训练有素与高度训练有素的男性和女性自行车运动员在最大强度运动前后亚最大强度运动时DFA α1的动力学特征

《European Journal of Applied Physiology》：Kinetics of submaximal DFA α1 prior and post maximal efforts in trained and highly trained male and female cyclists

　　

**摘要**
**目的：** 旨在研究男性和女性训练及高度训练自行车运动员在非疲劳状态以及重复最大骑行运动后的亚最大强度骑行过程中，非线性心率变异性参数——去趋势波动分析短期标度指数（Detrended Fluctuation Analysis α1, DFA α₁）的动力学变化特征。

**方法：** 共47名受试者（女性17名）完成一项包含两个区块（Block1、Block2）的骑行实验方案，每个区块包含两次标准化亚最大骑行测试，分别在一次最大递增测试前（PRE）和测试后（POST）进行，形成四个时间点（Block1：PRE1-POST1；Block2：PRE2-POST2）。在亚最大骑行测试中评估DFA α₁、摄氧量（_{\(\dot{V}O\)2}）、心率（Heart Rate, HR）、呼吸频率（Respiratory Frequency, RF）以及主观疲劳感觉评分（Rating of Perceived Exertion, RPE）；在最大测试中评估峰值摄氧量（_{\(\dot{V}O\)2peak}）和最大输出功率（Maximum Power Output, W_max）。采用线性混合效应模型进行是和失调量进行分析。

**结果：** Block2的_{\(\dot{V}O\)2peak}（β = ?2.51 mL·kg^?1·min^?1）和W_max（β = ?24.3 W）均显著降低。DFA α₁从PRE1（1.32 ± 0.19）显著下降至POST1（1.12 ± 0.34），并在Block2期间维持抑制状态（1.14 ± 0.31，1.09 ± 0.35）。_{\(\dot{V}O\)2}（+2.37 mL·kg^?1·min^?1）、HR（+15 bpm）、RF（+8 次/分钟）和RPE（+2）在Block1显著升高，并在Block2维持高位。POST2后，HR显著下降（?4 bpm），RF显著升高（+1 次/分钟）。训练水平显著影响DFA α₁、HR和_{\(\dot{V}O\)2}的绝对水平，但不影响RPE或RF。性别对DFA α₁、HR、_{\(\dot{V}O\)2}、RPE和RF的动力学均无显著影响。

**结论：** 亚最大运动中的DFA α₁能够反映重复最大测试设置中的急性疲劳和非恢复状态，当与_{\(\dot{V}O\)2}、HR、RF和RPE联合解读时，可为自主神经和全身性需求提供补充信息。

该研究发表于《European Journal of Applied Physiology》，聚焦于运动负荷监测领域。心肺适能和耐力表现对预设训练干预的反应存在显著的个体间差异，范围从积极适应到可忽略的适应甚至不利适应。有效负荷监测能够帮助教练员和实践者识别运动员是否对训练刺激产生适当适应，或出现非功能性过度训练征兆。尽管已有功率输出、心率、血乳酸和主观疲劳感觉评分等多种内外负荷指标被广泛应用，但尚不存在能够准确反映运动员所有情境下生理状态的单一确定性指标。非线性心率变异性方法中的去趋势波动分析（DFA）因其能捕捉心率动力学的复杂分形特性而备受关注，其中短期标度指数α₁（DFA α₁）可量化搏动间期时间序列内的相关性程度，反映心脏自主调节的自相似程度。DFA α₁已被证实可界定运动强度阈值，且可作为急性疲劳和疲劳抗性的标志物，在实验室和场地环境中具有评估内部负荷、疲劳和"训练准备状态"的应用潜力。然而，既往研究多集中于递增运动方案或样本量较小且同质性较高的队列，对重复最大运动前后亚最大运动中DFA α₁动力学特征的研究尚不充分；性别和运动表现水平对DFA α₁动力学的影响亦不明确。

基于此，研究人员旨在评估亚最大骑行中DFA α₁及其他内部负荷参数（HR、_{\(\dot{V}O\)2}、RPE、RF）在重复最大运动前后的变化，并探究训练程度和运动水平、性别之间的潜在差异。研究人员假设：重复最大运动将显著改变自主神经调节和内部负荷反应，DFA α₁降低而其他参数升高；训练有素和高度训练个体间的反应幅度存在差异；性别对反应模式无显著影响。

研究结果表明，DFA α₁在亚最大运动中能够反映急性疲劳和非恢复状态，可为自主神经和全身性需求提供补充信息，与传统生理指标联合使用可能增强运动员疲劳状态的检测能力。

研究采用的主要技术方法包括：受试者为47名训练有素和高度训练自行车运动员（含17名女性），依据McKay等人2022年发表的运动表现分类框架进行分组；实验在电子制动骑行功率计（Wahoo KICKR）上完成，受试者需完成两个相同区块（Block1、Block2），每区块包含亚最大骑行测试前（PRE）和最大递增测试后（POST）的标准化亚最大骑行，以及最大递增测试和验证试验；每个区块以5分钟100W（男性）或70W（女性）亚最大骑行开始，随后进行递增至力竭的斜坡测试，Block1与Block2之间穿插验证试验；使用Tanita生物电阻抗设备测量体成分，Metalyzer 3B R2气体分析仪以逐次呼吸法测量肺气体交换变量，Polar H10胸带心率监测器连续记录RR间期数据；通过开源Fatmaxxer应用程序经蓝牙采集信号，并以Kubios HRV Scientific Lite软件进行后期处理，DFA α₁计算窗口设为4 ≤ n ≤ 16个搏动；统计采用线性混合效应模型（LMM），以限制性最大似然法（REML）估计，固定效应包括区块（Block）、时间点（Timepoint）、性别和表现水平，并检验其交互作用，同时报告边际R²和条件R²以量化模型拟合度，显著性水平设为p < 0.05。

**最大运动表现结果：** Block2的_{\(\dot{V}O\)2peak}（β = ?2.51 mL·kg^?1·min^?1，95% CI ?2.74至?2.02，p < 0.001）和W_max（β = ?24.3 W，95% CI ?27.5至?21.6，p < 0.001）均显著低于Block1，分别降低4.7%和6.7%。这表明重复最大测试成功诱导了可测量的疲劳。

**DFA α₁动力学：** DFA α₁显著受训练水平影响（F_1,43 = 5.15，p = 0.028），训练有素组整体低于高度训练组（β = ?0.15，95% CI ?0.29至?0.02）。区块效应（F_1,129 = 10.28，p = 0.002）和时间点效应（F_1,129 = 11.97，p < 0.001）均显著。事后比较显示，Block1起始的PRE1值最高，POST1显著降低（p < 0.001），之后三个时间点间差异小且未达统计显著性。性别与训练水平的交互作用均未达显著。此结果说明DFA α₁在首次最大运动后立即下降，并在整个协议期间维持抑制状态，追踪了急性疲劳反应及随后的非恢复状态。

**_{\(\dot{V}O\)2}动力学：** _{\(\dot{V}O\)2}在高度训练组高于训练有素组，男性高于女性。PRE到POST整体升高（β = 1.34 mL·kg^?1·min^?1，p < 0.001），但区块间无差异。显著的区块×时间点交互作用（F_1,129 = 62.41，p < 0.001）表明，PRE1到POST1增幅显著（+2.37 mL·kg^?1·min^?1，p < 0.001），而PRE2到POST2变化小且不显著。亚最大负荷下的_{\(\dot{V}O\)2}在Block1升高后在Block2起始维持高位，之后变化不大。

**HR动力学：** 训练有素组HR显著高于高度训练组（β = 11 bpm，p = 0.001）。区块效应（β = +7 bpm，p < 0.001）和时间点效应（β = 5 bpm，p < 0.001）显著，且存在显著的区块×时间点交互作用（F_1,129 = 166.9，p < 0.001）。事后比较显示PRE1到POST1显著增加，PRE2到POST2显著降低。

**RF动力学：** 区块效应（β = +4 次/分钟，p < 0.001）和时间点效应（β = +4 次/分钟，p < 0.001）显著，区块×时间点交互作用显著（F_1,129 = 64.8，p < 0.001）。RF在Block1从PRE1到POST1大幅升高，Block2起始维持高位，并在第二区块中进一步显著升高。

**RPE动力学：** 区块效应（β = +1，p < 0.001）和时间点效应（β = +1，p < 0.001）显著，区块×时间点交互作用显著（F_1,129 = 43.68，p < 0.001）。RPE在Block1从PRE1到POST1显著增加（+2，p < 0.001），Block2中PRE2到POST2变化小且不显著。

**模型解释力比较：** DFA α₁的边际R²为0.15，条件R²为0.48；_{\(\dot{V}O\)2}分别为0.56和0.93；HR为0.41和0.89；RF为0.36和0.83；RPE为0.22和0.72。DFA α₁的固定效应解释力低于其他变量，表明其变异性更多源于个体间差异而非实验因素。

讨论部分，研究人员首先阐述DFA α₁作为亚最大骑行中急性疲劳和非恢复状态标志物的价值。研究结果与新兴文献一致，即运动强度增加和生理需求累积时DFA α₁逐渐降低，从强相关分形模式向非相关或随机动力学转变。既往研究显示疲劳任务后DFA α₁在低强度运动中持续受抑，本研究扩展了这些发现，表明在单次包含三次最大运动的实验中，亚最大热身及后续亚最大测试中的DFA α₁呈现出非恢复状态。

关于性别和训练水平对DFA α₁的影响，本研究为首次探究此类调节效应的较大样本研究。性别未显示对DFA α₁的显著主效应或交互效应，男性与女性的时间变化模式相似，这与既往DFA α₁在运动强度阈值界定中无显著性别差异的研究结果一致。训练水平对DFA α₁有显著主效应，高度训练者绝对值更高，反映更优的自主神经特性和更高适能状态，但并未实质改变DFA α₁动力学特征，两个训练水平组均显示从PRE1到POST1的显著下降及Block2的持续抑制。

在比较DFA α₁与其他内部负荷参数的解释力时，_{\(\dot{V}O\)2}、HR、RF和RPE的边际R²较高，表明这些变量受协议和分组因素影响较强；而DFA α₁边际R²较低，提示其更大比例的变异性未被区块、时间点、性别或训练水平所捕捉。这可能是因为_{\(\dot{V}O\)2}、HR和RF与给定负荷下的心血管代谢需求紧密关联，而DFA α₁受自主控制、呼吸模式及其他系统性神经和非神经因素复杂交互影响。尽管训练水平影响绝对DFA α₁值，但相对疲劳诱导变化在不同适能水平间可比，这为DFA α₁阈值概念在不同运动水平人群中的一致适用性提供了解释。

实践层面，由于DFA α₁变异性较高，应与受协议或运动特征影响较小的其他内部负荷参数联合解读，以更优地解释不同身体系统的生理反应。例如，标准化低强度下DFA α₁的持续抑制，伴随已升高的HR和_{\(\dot{V}O\)2}，可能提示恢复不完全或自主神经压力不成比例，即使运动表现和主观疲劳感觉尚可接受。

研究人员指出研究优势在于纳入了不同训练水平和性别的较大样本运动员，增强了发现的外部推广性。局限性包括：呼吸模式未标准化以模拟真实场景，但这也确保了"自由运行系统"；未收集女性受试者月经周期详细信息，限制了对女性运动员结果的解释；采用固定绝对负荷可能导致不同训练水平组间相对运动强度差异；缺乏无第二次最大测试的对照条件，无法确定POST2的抑制是否特异性源于第二次最大运动；单次测试方案未评估重测信度。未来研究应探究更长运动持续时间和更广泛强度范围内DFA α₁的动力学，以及替代负荷处方对亚最大测量中DFA α₁反应的影响。

**研究结论：** 该研究表明，亚最大骑行中测量的DFA α₁对急性疲劳敏感，可能反映最大运动后的非恢复机体状态。DFA α₁在首次最大骑行后降低并在整个协议期间维持抑制，与_{\(\dot{V}O\)2}、HR、RF和RPE的持续升高一致。性别不影响DFA α₁动力学，而训练水平改变绝对值但不改变时间动力学。与传统标志物相比，DFA α₁显示较低的边际决定系数，表明其较小比例的方差由固定实验因素解释，较大份额可归因于个体间差异和残差变异。这提示DFA α₁较少受负荷和协议结构决定，可能反映更个体化的自主神经调节模式。因此，若实践者旨在使用DFA α₁评估慢性适应，应进行重复测量而非依赖单次评估。将DFA α₁与传统生理测量整合可增强运动员疲劳状态的检测。DFA α₁结果需在个体差异背景下解读，未来工作应进一步研究DFA α₁在更广泛运动条件和应用训练环境中的动力学特征。