高强度间歇训练：运动量和锻炼效果研究进展

张戈

北京大学体育教研部（北京100871）

高强度间歇训练：运动量和锻炼效果研究进展

张戈

北京大学体育教研部（北京100871）

高强度间歇训练（high-intensity interval training，HIT）是指练习者在极量的运动强度下全力持续运动数十秒，然后短暂休息，再重复短时间全力运动的训练方法。诸多报道表明，HIT在有氧运动能力和骨骼肌代谢等方面能产生与传统的耐力训练相当的锻炼效果，又能显著增强无氧运动能力；研究显示，HIT能够通过激活PGC-1α信号通路引起骨骼肌细胞线粒体的增殖，并使骨骼肌毛细血管数量增加。HIT运动持续时间和运动量的大幅度减少，使其在量－效关系上具有高度的经济性，有利于锻炼坚持。未来应进一步观察其长期锻炼效应，以及在特殊人群中的安全应用，对其适应机制开展更加全面深入的研究。

高强度间歇训练；耐力训练；有氧能力；量效关系

随着对体力活动不足的健康风险及运动锻炼对一些慢性病具有防治作用的认识更加广泛深入，如何有效促使人们进行运动锻炼受到众多研究者的关注。从易于接受并建立运动锻炼的习惯和锻炼的经济性考虑，确定为了达到特定健康效益所需的最低水平的运动量，成为该领域研究的一个关键问题［1，2］。较早的观点认为，一般情况下运动刺激与训练效果之间存在正相关的联系［3］。美国运动医学会（ACSM）更明确建议每个成年人为增强和保持心肺机能，应进行每天30分钟以上、每周5天以上（每周共150分钟以上）中等强度的锻炼，或每天20分钟以上、每周3天以上（每周共75分钟以上）剧烈强度的锻炼［4］。显然，一般人要达到并长期坚持这样长的锻炼时间是有困难的。高强度间歇训练（high-intensity interval training，HIT），即多次重复的极量强度（all-out）穿插恢复期的训练［5］，与传统的长时间耐力锻炼（endurance training，END）相比，通过提高运动强度并显著减少锻炼持续时间，从而大幅度降低了锻炼的总能耗，即减少了运动量。诸多研究观察到，HIT在运动能力和骨骼肌代谢等方面都产生了与END锻炼相当甚至更全面的效果［6］，而其所需锻炼时间的简短使一般人更易接受和长期坚持，这就为运动健康促进提供了一条有效且便捷的方法途径。

1　高强度间歇训练（HIT）的方案及在有氧和无氧运动能力方面的效果

Tabata等在1996年发表的研究报告使“间歇训练”备受关注。他们采用机械制动的功率自行车作为运动形式，比较了END和HIT训练在锻炼者有氧和无氧能力方面产生的效果：END训练采用70%VO2max强度、每天60分钟、每周5天的方案；HIT训练为170% VO2max强度、持续20秒为一组、组间休息10秒、共进行8组、每周5天的方案。在6周的训练后，END组的VO2max出现非常显著增加（53±5 ml/kg/min vs 58±3 ml/kg/min），而以最大累积氧亏为指标的无氧能力没有显著变化；HIT组的VO2max增加幅度更大（48±3 ml/ kg/min vs 55±2 ml/kg/min），无氧能力则增加28%［7］。显然，运动持续时间显著减少（60分钟/天vs 4分钟/天），在有氧能力方面与END相当且无氧能力方面更为优越的锻炼效果，使HIT显示出明显的经济性和实用性优势。

在自行车运动之外，其他运动形式的HIT也被证明有显著的锻炼效果。McRae等采用了多种形式的全身性有氧抗阻训练（burpees，jumping jacks，mountain climbers，squat thrusts），持续20秒为一组、组间休息10秒、共进行8组、每周4天，与85%最大心率强度、持续30分钟、每周4天的跑台训练进行比较，4周后两组的摄氧量峰值都增加（7%～8%）；而间歇训练组的肌肉耐力（伸膝、胸推、仰卧起坐、俯卧撑、抬背）显著增加，运动愉悦感、参加运动的兴趣也显著增高［8］。进一步显示了HIT在应用方面的优越性。

上述研究的受试者都是无训练经历的健康成年人，对于训练水平较高的运动员，HIT训练也显示出了明显效果。Jakeman等对6名亚精英（subelite）级的三项全能运动员在正常完成训练之外，进行10组每次仅6秒钟的全力冲刺自行车HIT训练，负荷为7.5%体重，每次训练之间间隔1～2天，14天后与正常进行训练的同级别三项全能运动员对照组相比，受试者10km自行车骑行时间显著缩短（减少10%），达到血乳酸阈值的时间延长［9］，表明即使对于训练有素者，HIT仍是提高有氧能力的有效训练手段。

HIT虽然大幅度减少了运动持续时间和运动量，但因其锻炼方案要采用很大的运动强度，对于无锻炼经历者、高龄人群和慢性病患者仍具危险性，因此，有关研究仍在探索能够产生健康效益的最小运动量。Metcalfe等采用功率自行车60 W负荷，进行每周3次、每次10分钟练习，但在练习的10分钟当中进行2次10秒～20秒全力冲刺的低运动量锻炼方案，6周后练习者有氧运动能力非常显著增加（男子+15%，女子+ 12%）［10］。相比上述研究应用的8组或10组高强度练习，只有2次10～20秒的全力冲刺显然进一步大幅度地减轻了运动负荷，但锻炼效果仍然显著。Adamson等对根据BMI确定的超重中年受试者进行了HIT训练的研究，运动负荷是10组6秒钟全力的Wingate，2次/周，共进行了8周上述训练后，受试者摄氧量峰值（VO2peak）显著提高，以计时起立行走、负重步行50米时间和30秒坐起次数为指标的躯体功能显著增强，说明每次运动持续时间短至6秒的HIT对于中年人是增进健康的有效手段［11］。Adamson等另一项以老年人（65 ±4岁）为受试者的HIT训练，仍然采取了上述6秒钟全力的Wingate负荷（男7%、女6.5%体重的阻力重量），不同之处在于组数从6组开始，逐渐增加到10组，组间休息至少1分钟且心率必须降至120次/分以下才能开始下一组练习，6周训练后受试者收缩压降低9%、VO2max升高8%、计时起立行走提高了14%、负重步行50米时间减少7%［12］，说明低龄老年人仍然可以进行HIT训练，且能获得较显著的锻炼效果。

由上述可见，对于不同情况的健康人群，能够产生显著训练效果的HIT训练方案，其运动强度多数为全力冲刺；运动持续时间最短仅为6秒；练习的组数一般在8～10组；组间间歇时间多为10秒，也可根据练习者的情况略为延长；练习的频度最少为2次/周。累计练习的净时间加上间歇时间的总和，每次HIT的练习仅需数分钟即可完成，与传统END训练相比，HIT在时间上和总的运动量方面均显著减少，具有非常显著的经济性。

2　高强度间歇训练（HIT）运动处方的应用

HIT不仅在健康人群中应用产生了显著效果，在一些常见心血管疾患和代谢性疾病的患者中应用也被观察到显著的锻炼效果。

2.1HIT对心血管疾患的效果

HIT作为心血管疾患的运动疗法已经受到研究重视。在影响最广的高血压病方面，研究一致发现随运动强度的增加，运动后血压的降低更为显著［13］，Eicher等提出运动强度每增加10%VO2max，运动后收缩压下降1.5 mmHg、舒张压下降0.6 mmHg［14］。实验研究证实了高血压患者进行HIT在降低血压和改善其他心血管危险因素方面，较传统的END具有更好效果［15，16］。然而，近期Holloway等采取啮齿动物模型的研究报道了HIT对高血压大鼠产生的不利效果：高血压诱导的心力衰竭大鼠在传统的耐力训练后左心室纤维化程度显著下降，左心室毛细血管/纤维比率显著降低，但HIT对已形成的纤维化没有影响，且使左心室质量增加，同时不伴随毛细血管增生，说明HIT诱导了病理性的心脏重塑［17］；在骨骼肌，耐力训练诱导了高血压大鼠腓肠肌Ⅱa型肌纤维增生、Ⅱb型肌纤维减少、肌肉毛细血管增加，但HIT训练则使高血压大鼠Ⅱb型肌纤维增加、毛细血管/肌纤维比率下降［18］。因此，HIT应用作为高血压运动疗法，对于心血管结构方面的长期效应评估尚需更多研究证据。

HIT应用于其他心血管疾患的报道总体上具有积极的效果。Freyssin等在慢性心力衰竭患者的康复治疗中比较了HIT和END的效果，HIT采用了30秒高强度运动、60秒休息、每次练习12组的方案；END采用持续45分钟的有氧运动。8周后HIT组的峰值氧耗量、氧脉搏、6分钟步行距离等指标测量值显著高于END组［19］。Angadi等对射血分数正常性心力衰竭者分别采用85%～90%最大心率强度、4 min×4组、组间3 min间歇的HIT练习和70%最大心率强度持续30 min的耐力训练，均为3次/周，共4周，练习后发现，HIT组的峰值氧耗量显著增加、左心室舒张不全等级显著降低，而END组没有变化［20］。上述研究显示HIT对心力衰竭患者的康复锻炼与END相比具有更加显著的效果。近期一项总结性研究认为对于冠状动脉疾病患者，HIT比END在提高VO2peak方面效果更为显著，但END降低患者静息心率和体重的效果更明显［21］。综合看，HIT应用于心血管疾患具有独特价值，但其效果和机制仍需全面深入研究。

2.2HIT对代谢综合征的效果

Kemmler等的研究显示，HIT和中等强度END对中年男性受试者的代谢综合征Z分（MetS-Z-Score：甘油三酯≥150 mg/dL、HDL-C＜40 mg/dL、血压≥130/85 mmHg、空腹血糖≥100 mg/dL、腰围≥102？cm）都具有显著降低的作用［22］。在肥胖方面，Corte等发现肥胖儿童在分组分别进行12周HIT和END后，两组摄氧量峰值（VO2peak）均显著增高，胰岛素血症和HOMA指数均较训练前显著下降，两组BMI均出现下降［23］；Racil等比较了肥胖女青年进行高强度和中等强度间歇训练的效果，发现两种训练后受试者体重、BMI、体脂率、血浆脂蛋白、脂联素等都下降，但仅在高强度组出现腰围、甘油三酯和总胆固醇的下降［24］；我国王京京等的研究发现12周的高强度间歇训练与中强度持续训练均可减少腹部皮下脂肪，但前者效果更明显［25］。但Keating等则发现超重成年男子的总体脂率和躯干脂肪率在持续END后出现下降，而HIT组没有变化［26］，这可能与HIT总能耗较少有关。总体上，HIT能够有效改善脂肪代谢。而在糖代谢方面，作为对Ⅱ型糖尿病的省时运动疗法，HIT已经受到关注［27］。Little等发现对于肥胖成年人，HIT相比持续耐力训练对餐后血糖控制具有更显著和更持久的效果［28］。Hood等报道静态生活成年人2周HIT训练后骨骼肌糖转运蛋白含量增加了约260%，胰岛素敏感性增强约35%［29］。总体看，HIT对代谢综合征具有显著改善的效果。

3　高强度间歇训练（HIT）效果产生的机制

3.1HIT对骨骼肌代谢的作用

HIT能够有效增强有氧和无氧运动能力，并改善代谢功能等的研究结果，引发了深入探究其机理的兴趣。首先受到关注的是不同运动强度的能量供应途径。从传统观点看，HIT因其大强度和短持续时间，应以无氧供能为主，对能量供应的有氧途径不会产生太大影响，但Burgomaster的研究表明，受试者在HIT训练后柠檬酸合成酶（citrate synthase）的最大活性增强，在同样进行80%VO2peak负荷的自行车运动中，训练后受试者的糖原利用和乳酸堆积较训练前减少［30，31］，表明HIT训练能够增强有氧供能的关键酶和底物代谢过程。Gibala等通过肌组织活检，比较了4～6组250% VO2peak（约700 W）负荷下30秒全力功率自行车运动和持续90～120分钟的65%VO2peak（约175 W）负荷下自行车运动，3天/周，共2周训练后的效果，发现两种训练后受试者股外侧肌活检样本内细胞色素C氧化酶（COX）有类似幅度的增高，肌肉对酸的缓冲能力和糖原含量的增高在两组间也类似［32］。Burgomaster的另一项研究显示，进行每周3次的4～6组30秒全力功率自行车训练，在第1周后受试者葡萄糖转运蛋白4（GLUT4）即出现显著增加［33］。从而表明短期HIT即能有效提高骨骼肌中碳水化合物的氧化利用能力。

一般认为，脂肪代谢因其较大的氧耗量而需要较长的运动持续时间才能充分动员，但研究表明HIT训练也能够影响骨骼肌内的脂肪代谢过程。Burgomaster等以每周3天、每天重复4～6次的30秒全力Wingate负荷与每周5天，每天持续40～60分钟的65% VO2peak（约150 W）负荷自行车运动进行分组比较，6周后两种负荷锻炼组骨骼肌线粒体内碳水化合物代谢的标志物丙酮酸脱氢酶E1ɑ蛋白含量和脂肪氧化的标志物3-羟烷基辅酶A脱氢酶的最大活性都有相当水平的增加；训练后，运动中糖原和磷酸肌酸的利用减少，全身碳水化合物和脂肪氧化的估算率分别出现减少和增加，上述变化在两组间差异不显著［34］，表明HIT训练能有效增强骨骼肌对糖和脂肪的氧化能力，并诱导了和END训练类似的适应性的运动中代谢反应。Shepherd等进一步发现，以每周3天、每天重复4～6次的30秒全力Wingate负荷训练组，与每周5天、每天持续40～60分钟的中等强度自行车运动组比较，6周后两组均出现了运动中Ⅰ型肌纤维内甘油三酯降解显著增加，脂滴包被蛋白2和5（PLIN2，PLIN5）的蛋白表达增加，Matsuda胰岛素敏感指数增强等效果，表明两种方式的训练都增加肌细胞内甘油三酯的利用，并增强胰岛素敏感性［35］。上述研究显示HIT对骨骼肌的脂肪代谢也能够产生有效的促进作用。

3.2HIT增强有氧能力的机制

持续数秒乃至数十秒的高强度运动能够影响骨骼肌糖和脂肪代谢，并有效增强机体有氧能力的结果，显然需要进一步的解释。目前认为训练后有氧能力的增强主要通过中枢和外周两个途径，即心血管功能的增强和肌细胞对氧的利用能力增加。

3.2.1HIT对骨骼肌线粒体的影响

Macpherson的报道提出，HIT训练后产生的有氧运动能力的增高主要是由于外周适应，因其与END同样增强有氧运动能力的同时并未同样提高心输出量［36］；Gibala等则发现HIT能够引起骨骼肌中过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1α（PGC-1α）的表达增加［37］，Bartlett等发现HIT诱导的PGC-1mRNA表达的增加与END类似［38］，由于PGC-1α对细胞内线粒体的增殖及其呼吸和氧化代谢作用有重要加强作用，故综合上述研究推测，HIT和END后骨骼肌细胞物质代谢能力的类似增强，可以归因于两种方式的训练后肌细胞内PGC-1α的合成都出现增加，从而诱导了线粒体功能和数量增加。更加直接的支持性证据是Little等的报道，他们采用4组30秒全力Wingate负荷训练，在运动前、运动结束即刻、运动结束3h、运动结束24h共取了4次受试者股外侧肌的活检样本，结果发现，运动结束3h后肌细胞核的PGC-1α蛋白及其线粒体基因mRNA表达出现增加，运动结束24 h线粒体蛋白含量和酶活性显著增加［39］，说明一次性的HIT训练就激活了骨骼肌细胞线粒体增殖的信号通路。

3.2.2HIT对心血管的影响

除了使线粒体的数量和功能增加之外，研究也观察到HIT增强心血管功能的效果。Scribbans等通过肌纤维活检，发现在6周的HIT（持续20秒的170% VO2peak强度的自行车训练，8组/次，4次/周）和END（每次持续30分钟的65%VO2peak强度的自行车训练，4次/周）训练后，Ⅰ型和ⅡA型肌纤维之间的毛细血管数量和氧脉搏都出现程度相当的增加［40］。有趣的是，该研究发现在END运动时ⅡA型肌纤维也被动员（细胞内糖原含量在运动后显著减少），与进行HIT时相似，认为65%VO2peak强度可能是ⅡA型肌纤维被动员的阈强度，并提出肌纤维动员方式的类似可能是HIT和END训练后产生类似适应的基础，而这就意味着是运动强度及其所决定的肌纤维募集方式，而非运动持续时间，才是运动后生理适应发生的决定因素，这似乎有助于理解极短时间（数秒至十数秒）的全力运动即能产生显著适应效果的情况。近期Mueller等通过指标更加全面的实验观察到，健康男青年进行8周HIT（自行车75%最大功率强度，持续4分钟，共4组，组间间隔4分钟，2～3次/周）后，活检肌组织内MyHC-2A纤维比例、毛细血管/肌纤维比率均显著增加，最大心输出量和最大每搏输出量显著增加［41］。Scharf等通过磁共振成像观察了无训练经历成年人在16周跑步HIT（强度80%～90%最大心率、90秒×8组、2～4次/周）后的心脏变化，发现左、右心室容积和质量均有显著增加，且与VO2max的增加高度相关［42］。上述研究结果能够很好地解释HIT从中枢（增强心血管功能）和外周途径（促进线粒体的增殖和功能）有效增强有氧能力的机制。

4　小结

诸多研究报道表明了HIT能够在增强有氧运动能力和糖与脂肪代谢等方面获得与长时间中小强度训练相当的效果，并能有效增强无氧运动能力，从而体现出比END更全面的锻炼效果。而运动持续时间和运动量的大幅度减少，使这种锻炼方法在量-效关系方面体现出高度的经济性，更具实用操作价值。但作为高运动强度的训练，其在不同人群，尤其是静态生活方式、身体虚弱者和老年人群体中的应用，其可行方案尚可进一步明确，其安全性和锻炼效果仍需进行评估。长期HIT锻炼产生的适应性变化及其机制，尚需更加全面深入的探究。

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2015.08.25

张戈，Email：0006167383@pku.edu.cn