共振呼吸训练调节自主神经系统机制的研究进展

【作者】 高晓嶙； 吴东哲； 王昊； 王文迪；

【机构】 国家体育总局体育科学研究所；

【摘要】 生物体维持正常功能的必要条件是外界应激和自身调节反射。当个体极度缺乏应激时可能表现出生理功能异常;相反,长期处于应激状态,也容易导致疾病的发生,故阐明机体对应激的应对机制,对促进个体健康具有重要意义。共振呼吸训练是一种旨在通过实时反馈的缓慢呼吸训练来增加心率(HR)产生正弦振荡的非侵入式治疗训练的一种方法。本文就共振呼吸训练调节自主神经系统的机制进行综述,为明确心血管共振及共振呼吸训练相关生理机制以推广共振呼吸训练的应用。自主神经系统稳态由交感及副交感之间的平衡来维持。机体长期处于压力、疾病、创伤、应激等慢性应激状态会导致交感神经系统过度激活,扰乱自主神经稳定性。目前研究已证实,如糖尿病、高血压、抑郁症、PTSD、睡眠障碍等多种疾病的发生会伴随发生自主神经紊乱。因此,正确评价自主神经活动有助于了解心血管活动调节和心血管疾病的发病机制,了解干预自主神经系统手段有助于心血管健康与慢病防治的发展。人体中的存在许多振荡系统,如神经、心血管系统、昼夜节律等。振荡系统通过外界随机干扰而引起振荡控制,实现信息精准交互,体现功能调节的和谐。振荡反映外部刺激和自身调节的反射系统的运作,适当干扰刺激能促进控制功能敏感性,缺乏干扰刺激发生反射系统废用性萎缩,进而导致一系列病症。既往研究表明,利用外界周期性干扰刺激反复激活反射系统,有利于使个体对环境压力的影响更有弹性,提高表现能力,增强对心理和身体疾病的抵抗力。共振呼吸训练是一种易操作、效果好的周期性刺激人体心血管振荡的系统性训练方法。其通过采用共振频率下的深慢呼吸在心血管系统中引起有节奏的高幅度振荡,刺激和锻炼自主神经反射及压力反射。共振可以通过主动呼吸模式的改变产生心率和呼吸同步振荡,改善自主神经系统反射调节功能,实时性提高心率变异性。关于共振呼吸训练详细机制阐述如下。在人类中,心率(HR)和血管张力(VT)压力反射是心血管系统两个独立又相互依存的延迟性闭环负反馈通路,约在0.1 Hz和0.03 Hz处具有共振特征。当HR加速时,通过动脉压力感受反射进行缓冲整合,约5s后出现外周血压(BP)延迟性升高;而因为VT振荡频率低于HR振荡频率,血管的扩张和收缩比心脏加速或减慢更慢,因此在BP升高10-15s后出现血管扩张。上述5秒和15秒的延迟与0.1和0.03Hz的谐振一致(即振荡周期等于延迟值的两倍)。此外,与其他频率刺激或随着时间推移减弱的单一刺激相比,0.1 Hz或0.03 Hz的节律性刺激能对心血管系统产生更稳定的HR、BP和VT振荡,呈现更高振幅,具有促进健康表现。一方面,呼吸与HR振荡独立相关,吸气时HR增加,呼气时HR降低,即呼吸性窦性心律失常(RSA)。当振荡的频率与共振频率吻合,HR-压力感受器反射闭环系统会放大振荡。共振呼吸训练通过创建HR和呼吸的正弦相位同步模式增加训练者的RSA,增加心脏迷走神经活动,并刺激负责稳态的负反馈回路。正常呼吸频率(9-24次/分钟)下,HR和呼吸通常以90°相位角振荡,HR峰值往往出现在呼吸中间,产生较弱的共振效应。当HR和呼吸完全不相同时(呈180°相位角振荡),呼吸与HR异步循环,HR的峰值往往发生在呼气末,则此时气体交换效率最低。当呼吸和HR振荡完全相同时(呈0°相位角振荡),呼吸频率约为0.1hz(6次/分钟,该频率因人而异),呼吸与HR发生共振,即为共振呼吸训练,此时HR与呼吸呈现两个正弦波,波峰和波谷完全对齐,HR振荡的振幅增长到静息时的数倍,达到气体交换效率最大化。另一方面,HR和BP之间也存在相位关系,并随着刺激频率改变发生变化。研究表明,共振呼吸时,HR和BP以180°相位角振荡:即HR一开始上升BP就开始,下降,HR一开始下降BP就开始上升。也就是说由于压力反射闭环系统存在固有性延迟,BP波动不会立即得到纠正,而是先触发压力反射,在延迟一段时间,消除波动后再次触发压力反射,导致新的BP波动较小,该过程一直持续,直到BP波动稳定,因此任何BP波动都会在共振频率上引起衰减的BP振荡。该共振频率取决于HR-BP压力感受性反射的反应延迟时间,人约为5s。由于闭环系统中具有延迟性,反馈压力反射系统等于约延迟幅度两倍周期的频率振荡的共振系统。即延迟决定闭环系统中共振频率。如果延迟为(D)[s],则共振振荡的频率为1/(2D)[赫兹]。因此,在人类中,HR和BP以大约0.1赫兹(10s振荡周期)的频率发生振荡。当以共振频率进行呼吸时,HR和BP大约以180°相位角振荡,每一次呼吸都会刺激压力感受器反射,压力感受器反射增益(BP每改变1毫米汞柱每分钟改变HR的次数)大幅增加。此时共振呼吸训练成为一种以内源性刺激模拟外部刺激以增加HRV及锻炼压力反射的方式。这证明压力反射具有神经可塑性,通过定期反复锻炼可以强化该反射调节功能,进而刺激人体心血管振荡系统。综上所述,基于心血管系统共振特性进行共振呼吸训练,可以使RSA引起的高频振荡与压力反射引起的低频振荡之间发生共振,大大增加振荡幅度,从而刺激和锻炼自主神经反射及压力反射,增加自主神经稳态能力,改善自主神经功能障碍,产生一定的临床疗效,值得未来深入研究以应用于慢病干预、心理干预、运动科学等领域。更多还原