心-身鍛煉中影響使用心率變異性評價自主神經功能的因素研究

Shin Lin 沈仲元 Timothy Ross 劉敏譯

心-身鍛煉中影響使用心率變異性評價自主神經功能的因素研究

Shin Lin 沈仲元 Timothy Ross 劉敏譯

心率變異性（HRV）分析是非侵入性評估自主神經功能的常用方法。在許多研究中，低頻變異性（LF，如通過快速傅立葉變換產生的功率譜中所示的＜0.15 Hz）被認為是交感神經功能的指標，高頻變異性（HF，＞0.15 Hz）作為副交感神經功能的指標。通過對15位心-身鍛練習練者和20位非習練者的對照研究，我們發現以下是影響HRV的重要因素。第一，呼吸周期的頻率反映在由呼吸性竇性心律不齊（RSA）產生的功率譜中的峰值頻率中。在涉及年輕受試者的情況下，即使以單一速率嚴格控制他們的呼吸，也能在功率譜中看到多個峰；第二，由RSA產生的HRV峰的大小取決于每次呼吸的潮氣量和受試者的姿勢；第三，在相同條件下，與年齡較大的受試者（年齡在50～70歲）相比，年輕受試者（年齡在20～25歲）通常顯示更大的RSA峰值。這種效應常常掩蓋了基于其他因素的差異，例如多年的心-身鍛練?？傊?，這項研究表明了HRV分析用于評估自主神經功能的心-身研究可以作為一個有用的工具，但需注意必須采取措施控制所有上述因素。

心率變異性；呼吸性竇性心律不齊；自主神經功能；心-身研究

精神壓力被認為是對健康和幸福的主要威脅，這種類型的心理社會狀況可以直接或間接地導致許多疾病，小到普通感冒，大到心臟病和癌癥［1－3］。由此諸如太極、瑜伽和各種類型靜止性冥想的心-身鍛練作為重要干預措施在中西醫結合領域中應用發展很快。因為越來越多的證據表明它們能夠有效地緩解壓力［4－6］。這些活動的一個共同特征是心理、身體和呼吸的協調調節。因此，為了了解這些活動對于壓力緩解發揮益處的機制，一個重要的實驗方法是量化這些調節活動是如何單獨和整體地影響自主神經系統的交感神經和副交感神經的。

心電圖的心率變異性（HRV）分析長期以來被用作評估自主神經功能的非侵入性方法［7－11］。在這種類型的方法中，低頻變異性［LF，由快速傅立葉變換（FFT）產生的功率譜中所示的＜0.15 Hz］被認為是交感神經功能水平的指標，以及高頻變異性（HF，＞0.15 Hz）作為副交感神經功能水平的指標。由于影響心率和呼吸速率的許多生理因素對心電圖R-R間期有作用［12－14］，因此，應用HRV數據的LF和HF指標解釋自主神經平衡功能需要謹慎。在美國加利福尼亞大學爾灣分校和上海氣功研究所的心身信號與能量研究實驗室中，我們關注的是那些與心-身鍛煉相關的生理因素。在下面的結果部分，通過我們在試驗中采集的典型圖例來說明在心-身研究中為什么要考慮這些因素。

1 材料和方法

1.1 儀器

在這項研究中使用定制的動態心電圖檢測儀（PI儀器，上海），同時記錄心電圖和呼吸模式（通過上半身帶有拉伸換能器）。采集到的數據下載到計算機上，用相應軟件顯示原始數據，分析心電數據的時間序列和FFT功率譜。在試驗中同時用電子機械肺活量計測定潮氣量。

1.2 受試對象

參與研究的有15位經驗豐富的心-身鍛練習練者和20位沒有經驗的男性和女性，年齡20～70歲。他們根據美國加利福尼亞大學爾灣分校機構審查委員會批準的協議，提供知情同意書。

2 結果

2.1 與呼吸速率相關的FFT頻譜峰值的頻率

圖1顯示出了以特定速率呼吸在FFT功率譜中的相應頻率處產生明顯峰值的現象。因此，以每分鐘6、12或24個循環呼吸的受試者分別在0.1、0.2或0.4 Hz產生峰值。另外，在一個測量期內，分析被試的呼吸從某個頻率改變為另一個更高頻率時，可以看到與此匹配的兩個譜峰（圖2）。上面觀察到的肺和心臟功能的關聯被稱為呼吸性竇性心律失常（RSA）［15］。在這項研究中，我們發現在相同的呼吸條件下，與年齡較大的受試者（年齡50～70歲）相比，較年輕的受試者（年齡20～25歲）的RSA峰通常更大。

2.2 單個呼吸頻率下的多個FFT頻譜峰值

對于我們測試過的部分年輕受試者，在以單一速率呼吸期間的分析，FFT功率譜中都產生了多個大峰（圖3）。有對應于呼吸速率的大峰，也可以看到具有減小幅度的附加峰，這些峰值的大小取決于呼吸的潮氣量（圖4）；峰值大小對潮氣量的這種依賴性也已經在以單一速率呼吸時在FFT功率譜中產生單峰的受試者中可以看到。在我們測試的老年受試者中沒有看到多個峰。但是還沒有進行足夠的試驗以使得在這一點上得到確定的結論。這種多峰的現象是否具有生理學基礎或是分析方案的結果還有待進一步研究。

2.3 姿勢影響RSA峰的大小

潮氣量不是影響RSA峰大小的唯一參數。在圖5所示的試驗中，當受試者是仰臥位時，RSA峰最大，坐著時較小，而站立時是最小的。

2.4 冥想期間FFT譜中高頻峰值的出現

我們測試的一些相當有經驗的心-身鍛練習練者，當在冥想期間以緩慢的速率呼吸時可以產生約0.3 Hz的單個高頻峰值的FFT功率譜（圖6）。當受試者處于深度放松和休息的狀態時，這種類型的HF峰值可以反映副交感神經功能水平的真正提高［7－10］。事實上，已經看到一些相當有經驗的冥想者在冥想期前后能夠保持這樣的HF峰值。這可能是由于與沒有經驗的受試者相比，他們擁有更平靜的心理生理狀態。

3 討論

3.1 RSA基礎的機制

心電圖R-R間期耦合到呼吸吸入-呼氣循環，稱為RSA的節律性波動，被認為是由自主神經系統調節的［15］。然而，還應當注意的是也可能會涉及其他機制。例如，我們以前觀察到，通過藥理學抑制劑阻斷自主神經功能或通過切斷動物中的相關神經而沒有消除呼吸速率和心率的協調［16］。這些結果背后的原因需要進一步研究。

3.2 HRV的臨床應用

HRV分析廣泛用于臨床環境中評估自主神經系統的交感神經和副交感神經之間的平衡。這種應用的一個主要領域與心臟功能有關。例如，低的HRV與冠心病風險增加相關［17］，慢性心力衰竭患者在靜息時和深呼吸機動期間顯示HRV受損［18］。

相關的應用領域還與肺功能有關。HRV已經被顯示為決定何時使得患者從機械通氣脫離出來的有用參數［19］。它也具有評估慢性阻塞性肺疾?。–OPD）患者有氧能力［20］和呼吸肌力［21］的潛力。

第三個應用領域是睡眠研究。HRV指數已顯示出了隨睡眠不同階段變化的趨勢［22－23］，其中一些參數的變化已記錄在睡眠相關的呼吸障礙患者中［24－25］。

3.3 身心研究與HRV

身心活動通?？梢苑譃閮深悺５谝活愂庆o止冥想，其中受試者于坐姿或站姿中保持不動。例如禪宗禪修、超驗冥想，以及一些武術和氣功風格中包含的“站立式”冥想練習。第二類是移動冥想，其中主體以重復或可變的運動順序移動。例如太極拳和瑜伽。這些不同風格的身心活動中的一個共同特征是，幾乎每個人都強調緩慢而深的呼吸周期。

一項早期的坐姿伴隨著呼吸控制的持續注意力練習的參禪研究中，研究者們比較了腦電圖記錄額葉中線區的θ波節律作為放松狀態的指標［26］。他們從使用幾何、非光譜方法分析HRV數據得出結論［27］，與抑郁癥交感神經功能指數的對照組數據相比，在放松注意力的狀態下伴隨著θ波功率的增加。然而，研究者沒有發現任何相關的θ波和它們的指數副交感神經功能。在另一項同一時期的研究中，研究人員利用HRV研究了傳統的太極拳（氣功）冥想和昆達利尼瑜伽，這兩種練習都是在坐姿中進行的［28］。他們報告了在這兩種有經驗的冥想習練者中都有一個與呼吸速率相對應的HF峰。該峰值比這些冥想習練者在冥想之前看到的峰值和不懂冥想的對照組用節拍器引導呼吸速率產生的峰值要大。

HRV也被用于對太極拳的幾項研究中，通常被稱為“運動中的冥想”，近期綜述中總結了這些研究的結論［29］?？傮w而言，HRV與太極活動的增強似乎是相關的，但肯定的結論還有待進行更多樣本量的研究。

3.4 HRV的心理實踐與實際應用

對身心健康和康復治療感興趣的人常常有以下幾個問題：①如何比較不同類型活動的功效？②如何定量衡量培訓進度？③如何客觀決定教師和學生的資格和成就？由于所有身心健康活動的主要目的是誘導一種平靜和輕松的精神狀態，所以可以預想的是，HRV對回答這些實際問題是有用的。然而，這里提出的研究結果表明，當嘗試將HRV應用于這種實際應用時，應考慮到一些混雜因素。

最重要的是，如這里和其他報告［12－13，28］所示，FFT功率譜中的峰值可以通過獨立于壓力或放松狀態的相應速率的受控呼吸產生。因此，在許多身心活動中常見的每分鐘4～6次循環的慢呼吸速率下，在FFT功率譜的LF區域內將存在RSA峰值。與HRV［10］的常見解釋相反，該LF峰值并不表示交感神經的張力升高。當使用LF／HF作為交感神經與副交感神經平衡的指標時，會出現類似的問題［29］。因此，在冥想活動中呼吸緩慢可導致LF和LF／HF呈現高值，這可能會誤導得出主體處于壓力狀態的結論。相反，如果受試者以較高的速率呼吸（例如，每分鐘12個周期），HF區域中將存在RSA峰值，這可能被錯誤地解釋為理想的放松狀態的證據。除了呼吸頻率對RSA的影響外，我們先前報道呼吸循環也會引起血壓的同步波動［30］。這些變化也可能使測試對象的壓力或放松狀態的評估復雜化。因此，測試對象必須以相同的呼吸速率才能直接比較其HRV數據。

第二，我們在這里表明，以給定呼吸速率所記錄的RSA峰值的大小取決于受試者的姿勢。這種現象使得難以直接比較于坐姿與站姿冥想中記錄的受試者的HRV峰值。進行太極和瑜伽的受試者的HRV峰值之間的比較更為困難，因為在這些活動中姿勢在不斷變化。

第三個考慮因素是潛在的HRV評估心-身鍛練者的成就水平。在一份報告中，有經驗的心-身鍛練者似乎比控制受試者的呼吸頻率具有更高的RSA峰值［28］。我們還在這里表明，有經驗的冥想者可以產生與RSA無關的HF峰。另一方面，我們也在這里展示了潮氣量和受試者年齡影響了RSA峰值的大小。這兩個觀察結果可以混淆不同年齡、多年經驗和肺功能的實踐者之間的比較。例如，更成功的心-身鍛練者往往年齡較大，年齡因素會使他們的HRV峰值低于較少習練但年輕的心-身鍛練者。

總之，RSA引起的峰值是HRV功率譜的主要因素。但這些峰值的大小還與潮氣量、姿勢和測試對象的年齡有關。在使用例如LF和LF／HF等指標作為心-身鍛練活動中的交感神經和副交感神經平衡指標時，這些因素必須被考慮在內。

（圖和參考文獻請查閱前面的英文原文）

［致謝］ 此項工作得到了勞倫斯·洛克菲勒基金會／塞繆愛利能源醫學研究計劃以及約瑟夫和李索林中醫藥研究基金的支持。衷心感謝江蘇大學外國語學院劉敏和上海中醫藥大學氣功研究所沈仲元分別承擔了本文的翻譯和審校工作。

R540.41

A

2095－9354（2017）02－0084－10

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.002

2017－03－15）

（本文編輯：郭欣）

勞倫斯·洛克菲勒基金會／塞繆愛利能源醫學研究計劃；約瑟夫和李索林中醫藥研究基金

92697美國加利福尼亞，加州大學爾灣分校生物物理研究中心（Shin Lin，Timothy Ross）；200030上海，上海中醫藥大學氣功研究所（沈仲元）；98195美國西雅圖，華盛頓大學橋梁縫隙跨學科建筑研究項目部（Timothy Ross）；212013江蘇鎮江，江蘇大學外國語學院（劉敏）

Shin Lin，教授，美國著名生物物理學家，主要從事應用生物化學、生物物理學、分子生物學和分子生物物理學以及細胞動力學研究，E-mail：shinlin＠uci.edu