第二章 文獻探討
本研究之目的，在於單次的咖啡因攝取，對於安靜狀態、運動中、
恢復期的心率變異性、血壓、警覺度及運動自覺度的影響。本章茲就分別 探討自律神經與心血管系統的關係、運動以及咖啡因對身體的自律神經系 統會造成哪些影響，以及其兩者配合使用對自律神經系統可能會造成哪些 結果，來進行文獻探討，並歸納探討結果。本研究之文獻架構圖如下：
一、自律神經與心血管系統的關係 五、文獻總結四、咖啡因對生理的影響三、運動對自律神經系統的影響二、心率變異性在醫學上的應用
圖2-1 文獻架構圖
之影響
運動前攝取咖啡因對心臟自律神經
第一節 自律神經與心血管系統的關係
一、神經系統的分類
人體的神經系統分為中樞神經系統 ( central nervous system, CNS ) 與 周圍神經系統 ( peripheral nervous system, PNS ) 。中樞神經系統分為兩個 部分：腦 ( brain ) 和脊髓 ( spinal cord )。周圍神經系統分為體性神經系統 ( sensory-somatic nervous system ) 和自律神經系統。
控制人體骨骼肌的體神經系統由周邊神經纖維所組成，此纖維會傳 送感覺訊息至中樞神經系統。而運動神經纖維主要是傳送到骨骼肌。其細 胞主體位於腦或脊髓，並正確的將訊息傳達至骨骼肌。人體藉由體神經系 統與中樞神經系統之交互作用，可以依意識驅動四肢及軀體。
二、自律神經系統
自律神經系統主要分成兩大部分：交感神經系統 ( sympathetic nervous system, SNS ) 及副交感神經系統 ( para-sympathetic nervous system,
PNS )。自律神經系統控制體內器官的平滑肌及腺體（內分泌腺，endocrine；
外分泌腺，exocrine）。自律神經系統中的前神經節位於腦或脊髓，前神經 節主要是傳送訊息到一個自律神經節；後神經節則是連結到標的物。相較 於前述之體神經系統，自律神經系統的作用無法受到意志控制而是反射性 的。例如我們不會注意血管的收縮，體溫的維持，呼吸的順暢或因應環境 的持續心跳變化等。
（一）交感神經系統
當人面臨緊張，恐懼，戰鬥或逃難 ( fight or flight ) 之情境時，交感神 經系統會被刺激並且開始作用，體內使用能量迅速增加，造成血壓上升，
心跳加快，血管收縮；另一方面尿液減少，消化變慢以便全力對付眼前的 危機。交感神經系統利用神經末梢分泌之神經傳導素乙醯膽鹼
( acetylcholine ) 及正腎上腺素 ( norepinephrine ) 來傳遞訊息。
（二）副交感神經系統
當人處於輕鬆，休息，復原，睡覺或緊張過後之情境時，體內的生理 活動改由副交感神經系統主宰。此時身體的工作目標是儲備能量，也因此 血壓降低，心跳變慢，消化吸收過程開始。副交感神經系統同樣利用神經 末梢分泌之神經傳導素來傳遞訊息，但主要是乙醯膽鹼 ( acetylcholine ) 。
三、自律神經系統與心血管系統的調控
心血管系統的控制主要是經由交感神經與副交感神經的活性對大腦中 樞調控 ( Hainsworth, 1998 ) 。同時也受到壓力感受器 ( baroreceptors ) 、 化學接受器 ( chemoreceptors ) 、肌肉傳入 ( muscle afferent ) 、局部組織 代謝 ( local tissue metabolism ) 、循環性激素 ( circulating hormones ) 的影 響 ( Levy & Martin, 1979 ) 。而心血管系統的研究主要是著重在神經活性 以及壓力感受器的部分。
自律神經在身體機能的調節上具有主導地位，而這些神經的調控是不 具意識的。自律神經包含交感與副交感神經，而其中副交感神經主要以迷 走神經與心臟的驅動有關。正常情況下心跳與血壓非常容易受到呼吸、生 理反應、環境、心理以及其他因素的影響，身體對於心跳率的調控，包含 交感與副交感神經的驅策力 ( drive ) 、頸動脈竇與主動脈弓的壓力反射 ( baroreflex ) 機制以及週邊血管張力 ( vasomotor tone ) ( Pumprla,
Howorka, & Groves, 2002 )。在健康的個體上，自律神經系統活性在心搏 ( beat-to-beat ) 血流動力學的調節扮演相當重要的角色，足以用來評估心血 管系統的功能。
分析心血管系統的變異性主要是藉由深入探討心臟的神經調控機制，
因此學者稱之為：「神經心臟病學 ( neurocardiology )」 ( Natelson, 1985;
Aubert & Ramaekers, 1999 ) 。這個領域在研究方面結合了神經科學與心血 管生理學；在臨床方面結合了神經病學與心臟病學。
第二節 心率變異性在醫學上的應用
一、心率變異性的定義
人體的血壓調控是由頸動脈的壓力感受器將訊息傳到腦部的心血管控 制中心，經由交感與副交感神經系統來調整心臟輸出量與總週邊血管阻力 以維持正常血壓。心輸出量是受到心跳率與每跳輸出量的影響，總週邊血 管阻力是受到小動脈半徑與血液濃稠度的影響。交感神經不只影響到心跳 的調控，也影響靜脈回流、心臟收縮強度而改變心搏量、小動脈收縮而改 變週邊血管阻力等等；而副交感神經只影響到心跳的調控。
心跳率的快慢主要受兩個因素的影響：一、心臟竇房結 ( SA node ) 的 固定放電頻率 ( Singer, Baumgarten, & Erick, 1981 ) 。二、自律神經系統的
調控，而竇房結的放電頻率則會因自律神經活性的調控而表現變異，即所 謂心率變異性 ( heart rate variability, HRV ) 的產生（郭正典、陳高揚，
1997）。
歐洲心臟學會 ( The European Society of Cardiology ) 及北美心律電生 理學會 ( The North American Society of Pacing and Electrophysiology ) 及 所成立之特別工作小組於1996 年公佈了「心率變異性之量測、生理意義 及臨床應用」之國際標準，這個由17 位國際心臟及生物物理學家所組成 的工作小組，首次將心電圖 ( electrocardiogram, ECG ) 所量測心跳率及心 率變異性之步驟加以標準化。所謂心率變異性，就是一個心跳與下一個心
跳間之時間間距不是一成不變的，而是隱藏著規律性的變化。例如兩個同 具每分鐘平均心跳72 次的人，極有可能在心率變異性上發生很大差異。
利用心電圖，可以精確地測到心電訊號，並計算出R-R 間隔（R 峰為心電 波型之主峰），心跳率及心率變異性（即R-R 間距之標準偏差）。
心率變異性分析的第一步驟是以心電圖監視器擷取R-R間期訊號記錄 下來。由於P波的訊號較小，通常以R波的距離替代。而要測量R波的時距，
必須先將心電圖的類比訊號數位化，然後利用心率變異性分析的電腦軟 體，量取相鄰R波的時距。心率變異性分析主要以正常的竇性心率 ( normal sinus rhythm ) 評估。若有異位心跳 ( ectopic beats ) 或雜訊 ( noise ) 都要 先加以去除，並使用補間取樣、經線性迴歸或相關函數等方法來校正。對 於刪除的的心跳間期數目要加以說明，並且也要考慮到刪除後是否會對結 果分析會有影響。心率變異性除了可以一般時間範圍分析 ( time domain analysis ) 算出心率平均值及標準偏差外，還可以頻譜分析 ( frequency domain analysis ) 計算出特定頻率範圍之功率。上述工作小組依據多重臨 床報告進一步訂定了以下HRV之生理意義:
一、時間範圍分析 ( time domain analysis )
時間範圍分析是將所有的R-R間隔資料進行各種統計學上的計算，以求 得各種心率變異性的指標，較常用者有以下幾個：
（一） 心跳期間標準差 ( standard deviation of all NN intervals, SDNN ) ： 心跳期間的標準偏差，即變異數 ( variance ) 的開平方，SDNN越大 表示心率變異性越高。
（二） 連續5分鐘心跳期間標準差 ( SDANN )。
（三） 連續5分鐘心跳期間標準差的平均數 ( SDNN index )。
（四） 相鄰兩心跳間隔差值平方和的均方根 ( RMSSD )。
（五） 相鄰兩心跳間隔差值超過50毫秒的個數 ( NN50 count )。
（六） 相鄰兩心跳間隔差值超過50毫秒的比例 ( pNN50 )。
這些指標中的pNN50和RMSSD屬於短期的變異性指標，與頻域分析中 的HF有高度相關，是反應副交感神經活性的指標之一 ( Ewing, Neilson, &
Shopiro, 1991 ) 。
二、頻域分析 ( frequency domain analysis )
頻譜功率密度 ( power spectral density, PSD ) 分析，主要分為兩種方
式：（一）自動迴歸模型評估法 ( auto-regressive model estimation, AR ) 與
（二）快速傅立葉轉換 ( Fast Foruier Transformation, FFT ) ( Marple, 1987 ) 。從 AR 轉換成的頻譜圖的曲線就較為平滑連續，而 FFT 的頻譜圖
上，可以發現會有好幾個不同頻率成分構成的不連續尖峰 ( discrete peak ) 。不過，兩者所得的結果是非常相近的（見圖 2-2）( Niskanen, Tarvainen, Ranta-aho, & Karjalainen, 2002 ) 。
(B) (A)
圖2-2 頻域分析 ( frequency domain analysis ) 的方式。( A )自動迴歸模型評 估法 ( AR )；( B )快速傅立葉轉換 (FFT) ( Niskanen, Tarvainen,
Ranta-aho, & Karjalainen, 2002 )
頻域分析法是經過轉換後，計算在不同頻率範圍所擷取到的功率與峰 值，通常頻率分為：高頻 ( high frequency, HF ) 頻率為 0.15-0.4 Hz，其峰 值頻率 ( central frequency, CF ) 約為 0.25 Hz、低頻 ( low frequency, LF )
為0.04-0.15 Hz，CF 約為 0.1Hz、極低頻 ( very low frequency, VLF ) 為 0.00-0.04 Hz。功率頻譜曲線下的成分 ( component ) 總和即為總功率 ( total power, 簡稱 TP ) ，在個別的頻率區域內的面積則為各區域的功率。
而頻域分析主要的變項為下列幾個：
一、高頻部份 ( HF ) ：反應著呼吸的節律，且主要受到迷走神經活動的影響 ( Aubert 等, 2003; Pomeranz 等, 1985)。
二、低頻成份 ( LF ) ：交感與副交感神經、腎素-血管收縮素系統
( rennin-angiotension system) 以及頸動脈的壓力反射機制均會影響LF，但 主要是受到交感神經系統的驅動 ( Aubert 等, 2003; Pomeranz 等, 1985;
Pagani 等, 1986)。
三、極低頻 ( VLF )：與體溫調節 ( Matsumoto 等, 1999 )、血液中的兒茶酚胺 濃度 ( Nakamura 等, 1993 ) 、噪音 (Aubert 等, 2003) 等有關。但也有學 者認為影響VLF的生理機制有待進一步研究 (Aubert 等, 2003)。
四、低頻/高頻成份比值 ( LF/HF )：交感／副交感神經平衡指標。
心率變異性的測試通常以5分鐘為主，但若病情複雜，也可以連續監測 24小時。有學者指出時間範圍分析法對於分析長時間（24小時）紀錄的心 電圖比較理想，而頻域分析較適用於短時間（5分鐘）的心電圖紀錄，主
要是因為長期紀錄時，心率的調控穩定度較低，致使頻域分析的結果較難 以解釋（陳高揚、郭正典、駱惠銘，1995）。至此，醫學界有了一個量測 自律神經功能的國際標準。上述工作小組更進一步將心率變異性量測在臨 床上（包括心臟，心血管，糖尿等疾病）之應用加以說明及建議。美國醫 療保險業也在最近幾年將HRV/R-R間距加入給付項目 ( CPT 95921 and CPT 95922 ) 。
二、心率變異性在臨床上的應用意義
心率變異的分析帶給了心血管疾病的研究與防制一個新方向，Tsuji 等
人 ( 1996 ) 在研究報告中指出，針對 2501 個沒有明顯心血管疾病的人持 續觀察三年半後，其中有58 人罹患心血管疾病，在剔除了年紀、性別、
吸煙、糖尿病、心室肥大等因素後，心率變異性的高低與心血管疾病有確 切關係。除此之外，來自各地的研究也不斷地發覺了心率變異與各種心血 管疾病的關係與應用。研究發現許多心血管疾病或非心血管疾病與心率變 異性的下降呈現正相關 ( Wolf, Varigos, Hunt, & Sloman, 1978; Kamath &
Fallen, 1993; Malik & Camm, 1994 ) 。以下探討心率變異性在臨床的應用：
（一）高血壓與心臟病 ( hypertension & cardiovascular diseases )
Guzzetti, Dassi, and Pecis ( 1991 ) 分析 49 名高血壓患者與 30 名健康者
的 HRV 後發現，高血壓患者的低頻功率顯著高於正常人，顯示其交感神 經活性較為旺盛。Langewitz, Ruddel, and Schachinger ( 1994 ) 比較 41 名血 壓偏高者、34 名高血壓患者與 54 名健康者的 HRV 頻域分析，結果發現高
血壓患者的副交感神經活性較低，但是可使用非藥理性的方式（如規律運 動）來提高迷走神經活性。
心肌梗塞 ( myocardial infarction, MI ) 後的 HRV 的下降反映出迷走神 經活性減少導致交感神經活性的上昇而造成心臟的電化學不平衡。在心肌 梗塞的急性期，24 小時的 SDNN 顯著的減少而與左心室功能障礙、肌酸激 酶峰值以及 Killip 等級有關 ( Casolo 等，1992 ) 。其中的機制為心肌梗塞 後的 HRV 下降，在心肌梗塞的急性期 HRV 的下降是神經反應受到抑制的
預兆，儘管尚不清楚詳細機制，但似乎意味著因為迷走神經受到抑制使交 感神經活躍造成心臟的神經系統紊亂而影響到心搏 ( Malliani, 1982 ) 。
在測量急性心肌梗塞後存活患者的HRV頻譜分析發現，在總功率與頻 譜功率的個別組成均顯著下降 ( Bigger等，1991 ) 。可能因為迷走神經轉
變導致交感神經活性獲得優勢而迷走神經活性減少，這種情形可以由 LF/HF比的改變來觀察到。臨床資料顯示，在經歷一次急性心肌梗塞後，
若其HRV仍偏低，則其再發或猝死之危險性大大提高，急性心肌梗塞病人 出院後6至12個月，應定期量測HRV確認其逐漸恢復提升 ( Wolf, Varigos, Hunt, & Sloman, 1978 ) 。
（二）糖尿病神經病變 ( diabetic neuropathy )
糖尿病自主神經病變是逐漸地損害人體中的每一個器官。它常與週邊 神經病變混淆，因為它影響人體四肢的症狀更為明顯。由糖尿病引發的心 血管症所造成的高死亡率，有很大的因素來自於自主神經病變。這些潛在 的死亡併發症總是安靜地襲擊人體心臟，因為自主神經病變減弱了人體對 疼痛的敏感性，所以這些病症能在不被發覺的情況下擴展。在這種不易發 覺的情況下，還有一些其他的併發症，如：腎衰竭、中風、無自覺之低血 糖症、充血性心臟衰竭、性功能障礙。如有及時且適當的治療，糖尿病自 主神經病變可以被抑制甚至好轉。
糖尿病患初期（甚至血糖仍在正常範圍內，例如飯前110-120 mg/dl）
心率變異性便開始下降。中期及末期可能併發神經病變，此時交感及副交 感之細小纖維開始壞死，病人會出現站立眩暈、低血壓、心悸、盜汗及肚 瀉等自律神經失調症狀 ( Ewing, Martin, Young, & Clarke, 1985 ) 。
與糖尿病有關的神經性病變，其特徵是小神經纖維的改變。而在時域 分析的HRV 下降不止可以發現預兆也具臨床上自律神經病變的意義 ( Freeman 等，1991 ) 。但是沒有證據證實在糖尿病患者身上，LF 與 HF 絕對功率值的減少與自律神經病變有關。而且，就算是 LF/HF 比率或 LF 與 HF 相對功率值分析與一般人也沒有顯著差異。因此，神經病變可能與 自律神經系統的傳出神經較有關聯 ( Pagani 等，1988 ) 。
（三）心臟移植 ( cardiac transplantation )
近來的研究顯示心臟移植患者的HRV 在頻譜組成的顯著減少，少數患 者的頻譜組成顯示出心臟的神經再分配的情形，顯示有較低的心率變異 性。這種神經再分配可能發生在移植後的1 到 2 年內而且通常是源自交感 神經系統 ( Fallen, Kamath, Ghista, & Fitchett, 1988 ) 。 Sands 等 ( 1989 )
研究發現在一些接受移植患者的呼吸率與 HRV 的高頻部份有相關，其中 90％的受試者高頻部份顯著減少，顯示出非神經機制也可能與呼吸節律驅 動有關。在臨床上HRV 的改變可能可以反映出異體移植的排斥作用，不 過仍需進一步的研究來確認。
（四）猝死 ( sudden death )
熬夜、晝夜顛倒、菸酒咖啡過量或長期處於高壓力狀況下，都有可能 發生突如其來的死亡，也就是醫學上的猝死 ( Sudden death ) 。猝死之前 最常見的症狀是心顫（即心跳急速加快）、心律不整、心臟麻痺、心肌衰 竭及腦溢血。患有心肌梗塞、心跳過快或心律不整等疾病的人必須嚴加防 範。不少猝死病患平時並無任何徵兆，即使年輕人也可能發生，根據文獻 研究指出，絕大多數的運動猝死是心臟性猝死。徐昕 ( 1999 ) 的研究也證
實了這一點，在其調查中的82 例猝死病例中，心臟性猝死有 58 例
( 70.73% ) ，其中，又以心肌梗塞 ( 36.21% ) ，先天性心臟病 ( 15.52% ) 和 心肌炎 ( 13.79% ) 最常見。冠心病患者運動時，心肌需氧量增加，兒茶酚
胺濃度升高，交感神經活動增強，更易導致血管痙攣，心肌缺血，從而引 起心律失常或心肌梗塞，甚至猝死。
Myers 等 ( 1986 ) 以 12 名心臟病患者（後來有 6 名心臟病發死亡，而
另外 6 名則否），比較其 24 小時 HRV 的時間範圍分析與頻域分析，發現 後來因心臟病猝死患者的高頻功率 ( 0.35-0.5Hz ) 顯著較低，表示副交感
神經活性被抑制，因此 HRV 中的高頻功率可能是評估猝死預兆的指標之 一。Dougherty 與 Burr ( 1992 ) 研究比較曾發生心臟停止的存活者與健康 者其 24 小時的 HRV 時間範圍分析，結果發現較低的總功率和 SDNN 跟一 年存活率有顯著的相關，顯示 HRV 在臨床上可以用來評估曾發生心跳停
止病患的一年存活率。醫學界現在認為，除了藉由過去病例分析外，HRV 突然降低也是一種的預測指標 ( Cleland, Chattopadhyay, Khand, Houghton,
& Kaye, 2002 ) 。
（五）免疫功能失調 ( immune system imbalance )
免疫功能與自律神經系統之關聯性研究已經逐步受到國際醫學界重 視。報章雜誌每天都有提升免疫力的民間療法或西藥，醫界也逐漸接受現 代文明之疑難雜症（如癌症、過敏性皮膚炎、風濕性關節炎等）多是免疫 系統異常所致的看法。Abo ( 2003 ) 在「免疫革命」一書中提到他以動物 及人體試驗證實人體免疫系統中白血球受到自律神經支配，其中專司細菌 處理的顆粒球受到交感神經控制，人體一旦承受強大壓力或工作過度的 話，交感神經呈亢奮狀態會造成顆粒球激增，以致破壞組織（如產生癌細 胞、關節炎等），而精神過度放鬆又會變成副交感神經旺盛，而使得淋巴 球增加，引起過敏性疾病（夏淑怡譯，2004）。Kawamura等 ( 2000 )的研 究明白指出胃潰瘍之另一起因 （除了胃酸過多及細菌性因素外） 為人體 本身產生之顆粒球，其因交感神經活性過盛數目劇增且破壞胃壁黏膜組織 所導致。
第三節 運動對自律神經系統的影響
一、運動對心跳率的影響
運動對於可以幫助健康促進，但是運動也並不是百分百對身體健康沒 有害處的，如果選擇了不適合自己的運動、運動強度太強、身體有疾病不 適合卻勉強做運動、服用刺激藥品或禁藥等等，都很有可能對身體造成傷 害，對某些有心血管疾病潛在危險因子的人，甚至會造成心臟病發作或運 動中猝死。蘇嘉富 ( 1994 )的研究指出，運動中猝死的主要原因是急性的 心臟衰竭及缺血性心臟病等冠狀動脈疾病所引起。有冠狀動脈疾病的人在 運動的時候，容易造成心肌缺血、衝動傳導不穩定、最後導致心室纖維顫 動 ( ventricular fibrillation ) 造成心率不整，可能引發運動猝死。人體的心 跳率會受到身體姿勢、運動、情緒與體溫等因素的顯著影響，反之，透過 心跳率的測量，不僅可以評估人體的身體狀態，也可以判定心肺功能的優 劣，作為運動強度的指標以及評估運動訓練的效果，是相當重要的人體健 康情況的指標（林正常、王順正，2002）。
運動時的心跳，受到運動時身體活動的影響，在特定運動強度的條件 下，運動心跳率愈低表示心肺功能愈佳。當人體在低強度進行運動時，心 跳率可能會因身體漸趨穩定狀態而呈現穩定，運動強度逐漸增強時，運動 心跳率也會成正比的上升，但是運動強度接近身體的最大運動負荷時，運 動心跳率反而會有緩和上升的現象。這種心跳率不再隨運動強度增加的生
理反應，代表心臟循環系統輸送血液的能力，是限制人體繼續進行更高強 度運動的主要因素之一。
一項由巴黎龐畢度醫院 ( Paris Pompidou Hospital ) 的國家健康暨醫學 研究中心Xavier Jouven 所主持進行的研究，於 1967 至 1972 年，招募 4320 位年齡介於42-53 歲的都會男子進行調查，追蹤期長逾 20 年。在這段期間，
共有1018 名死亡，主要致命因素包括年齡、身體活動、體型、抽菸、血 壓、血糖與總膽固醇等。結果顯示，在五年期間休息時心跳增加的中年男 子，在這20 年研究期間死亡的機率較高。而在五年內，休息時一分鐘心 跳減少超過7 下者，比心跳維持穩定者，死亡率降低 18%。另一方面，一 分鐘心跳增加超過7 下者，死亡率則升高 47%。
休息時的心跳率顯示心臟維持身體足夠的血流，所需的作業負荷情 況。休息時心跳每分鐘在60 至 80 下，被認為是正常；運動員或體能狀況 優良的人，一般是在40 至 50 下。雖然也有其他研究顯示休息時心跳快，
死亡率較高，但法國這份調查是第一份檢視特定時間內心跳變化的研究。
研究者表示，脈搏應如心臟壓力，需有系統的進行檢查，脈搏是重要的健 康指標，卻一直受忽略。
另外也發現，上述4320 位受試者裡，其中有 81 位猝死於心肌梗塞，
而他們的休息心跳率若大於每分鐘75 下，其相關危險性達 3.92 ( 95%CI, 1.91-8.00 ) ；若在最大運動中心跳率每分鐘增加次數小於 89 下，其相關危
險性達6.18 ( 95%CI, 2.37-16.11 ) ；受試者若是在運動後恢復期的心跳率 每分鐘減少次數小於25 下，其相關危險性達 2.20 ( 95%CI, 1.02-4.74 ) ， 結果顯示運動中與恢復期的心跳率也是一種猝死的預兆之一 ( Jouven 等, 2005 ) 。
二、單次運動對心率變異性的影響
影響運動中心跳加速的主要機制是運動藉由神經性的刺激或提高兒茶 酚胺的分泌而造成抑制副交感神經活性及促使交感神經活性增加，而會造 成此結果主要取決於運動強度的影響 ( Malpas, 2002 ) 。學者對於運動中 心率變異性的改變有很多看法，會造成如此結果的原因可能是因為技術性 問題、運動強度、受試者個體差異性等等因素而有所不同（見表2-1）。
表2-1 運動中的心率變異性的變化
研究者 樣本 年齡(歲) 交感神經 副交感神經 註解 Arai 等(1989) 43 25-69 沒改變 受到抑制 FFT Brenner 等(1998) 一開始增加；後
來因體溫增高而 增加幅度減少
受到抑制 FFT
Kamath 等(1991) 19 20-32 減少 AR Maciel 等(1986) 23 25-35 沒改變，但高強
度運動會增加
受到抑制 使用藥理 學阻斷劑 Perini 等(1990) 7 23.7±0.5a 在低強度運動沒
有改變；高強度 運動有減少
在低強度運 動沒有改變
AR
Shin 等(1995) 5 17-21 減少 減少 AR
8 21-40 減少 減少 非運動員
a Mean±SD.
A R =自動迴歸模型評估法 (auto-regressive model estimation,簡稱 AR) FFT=快速傅立葉轉換 (Fast Foruier Transformation，簡稱 FFT)
Arai等 ( 1989 ) 以FFT頻域分析法來測試43名健康者（年齡25~69歲）
運動到衰竭的心率變異性，實驗結果支持運動中的副交感神經活性受到抑 制而減弱，但交感神經則沒有受到影響。Maciel等 ( 1986 ) 也有相似的結 論，他以23位未受訓練者以三種強度 ( 25W、50W與100W ) 進行原地腳踏 車運動，檢測有無使用神經阻斷劑 ( atropine or propranolol )對運動表現的
影響。發現動態運動，尤其是高強度的運動導致心跳率上升的因素是急性 迷走神經的減弱以及交感神經活性增加。Brenner, Thomas, 與 Shephard ( 1998 ) 也支持這個結論，在運動一開始心跳率的上升是因為副交感神經
活性受到抑制且交感神經活性暫時的增加。若持續的運動則會減少迷走神 經活性並減弱交感神經活性。
但也有學者持不同的看法，Perini, Orizio, Baselli, Cerutti, 與
Veicsteinas ( 1990 ) 以AR頻域分析法分析7名坐式生活者（平均23.7± 0.9 歲）在不同運動強度 ( 50W、100W與150W ) 的穩定狀態及恢復期的心率
變異性。研究發現只有在低強度運動下三種相對功率沒有改變，而大約在 30%VO2max的強度下，LF的功率值減少，VLF%則增加。研究結論指出運
動強度影響心血管系統的調控可能存在一個閾值，在此運動強度以下心率 變異性的VLF部分顯得無關緊要，表示交感神經活性不受影響。但是此結 論仍然需要進一步的研究來證實。
Tulppo, Makikallio, Takala, Seppanen, 與 Huikuri ( 1996 ) 以時間範圍 分析運動狀態的副交感神經活性，研究發現體適能狀態較差者在運動中較 容易發生心血管系統副交感神經活性損傷，而具有良好體能者在運動中可 能具有較高的副交感神經活性。
Anosov, Patzak, Kononovich, 與 Persson ( 2000 ) 建議在運動中要使用 不同的心率變異性技術分析，他們以22 位未經訓練者（13 女，9 男，20-40 歲）進行原地腳踏車運動至衰竭。運動中的心率變異性的高頻部份與呼吸 頻率有顯著的相關性，因此在漸增負荷運動中高頻部份的改變可以被用來 找出無氧閾值，因為從有氧進入無氧能量系統時，高頻部份瞬間改變。
Gonzalez-Camarena等 ( 2000 ) 比較 10 位受試者在穩定及動態 ( 30%、
60%VO2max ) 腳踏車運動下的心跳率與血壓的變化。他們發現在動態運動 中副交感神經活性受到抑制、交感神經活性增加，而且HRV index在穩定運 動狀態下顯著增加，顯示自律神經活性有增加。在運動中分析心率變異性 仍然有許多問題。目前並沒有很多研究，而且他們也發現有許多技術性的 問題。由於訓練強度或運動強度的方法不同，也可能造成結果而有所差 異。因此，作者建議建立一套運動測驗流程，適當的使用神經阻斷劑並使 用不同的分析方式，如時間範圍分析與頻域分析，來測試比較坐式生活者 與運動員的不同。
三、長期運動訓練對心率變異性的影響
雖然單次的運動可能會抑制副交感神經活性而使交感神經活性上升，
但高訓練強度的運動員比一般坐式生活者有較低的心跳率，甚至有心搏徐 緩 ( bradycardia ) 的現象，那是因為長期的運動訓練提高了副交感神經活 躍的趨勢而使心跳率較為趨緩 ( Fagard, 1992 ) ，表 2-2 表示運動員與坐式 生活者心率變異性的差異。
Levy 等 ( 1998 ) 在一項針對有氧運動訓練對心率變異所造成的影響 研究中指出，心率變異性是副交感神經活躍程度的指標，而副交感神經的 活躍程度是副交感神經系統對心跳速度產生影響的結果，副交感神經系統 會增加或減少心率，如果副交感神經的活動增加，心跳率便會降低，反之，
如果副交感神經的活動減少，心跳率會上升。隨著年齡的增長，靜止時的 副交感神經的活性會降低，而導致心率變異的降低。研究中指出，透過心 率變異性量測得知副交感神經活性較低的病人有死亡風險也隨之增加。此 研究的受試者進行了六個月的，每週四到五次，每次一小時的有氧訓練，
而接受訓練的年輕人與老年人的心率變異性有明顯的提升。這個結果顯 示，規律的運動訓練能增加人體靜止時副交感神經的活躍程度，也說明了 規律的運動能降低死亡率。
Seals 與 Chase ( 1989 ) 針對 19 位 45 歲至 68 歲男性所進行的運動訓 練對中老年人安靜時的副交感神經活動、心率壓力反射控制以及四肢血管
阻力的影響的實驗。其中11 位進行定期的持續性運動，另外 8 位則保持原 先一般的正常活動狀態，訓練結果由幾項指標做為代表：最大攝氧量，體 重與體脂的少量減少，訓練後的心率變異大部分都增加了。健康久坐的中 老年人經過長時間的持續訓練後發現：（一）顯著增加最大運動量及減低 靜止時的心率；（二）增加靜止時迷走神經的活躍程式；（三）無法改變心 率的動脈壓力反射。Stahle, Nordlander, 與 Bergfeldt ( 1999 ) 在研究中指 出，心率變異性與病人的缺血性心臟疾病有關，而運動是可以改善這些危 險因素的。當一個有急性冠心病症狀從病危中恢復後，有氧的運動訓練可 以有效的增強運動量和改善心率變異性。
表2-2 運動員與坐式生活者心率變異性的比較 研究者 樣本 年齡(歲) 頻域分析 註解 Dixon 等(1992) 10a 22-33 HF 增加 AR
14b 22-33
Furlan 等(1993) 21a 16±0.6c LF 增加 訓練 15a 16±0.5c HF 增加 停止訓練 29b 16±0.4c
Goldsmith 等(1992) 8a 24-38 HF 增加 24h 的 FFT 分析 8b 24-38 睡眠與清醒 Janssen 等(1993) 18a 19-32 LF 增加 仰臥
11b 23-33
Tonkins 等(1999) 39a 21.2±3c 不變 24h 的時域分析
39b
Verlinde 等(2001) 10a 18-34 HF 增加
10b 19-31
a=運動員 b=坐式生活者 c= Mean±SD.
AR =自動迴歸模型評估法；FFT=快速傅立葉轉換；HF=高頻；LF=低頻
在不同運動項目選手的研究方面，雖然有學者在比較39 位不同運動類 型選手心率變異性的研究中，包含無氧能量系統訓練為主的運動員及有氧 能量系統訓練的運動員，他們的心率變異性時間範圍分析結果沒有不同 ( Tonkins, 1999 ) 。但是大部分的研究結果都指出有氧訓練的選手其副交感 神經活性都明顯高於無氧訓練的選手，顯示有氧耐力運動訓練可以提高運 動員的迷走神經活性，因而有較低的心跳率。結論是有氧耐力運動訓練可 以使副交感神經活性占優勢並維持自律神經系統的平衡，將可以避免心血 管疾病的發生 ( Dixon, Kamath, McCartney, & Fallen, 1992 ; Goldsmith, Bigger Jr, Steinman, & Fleiss, 1992; Jensen-Urstad, Saltin, Ericson, Storck, &
Jensen-Urstad, 1997 ) 。
第四節 咖啡因對生理的影響
一、咖啡因簡介
現代人可能因為生活壓力大而容易失眠、焦慮，甚至是憂鬱症的產生，
導致學校或工作的成效不佳，往往以咖啡或茶等飲料來提神，提升精力應 付每日的工作量。另外，運動員為了追求更好的運動表現，尋求一切合法 的官能增補劑 ( ergogenic aid ) ，尤其是某些耐力型運動員，會使用咖啡 因來增進運動表現，雖然目前咖啡因的使用在國際奧會並沒有被列未禁 藥，但還是被列為興奮劑的觀察名單。
咖啡因 ( caffeine，C8H10N4O2 ) 是屬於黃嘌呤 ( xanthine )衍生物的一 種，在常溫下呈現白色粉末狀。黃嘌呤是含有二個氧原子的嘌呤，咖啡因、
茶鹼與利尿劑有相似的結構，三種化合物除了構造類似之外，其作用也很 相類似，只是甲基 ( CH3, methyl group ) 的數目位置不同而已（見圖 2-3）。
咖啡因是在日常生活中飲食及成藥中相當普遍的刺激物，在食品中咖啡的 咖啡因含量最多，而在茶葉、可口可樂、巧克力、可可亞等飲料中皆含有 咖啡因的成分咖啡因是興奮劑的一種，其藥理學作用是影響大腦皮層、延 腦和脊隨，刺激腎上腺髓質分泌腎上腺素，增加心跳率、呼吸頻率和深度。
圖 2-3 咖啡因的結構式
衛生署參考世界各國對咖啡因飲料之安全性評估及法規、民眾對提神 飲料需求與國外提神飲料咖啡因含量情形，擬放寬茶、咖啡及可可以外之 包裝飲料，其咖啡因之總濃度上限，由原先200ppm 修正為 320ppm﹙即每 公斤飲料中咖啡因總含量為320 毫克以下﹚，並要求標示咖啡因含量。行 政院消保會於2006 年 8 月 1 日推行咖啡因分級制度，主要針對臺灣主要 11 家連鎖咖啡店的現煮咖啡，包括濃縮咖啡或其他類型，推動按照紅色、
黃色、綠色顏色差異標示來提醒消費者每杯咖啡的咖啡因含量。其中紅色 為200-300 mg 或以上，黃色為 100-200 mg，綠色為 100 mg 以下。
相關安全評估資料顯示，一般人如謹守均衡飲食原則，並適量攝取咖 啡因飲料，例如每日飲用市售金屬罐裝咖啡 2-3 罐或前述濃度上限之提神 飲料 3-4 罐以下，尚不致造成不良影響。同時為避免民眾過量飲用含咖啡 因飲料，且兒童、孕婦及哺乳婦女等族群，應限制咖啡因攝取量。為加強 管理，衛生署要求各類含有咖啡因之飲料，須標示「一般人每天攝取咖啡 因總量應低於300 mg，孩童懷孕及哺乳婦女與對咖啡因敏感者不宜飲用」
等警語（行政院衛生署，2005 年 9 月）。
二、咖啡因對人體生理的影響
咖啡因進入人體大約 60 分鐘後會被消化吸收，人體血液中咖啡因濃 度可達到最高，在人體內半衰期 ( half-life ) 大約為 3.5 小時 ( Dews，
1984 ) 。攝取咖啡因對人體產生的主要生理反應有以下幾點：
（一）刺激中樞神經系統
人類思考力是由大腦內的興奮過程與抑制過程兩者相互作用，形成思 考力，而咖啡因則是促成這兩種過程的主要物質。咖啡因能促使中樞神經 系統興奮，刺激大腦皮質及腦中樞，使人感到清醒、警覺性高、好動、延 長知覺受器接受疲勞的產生，減低疲勞感。
（二）刺激心血管系統
咖啡因會刺激交感神經，並抑制副交感神經興奮，直接作用於血管肌 層，使全身血管擴張。亦能使心肌收縮力、心跳率、每跳輸出量、安靜血 壓增加。
（三）促進腎上腺素的分泌
Van Soeren & Graham ( 1998 ) 指出咖啡因能提升兒茶酚胺的釋放。兒 茶酚胺的釋放會導致腺苷酸環化酶活性增加，促使ATP分解形cAMP，使得 cAMP濃度增加，有助於脂肪的分解 ( Dodd等，1993 ) 。腎上腺素增加導 致脂肪分解增加的過程，就是所謂的串級效應（cascade effect，亦稱瀑布 效應），此外腎上腺素濃度上升也會刺激交感神經活性。
（四）促進脂肪代謝
咖啡因能抑制磷酸二酯酶 ( phosphodiesterase ) ，使 cAMP 的濃度增 高，因而活化脂肪酶 ( lipase ) ，使三酸甘油酯 ( triglycerides, TG ) 分離出 甘油 ( glycerol ) 與游離脂肪酸 ( free fatty acids, FFA ) ，增加脂肪的利用 率，並幫助能量產生 ( Doubt & Hsieh, 1991) 。FFA 在組織中可行 β-氧化 作用 ( β-oxidation ) 分解成乙醯輔酶 A ( acetyl CoA ) ，進入檸檬酸循環，
產生能量；亦可以與甘油經酯化作用 ( esterification ) 合成甘油酯類，身體 的主要熱量的儲存即為三酸甘油酯，儲存於各組職中。
（五）增加肌肉收縮強度
咖啡因快速的進入細胞，降低細胞膜與鈣離子 ( Ca2+ ) 的結合力，使
鈣離子由肌漿網中釋放出來，促使細胞內鈣離子的活性增加，增加肌肉收 縮力。Dodd等 ( 1993 ) 指出咖啡因可增加肌纖維細絲 ( myofilament ) 對 鈣離子的親和性，因而增加肌肉收縮的張力。
（六）促進利尿作用
咖啡因會增加腎血管血流，抑制鈉離子 ( Na+) 再吸收，進而利尿作用。
（七）促進消化系統分泌作用
咖啡因可促進消化酶與胃酸的分泌，亦有延長分泌時間的效果。
咖啡因對人體生理反應除了上述各點，長期或大量攝取咖啡因，可能 會產生一些副作用，例如：焦慮、不易入睡、頭痛、上癮徵兆、沉悶、消 化性潰瘍等。有些人在每日服用250 毫克以下時就會有這些症狀。每天多 於1 克可以導致痙攣、思想和語言突然轉換、心跳不穩、心搏過速和精神 亢奮。咖啡因中毒的症狀有點類似恐慌症和全面化焦慮症。對普通成年人 來說，每公斤體重攝取 192mg 的咖啡因或相當於 72 杯咖啡可能會導致死 亡。
三、咖啡因對健康的影響
（一）咖啡因與心血管疾病的關聯性
“喝咖啡是否會對健康造成影響？”一直是頗具爭議的議題，目前咖啡 因對人體健康影響的研究，尚未有明確的定論，有些學者認為咖啡因對人 體健康無害；而有些學者持相反看法。不過可以確定的是，過量的咖啡因 的確會對人體產生傷害。
Richardson 等 ( 2004 ) 分別以 Type I 糖尿病患者及健康人每天攝取兩
次 250 mg 咖啡因，持續 14 天，研究發現適量的咖啡因增補可以改善 Type I 糖尿病患者及健康人的心率變異性，長期規律適量的使用咖啡因可以減 低心血管疾病的危險性。
Grobbee 等 ( 1986 ) 以美國 45,589 名 40-75 歲無心血管疾病且有喝咖 啡習慣的男性，研究喝咖啡與心血管疾病危險性的關係。經過2 年的觀察，
其中有221 位 ( 0.48% ) 發生心肌梗塞或死於冠心病，136 位 ( 0.3% ) 曾 做過冠狀動脈繞道手術或血管修復術，有54 位 ( 0.12% ) 猝死。研究者認 為會發生上述心血管疾病者，主要影響的因素為飲食習慣與膽固醇的問 題，而非喝咖啡所造成的，顯示喝咖啡並沒有增加罹患心血管疾病或猝死 的機率。
Kawachi, Colditz, and Stone (1994) 以 8 個病例對照研究 ( case-control studies ) 與 15 個世代研究 ( cohort studies ) 進行整合分析
( meta-analysis ) ，並以統計的方法排除各個研究的實驗設計、性別、心血 管疾病、吸菸習慣等變異因素後，結果發現病例對照研究每天喝5 杯咖啡 與冠狀動脈疾病的「相對危險度」( relative risk, RR ) 達 1.63 ( 1.5-1.78，在 95%信心水準下 ) 。結果顯示，世代研究中喝咖啡的習慣與冠狀動脈疾病 的關聯性較小，RR 為 1.05 ( 0.99-1.12，在 95%信心水準下 ) ；而在病例 對照研究中顯示具有喝咖啡習慣者與冠狀動脈疾病的關聯性較高，RR 達 1.63 ( 1.5-1.78，在 95%信心水準下 ) ，研究者認為可能還要在加入喝酒或 喝無咖啡因飲料影響性的研究才能評估咖啡與冠狀動脈的相關性。
儘管有學者認為咖啡因對心血管疾病的關聯性仍然有待進一步的研 究釐清，但對於某些較脆弱的人而言，單單一杯咖啡可能就足以讓其生平 頭一次心臟病因此而發作。Baylin, Hernandez-Diaz, Kabagambe, Siles, 與 Campos (2006)調查了從 1994 年至 1998 年間，來自哥斯達黎加共 503 位遭 受首次心臟病發的成人，除了詢問患者病發數小時及數天前喝咖啡的習慣 外，同時也調查患者的醫療紀錄背景與飲食、生活習慣等。研究人員發現 每日平均喝不到一杯咖啡的人若改成平均每日喝一杯咖啡，則他在飲用咖 啡後一小時心臟病發的機率會比平日提高四倍，若改成平均每日喝二到三 杯，則他在飲用咖啡後一小時心臟病發的機率會比平日提高60%。
研究發現習慣少量或中量飲用咖啡的人，尤其是那些平常甚少運動或 屬於心臟病高危險群的中老年人（如本身患有糖尿病、高血壓等疾病或抽
菸者），其心臟病發的機率可說大大的提高許多。另一方面，習慣大量飲 用咖啡（每日習慣喝四杯或四杯以上）的人，卻沒有提高罹患心臟病的風 險。根據研究人員的推測，以上二者之間的風險差異，可能是因為那些有 喝咖啡習慣的人體內已經建立起一種耐受性，這種耐受性大到足以抵抗因 咖啡因而帶給心臟血管方面的負面影響。研究者認為咖啡因可能會激化神 經系統活動並促使血壓升高，致使原本累積於動脈管壁上的脂肪脫落，如 此一來就會阻礙流向心臟的血液進而導致心臟病發作。因此，研究者極力 建議那些已經屬於心臟病高危險群又無喝咖啡習慣的患者，最好能夠避免 喝咖啡。
（二）咖啡因對心率變異性的影響
Bonnet 等(2005) 以 15 位年輕正常成人每晚在隨機服用咖啡因或安慰 劑400mg 之後 30 分鐘睡在實驗室中，研究指出睡覺前服用咖啡因會使快 速動眼期的心率及 QTvi 顯著提高，表示在睡眠前攝取咖啡因會使交感神 經活性提高。
Sondermeijer, van Marle, Kamen, 與 Krum ( 2002 ) 研究咖啡因攝取對
副交感神經的影響，以10 名（6 男 4 女）平均 26 歲（23-32 歲）無咖啡因 攝取習慣者的健康人，單盲的重複量數實驗設計攝取安慰劑、100mg 或 200mg 的咖啡因，測量心跳、血壓與警覺視覺類比量表 ( visual analog scale of alertness ) 。結果發現攝取咖啡因後，其安靜狀態下心跳率增加但沒有
達顯著水準，但SDNN、RMSS 與 HF 都顯著下降，其中在攝取 200mg 咖 啡因組的LH/HF 比顯著高於安慰劑組；收縮壓 ( SBP ) 與舒張壓 ( DBP ) 也顯著增加；而警覺視覺類比量表的分數分別為安慰劑7 ± 9 分，100mg 咖啡因 25 ± 6 分，200mg 咖啡因 28 ± 8 分，也均達顯著差異。結果顯示咖 啡因的攝取會抑制副交感神經活性，血壓升高，提高警覺性。
McClaran, Wetter, Kruger, 與 Ewoldt ( 2003 ) 以 6 名健康受試者（年齡 21±1 歲，VO2max為 50 ± 4 ml/kg/min，體重 81 ± 5 kg），以重複量數法增 補兩種低劑量咖啡因 ( 1.5mg/kg與 2.0mg/kg ) ，30 分鐘後進行低強度的腳 踏車運動。結果發現低劑量咖啡因攝取可以使運動中心跳率下降，其原因 是咖啡因刺激心臟使每跳心輸出量增加，在非最大運動下可以使心跳率下 降，但是在最大運動或高強度運動下則沒有此效果。
但是有學者研究發現，運動前大約只要攝取兩杯咖啡的咖啡因，很可 能會限制人在運動時，增加血液流動心臟的能力。當我們在做運動時，心 肌的血液流動必須同步提昇，來配合身體氧氣需求的增加。研究發現咖啡 因可能會影響這樣的生理機制，咖啡因某種程度上減弱了血液流動提升的 需求。Namdar 等 ( 2006 ) 以 18 位年輕、健康且平時有喝咖啡習慣為受試
者。在實驗測試的36 小時內，這些人都禁止喝任何的咖啡飲品。研究者 利用正子放射電腦斷層掃描 ( positron emission tomography, PET ) ，來測 量參加者在踩腳踏車前後的心臟血液流量，其中10 位是在正常狀況下騎
車，其餘的8 位，則是模擬在海拔 15,000 英呎高的地方騎車。然後，兩個 組別的參加者重覆同樣的程序一次，不過這次每個人都多服用一顆含有 200mg 咖啡因的藥片（大約等於兩杯咖啡的咖啡因量）。經過測量，研究 人員發現當參加者沒有在活動時，咖啡因並不會影響心臟血液流動。但是 在運動後所立即做的測量結果發現，服用咖啡因藥片與他們先前未服用的 數據比較起來，心臟血液流動反而減緩；在正常情況的組別，心臟血液的 流動減緩了 22%，在模擬高海拔的組別中，心臟血液流動減緩了 39%。因 此，研究人員相信咖啡因，可能會阻斷血管壁內某中接受器的接收，干擾 正常的訊號造成血管擴張。雖然這個發現對這些健康的參加者，還不具有 臨床上的重要性，但是對於有冠狀動脈疾病的人來說，就比較有意義，特 別是當他們在做運動時，或暴露於高海拔區域時，必須提升安全上的注 意。雖然咖啡因對於大腦的來說是種興奮劑，它能使人保持清醒，但就心 肌血液流量的角度來看，在運動前喝咖啡可能會增加血流阻力、提高心血 管的負擔。
第五節 文獻總結
經過上述的文獻探討後，可以歸納出以下結論：
一、 自律神經在身體機能的調節上具有主導地位，而這些神經的調控是 不具意識的。自律神經包含交感與副交感神經，而其中副交感神經 主要以迷走神經與心臟的驅動有關。身體對於心跳率的調控，包含 交感與副交感神經的驅策力 ( drive )、頸動脈竇與主動脈弓的壓力反 射 ( baroreflex ) 機制以及週邊血管張力 ( vasomotor tone )。
二、 心率變異性的分析方法，分為時間範圍分析與頻域分析。可以檢視 人體安靜時或運動中，調節控制心臟律動之心臟自主神經系統活動 狀況，而視其為評估心臟自主神經系統良好之非侵體性的方法。研 究已經發現心率變異性的高低與許多疾病（心血管疾病、高血壓、
糖尿病、猝死、免疫功能失調）有確切關係。
三、 影響運動中心跳加速的主要機制是運動藉由神經性的刺激或提高兒 茶酚胺的分泌而造成抑制副交感神經活性及促使交感神經活性增 加，單次運動對心血管的影響，會使心跳率上升，心率變異性下降。
但是長期規律的運動訓練可以提高了副交感神經活躍的趨勢而使心 跳率較為趨緩。
四、 咖啡因是一種興奮劑，會刺激中樞神經系統，並影響自律神經的調 控，會抑制副交感神經活性並提高交感神經活性，乃至於影響到心 血管的功能。目前咖啡因對人體健康影響的研究，尚未有明確的定 論，有些學者認為咖啡因對人體健康無害；而有些學者持相反看法。
不過可以確定的是，過量的咖啡因的確會對人體產生傷害。
五、 結語
運動前攝取咖啡因對於運動中的自律神經調控會造成哪些影響，目前 並沒有相關的研究。研究者先前曾以10 名健康的男性受試者以重複量數 法增補 6 mg/kg的咖啡因膠囊或安慰劑膠囊，90 分鐘後進行 60%VO2max 的腳踏車運動10 分鐘，比較運動前中後心率變異性的變化，結果發現只 有在增補咖啡因後心跳率有顯著上升，但在運動中心率變異性都沒有達到 顯著差異，可能是受試者本身的控制不夠嚴謹、運動強度的選擇不同而造 成結果不明顯，因此本研究者將先前的預試 ( pilot study ) 做修改後再做進 一步的探討。
