呼吸与心动周期对自主动作的跨任务耦合：一项系统性研究

《Psychophysiology》：Respiratory and Cardiac Phase Coupling With Voluntary Actions Across Motor Tasks

本文深入探讨了呼吸与心动周期如何系统性影响不同自主运动任务的启动时机。研究发现，无论使用手指或手肘，进行伸展或屈曲，自主动作均倾向于在呼气阶段启动，揭示了呼吸作为运动意图通用时间线索的重要作用。同时，刺激（如视觉信号）出现也能锁定呼吸相位，进而影响后续动作时机，但尚未发现动作与心脏相位的稳健耦合证据。这为理解身体节律如何塑造行为的时空组织提供了新视角。

　　

引言

呼吸作为一种身体节律，能够影响感知和行为。近年来的研究表明，对身体状态的觉知（内感受）影响着我们生活的各个方面，包括情绪和认知。尽管早期研究主要关注心脏领域，但越来越多的证据表明，呼吸相位，尤其是吸气和呼气，可以调节感知、认知和情绪处理。此外，呼吸相位也影响着运动行为。行为学研究显示，参与者在认知任务中的反应时机往往与特定的呼吸相位保持一致。这种呼吸-运动同步现象在广泛的运动行为中都有报道，包括睡眠和清醒时的眼动、视觉引导的手臂运动，以及行走和敲击等节律性动作。

值得注意的是，自主动作的启动显示出向呼气阶段偏移的倾向。有研究表明，自我启动的按键动作更频繁地发生在呼气晚期。该研究使用了Libet时钟任务和Kornhuber任务，关键发现是呼吸相位与准备电位（RP）的振幅共同变化，表明呼吸与动作准备之间存在时间上的关联。然而，此前的研究主要集中于单一远端效应器（手指屈曲），对于呼气对齐的时机是否能在不同效应器和运动方向上推广，仍有待探究。

此外，两个关键问题尚未解决。首先，呼吸可以在认知任务中与重复的刺激呈现同步（锁相）。然而，这种刺激锁定的呼吸同步对自主动作时机的潜在影响尚未得到系统性的检验。其次，关于自主动作中心脏同步的证据仍然不一致。本研究旨在探究：（1）不同自主运动任务中是否均存在呼气相位偏向；（2）刺激锁定与动作锁定的呼吸耦合之间如何相互作用；（3）自主动作是否与心脏周期同步。

方法

参与者

共有32名健康的日本名古屋大学学生参与本研究。

生理记录

使用MP160采集系统以200 Hz采样率记录连续的呼吸数据，使用呼吸带传感器测量腹部运动，并使用热敏传感器监测鼻腔气流以检测气流温度变化。同时，使用MP160系统和ECG100C放大器以200 Hz采样率记录心电图（ECG）数据。

任务

本研究采用两种不同的运动任务：Libet时钟任务和肘关节屈曲-伸展任务。

1. 1.
   Libet时钟任务：分为按键（手指屈曲）和松键（手指伸展）两种条件。屏幕上呈现一个旋转的点，参与者被指示在旋转至少一周后，在自己选择的时刻自由按键或松键。
2. 2.
   肘关节屈曲-伸展任务：分为拉（肘屈曲）和推（肘伸展）两种条件。参与者操作一个位于身体右侧前方的操纵杆，自发地每隔8-12秒进行一次推或拉的动作，过程中保持闭眼并收听连续的白噪音。

数据分析

数据预处理包括呼吸和心电信号滤波、相位提取以及异常周期排除。主要分析方法包括：

• •
  环形分析：使用Hodges-Ajne（全检验）测试判断运动事件的相位分布是否显著偏离均匀分布。
• •
  状态分析：计算事件发生在呼气（或收缩期）的比例，并与基线进行比较。
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  试次间呼吸相位耦合分析：计算刺激呈现与后续自主动作之间呼吸相位的环形相关性。
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  个体差异分析：探究个体生理特征（如平均呼吸间隔、心率变异性）与相位锁定强度之间的关系。

结果

Libet时钟任务结果

1. 1.
   呼吸同步：按键条件中，刺激点（圆点）出现和按键时机均显示出显著的呼吸相位同步。松键条件中，仅松键时机显示出显著同步。两种条件下的自主按键和松键动作均倾向于发生在呼气阶段，其比例显著高于基线。
2. 2.
   试次间耦合：一个试次中，刺激呈现时的呼吸相位与后续自主动作的呼吸相位之间存在显著相关性，表明刺激锁定的呼吸相位为后续动作时机提供了一个时间参考框架。
3. 3.
   心脏同步：未发现任何事件时间与心脏相位存在系统性、显著的关联。状态分析显示松键条件中的动作有更少发生在收缩期的趋势，但此效应未通过多重比较校正，证据强度较弱。

肘关节屈曲-伸展任务结果

1. 1.
   呼吸同步：在拉和推两种条件下，动作启动均显示出显著的呼吸相位偏倚，即倾向于在呼气阶段发生。
2. 2.
   动作对呼吸的影响：与Libet任务中刺激会延长呼吸间隔不同，肘关节动作前后并未引起呼吸间隔的显著变化，表明动作时机更多是受到当下呼吸节律的影响，而非主动调整呼吸。

跨任务与个体差异

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  自主动作与呼气阶段的耦合在不同效应器（手指、手肘）和运动方向（屈曲、伸展）中普遍存在，支持这是一种对运动意图的通用影响。
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  在Libet任务中，按键与松键条件下的相位锁定强度存在正相关，表明个体在呼吸-动作同步上可能存在稳定的特质。
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  在肘关节任务中，呼吸变异性（RMSSD）较高的个体，其相位锁定强度也更强，提示呼吸灵活性可能拓宽了将动作与偏好呼吸相位对齐的时间窗口。

讨论

呼气阶段优势的普遍性

本研究证实了自主动作倾向于在呼气阶段启动，并将这一发现从手指按键推广到了手肘的屈曲与伸展动作。从生理学角度看，吸气是代谢成本较高的主动过程，而静息时的呼气则是被动的、低能耗的，这种状态可能减少了呼吸与自主运动过程之间的资源竞争，从而有利于动作启动。神经科学证据表明，皮层兴奋性受呼吸调节，与自主动作准备相关的准备电位（RP）也与呼吸相位共变，说明呼气可能为动作启动提供了一个有利的“时间窗口”。

值得注意的是，个体之间存在显著差异。部分参与者在肘关节任务中表现出与吸气阶段的强同步，这表明呼吸-动作耦合的最佳相位可能因人而异。此外，呼吸变异性与同步强度呈正相关，这暗示更高的呼吸灵活性可能有利于动作与呼吸节律的调整对齐。

刺激与动作锁定的呼吸耦合可分离

研究发现，刺激呈现与自主动作都倾向于发生在呼气阶段，且同一试次内两者呼吸相位相关，这表明呼吸可以在一个试次内为刺激和动作提供共享的时间参考。然而，刺激锁定与动作锁定的同步可能由不同机制驱动：刺激呈现会伴随着呼吸间隔的延长（表明呼吸主动调整以适应试次结构），而动作前后呼吸间隔无变化（表明动作时机受限于正在进行的呼吸节律）。个体在刺激锁定和动作锁定的同步强度上也互不相关，进一步支持了二者的可分离性。

心脏相位对自主动作的影响微弱且不一致

本研究未发现自主动作时机与心脏相位存在稳健、系统的关联。虽然在松键条件下观察到动作较少发生在收缩期的趋势，但效应较弱且未达到统计显著性，这与该领域现有文献中相互矛盾的结果相一致。与呼吸相位产生的显著影响相比，任何心脏相位的调节效应都显得更小且更不可靠。任务要求（如持续的按键接触）可能调节了心脏信号的敏感性，但总体而言，心脏相位对自主动作启动的影响仍有待未来高统计效力的研究来澄清。

结论

本研究系统性地探究了呼吸与心动周期对多种自主动作的影响。主要发现包括：

1. 1.
   跨效应器与动作的呼气偏好：自主动作的启动普遍倾向于发生在呼气阶段，这一现象在手指（按键、松键）和手肘（屈曲、伸展）任务中均得到证实，表明呼吸作为动作意图的通用时间线索。
2. 2.
   刺激与动作耦合的可分离性：刺激呈现可以锁定呼吸相位，并影响同一试次内后续动作的时机，但这种刺激锁定的耦合机制与动作本身的内在耦合机制是可分离的。
3. 3.
   心脏耦合证据薄弱：未发现自主动作与心脏周期存在稳健、系统的相位耦合，仅在特定条件下观察到微弱的趋势性证据。

这些发现深化了我们对身体节律如何塑造自主行为时空组织的理解，强调了呼吸节律在运动控制中的重要作用，并为探索个体差异、任务特异性以及潜在的神经机制指明了方向。