急性久坐引起的炎症和脑血管功能变化是否与情绪和认知障碍相关 - 心脑血管

摘要

目的

久坐行为与情绪和认知功能呈负相关，但急性久坐如何影响这些总体关联尚不清楚。由于久坐会加剧炎症并损害脑血管功能，本研究调查了这一假设：久坐引起的这些变化与情绪和认知功能障碍相关。

方法

研究招募了25名健康办公人员（18名男性，年龄28.3±7.5岁，BMI：24.2±3.3 kg·m⁻²）。第一次实验室访问时，参与者熟悉了测量执行功能、注意力和工作记忆的认知表现测试。第二次实验室访问时，参与者完成了6小时不间断的连续坐姿。在基线和6小时后，评估了炎症血清标志物、大脑中动脉血流速度（MCAv）、脑血管二氧化碳反应性（CVR）、动态脑自动调节（CA）、认知表现以及情绪（积极和消极情绪、警觉、满足和平静状态）。数据使用配对样本t检验和相关性分析进行。

结果

久坐后，C反应蛋白（∆-1.0 µg/ml）和组织型纤溶酶原激活物（∆-360.4 pg/ml）水平下降（p < 0.05），大脑中动脉血流速度降低（∆-2.9 cm·s⁻¹，p = 0.012），极低频范围内的标准化增益增加，表明脑自动调节功能受损（∆ + 0.22%·mmHg⁻¹，p = 0.016）。积极情绪（∆-4.6，p < 0.001）以及警觉（∆-10.6，p = 0.002）和满足（∆-7.4，p = 0.006）情绪状态在久坐后也下降。未观察到白细胞介素-6、肿瘤坏死因子-α、血管性血友病因子、脑血管二氧化碳反应性或认知表现的显著变化（p > 0.05）。观察到的炎症和脑血管功能变化与情绪变化无关（p > 0.05）。

结论

六小时不间断久坐后，炎症或脑血管功能的变化与观察到的情绪下降无关，表明急性久坐与情绪障碍之间的关系可能由其他机制所导致。

引言

大量久坐行为（SB），即清醒状态下任何坐姿、斜躺或平躺的行为[1]，与临床情绪障碍如抑郁症[2]和焦虑症[3]相关，也会导致认知功能下降[4,5]。急性增加的坐姿也对情绪[6,7]和认知[8,9]产生负面影响。由于坐姿对成人总久坐行为的贡献率很高[10]，有必要了解急性坐姿如何影响久坐行为与情绪和认知之间的总体关联。

一种可能的机制可能与炎症增加有关。炎症是情绪障碍病理生理学中的关键介质[11]。炎症标志物的急性升高会增加负面情绪[12]，而长时间坐姿会急性增加唾液白细胞介素（IL）-8水平[13]。此外，在为期两周的自由生活久坐行为增加后，情绪障碍更严重的个体对压力测试的IL-6反应升高[14]。因此，坐姿可能通过增强炎症反应而影响负面情绪，但这一点尚未得到探索。

脑血管功能障碍，即维持脑血流（CBF）的调节机制[15]，也可能影响久坐行为与认知之间的关联。脑血管功能的长期损害隐含在神经退行性疾病[16]和认知障碍[16]中。急性、长时间坐姿会降低脑血流[17]，而脑血流的急性变化可能影响认知[18]。然而，急性坐姿引起的脑血管功能变化是否与认知的急性下降相关尚不清楚。因此，本研究调查了坐姿引起的炎症和脑血管功能变化与情绪和认知变化之间的关系。我们假设长时间不间断坐姿会增加炎症并损害脑血管功能，而这些变化将与情绪和认知的急性障碍相关。

方法

参与者

研究招募了25名健康办公人员（18名男性）。在测试前对参与者进行筛选，排除标准包括：使用药物、吸烟者、BMI > 35或< 18 kg·m⁻²、使用激素类避孕药以及诊断为脑血管、心血管或代谢疾病。在纳入前获得书面知情同意。

研究设计

研究程序获得利物浦约翰摩尔大学伦理委员会（16/SPS/031）批准，并符合赫尔辛基宣言。参与者两次到实验室：（1）熟悉认知表现测试；（2）实验访问，发生在第二天。对于实验访问，参与者在上午7:00至9:00到达实验室，经过20分钟仰卧休息后，评估基线仰卧位大脑中动脉血流速度（MCAv）和脑血管二氧化碳反应性（CVR）。然后让参与者坐姿，并测量坐姿MCAv和脑自动调节（CA），同时采集静脉血样。之后，参与者进行与熟悉访问相同的认知表现测试并完成两份情绪问卷。这些测试完成后（PRE），参与者进行6小时连续不间断坐姿。这一坐姿持续时间基于先前研究，该研究观察到6小时不间断坐姿后情绪降低[6]。6小时干预后立即重复测量坐姿MCAv。坐姿测量MCAv是为了检查感兴趣的姿势（坐姿），并防止移动到仰卧姿势可能带来的混杂血流动力学效应。之后，参与者回到仰卧姿势并重复所有其他测量（POST）（图1）。

研究程序

访问1：熟悉访问

参与者完成了将在实验访问中使用的认知表现测试，以减少任何学习效应。参与者有机会提问以确保完全理解。为准备第二天的实验访问，参与者获得标准化早餐（50克燕麦片加水煮制并加入一根香蕉）带回家，并指示在第二次访问预定到达时间前2小时食用（图1）。

访问2：实验访问

在实验访问前，参与者被要求避免剧烈运动24小时，并避免摄入咖啡因和酒精。为控制影响脑血管反应的激素变化，女性在月经周期的卵泡期（第1-7天）进行评估[19]。在参与者食用标准化餐与到达实验室之间的2小时内，要求他们尽量减少身体活动，除步行到实验室外。到达后，参与者完成工作场所坐姿问卷（WSQ）以评估工作日和非工作日的坐姿时间[20]。要求参与者口头确认在到达前已食用标准化餐及其食用时间。在POST测量前2小时提供相同的餐食，确保食物摄入与生理测量之间的时间在PRE和POST评估之间匹配（图1）。可随意饮水。在6小时不间断坐姿期间，参与者坐在办公桌前，允许进行低认知需求的桌面活动，如阅读和看电视。在此期间防止参与者站立、行走或进行剧烈运动，肢体运动不受控制（即允许轻微晃动）。需要时用轮椅送参与者去洗手间（平均参与者访问洗手间一次）。持续监督参与者以确保遵守这些条件。

测量

血液采样

通过标准静脉穿刺技术（Vacutainers Systems, Becton–Dickinson）从前臂肘静脉获取血样。样本收集到含有硅胶（凝血激活剂）的真空管中，并在冰上储存直至以4°C、1,200 g离心10分钟。血清等分试样储存在-80°C以进行后续分析。使用商用高敏ELISA试剂盒（Thermo Fisher Scientific）测定白细胞介素-6（IL-6）、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和高敏C反应蛋白（hs-CRP），而使用商用标准ELISA试剂盒（Thermo Fisher Scientific）测定组织型纤溶酶原激活物（t-PA）和血管性血友病因子（vWF）。由于IL-6、TNF-α和hs-CRP与情绪障碍[21]和认知功能[22]有关，因此分析这些指标。由于t-PA和vWF与脑血流减少相关[23]，因此也对其进行分析。试剂盒按照制造商说明储存和使用。使用自动板读数器（CLARIOstar, BMG LABTECH GmbH, Offenburg, Germany）读取所有测定在450 nm波长的原始吸光度值。每个样本分析两次。

大脑中动脉血流速度（MCAv）

MCAv作为脑血流的替代测量，因为大脑中动脉占大脑总灌注的70-80%[24]。使用连续双侧经颅多普勒超声（TCD）（ST3, Spencer Technologies, Redmond, WA, USA）评估MCAv，2-MHz多普勒探头放置在每个颞窗上，位于颧弓上方，并使用可调节头带（Marc 600 Headframe, Spencer Technologies）固定。根据信号深度、峰值和平均血流速度确定每个大脑中动脉，如先前所述[15]。一旦获得最佳信号，将换能器固定在位置上以收集测量值。在PRE和POST测量之间取下探头。记录信号参数和探头位置的照片，以确保受试者内部测量的一致性。超声医师对MCAv的日内变异系数为7.8%。获取仰卧位和坐姿MCAv 5分钟，并使用加权平均值（1/3最大值+2/3最小值）从速度轨迹包络计算平均MCAv，以考虑收缩压和舒张压所花的相对时间[24]。脑血管传导性（CVC）通过将MCAv除以平均动脉压（MAP）计算得出。

脑血管二氧化碳反应性（CVR）

充足的脑血流维持受大脑根据动脉二氧化碳分压（CO2）变化改变血流能力的影响，称为CVR[25]。测试程序已在其他地方详细描述[17]，但简要地说，参与者仰卧并装有口件（MLA1026, ADInstruments, Colorado Springs, Colorado, USA）和双向非重复呼吸阀（MLA1028）。经过1分钟基线后，参与者自愿过度换气，直到呼气末二氧化碳压力（PETCO2）降至20 mmHg。然后参与者恢复正常呼吸频率，并吸入5% CO2混合物3分钟。持续评估MCAv。同时，为评估颅外动脉反应性，使用10-MHz多频线性阵列探头（连接到高分辨率超声机uSmart 3300; Terason, Burlington, MA, USA）测量左侧颈总动脉（CCA）动脉直径和血流量。如先前所述[17,24]，计算CO2变化对绝对和相对MCAv、CCA直径和CCA血流量的反应性。

脑自动调节（CA）

CA在一系列灌注压范围内维持脑血流[15]。为评估动态CA，参与者完成蹲-站测试，包括5秒站立和5秒蹲下循环5分钟，以诱导血压（BP）振荡。持续评估MCAv和BP。根据标准化传递函数分析（TFA）指南处理和分析数据，为三个频率域中的每个域生成增益、标准化增益、相位和相干性值：极低频（VLF: 0.02-0.07 Hz）、低频（LF: 0.07-0.2 Hz）和高频（HF: 0.2-0.5 Hz）[26]。这些参数在其他地方有详细描述[17]。

血流动力学

参与者右手食指或中指上佩戴光电容积描记袖带（Finometer model 1, Finapres Medical Systems BV, Amsterdam, The Netherlands），并连接3导联心电图，以分别在整个测量过程中持续评估平均动脉压（MAP）和心率（HR）。

情绪

使用两份问卷评估情绪：积极和消极情绪量表（PANAS）[27]和邦德-莱德情绪评定量表[28]。PANAS要求参与者在1-5量表上评估他们感受到10种积极和10种消极状态的程度，是评估即时情绪的可靠测量[27]。邦德-莱德情绪评定量表包括12个视觉模拟量表，具有不同情绪维度的双极端点。这些量表组合形成三个情绪因素：警觉、平静和满足[28]。

认知

使用E-Prime软件（Version 2.0 Professional, Psychology Software Tools, Pittsburgh, PA）完成一系列基于计算机的认知表现测试。测试在参与者之间随机顺序完成，但在实验访问内不进行随机化。评估了三个认知组成部分：（1）使用斯特鲁普颜色-词语测试评估的执行功能[29]，基于一致和不一致刺激的反应时间生成干扰分数；（2）使用注意力网络测试（ANT）评估的注意力，检查三个注意力网络：警觉、定向和执行控制[30]；（3）使用N-Back任务评估的工作记忆[31]，计算响应准确性和识别呈现字母是否与之前一次、两次或三次序列中呈现的字母相同所需的时间。

统计分析

使用统计软件（SPSS Version 23.0, IBM Corporation, Somers, NY, USA）分析数据，显著性接受为p < 0.05。结果以平均值±标准差（SD）表示。使用Shapiro-Wilk检验评估数据的正态分布。使用配对样本t检验（参数数据）或Wilcoxon符号秩检验（非参数数据）比较PRE和POST数据之间的差异，使用最小显著差异（LSD）方法进行事后分析。通过将组均值差异除以合并数据的标准差，计算所有显著差异的效应大小（Cohen's d）。解释为：d = 0.2视为小，d = 0.5视为中，d = 0.8视为大[32]。对于坐姿后观察到的显著变化，使用Pearson双变量相关分析（参数数据）或Spearman相关（非参数数据）评估这些结果变化（POST-PRE）之间的关系。

结果

所有25名参与者完成了研究并被纳入分析。参与者自报工作日坐姿时间为12.1±3.3小时，非工作日为10.0±3.3小时。完整描述特征见表1。

炎症

坐姿后，t-PA（PRE: 3288.3±2519.5 pg/ml, POST: 2927.9±2153.8 pg/ml, p = 0.039, d = 0.16）和hs-CRP（PRE: 1.1±1.3 µg/ml, POST: 0.1±1.1 µg/ml, p = 0.028, d = 0.85）显著降低。IL-6（PRE: 1.9±2.1 pg/ml, POST: 1.5±1.7 pg/ml, p = 0.170）、TNF-α（PRE: 1.3±2.0 pg/ml, POST: 0.6±1.0 pg/ml, p = 0.107）或vWF（PRE: 6571.6±5227.2 ng/ml, POST: 6173.0±3842.6 ng/ml, p = 0.313）无显著变化。

心血管和血流动力学测量

仰卧位（p = 0.022, d = 0.48）和坐姿（p = 0.003, d = 0.49）的心率在POST与PRE相比显著降低（表2）。坐姿MAP（p = 0.001, d = 0.56）在PRE和POST之间也有显著降低，但仰卧位MAP（p = 0.966）无显著差异（表2）。PRE和POST仰卧位（p = 0.365）或坐姿（p = 0.306）的PETCO2无显著差异（表2）。

大脑中动脉血流速度

坐姿MCAv在坐姿后显著降低（PRE: 58.2±7.3 cm·s⁻¹, POST: 54.8±7.1 cm·s⁻¹, p = 0.001, d = 0.48）；然而，坐姿CVC（PRE: 0.65±0.12 cm·s⁻¹·mmHg⁻¹, POST: 0.65±0.11 cm·s⁻¹·mmHg⁻¹, p = 0.950）无显著变化（图2a）。在仰卧位，观察到MCAv（PRE: 63.5±8.1 cm·s⁻¹, POST: 60.6±9.0 cm·s⁻¹, p = 0.012, d = 0.35）和CVC（PRE: 0.77±0.15 cm·s⁻¹·mmHg⁻¹, POST: 0.74±0.15 cm·s⁻¹·mmHg⁻¹, p = 0.018, d = 0.15）显著降低（图2b）。

脑血管二氧化碳反应性

在绝对或相对MCA CVR或CCA CVR之间未观察到显著差异（p > 0.05；表3）。

脑自动调节

在VLF中，不间断坐姿后标准化增益显著增加（p = 0.016, d = 0.94；表3）。在任何频率域中的任何其他参数均无显著变化（p > 0.05）。

情绪

积极情绪（p < 0.001, d = 0.62）、警觉（p = 0.002, d = 0.64）和满足（p = 0.006, d = 0.52）情绪状态显著降低（表4）。消极情绪（p = 0.610）和平静情绪状态（p = 0.392）无显著变化。

认知

不间断坐姿后，认知的任何测量均无显著变化（p > 0.05；表4）。

炎症、脑血管功能和情绪变化之间的关系

t-PA和hs-CRP变化与情绪变化之间无显著关系（p > 0.05）。坐姿或仰卧位MCAv和VLF标准化增益的变化也与情绪变化无显著关联（p > 0.05）。

讨论

本研究探讨了坐姿引起的炎症和脑血管功能变化是否与情绪和认知变化相关。我们观察到坐姿急性降低了hs-CRP和t-PA炎症标志物水平，降低了MCAv，损害了动态CA，并降低了某些情绪方面；但对认知没有影响。观察到的炎症和脑血管功能变化与情绪变化无关。总体而言，我们的结果表明，炎症和脑血管功能均与这种情绪降低状态无关，表明坐姿对情绪的急性反应可能由其他机制所导致。

与我们的假设和先前观察到坐姿后唾液IL-8增加的研究相反[13]，急性长时间坐姿后炎症标志物降低。唾液和静脉炎症测量方法学差异可能解释这种差异[33,34]。此外，受控测试环境和完成低认知需求活动可能使参与者脱离日常生活的日常压力，导致炎症标志物降低。支持这一点的是，急性压力激活外周炎症途径[35]，因此去除此类压力源可能产生相反效果。这对未来评估急性坐姿和情绪的实验工作提出了重要的方法学考虑。

支持先前研究[17]，急性坐姿损害了MCAv和动态CA，即脑血管功能的两个方面。重要的是，坐姿后MCAv（脑血流标志物）的下降不太可能是由于脑血流的日常昼夜节律变化。脑血流紧密跟踪核心体温的节律，因此早晨比下午或晚上低[36]。由于我们的数据显示从基线（上午）到测试后（下午）MCAv降低，这种下降很可能与长时间坐姿有关，而非昼夜节律。尽管CA的机制尚未完全阐明，但据推测交感神经活动、内皮一氧化氮产生和肌源性因素都起作用[37]。在外周血管中，坐姿引起的血管功能损害可能部分是由于一氧化氮产生减少和交感神经活动增强[38]。因此，类似机制可能有助于本研究中观察到的CA损害。

长时间坐姿对情绪的某些方面产生了负面影响，支持先前观察到减少坐姿可急性改善情绪的研究[6,7]。增强的炎症可能导致坐姿引起的情绪下降[14]；然而，本研究中炎症降低。因此，情绪变化与任何炎症标志物无关并不奇怪，因为这些变量之间没有潜在的生理原因。此外，情绪下降与我们观察到的MCAv或CA降低无关，表明脑血管功能可能不是解释急性情绪变化的机制。因此，可能有其他与急性长时间坐姿相关的机制解释我们的情绪数据。事实上，情绪降低可能与实验室测试环境和参与者无聊有关，这不能排除为潜在的促成因素。

坐姿后未观察到认知变化，这与先前在老年人[9]和卡塔尔女性[8]中的研究相反。我们发现的差异可能与用于评估每个认知领域的测试种类以及评估的人群有关，因为其他研究在评估年轻成年男性和女性时，观察到急性坐姿对认知没有影响[6,39]。据推测，由于长时间坐姿导致的脑灌注不足可能导致认知下降[40]，但尽管本研究中观察到MCAv降低，但这并未转化为认知变化，表明在急性环境中MCAv变化与认知无关。然而，MCAv不测量区域血流，最近观察到前额叶皮层灌注在急性坐姿后未改变，执行功能也未改变[41]。这表明在急性情况下，虽然MCAv降低，但特定脑区的灌注和氧气输送得以维持，这可能保护认知。相反，长期暴露于坐姿引起的MCAv降低可能导致结构和功能损伤，导致长期认知障碍。未来研究应更详细地探索这些机制。

局限性

所选的认知测试可能不够敏感，无法检测坐姿的影响，或者我们可能评估了不受坐姿影响的认知领域。认知测试也可能发生学习效应，尽管熟悉访问的纳入旨在降低这种风险。参与者在坐姿期间完成的桌面活动未受控制，因此它们可能不同地影响脑血管、认知和情绪反应。由于实验方案的长度，无法在禁食状态下完成测量，这是通常的最佳实践。然而，每次测量时间点前的膳食时间和内容相匹配，因此对结果测量的任何餐后影响将相似。