热适应后颈部冷却对高温运动表现的热感知与生理反应协同增效作用研究

《Frontiers in Physiology》：Neck cooling provides ergogenic benefits after heat acclimation during exercise in the heat

　　本研究发现，在完成10天热适应(HAE)后施加颈部冷却(NC)，能通过显著改善热舒适度(TC)和降低热感觉(TS)，使力竭运动时间(TTE)提升17.3%，远优于单独使用任一策略。研究表明，应先实现热生理适应（如出汗率↑、心率↓），再结合颈部冷却，才能最大化其在高温环境下提升运动表现（如70%VO2max强度）的工效学效益。

　　

引言

高温高湿环境对进行体力活动的个体构成显著挑战。在此类条件下，由于代谢产热和外部热负荷，人体核心温度迅速升高。先前研究表明，核心温度升高会通过减少每搏输出量和增加心率来显著增加热调节和心血管压力，从而损害运动表现并增加热相关疾病的风险。为缓解高温环境下运动期间的热应激，热适应和各种冷却策略被推荐使用。

热适应是指通过受控环境设置（热适应）或自然暴露（热习服）对反复热暴露产生的一系列生理适应。热适应方案根据个体的健康水平量身定制，并且热适应效果受热暴露方法和次数的影响。热适应方案可分为短期（少于7天）、中期（8-14天）和长期（超过15天）课程。个体需要以最大摄氧量（VO_2max）的50%至75%的强度进行45-90分钟的运动。因此，增强皮肤血管舒张和提高出汗敏感性是此过程后观察到的关键生理变化，有助于降低核心温度。先前的荟萃分析也指出，热适应对高温下的运动表现具有中度到大的有益影响。总体而言，热反应和心血管健康方面的这些适应性促进了身体应对热应激的能力，从而维持最佳的生理功能和运动能力。

除热适应外，冷却干预常被用于缓解高温条件下运动期间的高温。这些干预包括外部冷却策略，如手部冷却、冷却背心和颈部冷却，以及内部冷却方法，如冷饮和冰浆摄入。冷却干预的效果主要取决于应用持续时间、身体部位及其在现实环境中运动期间（预冷却）的实用性。最近的研究表明，颈部冷却是一种低成本、便携且高效的从身体散热的方法。颈部是一个高快感温度敏感区域，先前研究表明，冷却颈部产生的热益处可与冷却约60%体表面积相媲美。然而，最近的一项荟萃分析报告称，颈部冷却对运动期间的生理变量影响有限，并以较小的效应量（0.36）改善运动表现。先前的颈部冷却研究并未控制个体的热适应状态，因为热适应和颈部冷却都能缓解热应激。此外，尚无研究确定热适应与任何冷却方案相结合对高温下生理反应和运动表现的综合影响。因此，本研究旨在确定在热适应运动前后施加颈部冷却对生理反应、热感知和高温下运动表现的影响。研究假设是颈部冷却和热适应均能提高运动表现。此外，当这两种策略结合时，在高温环境下，运动表现的提升将优于单独使用任一策略。

材料与方法

参与者

样本量使用G*Power 3.1软件确定。对于双向重复测量方差分析，基于效应量0.3、α水平0.05和统计功效（1-β）0.8，共需要12名参与者。最终招募了14名未热适应的男性参与本研究（年龄：22.1 ± 2.5岁，身高：176.0 ± 4.8 cm，体重：72.9 ± 12.2 kg，最大摄氧量：45.4 ± 6.1 mL/kg/min）。实验在春季（四月，环境温度约20°C）进行，以防止参与者自然热适应。在进行评估前，向参与者告知实验程序和注意事项，并获得知情同意。每位参与者完成了一份医疗史表格和一份自我筛查的PAR-Q问卷。所有参与者均无任何限制运动能力的疾病或运动损伤。此外，他们被要求在每次运动试验前24小时内戒酒、含咖啡因饮料和剧烈运动。研究方案经大学伦理委员会批准（#ZSRT2023009），并按照《赫尔辛基宣言》概述的标准进行。

实验设计

本研究采用随机交叉设计，每位参与者有15次实验室访问，包括一次基线筛查、连续10天的热适应运动（HAE）和4次力竭运动时间测试（TTE）。力竭运动时间测试在气候控制的热室（35°C，30%相对湿度）中进行，包括四种实验条件：热适应前颈部冷却（Pre-NC）、热适应前对照试验（Pre-CON）、热适应后颈部冷却（Post-NC）和热适应后对照试验（Post-CON）。在颈部冷却试验和对照试验之间设置了7天的洗脱期。此外，在温带环境中使用间接测热法（CosMed, K5）通过Bruce跑台方案评估了最大摄氧量（VO_2max）。测试以低速度和坡度开始，每3分钟逐渐增加速度和坡度，直至达到自愿性疲劳。VO_2max值用于规定后续试验的运动强度（%VO_2max）。

力竭运动时间测试（TTE）

参与者到达实验室后，排空膀胱提供尿液样本，用于通过折射计（ATAGO, PAL-10s）评估尿比重（USG）。要求USG值低于1.020以在运动前维持正常水合状态。USG超过1.020的参与者被要求重新安排访问。然后使用数字秤（TANITA HD-395，精度±0.1 kg）测量体重，参与者仅穿短裤，并在胸部佩戴心率监测器（Polar Team-2）。在跑台上进行5分钟热身运动后，参与者开始TTE测试。TTE测试包括两个阶段：1）30分钟递增运动阶段，从50%VO_2max开始，强度每5分钟增加5%；2）以70%VO_2max进行的恒定负荷阶段，直至达到自愿性力竭。在颈部冷却试验（NC）中，参与者在TTE的第二阶段佩戴颈部冷却项圈（Black Ice LLC, 美国）。颈部冷却项圈尺寸为375 mm长 × 60 mm宽 × 15 mm厚，重155克，覆盖颈后部和两侧。颈部冷却项圈在-80°C下储存24小时，并在使用前在温带环境（10°C）中放置10分钟。在对照试验（CON）中，不施加冷却干预。每5分钟记录一次心率（HR）、自觉用力程度评分（RPE，Borg 6-20量表）、颈部温度（T_neck；Deli DL333380）和鼓膜温度（T_tym；Braun IRT 6030）。允许参与者在TTE测试期间随意饮水。运动后也评估体重以确定体重减轻（BML）。

热适应运动（HAE）

本研究实施了中期热适应运动方案，参与者在热室（35°C，30% RH）中连续10天每天以50%VO_2max的强度进行跑台跑步45分钟。要求参与者在HAE的每一天到达实验室时处于正常水合状态（USG<1.020）。运动期间，使用16 cm²吸收垫从下背部收集汗液。在贴附垫片前，用酒精喷雾清洁并擦干皮肤表面。运动后，从垫片中提取汗液样本，使用离子选择探头（AUDICOM AC9900）进行汗钠（Na⁺）分析。局部出汗率（LSR）计算为垫片重量变化除以垫片面积和运动时间的乘积（mg/cm²/min）。在每次课程中，每5分钟间隔记录一次T_tym、HR和RPE。

热感知测量

使用有效量表评估主观热感知。热感觉（TS）量表包括“+3, +2, +1, 0, -1, -2, -3”，分别代表“热、微热、暖、中性、微凉、凉、冷”。热舒适度（TC）量表包括“+3, +2, +1, -1, -2, -3”，分别代表“非常舒适、舒适、微舒适、微不舒适、不舒适、非常不舒适”。热可接受度（TA）量表包括“+3, +2, +1, -1, -2, -3”，分别代表“非常可接受、可接受、微可接受、微不可接受、不可接受、非常不可接受”。这些主观量表（TS、TC、TA）在TTE测试期间每5分钟间隔评估一次。

统计分析

使用JMP Pro 16.2.0软件（SAS Inc.）进行统计分析，数据报告为平均值±标准差。应用线性混合效应模型分析10天热适应期间的生理变化，将参与者ID视为随机效应，LSR、HR、T_tym、汗钠浓度作为固定效应。使用双向重复测量方差分析（冷却HAE）比较TTE表现、生理反应（水合平衡、HR_mean、RPE_mean、△T_tym、△T_neck）和热感知（TC_mean、TA_mean、TS_mean）。计算Pre-NC、Post-NC和Post-CON相对于Pre-CON的TTE表现百分比变化（△%TTE），并应用单因素方差分析比较这些差异。此外，由于Pre-CON试验中没有参与者超过60分钟，因此分别对热适应前和热适应后试验进行了单独的双向重复测量方差分析（冷却时间点），以检查TTE测试35-60分钟期间TC和TS的差异。使用Tukey’s HSD进行事后配对比较。统计学显著性设定为p < 0.05。

结果

热适应运动

线性混合效应模型分析表明，完成10天HAE的参与者表现出局部出汗率（LSR）显著增加（p = 0.002），同时汗钠（Na⁺）浓度（p = 0.04）和心率（HR）（p = 0.02）显著降低。然而，在10天HAE期间，静息T_tym（p = 0.28）或运动T_tym（p = 0.29）未观察到显著变化。

水合平衡与TTE表现

参与者在各试验中的水合平衡指标，包括%BML（冷却p = 0.87，HAE p = 0.47，交互作用p = 0.54）、运动前USG（冷却p = 0.89，HAE p = 0.94，交互作用p = 0.34）和运动后USG（冷却p = 0.92，HAE p = 0.81，交互作用p = 0.08）相似。运动前和运动后的USG值均低于临界脱水水平1.020。

TTE表现显示出冷却（p = 0.003）和HAE（p = 0.002）的显著主效应，而交互效应接近显著性（p = 0.069）。平均TTE表现完成时间如下：Pre-CON（41.4 ± 8.0分钟）、Pre-NC（42.7 ± 8.9分钟）、Post-CON（43.0 ± 8.1分钟）和Post-NC（48.5 ± 10.8分钟）。此外，与Pre-CON相比，Post-NC的TTE百分比改善（17.3% ± 13.5%）显著大于Pre-NC（3.4% ± 9.9%，p = 0.01）和Post-CON（4.9% ± 13.0%，p = 0.03）。

生理反应

表格2显示了各试验期间TTE过程中颈部和鼓膜温度反应的变化。双向重复测量方差分析表明，冷却干预对颈部温度变化有显著主效应（p < 0.001），HAE对鼓膜温度变化有显著主效应（p < 0.001）。然而，未观察到HR（冷却p = 0.82，HAE p = 0.92，交互作用p = 0.71）或RPE（冷却p = 0.89，HAE p = 0.26，交互作用p = 0.37）的显著主效应或交互效应。

热感知

热感知分析显示，冷却对TC有显著主效应（p = 0.01）和交互效应（p = 0.036）。此外，在TTE第二阶段，Post-NC试验的TC（-0.9 ± 1.1）与Post-CON（-1.6 ± 1.3，p = 0.001）、Pre-CON（-1.5 ± 1.2，p = 0.003）和Pre-NC（-1.6 ± 1.4，p = 0.007）相比显著改善。数据显示，在35分钟（p = 0.04）、40分钟（p = 0.002）、45分钟（p = 0.001）和50分钟（p = 0.02）时，Post-NC的TC显著优于Post-CON。在35-60分钟期间，Pre-NC和Pre-CON之间的TC无显著差异。

类似地，TS显示出冷却（p < 0.001）、HAE（p = 0.01）和交互效应（p = 0.004）的显著主效应。Post-NC的TS（1.1 ± 1.1）显著低于Post-CON（2.0 ± 1.0，p < 0.001）、Pre-CON（1.8 ± 1.1，p < 0.001）和Pre-NC（1.9 ± 1.2，p < 0.001）。数据显示，在35分钟（p = 0.004）、40分钟（p = 0.001）、45分钟（p = 0.001）和50分钟（p = 0.04）时，Post-NC的TS显著低于Post-CON。在35-60分钟期间，Pre-NC和Pre-CON之间的TS未发现差异。

此外，TA显示出冷却（p = 0.003）和交互效应（p = 0.048）的显著主效应。Post-NC的TA（-0.8 ± 1.1）显著高于Post-CON（-1.6 ± 1.4，p < 0.001）和Pre-CON（-1.3 ± 1.3，p = 0.005）。

讨论

本研究确定了在热适应运动前后施加颈部冷却对高温下生理反应、热感知和力竭运动时间表现的影响。经过连续10天的热适应运动，参与者在生理上适应了高温，表现出心率降低、出汗率增加和汗钠浓度降低。观察到冷却和HAE在改善TTE表现方面均有显著主效应。当颈部冷却在热适应后施加时，改善效果最为显著，这似乎主要是通过增强运动期间的热舒适度和降低热感觉来介导的。

热适应的影响

本研究采用了中等强度、中期热适应运动方案。参与者在10天的热适应期间表现出出汗率增加、心率降低和汗钠浓度减少。这些反应与公认的热生理适应一致，证实了参与者成功适应了高温。此外，本研究显示了HAE对TTE表现的主效应。在TTE测试中，参与者经历了较低的T_tym（约0.2°C）和热感觉，同时TTE表现提高了4.9%，尽管未检测到心率的显著变化。在一项类似的研究中，Lorenzo等人实施了为期10天的方案，包括在40°C条件下以50%VO_2max进行90分钟运动。他们的方案导致运动表现和VO_2max均提高了8%。这表明观察到的益处可能由热适应驱动，而非来自HAE方案的心血管适应。此外，TTE表现的较小改善可能归因于适应阶段和测试阶段运动强度的差异。本研究中的HAE以50%VO_2max进行，而TTE测试要求以70%VO_2max运动，这造成了强度差距，可能限制了适应益处的转移。正如Sekiguchi等人强调的那样，更激进的热适应方案比中等或自定进度的方案产生更大的生理和表现适应。类似地，Karlsen等人强调，个体必须暴露于足够具有挑战性的环境或运动刺激才能引发强大的适应性反应。因此，这些发现强调了定制热适应方案的重要性，包括运动强度、持续时间和环境条件，使其具有任务特异性，确保适应压力充分匹配预期的表现情境。

颈部冷却的影响

本研究确定了冷却对TTE表现的显著影响，这与先前显示颈部冷却改善TTE表现、自定步调计时赛表现和重复冲刺能力的研究一致。中枢调节器理论和临界核心温度理论已被广泛讨论为限制高温下表现的可能机制。这些研究还表明，中枢调节器模型更适用于自定步调计时赛表现，而临界核心温度假说通常适用于固定强度力竭时间测试。总之，这些理论反映了限制高温下运动表现的两个基本机制：生理因素和心理因素。生理限制可能涉及心血管压力、热负荷、能量底物、水合状态或这些元素的组合，这些决定了身体维持运动的能力。另一方面，心理限制主要与温度感知有关，例如热感觉、热舒适度和热可接受度。与其他冷却策略（冰浆、冷水浸泡或冷却服）主要侧重于降低核心温度和心血管压力不同，颈部冷却专门针对热感知。颈部是一个高热敏感性和强快感反应的区域，靠近下丘脑，因此可以缓解主观热不适。确实，我们的研究结果表明，颈部冷却显著改善了运动期间的感知热舒适度并降低了热感觉。

值得注意的是，与Pre-CON试验相比，Post-NC试验使TTE表现提高了17.3%，而Pre-NC仅提高了3.4%。Castle等人进行了一项研究，检查在10天热适应期前后施加预冷却的效果。他们的结果表明，预冷却在热适应后没有进一步的性能益处。相比之下，本研究表明，当颈部冷却在热适应后施加时，运动表现得到改善，与其在热适应前施加相比差异约14。有充分文献记载的研究证实了热适应对高温下运动表现的有益影响。然而，热适应和冷却策略之间的相互作用似乎对运动表现有不同的影响。因此，未来的研究应调查热适应与各种冷却干预相结合的效果，为运动员和娱乐个体在高温下制定更个性化和有效的方法。

热感知反应

有趣的是，我们的数据显示，颈部冷却在热适应运动前后施加时效果不同。尽管Pre-NC和Post-NC试验都将颈部温度降低了相似的程度（约5°C），但热感知反应不同。颈部冷却在热适应运动前并未改善热感知。此外，热舒适度、热感觉和热可接受度均显示出显著的冷却和交互效应，表明参与者在热适应运动后施加颈部冷却时经历了改善的热舒适度和降低的热感觉。据我们所知，尚无先前研究报告过此类差异结果。在之前的颈部冷却研究中，健康水平较高（VO_2max ～45 mL/kg/min vs ～52 mL/kg/min）的个体似乎比健康水平较低的个体从颈部冷却干预中获得更大的表现益处。本研究的参与者具有中等健康水平（VO_2max: 45.4 ± 6.1 mL/kg/min），并且近期没有在实验室环境或自然环境中暴露于高温。在心理上，他们表现出对热不适的耐受性有限，而不是在运动期间达到临界核心温度。经过10天的热适应运动，参与者经历了热适应，这可以减轻热应变并改善感知耐受性。因此，在Post-NC试验中，参与者在与Pre-NC相似的心率和RPE下报告了改善的热感知。这也可能有助于解释先前颈部冷却研究的不一致发现，强调了在评估颈部冷却干预时考虑适应状态和健康水平的重要性。

另一种可能的解释可能来自Bligh的热调节相互抑制模型，该模型假定中枢神经系统内的热敏神经元和冷敏神经元通过相互抑制相互作用。冷却颈部（靠近下丘脑的区域）可能激活冷敏通路，同时抑制散热机制。这种拮抗相互作用可能会在未适应的个体中产生冲突的感知信号，导致持续的热不适。确实，本研究的参与者报告，仅在热适应后施加颈部冷却时，热舒适度和热感觉得到改善，尤其是在TTE测试的35-50分钟期间。因此，我们的新发现表明，应先进行热适应，然后再施加颈部冷却，以优化感知和运动表现。鉴于颈部区域热敏神经元高度集中且靠近下丘脑中心，未来的研究应优先阐明结合热适应和冷却影响运动表现、大脑活动和热感知中枢调节的神经生理机制。

优势与局限性

本研究的一个关键优势是控制良好的热适应环境，有效减少了季节变化和日常生活因素对结果的影响。通过仅在实验条件下使参与者适应，我们确保了外部变量不会混淆对干预的生理和感知反应。然而，需要承认几个局限性。首先，在TTE测试期间未测量出汗率，这妨碍了跨试验分析热调节适应性，例如出汗效率的变化。其次，基于先前证据表明颈部冷却对核心温度影响最小，我们在TTE或热适应课程期间未包括连续核心温度监测。最后，本研究中使用的相对较低的湿度水平（30% RH）可能增强蒸发冷却，从而高估了颈部冷却的效果，与现实世界中湿度经常超过60%的情况相比。未来的研究应在更多样化和生态有效的环境条件下检查颈部冷却的有效性，包括受控湿度水平或基于实地的设置，以提高研究结果的普适性。

结论

这是第一项研究颈部冷却在中期热适应方案前后对生理反应、热感知和运动表现影响的研究。我们的发现对理解颈部冷却在促进高温下运动表现，特别是在适应后的作用方面做出了重要贡献。我们证明中期热适应方案可诱导对高温的生理适应，并且强度匹配的适应方案可能进一步增强随后在高温条件下的运动表现。此外，结果表明在热适应后施加颈部冷却可能最大化其对运动表现的功效。进一步的研究应采用神经生理学方法，例如脑电图，来检查这些干预措施如何在热应激下调节身体或认知任务期间的大脑活动并增强耐受性。此类研究将提供更全面的理解，说明如何优化综合冷却和适应策略以支持高温环境下的人类表现。