第壹章 緒論
第一節 問題背景
自從 1931 年 Berger 記錄到人類腦部電位變化，而這些微弱的電位變 化經過放大器的處理，以波型呈現出來，即為腦波。而後腦波便被用來代 表大腦活性，並被應用於臨床精神疾病的診斷及睡眠的研究。自 1963 年 Hon 及 Lee 發現胎兒窘迫症發生時 (Hon & Lee, 1963)，會先出現每一跳之 心跳間距的改變，且比其他生理變化更早發生，而心跳與心跳之間隔時間 改變的變異度，即為心率變異性，而心率變異性是一種非侵體性且簡單的 評估心臟自主神經功能的方式。至 1978 年 Wolf 等人提出，心肌梗塞患者 之心率變異性降低會增加其死亡率 (Wolf, Varigos, Hunt, & Sloman, 1978)，
自此心率變異性的重要性開始受到重視。
研究指出增加身體活動可減少罹患肥胖、心血管疾病、第二型糖尿病、
癌症和憂鬱症的機會，然而針對運動和中樞及週邊神經系統之間關係的研 究 卻 很 少 (Kempermann, van Praag, & Gage, 2000; Vaynman, Ying, &
Gomez-Pinilla, 2003)。長期的身體活動會改善大腦健康，在人體研究上指 出，規律運動有益於改善憂鬱的症狀 (Blumenthal 等，1999; Dunn, Trivedi, Kampert, Clark, & Chambliss, 2005)，睡眠品質 (Driver & Taylor, 2000) 和老 年人的認知功能 (Colcombe & Kramer, 2003; Hillman, Weiss, Hagberg, &
Hatfield, 2002; Kramer 等，1999)，長久以來科學家致力於了解其中的機轉。
運動過程中生理訊號向來是許多研究者致力研究的議題，而往往因為 活動量大而不易收集訊號，也難排除因運動造成的雜訊干擾。自主神經系 統在調控身體活動神經生物學層面的相關知識仍貧乏，目前大多研究衰竭 性運動對中樞性疲勞的機轉。心率變異性與疾病的狀態有相當大的關聯，
許多研究均證實心率變異性可作為心臟病患存活率、急性心肌梗塞患者死 亡率及心律不整併發症的預測因子 (Ozdemr 等，2004)。近年來不斷中年 人，甚至是年輕人發生運動猝死，這往往是因為心室肥大或者其他心血管 疾病而造成心律不整的現象，而運動過程中心臟自主神經功能之變化是值 得的研究方向，但由於分析方法以及運動強度的不同至今無一定論，而大 都為人體研究，故生活習慣亦是變向之一，然而如建立良好的運動狀態下 自主神經功能的監控模式，一般大眾以及運動員將會受益良多。運動中腦 波的測量更是難以記錄，大多研究只能比較運動前與運動後之差異，運動 過程中大腦的活動只能利用推測的方式了解。運動造成骨骼肌生成的氧化 酵素可能會間接的影響大腦代謝 (McCloskey, Adamo, & Anderson, 2001);而 運動會造成全身性的血流增加，進而增加大腦血流量 (Williamson 等，
1997)，推測其可能加速大腦的代謝，然而急性的身體活動對大腦代謝的影 響機轉尚未清楚。而本研究所使用的多頻道生理訊號記錄器，可以同時記 錄運動過程中腦波及心臟自主神經功能，可藉此了解運動過程中大腦皮質
與心臟自主神經功能之間的互動。
面對全球高齡化社會的趨勢，加上現代醫療日新月異，全球的文明國 家都已邁入高齡化社會，老化會造成肌力、心肺功能與柔軟度下降以及身 體質量指數增加，並產生許多退化性疾病，而造成生活品質下降。在老年 人相關及定方面，臺灣地區在民國 88 年老人健保醫療費用高達 800 億，佔 全體健保醫療費用約 30%，為各年齡層費用中之最高，其罹患慢性疾病方 面，以心血管疾病佔最多;而約有 50~70% 的老年人有慢性疾病，故高齡化 社會所帶來公共健康醫療的問題已成為各國政府及研究者熱心關切的問 題。此外，每年因高血壓及其相關併發症死亡的人不計其數，特別是美國 人，據估計約有四分之一的成年人患有高血壓。長久以來它被視為一個隱 形的殺手，而高血壓及心臟相關疾病都是歷年來都列台灣區域十大死亡原 因，政府近年來推動相關活動呼籲民眾能定期量血壓，及早預防治療，高 血壓問題亦是許多人所關心的議題。許多研究也已證實運動可以降低血 壓，但仍未了解在運動過程中的生理變化以及其影響高血壓之機轉。
綜合以上敘述，身體活動有益於健康是不爭的事實，然而現代人的文 明病越來越多，很多原因是來自於生活習慣及飲食上的改變，而降低新陳 代謝，續發性高血壓就是其產物之一;邁入高齡化社會，老年人健康的維持 也是必須去重視的，而運動即為一個有效預防疾病並促進健康的方法。本 研究試圖建立監控大鼠運動狀態下大腦皮質與心臟自主神經功能之模式，
以了解其間於運動中之互動，並嘗試了解年老以及高血壓是否有其特異表 現。
第二節 研究目的
根據背景分析得知，關於運動對於心臟自主神經及腦電波的影響因個 體差異太大，以及不同分析方式而使許多機轉尚未明確，研究無法完全掌 控人的生活及飲食習慣，而記錄運動過程中之生理訊號，往往易受到運動 所造成的雜訊影響而記錄不易。本研究嘗試建立大鼠運動狀態下生理訊號 的監測，以了解在運動狀態下大腦與自主神經系統間的互動，進而嘗試監 測老年與高血壓大鼠的運動狀態，以模擬老年人以及高血壓患者進行運動 中的生理反應，將研究目的分成下列六項：
一、比較成年正常血壓大鼠於運動前，運動中及運動後腦波之變化。
二、比較成年正常血壓大鼠於運動前基礎值，運動狀態下以及運動後恢復 期心率變異性之變化。
三、比較老年與成年正常血壓大鼠於運動前，運動中及運動後期腦波變化 之差別。
四、比較老年與成年正常血壓大鼠於運動前，運動中及運動後期心率變異 性變化之差別。
五、比較成年高血壓大鼠與正常血壓大鼠於運動前，運動中及運動後期腦
波變化之差別。
六、比較成年高血壓大鼠與正常血壓大鼠運動前，運動中及運動後期心率 變異性變化之差別。
第三節 研究假設
一、成年正常血壓大鼠於運動中之腦波與運動前與運動後相比，大腦呈現 高度活性。
二、成年正常血壓大鼠於運中之心率變異性與運動前與運動後相比，心臟 自主神經功能各項指標減退。
三、老年正常血壓大鼠於運動中之腦波與成年正常血壓大鼠相比，大腦整 體活性較弱。
四、老年正常血壓大鼠於運動中之心率變異性與成年正常血壓大鼠相比，
心臟自主神經功能各項指標減退更明顯。
五、成年高血壓大鼠於運動中之腦波與成年正常血壓大鼠相比，大腦整體 活性較弱。
六、成年高血壓大鼠於運動狀態下之心率變異性與成年正常血壓大鼠相 比，自主神經功能各項指標減退更明顯。
第四節 研究限制
針對大鼠進行運動，不能完全定義大鼠是“主動”進行運動，故不能完全 模擬人的運動狀態，雖相關已證實這樣的運動模式不會對大鼠產生壓力。
而本研究於大鼠真正進行記錄前會先對大鼠進行 3 天的跑步機適應
。
第五節 名詞操作性定義
一、腦波
一般測量腦波圖 (electroencephalogram, EEG) 來了解腦部活動情形，
腦皮質神經細胞的電位活動可藉由腦波測量測得，而這些微弱的電位變化 經過放大器的處理，以波型呈現出來，即為腦波。腦波利用頻譜分析將各 頻域分為 alpha 頻域 (6.8-13 Hz)、beta (13-32 Hz)、theta 頻域 (4-6.8 Hz) 及 delta 頻域 (0.5-4 Hz)，正常成年人清醒腦波大部分由 alpha 波及 beta 波組 成，不同頻段腦波有其特殊的生理意義，而腦波會隨著年齡的改變，反應 腦部的發育，成熟或老化。
(一) alpha 波
特性規律且協調，alpha 波產生於清醒且放鬆的狀態下，只要閉上眼睛 放鬆即可增強 alpha 波的振幅，因張眼、倦睡或緊張而減弱。alpha 波是 Berger 於 1931 年命名而來，由於 alpha 波可以從大腦各個位置測得，故
胞基礎新陳代謝的現象。
(二) beta 波
不規則的快速波，beta 波會被觸覺、聽覺和情緒刺激所影響，也會被 自我努力意識所控制。SoKolov 主張 beta 波是皮質區活動過程的表徵，
SoKolov 認為當刺激是新的、不熟悉的，beta 波就會出現，當刺激重複而 被習慣化後，則 beta 波會消失 (Sokolov, 1963)。
(三) theta 波
高振幅的慢波，theta 波在海馬迴 (hippocampus) 中最突出，也可以在 其他大腦區域測量到，最明顯的是在 olfactory bulb (Adrian, 1942)。而在不 同區域測量之 theta 波可牽涉到不同層面的學習記憶過程，研究顯示面臨 新 的 學 習 環 境 時 ， 成 功 的 學 習 過 程 會 增 加 theta 波 活 動 的 同 步 化 (synchronization) (Fell 等， 2003)。在清醒時，theta 波可以代表睡眠驅力，
當清醒時 theta 頻域功率所佔比例越多，則代表睡眠驅力越高(Torsvall &
Akerstedt, 1987)。
(四) delta 波
高振幅的極慢波，delta 波在安靜睡眠時表現明顯，可以代表睡眠深 度，睡眠時 delta 頻域功率所佔比例越多，則代表睡眠的越深。
二、自主神經
醫學上將神經依功能來區分，可區分為運動神經、感覺神經及自主神
經，心臟、全身血管、皮膚的汗腺、內臟器官腺組織與平滑肌等活動，由 非意識的神經所控制，這種神經即自主神經。自主神經是由交感神經與副 交感神經所構成，是兩種採取相反作用的神經系統，幾乎所有器官都受交 感神經與副交感神經所控制。
三、心率變異性
心率變異性 (heart rate variability, HRV) 是一種研究心跳間波動和平均 心率的差異，心率會受交感神經與副交感神經變化的影響而影響心跳的波 動，HRV 可以作為因心臟疾病死亡的預測指標 (Huikuri 等， 1999; Jokinen, Tapanainen, Seppanen, & Huikuri, 2003)，也是一種非侵體測試自主神經活性 的方式。心率變異性測量已是臨床上常見評估自主神經系統的測試方法之 一，心率變異性的抑制或降低常見於心臟移植病患、心臟衰竭病患、心肌 梗塞或其他心臟病患、目前臨床最常見用來預測急性心肌梗塞後突發性死 亡機率。1996 年一群歐美及北美心臟科醫師對心率變異性、測量標準、生 理性判讀及臨床應用訂出施用標準，使得心率變異性結果可以互相比較及 研 究 ， 也 使 臨 床 結 果 更 具 意 義 (Task Force of the European Society of Cardiology and the North American Society of Pacing and Electrophysiology, 1996)。常見的分析 HRV 的方法有三種：分別是時間分析 (time domain)、
頻率分析 (frequency domain) 以及幾何方式 (geometrical methods) (Nolan 等，1996)。一般在醫學界認為 RR 區間頻譜高頻部份 (high frequency, HF :
0.15-0.40 Hz) 代表心臟迷走神經活性，而低頻部份 (low frequency, LF : 0.04-0.15 Hz) 則是代表心臟交感神經與迷走神經的總和，又有學者將低頻 段在分為極低頻 (very low frequency, VLF : 0.0033~0.04 Hz) 與超極低頻 (ultra low frequency, ULF : 0~0.0033 Hz) ，並以低頻除以高頻的比例 (LF/HF) 視為心臟交感及副交感之平衡狀態，數值較大則代表交感神經活性強於副 交感活性，反之則表示副交感神經活性強於交感神經活性。
心跳之間的波動與呼吸有關，吸氣會抑制副交感神經活性，所以一個 健康人類的心率變異性的主要決定因素是副交感神經活性 (Taylor, Carr, Myers, & Eckberg, 1998)。影響心率變異性在 0.1 Hz 頻率的波動的生理機 轉是受感壓反射控制的血管收縮神經所影響，而這同時也會影響動脈血壓 的波動。
