青少年中長跑運動員模擬濕熱環(huán)境習服心血管反應的變化

許弟群，王人衛(wèi)，李國強，吳衛(wèi)兵，任 杰

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青少年中長跑運動員模擬濕熱環(huán)境習服心血管反應的變化

許弟群1,2，王人衛(wèi)2，李國強2，吳衛(wèi)兵2，任 杰2

熱習服；運動；熱應激；心血管反應；模擬濕熱環(huán)境

在激烈的競技體育運動中，合理地安排訓練計劃以獲得最佳競技能力的方法對于運動員和教練員日趨重要。近年來，熱習服作為一種有效的訓練輔助手段日益引起一些專家的關注[12,13,21,23]，研究認為，熱習服可增加血容量、提高心肌效能[9,19]、增加心室順應性[18]，以及提高最大心輸出量[21]，從而有助于提高機體在各種環(huán)境下的運動能力[28]。熱習服一般安排在32℃～45℃、相對濕度10%～90%的環(huán)境進行，往往伴隨連續(xù)1～2周時間的積極訓練實現(xiàn)[13,27]。熱習服誘導的生理適應和運動能力增強還被一些更短習服持續(xù)時間所證實[4,12]。對于居住在溫和或者寒冷氣侯中的運動員而言，實現(xiàn)熱習服要么去合適氣候地方進行針對性訓練[13,28]，要么在人工模擬環(huán)境下進行[12,21]。

濕熱環(huán)境下運動會導致機體明顯的心血管調整，這種調整不僅要滿足機體的體溫調節(jié)，而且必須滿足運動骨骼肌、心臟和大腦血流灌注。眾所周知，在濕熱環(huán)境下運動，皮膚血液微循環(huán)、運動骨骼肌血流增加，血管舒張，心輸出量增加，這種變化在運動初期機體通過心率增加來實現(xiàn)。與此同時，回心血量卻可能減少，從而導致左心室充盈壓下降，有可能導致血壓下降[7]。隨著持續(xù)的全身大強度運動、熱應激或脫水誘導高體溫，心血管負擔明顯加重，從而在機體力竭前就可能表現(xiàn)出心輸出量、每搏輸出量、動脈壓和腦、皮膚及骨骼肌血流減少[7,35]。盡管人類有忍受外部環(huán)境溫度劇烈變化的能力，但體內(nèi)相對小的體溫增加(如升高3℃)就可能導致?lián)p傷、甚至死亡。增加皮膚血流和排汗是人體熱交換以避免熱損傷的主要機制。這些散熱反應伴隨重要的、甚至關鍵的心血管調整，在運動和高溫環(huán)境中協(xié)調機體溫度調節(jié)[7]。熱習服研究對HR、汗及血液成分變化和運動能力的影響國內(nèi)外報道較多[5,8,25]，而有關重復熱暴露誘導機體熱習服增強作業(yè)能力的生理機制或受限因素信息較少[13]。在熱環(huán)境中運動，心血管機能和調節(jié)的變化可能與外周和中樞反應相互影響有關。這些機體組織效應器的變化都與體溫調節(jié)有關，受自主神經(jīng)調節(jié)控制，然而，熱習服期間以及熱習服對急性運動自主神經(jīng)調節(jié)有何影響知之甚少。

本研究以青少年中長跑運動員熱習服和急性運動有關生理變化為研究對象，旨在探討：1)模擬濕熱環(huán)境習服期間自主神經(jīng)調節(jié)的變化；2)環(huán)境想習服對運動員急性運動心血管反應的影響。

1 方法

1.1 試驗對象

上海體育學院附屬競技體育學校20名1年以上專項訓練經(jīng)歷、男性國家二級青少年中長跑運動員隨機分成濕熱環(huán)境習服組(HA)和自然環(huán)境組(HH)，受試者基本情況見表1。經(jīng)檢驗，2組基礎指標未見顯著性差異(P<0.05)。受試者完成體格檢查、問卷調查確認身體健康，不吸煙及無心血管、代謝性、呼吸和熱疾患史，實驗前1月以上未在30℃及以上環(huán)境暴露，簽訂知情同意書，試驗期間要求受試者避免各類藥物、刺激性食品和大強度運動。試驗設計經(jīng)上海市營養(yǎng)學會醫(yī)學倫理委員會同意并接受其監(jiān)督([倫審]2013-001)。

表 1 本研究受試者基本情況Table 1 The Characteristics of the Subjects

1.2 試驗設計

HA組受試者在溫度和濕度分別設定為33℃和RH80%環(huán)境房內(nèi)進行連續(xù)10天的習服。習服方法設計和環(huán)境房參見下圖及文獻[2]，習服時間安排在每天下午2點～5點間。

圖 1 熱習服過程示意圖Figure 1. Heat Acclimation Protocol

同期，HH受試者在室內(nèi)自然環(huán)境(6.96℃±2.37℃、RH68.6%±6.96%)完成與HA組受試者完全一致的活動安排。

1.3 數(shù)據(jù)采集與分析方法

習服期間，采集HA受試者1天、5天、9天進出環(huán)境房前后直腸溫度(Tre，rectal temperature)、HR和5 min HRV數(shù)據(jù)。

急性運動當天，受試者早餐后7:30準時到達實驗室，自由活動消化1 h候后，測量坐姿血壓，采血，測量直腸溫度，佩戴好polar表，靜坐至8:50開始記錄HR，9:00時進入環(huán)境艙，先在艙內(nèi)站立10 min然后連續(xù)蹬車40 min或至提前終止運動。即刻讀取血壓、HR，出艙采血，靜坐5 min后停止記錄HR，測量直腸溫度。

受試者有下列情況之一終止運動：1)出現(xiàn)中暑癥狀(惡心、精神恍惚、動作不協(xié)調、頭暈)；2)由于身體力竭要求終止運動；3)HR超過其HRmax。

1.3.1 HR變異性采集與分析

受試者安靜室內(nèi)仰臥休息，身體放松，自然呼吸。將紅外光電掃描傳感器連接于耳垂，連續(xù)采集受試者10 min心跳，獲得HRV有關參數(shù)。運動結束采血后記錄5 min HRV數(shù)據(jù)。根據(jù)信號圖譜識別不規(guī)則搏動并以相鄰值替代連接，選取進環(huán)境房前、運動結束后5 min信號樣本分析HRV線性指標。其中時域指標mRR(R-R間期平均值)、SDNN(R-R間期標準差)、rMSSD(相鄰R-R間期差值均方根)，頻域指標LF(低頻功率：0.04～0.15 Hz)、HF(高頻功率：0.15～0.4 Hz)、LF/HF(低頻功率與高頻功率比值)。

1.3.2 血樣采集及處理

急性運動時，在運動員進出環(huán)境房前后采其坐姿右肘靜脈血約2 mL注入肝素鈉抗凝管內(nèi)，立即輕輕顛倒混勻數(shù)次，測血常規(guī)、滲透壓。另取2 mL全血注入促凝管內(nèi)，靜置1 h后，在4℃低溫離心機內(nèi)以3 000 rpm離心15 min后，取上層血清0.5 mL于1.5 mLEP管，-80℃凍存待測去甲腎上腺素(NA)、精氨酸加壓素(AVP)、心鈉素(ANP)醛固酮(ALD)，采用雙抗體夾心法檢測其含量，試劑盒為美國R&D Systems產(chǎn)品。檢測時，嚴格按照試劑盒說明操作。

1.3.3 有關檢測指標的計算

血漿容量變化根據(jù)Hb和Hct的變化間接測得：%△PV={Hbpre/Hbpost·[(1-Hctpost)/(1-Hctpre)·100%]}-100%[33]。血滲透壓采用冰點法。RTre(rate of Tre rise，直腸溫度增長率)為運動員進入環(huán)境房前后Tre差值除以總的暴露時間表示。為評估核心溫度達到40℃閾值時間[34]，以下列方程計算[20]：

T=(40℃-iTre)/RTre

上式T為Tre達到40℃所需時間(min)，iTre為各自平均初始Tre?？偟谋┞稌r間從進入環(huán)境房到運動終止計算。

1.3.4 主要儀器

功率自行車(Ergoline.100k，德國)、運動心肺機能遙測系統(tǒng)(K4B2，意大利)、Polar HR表(Rex5，Polar electro，芬蘭)、玻璃棒式體溫計(Crw11，上海華晨)、全自動生化分析儀(HITACH2100，日立公司)，Eonc型全自動酶標儀(美國BioTeck公司)，生理相干與自主平衡系統(tǒng)(北京豪峰)。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理與分析

HRV中LF/HF值為LF和HF原始值之比所得，其余指標取自然對數(shù)值計入表格。

考察習服組習服情況，先對指標數(shù)據(jù)進行球形檢驗，如滿足球形檢驗采用單因素重復測量的方差分析，如不滿足球形檢驗采用Greenhouse-Geisserd校正結果。多重比較采用Bonferroni法。急性運動時組間指標比較，當指標呈正態(tài)分布且齊性時，運動期間采集兩次及以上的指標采用兩因素重復測量方差分析(group×time)，組內(nèi)運動前后比較采用配對的t檢驗，組間采用獨立樣本t檢驗，當不呈正態(tài)分布方差不齊時，組間采用Mann-Whitney U檢驗，組內(nèi)前后比較采用Wilcoxon檢驗。

2 結果

2.1 環(huán)境習服期間受試者有關指標的變化

受試者習服期間運動即刻平均HR、核心溫度和LF/HF均呈進行性下降，習服末期mRR、Ln SDNN、LnrMSSD、Ln HF升高(P<0.05)；1天和5天比較除HR及LF/HF有顯著性差異外(P<0.05)，其余未見顯著意義(P>0.05)；5天與9天比較各指標均未見顯著統(tǒng)計學意義(P>0.05,表2)。

表 2 HA組習服期間有關指標變化Table 2 Variables of HA during the Heat Acclimation

注：a表示1天、9天比較，P<0.05；b表示1天、5天比較，P<0.05。

2.2 環(huán)境習服對受試者濕熱環(huán)境急性運動的影響

所有受試者均可完成規(guī)定負荷強度30 min，由于環(huán)境和運動的雙重影響，隨后部分受試者因各種原因未完成規(guī)定時間而陸續(xù)退出。HA受試者有4人完成了40 min規(guī)定負荷，其余6人中時間最短的為33min，平均時間(38.3±2.3)min，熱暴露時間為(48.3±2.3)min。HH有關值依此計算所得。2組比較，HA在暴露時間、運動后直腸溫度及預計體溫達到40℃時間均顯著超過HH，而直腸溫度增長速度顯著低于HH(P<0.05,表3、表4)。

表 3 完成各階段的人數(shù)Table 3 Number of Participants Completing Exercise at Each Phase of the Protocol

表 4 熱暴露時間及直腸溫度變量Table 4 Total time of Heat Expose and Variables about Rectal Temperature

注：*表示兩組比較P<0.05，**表示P<0.01，下同。

運動時，2組受試者HR隨運動時間延長平均HR顯著增加(P<0.001)。40 min及以前的幾個時間點HR兩組比較均未見顯著差異(P>0.05)，45 min時HH HR顯著高于HA(P<0.05,圖2)。

圖 2 進入環(huán)境房2組受試者HR變化示意圖Figure 2. Heart Rate Response of Participants in the Humid Heat

注：圖2描述指每組受試者保持5人以上的運動期間的平均HR，*表示該時刻兩組HR比較P<0.05。

運動期間2組血壓均有變化。運動前后HA、HH收縮壓及HH舒張壓有顯著性差異(P<0.05)，HA舒張壓及2組相應時間點相應血壓未見顯著差異(P>0.05,圖3)。

圖 3 2組受試者運動前后血壓示意圖Figure 3. Systolic and Diastolic Blood Pressures(mmHg)Measured Pre-and Postexercise

注：連接線上*表示連接線兩端變量比較P<0.05，下同。

血液學指標中，2組血漿滲透壓、血容量變化比較均未見顯著性差異(P>0.05)。但從均值看，HA血漿滲透壓和血容量變化幅度比HH小(圖4)。2組運動后NA、ALD、ANP值顯著高于安靜值(P<0.05)；與HH比較，HA醛固酮安靜值高于HH(P<0.05)，另外3種激素安靜值均較HH低，但均未見統(tǒng)計學意義(P>0.05,圖5)。

HRV中，除LF/HF運動后顯著升高外，其余指標運動后均顯著下降(P<0.05)。組間相應時間點未見顯著性差異，相應指標運動前后差值變化率比較中，除HA受試者LF/HF顯著較小外(P<0.05)，其余指標HA參數(shù)變化幅度有更小趨勢，但未見統(tǒng)計學意義(P>0.05，表5、圖6)。

3 討論

本研究的主要發(fā)現(xiàn)：模擬濕熱環(huán)境習服體溫調節(jié)的改變伴隨著心血管功能的改變，表現(xiàn)為習服過程伴隨HRV的適應性變化，自主神經(jīng)調節(jié)功能適應性改變，習服后急性運動交感副交感均衡穩(wěn)定性增強，從而提高了相應環(huán)境下的運動能力。

圖 5 2組受試者急性運動前、后主要體液激素變化示意圖Figure 5. Changes of Key Hormones in Regulating Fluid and Electrolyte表 5 2組受試者急性運動前后HR變異性Table 5 HRV in Pre-and Postexercise

HH(n=10)HA(n=10)P<0．05運動前(A)Pre?exercise運動后(B)Post?exercise運動前(C)Pre?exercise運動后(D)Post?exercisemRR(ms)945．00±149．00423．00±271．00950．00±156．00414．00±276．00AB，CDLnSDNN(ms)4．45±3．383．33±3．324．48±3．313．55±3．40AB，CDLnrMSSD(ms)3．99±3．552．31±2．134．01±3．612．29±2．03AB，CDLnLF(ms2)6．97±2．753．55±2．346．53±2．783．53±2．61AB，CDLnHF(ms2)5．08±2．912．51±2．285．46±2．792．68±2．58AB，CDLF/HF2．28±2．685．18±4．182．29±2．344．25±3．96AB，CD

注：A、B、C、D分別代表HH組、HA組運動前、后有關變量值，P值欄中，AB、CD等組合表示字母代表變量間比較有統(tǒng)計學意義。

圖 6 2組受試者HR變異性變化率示意圖Figure 6. Changes Rate in HRV

注：HRV變化率=(運動前-運動后)/運動前。*表示組間比較P<0.05。

在高溫環(huán)境中訓練9～12天后是經(jīng)典、明顯有效的熱習服時間[24]。有關研究證實：青少年中長跑運動員經(jīng)過10天的模擬濕熱環(huán)境習服，在習服末期，同等負荷運動后，運動員HR和核心溫度降低，汗腺功能增強，汗離子濃度下降[1,2]。本實驗觀測到習服末期直腸溫度和HR顯著降低，提示機體有效地建立了熱習服[1,2,6,13]。熱習服過程伴隨HR降低，這可能在某種程度上是由于自主調節(jié)尤其是迷走神經(jīng)支配的改變。本研究HRV分析發(fā)現(xiàn)濕熱環(huán)境習服誘導的熱耐受性增強伴隨HR降低和副交感神經(jīng)優(yōu)勢。一些學者認為熱習服誘導HR下降是由副交感神經(jīng)活動增加引起[10,17]，但也有報道熱習服后交感神經(jīng)張力增加[11]，或在熱習服不同階段交感和副交感神經(jīng)之間優(yōu)勢改變[17]。本研究清楚表明熱適應伴隨副交感優(yōu)勢，這在熱習服階段HRV指標變化得到體現(xiàn)。本研究mRR、SDNN、rMSSD、HF熱習服后均顯著增加，表明熱習服后自主神經(jīng)適應以副交感神經(jīng)支配地位為特征，LF/HF下降提示自主神經(jīng)系統(tǒng)的均衡性穩(wěn)定增強。

濕熱環(huán)境下劇烈運動是人體心血管調節(jié)最嚴酷的挑戰(zhàn)之一。熱應激程度、運動強度和持續(xù)時間、個體訓練狀態(tài)以及熱習服與否和脫水等因素之間交互影響心血管反應和調節(jié)能力[7]。因此，在討論運動聯(lián)合熱應激是否因心血管功能改變而導致運動機體加速疲勞或力竭時，上述因素均應考慮。在濕熱環(huán)境下進行大強度耐力運動，對于未經(jīng)訓練和熱習服以及脫水的個體來說，心血管調節(jié)是反應機體生理變化和影響運動能力的重要因素[7]。

本研究證實濕熱環(huán)境習服延長了定量負荷強度下青少年中長跑運動員運動時間，降低同等負荷下運動HR，減小血容量和滲透壓的變化幅度及延緩單位時間直腸溫度的增加速率，并增強了機體交感和副交感穩(wěn)定均衡性。這些差異可能緣于兩組受試者心血管、體能和耐熱能力的差異[3]。

本研究設計觀察到熱習服誘導HR下降，但其機制仍難確定。雖然有關報道表明熱習服誘導的最重要適應是機體局部汗腺肥大及其靈敏度、皮膚微循環(huán)血流增加[22]，然而，這些局部的適應可以對中樞產(chǎn)生深遠的影響。一項直接測熱法三階段數(shù)據(jù)證實了熱習服后機體增加了11%的蒸發(fā)散熱能力，減少了體內(nèi)26%的熱蓄積[26]，這與本研究熱習服階段HR和直腸溫度變化及急性運動HR下降結果相吻合，支持了熱習服顯著降低熱應激的觀點。熱習服階段mRR、SDNN、rMSSD、HF增加和熱習服后及急性運動LF/HF變化幅度減少，這反應了熱習服后腎上素能下降而引起相同環(huán)境負荷下運動HR下降和更高的迷走神經(jīng)支配優(yōu)勢和均衡穩(wěn)定性增強。

急性運動前期2組HR并無顯著差異，但在后期熱習服組HR更低，濕熱環(huán)境影響HR的原因有多個方面，但從生理角度看主要受神經(jīng)和體液調節(jié)。一方面，濕熱環(huán)境及運動使機體處于興奮狀態(tài)，交感神經(jīng)興奮緊張，腎上腺素大量分泌，作用于心肌，激活心肌細胞腺甘酸環(huán)化酶，cAMP增加，cAMP使心肌糖原分解加強，加快能量代謝；另一方面，汗液流失同時大量血液流入體表，雖然腎臟反射性地增加了保水保鈉的力度，但中心循環(huán)血量明顯變少。容量感受器所受刺激減少，繼而發(fā)放沖動減少，進一步通過心交感神經(jīng)系統(tǒng)所致HR增加。環(huán)境習服使腎上腺素分泌水平適應性降低，同時醛固酮分泌增加也增強了機體鈉的重吸收，血容量和血滲透壓變化也更緩慢，這些因素的綜合作用引起了習服組HR更慢。

在濕熱環(huán)境下運動，機體在運動負荷和熱負荷的雙重刺激下，反射性引起皮膚毛細血管舒張，心血管系統(tǒng)負荷加重，心輸出量增加，但皮膚血流量增加，血液回流減少，導致舒張壓減少。對于習服的運動員來說，盡管熱應激聯(lián)合運動時伴隨體循環(huán)兒茶酚胺增加，意味著增加了交感神經(jīng)收縮活動，但是活動骨骼肌血管傳導性和體循環(huán)并未因此下降[7]。有研究指出與環(huán)境控制組比較，最大恒定強度運動初期，熱應激組全身血流和動脈血壓響應升高或者維持不變[14]。這和未訓練者個體在中等和大強度運動期間所見到心輸出量減少和動脈血壓下降形成對比[30]。然而高體溫推動心血管更快達到調節(jié)限值，心輸出量和流向運動骨骼肌及皮膚的血流不能長時間保持。骨骼肌這種血流受限潛在機制迄今雖未系統(tǒng)研究，但似乎合理的解釋是包括骨骼肌、腦和心臟等身體不同部位在熱、代謝、機械力、壓力反射敏感性及血管改變等引起的外周和中樞反應信號相互影響[7]。血壓的變化除與環(huán)境有關外，還與運動的形式和強度有關[15,16,31]，由于頸動脈竇與主動脈弓的壓力感受器對血壓變化很敏感，因機體散熱所致的血壓降低可使其產(chǎn)生反射性調節(jié)，動脈血壓在一定水平上高度穩(wěn)定，以維持心腦等重要器官的血液供應，因此有人認為這種反射性調節(jié)是受熱機體本身的一種積極性防護機制，但也可能在一定程度上掩蓋了血壓下降的潛在危險性。另外在蹬騎自行車時，由于肌肉用力收縮而產(chǎn)生的唧筒作用，從而產(chǎn)生升壓效應拮抗了濕熱環(huán)境降壓效果，有可能掩蓋了收縮壓下降的假象。本研究平均舒張壓運動后下降，呈現(xiàn)時間主效應的結果支持血壓影響運動誘導疲勞的觀點。舒張壓數(shù)據(jù)表明心臟充盈量減少，由于心臟充盈量減少，為保證心輸出量，最后平均HR HH較HA組高(P<0.05)，提示環(huán)境習服對在濕熱環(huán)境下運動員心血管反應影響有積極意義。

需要指出的是，本研究未觀察到熱習服對急性運動終末Tre以及其它一些指標的顯著效益，這可能與本試驗由于濕熱環(huán)境下一些受試者很難完成預定的負荷量，因而受試者總負荷量不同從而可能影響檢驗效果有關。有關指標的一致性趨勢提示在以后的研究中可適當增加樣本量。另外，HRV作為熱習服評價指標研究不多，但在競技體育界，熱習服訓練的實際應用日益增多[4,28,32]。由于熱習服誘導的生理效益具有明顯的個體差異[29]，通過獲得熱耐受性HRV測量值評估自主神經(jīng)系統(tǒng)功能或可作為完全熱習服的一個獨立指標。

4 結論

青少年中長跑運動員模擬濕熱環(huán)境習服伴隨直腸溫度下降、HR下降和以迷走神經(jīng)支配增強為特征的自主神經(jīng)功能性適應；熱習服后提高了運動員熱耐受力，延長了運動時間，提高了自主神經(jīng)穩(wěn)定均衡性。

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Changes of Cardiovascular and Hematologic Responses of Adolescent Middle and Long Distance Runners after the Simulation Training in Heat Acclimation and Humid Environment

XU Di-qun1,2,WANG Ren-wei2,LI Guo-qiang2,WU Wei-bing2,REN Jie2

heatacclimation;exercise;heatstress;cardiovascularandhematologicresponses;simulatedhotandhumidenvironment

1002-9826(2016)06-0062-07

10.16470/j.csst.201606010

2016-04-01；

2016-09-18

上海市科委攻關項目(10490503600)；閩南師范大學新世紀優(yōu)秀人才支持項目(SX13001)；福建省社科規(guī)劃項目(FJ2016B172)。

許弟群(1974-)，男，湖南邵陽人，副教授，博士，主要研究方向為特殊環(huán)境生理，Tel:(0596)2527023,E-mail:xdq20040801@126.com;王人衛(wèi)(1952-)，女，浙江杭州人，教授，博士，博士研究生導師，主要研究方向為女子運動與健康促進；Tel:(021)51253241,E-mail:renw-wang@163.com;李國強(1953-)，男，江蘇揚州人，教授，碩士研究生導師，主要研究方向為中長跑運動訓練，E-mail:lgq0305@126.com。

1.閩南師范大學 體育學院，福建 漳州 363000；2.上海體育學院 運動科學學院,上海 200438 1.Minnan Normal University,Zhangzhou 36300,China;2.Shanghai Sport University,Shanghai 200438,China.

G804.7

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