การตอบสนองของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกาย

การตอบสนองของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกายคือชุดของการปรับตัวอย่างรวดเร็วที่เพิ่มการนำส่งออกซิเจนไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงานเมื่อเริ่มกิจกรรมทางกาย อัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อการบีบตัวหนึ่งครั้ง (stroke volume) เพิ่มขึ้นเพื่อเพิ่มปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาที (cardiac output) ในขณะที่การไหลเวียนของเลือดจะถูกกระจายออกจากเนื้อเยื่อที่ไม่ได้ใช้งานไปยังกล้ามเนื้อที่กำลังหดตัว เพื่อให้การนำส่งเลือดสอดคล้องกับความต้องการทางเมแทบอลิซึมที่สามารถเพิ่มขึ้นได้หลายเท่าภายในไม่กี่วินาที

Definition

การตอบสนองของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกายคือการเพิ่มขึ้นอย่างเฉียบพลันและประสานงานกันของปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีและการกระจายตัวใหม่ของการไหลเวียนของเลือดในแต่ละภูมิภาค ซึ่งขับเคลื่อนโดยคำสั่งจากส่วนกลาง (central command), รีเฟล็กซ์จากการออกกำลังกาย, และการขยายตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่ (local vasodilation) ที่ทำให้การนำส่งออกซิเจนและสารตั้งต้นสอดคล้องกับความต้องการทางเมแทบอลิซึมที่สูงขึ้นของกล้ามเนื้อโครงร่างที่ทำงานอยู่

Scope

บทความนี้ครอบคลุมการตอบสนองทางฮีโมไดนามิกส์แบบเฉียบพลันต่อการออกกำลังกายแบบไดนามิก: การเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาที, พฤติกรรมของอัตราการเต้นของหัวใจ, ปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อการบีบตัวหนึ่งครั้ง, และความดันหลอดเลือดแดง, การกระจายตัวใหม่ของการไหลเวียนของเลือดในแต่ละภูมิภาค, และสัญญาณประสาทและสัญญาณเฉพาะที่ที่ประสานงานสิ่งเหล่านี้ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงว่าความเครียดจากความร้อนแข่งขันกับการไหลเวียนโลหิตเดียวกันอย่างไร โดยถือว่าการออกกำลังกายเป็นความท้าทายทางสรีรวิทยา ไม่ใช่เป็นข้อกำหนดสำหรับกิจกรรม

Core questions

• ปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีเพิ่มขึ้นอย่างไรเพื่อตอบสนองความต้องการออกซิเจนจากการออกกำลังกาย?
• การไหลเวียนของเลือดถูกนำไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่ได้อย่างไรในขณะที่การทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติกโดยรวมเพิ่มขึ้น?
• อะไรควบคุมการเพิ่มขึ้นของอัตราการเต้นของหัวใจและความดันหลอดเลือดแดงระหว่างการออกกำลังกาย?
• ความต้องการที่แข่งขันกัน เช่น ความเครียดจากความร้อน เปลี่ยนแปลงการตอบสนองอย่างไร?

Key concepts

• การเพิ่มขึ้นของปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีผ่านอัตราการเต้นของหัวใจและปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อการบีบตัวหนึ่งครั้ง
• คำสั่งจากส่วนกลาง
• รีเฟล็กซ์การตอบสนองต่อความดันจากการออกกำลังกาย (muscle metaboreflex)
• การลดการทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติกเฉพาะที่ (functional sympatholysis)
• การขยายตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่จากเมแทบอไลต์และการไหลเวียนเลือดเกินในขณะออกกำลังกาย
• การกระจายตัวใหม่ของการไหลเวียนของเลือดในแต่ละภูมิภาค
• การแข่งขันกับการไหลเวียนของเลือดที่ผิวหนังเพื่อควบคุมอุณหภูมิร่างกาย

Mechanisms

เมื่อเริ่มออกกำลังกาย คำสั่งจากส่วนกลาง ซึ่งเป็นสัญญาณป้อนไปข้างหน้าจากศูนย์สั่งการการเคลื่อนไหวที่สูงขึ้น จะลดการทำงานของเส้นประสาทเวกัสที่หัวใจและเพิ่มการหลั่งสารสื่อประสาทซิมพาเทติก ซึ่งจะเพิ่มอัตราการเต้นของหัวใจและการหดตัวของหัวใจ ปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อการบีบตัวหนึ่งครั้งเพิ่มขึ้นผ่านการกลับของเลือดดำที่ดีขึ้นและการหดตัวของหัวใจที่ดีขึ้น ดังนั้นปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีจึงเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ภายในกล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่ สารเมแทบอไลต์ที่ผลิตขึ้นเฉพาะที่และสัญญาณจากเซลล์บุผนังหลอดเลือดจะทำให้หลอดเลือดแดงฝอยขยายตัว และการขยายตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่นี้จะลดผลกระทบจากการหดตัวของหลอดเลือดที่เกิดจากการทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติก (functional sympatholysis) ทำให้เลือดสามารถไหลไปยังกล้ามเนื้อที่ต้องการได้แม้ว่าการกระตุ้นของระบบประสาทซิมพาเทติกโดยรวมจะเพิ่มขึ้น รีเฟล็กซ์การตอบสนองต่อความดันจากการออกกำลังกาย ซึ่งเกิดจากตัวรับแรงกลและตัวรับเมแทบอไลต์ในกล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่ จะส่งสัญญาณย้อนกลับเพื่อรักษาระดับความดันและการตอบสนองของหัวใจ เมื่อออกกำลังกายในสภาพอากาศร้อน ผิวหนังจะแข่งขันกับอวัยวะอื่นในการใช้ปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีเพื่อควบคุมอุณหภูมิร่างกาย ซึ่งเพิ่มความท้าทายในการบูรณาการอีกประการหนึ่ง

Clinical relevance

การตอบสนองต่อการออกกำลังกายแบบเฉียบพลันเป็นพื้นฐานทางสรีรวิทยาของการทดสอบสมรรถภาพทางกายทั้งทางคลินิกและในห้องปฏิบัติการ ซึ่งมีการสังเกตการเพิ่มขึ้นของอัตราการเต้นของหัวใจ ความดันโลหิต และปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีภายใต้ภาระที่เพิ่มขึ้น การทำความเข้าใจการตอบสนองปกติช่วยกำหนดสิ่งที่การทดสอบดังกล่าววัดได้ บทความนี้อธิบายสรีรวิทยาปกติและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการกำหนดการออกกำลังกายหรือการวินิจฉัยโรคเฉพาะบุคคล

Evidence & guidelines

ความรู้เกี่ยวกับการตอบสนองแบบเฉียบพลันขึ้นอยู่กับสรีรวิทยาเชิงบูรณาการมากกว่าแนวทางปฏิบัติทางคลินิก: การสังเคราะห์การปรับตัวของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกายและความร้อนของ Rowell, การทบทวนกลไกของการไหลเวียนเลือดเกินในขณะออกกำลังกายของ Joyner และ Casey, และคำอธิบายเกี่ยวกับการออกกำลังกายในสภาพอากาศร้อนของ González-Alonso เสริมด้วยการศึกษาทางฮีโมไดนามิกส์ เช่น การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของหัวใจห้องล่างซ้ายระหว่างการออกกำลังกายในท่ายืนและท่านอนหงายของ Poliner และคณะ

History

ภาพรวมสมัยใหม่ของการตอบสนองของระบบหัวใจและหลอดเลือดต่อการออกกำลังกายถูกรวบรวมขึ้นผ่านสรีรวิทยาของมนุษย์ในศตวรรษที่ยี่สิบ โดยบูรณาการการวัดปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาที การไหลเวียนของเลือดในแต่ละภูมิภาค และความดันระหว่างการทำงานที่เพิ่มขึ้น การทบทวนของ Rowell ในปี 1974 ได้รวบรวมประเด็นเหล่านี้เข้าด้วยกัน และงานวิจัยต่อมาได้ชี้แจงว่าคำสั่งจากส่วนกลาง รีเฟล็กซ์ของกล้ามเนื้อ และการขยายตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่ทำงานร่วมกันอย่างไรเพื่อกระจายการไหลเวียนของเลือดระหว่างกิจกรรม

Debates

ความขัดแย้งระหว่างการหดตัวของหลอดเลือดที่เกิดจากระบบประสาทซิมพาเทติกและความต้องการเลือดของกล้ามเนื้อได้รับการแก้ไขอย่างไร?

การทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติกโดยรวมเพิ่มขึ้นระหว่างการออกกำลังกาย แต่กล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่จะต้องได้รับเลือดอย่างเพียงพอ แนวคิดของการลดการทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติกเฉพาะที่ (functional sympatholysis) ซึ่งเป็นการลดการหดตัวของหลอดเลือดเฉพาะที่จากเมแทบอไลต์ อธิบายสิ่งนี้ได้ แม้ว่าตัวกลางที่แน่นอนและลำดับความสำคัญของพวกมันยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่

Key figures

• Loring Rowell
• Michael Joyner
• José González-Alonso

Seminal works

• rowell-1974
• joyner-casey-2015

Frequently asked questions

ทำไมปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาทีจึงเพิ่มขึ้นระหว่างการออกกำลังกาย?

เพื่อนำส่งออกซิเจนไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่มากขึ้น อัตราการเต้นของหัวใจเพิ่มขึ้นและปริมาตรเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อการบีบตัวหนึ่งครั้งเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเพิ่มปริมาณเลือดที่ถูกสูบฉีดออกจากหัวใจต่อนาที ในขณะที่การไหลเวียนของเลือดจะถูกเปลี่ยนทิศทางไปยังกล้ามเนื้อที่ทำงานอยู่และออกจากเนื้อเยื่อที่ทำงานน้อยลง

การไหลเวียนของเลือดไปยังกล้ามเนื้อสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างไรเมื่อระบบประสาทซิมพาเทติกถูกกระตุ้น?

สารเมแทบอไลต์เฉพาะที่ที่หลั่งออกมาในกล้ามเนื้อที่กำลังหดตัวจะลดผลกระทบจากการหดตัวของหลอดเลือดที่เกิดจากเส้นประสาทซิมพาเทติกในบริเวณนั้น ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการลดการทำงานของระบบประสาทซิมพาเทติกเฉพาะที่ (functional sympatholysis) ดังนั้นเลือดจึงถูกนำส่งไปยังกล้ามเนื้อที่กำลังทำงานเป็นพิเศษ