呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和血压即时变异影响的研究

沈仲元 竺英祺 闫世彪 Shin Lin

专题主持／沈仲元

专题笔谈：呼吸调节对心率和血压的影响

呼吸频率调节下切断家兔迷走神经对心率变异和血压即时变异影响的研究

沈仲元 竺英祺 闫世彪 Shin Lin

专题主持／沈仲元

目的 在呼吸频率调节下，观察家兔切断双侧迷走神经前后、呼吸停止前后的心率变异（heart rate variability，HRV）、血压即时变异（blood pressure instant variability，BPIV）与呼吸的关系。方法 选取10只标准实验家兔，建立兔机械通气模型，在麻醉下施行呼吸机机械通气，潮气量恒定10 mL／kg，呼吸频率70次／min。切断双侧迷走神经前后和呼吸停止前后连续记录心电、呼吸和血压；分析呼吸频率变化与HRV、BPIV变化的关系。结果 在切断双侧迷走神经前，R-R间期、BP-BP与呼吸相呈同步周期性变化，趋势一致，HRV及BPIV的中心频率均与呼吸功率谱密度中心频率一致。在切断双侧迷走神经后，R-R间期、BP-BP与呼吸同步周期性变化和趋势一致性被破坏，HRV及BPIV的中心频率基本消失，与呼吸功率谱密度中心频率不一致；呼吸停止后HRV及BPIV消失。结论 呼吸调节下的HRV、BPIV符合呼吸性窦性心律不齐的生理机制，是R-R间期变化的二次效应，反映了自主神经平衡调节的结果，符合肺牵引受体兴奋所引起的Hering-Breuer反射的机制。

呼吸调节；随意性呼吸；切断迷走神经；血压即时变异；心率变异

呼吸是生命的表征，身体随着代谢率的改变通过调节呼吸的深度和频率以适应机体代谢的需要。呼吸是导致正常人出现循环系统多项指标表现出变异性的根源。现代医学已经证明在人体的生命活动中，呼吸这种活动既是被动的，不受主体控制的非随意性活动，但又能部分主动控制的随意性活动；呼吸活动既能反映自主神经活动的特点，又能影响自主神经活动的平衡。呼吸调节研究和自主神经的平衡调节与中枢控制的相互作用研究证明了上述观点［1－3］。多年来已有大量的心率变异（heart rate variability，HRV）基础研究和临床应用［4－6］，关于HRV不再在此多述。血压是人体最主要的生命体征之一，是身心反应最敏感的调节内容之一，也是身心平衡被打破而引起血压系统失调（高血压）的主要原因之一，高血压的风险不仅取决于血压水平，还取决于血压波动。血压调节是一个非常复杂的过程，相关的生理学和基础临床研究表明，血压变异同样接受神经和体液的调节。交感和副交感神经活动异常，血管压力感受器的反射活动异常以及体液因素（如血管紧张素、内皮素、氧化亚氮、缓激肽、胰岛素等）异常分泌都能导致血压的异常变化［7－9］。

血压变异可分为短时变异（心动周期、分钟、时段），长时变异（日、月、季节、年度），以往的研究主要集中在对血压的短时变异上，主要是观察24 h内以15～60 min为一次测量单位的动态血压变化，探索昼夜节律特征，解读血压生理和临床血压变化以及相关的药理作用，研究血压调节与自主神经平衡调节的关系，但这类研究并不反映血压即时变异的动态过程。血压即时变异（blood pressure instant variability，BPIV）是指相邻二次心动周期连续血压值测量的变化，也是人类血压最基本的生理特征之一［10］。著名的心血管和血压变异研究学者Giuseppe Mancia教授在2012年欧洲第22届高血压科学年会上指出：每次心跳之间的血压变异性和血压变化速度的变异，高血压患者血压变化的速度要比血压正常的人更迅速［11］，这些现象的临床意义仍未被阐明。目前，关于BPIV和HRV的关系、BPIV和呼吸的关系、HRV与自主神经调节的关系还较少有人研究，另外HRV已被证实是能反映心脏自主神经平衡调节的窗口，BPIV是否也能够作为反映血压的自主神经调节平衡的窗口也较少见到相关的基础与临床研究。本文旨在这方面作些探讨。

1 资料和方法

1.1 研究资料

健康雄性日本大耳白兔10只［上海斯莱克实验动物有限责任公司，许可证号：SCXK（沪）（2006－2009）］，由辽宁医学院实验动物中心提供。体质量（2.5±0.5）kg，兔龄5～6个月。实验前将其置于通风避音房间单笼饲养1～2周，自由进食、水。并给予光照黑暗周期（12 h∶12 h，早06∶00—18∶00光照，晚18∶00—次日06∶00黑暗），保持动物饲养房湿度（35±4）%，温度（24±2）℃。

1.2 研究方法

1.2.1 兔呼吸控制模型建立 称重，耳缘静脉注射3%戊巴比妥钠30 mg／kg麻醉（戊巴比妥钠由德国进口，北京化学试剂公司分装），取仰卧位固定于手术台。无菌条件下行气管切开，插入带有侧口（╣）的气管插管，建立机械呼吸通道，气管插管侧口（╢）插入热敏呼吸记录电极［感应吸气与呼气的气流温度变化（呼出气体温度较高，形成向上波形，吸气时气体温度较低，形成向下波形）］并封闭［12］。用注射用维库溴胺（成都天台山制药有限公司）0.1 mg／kg由耳缘静脉肌松，每0.5 h追加0.1 mg持续泵入维持至实验结束。注射维库溴铵后呼吸波形振幅逐渐降低，及时连接呼吸机（浙江医科大学仪器实验厂）行机械通气，根据家兔生理性呼吸指标［13］，设置呼吸机参数：吸呼比（I∶E）为1∶2。确定实验基础状态：潮气量10 m L／kg，呼吸频率50～70次／min。注射维库溴铵后呼吸波形振幅逐渐降低，及时连接呼吸机行机械通气，呼吸机代替兔随意呼吸。模拟Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ导联连接方式用记录电极尖端刺入兔肢体皮下，用SKY-A4三通道生理记录仪（复旦大学医学院仪器实验厂）同步显示和采集呼吸、心电、动脉压等生理波形和记录数据。数据稳定后开始实验干预和记录。

1.2.2 实验记录 按实验程序的时间先后分为4个时段：①兔气管插管呼吸控制模型建立后，自主神经分离前（指气管插管之后，颈动脉及自主神经分离之前，以避免该操作对自主神经产生损伤影响）；②颈部气管旁钝性分离血管、自主神经，颈动脉插入生理压力换能器后；③切断双侧迷走神经（甲状软骨水平）后；④停止呼吸机机械呼吸后。

1.2.3 实验干预 按频率和通气量：呼吸频率调节为50—60—70次／min，通气量调节为在呼吸60次／min下，8—10—12 mL／kg。每次调节时间为5 min，休息5 min。呼吸停止是指家兔实验干预结束后，停止呼吸机机械呼吸至死亡之间能记录到的心电和血压波形（需记录完整256次以上的心跳和血压波型，以满足分析需要）。本文就呼吸频率70次／min，通气量10 mL／kg条件下，切断双侧迷走神经前后和停止呼吸机机械呼吸后的HRV、BPIV及其他相关的结果进行分析讨论。

1.3 数据收集和分析

1.3.1 信号采集与处理 用SKY-A4三通道生理记录仪（复旦大学医学院仪器实验厂）同步显示和采集呼吸、心电、动脉压等生理波形和记录数据。原始记录数据（同步记录的心电、血压、呼吸信号（图1），由BRS＆HRV2.0打开文件，修正早搏、心动过速、长间歇等心律失常及干扰伪差，选取R-R和BP-BP记录比较平稳段分析。无特别说明，本文出现的R-R是指相邻二次R波的时间值，BP-BP是指相邻二次的动脉收缩压值，BPIV是指相邻二次的动脉收缩压差异。

1.3.2 HRV、BPIV分析 采用快速傅立叶变换（FFT）自回归（AR）模型［14］，功率谱密度（power spectral density，PSD）单位采用ms2／Hz。分析参数设置：R-R间期序列长度为256。兔频谱成分范围划分：根据呼吸峰移位情况，呼吸与心率的谱相关性［15－16］校正HF段，并计算高频峰功率（HF）。

2 结果

2.1 切断家兔迷走神经前呼吸调节与心率变异、血压即时变异的关系

从图2、图3中可以看到，70次／min的呼吸调节下，R-R变异趋势、BP-BP变异趋势和呼吸波变化趋势都完全同步。呼吸节律和每次心搏的R-R间期变化、收缩压值变化同步。完全符合吸气时（呼吸波向下）R-R变小，收缩压值变大，呼气时（呼吸波向上）R-R变大，收缩压值变小。呼吸峰中心频率（呼吸活动谱成分）与心率变异中心频率、BP-BP变异中心频率完全一致。通过计算，心率变异的中心频率峰（HF段）和BP-BP变异的中心频率（HF段）＝呼吸频率／心搏频率。LF段的功率很小，与呼吸的关系可以忽略不计。

图1 记录的原始心电、动脉压、呼吸波形Fig.1 The originally recorded waveform s of ECG，angiosthenia and respiration

2.2 切断家兔迷走神经后呼吸调节与心率变异，血压即时变异关系

①呼吸相变化与BP-BP变化、R-R变化失去了同步性；原来的BP-BP变化、R-R变化的连续曲线被破坏；②呼吸频率与心搏频率比值改变与BP-BP变异、R-R变异的中心频率变化呈不相关或不完全相关；与切断前比较HF功率明显减小；③R-R，收缩压同步变异趋势呈现出低频的正旋波（图4），或叠加有呼吸变化的低频不规则正旋波（图5），尤其是BP-BP变异的LF功率明显增大。

2.3 呼吸调节停止后R-R和BP-BP的变化趋势

从图6、图7可以看出，呼吸机调节停止，家兔呼吸停止后的一段时间里虽然可以记录到心电、血压波形，但BP-BP变化、R-R变化已没有了类似呼吸节律的变化波，呈现心率变慢、血压下降的无变异节律的趋势，直至死亡。

图2 06号家兔术前R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势（A）和呼吸同步功率谱（B）Fig.2 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）before the operation on No.06 rabbit

图3 08号家兔术前R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势（A）和呼吸同步功率谱（B）Fig.3 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）before the operation on No.08 rabbit

图4 06号家兔术后R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势（A）和呼吸同步功率谱（B）Fig.4 The synchronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）after the operation on No.06 rabbit

图5 08号家兔术后R-R间期、BP-BP、呼吸同步变异趋势（A）和呼吸同步功率谱（B）Fig.5 The synch ronous variation trend of R-R interval，BP-BP and respiration（A）and respiratory power spectrum（B）after the operation on No.08 rabbit

图6 06号家兔停止呼吸后心电和动脉压连续记录（A）以及R-R间期、BP-BP同步趋势变异（B）Fig.6 The continuous recordings of ECG and angiosthenia（A）and the synchronous variation of R-R interval and BP-BP（B）after respiratory arrest of No.06 rabbit

图7 08号家兔停止呼吸后心电和动脉压连续记录（A）以及R-R间期、BP-BP同步趋势变异（B）Fig.7 The continuous recordings of ECG and angiosthenia（A）and the synchronous variation of R-R interval and BP-BP（B）after respiratory arrest of No.08 rabbit

3 讨论

3.1 呼吸调节与心率变异、血压即时变异关系

呼吸是影响心率变异性的一个重要影响因素。呼吸与心率变异的关系已有大量的研究，在此不再赘述。

我们的以往研究也已证实：心率变异（HRV）的呼吸峰频率＝呼吸频率（min）／心跳频率（min）［17］。

动脉血压的形成是与每次心搏出量、外周阻力、大动脉管壁的弹性、循环血量与血管容积的比和每次心搏的R-R间期长短等多种因素有关，在其他因素不变下，每次心搏的R-R间期长短就是形成动脉压变化的主要因素。在一定的条件下，R-R间期的变化又是与呼吸的变化完全相关的。吸气时，R-R间期变短，心率加快，心脏的舒张期缩短，血管内的血液未能充分流走，舒张期留在血管内的血量增加，收缩压相应上升。呼气时，R-R间期变长，心率减慢，心脏的舒张期延长，血管内的血液未能充分流走，舒张期留在血管内的血量减少，收缩压相应下降。因此本研究结果说明在正常呼吸调节下，动脉BPIV完全符合呼吸性窦性心律不齐的生理机制，也符合呼吸性窦性心律不齐形成的心率变异机制［18－19］，是R-R间期变化的二次效应，这在我们以前的研究也已证实［20］。

3.2 呼吸调节下切断迷走神经对心率变异与血压即时变异的影响

呼吸可以分为非随意性呼吸和随意性调节呼吸。非随意性呼吸节律和频率形成的研究已大量报道。呼吸是生命的表征，身体随着代谢率的改变通过调节呼吸的深度和频率以适应机体代谢的需要。孙兴国等［21－23］研究指出，根据整体整合生理学医学理论体系的呼吸循环代谢一体化调控理论，以氧化能量物质为特征，以新陈代谢为生命体功能活动的核心。在呼吸调控环路中，呼吸调控信号在大部分时间是在血液中传送；而在神经通路中的传导时间短、速度快。心脏的射血功能、心率、血压、阻力、血流速度等因素均会影响呼吸调控信号从肺脏流经肺静脉、左心房、左心室到体循环动脉的传送。因此呼吸的深度和频率是通过神经体液对呼吸的调控作用完成的，但化学感受器的反应要慢于神经通路。

非随意性呼吸引起的二次心跳之间的时间差异是由呼吸系统和循环系统之间存在着复杂的交互作用呼吸引起的，其作用通路和机制尚未完全明确。目前的研究认为，心率变异性（heart rate variability，HRV）主要有三个调节机制：①肺牵引受体兴奋所引起的Hering-Breuer反射，即肺部迷走神经由于肺伸缩对心脏产生的反馈；②呼吸和心脏迷走神经的中枢偶联；③动脉血管压力感受器导致的心率的波动［18］。肺牵张反射的肺扩张反射的作用在于阻抑吸气过长过深，促使吸气及时转入呼气。切断了两侧迷走神经后，中断了肺牵张反射的传入通路，使肺牵张反射的生理作用被取消。最终导致呼吸运动的加深变慢。贺书云等［24］进行的“迷走神经在心率变异性中的作用”的实验结果发现双侧迷走神经切断后，LF及HF的功率明显下降，心率加快及LF／HF增大均较单侧迷走神经切断时明显。但以往研究都没有涉及在随意性呼吸调节下，双侧迷走神经切断与血压变化的同步关系。

随意性呼吸（在一定范围的频率和通气量内调节）不考虑化学感受器对呼吸调控信号的作用，只考虑对自主神经和肺牵引压力感受器的影响，从本实验结果看，把双侧迷走神经切断后，呼吸相与HRV、BPIV的同步性关系就被破坏了，尤其是BPIV的HF段部分甚至完全消失，而明显增加了LF段的功率。说明切断了两侧迷走神经后，中断了肺牵张反射的传入通路，肺牵张反射的生理作用被取消后，由呼吸运动引起的HRV、BPIV也明显减弱了。同时，本实验的家兔呼吸停止后BP-BP变化消失、R-R变化消失从另一个角度也证实了上述结论。另外，传统观点认为迷走神经是各种因素对HRV影响的最终通路，Warner等［25］用药物阻断狗的迷走神经可使RSA消失，Harris等［26］使用阿托品阻断松鼠迷走神经后同样发现RSA消失。本实验手术方式切断迷走神经后，有些家兔仍然存在呼吸与HRV、BPIV弱化了的同步变化关系，可见呼吸对HRV和BPIV的调节除迷走神经通路外，还可能存在非迷走神经机制参与，El-Omar等［19］及Perlini等［27］的研究结果与本实验相似。说明这种同步变化关系可能不完全受迷走神经最终通路控制，还可能存在非迷走神经因素，这需进一步的研究。

血压即时变异（BPIV）是一个既新又老的题目，技术原因影响了它的发展和应用，但其对心血管疾病研究的重要性是不容置疑的。因此，加强血压即时变异的研究，包括连续收缩压变异的研究、连续舒张压变异的研究、收缩压和舒张压的连续压差变异研究等对心血管疾病，尤其是高血压的基础和临床研究有着重要的意义。

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Influence of rabbit vagus nerves cutting on heart rate variability and blood pressure instant variability under respiratory rate regulation

Shen Zhong-yuan1，Zhu Ying-qi1，Yan Shi-biao2，Shin Lin3（1.Shanghai Qigong Institute，Shanghai University of Traditional Chinese Medicine，Shanghai200030；2.Institute of Cardiovascular Disease，the First Affiliated Hospital of Liaoning Medical University，Jinzhou Liaoning121001，China；3.Departmentof Biophysical Research Center，University of California，Irvine，CA 92697，USA）

Objective To observe the relationship between blood pressure instant variability（BPIV），heart rate variability（HRV）and respiration in rabbits separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respiratory arrest under respiratory rate regulation.M ethods Ten standard experiment rabbits were selected and rabbit model of mechanical ventilation was established.The rabbits were conducted with mechanical ventilation under anesthesia by ventilator，with a constant tide volume of 10 mL／kg and respiratory rate of 70 times／min.Continuous recording of ECG，respiration and blood pressure was performed separately before and after hibateral vagus nerves cutting and respiratory arrest.The relationship between changes of HRV，BPIV and respiratory rate was analyzed.Results Before cutting hibateral vagus nerves，R-R interval and BP-BPwere synchronizedwith the respiratory phase，with the same trend.The central frequencies of HRV and BPIV were both consistentwith the central frequency of respiratory power spectral density.After cutting hibateral vagus nerves，the synchronous periodic change and trend consistency of R-R interval，BP-BPand respiration was destroyed；the central frequency of HRV and BPIV almost disappeared and was inconsistentwith the central frequency of respiratory power spectral density；HRV and BPIV disappeared after respiratory arrest.Conclusion The changes of HRV and BPIV under respiratory rate regulation accord with the physiologicalmechanism of respiratory sinusarrhythmia.It is the secondary effect of R-R interval change which reflects the result of balance adjustment of autonomic nerve.It also coincides with themechanism of Hering-Breuer reflex induced by excitation of the tow receptor in the lung.

respiratory rate regulation；voluntary breathing；vagus nerves cutting；blood pressure instant variability；heart rate variability

R542.2

A

2095－9354（2017）02－0077－07

10.13308／j.issn.2095－9354.2017.02.001

2017－03－15）

（本文编辑：郭欣）

国家自然科学基金资助项目（81072853）

200030上海，上海中医药大学气功研究所（沈仲元，竺英祺）；121001辽宁锦州，辽宁医学院附属第一医院心血管研究所（闫世彪）；92697美国加利福尼亚，加州大学尔湾分校生物物理研究中心（Shin Lin）

沈仲元，研究员，主要从事医学生理、生物医学工程研究，E-mail：szy1128＠hotmail.com