杜維平，宋 婧，郝建華，池愛平

(1.陜西師范大學 體育學院，陜西 西安 710119;2.包頭市體育運動學校，內蒙古 包頭 014010)

充足的睡眠可以有效恢復人體的體能，而低質量的睡眠不僅不能使人體體能得到恢復，還會造成心交感神經和迷走神經的失衡，從而造成運動能力的下降[1]。研究發(fā)現，一次睡眠不足后，對人體最大無氧功率無較大影響，但會造成平均無氧功率和最小無氧功率顯著性下降，疲勞指標出現梯度上升；此外，與睡眠正常者相比，一次性睡眠不足者運動時達到最大攝影量峰值的時間也會顯著性提前，睡眠不足會造成人體無氧能力和抗疲勞能力下降，并且對有氧能力的消極影響也較為明顯[2-3]。

運動后的心臟自主神經活性可以用心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)和單位時間心率恢復的速度(Heart Rate Recovery HRR)來評價，心率變異性包含了大量自主神經對心臟系統的調節(jié)信息，在運動前后檢測HRV可以有效評估心交感神經和迷走神經的平衡性，是監(jiān)控心臟自主神經和運動訓練適應性的有效手段[4]。

盡管已有文獻對睡眠和訓練學參數對心臟自主神經影響進行了研究，但二者的交互性對心臟自主神經的影響及其變化規(guī)律的研究目前鮮有報道。因此，為了探索一次性睡眠不足對人體力竭運動后心臟自主神經活性的影響，以體育專業(yè)大學生為實驗對象，建立不同程度的睡眠不足模型，檢測其通過布魯斯(Bruce)方案的跑臺力竭運動后的HRV指標和HRR指標，探索睡眠不足后進行力竭運動對人體心臟自主神經活性的影響，為進一步闡明睡眠與運動性疲勞之間的關系提供理論依據。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

選取某高校體育教育專業(yè)30名男生(18～20歲)為研究對象，所有研究對象為普通高考體育類考生(考試訓練項目均為100 m、800 m、鉛球、立定跳遠)；根據某高校體育專業(yè)學生身體素質達標測試成績進行篩選，確定研究對象具有良好的運動能力。

納入研究對象的篩選條件：100 m成績達到12.3 s、800 m成績達到2 min 16 s和立定跳遠達到2.66 m。

對研究對象的身高、體重、體成分(體成分測試儀，型號Inbody3.0)等指標進行測試，確保實驗對象身體基本條件相對均一，離散度較為集中。

1.2 研究方法

1.2.1 睡眠模式的建立

參考2015年美國睡眠基金會18～25歲青年人夜晚睡眠時間推薦量，建立了不同程度睡眠不足模型[5]：輕度睡眠不足組(T1)(4 h<睡眠時間<6 h)和重度睡眠不足組(T2)(睡眠時間≤4 h)兩種模型。造模前告知研究對象本次實驗的過程與目的，并簽訂知情同意書，且在造模期間，研究對象不能有抽煙、喝酒、劇烈運動和情緒波動等情況。

睡眠模型的時間控制：三組研究對象入睡時間分別為：對照組夜間十點；T1組次日凌晨一點；T2組次日凌晨四點；所有研究對象均在次日早晨七點準時被喚醒；同時，研究對象在夜晚佩戴人體機能檢測儀(GTX-9美國)，用來確認實際睡眠時間。對睡眠時間數據整理與分析，篩選出符合輕度睡眠不足和重度睡眠不足要求的研究對象各10人；此外，選擇另外10名睡眠時間在7 h～9 h的測試者作為對照組。

1.2.2 運動模型的建立

采用運動跑臺(h/p/cosmos cos10253 德國)的布魯斯方案(Bruce Protocol)作為一次性力竭運動的干預方式。調節(jié)跑臺模式為Bruce運動方案，為防范受試者發(fā)生體力不支等意外情況，在受試者上跑臺前將系好緊急安全帶并佩戴Polar表監(jiān)測和記錄動態(tài)心率；啟動跑臺后，系統自動每三分鐘升一級，每級末根據主觀感覺運動負荷評估表(Rating of Perceived Exertion RPE)詢問受試者每級別跑臺的感受并記錄。

力竭運動終止的標準為受試者出現以下任意三種情況[6-8]：①行為表現：受試者表現出呼吸困難并伴隨大汗的情況；②血壓變化：受試者收縮壓大于150 mmHg，舒張壓大于75 mmHg；③心率：受試者心率接近或達到本人最大心率(220-年齡)；④RPE等級：受試者RPE值達到18～19級時，經鼓勵后仍無法繼續(xù)運動。

1.2.3 HRV及HRR指標采集方法

三種睡眠時間后讓實驗對象進行力竭運動，采集每次運動前安靜狀態(tài)下5 min、運動后即刻及運動后30 min HRV指標以及運動后心率恢復指標。

HRV指標采集：使用身體機能檢測儀GTX-9檢測實驗對象實驗期間HRV的時域指標：R-R間期標準差(SDNN)和相鄰R-R間期差的均方根(RMSSD)；頻域指標：低頻輸出功率的均值(LF)和高頻輸出功率的均值(HF)。

HRR指標采集：檢測實驗對象實驗期間恢復心率，計算運動后60 s心率下降的絕對值(HRR60)；運動后120 s心率下降的絕對值(HRR120)；運動后60 s心率下降與運動最大心率比值(%HRR60)；運動后心率恢復的相對系數(CHRR)；%HRR60和CHRR計算公式如下：

%HRR60=HRR60/HRpeak×100%；

CHRR=HRR60/HRpeak-HRrest×100%。

1.2.4 統計分析

將HRV與HRR數據從Kubios軟件中導出，再運用Microsoft Excel、SPSS 24.0、GraphPad Prism統計分析作圖；數據是否服從正態(tài)分布采用Kolmogorov-Smirnov檢驗，方差齊性采用Levene檢驗；符合正態(tài)分布與方差齊性的數據采用單因素重復方差分析(one-way rmANOVA)；不符合正態(tài)分布與方差齊性的數據采用Friedman檢驗；數據結果以“均數±標準差”(χ±s)表示，顯著性差異水平為P<0.05。

2 研究結果

2.1 睡眠模型評估結果

根據不同程度睡眠不足模型的造模方法，同時采用睡眠檢測儀記錄實驗對象的實際睡眠時間，確保研究對象的睡眠時間符合模型要求，三組睡眠時間結果見圖1 所示。

圖1 研究對象睡眠結果注：與對照組比較*表示P<0.05，** 表示P<0.01，***表示 P<0.001；#與T1組比較# 表示P<0.05，##表示 P<0.01。

圖1結果顯示，研究對象在T1、T2兩種睡眠不足模型中的實際睡眠時間均符合造模要求，即：T1為4～6h、T2≤4h；且正常對照組的睡眠時間也大于7h。

2.2 運動模型評估結果

為了明確運動力竭的終止標準，本實驗確定以行為表現、血壓變化、心率峰值和RPE等級4項條目作為運動力竭的評價標準。結果見表1所示。

表1結果顯示，在運動力竭的終止標準評價的4個指標中，研究對象運動行為表現均為：呼吸急促/大汗；收縮壓大于150 mmHg且舒張壓大于75 mmHg；心率接近本人最大心率(200～202次/min)；RPE等級達到18～20級。上述4個指標中超過3個符合本實驗的力竭運動標準。

表1 運動模型評估結果(N=30)

2.3 不同睡眠模式組力竭運動后HRR結果

表2結果顯示的是三種睡眠模式下進行力竭運動后心率恢復的變化特點。

表2 不同睡眠模式組力竭運動后HRR變化

表2結果顯示，與對照組相比，運動后T2組120 s心率下降的絕對值顯著性下降(P<0.05)；三組相比較，運動后60 s心率下降的絕對值、運動后60 s心率下降與運動最大心率比值以及運動后心率恢復的相對系數隨著睡眠剝奪時間的增加呈現出下降趨勢，但與對照組相比無顯著性差異。

2.4 不同睡眠模式組力竭運動前后HRV時域指標結果

不同睡眠模式組力竭運動前后HRV時域指標結果見圖2所示。

圖2 不同睡眠模式組力竭運動前后時域指標變化注：(a：RMSSD比較，b：SDNN比較)；與運動前同組相比較，*表示P<0.05；**表示P<0.01；#表示與對照組相比P<0.05。

圖2中短時HRV時域指標顯示，運動前安靜狀態(tài)下睡眠時間越少對應越低時域指標，且與對照組相比：T2組運動前時域RMSSD和SDNN均有顯著性下降(P<0.05)。與運動前相比：運動后即刻三組RMSSD均極顯著性下降(P<0.01)，T1組和T2組SDNN顯著性下降(P<0.05)，對照組SDNN運動后即刻下降但無顯著性。運動后30 min，三組的RMSSD對比運動前仍極顯著性下降(P<0.01)，T1組SDNN與運動前相比也顯著性下降(P<0.05)。

2.5 不同睡眠模式組力竭運動前后HRV頻域指標結果

不同睡眠模式組力竭運動前后HRV頻域指標結果如圖3、圖4所示。

圖3 不同睡眠模式組力竭運動前后頻域指標變化注：(a：運動前LF、HF比較，b：運動后即刻LF、HF比較，c：運動后30 min LF、HF比較；#表示與對照組比較 P<0.05，##表示P<0.01；*表示與運動前同組相比較P<0.05，**表示P<0.01。

由圖3可以看出，HRV頻域指標變化較大；運動前安靜狀態(tài)下隨睡眠時間剝奪的增加呈現越低的頻域指標LF和HF，且與對照組相比，運動前安靜狀態(tài)下T1組LF、HF有顯著性下降(P<0.05)，T2組LF、HF極顯著性下降(P<0.01)；與運動前相比：運動后即刻和運動后30 min三組的HRV頻域指標LF和HF均極顯著性下降(P<0.01)；運動后30 min與對照組相比：T2組HF極顯著性下降(P<0.01)。

圖4顯示的是不同睡眠模式組力竭運動后LF和HF兩者比值的變化。三組LF/HF比值在一次力竭運動后呈現梯度上升；與運動前相比，運動后即刻三組LF/HF均顯著性上升(P<0.05)；運動后30 min恢復過程中，與對照組相比，T1組和T2組恢復較慢，且T2組與對照組相比有顯著性差異(P<0.05)；說明睡眠是影響力竭運動后心自主神經恢復的重要因素。

圖4 不同睡眠模式組力竭運動后LF/HF比值結果注：*表示與運動前同組相比較P<0.05；#表示與對照組同項比較P<0.05。

3 分析與討論

3.1 睡眠不足對人體安靜狀態(tài)下HRV的影響

身體在受到睡眠不足影響后會激活自主神經系統來調節(jié)循環(huán)功能，而循環(huán)功能的調節(jié)主要通過交感神經和迷走神經(副交感神經)的相互作用來實現[9-10]。研究表明，HRV時域指標SDNN的下降代表了心交感神經的活性增強，時域RMSSD和頻域HF的降低代表迷走神經活性受到抑制[9]。本實驗中，體育專業(yè)大學生接受不同程度的睡眠剝奪后發(fā)現，睡眠時間越少對應越低的HRV時域指標RMSSD、SDNN和頻域指標LF、HF，且與對照組相比，T2組安靜狀態(tài)下HRV時域RMSSD、SDNN和頻域HF、LF均有顯著性下降，T1組運動前安靜狀態(tài)下HRV頻域指標HF、LF也顯著性下降。因此本研究認為，對人體睡眠時間的剝奪(少于4～6 h)會導致心交感神經在心臟自主調節(jié)的過程中占主導，心迷走神經對HR的調節(jié)效應性減少，從而造成運動前安靜狀態(tài)下自主神經在心臟節(jié)律的過程中失衡。關于睡眠不足后引起自主神經失衡的生理機制，研究認為，心律失常受自主神經系統、激素和心理等多種因素的影響，短時間的睡眠也可以使交感神經系統過度激活，交感神經過度激活后，使心率加快、心肌收縮力增強，從而導致室性心動過速、心室纖顫、心房顫動等心律失常[10]。此外，睡眠不足還可升高健康人群血液循環(huán)中的去甲腎上腺素及腎上腺素水平，而去甲腎上腺素能激活心肌細胞膜上的β1腎上腺素受體，β1受體通過一系列化學反應使細胞內鈣離子增加而加快心率，導致心律失常的發(fā)生[11]。

3.2 睡眠不足對人體力竭運動后HRV的影響

越來越多的實驗證明，運動強度是造成HRV變化的主要因素[12]。研究發(fā)現，大強度運動(VO2max80%以上)疲勞后，運動員心率的瞬時波動趨向減少，HRV的時域RMSSD和SDNN指標比安靜狀態(tài)顯著下降；此外，5周的高原訓練中(有氧間歇、中等強度有氧、無氧閾)，第4周與第1周相比，SDNN、RMSSD指標分別下降了16.42%和21.92%。而從低運動強度到中等運動強度(約50%～60%的最大攝氧量)，RMSSD下降最大，直到第一個乳酸閾值/通氣閾值，此后，迷走神經對HR控制的貢獻率逐漸減少。在HRV頻域指標方面，一般認為人體運動過程中心率大于100次/min時，迷走神經對心臟HR調節(jié)的作用增強，HRV頻域指標LF、HF上升，但隨著運動強度的不斷增強，迷走神經對HR的調節(jié)作用逐漸減少，此時表現為較低的LF和HF。這些發(fā)現解釋迷走神經對心率的控制隨運動強度上升穩(wěn)步下降，自主神經出現失衡。本實驗讓受試者在睡眠不足情況下進行力竭運動，運動后5 min限度內時域指標顯示：與運動前相比，運動后即刻三組HRV時域指標RMSSD、頻域指標HF與LF均呈現極顯著性下降，說明力竭運動強度的加壓下，迷走神經對HR的控制達到最低，此強度對心臟自主神經系統造成的影響是明顯的。且運動后即刻與對照組相比，T1和T2兩組并無顯著性差異，提示運動強度是造成心臟自主神經在運動后失衡的主要原因，這與大多數實驗相一致。但我們發(fā)現：較對照組相比，T1組和T2組時域SDNN也顯著性下降，運動后即刻睡眠不足組LH/HF均高于對照組，且睡眠時間越短，運動后SDNN指標越低，對照組無顯著性下降，說明睡眠不足會進一步加深運動強度對自主神經的影響。

而在恢復期間，我們發(fā)現：運動后30 min三組的HRV時域和頻域指標與運動前相比仍呈顯著性下降趨勢，未能完全恢復到運動前的基線，說明力竭運動對心臟自主神經造成的負荷短時間內不能完全恢復，迷走神經活性仍處于抑制狀態(tài)。但與對照組相比較，T1和T2兩組的時域和頻域指標恢復速度較慢，且HF和LF/HF比值與對照組相比有顯著性的差異，分析認為這可能是睡眠不足影響迷走神經對HR的抑制作用，造成運動性心血管系統疲勞的恢復速度減慢。

3.3 睡眠不足對人體力竭運動后HRR的影響

心率恢復(HRR)與迷走神經有關，并且是高強度運動后評價迷走神經再激活的重要指標[5]，HRR相關指標如CHRR、%HRR、HRR120和HRR60等的下降與運動強度與運動疲勞也有一定的關系，這就提示我們HRR可以作為機體對運動強度的適應性與非適應性變化，為運動中心臟自主神經的研究提供了更多的視角。本文對力竭運動后HRV反饋的結果分析認為，睡眠不足會進一步加深運動強度對自主神經調節(jié)HR的影響，這一點從力竭運動后HRR指標中也得到了證實。本實驗中，HRR的相關指標隨著睡眠時間剝奪程度的增加而呈現出降低的趨勢，并且與對照組相比，運動后T2組120 s心率下降的絕對值(HRR120)存在顯著性下降。研究發(fā)現，運動后心率的下降主要原因是迷走神經的再激活效應，即迷走神經活性在疲勞后的恢復和交感神經的降低，并且β-腎上腺素并不在這一階段中起阻滯的作用，交感神經的活性在運動后即刻不再升高。本實驗與對照組相比，T1組和T2組HRR相關指標下降，更加證明了睡眠不足情況下的力竭運動對其疲勞程度較對照組更加顯著，造成心迷走神經在運動后再激活過程減緩，恢復過程受到的抑制也更加明顯。因此，本文認為睡眠不足與運動強度的交互作用在自主神經系統對心血管系統的調節(jié)過程中具有重要的影響。

4 結論

(1)睡眠不足造成心臟自主神經節(jié)律失衡，表現為運動前安靜狀態(tài)下與對照組相比，T2組HRV時域指標RMSSD、SDNN和HRV頻域指標LF、HF顯著性下降。(2)力竭運動負荷是造成運動后心血管系統疲勞的主要原因，但睡眠不足進一步加深了對此的影響，主要表現為與運動前相比，運動后三組HRV時域指標RMSSD、SDNN、頻域指標HF與LF均顯著性降低，且睡眠不足組與對照組相比有顯著性差異。(3)在恢復期間，與對照組相比，T1組和T2組HF和LF/HF恢復較慢，HRR指標下降，但T2組與對照組相比有顯著性差異，說明睡眠不足還是影響力竭運動后心功能恢復的重要因素。