老年人单腿与双腿递增负荷骑行时神经肌肉、心肺及肌氧合(肌氧)反应的比较

《Experimental Physiology》：A comparison of the neuromuscular, cardiopulmonary and muscle oxygenation responses to single- and double-leg cycling in older adults

　　

既往在年轻成人中的研究表明，小肌群运动时任务失败时可耐受的神经肌肉损伤度大于大肌群运动，但尚未有研究在同种运动模式下匹配运动形式比较老年个体的神经肌肉反应。本研究比较了递增负荷单腿骑行(single-leg cycling, SLC)与双腿骑行(double-leg cycling, DLC)时的神经肌肉、心肺及肌氧合反应。11名老年人(68 ± 4岁)完成每阶段3 min的递增骑行测试，SLC负荷设为DLC的一半。各阶段间评估右膝伸肌群神经肌肉功能，指标包括最大自主收缩力(maximal voluntary contraction, MVC)、自主激活度(voluntary activation, VA)及股四头肌增强 twitch 力(quadriceps potentiated twitch force, Qtw,pot)。全程监测摄氧量(oxygen consumption, V?O2)、分钟通气量(minute ventilation, V?E)、心率(heart rate, HR)、近红外光谱(near-infrared spectroscopy, NIRS)检测的肌氧合及股外侧肌肌电图(electromyography, EMG)。任务失败时间SLC与DLC无差异(P = 0.616)；但任务失败时SLC引起的Qtw,pot下降幅度(45.7% ± 18.8%)大于DLC(30.0% ± 14.0%，P = 0.049)，MVC(P = 0.219)与VA(P = 0.547)组间无差异。骑行中股外侧肌EMG在任务失败时SLC较DLC高22.5% ± 23.0%(P = 0.001)。全程SLC的肺V?O2、V?E及HR均低于DLC(P ≤ 0.010)，含氧血红蛋白(oxyhaemoglobin, O2Hb)在SLC全程高于DLC 8.8% ± 8.0%(P = 0.006)。结果表明，相对于大肌群运动，老年人在小肌群运动中可耐受更大程度的收缩功能受损，且伴随较低的心肺需求。

论文解读——《A comparison of the neuromuscular, cardiopulmonary and muscle oxygenation responses to single- and double-leg cycling in older adults》（发表于 Experimental Physiology）

一、研究背景与立题依据

神经肌肉疲劳被定义为运动诱发的肌肉产力或产功率能力下降，其机制包括神经系统对肌肉的自主激活（voluntary activation, VA）受损及收缩功能（contractile function）本身下降，后者常通过电刺激诱发静息 twitch 力——尤其是股四头肌增强 twitch 力（quadriceps potentiated twitch force, Q_tw,pot）来评估。已有年轻成人研究表明，涉及较小主动肌群（如单腿骑行 single-leg cycling, SLC 或单腿膝伸展）的运动在任务失败（task failure）时，Q_tw,pot降幅及神经肌肉疲劳度显著大于大肌群运动（如双腿骑行 double-leg cycling, DLC），且 VA 变化无差异，提示肌群大小调节外周收缩功能受损程度。其机制被认为与小肌群运动中心肺约束（cardiac output 限制、肺通气限制、中枢指令较低）较弱，允许局部代谢扰动更深、肌电活动更高、收缩功能受损更显著后方才力竭。然而此类现象是否在老年人中存在尚不清楚。老年人伴有最大心输出量降低、呼吸顺应性下降致呼吸困难、外周微血管及线粒体功能减退，大肌群高强度运动可能因中心性限制提前终止，削弱局部代谢刺激与外周适应诱导。因此明确主动肌群大小是否调制老年人神经肌肉疲劳及生理反应，对理解运动耐受限制及设计针对老年人的小肌群训练策略具有重要意义。此前仅 Weavil 等人比较过老年人单腿膝伸与骑行，但膝伸伴持续性肌张力可能限制血流，非理想对照。本研究采用配重补偿（counterweight）SLC 与 DLC，匹配运动模式与单位肢体相对负荷，探究老年人两种模式下的神经肌肉疲劳、心肺及肌氧合反应。

二、主要关键技术方法概要

研究对象为 11 名 60 岁以上健康老年人（男 9 女 2，68 ± 4 岁），排除心肺、神经、代谢疾病及神经刺激禁忌证。采用随机交叉设计，间隔至少 1 周分别完成递增负荷 SLC（右腿踩踏，左踏板加 10 kg 配重）与 DLC，每阶段 3 min，SLC 功率为 DLC 一半（前 5 级 8 W vs 16 W，其后 13 W vs 26 W），踏频维持 60–90 rpm，至踏频降 10 rpm 或主观放弃终止。阶段间于改造卧式功率车上行右膝伸等长足等长 MVC，同步给予股神经超强电刺激测定 MVC、VA（公式 VA = 1 ? 叠加 twitch / Q_tw,pot× 100%）及 Q_tw,pot。骑行中连续采集：肺气体交换与通气（Metalyzer 3B 气体代谢仪）、12 导联 ECG 测 HR、股外侧肌无线表面 EMG（归一化至基线 MVC 峰值 RMS）、近红外光谱（NIRS, PortaMon）测氧合血红蛋白（O₂Hb）、脱氧血红蛋白（HHb）、组织氧饱和度（tissue saturation index, TSI）及总血红蛋白（total haemoglobin, THb），NIRS 经缺血校准定标。数据按个体任务失败时间百分比（25%、50%、75%、100% TTF）及个体共同末阶（isotime）归一化，双因素重复测量 ANOVA 与配对 t 检验分析（α = 0.05）。

三、研究结果

3.1 Time to task failure and neuromuscular fatigability（任务失败时间及神经肌肉疲劳度）

SLC 与 DLC 的任务失败时间无差异（P = 0.616）。MVC 随运动时间主效应显著下降（P < 0.001），但无模式主效应及交互作用（P ≥ 0.219）。VA 随运动时间后期下降（75% TTF 及 TF，P ≤ 0.006），模式间无差异（P = 0.547）。Q_tw,pot呈时间主效应（P = 0.007）及模式×时间交互（P = 0.046）；任务失败时 SLC 的 Q_tw,pot较基线下降 45.7% ± 18.8%，显著大于 DLC 的 30.0% ± 14.0%（P = 0.0495）。表明小肌群运动致更显著的收缩功能（外周）受损，而中枢驱动 VA 及整体 MVC 下降幅在两种模式间相当。

3.2 Electromyography during cycling（骑行中肌电图）

股外侧肌 EMG_RMS随运动时间升高（P < 0.001），模式×时间交互显著（P = 0.032）；75% TTF 及任务失败时 SLC 的 EMG 显著高于 DLC（分别 P = 0.028、P = 0.001），提示 SLC 达力竭时需更高运动单位募集与肌肉激活。

3.3 Gas exchange, ventilation and HR（气体代谢、通气及心率）

V?O₂、V?_E随时间升高（均 P < 0.001），模式×时间交互显著（P < 0.001、P = 0.007），50% TTF 起至 TF 时 DLC 的 V?O₂、V?_E均高于 SLC（P ≤ 0.001）；TF 时 SLC 的 V?O₂为 DLC 的 83% ± 12%。呼吸交换比（respiratory exchange ratio, RER）仅时间主效应无模式差异。HR 随时间升高（P < 0.001），模式主效应显示全程 DLC HR 高于 SLC（P = 0.010），TF 时分别为 148 ± 11 bpm（DLC）与 134 ± 22 bpm（SLC），相当于年龄预测最大 HR 的 97% 与 87%。表明 SLC 明显降低心肺负荷。

3.4 NIRS（近红外光谱肌氧合）

O₂Hb 无时间效应，但有模式主效应——SLC 全程 O₂Hb 较 DLC 高 8.8% ± 8.0%（P = 0.006）。HHb 随时间升高（P < 0.001），THb 随时间升高（P < 0.001），TSI 随时间降低（P < 0.001），此三者均无模式主效应或交互。提示所测股外侧肌局部氧合水平在 SLC 中较高，但不能直接推论为血流量差异。

四、讨论与结论总结（翻译结论部分）

研究人员指出，老年人 SLC 比 DLC 在任务失败时引起更大 Q_tw,pot下降（收缩功能更深度受损），伴随骑行中更高股外侧肌 EMG（更高肌肉激活），且 SLC 全程心肺需求（V?O₂、V?_E、HR）更低，肌 O₂Hb 较高。这与年轻人中小肌群运动致更大外周疲劳的发现一致，且首次在运动模式匹配（骑行配重 SLC vs DLC）的老年人中得到证实，说明主动肌群大小可调制老年人任务失败时的神经肌肉疲劳幅度。较小肌群减弱中枢性与心肺约束，允许更深局部代谢扰动与更高肌激活方致力竭，故收缩功能受损更显著。VA 未受模式影响，不支持大肌群通过Ⅲ/Ⅳ类传入抑制 VA 的假设。NIRS 示 O₂Hb 较高可能关联肌灌注竞争减少，但非血流直接证据。临床意义上，老年人外周血管与代谢功能减退可通过小肌群运动诱导更强局部代谢刺激促进适应，同时规避心肺限制，是潜在康复/训练策略。

结论（翻译自原文 Conclusions）：

通过在保持运动模式与单位质量特定负荷下操控主动肌群大小，本研究表明老年人递增负荷单腿骑行相较双腿骑行引发更高肌肉激活及更显著的收缩功能受损。收缩功能更大幅度下降同时伴有整体心肺需求降低。这些结果提示，在老年人中小肌群运动相比大肌群运动允许耐受更深层度的代谢扰动。本研究为采用小肌群运动靶向老年人外周适应的实施提供了机制学依据。