高强度预运动对成年男性股外侧肌深部与浅部区域后续运动中微血管脱氧影响的差异性研究

《Physiological Reports》：Effects of prior heavy exercise on deoxygenation in deep versus superficial muscle regions during subsequent heavy exercise in adult males

为解决高强度运动下肌肉微血管氧输送与利用匹配的区域性差异问题，研究人员开展了高强度预运动对股外侧肌深、浅部区域脱氧影响的研究，使用时间分辨近红外光谱技术评估了预运动对深、浅肌区脱氧血红蛋白/肌红蛋白（deoxy[Hb+Mb]）动力学和总量的影响。研究发现，预运动可提高深、浅肌区的脱氧基线并增大其振幅，但这些改变在深肌区小于浅肌区，且与肺通气氧摄取慢成分（V?O2SC）的减少无关。该研究揭示了肌肉氧输送调控的区域异质性，对理解运动耐受性机制有重要意义。

　　

在高强度运动中，我们身体的“引擎”——肌肉，需要消耗大量氧气。然而，氧气从血液运输到肌肉细胞内部被线粒体利用的过程，并非在所有肌肉区域都均匀一致。骨骼肌在结构和功能上存在显著异质性，例如，大腿的股外侧肌深层区域（VLd）富含氧化型肌纤维，血管密度高，而浅层区域（VLs）则可能含有更多快速收缩的肌纤维。这种差异使得在运动时，不同区域的肌肉在获取和利用氧气方面可能存在不同的策略和效率。一个有趣的现象是，一次高强度运动（被称为“预运动”或“启动运动”）能够改善后续高强度运动的整体表现，并加快肺部摄氧（V?O₂）的整体反应，特别是减少其缓慢上升的“慢成分”（V?O_2SC）。然而，这种“启动效应”背后的微观机制，尤其是在肌肉深部和浅部区域，氧气输送与消耗的匹配关系如何被预运动所改变，此前并不清楚。大多数研究仅关注浅层肌肉，且受限于测量技术，难以精确评估深层组织的绝对氧合状况。为了深入探索这一“黑箱”，明确预运动如何差异性调节肌肉深、浅区域的微血管氧动力学，并阐明其与全身性摄氧反应改善之间的关系，本研究应运而生。相关成果发表在《Physiological Reports》上。

研究人员为回答上述问题，运用了几个关键技术方法。研究招募了13名健康成年男性受试者。核心实验流程是让受试者在功率自行车上完成两次持续6分钟的高强度骑行运动，两次之间以6分钟的无负荷踩踏作为间歇。通过这种“预运动-主运动”范式来观察启动效应。在运动过程中，使用时间分辨近红外光谱（TR-NIRS） 技术，同时、无创地监测股外侧肌浅层和深层区域的绝对脱氧血红蛋白/肌红蛋白（deoxy[Hb+Mb]）和总血红蛋白/肌红蛋白（total[Hb+Mb]）浓度。该技术相比传统连续波近红外光谱，能更准确地计算光路长度，从而获得绝对值，避免了信号解读的模糊性。同时，通过呼气气体分析系统 连续测量肺通气氧摄取量（V?O₂），以分析其动力学参数，包括基线值、主成分时间常数（τ_p）和慢成分振幅（A_s′）。所有数据经过模型拟合和统计分析，以比较预运动前后以及深、浅肌区之间的差异。

研究结果 部分揭示了预运动对深、浅肌区氧气动力学的差异化影响。

3.1 肺V?O₂动力学

如预期所示，预运动（即第二次运动回合）显著提高了V?O₂的基线水平，并大幅降低了V?O₂慢成分（V?O_2SC）的振幅。然而，主成分的时间常数（τ_p）在两次运动间没有显著变化。有趣的是，在第一次运动中τ_p值较大的个体（即V?O₂动力学较慢），在第二次运动中τ_p的改善（减少）更为明显。

3.2 脱氧血红蛋白/肌红蛋白（deoxy[Hb+Mb]）反应

这是研究的核心发现。预运动后，无论是浅层（VLs）还是深层（VLd）肌肉，deoxy[Hb+Mb]的基线浓度均下降，而其动力学振幅均增加，导致运动结束时的deoxy[Hb+Mb]浓度在两次运动间及两个区域间均无差异。然而，存在显著的区域异质性：预运动引起的deoxy[Hb+Mb]基线下降和振幅增加的幅度，在VLd区域显著小于VLs区域。此外，VLd区域deoxy[Hb+Mb]动力学的主成分时间常数本身就长于VLs区域。预运动也减小了deoxy[Hb+Mb]自身的“慢成分”。但关键的是，这些在VLs或VLd区域观察到的deoxy[Hb+Mb]变化，与肺V?O₂慢成分的减少均无相关性。

3.3 总血红蛋白/肌红蛋白（total[Hb+Mb]）反应

total[Hb+Mb]反映了微血管中的红细胞储量，与氧气扩散能力有关。研究发现，在两次运动中，VLd区域运动结束时的total[Hb+Mb]浓度均低于VLs区域。但预运动并未引起任一区域baseline或amplitude的total[Hb+Mb]发生显著变化。

在讨论与结论部分，研究者对上述发现进行了整合与阐释。本研究的主要结论是：高强度预运动能够改变后续高强度运动中股外侧肌微血管的氧合状态，但其影响存在显著的深度依赖性。预运动对深层肌肉（VLd）微血管氧输送与氧消耗匹配（Q?O₂-to-V?O₂matching） 的调节作用弱于浅层肌肉（VLs）。这可能是因为深层肌肉本身具有更高的氧化能力和血管化程度，在非预运动条件下就拥有更有效的Q?O₂-to-V?O₂匹配，从而削弱了预运动带来的提升空间。此外，深层肌肉运动末期的总血红蛋白含量（total[Hb+Mb]）持续低于浅层，表明其对扩散性氧运输的依赖较低，而更侧重于灌注性氧输送。

这项研究具有重要的科学意义与实践启示。首先，它首次利用能够测量绝对值的时间分辨近红外光谱技术，直接比较并证实了预运动对骨骼肌深、浅区域微血管氧动力学的影响存在差异，加深了我们对肌肉内在异质性和局部氧调控复杂性的理解。其次，研究揭示了一个关键且有些反直觉的发现：尽管预运动显著改变了局部肌肉的脱氧动力学，但这些改变与全身性运动反应改善的标志——肺V?O₂慢成分的减少——并无直接线性关联。这表明，局部肌肉氧运输的改善可能并非预运动提升全身运动效率的唯一或主要机制，其他因素如中枢调控、运动单元募集模式改变或代谢适应可能扮演了更重要的角色。最后，该研究为未来在健康老龄化人群或心肺代谢疾病患者中的研究奠定了基础。在这些人群中，深、浅肌肉氧输送-利用匹配的失调可能与运动不耐受密切相关。理解预运动或训练干预如何差异化地影响这些区域的氧合，可能为开发针对性的康复或训练策略提供新的思路。