FUNDAMENTO: O envelhecimento fisiológico leva a uma disfunção autonômica cardíaca que está associada ao surgimento e ao agravamento de doenças cardiovasculares e a um maior risco de morte. Atualmente, o exercício físico é apontado como uma estratégia cardioprotetora, sendo necessários mais estudos do seu benefício na função autonômica cardíaca. OBJETIVO: Avaliar o controle autonômico da frequência cardíaca em voluntários jovens e de meia-idade com diferentes níveis de aptidão aeróbica. MÉTODOS: Participaram do estudo 68 voluntários, estratificados quanto à idade e ao nível de aptidão aeróbica. Com base na aptidão aeróbica avaliada pelo teste de esforço submáximo, os sujeitos foram separados em dois grupos, aptidão boa e aptidão deficiente. A avaliação do controle autonômico cardíaco se deu a partir de medidas da variabilidade da frequência cardíaca em repouso e a recuperação da frequência cardíaca pós-esforço. Para comparação das variáveis investigadas, utilizou-se a análise de variância bifatorial. RESULTADOS: A variabilidade da frequência cardíaca é significativamente menor nos voluntários de meia-idade do que nos jovens, independentemente do nível de aptidão aeróbica (p < 0,01). Melhores níveis de aptidão aeróbica nos voluntários de meia-idade estão associados à reentrada vagal pós-esforço mais precoce - taxa de declínio da FC após 1min30s: 39,6% aptidão aeróbica boa vs. 28,4% deficiente (p < 0,01). CONCLUSÃO: Melhores níveis de aptidão aeróbica atuam beneficamente no controle autonômico da frequência cardíaca pós-esforço, preservando a velocidade de reentrada vagal em voluntários de meia-idade. No entanto, não atenua a redução da variabilidade da frequência cardíaca decorrente do processo natural de envelhecimento.
IPrograma de Engenharia Biomédica, COPPE/UFRJ
IIHospital Universitário Pedro Ernesto, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, RJ
IIINúcleo Interdisciplinar de Pesquisa em Modulação Autonômica Cardíaca e Envelhecimento, Universidade Federal de Juiz de Fora, MG, Brasil
A variabilidade da frequência cardíaca (VFC) é uma ferramenta não invasiva utilizada para análise da modulação autonômica cardíaca, sendo um indicador funcional do sistema nervoso autonômico1. Estudos mostram que há redução da VFC com o avançar da idade2-6 e que esta redução está associada ao surgimento ou agravamento de doenças cardiovasculares, aumentando o risco de morte por todas as causas7-11.
Não obstante, o papel cardioprotetor do exercício físico é um consenso na literatura, sendo considerado importante na preservação da saúde em todas as faixas de idade. Entretanto, seu efeito sobre VFC após programas de treinamento aeróbico e a correlação positiva esperada entre maiores de níveis de aptidão aeróbica e VFC ainda é controversa. Estudos mostram que indivíduos idosos praticantes de atividade física por vários anos possuem maiores índices de VFC do que sedentários12-14. Por outro lado, há evidências de que programas de treinamento aeróbico não exercem influência significativa nos índices da VFC em indivíduos de meia-idade5,15-17.
Outra medida de avaliação da função autonômica cardíaca é a recuperação da frequência cardíaca (RFC) pós-esforço, definida como a taxa de declínio da FC após a interrupção do esforço18. Existem relatos na literatura de que indivíduos de meia-idade e idosos apresentam retardo na recuperação da FC após teste de esforço se comparado a jovens19,20 e que medidas de RFC estão diretamente relacionadas ao nível de aptidão aeróbica21,22. Além disso, indivíduos saudáveis treinados apresentam RFC pós-esforço mais rápida do que controles sedentários20,23,24.
Nesse contexto, o objetivo do presente estudo foi avaliar a função autonômica cardíaca, empregando a análise da VFC de repouso e da RFC após teste de esforço submáximo em voluntários jovens e de meia-idade saudáveis.
Foram recrutados 68 voluntários com idade variando de 20 a 60 anos, do sexo masculino, sadios e não fumantes. Devido à distribuição da faixa etária da amostra, optou-se por estudar, primordialmente, 50 desses voluntários distribuídos em dois grupos: jovens (20-30 anos) e meia-idade (40-60 anos). Sendo assim, foram investigados quatro grupos experimentais: jovens com aptidão aeróbica boa (JAB; n = 11; idade = 24,7 ± 2,8), jovens com aptidão aeróbica deficiente (JAD; n = 12; idade = 24,9 ± 2,3), meia-idade com aptidão aeróbica boa (MIAB; n = 13; idade = 47,3 ± 6,6) e meia-idade com aptidão aeróbica deficiente (MIAD; n = 14; idade = 48,0 ± 5,4). Os 18 voluntários restantes, com idades entre 31 e 39 anos, foram considerados apenas para a análise de regressão múltipla, descrita na subseção de análise estatística. Todos os voluntários foram recrutados considerando-se os seguintes critérios de exclusão: i) estar fazendo uso de medicação e ii) apresentar sinais ou sintomas de patologias cardiovasculares detectados pela avaliação clínica.
O protocolo experimental foi aprovado pelo Comitê de Ética em Pesquisa do Instituto Nacional de Cardiologia. Todos os voluntários foram esclarecidos e orientados a respeito da participação no estudo e assinaram o termo de consentimento livre e esclarecido.
Todos os voluntários foram submetidos à avaliação, composta por: i) anamnese (dados pessoais, investigação dos hábitos de vida e de atividade física, história de doenças pregressas e de fatores de risco para doenças do sistema cardiovascular) e ii) exame físico (inspeção geral, verificação da estatura e massa corporal total, avaliação osteomiarticular global, aferição da frequência cardíaca e respiratória e da pressão arterial sistólica e diastólica de repouso).
Os sinais de ECG foram captados em ambiente próprio, com temperatura controlada e baixo nível de ruído, sempre no período da tarde, entre 14 h e 17 h. Para a realização do protocolo experimental, os voluntários foram previamente orientados aos seguintes procedimentos: i) não ingerir bebidas alcoólicas ou cafeinadas por 24 h, ii) ter uma boa noite de sono, iii) não se exercitar por 24 h e iv) evitar a ingestão de alimentos por pelo menos duas horas antes da realização do teste.
Para aquisição do sinal de ECG foram colocados três pares de eletrodos cutâneos para obtenção das derivações X, Y e Z de Frank modificadas8. Após a colocação dos eletrodos, os voluntários permaneceram em repouso, na posição supina, durante um período mínimo de 10 min para estabilização da FC antes do início da coleta do sinal de ECG para análise da VFC. A coleta do sinal foi realizada com respiração espontânea durante os primeiros 15 minutos. Em seguida, os voluntários foram orientados a respirar de acordo com o ritmo determinado pelo avaliador, durante cinco minutos, sendo que a inspiração durou dois segundos e a expiração três segundos. Assim, o ritmo respiratório foi controlado (RC) a uma frequência de 12 incursões respiratórias por minuto (irpm), correspondentes a 0,2 Hz para que se tivesse uma relação 2:3 entre a inspiração e a expiração.
O processamento do sinal eletrocardiográfico para análise da modulação autonômica da frequência cardíaca foi realizado da seguinte maneira: a partir do sinal eletrocardiográfico digitalizado, efetuou-se a detecção automática das ondas R. A seguir, foram calculados os valores dos intervalos entre as ondas R do ECG (IRR) para construção do tacograma. O sinal foi processado para exclusão de batimentos prematuros e artefatos e dos batimentos imediatamente anterior e posterior, e para obtenção dos valores de IRR normais (INN) que foram utilizados na construção do tacograma considerado para análise. Seguindo as recomendações das Sociedades Americana e Europeia de Cardiologia1, no tocante à duração dos sinais eletrocardiográficos de curta duração, utilizou-se os cinco primeiros minutos ininterruptos do sinal sem a presença de artefatos e extrassístoles.
Para o estudo da VFC, no domínio do tempo, foram calculadas as variáveis extraídas dos tacogramas de INN e baseadas em relações estatísticas, dadas por (
a. SDNN - desvio-padrão dos intervalos INN;
b. RMSSD - raiz média quadrática das diferenças de batimentos sucessivos, dada por
na qual, n é o número total de intervalos INN no sinal analisado e a duração do i-ésimo intervalo é INNi;
A variável SDNN reflete a participação de todos os componentes rítmicos responsáveis pela variabilidade, sendo relacionada às contribuições de ambos os ramos do sistema nervoso autônomo, enquanto que a variável RMSSD reflete as contribuições de variações em altas frequências, as quais estão relacionadas à atuação vagal1.
Para investigação da VFC no domínio da frequência, cada tacograma de INN foi interpolado, por meio de
A partir da PSD foram consideradas duas bandas de frequência: baixa frequência (LF; 0,04-0,15 Hz), relacionada ao mecanismo barorreflexo; e alta frequência (HF; 0,15-0,4 Hz), relacionada à respiração e à atividade vagal25,26. Em seguida, foi estimada a relação LF/HF que caracteriza o balanço simpatovagal25.
Para classificação dos voluntários em relação ao nível de aptidão aeróbica submáxima, realizou-se o teste ergométrico submáximo (critério de interrupção do teste: atingir 85% da frequência cardíaca máxima predita para a idade (220 menos a idade)), com a utilização do protocolo de Bruce27. A partir do tempo total gasto na realização do teste ergométrico submáximo (Tempo TE), efetuou-se a análise descritiva dessa variável. A mediana do tempo TE entre todos os testes realizados, para cada faixa etária, foi usada para classificar a população em relação ao nível de aptidão aeróbica submáxima como descrito adiante. A escala de percepção subjetivo do esforço de Borg foi utilizada para monitorização do esforço a cada etapa do teste ergométrico. Além disso, no início e ao final de cada etapa do referido teste, aferia-se a frequência cardíaca (FC), pressão arterial sistólica (PAS) e diastólica (PAD). Quanto ao nível de aptidão aeróbica submáxima, a amostra foi qualitativamente classificada em: (a) aptidão aeróbica boa (AB): indivíduos que apresentaram tempo TE maior do que a mediana, estratificados por faixa etária; ou (b) aptidão aeróbica deficiente (AD): indivíduos que apresentaram tempo TE menor do que a mediana, estratificados por faixa etária.
Foi realizado de tal forma que a recuperação pós-esforço se desse de forma lenta, gradual, minimizando efeitos adversos, como desmaio, queda pressórica anormal entre outros. Com esse intuito foi dividido em três etapas sequenciais:
Etapa 1 - durante retirada gradual da inclinação da esteira, no decorrer de 1 min e 30 s, a velocidade era gradualmente diminuída até que atingisse 1,6 Km/h;
Etapa 2 - o voluntário caminhava a uma velocidade de 1,6 Km/h durante 1 min e 30 s adicionais;
Etapa 3 - o voluntário permanecia em pé sobre a esteira rolante por mais 2 min, encerrando o protocolo de recuperação pós-esforço.
A RFC foi definida como a diferença entre a FC pico e a FC atingida em cada etapa da recuperação definida acima normalizada pela FC pico e estudada em cada uma das seguintes fases:
Em todos os testes estatísticos, o nível de significância foi estabelecido em α = 0,05. Os dados numéricos são apresentados no formato média ± desvio-padrão (DP). A apresentação visual dos resultados está no formato de gráfico
A análise de amostragem foi realizada sobre a variável RMSSD baseada no trabalho de Marocolo e cols.28, considerando uma diferença entre as médias dos grupos sedentário e ativo fisicamente de 34,4 ms, desvio-padrão de 28,8 ms em ambos os grupos e distribuição de indivíduos entre os grupos com relação 1:1, considerando valores de erros α = 0,05 e β = 0,1. O tamanho da amostra foi calculado com auxílio do
As variáveis analisadas foram: FC de repouso, FR de repouso, PAS, PAD, índice de massa corporal (IMC), percepção subjetiva do esforço na última etapa do TE submáximo (PSE), tempo TE, RFC nas etapas D1, D2 e R, e índices da VFC (SDNN, RMSSD, HF, LF, LF/HF) durante respiração espontânea e RC. Para tais variáveis, foi empregada a análise da variância bifatorial (ANOVA
Com o intuito de verificar a correlação entre os parâmetros da VFC e a variável idade realizou-se análise de correlação linear de Pearson.
A análise de regressão linear múltipla
As variáveis fisiológicas, IMC, PAS, PAD, FC de repouso, FR de repouso e PSE não foram significativamente diferentes entre os grupos estudados (
No que diz respeito ao tempo total de duração do teste ergométrico (Tempo TE), a análise de variância indicou diferenças significativas (p < 0,0001) em função da faixa etária e da aptidão física (
Os parâmetros da VFC, tanto em respiração espontânea quanto em respiração controlada, foram significativamente mais baixos nos voluntários de meia-idade quando comparado aos voluntários jovens, exceto para a variável Ln(LF/HF) que reflete o balanço simpatovagal (
Considerando a RFC nas fases D1 e D2, observou-se diminuição significativa da RFC nos voluntários de meia-idade com aptidão aeróbica deficiente em comparação aos de aptidão aeróbica boa (p < 0,01;
A análise da correlação linear de Pearson entre os parâmetros da VFC, em respiração espontânea e em respiração controlada, e a variável idade dos voluntários foi significativa para todos os parâmetros estudados. Houve correlação negativa entre a variável idade com Ln(SDNN), Ln(RMSSD), Ln(LF), Ln(HF) e correlação positiva com Ln(LF/HF). Desses parâmetros, o que apresentou maior correlação com a idade, tanto em respiração espontânea como em respiração controlada, foi Ln(HF) no domínio da frequência e Ln(RMSSD) no domínio do tempo, parâmetros estes representantes da modulação vagal cardíaca (
Para análise da regressão múltipla, foi testada como variável dependente o Ln (RMSSD_E), por representar a variável no domínio do tempo com maior correlação com a idade e apresentar maior simplicidade no cálculo. Inicialmente, as seguintes variáveis independentes entraram no modelo de regressão múltipla: tempo de TE, PAS, IMC, FR, RFC (D1, D2 e R), FC de repouso e idade (20 a 60 anos).
Após análise das colinearidades e ajustes do modelo de regressão múltipla
A equação do modelo final ajustado foi a seguinte:
Ln(RMSSD_E) = 8,52 - (0,06 x FC de repouso) - (0,03 x Idade)
A análise da regressão múltipla mostra que a variável modulação vagal cardíaca representada pela variável Ln(RMSSD) em respiração espontânea (Ln(RMSSD_E)) foi explicada (aproximadamente 65%) pela FC de repouso e a idade (
As variáveis independentes do modelo final de regressão múltipla, FC de repouso e idade, apresentaram associação negativa com a variável dependente Ln(RMSSD_E) (
A avaliação
A modulação autonômica da FC, medida por meio da VFC de repouso, foi significativamente menor nos voluntários de meia-idade em comparação com os jovens, caracterizando o efeito deletério do envelhecimento na função autonômica cardíaca. Esse achado foi similar a vários estudos descritos na literatura que avaliaram indivíduos saudáveis com faixas etárias parecidas às do presente trabalho2,4,6,15,29. Porém, melhores valores de aptidão aeróbica não foram eficazes em atenuar a redução da VFC com o avançar da idade.
Migliaro e cols.29 encontraram resultados semelhantes ao do presente trabalho, na medida em que não evidenciaram diferenças significativas na VFC de repouso entre jovens sedentários e não sedentários. Avaliando o efeito de um programa de treinamento aeróbico de curta duração com intensidade leve a moderada na VFC de indivíduos de meia-idade (40-60 anos), Silva15 não encontrou nenhuma mudança nos índices da VFC, apesar de ter evidenciado melhora na aptidão aeróbica. Por outro lado, De Meersman30 mostrou que indivíduos ativos fisicamente apresentam maior modulação vagal cardíaca do que sedentários, tanto em voluntários jovens como em indivíduos de meia-idade.
A RFC, no presente trabalho, foi menor nos voluntários de meia-idade com aptidão aeróbica deficiente, em comparação aos voluntários de aptidão aeróbica boa. Esses resultados corroboram os achados de Cole e cols.19 e Du e cols.23, na medida em que, no primeiro, os autores encontraram associação entre baixos valores de RFC nos voluntários com pior aptidão aeróbica e, no segundo, estudando mulheres maratonistas (32 a 42 anos), evidenciaram que a RFC é mais rápida em maratonistas do que no grupo controle sedentário.
Diversos autores evidenciaram o papel preditivo e prognóstico da resposta da FC após teste de exercício18,19,31,32. Ainda assim, poucas investigações foram realizadas com o intuito de compreender a interação entre medidas de RFC, aptidão aeróbica e mortalidade. Em um estudo pioneiro, KoKKinos e cols.33, avaliando a associação entre RFC (1º e 2º min de recuperação), aptidão aeróbica e risco de mortalidade por todas as causas em uma coorte de 5.974 homens com um período de seguimento de 6,2 anos, evidenciaram que, em indivíduos com baixa aptidão aeróbica e baixa RFC, o risco de mortalidade foi, aproximadamente, sete vezes maior se comparado a indivíduos com alta aptidão aeróbica e alta RFC. Os autores destacam que a aptidão aeróbica associada à RFC afeta de forma substancial a mortalidade. Esse estudo evidencia o impacto da aptidão aeróbica na RFC.
Os resultados que se referem à função autonômica cardíaca encontrados em nosso trabalho (VFC de repouso e RFC pós-esforço) foram discrepantes ao evidenciar que há redução da VFC com o envelhecimento, porém sem repercussão da aptidão aeróbica sobre seus valores. Por outro lado, a RFC não foi diferente nas faixas etárias estudadas, mesmo apresentando diferenças significativas em função da aptidão aeróbica.
A literatura atual vem evidenciado a não correlação entre medidas da VFC de repouso e RFC34-36. Ainda não se sabe ao certo o papel fisiológico dessas medidas no sistema nervoso autonômico. Acredita-se que o índices da VFC relacionados à atividade vagal reflitam a magnitude da modulação autonômica vagal, enquanto aqueles relacionados à RFC reflitam o tônus autonômico propriamente dito37. Mais estudos são necessários para elucidar tal questão.
A análise de regressão linear múltipla
As informações descritas na literatura indicam que o envelhecimento fisiológico leva à redução da VFC. Entretanto, ainda não é totalmente claro o papel do treinamento físico e de melhores níveis de aptidão aeróbica nesse processo. O presente trabalho, baseado em um protocolo ajustado de recuperação pós-esforço submáximo, evidenciou que indivíduos de meia-idade com aptidão aeróbica boa apresentam recuperação da FC após exercício mais rápida do que indivíduos de meia-idade com aptidão aeróbica deficiente.
Melhores níveis de aptidão aeróbica atuam beneficamente no controle autonômico da frequência cardíaca pós-esforço, preservando a velocidade de reentrada vagal em voluntários de meia-idade. No entanto, tais níveis de aptidão parecem não atenuar a redução da variabilidade da frequência cardíaca de repouso decorrente do processo natural de envelhecimento na faixa etária analisada.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo foi parcialmente financiado por CAPES e CNPq.
Este artigo é parte de tese de mestrado de Gabriela Alves Trevizani pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (Programa de Engenharia Biomédica/ COPPE).
Jurandir Nadal Programa de Engenharia Biomédica COPPE/UFRJ Caixa Postal 68510 CEP 21941-972, Rio de Janeiro, RJ - Brasil E-mail:
Artigo recebido em 16/11/11; revisado em 23/11/11; aceito em 28/03/12.
BACKGROUND: Physiological aging leads to cardiac autonomic dysfunction, which is associated with the onset and worsening of cardiovascular disease and an increased risk of death. Currently, physical exercise is considered a cardioprotective strategy and more research is needed on its benefit on cardiac autonomic function. OBJECTIVE: To evaluate the autonomic control of heart rate in healthy young and middle-aged volunteers with different levels of aerobic fitness. METHODS: The study included 68 volunteers, stratified for age and level of aerobic fitness. Based on aerobic fitness assessed by the submaximal exercise test, subjects were separated into two groups, good fitness and poor fitness. Assessment of cardiac autonomic control was performed based on measurements of heart rate variability at rest and heart rate recovery post-exercise. Analysis of variance with two factors was used to compare the variables investigated. RESULTS: The heart rate variability is significantly lower in middle-aged volunteers than in young individuals, regardless of the aerobic fitness level (p <0.01). Higher levels of aerobic fitness in middle-aged volunteers are associated with earlier post-effort vagal reentry - rate of HR decline after 1min30s: 39.6% good aerobic fitness vs. poor 28.4% (p < 0.01). CONCLUSION: Better levels of aerobic fitness act beneficially on the autonomic control of post-exercise heart rate, preserving the vagal reentry velocity in healthy middle-aged volunteers. However, it does not attenuate the decrease in heart rate variability due to the natural aging process.
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The heart rate variability (HRV) is a non-invasive tool used for the analysis of cardiac autonomic modulation, being a functional indicator of the autonomic nervous system1. Studies have shown that there is a decrease in HRV with advancing age2-6 and that this reduction is associated with the emergence or worsening of cardiovascular disease, increasing the risk of death from all causes7-11.
However, the cardioprotective role of physical exercise is a consensus in the literature and is considered important in maintaining health in all age groups. However, its effect on HRV after aerobic training programs and the expected positive correlation between higher levels of aerobic fitness and HRV remains controversial. Studies have shown that older adults engaged in physical activity for several years have higher levels of HRV than sedentary ones12-14. On the other hand, there is evidence that aerobic training programs do not exert significant influence on HRV indices in middle-aged individuals5,15 -17.
Another evaluation measure of cardiac autonomic function is heart rate recovery (HRR) post-exercise, defined as the rate of decline in HR after cessation of the effort18. There are reports in the literature that middle-aged and elderly individuals have delayed HR recovery after exercise test, when compared to young individuals19,20 and that HRR measures are directly related to the level of aerobic fitness21,22. Furthermore, healthy trained individuals have a faster post-exercise HRR than sedentary controls20,23,24.
In this context, the objective of this study was to evaluate the cardiac autonomic function, using the analysis of HRV at rest and HRR after submaximal exercise test in healthy young and middle-aged individuals.
A total of 68 volunteers were recruited, aged 20-60 years, male, healthy and nonsmokers. Due to the sample age distribution, we chose to study primarily 50 of these volunteers, divided into two groups: young (20-30 years) and middle-aged (40-60 years). Thus, we investigated four experimental groups: young individuals with good aerobic fitness (YGF, n = 11, age = 24.7 ± 2.8), young individuals with poor aerobic fitness (YPF, n = 12, age = 24.9 ± 2.3), middle-aged individuals with good aerobic fitness (MAGF n = 13, age = 47.3 ± 6.6) and middle-aged individuals with poor aerobic fitness (MAPF, n = 14, age = 48.0 ± 5.4). The remaining 18 volunteers, aged 31 to 39 years were considered only for the multiple regression analysis, described in the statistical analysis subsection. All volunteers were recruited considering the following exclusion criteria: i) use of medication and ii) having signs or symptoms of cardiovascular diseases detected by clinical evaluation.
The experimental protocol was approved by the Ethics Committee in Research of Instituto Nacional de Cardiologia. All volunteers were informed and instructed about the study participation and signed the free and informed consent form.
All volunteers underwent evaluation, consisting of: i) history (personal data, investigation of lifestyle and physical activity, history of previous diseases and risk factors for cardiovascular system diseases) and ii) physical examination (general assessment, height and total body mass measurement, overall osteoarticular assessment, heart and respiratory rate measurement and systolic and diastolic blood pressure measurement at rest).
ECG signals were acquired in an adequate environment, with controlled temperature and low noise, always in the afternoon, between 2 pm and 5 pm. To undergo the experimental protocol, the subjects were previously instructed to follow the following procedures: i) do not drink alcohol or caffeinated beverages for 24 hours prior to the examination, ii) have a good night's sleep, iii) not to exercise for 24 hour prior to the examination iv) avoid food intake of at least two hours before the test.
For the acquisition of the ECG signal three pairs of skin electrodes were placed to obtain the modified Frank's derivations X, Y and Z8. After electrode placement, the volunteers remained at rest in the supine position for a minimum period of 10 minutes for HR stabilization before the acquisition of the ECG signal for HRV analysis. Signal acquisition was performed with spontaneous breathing during the first 15 minutes. Then the volunteers were instructed to breathe in accordance with the rhythm determined by the examiner for five minutes, with the inspiration lasting 2 seconds and expiration lasting 3 seconds. Thus, the respiratory rate was controlled (CR) at a frequency of 12 respirations per minute (rpm), corresponding to 0.2 Hz to attain a 2:3 ratio between inspiration and expiration.
The electrocardiographic signal processing for the analysis of the autonomic modulation of heart rate was performed as follows: from the digitized ECG signal, we performed the automatic detection of R waves. Then the values of intervals between the R waves at the ECG (RRI) were calculated to establish the tachogram. The signal was processed to exclude artifacts and premature beats and immediately before and after beats, and to obtain the normal values of RRI (NNI) that were used to construct the tachogram considered for analysis. Following the recommendations of the American and European Societies of Cardiology1, regarding the duration of the electrocardiographic signs of short duration, we used the first five minutes of uninterrupted signal without the presence of artifacts and extrasystoles.
For the study of HRV in the time domain we calculated variables from the INN tachogram and based on statistical relationships, given by (TASK FORCE, 1996):
a. SDNN - standard-deviation INN intervals;
b. RMSSD - root mean square of the differences of successive beats, given by:
in which, n is the total number of INN intervals in the evaluated signal and the duration of the i-esimo interval is INNi;
The variable SDNN reflects the participation of all rhythmic components responsible for variability, being related to the contributions of both branches of the autonomic nervous system, while the variable RMSSD reflects the contributions of variations at high frequencies, which are related to vagal action1.
To investigate the HRV in the frequency domain, each tachogram of NNI was interpolated using a linear spline to obtain equally spaced samples, and resampled at a rate of 2 Hz to be used in the calculation of the estimated power spectral density (PSD) function through fast Fourier transform (FFT).
Based on the PSD, two frequency bands were considered: low frequency (LF, 0.04-0.15 Hz), related to the baroreflex mechanism, and high frequency (HF, 0.15-0.4 Hz), related to respiration and vagal activity25,26. The LF/HF ratio was then estimated, which characterizes the sympathovagal balance25.
The classification of volunteers in relation to the level of submaximal aerobic fitness was carried out through a submaximal exercise test (test withdrawal criteria: reaching 85% of maximal predicted heart rate for age (220 minus age), using Bruce protocol27. From the total time spent performing the submaximal exercise test (ET), a descriptive analysis of this variable was performed. The median of the ET time between all tests performed for each age group was used to classify the population in relation to the level of submaximal aerobic fitness as described below. The Borg scale of subjective perception of effort was used to monitor effort at every step of the exercise test.
Moreover, at the beginning and end of each stage of that test, heart rate (HR) was measured, as well as systolic (SBP) and diastolic (DBP) blood pressure. Regarding the level of submaximal aerobic fitness, the sample was qualitatively classified as: (a) good aerobic fitness (GF): individuals who had an ET greater than the median, stratified by age, or (b) poor aerobic fitness (PF): individuals who had ET less than the median, stratified by age.
It was carried out so that post-exercise recovery was performed in a slow, gradual manner, minimizing adverse effects, such as fainting, and other abnormal pressure decreases. With this purpose, it was divided into three sequential steps:
Step 1 - during the gradual withdrawal of the treadmill inclination, during 1 min and 30 s, the speed was gradually reduced until it reached 1.6 Km / h;
Step 2 - the volunteer walked at a speed of 1.6 km / h for 1 min and additional 30 s;
Step 3 - the volunteer remained standing on the treadmill for 2 min, ending the recovery protocol post-exercise.
The HRR was defined as the difference between the peak HR and the HR achieved at each stage of recovery defined above normalized by peak HR and studied in each of the following phases:
In all statistical tests, the level of significance was set at α = 0.05. Numerical data are presented as mean ± standard deviation (SD). The visual presentation of the results is shown in the boxplot chart format.
The sample analysis was performed on the variable RMSSD based on the work of Marocolo et al.28, considering a difference between the means of sedentary and physically active groups of 34.4 ms, standard deviation of 28.8 ms in both groups and distribution of individuals between groups with a ratio of 1:1, whereas error values α = 0.05 and β = 0.1. The sample size was calculated using the software Statgraphics 5.1, resulting in 10 subjects for each age group.
The variables analyzed were: resting HR, resting RR, SBP, DBP, body mass index (BMI), perceived exertion at the last stage of the submaximal ET (PSE), ET time, HRR at stages D1, D2 and R and HRV indices (SDNN, RMSSD, HF, LF, LF/HF) during spontaneous breathing and CR. For such variables, we used the bi-factorial analysis of variance (two-way ANOVA) with the factors age and aerobic fitness, followed by Bonferroni post-test. The HRV variables were transformed into their natural logarithms (LnT), in order to normalize the probability distribution functions8.
In order to verify the correlation between HRV parameters and the age variable, an analysis was performed using Pearson's linear correlation.
The stepwise multiple linear regression analysis was performed to obtain which physiological variables (age, HR, RR, SBP, DBP, HRR - D1, D2 and R, BMI, ET time) were responsible for possible alterations in parameters of HRV analysis in healthy men aged 20 to 60 years. In this particular case, we considered data from 68 subjects, with added data from 18 volunteers aged 31 to 39 years.
The physiological variables, BMI, SBP, DBP, resting HR, resting RR and PSE were not significantly different between groups (Table 1).
Regarding the total duration of the exercise test (ET time), the analysis of variance indicated significant differences (p<0.0001) as a function of age range and physical fitness (
The HRV parameters both in spontaneous breathing and in controlled breathing were significantly lower in middle-aged subjects compared to young volunteers, except for the variable Ln (LF/HF) reflecting the sympathovagal balance (
The analysis of Pearson's linear correlation between the HRV parameters in spontaneous breathing and in controlled breathing and the variable age of volunteers was significant for all studied parameters. There was a negative correlation between the age variable and Ln (SDNN), Ln (RMSSD), Ln (LF), Ln (HF) and a positive correlation with Ln (LF/HF). Of these parameters, the one that showed the highest correlation with age in both spontaneous breathing and in controlled breathing was Ln (HF) in the frequency domain and Ln (RMSSD) in the time domain; these parameters represent cardiac vagal modulation (
For the multiple regression analysis, Ln (RMSSD_S) was tested as the dependent variable, as it represented the variable in the time domain with the highest correlation with age and greater simplicity in the calculation. Initially, the following independent variables were entered in the multiple regression model: ET time, SBP, BMI, RR, HRR (D1, D2 and R), resting HR and age (20-60 years).
After analysis of collinearity and adjustment of the stepwise multiple regression model, the following independent variables remained in the final model: age and resting HR (
The equation of the final model was adjusted as follows:
Ln (RMSSD_S) = 8.52 - (0.06 x resting HR) - (0.03 x age)
The multiple regression analysis shows that the variable cardiac vagal modulation represented by the variable Ln (RMSSD) in spontaneous breathing (Ln (RMSSD_S)) was explained (approximately 65%) by resting HR and age (
The independent variables in the final multiple regression model, resting HR and age were inversely associated with the dependent variable Ln (RMSSD_S) (
The post hoc evaluation of the power of statistical test (1-β) was performed using as basis of comparison the means of the HRR variables in phases D1 and D2 between the groups of middle-aged volunteers with good aerobic fitness versus those with poor aerobic fitness, considering a one-tailed approach. The analysis showed that, with the sample size used in this study for the analysis of the variable D1, the statistical test showed a 95% power to the variable D2, 90%.
The variable LnRMSSD bin spontaneous breathing showed a 95% power in the recruited sample when comparing young subjects with middle-aged ones with good aerobic fitness, as well as young individuals
The autonomic modulation of HR, as measured by HRV at rest was significantly lower in middle-aged volunteers compared with young individuals, characterizing the deleterious effect of aging on cardiac autonomic function. This finding was similar to several published studies that evaluated healthy subjects at similar age ranges to the ones in the present work2,4,6,15,29. However, better aerobic fitness values were not effective in attenuating the reduction in HRV with age.
Migliaro et al.29 found similar results to those of the present study, as they did not find significant differences in resting HRV between young sedentary and non-sedentary individuals. Evaluating the effect of a short-duration aerobic training program of mild to moderate intensity on heart rate variability in middle-aged individuals (40-60 years), Smith15 found no alteration in HRV indices, although he showed improvement in aerobic fitness. On the other hand, De Meersman30 showed that physically active individuals have a higher cardiac vagal modulation than sedentary individuals, in both young volunteers and middle-aged individuals.
The HRR, in the present study was lower in middle-aged volunteers with poor aerobic fitness, when compared to volunteers with good aerobic fitness. These results corroborate the findings of Cole et al.19 and Du et al.23, as in the first study, the authors found an association between low HRR values in subjects with poor aerobic fitness and, in the second, when studying women marathon runners (32-42 years), the authors showed that the HRR was faster in the marathon runners than in the sedentary control group.
Several authors have demonstrated the prognostic and predictive role of HR response after exercise testing18,19,31,32. Still, few studies were carried out in order to understand the interaction between HRR measures, aerobic fitness and mortality. In a pioneering study, Kokkinos et al.33, evaluating the association between HRR (1st and 2nd min of recovery), aerobic fitness and risk of mortality from all causes in a cohort of 5,974 men with a follow-up period of 6.2 years, showed that in individuals with low aerobic fitness and low HRR, the mortality risk was approximately seven times higher when compared to subjects with good aerobic fitness and high HRR. The authors emphasize that the aerobic fitness associated with HRR substantially affects mortality. This study demonstrates the impact of aerobic fitness on the HRR.
The results regarding the cardiac autonomic function found in our study (HRV at rest and HRR after exertion) were discrepant by showing that HRV decreases with aging, but there is no effect of aerobic fitness on its values. Moreover, the HRR was not different among age groups, even though there were significant differences as a function of aerobic fitness.
The current literature has shown the lack of correlation between measures of HRV at rest and HRR34-36. The role of these measures in the autonomic nervous system remains to be elucidated. It is believed that the HRV indices related to vagal activity reflect the magnitude of the vagal autonomic modulation, whereas those related to HRR reflect the autonomic tone itself37. More studies are needed to clarify this issue.
The analysis of stepwise multiple linear regression adopted in this study showed that, in the sample studied, alterations in cardiac vagal tone measured by Ln (RMSSD) index is significantly explained by alterations in resting HR and age, with little or no participation of the HRR and indistinct at the level of aerobic fitness.
The information described in the literature indicates that normal aging leads to reduced HRV. However, the role of exercise training and improved levels of aerobic fitness in this process remain unclear. This study, based on an adjusted protocol of post-submaximal exercise recovery, showed that middle-aged individuals with good aerobic fitness have a faster HR recovery after exercise than middle-aged individuals with poor aerobic fitness.
Better levels of aerobic fitness are beneficial to the autonomic control of heart rate after exertion, preserving the velocity of vagal reentry in middle-aged volunteers. However, such fitness levels do not seem to attenuate the reduction in heart rate variability at rest due to the natural aging process in the analyzed age group.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
This study was partially funded by CAPES e CNPq.
This article is part of the thesis of master submitted by Gabriela Alves Trevizani, from Universidade Federal do Rio de Janeiro (Programa de Engenharia Biomédica/ COPPE).