“Mind the drift” of HR for accurate exercise intensity implementation in prolonged aerobic exercise

An appropriate and individualized dose of regular aerobic exercise is recommended to promote and preserve cardiorespiratory health throughout life. The exercise dose is defined by four ingredients: frequency, intensity, time, and type of exercise. Among these, intensity is the most elusive term of the exercise prescription dose. Exercise intensity is typically determined from an external load such as speed, watt, or pace that elicits a desired metabolic intensity (e.g., a fraction of maximal or reserve oxygen consumption). Whenever this approach is not feasible, heart rate (HR) remains the most commonly used intensity index in both clinical practice and sports. The prescription of exercise using HR targets relies on the existence and constancy of a linear relationship with metabolic intensity over time. However, during constant-load exercise lasting more than 10 min, a mismatch between HR and oxygen consumption emerges over time due to a slow rise in HR independent of metabolism. This phenomenon has been known for years as cardiovascular drift and, more recently, HR slow component. In 2018, Zuccarelli L. et al. suggested a practical implication of this phenomenon. They showed that prescribing exercise intensity using fixed HR targets could lead to an unanticipated and undesired reduction in work rate and metabolic activation during a prolonged session rather than the desired constant training intensity. This phenomenon has been consistently observed in healthy males and those with obesity. However, its physiological quantification and relationship with oxygen consumption across exercise intensities and in different populations are missing, along with its physiological underpinnings. This thesis aims to deal with this gap, study the origins of the HR slow component, and propose a solution to accurately prescribe exercise intensity using HR targets. In chapter one, a brief explanation of the HR response during exercise and the current explanatory theories for the HR slow component are provided. In chapter two, the experimental aims of the thesis are explained. Then, the results of four different studies are presented in chapters three, four, five, and six. Finally, chapter seven summarizes the main findings of this research work.

L’esercizio fisico è considerato una medicina in grado di mantenere e promuovere la salute cardiorespiratoria nell’arco della vita di un individuo. La somministrazione dell’esercizio fisico si basa su questi quattro ingredienti: frequenza, intensità, tempo e tipo di esercizio. Tra questi, l’intensità rimane il termine più elusivo di ogni prescrizione di esercizio fisico. In una prescrizione di esercizio aerobico essa viene stabilita tipicamente mediante l’individuazione di un carico esterno (ad esempio: velocità, passo al chilometro o potenza) che possa suscitare l’intensità metabolica desiderata (ossia, una frazione di consumo di ossigeno massimale o di riserva). Qual ora l’utilizzo di un carico esterno sia impossibile o infattibile, l’indice usato più comune rimane quello della frequenza cardiaca (FC) usata sia per monitorare che per prescrivere l’intensità sia in contesti sportivi che clinici. La prescrizione dell’esercizio mediante l’utilizzo della FC si basa sull’esistenza e consistenza nel tempo di una relazione lineare con l’intensità metabolica. Tuttavia, se tale relazione esiste per esercizi di breve durata, durante esercizi prolungati di durata superiore ai 10 minuti, la frequenza cardiaca ed il consumo di ossigeno divergono nel tempo come risultato di un aumento lento della FC indipendente dal metabolismo. Questo fenomeno è stato studiato per anni ed è chiamato a seconda di durata e meccanismi fisiologici sottostanti cardiovascular drift o HR slow component. Zuccarelli L. et al. (2018) hanno evidenziato per primi le implicazioni pratiche di questo fenomeno nell’ambito della prescrizione dell’esercizio aerobico. Nello specifico hanno mostrato come l’uso di Target fissi di FC, per prescrivere un’intensità di esercizio, porti ad una diminuzione nel tempo sia del carico esterno che del carico metabolico durante una sessione di esercizio aerobico finalizzata ad un allenamento d’intensità costante. Questo fenomeno è stato consistentemente mostrato in soggetti uomini, sia sani che obesi tuttavia la sua quantificazione, la relazione con il consumo di ossigeno in diverse intensità di esercizio ed in diverse popolazioni mancano assieme ai meccanismi fisiologici sottostanti. L’obiettivo di questa tesi è quindi quello di analizzare le origini della componente lenta, e proporre una soluzione per consentire un’accurata prescrizione dell’intensità dell’esercizio aerobico usando target di FC. Nel capitolo uno viene fornita una breve spiegazione della risposta della FC durante l’esercizio e delle attuali teorie esplicative per la componente lenta della frequenza cardiaca congiuntamente alle implicazioni pratiche nella prescrizione dell’esercizio fisico. Nel capitolo due, sono spiegati gli scopi di ricerca di questa tesi. Il capitolo tre, quattro, cinque e sei illustrano i risultati di quattro diversi studi sperimentali. Infine, il capitolo sette riassume i risultati della tesi.