详细的统计比较）。以胸腔导纳表示的CBV显示出快速且显著的下降。经多重比较的FDR校正后，胸腔导纳在最初30秒内急剧下降，在30-60秒阶段达到比基线低约13.9%。随后这种下降在LBNP剩余时间内趋于稳定。在最后的90-120秒阶段，胸腔导纳从其基线值减少了13.4%±3.6%，从28.1±9.4 × 10^?3降至24.5±8.7 × 10^?3 s。这种持续的减少表明在整个LBNP加载期间CBV显著降低（p < 0.001，FDR校正后）。

在代表性受试者中，血压反应各异，平均BP在最初30秒时间段暂时下降，收缩压略有下降，而舒张压逐渐上升。心血管变量在组数据中表现出复杂的时间反应。平均BP显示初始显著下降（0–30秒：92.2±7.3 vs. 98.5±7.6 mmHg，p < 0.01，FDR校正后），随后迅速恢复至基线水平并在最后阶段略有升高（总变化：+0.9±6.2%）。收缩压在大多数阶段呈现不显著的下降趋势，仅在最后时间点显著降低（?3.7%±5.5%，p = 0.028，FDR校正后）。舒张压在初始阶段显著下降（0–30秒：77.5±6.4 vs. 85.2±7.0 mmHg，p < 0.01，FDR校正后），随后在后期逐渐升高至基线以上（最终变化：+4.4%±7.3%，p < 0.001，FDR校正后）。

在代表性受试者中，HR显示快速初始增加，随后在整个LBNP期间逐步升高。HR在所有阶段经FDR校正后均呈现进行性显著增加，从基线时的60.7±9.5次/分钟升至90–120秒时的70.4±10.9次/分钟，增加了16.4%±10.6%（p < 0.001，FDR校正后）。在代表性受试者中，MCA V_mean显示轻微下降，表明脑灌注减少。MCA V_mean在FDR校正后的任何时间点均未显示显著变化（?5.0%±8.4%，p = 0.372）。

在个体受试者中，呼吸气流呈现抑制趋势，RR在开始后立即出现显著下降。经FDR校正后，V?_E显示总体时间变化（p = 0.041），但个别时间点在FDR校正后未达到显著性。V_T在整个LBNP暴露期间保持稳定，FDR校正后无显著变化。RR在FDR校正后的初始阶段显著下降，最终低于基线5.7%±8.1%（仅早期阶段p < 0.001，FDR校正后）。代表性受试者显示P_ETCO₂水平波动，LBNP开始后较基线明显下降。P_ETCO₂在所有时间点经FDR校正后持续显著下降，从基线时的38.2±2.0 mmHg降至90–120秒时的35.9±2.1 mmHg，减少了5.9%±3.8%（p < 0.001，FDR校正后）。

4 讨论

本研究详细分析了LBNP开始后最初2分钟内呼吸、心血管和脑血管反应的时间动态。关键发现揭示了新的代偿机制：1）在最初30秒内，平均血压与潮气量之间存在强负相关（r = ?0.78，p = 0.004）；2）时间模式表明，呼吸变化先于脑血管反应10–20秒，如互相关分析所揭示。我们的发现为了解这些生理系统在急性CBV减少反应中复杂的相互作用提供了见解，特别强调了呼吸动力学和生理代偿 distinct 时间模式的识别。

4.1 心肺-脑血管整合的时间机制

我们的发现揭示了对LBNP诱导的CBV减少的生理反应的时间级联。初始血流动力学变化以平均BP降低为特征（0–30秒：p = 0.005，FDR校正后），可能触发了动脉压力感受器卸载。先前的动物研究表明，颈动脉窦压力感受器刺激可以通过与延髓呼吸神经元的连接直接调节呼吸控制。这种压力感受器-呼吸耦合可能有助于在LBNP暴露初始阶段观察到的快速呼吸调整。

随后，出现了肺循环和CO₂动力学的复杂变化。CBV的持续减少（整个LBNP期间13.4%）可能改变了肺通气-灌注关系，导致肺部CO_{2洗脱增强。我们先前的工作表明，CBV减少会转移呼吸 plant 元素，表明肺CO2去除效率发生变化。在初始阶段平均BP与VT之间的显著负相关（r = ?0.78，p = 0.004，FDR校正后）表明，心输出量减少和肺灌注改变可能增强了每单位通气量CO2消除的效率，导致观察到PETCO2减少，尽管V?E稳定。}

脑血管反应在较长时间过程中发展。P_ETCO₂减少（下降5.9%，p < 0.001，FDR校正后）可能通过CO₂介导的机制导致脑血管收缩。尽管MCA V_mean仅显示不显著的下降趋势（?5.0%，p = 0.372），但互相关分析显示呼吸变化先于脑血管调整10–20秒。这种时间模式表明，P_ETCO₂介导的脑血管收缩可能部分抵消了因心输出量减少而本会发生的脑灌注不足，代表了在中心血容量减少期间维持脑灌注压的一种适应机制。

4.2 CBV变化与血流动力学反应

在健康个体中，由LBNP加载观察到的CBV下降约为13.4%。该结果与我们研究的急性时间进程一致，尽管低于先前研究的结果（非运动员显示下降范围18.3%至24.5%）。尽管LBNP加载条件相同（-45 mmHg），但研究间CBV变化率的差异可归因于LBNP加载时间的差异（本研究2分钟 vs. 先前研究10分钟）。

MCA V_mean在FDR校正后观察到不显著下降，MCA V_mean下降了2.8 cm/s（?5.0%），从56.4降至53.6 cm/s。这些结果落在Lucas等人在其直立耐受试验中报告的脑血流下降率范围内。平均BP在0–30秒阶段暂时从98.5±7.6下降至92.2±7.3 mmHg（?6.3%），与先前研究报告一致，即平均BP在最大LBNP的40%开始显著下降，并且即使?20 mmHg的轻度LBNP加载也能暂时降低平均BP并激活动脉压力感受器反射。

4.3 呼吸动力学及其意义

我们的研究揭示了呼吸调节对LBNP加载的全面动态响应。经过 rigorous 多重比较的FDR校正后，呼吸变量显示出 distinct 的时间模式，早期阶段（0–30秒）立即下降，特别是在RR（FDR校正后显著），随后V?_E出现不显著变化，并且P_ETCO₂在整个暴露期间持续减少（?5.9%）（所有时间点经FDR校正后显著）。呼吸变量的这些 statistically robust 变化凸显了呼吸系统在补偿急性血流动力学挑战中的关键作用，这一方面在先前主要关注心血管适应的研究中 largely 被忽视。

值得注意的是，我们发现在LBNP初始阶段 exclusively 平均BP与V_T之间存在显著负相关（r = ?0.78，p = 0.004，FDR校正后），该相关性在后续时期消失。这些初始30秒内的阶段特异性相关性表明了对急性直立应激的协调心血管-呼吸反应。呼吸反应的这种时间特异性，特别是在急性阶段血压变化与V_T之间的关联，表明在直立应激期间存在快速呼吸代偿机制。

4.4 整合机制与控制器-受控环节相互作用

基于我们先前的呼吸平衡分析，目前的发现表明在急性CBV减少期间控制器和受控环节元素之间存在复杂的相互作用。LBNP期间呼吸操作点的左移似乎源于：1）压力感受器介导的呼吸控制器直接修改；2）改变的肺通气-灌注关系增强了CO₂消除效率（受控环节元素修改）；以及3）脑血流减少减弱了中枢化学感受器CO₂洗脱，这 paradoxically 可能增强化学敏感性以维持呼吸驱动，尽管P_ETCO₂降低。这种整合的心肺反应模式可能代表了一种进化适应，以在低血容量应激期间维持脑灌注。

通过增强肺CO₂洗脱实现的P_ETCO₂快速降低提供了脑血管收缩，当系统血压下降时有助于保持脑灌注压。然而，这种机制在狭窄的生理限度内运作，因为过度低碳酸血症可能损害脑自动调节并损害认知功能。

4.5 代偿机制与生理作用

在观察到LBNP暴露期间CBV下降13.4%后，我们的分析揭示了一系列代偿机制的顺序激活。在LBNP暴露期间，我们观察到多个呼吸变量显著下降：V?_E在最后阶段（90–120秒）下降了0.8 L/min（?9.3%），从9.7降至8.9 L/min；P_ETCO₂显示持续减少2.3 mmHg（5.9%），从38.2±2.0降至35.9±2.1 mmHg；并且RR在早期阶段（0–30秒）初始下降11.7%。这些快速且显著的变化凸显了呼吸系统在补偿急性血流动力学挑战中的关键作用，这一方面在先前的研究中 largely 被忽视。

这些呼吸变化的时间模式表明了对直立应激的双相反应。初始阶段以呼吸变量立即下降为特征，随后部分恢复，特别是在RR。这种模式可能反映了立即的反射反应，随后涉及压力反射和化学反射通路的更复杂、整合的代偿机制的参与。

我们的发现证明了LBNP诱导的中心血容量减少期间的多种整合代偿机制。我们观察到血压与呼吸反应之间关系的一种独特时间模式。我们观察到在LBNP初始阶段平均BP与V_T之间存在显著负相关（r = ?0.78，p = 0.004）。尽管相关性不意味着因果关系，但初始阶段的这种时间关联，以及个体反应变异性，可能反映了血压调节与呼吸控制之间存在生理相互作用。这种关系是初始阶段（0–30秒）特有的，并在后续时期消失，表明一些个体可能在直立应激的急性阶段表现出协调的心血管和呼吸反应。

这些呼吸反应似乎服务于两个主要生理作用。首先，呼吸模式的调节，特别是通过V_T的变化，可能通过呼吸泵机制增强静脉回流。其次，观察到的P_ETCO₂下降表明，CO₂介导的血管收缩作为独立于压力依赖性脑自动调节的平行调节机制，在LBNP初始阶段起作用。

这种P_ETCO₂的中度下降（从38.2±2.0降至35.9±2.1 mmHg）似乎具有生理意义，原因有二：1）它在 normocapnic（P_ETCO₂ = 37.1 mmHg）和轻度低碳酸血症条件之间的脑血流调节最佳范围内运作；2）这种变化幅度足以诱导脑血管收缩，同时避免过度低碳酸血症（P_ETCO₂ = 22.2 mmHg）对自动调节的潜在 adverse 影响。

我们对代偿机制中这种时间转换的识别，从初始心血管反应到随后的呼吸介导调节，扩展了先前关于脑灌注不足和呼吸控制的发现。这些发现得到我们先前研究脑灌注不足对直立应激期间呼吸化学反射影响的工作的支持。LBNP期间P_ETCO₂–V?_E关系的左移，在没有化学反射敏感性变化的情况下，表明在直立应激期间对于任何给定P_ETCO₂水平，通气反应增强。这一观察特别相关，因为我们目前的研究显示LBNP暴露期间MCA V_mean不显著下降5.0%±8.4%，表明脑灌注指数与呼吸控制之间存在联系。

它也得到以下观察的支持：V_T增加使用所谓的“呼吸泵”，导致胸内压更大幅度的下降（即更大的真空），增加下腔静脉血流，改善静脉回流，并与对LBNP的抵抗增加相关。尽管在人类中LBNP加载急性呼吸反应的精确机制仍然 largely 不清楚，但动物研究提供了重要的见解。具体来说，对狗的研究表明，颈动脉窦压力的变化影响RR和V?_E，表明类似机制可能在人类直立应激期间运作。这种机制为我们观察到的呼吸反应提供了生理基础，突出了直立挑战期间脑血管和呼吸调节之间复杂的相互作用。

4.6 时间级联与互相关证据

分析揭示了一个时间级联：LBNP诱导的血流动力学变化→呼吸调整→脑血管反应（10–20秒延迟），如呼吸和脑血管变量之间的互相关分析所证明。这一序列支持了以下假设：压力感受器介导的呼吸修改作为连接心血管和脑血管反应的中间机制。尽管观察到的相关性鉴于其探索性性质应谨慎解释，但它们为快速生理耦合提供了初步证据，值得在更大的、假设驱动的研究中进一步调查。