Moderate physical exercise increases cardiac autonomic nervous system activity in children with low heart rate variability

May 2004Child s Nervous System 20(4):209-14; discussion 215

DOI: 10.1007/s00381-004-0915-5

abst

Conclusion:Our data suggest that the 12-month moderate exercise training has a positive effect on cardiac ANS activity in the children who initially had low HRV.

方法：6〜11歳の305人の子供が12か月の学校ベースの運動トレーニングプログラム（130〜140 bpm、20分/日、5日/週）に参加しました。安静時の心拍変動（HRV）パワースペクトル分析を使用して、心臓ANS活動を測定しました。最初の測定に続いて、トータルパワー（TP）HRVから100人の子供が実験サンプルとして選択され、同数の年齢、身長、および体重が一致したコントロール（CG）が残りの子供からランダムに選択されました。

結果：低群（LG）では、トレーニング期間後にHRVのすべての周波数成分が有意に増加しましたが、対照群（CG）では低周波パワーのみが増加しました。

結論：私たちのデータは、12ヶ月の中程度の運動トレーニングが、当初HRVが低かった子供の心臓ANS活動にプラスの効果があることを示唆しています。

Keywords

intro

心拍変動（HRV）の測定により、心拍数の自律神経制御(1]を決定でき、洞迷走神経の変調に対する交感神経と迷走神経の交感神経活動の有効かつ再現可能なマーカーを提供します(17]。 HRVの低下は、先天性心疾患(11]、インスリン依存性糖尿病(20]、神経心性失神(22]、閉塞性睡眠時無呼吸(3]、またはてんかん(24]の小児患者における有害予後の指標であることがわかっています。私たちの以前の研究(16]は、単純に肥満の子供がHRVの成分を減らし、そのような自律神経抑制が合併症のない肥満の持続期間に関連することを示しました。

一方、以前の研究では、持久力と長時間の運動トレーニングが健康な成人被験者の心臓自律神経系（ANS）活動に有益な効果をもたらすことが示されています(2]。予防の観点から、心血管疾患（CVD）に関連する行動は若者の間に確立される傾向があるため、身体活動の増加を含む健康的な行動の促進は小児期に開始することが有利です(18]。しかし、小児期の心臓ANSに対する運動トレーニングの有益な効果に焦点を当てた証拠は非常に限られています。グチン等。 (6、7]は、4か月間の身体トレーニングが肥満児の心臓交感神経迷走神経バランスの好ましい変化を誘発できることを発見しました。最近、Mandigoutら。 (9]は、13週間の集中的な持久力トレーニングプログラム（> 80％HRmax）が健康な子供のHRVパラメーターにプラスの効果をもたらしたと報告しました。しかし、私たちの知る限り、健康な子供、特にHRVが低下した子供の心臓ANS活動に及ぼす軽度の長期運動プログラムの影響を報告した研究はありません。

したがって、本研究は、最初にHRVが低かった健康な子供の心臓ANS活動に対する中程度および長期の身体運動の影響を調査するために設計されました。

Methods

参加者：この研究は、文部科学省が健康増進学校に指定した公立小学校で実施されました。 6歳から11歳までの子供（n = 305、167人の男の子と138人の女の子）がこの研究に参加しました。図1に示すように、すべての子供から得られた、全体的な心臓ANS活動の指標であるHRVスペクトルの合計パワー（TP）の値は、4.0〜9.4 ms2の範囲内で正規分布しました。 12か月の中程度の運動が心臓ANS活動に影響を与えるかどうかを確認するために、HRVの最低TP（TPの絶対値<1,000 ms2またはTP ln <6.8）から100人の子供を実験サンプルとして選択しました。 ANSの活動が最初は低かった子供たちの研究に興味がありました。続いて、年齢、身長、および体重が一致した同じ数のコントロールの子供（コントロールグループ、CG）が残りの子供からランダムに選択されました。また、性別がANSパラメータに影響を与える可能性があるため、性別が一致するコントロールの子を選択しようとしました。それにもかかわらず、男の子より女の子の方が少ないため、性別は同等に一致しませんでした。女子対男児の比率は、LGの場合よりもCGの方がわずかに高かったが、グループ間に統計的な差は認められなかった。選択されたすべての子供は健康であり、CVD、インスリン依存性糖尿病、高血圧、起立性調節不全の個人歴はなく、薬物療法も受けていません。研究プロトコルは、京都大学大学院の施設内倫理委員会によって承認されました。すべての子供とその両親は、本研究について慎重に指示を受け、全員が参加について書面によるインフォームドコンセントを与えた。子どもの記述的特徴を表1に示します。

学校ベースの運動プログラム

学校ベースの身体トレーニング期間は12か月でした。すべての運動トレーニングは、学校の時間中にすべての子供が参加して行われました。温度、スポーツイベント、修学旅行、長期休暇などの季節的な影響を回避して心臓ANS活動の変化を評価するために、12か月の間隔で同じ月のANS活動を測定しました。研究期間中、子どもたちは毎朝20分間の身体教育者によって指導される有酸素運動指向の身体運動プログラムを受け取りました。エアロビックダンス、縄跳び、音楽へのジョギングを含む体操トレーニングのメニューは、強度（130〜140 bpm）に焦点を合わせて慎重に選択されました。

実験手順： すべての測定と調査は、すべての子供とその親で同じプロトコルと方法を使用して、調査期間の前後に実施されました。

人体計測データ

スチールスタディメーターを使用して、身長を0.1cm単位で測定し、生体電気インピーダンス分析器（モデルTBF-534、タニタコーポレーション、東京、日本）を使用して、体重および体脂肪の割合を決定した。このアナライザーは、単純で非侵襲的な手法であり、小児の体脂肪含有量の合理的な推定値を生成するため、小児の調査で使用されています（23）。ボディマスインデックス（BMI）は、ボディマスを身長の2乗で割って計算されました。

健康、栄養、および予算の調査

研究を開始する前に、親は、過去の病歴と現在の健康状態に関して子供向けに作成された標準化された健康アンケートに回答しました。栄養および時間予算の調査は、同じ材料を使用して調査期間の前後に完了しました。食物消費データは、毎日の食事記録法によって収集され、個人レベルのすべてのデータは、最新の日本の食物組成表（19）によってエネルギーと栄養素に変換されました。スポーツ参加時間は、学校の体育館や遊び場で行われるソフトボール、サッカー、バレーボール、バスケットボールなど、放課後のスポーツクラブ活動への週ごとの参加として、時間予算調査を通じて推定されました。一部の子供は、授業時間後に私立学校でバレエ、空手、柔道のレッスンに参加しました。すべてのスポーツは有酸素運動に分類できます。

心拍変動

子どもたちは学校の診療所に設置した一時的な研究室に来ました。実験はすべて午前（午前8時30分から午前11時）に行われました。部屋は温度制御（25°C）され、子供たちは実験開始前に少なくとも15分間休息しました。休息期間の後、各子供が椅子に座ったままで正常に呼吸している間、CM5リードECG信号が5分間連続して記録されました。この位置は、以前の研究からの交感神経系（SNS）と副交感神経系（PNS）の両方の活動を反映するのに適した姿勢と見なされます（2、12、13、15、16）。以前の実験(16]および小児生理学(8]に比べて、子供の呼吸頻度は一般に0.15 Hz（1分あたり9回）よりも高いため、ECG測定中に呼吸数を制御せずに、呼吸-心拍数のリンクされた変動は、他のソースからの低周波（LF）心拍変動（<0.15 Hz）と重複しませんでした。

オリジナルのR-R間隔パワースペクトル解析手順は、他の場所で詳細に報告されています（2、12、13、15、16]。簡単に言えば、ECGモニター（MEG-6100、日本、東京、日本）のアナログ出力サンプリングレート1,024 Hzの13ビットアナログ-デジタルコンバーター（HTB 410; Trans Era、South Orem、UT）を介してデジタル化されたECG信号が区別され、結果のECG QRSスパイクとインパルスの間隔（R–R間隔）は、後で分析するためにハードディスクに順次保存されました。

R–Rスペクトル分析を実行する前に、保存されたR–R間隔データを表示および位置合わせして、2 Hzの有効サンプリング周波数で等間隔のサンプルを取得し、目視検査のためにコンピューター画面に表示しました。次に、0.03〜0.5 Hzのバンドパスを使用したデジタルフィルタリングにより、直流成分と線形トレンドが完全に除去されました。 R–R間隔の二乗平均値は、平均振幅を表すものとして計算されました。ハミングタイプのデータウィンドウを通過した後、高速フーリエ変換によるパワースペクトル分析が、テスト中に取得された連続する256秒のR-R間隔データに対して実行されました。

以前の調査（2、12、13、15、16）に基づいて、周波数領域のスペクトルパワーは、以下の各帯域幅の曲線の下の領域を統合することによって定量化されました。低周波（LF 0.03および0.15 Hz） SNSとPNSの両方のアクティビティの指標、PNSアクティビティのみを反映する高周波（HF 0.15と0.5 Hz）、およびTP（0.03と0.5 Hz）は、全体的なANSアクティビティを表します。統計的検定用。

データ解析： すべてのデータは平均値±標準偏差として表されます。 LGとCGの比較には、学生の対応のないt検定が使用されました。ペアのt検定を使用して、各グループのトレーニング期間の前後の違いを評価しました。 <0.05のP値が有意水準として選択されました。すべての統計分析は、市販のソフトウェアパッケージ（Windows用SPSSバージョン10.0J、米国イリノイ州シカゴのSPSS Inc.）を使用して実行されました。

Results

物理データ

調査期間の前後のLGとCGの身体的特徴を表1に要約します。LGとCGの運動前後で、身長、体重、BMI、体脂肪率に有意な差はありませんでした。予想通り。安静時HRは、トレーニング前のCGよりもLGの方が有意に高かった（P <0.001）。 12か月の運動トレーニングの後、安静時のHRは両方のグループで有意に減少しました（LG、P <0.001; CG、P <0.05）。スポーツへの参加回数は、トレーニング期間の前後のLGの方がCGよりも有意に少なかった（P <0.05）が、LGとCGの両方で有意な変化は観察されず、既存のスポーツ活動が研究期間中に変更されません。

栄養データ

推定食事エネルギー摂取量を表1に示します。CGでは、研究前と研究後の値に違いはありませんでした。 LGでは、研究前のCGよりも低いエネルギー摂取量が見られ（P <0.05）、トレーニング期間後には有意に増加（P <0.05）しましたが、CGにはそのような有意な変化は観察されませんでした。

パワースペクトルデータ

図1は、研究前の1年生から5年生までのすべてから得られた、全体的な心臓ANS活動の指標であるTPの分布を表しています。 TPの値は、4.0〜9.4 ln ms2の範囲内で正規分布しました。

図2は、生のR–R間隔の典型的なセットと、学習期間の前後にLGの同じ少年から得られた対応するパワースペクトルデータを表しています。目視検査によると、パワースペクトルの低周波（LF）および高周波（HF）の両方の成分は、運動トレーニングプログラム後に明らかに増加しました。

図3は、研究期間の前後の各グループにおける心臓ANS活動の指標を示しています。 LGでは、トレーニング後にすべてのHRV指数が大幅に増加しました（LF、5.70±0.60–6.1±0.61 ln ms2、P <0.001; HF、5.50±0.64–5.78±0.77 ln ms2、P <0.01; TP、6.33±0.50– 6.71±0.57 ln ms2、P <0.001）、トレーニングが交感神経活動と迷走神経活動の両方の顕著な増加を誘発したことを示唆しています。 CGでは、LF（6.49±0.42–6.68±0.74 ln ms2、P <0.05）のトレーニング後に有意な増加が見つかりましたが、HF（6.61±0.44–6.50±0.83 ln ms2）およびTPの有意な変化は見つかりませんでした（7.30±0.26–7.35±0.69 ln ms2）。 LGとCGの間のLF、HF、およびTPの統計的差異は、トレーニング期間の予想前に有意であり（P <0.001）、これらの有意な差異（P <0.001）は運動トレーニングプログラム後も残りました。

Discussion

この研究の主な発見は、1年間の運動トレーニングプログラムは、短期間（20分/日）で穏やかな強度であっても、最初は低HRVであった子供の心臓ANS活動を増強することです。明らかに、心臓交感神経および迷走神経活動を反映するすべてのスペクトル成分の著しい増加、および低HRVの子供に見られる安静時HRの有意な低下は、主にトレーニングによってもたらされる可能性があります。私たちの知る限り、これは多数の健康な子供を対象とした心臓ANS活動に対する長期の中程度のトレーニングの効果を調べる最初の研究です。

心臓ＡＮＳ、特に心臓の迷走神経支配は、心臓の機能に直接影響することがよく知られています。収縮性の低下と心拍数の低下の組み合わせにより、心臓の仕事量が減少し、酸素需要により冠動脈疾患の進行が妨げられる可能性があります(5]。さらに、犬の心臓突然死モデルは、迷走神経活動の低下が心室性不整脈に対する顕著な感受性と関連していることを明確に実証しました(21]。したがって、上記を考慮すると、当初より低い迷走神経活動を有していた子供たちに見られる迷走神経活動の強化は、心血管機能障害に対する貴重な保護となる可能性があります。

代謝におけるSNSの役割に関して、エネルギー恒常性の調整は交感神経副腎系の正常な機能に依存していると広く信じられており(4]、交感神経活動の低下が熱発生率の低下につながり、その結果、ポジティブなエネルギーバランスと太りすぎ。私たちは最近、交感神経活動の低下または鈍感な反応性が成人の肥満(12、13]および小児肥満(16]に見られることを実証しました。上記のすべての研究は、抑うつされたSNS活動が心血管機能不全のより高いリスクだけでなく、体重増加とも関連している可能性があることを示しました。本研究では、長期の適度な運動プログラムが、低HRVの子供のLFとHFの両方のパワーの増大に寄与し、交感神経活動と迷走神経活動の両方を強化できることを発見しました。したがって、この研究はさらに、毎日の運動を含む学校の健康増進が、肥満ならびに将来の代謝障害に予防効果をもたらす可能性があることを示唆しています。

ANSは子供の体内の実質的にすべての重要な恒常性維持に関与しているため、自律神経抑制は子供の健康を損ないます。たとえば、小児期の一般的な問題の1つである子供の失神は、心拍数と血圧の自律神経制御の障害に続発する病気になります(14]。したがって、適度な運動プログラムは、全体的なANS活動を強化することにより、低HRVの子供の間で神経媒介性失神が発生するのを防ぎます。

文献を広範囲に調査しました。しかし、肥満(6、7]および健康な子供(9]のトレーニングに対するHRVの反応に関する以前の研究は限られています。グチン等。(6、7]は、4か月の持久力トレーニングが、迷走神経活動と好ましい交感神経迷走神経バランスにプラスの効果をもたらし、逆に、迷走神経活動が4か月のトレーニング期間の後に減少したことを報告しました。 Mondigout et al。 (9] 13週間の持久力トレーニングプログラムに参加した子供を調査し、HRVの頻度のすべての指数（LF、HF、およびTP）がトレーニンググループで有意に増加したが、コントロールに変化はなかったことを報告したグループ。私たちのデータは、これらの以前の調査結果と一致しており、最初に低いHRVの子供もトレーニング期間後にHRVのすべての周波数成分の増加を示す可能性があることを示唆しています。

Coclusion