长期监测揭示行为驱动的运动-自主神经相位滞后耦合机制及其在昼夜节律生理学中的意义

　　为解决自由生活状态下人类行为节律与自主神经节律的时序协调机制问题，研究人员通过30天可穿戴设备监测数据，开展了运动加速度(ACC)与心率(BPM)的昼夜节律耦合研究。发现行为节律始终领先自主神经节律1.8小时(p<0.001)，且Granger因果关系证实存在ACC→BPM的显著因果流向(p=0.0045)。该研究确立了"行为优先"的昼夜节律组织模型，为 circadian health 评估提供了新范式。

　　

在昼夜节律生理学领域，一个长期存在的谜团是：我们的日常行为节奏与内在生理节奏究竟如何协调运作？传统观点认为行为活动和自主神经功能应该高度同步，但越来越多的证据表明，人体的运动节律和心血管节律之间存在着系统性的相位差异。这种时序上的错位究竟是如何形成的？是行为活动驱动了生理反应，还是内在的生物钟独立调节着我们的心跳节奏？这个问题对于理解人类在自由生活状态下的昼夜节律组织方式具有重要意义。

为了解决这一科学问题，加拿大Bishop's大学和舍布鲁克大学的研究团队开展了一项创新性研究，通过长期可穿戴设备监测，深入探究了运动活动与自主神经功能之间的时序关系和因果方向。该研究论文发表在《Scientific Reports》期刊上，为理解人类昼夜节律系统的内部组织机制提供了新的见解。

研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先，他们使用三星Galaxy Watch Active2智能手表对52名健康成年人进行了为期30天的连续监测，采集加速度计(ACC)和光电容积脉搏波(PPG)数据；其次，通过定制固件实现能耗优化的间歇式采样策略（每10分钟采集1分钟数据，采样频率10 Hz）；第三，采用余弦模型(cosinor model)进行昼夜节律特征提取，计算acrophase（峰值相位）等参数；最后，运用Granger因果关系分析和互相关分析来检验行为与自主神经信号之间的时序方向性。

Temporal structure and inter-individual variability of behavioral and autonomic circadian rhythms

通过对52名受试者的数据分析，研究人员发现了一个一致的模式：行为节律始终领先于自主神经节律。具体而言，运动加速度(ACC)的昼夜节律峰值平均比心率(BPM)节律峰值早出现1.8小时，这一差异具有高度统计学意义(p=0.007)。研究还揭示了性别差异：男性相比女性表现出显著延迟的运动节律acrophase（差异2.20小时，p=0.040），但在心率节律方面未观察到显著性别差异。年龄对比分析显示，年长者（≥30岁）相比年轻人（<30岁）活动水平和心率均有所降低，特别是在中午前后，但未达到统计学显著性。

Determinants of behavioral-autonomic phase lag and circadian stability

研究人员进一步探讨了运动-自主神经相位滞后的决定因素和个体差异。结果显示，夜间心率（凌晨1-5点）与滞后程度呈显著负相关(r=-0.55, p<0.001)，表明较高的夜间心率与较大的行为-自主神经失同步相关。有趣的是，运动节律和心率节律的acrophase在个体间并不相关(r=0.02, p=0.901)，滞后主要源于运动节律时相的变化(r=0.84, p<0.001)。此外，心率节律表现出比运动节律更高的日间稳定性，说明自主神经系统具有更强的内在节律稳定性。

Behavioral lead and causal asymmetry in circadian rhythms

最关键的发现在于对行为-自主神经耦合因果方向性的验证。 pooled across all days and subjects，运动节律acrophase显著早于心率节律（平均14.6h vs. 16.8h, p<0.0001）。 within-subject分析显示，运动acrophase比心率acrophase更能预测每日的滞后程度。因果不对称性分析表明，日间活动水平与当晚心率的相关性（ACC→BPM）显著强于夜间心率与次日活动的相关性（BPM→ACC）（p=0.0039）。Granger因果关系分析进一步证实了这一发现：大多数受试者表现出从日间运动到当晚心率的显著单向因果流向（p=0.0045）。

研究结论和讨论部分强调，这些发现强有力地支持了"行为优先"的内部耦合模型，即行为节律引导并塑造自主神经节律，心率周期始终跟随活动周期。这种相位滞后的耦合机制是人类昼夜节律组织的一个普遍特征，与先前在大型人群研究和动物实验中观察到的一致。

研究人员指出，心率节律相比行为节律具有更高的稳定性，这一发现具有重要意义。它表明虽然个体的活动模式可能受到社会日程、工作等因素的调节，但内心脏节律受到内源性生物钟和稳态机制的更强制约。这一发现与最近 chronobiology 研究的证据相吻合，即哺乳动物心脏含有内在的生物钟（在窦房结中），能够独立于中枢时钟对行为的影响而调节心率节律。

研究还发现，行为-自主神经节律之间最大程度失同步的个体往往表现出自主神经"过度激活"的迹象。具体而言，较大的负滞后（运动明显领先心率）与较高的夜间心率相关，表明当心脏在夜间处于应激或兴奋状态时，无法完全与前一日活动周期同步。这一发现与先前研究一致，表明提升夜间心率的因素（睡眠不足、晚间运动、心理压力等）与昼夜节律紊乱有关。

从实践角度来看，自主神经标志物（生物夜间静息心率升高）可以作为一个简单的生物计量标志，用于指示内部昼夜节律失调。最近的研究确实提出，通过可穿戴设备捕捉的心率节律偏差可以指示昼夜节律紊乱，甚至预测相关的健康风险。

这些研究结果对干预措施具有启示意义：调整行为时间（运动、活动安排）的方法可能会有效改变或重新调整心血管节律。事实上，其他研究表明，定时运动可以调节生理功能的昼夜节律时相，支持自主神经钟可以通过行为线索被 entrain 的观点。相反，试图直接操纵心率节律（如药物）而不调整行为时间，可能在重新同步系统方面效果较差。

该研究也存在一些局限性。虽然Granger因果关系分析表明了主要的影响方向，但并不能证明是单向或排他性的因果关系。心率节律可能同时接收来自中枢昼夜节律起搏器和外周（行为）反馈环路的输入；研究结果强调了后者的作用，但并未否定前者的贡献。此外，样本量相对较小（n=52），且所有参与者都是具有规律自选日程的健康成年人。未来的研究有必要考察这种相位滞后在轮班工作者或已知昼夜节律紊乱的临床人群中是否会加剧。

最后，其他生理节律（如核心体温或激素释放）可能与活动和心率有自己的相位关系——绘制多个节律之间的完整相位滞后网络需要额外的传感技术（如连续温度或褪黑激素监测）和更复杂的模型。多变量 chronobiological 分析和网络生理学的最新进展为此类研究提供了有前景的工具包，使研究人员能够推断一系列信号之间的耦合方向和延迟。

总之，这项研究提供了新的证据，表明人类的运动-自主神经伙伴关系本质上是相位滞后的，行为设定了节奏，心脏延迟响应。这种滞后程度及其与自主神经激活的联系凸显了昼夜节律健康中一个经常被忽视的维度——不仅仅是单个节律的强度或时间，而是节律之间的对齐。当身体移动和心跳最快时，理想情况下应该同步，它们相位关系的偏差可能预示着生理压力。这些见解为昼夜节律对齐的生活方式干预（如定时运动、一致的活动安排）铺平了道路，以使心脏与日常行为更好地对齐。更广泛地说，通过阐明在正常情况下"行为引导，心脏跟随"的模式，我们建立了协调的昼夜节律组织的基线，未来的研究可以据此衡量衰老、压力或疾病对我们内部时间秩序的影响。