有氧跑步与无氧跑步对男大学生运动员心率变异性及自主神经系统指标的急性影响：一项受试者内比较研究

《Frontiers in Physiology》：Acute effects of aerobic versus anaerobic running on heart rate variability and autonomic nervous system indices in male college athletes: a within-subject comparison

　　

背景：在节律性运动期间，整体心率变异性(HRV)随强度增加而降低，静息测量不能可靠反映活动中的反应。高频带中由呼吸努力增加引起的非神经振荡进一步使HRV的解释复杂化。自主神经系统(ANS)平衡，特别是交感神经(SNS)与副交感神经(PNS)活动之间的平衡，对于最佳运动表现至关重要，这凸显了无创评估的重要性。本研究旨在探讨有氧跑步(AeR)与无氧跑步(AnR)对男大学生运动员HRV和ANS指标的急性影响。 方法：研究人员评估了休息、有氧跑步(AeR)、无氧跑步(AnR)和恢复对25名健康男大学生运动员HRV和ANS指标的影响。每名运动员进行平均30.96分钟的低强度有氧跑步，以及平均2.59分钟的高强度无氧跑步。使用配备H10胸带的Polar手表记录RR间期，并使用Kubios HRV Scientific软件进行分析，采用时域和频域HRV指标，包括低频(LF, 0.045–0.15 Hz)和高频(HF, 0.15–1.0 Hz)成分。 结果：研究发现AeR与AnR在LF、HF、SNS指数和LF/HF比值方面存在显著差异。AeR和AnR后的RMSSD、SD1、SD2、SNS指数和pNN50值也存在差异(P<0.05)。在受试者内比较中，AeR期间RMSSD、SD2、pNN50和PNS指数显著降低，但SD1和SNS显著增加(P<0.05)。AeR后RMSSD和pNN50未显示增加或减少。AeR后SD1和SNS指数降低，而PNS指数增加(P<0.05)。AnR期间RMSSD、SD2、pNN50、LF、LF/HF比值降低，但HF、SD1和SNS指数显著增加(P<0.05)。与静息状态相比，AnR后SD1和SD2未显示任何变化，但LF、LF/HF比值、SD1和SNS指数增加，而RMSSD、pNN50、HF和PNS指数降低。 结论：研究发现，在AeR和AnR期间SNS均占主导地位。AnR期间的SNS激活比AeR期间更为显著。观察到大学生运动员在AnR期间承受了更多的心理生理压力。在跑后10分钟的恢复期内，PNS激活接近跑前水平，而SNS激活往往较高。身体在AnR后需要超过10分钟的时间才能恢复。

论文解读

研究背景与意义

心率变异性(HRV)代表了连续心跳间时间间隔的生理变异，是窦房结受自主神经系统(ANS)、呼吸和心血管影响调节的综合效应。它为了解心脏响应ANS介导的调节输入的能力提供了一个无创窗口。ANS主要由交感神经(SNS)和副交感神经(PNS)组成，两者的动态平衡对维持生理稳态至关重要。较高的HRV通常与高效的自主神经调节和更强的生理弹性相关，而较低的HRV则与自主神经功能障碍、心理压力增加及潜在的过度训练有关。在频域分析中，高频(HF)功率通常被视为迷走神经调节的标志，而低频(LF)功率及LF/HF比值则反映了交感和副交感神经影响的复杂相互作用。然而，动态运动中的HRV信号本质上是非平稳的，这限制了传统频域指标（如LF和HF功率）的可解释性。尽管HRV在运动科学中被广泛用于监测训练负荷、疲劳和恢复状态，但关于不同运动模式（特别是有氧与无氧跑步）对ANS急性影响的系统性比较研究仍存在不足。因此，明确这两种运动模式对HRV和ANS指标的具体影响及其恢复特征，对于优化运动员的训练监控和促进生理适应具有重要的理论与实践意义。

研究方法

本研究发表于《Frontiers in Physiology》，采用受试者内设计，招募了25名健康的男大学生运动员作为研究样本。研究人员通过标准化测试方案，分别记录了受试者在休息、有氧跑步(AeR)、无氧跑步(AnR)及运动后恢复期的心率和RR间期数据。其中，AeR定义为平均约31分钟的低强度跑步，AnR定义为平均约2.6分钟的高强度跑步。数据采集使用Polar V800设备配合H10胸带完成，采样频率为1000 Hz。研究人员将导出的RR间期数据导入Kubios HRV Scientific软件（版本4.1.1）进行处理，提取了包括时域指标（如相邻RR间期差值的均方根RMSSD、相邻RR间期差值大于50 ms的百分比pNN50）、频域指标（LF、HF及其比值LF/HF）以及非线性分析指标（庞加莱图的标准差SD1和SD2）在内的多项HRV参数。此外，还计算了特定的PNS指数和SNS指数以量化自主神经平衡状态。统计分析采用SPSS 23.0软件，根据数据分布特征选用重复测量ANOVA、Friedman检验及配对样本t检验等方法，显著性水平设定为P<0.05。

研究结果

受试者

研究最终纳入25名健康男性大学生运动员，平均年龄20.68岁，平均体重74.08公斤，平均身高1.77米，平均运动年龄7.20年。参与者来自多个运动项目，包括足球、篮球、手球、跆拳道、摔跤和排球，且均保持规律的周训练和比赛频率。

实验流程

所有运动员均按固定顺序完成运动方案，先进行有氧跑步，24小时后再进行无氧跑步，以最大限度地减少急性疲劳对后续测量的影响。测试在标准化条件下进行，严格控制了时间、环境和预测试指令。受试者被要求在测试前12小时禁烟禁咖啡。有氧跑步强度控制在160 bpm以下，无氧跑步强度维持在160 bpm以上，实时依据GPS监测的心率数据调整配速。

有氧跑步方案

运动员到达测试区后静坐2分钟，佩戴设备并开始记录RR间期。静息10分钟后，以平均9.57 km/h的速度完成约31分钟的有氧跑，平均心率为152.09 bpm。跑后立即坐下休息10分钟，RR记录持续至恢复期结束。

无氧跑步方案

流程与有氧跑步相同，但在静息10分钟后，以平均17.31 km/h的速度完成约2.6分钟的无氧跑，平均心率为177.64 bpm。随后同样进行10分钟的坐位恢复。

数据记录

使用POLAR心率监测器（POLAR V800 NV, Finland）及H10胸带，以1000 Hz的采样频率从胸部记录RR间期数据。原始数据导出为空格分隔的文本文件，并按休息、跑步中和跑步后三个阶段进行划分。

HRV分析

利用Kubios软件进行时域、频域和非线性分析。时域分析中，RMSSD和pNN50是反映PNS活动的敏感指标。非线性分析中，SD1反映短期变异（与PNS相关），SD2反映长期变异（与SNS和PNS相关）。频域分析中，HF和LF以标准化单位(nu)表示。研究人员特别指出，在非平稳的动态运动条件下，LF/HF比值的解释应谨慎，仅作为自主神经调节相对变化的指标，而非绝对的交感-副交感平衡衡量标准。

纳入/排除标准

参与者需身体健康，无慢性心血管疾病，未服用影响ANS功能的药物。虽然未进行正式的睡眠质量评估，但所有参与者均为活跃的运动人群，减少了混杂因素的影响。

统计分析

使用Shapiro-Wilk检验评估正态性。符合正态分布的变量采用参数检验，否则采用非参数检验。组内时间效应采用重复测量ANOVA或Friedman检验，组间比较采用配对t检验或Wilcoxon符号秩检验。计算偏eta平方(η2)和Kendall's W作为效应量，统计显著性设定为P<0.05。

讨论与结论

本研究的结果表明，无论是有氧还是无氧跑步，都会引起心脏自主神经调节的显著改变，表现为交感神经占优势和副交感神经撤退。然而，这种反应的幅度和恢复情况在很大程度上取决于运动强度。

从机制上看，AeR期间的自主神经调整主要归因于中枢指令和肌肉机械感受器的轻度激活，导致运动开始时迷走神经撤退，而交感神经激活相对有限。相比之下，AnR期间更显著的自主神经扰动反映了中枢指令、增强的肌肉代谢反射激活以及循环儿茶酚胺（肾上腺素和去甲肾上腺素）大幅增加的共同作用。乳酸和H?离子的积累刺激了III-IV类传入纤维，进一步增强了交感神经传出。同时，压力感受器被重置到更高的动脉压水平，即使在血压升高的情况下也维持着交感神经的激活。这为高强度跑步期间观察到的副交感神经抑制更强和交感神经优势更明显的HRV参数变化提供了生理学基础。

恢复期进一步凸显了这些依赖于强度的差异。AeR与快速迷走神经再激活相关，这是由于中枢指令的快速撤回和有限的代谢干扰所致。相反，AnR导致恢复延迟，这可能由持续的代谢反射激活、较慢的代谢物清除和延长的儿茶酚胺效应所驱动。

值得注意的是，研究人员强调，在高强度、非平稳的运动条件下，对频域HRV参数（特别是HF）的解释应持谨慎态度，因为这些测量可能受到呼吸频率、机械通气和信号非平稳性的影响，而非纯粹的迷走神经调节。因此，单独评估副交感和交感神经指数对于准确解释实验和临床环境中的自主神经反应至关重要。

研究结论

在基线时，观察到有氧和无氧跑步前均处于相对平衡的自主神经状态，且以副交感神经为主，这增强了研究结果的可解释性。在运动期间，两种条件下的SNS活动均有所增加，且无氧跑步的反应比有氧跑步更为显著。这表明ANS反应受运动强度的强烈影响。在运动后10分钟的恢复期内，副交感神经活动趋于恢复到运动前水平，而交感神经活动仍相对较高。这表明自主神经恢复，尤其是无氧运动后的恢复，可能需要更长的时间。本研究证明，有氧和无氧运动都会引起HRV和ANS指标的短期、可测量且具有参数特异性的改变。从生理学角度来看，无氧运动中观察到的更强的交感神经激活反映了与更高运动强度相关的中枢指令增加、儿茶酚胺释放和压力感受器调节。