《Psychophysiology》：Dissecting Cardiovascular Responses to a Fixed-Interval Volitional Sighing Protocol Using a Mixed Modeling Approach
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本刊编辑推荐：本研究创新性地提出固定间隔自主叹息（FIVS）方案，作为一种类似运动负荷试验的梯度式“应激测试”，通过系统性地分析健康年轻人在不同频率叹息任务中的心脏（HR、HRV）、血管（PTTv、BPV）及自主神经（交感/副交感）反应，揭示了叹息可引发显著的交感神经激活（如LF-HRV↑、PTTv↑），且反应强度与负荷时间及强度正相关。研究进一步发现性别差异（男性交感反应更强），表明FIVS方案能敏感捕捉个体特异性心血管应答模式，为早期识别心血管或自主神经功能障碍提供了低门槛、高可行性的新型评估工具。
引言
叹息是一种常见但研究不足的呼吸行为，具有独立的神经控制中枢和复杂的生理心理伴随特征。自然叹息能引发可靠的交感神经心血管反应，类似于运动，可被开发成梯度式“应激测试”，以揭示心血管健康和应激反应性的临床前变化。本研究提出固定间隔自主叹息（FIVS）方案，通过在不同频率下有节奏地引导叹息，系统性地对心血管系统施加负荷，并采用混合模型方法统计剖析心血管和自主神经反应。研究还初步探讨了性别差异，作为表征影响叹息反应性因素的第一步。
1.1 固定间隔叹息以诱发应激反应
自然叹息难以完全复现且频率低，因此开发了各种刻意模仿叹息健康益处的呼吸技术。本研究采用分级FIVS方案，每次自主叹息包括深而快的吸气后自然呼气。该方案有意地随时间推移并通过预定的强度跃升来增加心血管系统的稳态负荷，设计上从较低强度的长间隔叹息（每30秒1次叹息，持续5分钟）进展到较高强度的短间隔叹息（每15秒1次叹息，持续5分钟）。研究假设，由于负荷时间增加和/或任务强度加大，短间隔叹息任务会比长间隔叹息任务引发更大的心血管和自主神经反应。
1.2 探索应激反应中的性别差异
基于人类和动物研究中观察到的性别在急性唤醒中心脏保护机制的差异，本研究比较了健康年轻男性和女性的心血管和交感反应。假设女性在FIVS方案中心血管活动的变化小于男性。
1.3 解构心血管指标以表征应激反应和恢复
叹息的主观和客观效应范围及其触发的生理“重置”幅度表明其涉及广泛的心脏、血管和自主神经参与。本研究通过使用具有先验心肺假设和协变量的混合模型方法，更精确地剖析叹息对心血管反应的影响。从心电图（ECG）中，心率（HR）提供了由交感和副交感活动比率驱动的新陈代谢需求快照。心率变异性（HRV）通过表征心跳节律的自然波动，进一步深入了解心脏的动态反应能力。HRV信号可分解为能更好映射自主神经功能的频带：R-R间期频谱的高频带（HF-HRV）变化由心脏功能的副交感（迷走神经）调节驱动，而低频带（LF-HRV）则近似其他心血管控制过程。脉搏波传导时间（PTT）是血管功能的金标准无创评估，主要反映交感功能。平均PTT和脉搏波速度（PWV）反映静态血管张力，而PTT变异性（PTTv）则为了解短期血管舒缩反应提供了窗口。同样，从血管信号衍生的收缩压变异性（BPV）为了解血管动力学提供了见解，其低频带（LF-BPV）与交感血管控制相关，高频带（HF-BPV）可能受呼吸机制（如RSA和潮气量）影响。研究通过统计策略隔离心脏和血管反应以及交感和副交感神经在叹息中的独立作用。
方法
2.1 参与者
招募了250名身体健康的正常血压本科生（65%为女性），年龄17-21岁，参与一项为期2年的前瞻性研究，探讨大学生活方式行为（如饮酒、运动、睡眠）对心血管健康的影响。排除标准包括自我报告影响心血管功能的医疗状况或服用影响心血管张力的药物、精神障碍或BMI > 35或 < 16。
2.2 设计
实验室会话包括基线调查、体格测量以及使用PowerLab采集系统和Finometer MIDI等设备采集生理数据。生理数据在四个5分钟实验任务中收集，本文分析了其中三个任务的数据：基线任务（BL）、长间隔叹息任务和短间隔叹息任务。任务顺序固定，先进行低认知需求的基线任务，随后进行两个叹息任务（长间隔后短间隔）。叹息任务中，参与者在看到红色方块提示时通过嘴快速深吸气，然后在方块消失（2秒）前呼气。长间隔叹息任务每30秒一次自主叹息，短间隔叹息任务每15秒一次。任务间有1分钟间隔。
2.3 数据后处理
信号经过10 Hz低通滤波和手动伪差校正。计算R-R间期（RRI）。呼吸窦性心律不齐（RSA）代理指标计算为呼吸峰值与后续RRI信号峰值（HR谷值）之间的时间差。从连续动脉压力信号中直接提取平均动脉压（MAP）。PTT计算为ECG R波峰值与后续原始BP信号峰值之间的时间差。通过将每个PTT数据点与其对应的BP峰值对齐来创建PTT时间序列数据。PWV计算为臂长除以PTT。
2.4 谱密度计算
使用ANSLab对RRI和BP时间序列应用快速傅里叶变换（FFT），创建功率谱密度图。使用Welch方法进行谱分析，窗口大小为60秒，重叠50%。LF-HRV和LF-BPV指定为0.04–0.15 Hz，HF-HRV和HF-BPV指定为0.15–0.4 Hz。谱数据经过自然对数转换。
2.5 统计分析
使用SAS 9.4 PROC MIXED进行线性混合模型分析，评估从基线到叹息任务的个体内生理变化以及性别差异。针对不同心血管指标（HR、HF-HRV、LF-HRV、PTTv、MAP、LF-BPV、HF-BPV）的模型控制了先验选择的心肺协变量（如PWV、RSA、HF-HRV/LF-HRV互控、HR等）。通过任务主效应、性别主效应及任务×性别交互作用评估差异。
结果
样本包括250名大学生（65%女性），平均年龄19±1岁。基线心血管指标存在性别差异（男性HR、LF-HRV较低，PTTv较高）。
3.1 对单次叹息的反应
如图2所示，单个自主叹息导致阶段性HR、BP和PTT反应，具有不同的时间过程：吸气开始时HR加速（RRI减少），血管舒张（PTT增加），BP升高。最大HR（最短RRI）与叹息吸气峰值同步观察到。最大血管舒张也与吸气峰值同步或略提前。BP升高在吸气峰值后约2-3次心跳达到峰值，伴随HR急剧下降和血管收缩（PTT缩短）。在长间隔叹息任务中（叹息每30秒一次），有充足的恢复时间和多次自然呼吸。
如图3所示，组平均HRV频谱显示，以特定节奏叹息在相同频率引发了可靠的心血管振荡（如每30秒叹息引发周期30秒的RRI振荡），并存在谐波迹象。
3.2 对FIVS任务的反应
一系列混合模型发现叹息对心血管功能有显著影响。总结如表2所示。
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HR：存在任务主效应（BL < 长间隔 < 短间隔）。女性HR快于男性。存在显著的性别×任务交互作用，女性在从BL到短间隔及从长到短间隔任务中HR增加幅度小于男性。
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LF-HRV：存在任务主效应（BL < 长间隔 < 短间隔）。女性LF-HRV低于男性。总体交互作用不显著，但女性从BL到长间隔任务的LF-HRV增加多于男性。
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HF-HRV：存在任务主效应（BL = 长间隔 > 短间隔）。性别主效应不显著。存在显著的性别×任务交互作用，女性在长间隔和短间隔叹息任务中HF-HRV（从基线）下降幅度大于男性。
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PTTv：存在任务主效应（BL < 长间隔 < 短间隔）。女性PTTv低于男性。存在显著的性别×任务交互作用，男性在长间隔叹息、短间隔叹息（与基线比）以及从长到短间隔任务中PTTv变化大于女性。
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MAP：存在任务主效应（BL = 长间隔 < 短间隔）。无显著性别差异或交互作用。
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LF-BPV：存在任务主效应（BL < 长间隔 < 短间隔）。女性LF-BPV低于男性。存在显著的性别×任务交互作用，女性从BL到长间隔和短间隔叹息的LF-BPV增加小于男性。
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HF-BPV：存在任务主效应（BL < 长间隔 = 短间隔）。女性HF-BPV低于男性。存在显著的性别×任务交互作用，女性从BL到长间隔和短间隔叹息的HF-BPV增加小于男性。
讨论
4.1 对单次叹息的反应
单个自主叹息的反应时间线与自然叹息和呼吸的相位关系一致。血管反应的时间过程表明，吸气期间肺氧含量升高，中心血管舒张以适应增加的血容量；随后中心BP下降触发中枢介导的交感反应，引起血管收缩以加速血流，升高MAP。叹息后恢复似乎是被动的。重复自主叹息中，变化幅度和恢复时间线未见明显改变。频谱图显示在叹息频率处存在一致的谱峰和谐波，表明“强迫”心脏进入这种振荡模式可能需要努力，其功率峰值可能作为应激反应个体差异的预测指标。
4.2 FIVS作为分级应激方案
FIVS方案使用重复、刻意引发的叹息样呼吸来引发渐进性系统负荷。在年轻健康个体中，观察到对FIVS协议的心血管反应模式广泛，表明其是交感神经系统的可靠激活剂。通过控制先验心肺变量，观察到自主叹息直接影响心脏活动并调动血管。通常，随着方案进展，心脏和血管反应增强：HR、LF-HRV、PTTv和LF-BPV从基线到长间隔叹息以及从长间隔到短间隔叹息均有变化。HR增加可归因于交感激活和/或迷走神经撤退。LF-HRV（与压力反射功能、交感张力、迷走活动相关）在FIVS方案中逐步增加，可能反映了呼吸从非自主到自主控制的转换产生的认知负荷。HF-HRV（副交感活动指数）仅在强度更大的短间隔叹息任务中显著下降，表明迷走神经撤退可能是叹息诱导应激负荷的次级效应。PTTv增加表明交感激活，短间隔叹息任务中PTTv更高，反映了血管运动变异性增加，可能取决于个体的动脉弹性。MAP在更具挑战性的短间隔叹息任务中增加，由于控制了HR和血管张力，可能归因于每搏输出量的变化。LF-BPV对叹息频率呈现分级反应，而HF-BPV反应在频率间相当，表明叹息的机械努力在方案中一致，且效应在每次叹息后消散。
4.3 性别差异
在所有统计模型中观察到显著的个体差异性。基线存在性别差异（男性HR、LF-HRV较低，PTTv较高）。对叹息的反应也表现出独特的性别差异模式：女性除HF-HRV（迷走神经指数）反应更明显外，对其他指标（HR、LF-HRV、PTTv、BPV）的反应通常较男性减弱，表明女性心血管系统存在心脏保护特性，导致对交感刺激的反应减弱。男女性可能依赖不同的心血管动员途径来在压力下支持稳定的血压。这些观察结果表明，FIVS方案足以使系统负荷，揭示心血管调节的性别特异性差异，强调需要针对性别采取早期识别和预防应激相关心血管功能障碍的策略。
4.4 局限性
参与者为大学生，可能影响自主神经活动的健康行为（如睡眠、运动、物质使用）未在分析中考虑，可能部分解释观察到的个体差异。虽然排除了直接影响心血管功能的健康状况，但间接影响或未确诊的状况也可能影响应激反应性。HR和血压的观察变化较小，可能临床意义不大，但年轻、强健的心血管系统中的细微变化可能是长期健康轨迹的有意义指标。分析基于整个任务周期（5分钟），更复杂的时间变化分析可以评估叹息间变异性和逐次心跳的生理波动。不确定自主叹息任务是否像自然叹息一样直接影响自主神经系统。使用简化的峰峰值估计RSA足以控制任务范围内的呼吸驱动心脏效应，但更复杂的算法可能更适合未来研究。未测量“叹息表现”（如振幅、呼吸周期），这些可能影响叹息效果。
结论
在静息状态下，成年人约每5分钟发生一次自然叹息。这个间隔可能足以进行静态代谢状态的内部调节。在急性应激状态下，自然叹息频率增加，可能用于维持 elevated 的血流需求。本研究表明，以固定间隔进行的重复、自主叹息可作为渐进式交感挑战（即应激测试）。对FIVS方案存在明确的交感反应模式，并有证据表明随着负荷时间增加和难度加大，次级过程（即迷走神经撤退和每搏输出量）参与其中。FIVS方案可用于使心血管系统承受超出代谢和认知需求的渐进负荷，以揭示应激反应的细微变化。
