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(jià)自主神經(jīng)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(jīng)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(chǎn)生的功率譜中所示的＜0.15 Hz）被認(rèn)為是交感神經(jīng)功能的指標(biāo)，高頻變異性（HF，＞0.15 Hz）作為副交感神經(jīng)功能的指標(biāo)。通過對15位心-身鍛練習(xí)練者和20位非習(xí)練者的對照研究，我們發(fā)現(xiàn)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(chǎn)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(yán)格控制他們的呼吸，也能在功率譜中看到多個(gè)峰；第二，由RSA產(chǎn)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(yīng)常常掩蓋了基于其他因素的差異，例如多年的心-身鍛練。總之，這項(xiàng)研究表明了HRV分析用于評估自主神經(jīng)功能的心-身研究可以作為一個(gè)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(jīng)功能；心-身研究

精神壓力被認(rèn)為是對健康和幸福的主要威脅，這種類型的心理社會(huì)狀況可以直接或間接地導(dǎo)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(yù)措施在中西醫(yī)結(jié)合領(lǐng)域中應(yīng)用發(fā)展很快。因?yàn)樵絹碓蕉嗟淖C據(jù)表明它們能夠有效地緩解壓力［4－6］。這些活動(dòng)的一個(gè)共同特征是心理、身體和呼吸的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)。因此，為了了解這些活動(dòng)對于壓力緩解發(fā)揮益處的機(jī)制，一個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)方法是量化這些調(diào)節(jié)活動(dòng)是如何單獨(dú)和整體地影響自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)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(jīng)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(chǎn)生的功率譜中所示的＜0.15 Hz］被認(rèn)為是交感神經(jīng)功能水平的指標(biāo)，以及高頻變異性（HF，＞0.15 Hz）作為副交感神經(jīng)功能水平的指標(biāo)。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(yīng)用HRV數(shù)據(jù)的LF和HF指標(biāo)解釋自主神經(jīng)平衡功能需要謹(jǐn)慎。在美國加利福尼亞大學(xué)爾灣分校和上海氣功研究所的心身信號(hào)與能量研究實(shí)驗(yàn)室中，我們關(guān)注的是那些與心-身鍛煉相關(guān)的生理因素。在下面的結(jié)果部分，通過我們在試驗(yàn)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(xiàng)研究中使用定制的動(dòng)態(tài)心電圖檢測儀（PI儀器，上海），同時(shí)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(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)上，用相應(yīng)軟件顯示原始數(shù)據(jù)，分析心電數(shù)據(jù)的時(shí)間序列和FFT功率譜。在試驗(yàn)中同時(shí)用電子機(jī)械肺活量計(jì)測定潮氣量。

1.2 受試對象

參與研究的有15位經(jīng)驗(yàn)豐富的心-身鍛練習(xí)練者和20位沒有經(jīng)驗(yàn)的男性和女性，年齡20～70歲。他們根據(jù)美國加利福尼亞大學(xué)爾灣分校機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)批準(zhǔn)的協(xié)議，提供知情同意書。

2 結(jié)果

2.1 與呼吸速率相關(guān)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(yīng)頻率處產(chǎn)生明顯峰值的現(xiàn)象。因此，以每分鐘6、12或24個(gè)循環(huán)呼吸的受試者分別在0.1、0.2或0.4 Hz產(chǎn)生峰值。另外，在一個(gè)測量期內(nèi)，分析被試的呼吸從某個(gè)頻率改變?yōu)榱硪粋€(gè)更高頻率時(shí)，可以看到與此匹配的兩個(gè)譜峰（圖2）。上面觀察到的肺和心臟功能的關(guān)聯(lián)被稱為呼吸性竇性心律失常（RSA）［15］。在這項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)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(gè)呼吸頻率下的多個(gè)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，F(xiàn)FT功率譜中都產(chǎn)生了多個(gè)大峰（圖3）。有對應(yīng)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(jīng)在以單一速率呼吸時(shí)在FFT功率譜中產(chǎn)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(gè)峰。但是還沒有進(jìn)行足夠的試驗(yàn)以使得在這一點(diǎn)上得到確定的結(jié)論。這種多峰的現(xiàn)象是否具有生理學(xué)基礎(chǔ)或是分析方案的結(jié)果還有待進(jìn)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(shù)。在圖5所示的試驗(yàn)中，當(dāng)受試者是仰臥位時(shí)，RSA峰最大，坐著時(shí)較小，而站立時(shí)是最小的。

2.4 冥想期間FFT譜中高頻峰值的出現(xiàn)

我們測試的一些相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)的心-身鍛練習(xí)練者，當(dāng)在冥想期間以緩慢的速率呼吸時(shí)可以產(chǎn)生約0.3 Hz的單個(gè)高頻峰值的FFT功率譜（圖6）。當(dāng)受試者處于深度放松和休息的狀態(tài)時(shí)，這種類型的HF峰值可以反映副交感神經(jīng)功能水平的真正提高［7－10］。事實(shí)上，已經(jīng)看到一些相當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)的受試者相比，他們擁有更平靜的心理生理狀態(tài)。

3 討論

3.1 RSA基礎(chǔ)的機(jī)制

心電圖R-R間期耦合到呼吸吸入-呼氣循環(huán)，稱為RSA的節(jié)律性波動(dòng)，被認(rèn)為是由自主神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的［15］。然而，還應(yīng)當(dāng)注意的是也可能會(huì)涉及其他機(jī)制。例如，我們以前觀察到，通過藥理學(xué)抑制劑阻斷自主神經(jīng)功能或通過切斷動(dòng)物中的相關(guān)神經(jīng)而沒有消除呼吸速率和心率的協(xié)調(diào)［16］。這些結(jié)果背后的原因需要進(jìn)一步研究。

3.2 HRV的臨床應(yīng)用

HRV分析廣泛用于臨床環(huán)境中評估自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)之間的平衡。這種應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域與心臟功能有關(guān)。例如，低的HRV與冠心病風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)［17］，慢性心力衰竭患者在靜息時(shí)和深呼吸機(jī)動(dòng)期間顯示HRV受損［18］。

相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域還與肺功能有關(guān)。HRV已經(jīng)被顯示為決定何時(shí)使得患者從機(jī)械通氣脫離出來的有用參數(shù)［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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是睡眠研究。HRV指數(shù)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(shù)的變化已記錄在睡眠相關(guān)的呼吸障礙患者中［24－25］。

3.3 身心研究與HRV

身心活動(dòng)通?？梢苑譃閮深?。第一類是靜止冥想，其中受試者于坐姿或站姿中保持不動(dòng)。例如禪宗禪修、超驗(yàn)冥想，以及一些武術(shù)和氣功風(fēng)格中包含的“站立式”冥想練習(xí)。第二類是移動(dòng)冥想，其中主體以重復(fù)或可變的運(yùn)動(dòng)順序移動(dòng)。例如太極拳和瑜伽。這些不同風(fēng)格的身心活動(dòng)中的一個(gè)共同特征是，幾乎每個(gè)人都強(qiáng)調(diào)緩慢而深的呼吸周期。

一項(xiàng)早期的坐姿伴隨著呼吸控制的持續(xù)注意力練習(xí)的參禪研究中，研究者們比較了腦電圖記錄額葉中線區(qū)的θ波節(jié)律作為放松狀態(tài)的指標(biāo)［26］。他們從使用幾何、非光譜方法分析HRV數(shù)據(jù)得出結(jié)論［27］，與抑郁癥交感神經(jīng)功能指數(shù)的對照組數(shù)據(jù)相比，在放松注意力的狀態(tài)下伴隨著θ波功率的增加。然而，研究者沒有發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)的θ波和它們的指數(shù)副交感神經(jīng)功能。在另一項(xiàng)同一時(shí)期的研究中，研究人員利用HRV研究了傳統(tǒng)的太極拳（氣功）冥想和昆達(dá)利尼瑜伽，這兩種練習(xí)都是在坐姿中進(jìn)行的［28］。他們報(bào)告了在這兩種有經(jīng)驗(yàn)的冥想習(xí)練者中都有一個(gè)與呼吸速率相對應(yīng)的HF峰。該峰值比這些冥想習(xí)練者在冥想之前看到的峰值和不懂冥想的對照組用節(jié)拍器引導(dǎo)呼吸速率產(chǎn)生的峰值要大。

HRV也被用于對太極拳的幾項(xiàng)研究中，通常被稱為“運(yùn)動(dòng)中的冥想”，近期綜述中總結(jié)了這些研究的結(jié)論［29］?？傮w而言，HRV與太極活動(dòng)的增強(qiáng)似乎是相關(guān)的，但肯定的結(jié)論還有待進(jìn)行更多樣本量的研究。

3.4 HRV的心理實(shí)踐與實(shí)際應(yīng)用

對身心健康和康復(fù)治療感興趣的人常常有以下幾個(gè)問題：①如何比較不同類型活動(dòng)的功效？②如何定量衡量培訓(xùn)進(jìn)度？③如何客觀決定教師和學(xué)生的資格和成就？由于所有身心健康活動(dòng)的主要目的是誘導(dǎo)一種平靜和輕松的精神狀態(tài)，所以可以預(yù)想的是，HRV對回答這些實(shí)際問題是有用的。然而，這里提出的研究結(jié)果表明，當(dāng)嘗試將HRV應(yīng)用于這種實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)考慮到一些混雜因素。

最重要的是，如這里和其他報(bào)告［12－13，28］所示，F(xiàn)FT功率譜中的峰值可以通過獨(dú)立于壓力或放松狀態(tài)的相應(yīng)速率的受控呼吸產(chǎn)生。因此，在許多身心活動(dòng)中常見的每分鐘4～6次循環(huán)的慢呼吸速率下，在FFT功率譜的LF區(qū)域內(nèi)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(jīng)的張力升高。當(dāng)使用LF／HF作為交感神經(jīng)與副交感神經(jīng)平衡的指標(biāo)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)類似的問題［29］。因此，在冥想活動(dòng)中呼吸緩慢可導(dǎo)致LF和LF／HF呈現(xiàn)高值，這可能會(huì)誤導(dǎo)得出主體處于壓力狀態(tài)的結(jié)論。相反，如果受試者以較高的速率呼吸（例如，每分鐘12個(gè)周期），HF區(qū)域中將存在RSA峰值，這可能被錯(cuò)誤地解釋為理想的放松狀態(tài)的證據(jù)。除了呼吸頻率對RSA的影響外，我們先前報(bào)道呼吸循環(huán)也會(huì)引起血壓的同步波動(dòng)［30］。這些變化也可能使測試對象的壓力或放松狀態(tài)的評估復(fù)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(shù)據(jù)。

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(xiàn)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(jìn)行太極和瑜伽的受試者的HRV峰值之間的比較更為困難，因?yàn)樵谶@些活動(dòng)中姿勢在不斷變化。

第三個(gè)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(bào)告中，有經(jīng)驗(yàn)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(jīng)驗(yàn)的冥想者可以產(chǎn)生與RSA無關(guān)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(gè)觀察結(jié)果可以混淆不同年齡、多年經(jīng)驗(yàn)和肺功能的實(shí)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(huì)使他們的HRV峰值低于較少習(xí)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(guān)。在使用例如LF和LF／HF等指標(biāo)作為心-身鍛練活動(dòng)中的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)平衡指標(biāo)時(shí)，這些因素必須被考慮在內(nèi)。

（圖和參考文獻(xiàn)請查閱前面的英文原文）

［致謝］ 此項(xiàng)工作得到了勞倫斯·洛克菲勒基金會(huì)／塞繆愛利能源醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃以及約瑟夫和李索林中醫(yī)藥研究基金的支持。衷心感謝江蘇大學(xué)外國語學(xué)院劉敏和上海中醫(yī)藥大學(xué)氣功研究所沈仲元分別承擔(dān)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(huì)／塞繆愛利能源醫(yī)學(xué)研究計(jì)劃；約瑟夫和李索林中醫(yī)藥研究基金

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

Shin Lin，教授，美國著名生物物理學(xué)家，主要從事應(yīng)用生物化學(xué)、生物物理學(xué)、分子生物學(xué)和分子生物物理學(xué)以及細(xì)胞動(dòng)力學(xué)研究，E-mail：shinlin＠uci.edu