呼吸頻率調節下切斷家兔迷走神經對心率變異和血壓即時變異影響的研究

沈仲元 竺英祺 閆世彪 Shin Lin

專題主持／沈仲元

專題筆談：呼吸調節對心率和血壓的影響

呼吸頻率調節下切斷家兔迷走神經對心率變異和血壓即時變異影響的研究

沈仲元 竺英祺 閆世彪 Shin Lin

專題主持／沈仲元

目的 在呼吸頻率調節下，觀察家兔切斷雙側迷走神經前后、呼吸停止前后的心率變異（heart rate variability，HRV）、血壓即時變異（blood pressure instant variability，BPIV）與呼吸的關系。方法 選取10只標準實驗家兔，建立兔機械通氣模型，在麻醉下施行呼吸機機械通氣，潮氣量恒定10 mL／kg，呼吸頻率70次／min。切斷雙側迷走神經前后和呼吸停止前后連續記錄心電、呼吸和血壓；分析呼吸頻率變化與HRV、BPIV變化的關系。結果 在切斷雙側迷走神經前，R-R間期、BP-BP與呼吸相呈同步周期性變化，趨勢一致，HRV及BPIV的中心頻率均與呼吸功率譜密度中心頻率一致。在切斷雙側迷走神經后，R-R間期、BP-BP與呼吸同步周期性變化和趨勢一致性被破壞，HRV及BPIV的中心頻率基本消失，與呼吸功率譜密度中心頻率不一致；呼吸停止后HRV及BPIV消失。結論 呼吸調節下的HRV、BPIV符合呼吸性竇性心律不齊的生理機制，是R-R間期變化的二次效應，反映了自主神經平衡調節的結果，符合肺牽引受體興奮所引起的Hering-Breuer反射的機制。

呼吸調節；隨意性呼吸；切斷迷走神經；血壓即時變異；心率變異

呼吸是生命的表征，身體隨著代謝率的改變通過調節呼吸的深度和頻率以適應機體代謝的需要。呼吸是導致正常人出現循環系統多項指標表現出變異性的根源。現代醫學已經證明在人體的生命活動中，呼吸這種活動既是被動的，不受主體控制的非隨意性活動，但又能部分主動控制的隨意性活動；呼吸活動既能反映自主神經活動的特點，又能影響自主神經活動的平衡。呼吸調節研究和自主神經的平衡調節與中樞控制的相互作用研究證明了上述觀點［1－3］。多年來已有大量的心率變異（heart rate variability，HRV）基礎研究和臨床應用［4－6］，關于HRV不再在此多述。血壓是人體最主要的生命體征之一，是身心反應最敏感的調節內容之一，也是身心平衡被打破而引起血壓系統失調（高血壓）的主要原因之一，高血壓的風險不僅取決于血壓水平，還取決于血壓波動。血壓調節是一個非常復雜的過程，相關的生理學和基礎臨床研究表明，血壓變異同樣接受神經和體液的調節。交感和副交感神經活動異常，血管壓力感受器的反射活動異常以及體液因素（如血管緊張素、內皮素、氧化亞氮、緩激肽、胰島素等）異常分泌都能導致血壓的異常變化［7－9］。

血壓變異可分為短時變異（心動周期、分鐘、時段），長時變異（日、月、季節、年度），以往的研究主要集中在對血壓的短時變異上，主要是觀察24 h內以15～60 min為一次測量單位的動態血壓變化，探索晝夜節律特征，解讀血壓生理和臨床血壓變化以及相關的藥理作用，研究血壓調節與自主神經平衡調節的關系，但這類研究并不反映血壓即時變異的動態過程。血壓即時變異（blood pressure instant variability，BPIV）是指相鄰二次心動周期連續血壓值測量的變化，也是人類血壓最基本的生理特征之一［10］。著名的心血管和血壓變異研究學者Giuseppe Mancia教授在2012年歐洲第22屆高血壓科學年會上指出：每次心跳之間的血壓變異性和血壓變化速度的變異，高血壓患者血壓變化的速度要比血壓正常的人更迅速［11］，這些現象的臨床意義仍未被闡明。目前，關于BPIV和HRV的關系、BPIV和呼吸的關系、HRV與自主神經調節的關系還較少有人研究，另外HRV已被證實是能反映心臟自主神經平衡調節的窗口，BPIV是否也能夠作為反映血壓的自主神經調節平衡的窗口也較少見到相關的基礎與臨床研究。本文旨在這方面作些探討。

1 資料和方法

1.1 研究資料

健康雄性日本大耳白兔10只［上海斯萊克實驗動物有限責任公司，許可證號：SCXK（滬）（2006－2009）］，由遼寧醫學院實驗動物中心提供。體質量（2.5±0.5）kg，兔齡5～6個月。實驗前將其置于通風避音房間單籠飼養1～2周，自由進食、水。并給予光照黑暗周期（12 h∶12 h，早06∶00—18∶00光照，晚18∶00—次日06∶00黑暗），保持動物飼養房濕度（35±4）%，溫度（24±2）℃。

1.2 研究方法

1.2.1 兔呼吸控制模型建立 稱重，耳緣靜脈注射3%戊巴比妥鈉30 mg／kg麻醉（戊巴比妥鈉由德國進口，北京化學試劑公司分裝），取仰臥位固定于手術臺。無菌條件下行氣管切開，插入帶有側口（╣）的氣管插管，建立機械呼吸通道，氣管插管側口（╢）插入熱敏呼吸記錄電極［感應吸氣與呼氣的氣流溫度變化（呼出氣體溫度較高，形成向上波形，吸氣時氣體溫度較低，形成向下波形）］并封閉［12］。用注射用維庫溴胺（成都天臺山制藥有限公司）0.1 mg／kg由耳緣靜脈肌松，每0.5 h追加0.1 mg持續泵入維持至實驗結束。注射維庫溴銨后呼吸波形振幅逐漸降低，及時連接呼吸機（浙江醫科大學儀器實驗廠）行機械通氣，根據家兔生理性呼吸指標［13］，設置呼吸機參數：吸呼比（I∶E）為1∶2。確定實驗基礎狀態：潮氣量10 m L／kg，呼吸頻率50～70次／min。注射維庫溴銨后呼吸波形振幅逐漸降低，及時連接呼吸機行機械通氣，呼吸機代替兔隨意呼吸。模擬Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ導聯連接方式用記錄電極尖端刺入兔肢體皮下，用SKY-A4三通道生理記錄儀（復旦大學醫學院儀器實驗廠）同步顯示和采集呼吸、心電、動脈壓等生理波形和記錄數據。數據穩定后開始實驗干預和記錄。

1.2.2 實驗記錄 按實驗程序的時間先后分為4個時段：①兔氣管插管呼吸控制模型建立后，自主神經分離前（指氣管插管之后，頸動脈及自主神經分離之前，以避免該操作對自主神經產生損傷影響）；②頸部氣管旁鈍性分離血管、自主神經，頸動脈插入生理壓力換能器后；③切斷雙側迷走神經（甲狀軟骨水平）后；④停止呼吸機機械呼吸后。

1.2.3 實驗干預 按頻率和通氣量：呼吸頻率調節為50—60—70次／min，通氣量調節為在呼吸60次／min下，8—10—12 mL／kg。每次調節時間為5 min，休息5 min。呼吸停止是指家兔實驗干預結束后，停止呼吸機機械呼吸至死亡之間能記錄到的心電和血壓波形（需記錄完整256次以上的心跳和血壓波型，以滿足分析需要）。本文就呼吸頻率70次／min，通氣量10 mL／kg條件下，切斷雙側迷走神經前后和停止呼吸機機械呼吸后的HRV、BPIV及其他相關的結果進行分析討論。

1.3 數據收集和分析

1.3.1 信號采集與處理 用SKY-A4三通道生理記錄儀（復旦大學醫學院儀器實驗廠）同步顯示和采集呼吸、心電、動脈壓等生理波形和記錄數據。原始記錄數據（同步記錄的心電、血壓、呼吸信號（圖1），由BRS＆HRV2.0打開文件，修正早搏、心動過速、長間歇等心律失常及干擾偽差，選取R-R和BP-BP記錄比較平穩段分析。無特別說明，本文出現的R-R是指相鄰二次R波的時間值，BP-BP是指相鄰二次的動脈收縮壓值，BPIV是指相鄰二次的動脈收縮壓差異。

1.3.2 HRV、BPIV分析 采用快速傅立葉變換（FFT）自回歸（AR）模型［14］，功率譜密度（power spectral density，PSD）單位采用ms2／Hz。分析參數設置：R-R間期序列長度為256。兔頻譜成分范圍劃分：根據呼吸峰移位情況，呼吸與心率的譜相關性［15－16］校正HF段，并計算高頻峰功率（HF）。

2 結果

2.1 切斷家兔迷走神經前呼吸調節與心率變異、血壓即時變異的關系

從圖2、圖3中可以看到，70次／min的呼吸調節下，R-R變異趨勢、BP-BP變異趨勢和呼吸波變化趨勢都完全同步。呼吸節律和每次心搏的R-R間期變化、收縮壓值變化同步。完全符合吸氣時（呼吸波向下）R-R變小，收縮壓值變大，呼氣時（呼吸波向上）R-R變大，收縮壓值變小。呼吸峰中心頻率（呼吸活動譜成分）與心率變異中心頻率、BP-BP變異中心頻率完全一致。通過計算，心率變異的中心頻率峰（HF段）和BP-BP變異的中心頻率（HF段）＝呼吸頻率／心搏頻率。LF段的功率很小，與呼吸的關系可以忽略不計。

圖1 記錄的原始心電、動脈壓、呼吸波形Fig.1 The originally recorded waveform s of ECG，angiosthenia and respiration

2.2 切斷家兔迷走神經后呼吸調節與心率變異，血壓即時變異關系

①呼吸相變化與BP-BP變化、R-R變化失去了同步性；原來的BP-BP變化、R-R變化的連續曲線被破壞；②呼吸頻率與心搏頻率比值改變與BP-BP變異、R-R變異的中心頻率變化呈不相關或不完全相關；與切斷前比較HF功率明顯減小；③R-R，收縮壓同步變異趨勢呈現出低頻的正旋波（圖4），或疊加有呼吸變化的低頻不規則正旋波（圖5），尤其是BP-BP變異的LF功率明顯增大。

2.3 呼吸調節停止后R-R和BP-BP的變化趨勢

從圖6、圖7可以看出，呼吸機調節停止，家兔呼吸停止后的一段時間里雖然可以記錄到心電、血壓波形，但BP-BP變化、R-R變化已沒有了類似呼吸節律的變化波，呈現心率變慢、血壓下降的無變異節律的趨勢，直至死亡。

圖2 06號家兔術前R-R間期、BP-BP、呼吸同步變異趨勢（A）和呼吸同步功率譜（B）Fig.2 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）before the operation on No.06 rabbit

圖3 08號家兔術前R-R間期、BP-BP、呼吸同步變異趨勢（A）和呼吸同步功率譜（B）Fig.3 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）before the operation on No.08 rabbit

圖4 06號家兔術后R-R間期、BP-BP、呼吸同步變異趨勢（A）和呼吸同步功率譜（B）Fig.4 The synchronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）after the operation on No.06 rabbit

圖5 08號家兔術后R-R間期、BP-BP、呼吸同步變異趨勢（A）和呼吸同步功率譜（B）Fig.5 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）after the operation on No.08 rabbit

圖6 06號家兔停止呼吸后心電和動脈壓連續記錄（A）以及R-R間期、BP-BP同步趨勢變異（B）Fig.6 The continuous recordings of ECG and angiosthenia（A）and the synchronous variation of R-R interval and BP-BP（B）after respiratory arrest of No.06 rabbit

圖7 08號家兔停止呼吸后心電和動脈壓連續記錄（A）以及R-R間期、BP-BP同步趨勢變異（B）Fig.7 The continuous recordings of ECG and angiosthenia（A）and the synchronous variation of R-R interval and BP-BP（B）after respiratory arrest of No.08 rabbit

3 討論

3.1 呼吸調節與心率變異、血壓即時變異關系

呼吸是影響心率變異性的一個重要影響因素。呼吸與心率變異的關系已有大量的研究，在此不再贅述。

我們的以往研究也已證實：心率變異（HRV）的呼吸峰頻率＝呼吸頻率（min）／心跳頻率（min）［17］。

動脈血壓的形成是與每次心搏出量、外周阻力、大動脈管壁的彈性、循環血量與血管容積的比和每次心搏的R-R間期長短等多種因素有關，在其他因素不變下，每次心搏的R-R間期長短就是形成動脈壓變化的主要因素。在一定的條件下，R-R間期的變化又是與呼吸的變化完全相關的。吸氣時，R-R間期變短，心率加快，心臟的舒張期縮短，血管內的血液未能充分流走，舒張期留在血管內的血量增加，收縮壓相應上升。呼氣時，R-R間期變長，心率減慢，心臟的舒張期延長，血管內的血液未能充分流走，舒張期留在血管內的血量減少，收縮壓相應下降。因此本研究結果說明在正常呼吸調節下，動脈BPIV完全符合呼吸性竇性心律不齊的生理機制，也符合呼吸性竇性心律不齊形成的心率變異機制［18－19］，是R-R間期變化的二次效應，這在我們以前的研究也已證實［20］。

3.2 呼吸調節下切斷迷走神經對心率變異與血壓即時變異的影響

呼吸可以分為非隨意性呼吸和隨意性調節呼吸。非隨意性呼吸節律和頻率形成的研究已大量報道。呼吸是生命的表征，身體隨著代謝率的改變通過調節呼吸的深度和頻率以適應機體代謝的需要。孫興國等［21－23］研究指出，根據整體整合生理學醫學理論體系的呼吸循環代謝一體化調控理論，以氧化能量物質為特征，以新陳代謝為生命體功能活動的核心。在呼吸調控環路中，呼吸調控信號在大部分時間是在血液中傳送；而在神經通路中的傳導時間短、速度快。心臟的射血功能、心率、血壓、阻力、血流速度等因素均會影響呼吸調控信號從肺臟流經肺靜脈、左心房、左心室到體循環動脈的傳送。因此呼吸的深度和頻率是通過神經體液對呼吸的調控作用完成的，但化學感受器的反應要慢于神經通路。

非隨意性呼吸引起的二次心跳之間的時間差異是由呼吸系統和循環系統之間存在著復雜的交互作用呼吸引起的，其作用通路和機制尚未完全明確。目前的研究認為，心率變異性（heart rate variability，HRV）主要有三個調節機制：①肺牽引受體興奮所引起的Hering-Breuer反射，即肺部迷走神經由于肺伸縮對心臟產生的反饋；②呼吸和心臟迷走神經的中樞偶聯；③動脈血管壓力感受器導致的心率的波動［18］。肺牽張反射的肺擴張反射的作用在于阻抑吸氣過長過深，促使吸氣及時轉入呼氣。切斷了兩側迷走神經后，中斷了肺牽張反射的傳入通路，使肺牽張反射的生理作用被取消。最終導致呼吸運動的加深變慢。賀書云等［24］進行的“迷走神經在心率變異性中的作用”的實驗結果發現雙側迷走神經切斷后，LF及HF的功率明顯下降，心率加快及LF／HF增大均較單側迷走神經切斷時明顯。但以往研究都沒有涉及在隨意性呼吸調節下，雙側迷走神經切斷與血壓變化的同步關系。

隨意性呼吸（在一定范圍的頻率和通氣量內調節）不考慮化學感受器對呼吸調控信號的作用，只考慮對自主神經和肺牽引壓力感受器的影響，從本實驗結果看，把雙側迷走神經切斷后，呼吸相與HRV、BPIV的同步性關系就被破壞了，尤其是BPIV的HF段部分甚至完全消失，而明顯增加了LF段的功率。說明切斷了兩側迷走神經后，中斷了肺牽張反射的傳入通路，肺牽張反射的生理作用被取消后，由呼吸運動引起的HRV、BPIV也明顯減弱了。同時，本實驗的家兔呼吸停止后BP-BP變化消失、R-R變化消失從另一個角度也證實了上述結論。另外，傳統觀點認為迷走神經是各種因素對HRV影響的最終通路，Warner等［25］用藥物阻斷狗的迷走神經可使RSA消失，Harris等［26］使用阿托品阻斷松鼠迷走神經后同樣發現RSA消失。本實驗手術方式切斷迷走神經后，有些家兔仍然存在呼吸與HRV、BPIV弱化了的同步變化關系，可見呼吸對HRV和BPIV的調節除迷走神經通路外，還可能存在非迷走神經機制參與，El-Omar等［19］及Perlini等［27］的研究結果與本實驗相似。說明這種同步變化關系可能不完全受迷走神經最終通路控制，還可能存在非迷走神經因素，這需進一步的研究。

血壓即時變異（BPIV）是一個既新又老的題目，技術原因影響了它的發展和應用，但其對心血管疾病研究的重要性是不容置疑的。因此，加強血壓即時變異的研究，包括連續收縮壓變異的研究、連續舒張壓變異的研究、收縮壓和舒張壓的連續壓差變異研究等對心血管疾病，尤其是高血壓的基礎和臨床研究有著重要的意義。

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Influence of rabbit vagus nerves cutting on heart rate variability and blood pressure instant variability under respiratory rate regulation

Shen Zhong-yuan1，Zhu Ying-qi1，Yan Shi-biao2，Shin Lin3（1.Shanghai Qigong Institute，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai200030；2.Institute of Cardiovascular Disease，the First Affiliated Hospital of Liaoning Medical University，Jinzhou Liaoning121001，China；3.Departmentof Biophysical Research Center，University of California，Irvine，CA 92697，USA）

Objective To observe the relationship between blood pressure instant variability（BPIV），heart rate variability（HRV）and respiration in rabbits separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respiratory arrest under respiratory rate regulation.M ethods Ten standard experiment rabbits were selected and rabbit model of mechanical ventilation was established.The rabbits were conducted with mechanical ventilation under anesthesia by ventilator，with a constant tide volume of 10 mL／kg and respiratory rate of 70 times／min.Continuous recording of ECG，respiration and blood pressure was performed separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respiratory arrest.The relationship between changes of HRV，BPIV and respiratory rate was analyzed.Results Before cutting hibateral vagus nerves，R-R interval and BP-BPwere synchronizedwith the respiratory phase，with the same trend.The central frequencies of HRV and BPIV were both consistentwith the central frequency of respiratory power spectral density.After cutting hibateral vagus nerves，the synchronous periodic change and trend consistency of R-R interval，BP-BPand respiration was destroyed；the central frequency of HRV and BPIV almost disappeared and was inconsistentwith the central frequency of respiratory power spectral density；HRV and BPIV disappeared after respiratory arrest.Conclusion The changes of HRV and BPIV under respiratory rate regulation accord with the physiologicalmechanism of respiratory sinusarrhythmia.It is the secondary effect of R-R interval change which reflects the result of balance adjustment of autonomic nerve.It also coincides with themechanism of Hering-Breuer reflex induced by excitation of the tow receptor in the lung.

respiratory rate regulation；voluntary breathing；vagus nerves cutting；blood pressure instant variability；heart rate variability

R542.2

A

2095－9354（2017）02－0077－07

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.001

2017－03－15）

（本文編輯：郭欣）

國家自然科學基金資助項目（81072853）

200030上海，上海中醫藥大學氣功研究所（沈仲元，竺英祺）；121001遼寧錦州，遼寧醫學院附屬第一醫院心血管研究所（閆世彪）；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）

沈仲元，研究員，主要從事醫學生理、生物醫學工程研究，E-mail：szy1128＠hotmail.com