综述：屏气在体育运动中的应用：生理效应、挑战与未来方向

《European Journal of Applied Physiology》：The application of breath-holding in sports: physiological effects, challenges, and future directions

这篇综述探讨屏气在体育中的应用，分析其生理效应、挑战及未来方向，为相关研究提供参考。

　　

屏气在体育运动中的应用：生理效应、挑战与未来方向

屏气生理学研究历史颇为悠久，早在 1908 年，Hill 和 Flack 便对此展开了探索，此后大量文献涌现。这些研究详细阐述了竞技潜水者和习惯潜水人群的形态特征，以及长时间屏气过程中或屏气后不久身体发生的生理反应，像是潜水反应、三叉神经心脏反射、血液学反应等。这些研究成果深入揭示了屏气背后复杂的生理机制，让人们对屏气相关的长期适应性生理过程有了初步认识。

研究发现，连续屏气会使血红蛋白（Hb）和促红细胞生成素（EPO）浓度出现短暂上升。这是因为屏气时，身体处于缺氧状态，刺激了相关生理反应。同时，长期参与屏气相关活动的人，对高碳酸血症的通气反应会变弱，心理韧性增强，心肺功能、脑血管功能以及骨骼肌也会产生有利于运动表现的适应性变化。这些发现促使从业者和研究人员进一步探索屏气在体育运动中的应用，将其作为耐力活动前的预激活策略，或者是一种替代的低氧 - 高碳酸血症训练方法。

急性屏气的生理反应

人类在呼吸空气（21% 氧气）后，理论上的最大屏气时间取决于身体的氧气储备量以及氧气的消耗速度。由于屏气时有氧代谢只能依赖身体有限的氧气储备，所以初始氧气储备量越大，有氧潜水极限时间就越长，屏气时间也就越久。与拥有大量骨骼肌和血液氧气储备的潜水哺乳动物不同，人类的屏气能力很大程度上依赖于肺部的氧气储备。肺部氧气储备受吸入肺泡氧气分数和肺容积的影响，肺容积越大，氧气储备量就越多，屏气表现也就越好。比如，在接近肺总量（TLC）时进行屏气，比在肺容积约 85% 时屏气，屏气能力会显著提升，这是因为此时氧气储备更充足，氧气去饱和速率降低，二氧化碳缓冲能力增强，并且赫林 - 布雷尔肺萎陷反射的启动也会延迟。

屏气时，身体会引发一系列生理反应。其中，副交感神经会诱导心动过缓，这是由于吸气时的阶段性心动过速消失，以及肺牵张受体的输入汇聚到孤束核所导致的。这种心动过缓有助于降低心肌的氧气消耗。同时，身体四肢和非重要器官的交感神经张力升高，引发外周血管收缩，这些部位的代谢也会从有氧代谢转变为主要的无氧代谢。外周血管收缩的作用是优先为大脑提供富含氧气的血液，颈动脉和脑血流量会随之增加。此外，当屏气与面部浸入水中相结合时，会激活面部冷受体，引发三叉神经心脏反射，进一步增强心动过缓的反应，使屏气时间更长。不过，这种反射的程度会因水温而异，10 - 15°C 的水温引发的反应更为明显。

脾脏是交感神经系统的一部分，具有多项重要功能，它不仅参与红细胞吞噬过程、是抗体产生的场所，还能储存红细胞，人体大约 10% 的总红细胞体积储存在脾脏中。在屏气等刺激交感神经系统的情况下，脾脏会收缩，将储存的红细胞释放到体循环中。经过 3 - 5 次重复的最大屏气尝试后，脾脏的这种反应会达到充分效果，未经训练的人群血红蛋白可增加 3 - 8g/L。这些增加的血红蛋白能够增强血液的氧气结合和携带能力，提高氧气储备，延长屏气时间。而且，这些血红蛋白的增加在屏气后 10 分钟内会恢复到屏气前的水平。

缺氧或低氧环境会激活缺氧诱导因子（HIF）信号通路，进而促进促红细胞生成素（EPO）基因的转录激活。EPO 主要由肾脏产生，它是一种糖蛋白激素。虽然目前尚无研究探索自愿屏气对 HIF 表达的影响，但已有研究表明，屏气导致的全身低氧血症会使血清 EPO 水平短暂升高。并且，动态屏气比静态屏气更能有效刺激 EPO 的释放，这是因为动态屏气时的去饱和程度更明显。

在自愿屏气过程中，随着时间推移，动脉血氧分压会逐渐降低，而二氧化碳水平会升高。这些变化会刺激中枢和外周化学感受器，增加呼吸驱动力，让屏气者感到呼吸窘迫。基于这些感觉化学反射，屏气过程可分为两个阶段：“轻松期” 和 “挣扎期”，两者以第一次不自主呼吸运动（IBM）出现的生理转折点为界。在轻松期，屏气者不会立即产生呼吸冲动；而在挣扎期，屏气者需要依靠心理耐受来应对不断增加的低氧和高碳酸血症压力，同时不自主呼吸运动会逐渐增强。屏气能力主要依赖于三个基本要素：氧气储存能力（包括肺、血液中的血红蛋白和骨骼肌中的肌红蛋白）、氧气保存和利用效率（很大程度上取决于心血管和代谢调节）以及意志因素（即对不断增强的呼吸冲动和不自主呼吸运动的心理耐受能力）。

屏气与运动表现

在常氧条件下，氧气从环境运输到线粒体并用于支持氧化磷酸化的最大速率，主要由菲克方程的生理极限决定。最大摄氧量（V˙O2max?）是决定耐力运动表现的关键因素之一，它通过心输出量（Q˙?）和动静脉氧含量差的同时增加来实现。在耐力训练的运动员中，氧气运输是限制V˙O2max?的主要因素，约 70 - 80% 归因于心输出量；而在未经训练的个体中，线粒体的氧气消耗也起着重要作用。血液中氧气的携带主要依靠红细胞中的血红蛋白，血红蛋白能运输约 98% 的氧气，其余约 2% 溶解在血浆中。血液的携氧能力与运动能力密切相关，血红蛋白总量（t?Hbmass?）与V˙O2max?的关系最为紧密，t?Hbmass?每变化 1%，V˙O2max?大约会相应变化 0.6 - 0.7%。因此，能够提高循环血红蛋白水平等有助于增加氧气供应的因素，从运动表现的角度来看都是有利的。

屏气作为预激活策略

十多年前，屏气因其能够通过脾脏反应短暂提高血红蛋白浓度和t?Hbmass?，被视为一种潜在的运动表现优化策略。研究人员期望利用屏气自然地提高血液的氧气结合和携带能力，进而探索其作为耐力活动前预激活策略的可行性。

Sperlich 等人在 2015 年率先对此进行了研究。他们让自行车运动员在进行 4 公里计时赛前，分别进行屏气（四次重复的干式最大屏气）和正常呼吸（对照组）。结果发现，屏气组运动员到达 4 公里终点的平均时间比对照组多了 16 秒。然而，该研究存在一些方法学上的局限性。比如，受试者在未出现任何去饱和的情况下就终止了屏气，可能是因为对屏气不熟悉，导致低氧刺激不足，无法触发脾脏反应；而且，最后一次屏气与计时赛之间的时间间隔过短，可能使得受试者没有完全从连续屏气的心理挑战中恢复过来。

为了改进这些问题，后续 Robertson 等人在 2020 年以及 Bouten 等人在 2020 年的研究中，增加了熟悉屏气的环节，并延长了屏气与运动试验之间的时间间隔（2 - 3 分钟）。Robertson 等人发现，经过标准化热身和连续屏气后进行 400 米自由泳计时赛，运动员完成比赛的时间更早，但这一结果并非由血红蛋白水平差异导致。Bouten 等人的研究也表明，屏气结合热身的试验与仅进行热身的试验相比，没有发现明显差异，这再次强调了热身的重要性。由于运动本身就能引起脾脏收缩，所以在有热身环节的情况下，单纯为了刺激脾脏反应而进行屏气似乎并非必要。

近年来，Bourdas 和 Geladas 在 2021 年的研究表明，进行一系列五次重复的最大静态屏气，并结合面部浸入冷水（12°C），随后进行 150 秒的热身，能够显著提高自行车测试中的疲劳时间。他们推测这可能是由于屏气干扰了酸碱平衡，但并未发现屏气与血红蛋白水平变化之间的关联。Wendi 等人在 2023 年的研究指出，在 10 分钟的无负荷骑行热身中融入六次最大屏气，可显著提高精英橄榄球运动员在递增骑行测试中的峰值摄氧量（V˙O2peak?），同样没有观察到血红蛋白和红细胞水平的变化。Wang 等人在 2024 年的研究发现，将六次最大呼气末屏气融入 10 分钟无负荷骑行热身，能显著提高后续递增骑行测试中的V˙O2peak?，且这种提升效果优于正常呼吸和干式静态屏气，与动态和静态屏气结合面部浸入的效果相当。

总体而言，目前的证据既不能明确支持也不能否定屏气作为预激活策略的有效性。多数报告显示，屏气有积极效果的研究，通常采用了较多的屏气次数（≥5 次），并结合了体育锻炼和 / 或面部浸入等方式，这些组合会增强低氧和高碳酸血症压力。未来的研究应进一步探索这些组合，阐明其影响运动表现的潜在机制。并且，鉴于安慰剂和反安慰剂对运动表现的影响，未来研究应在实验设计中纳入安慰剂对照试验，以更准确地评估屏气作为预激活策略的效果。

实际应用与挑战

屏气作为一种优化急性运动表现的预激活策略，具有一定的潜力。然而，制定有效的屏气方案并将其成功应用于实际却比最初想象的更为复杂，有许多方面需要仔细考虑。

一个完整的屏气方案包含八个不同部分，分别是屏气类型（静态或动态）、强度（最大或次最大）、屏气前呼吸方案（自然呼吸、过度换气）、屏气时的肺容积（功能残气量、肺总量、残气量）、尝试次数（单次或连续）、每次尝试之间的恢复时间（例如≤120 秒）、组数以及每组之间的休息时间。这些部分共同决定了屏气干预的强度和持续时间。在制定方案时，必须充分考虑运动员的身体能力，并根据他们的反应进行调整。如果方案强度过大，可能会导致残余疲劳，从而影响运动表现；而强度过弱，则可能无法产生明显效果。目前，不同屏气方式组合对运动表现的影响尚不明确，这凸显了进一步研究以指导最佳方案设计的必要性。

在相关文献中，屏气对心理和生理压力的影响常常被忽视。虽然目前的证据倾向于实施具有生理挑战性的方案，但心理因素同样不可忽视，比如身体和心理的疲劳程度以及运动表现的准备状态。Bouten 等人在 2020 年的研究显示，单次静态屏气在感知疲劳和运动表现准备方面的评价比单次动态屏气或一系列重复屏气（5 - 6 次）更为有利，但在 10 分钟热身之后进行单次静态屏气，却未能提高后续的运动表现。此外，Sperlich 等人在 2015 年的研究中发现，自行车运动员在进行 4 公里计时赛时，重复屏气导致他们在第一公里就损失了 7 秒，这表明重复屏气可能会引发一定程度的疲劳。因此，在制定屏气方案时，必须仔细权衡生理和心理因素，避免制定过于严格或过于宽松的方案，以免对耐力运动表现产生不利影响。

在现代体育环境中，热身是优化运动表现的重要环节，它能产生多种与温度、代谢、神经和心理相关的效应，包括增加无氧代谢、改善氧气摄取动力学以及增强激活后增强效应。屏气不应被视为传统热身的替代品，而应作为一种潜在的补充手段。越来越多的证据表明，无论是在热身前、热身过程中还是热身之后进行屏气，都可能带来积极的运动表现结果。从实际操作角度来看，干式动态屏气因其简单易行且所需设备少，更便于运动员融入热身环节，能更好地适应各种运动场景。

虽然屏气在耐力活动前易于实施，且无需特殊设备，但要将其无缝融入实际体育环境，仍需考虑诸多因素。现有热身方案的性质（如形式、持续时间、强度）、后续运动项目的类型（训练或比赛）以及比赛的限制条件（如热身时间、热身与比赛之间的时间间隔）等，都会影响屏气方案的设计和实施。例如，屏气干预与比赛之间的时间间隔至关重要，若间隔过长，可能会抵消屏气的潜在效果。这充分说明，将屏气融入运动准备过程时，需要采用灵活且因地制宜的方法。

屏气训练的长期影响

屏气训练具有低氧高碳酸的特点，会引发一系列生理反应，如 EPO 的短暂升高，以及长期参与屏气相关活动带来的生理和心理适应性变化。这些因素促使研究人员探究屏气训练是否能成为一种有效的替代训练方式，以优化运动表现。

连续屏气并间隔短时间的常氧呼吸（如 2 分钟），已被证明能短暂提升 EPO 浓度。由于 EPO 在红细胞生成过程中起着关键作用，且t?Hbmass?与V˙O2max?密切相关，因此有多项研究致力于阐明屏气训练对血液学的长期影响。然而，不同研究的训练方案差异较大，包括屏气方式（静态和 / 或动态）、每次训练的重复次数（5 - 10 次）、每周训练次数（4 - 7 天）以及总训练时长（2 - 22 周），这使得研究结果难以直接比较。尽管部分研究观察到了红细胞生成活跃的迹象，如网织红细胞和铁水平增加、铁蛋白减少，但所有研究均未发现静息状态下红细胞计数和t?Hbmass?的明显差异。回顾分析发现，未能记录到 EPO 和网织红细胞改善的研究，其受试者的去饱和程度明显低于报告有积极结果的研究。这表明，屏气训练中低氧 - 高碳酸剂量（即暴露时间和去饱和程度）可能不足以刺激红细胞生成。间歇性低氧训练研究也发现，即使 EPO 浓度显著增加，也不一定能转化为红细胞体积或t?Hbmass?的可测量改善，这进一步证实了有效刺激红细胞生成可能需要更高的低氧剂量。

在屏气潜水生理学领域，对潜水人群骨骼肌表型的研究相对较少。已有研究发现，与非潜水人群相比，竞技潜水者具有更高的毛细血管密度、更大的毛细血管 - 纤维比，以及更低的扩散距离和共享因子。这表明长期屏气训练可能会改善血液与组织之间的交换能力。缺氧和肌肉募集，尤其是二者结合时，在血管内皮生长因子（VEGF）的调节和表达中起着关键作用，进而影响毛细血管的新生和血管生成。因此，潜水人群较高的毛细血管化可能与他们频繁进行的静态和动态屏气活动有关。从理论上讲，更多的毛细血管供应能够改善氧气的扩散交换，促进氧化磷酸化和三磷酸腺苷（ATP）的重新合成，同时有助于清除代谢废物，从而提高肌肉工作效率，延缓骨骼肌疲劳的发生，延长任务失败的时间。实际上，大量证据表明，毛细血管化与运动表现之间存在密切联系，毛细血管密度与训练状态、V˙O2max?、通气阈值和临界功率呈正相关。所以，如果长期屏气训练能够有效改善毛细血管化，对运动员群体来说将具有很大的吸引力。

屏气训练不仅能增强潜水反应，还能提高心理韧性。研究表明，屏气潜水者能够抑制呼吸冲动，在超过生理转折点后仍继续屏气，而未经训练的人往往在生理转折点或接近该点时就终止屏气尝试，这表明屏气潜水者具有更强的心理耐受能力。此外，屏气潜水者在面对压力时表现出更强的抵抗力、更高的自信心和更低的负性情绪。这种在身心挑战中忍受不适、坚持不懈的能力，对于培养心理韧性至关重要，而心理韧性与运动员在体育赛事中的成功密切相关。因此，屏气训练有望成为一种培养运动员心理韧性的有效心理训练策略。

长期屏气训练对屏气表现的提升效果已得到充分证实，但关于其对运动表现的长期影响，相关研究却相对较少。一些针对非潜水者的研究发现，无论是为期两周或六周的每日干式静态屏气训练，还是为期三个月的每周三次模拟动态屏气训练，都未能有效提高运动表现，如V˙O2max?、通气阈值、疲劳时间测试以及 3 公里自行车计时赛和V˙O2peak?等指标均未得到改善。然而，由于这些研究均未跟踪训练期间的屏气时间和去饱和水平，所以无法确定这些结果是因为屏气训练作为低氧训练方式无效，还是低氧 - 高碳酸剂量不足所致。

近年来，一种名为自愿低通气的屏气训练方法受到关注。这种方法是将屏气融入常规训练中，运动员通过呼气至预定肺容积（如接近功能残气量），然后屏气一段时间（如 4 - 8 秒）、行进一定距离（如 40 米冲刺、15 米或 25 米游泳冲刺）或直到产生强烈的呼吸冲动，接着呼气并进行短暂的恢复，随后重复该过程。这种结合重复冲刺训练和短时间呼气末屏气的方法，能够有效诱导低氧（<88%）和高碳酸血症压力。经过一段时间的训练，该方法在提高游泳表现、跑步经济性和重复冲刺能力方面显示出一定的潜力。虽然其改善运动表现的具体机制尚不清楚，但研究人员认为可能与增强的缓冲能力、pH 调节以及快肌纤维中更好的氧气利用有关。

安全性与不良影响