漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后急性低氧暴露對健康男性大學(xué)生腦氧飽和度的影響

馬國東，羅冬梅 ，徐 飛 ，胡 揚(yáng)，李 岳 ，騰軼超

漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后急性低氧暴露對健康男性大學(xué)生腦氧飽和度的影響

馬國東1，羅冬梅2，徐 飛3，胡 揚(yáng)2，李 岳4，騰軼超4

目的：探討漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后急性低氧暴露對腦氧飽和度的影響。方法：以45名男性大學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對象，采用近紅外光譜技術(shù)測試其在6周實(shí)驗(yàn)期內(nèi)，常氧常壓、急性低氧暴露（模擬海拔4 800 m）、3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練（模擬海拔2 500 m、3 500 m、4 800 m）、再次4 800 m低氧暴露運(yùn)動(dòng)時(shí)腦氧飽和度、動(dòng)脈血氧飽和度（SpO2）。結(jié)果：3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練顯著提高腦氧飽和度和SpO2；急性低氧暴露運(yùn)動(dòng)中腦氧飽和度和SpO2相對有效下降值存在相關(guān)性（r=0.792，P＜0.01）。結(jié)論：3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練改善腦組織的氧合狀況，產(chǎn)生耐缺氧適應(yīng)；低氧運(yùn)動(dòng)時(shí)腦氧飽和度隨血氧飽和度的下降而降低。

急性低氧暴露；低氧運(yùn)動(dòng)；腦血氧飽和度；指脈血氧飽和度

腦組織耗氧量高，短時(shí)間缺氧可造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)不可恢復(fù)的損傷，長時(shí)間缺氧可導(dǎo)致組織功能性和器質(zhì)性損傷，甚至危及生命[1]。Nielson等[2]報(bào)道腦組織缺氧是影響運(yùn)動(dòng)能力的一個(gè)重要因素。因此要維持運(yùn)動(dòng)中腦的正常生理機(jī)能，必須供給腦組織穩(wěn)定、充足的氧氣。近紅外光譜技術(shù)（near infrared spectroscopy，NIRS）對人體組織中氧的變化靈敏，特別是在毛細(xì)血管和微靜脈這一層次[3]，信號能反映組織細(xì)胞攝取氧氣的動(dòng)態(tài)變化及組織氧供需的平衡情況[4]。研究表明NIRS技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中具備有效性[5－7]。本實(shí)驗(yàn)采用基于上述原理研發(fā)的TSAH－100型近紅外組織血氧參數(shù)無損監(jiān)測儀檢測腦氧飽和度。

低氧暴露和運(yùn)動(dòng)均可造成機(jī)體缺氧，腦組織對缺氧特別敏感，耐受性很差，缺氧時(shí)腦氧飽和度會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變滿足大腦供氧需要。Wilber[8]研究認(rèn)為：低氧刺激的效果并不依賴于低氧刺激的持續(xù)性和低氧暴露時(shí)間的長短，1～2 h的間歇性低氧刺激比更長時(shí)間的持續(xù)性低氧刺激更能有效提高機(jī)體耐缺氧能力。低氧暴露初期個(gè)體差異較大，低氧訓(xùn)練的個(gè)體化監(jiān)控，探索低氧訓(xùn)練適應(yīng)能力預(yù)測指標(biāo)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。本研究通過實(shí)時(shí)檢測急性低氧暴露過程中腦氧飽和度的動(dòng)態(tài)變化，揭示3周漸進(jìn)式常壓低氧訓(xùn)練腦組織氧合狀況的變化規(guī)律及適應(yīng)過程，對了解低氧暴露情況下運(yùn)動(dòng)對大腦機(jī)能的影響有重要意義，為科學(xué)運(yùn)用低氧訓(xùn)練提高運(yùn)動(dòng)能力提供新的評價(jià)指標(biāo)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

45名健康男性大學(xué)生，世居平原，實(shí)驗(yàn)前6個(gè)月未經(jīng)高原或低氧暴露（海拔≥1 500 m）；受試者被明確告知實(shí)驗(yàn)具體流程和要求，實(shí)驗(yàn)可能造成的低氧不適反應(yīng)，簽署知情同意書。受試者基本情況見表1。

表1 受試者基本情況一覽表Table 1 Basic condition of subjects

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

第1周：基礎(chǔ)值及恒定負(fù)荷運(yùn)動(dòng)測試。低氧暴露前1周進(jìn)行常氧基礎(chǔ)值測試，測試前48 h避免劇烈運(yùn)動(dòng)。測試環(huán)境：溫度20～24 ℃，相對濕度46%～67%，氣壓為 1 014～1 021 hPa。測試安靜時(shí)腦氧飽和度、SpO2、HR；在GE Ergoselect 1000 LP型臥式功率車（USA）上仰臥休息5 min后，進(jìn)行恒定負(fù)荷（80 W，60 rpm）仰臥蹬車20 min，恢復(fù)5 min，運(yùn)動(dòng)期間每5 min記錄腦氧飽和度、SpO2、HR。

腦氧飽和度采用TSAH－100型近紅外組織血氧參數(shù)無損監(jiān)測儀（清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系研發(fā)，合肥安恒光電有限公司生產(chǎn)）連續(xù)監(jiān)測。測量時(shí)將傳感器放置在受試者右前額部位，避開腦中線并位于眉骨上方至少2 cm，以避免矢狀竇和額狀竇的影響，光源與兩個(gè)檢測器之間的距離分別為30 cm和40 cm。

第2周：急性低氧6 h暴露。受試者于常壓低氧艙（模擬海拔 4 800 m，F(xiàn)IO2為 13．0%～13．4%）暴露 6 h。進(jìn)艙后休息30 min；功率車上仰臥休息5 min后，進(jìn)行恒定負(fù)荷（80 W，60 rpm）仰臥蹬車20 min，恢復(fù)5 min，運(yùn)動(dòng)期間每5 min記錄腦氧飽和度、SpO2、HR；30 min 運(yùn)動(dòng)測試后，低氧艙內(nèi)再暴露 5 h（靜止休息）。

3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后，第6周再次進(jìn)行急性低氧6 h暴露（重復(fù)第2周測試）。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：北京體育大學(xué)低氧訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)過程中受試者無異常。

第3～5周：3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練。連續(xù)3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練，每周4次，每次2 h，其中1 h低氧暴露（靜止休息），1 h中等強(qiáng)度蹬功率自行車運(yùn)動(dòng)。低氧下運(yùn)動(dòng)時(shí)SpO2變化與最大耗氧量的下降線性相關(guān)[9]，是低氧運(yùn)動(dòng)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的可靠指標(biāo)[10]。本研究用Nonin 3100型血氧飽和度儀（USA）測試SpO2，傳感器統(tǒng)一夾在左手食指，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀數(shù)并記錄。實(shí)驗(yàn)選用SpO2監(jiān)控運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，具體情況見表2。

表2 訓(xùn)練監(jiān)控指標(biāo)Table 2 Index of training monitoring

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及整理，用SPSS11．5進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，組間比較采用單因素方差分析，腦氧飽和度與動(dòng)脈血氧飽和度之間采用Pearson相關(guān)分析。測量與計(jì)算結(jié)果用（Mean±SD）表示，顯著性差異為 P＜0．05，非常顯著性差異為 P＜0．01。

2 結(jié) 果

2.1 不同狀態(tài)下腦氧飽和度的變化

表3數(shù)據(jù)為安靜和運(yùn)動(dòng)中各時(shí)段腦氧飽和度變化的統(tǒng)計(jì)平均值，在常氧常壓狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)開始后腦氧飽和度小幅度上升，運(yùn)動(dòng)至10 min左右數(shù)據(jù)平穩(wěn)，直到運(yùn)動(dòng)結(jié)束，恢復(fù)期腦氧飽和度沒有出現(xiàn)超量恢復(fù)。

表3 3種狀態(tài)下不同時(shí)段腦氧飽和度變化情況（%）（n=45）Table 3 Changes in cerebral oxygen saturation in different times of three states（%）（n=45）

急性低氧暴露期間，Hy（pre－）和 Hy（post－）腦氧飽和度的變化趨勢基本一致，安靜時(shí)腦氧飽和度比常氧常壓低，運(yùn)動(dòng)開始后下降，下降到最低值之后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)曲線逐漸趨于平穩(wěn)直到運(yùn)動(dòng)結(jié)束，恢復(fù)期出現(xiàn)超量恢復(fù)。3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后，對比訓(xùn)練前，腦氧飽和度升高，差異具有顯著性（F=3．659，P＜0．05，n=45），提示腦組織耐受缺氧能力提高。

2.2 不同狀態(tài)下SpO2的變化

表4數(shù)據(jù)顯示，常氧狀態(tài)安靜時(shí)各時(shí)間段SpO2均為最高水平，急性低氧暴露前測各時(shí)間段SpO2均為最低水平。安靜時(shí)SpO2在常氧狀態(tài)下最高，急性低氧暴露前測時(shí)最低，經(jīng)過3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練，急性低氧暴露期間SpO2比訓(xùn)練前顯著升高（F=16．723，P＜0．001，n=45）。

表4 3種狀態(tài)下不同時(shí)段SpO2變化情況（%）（n=45）Table 4 Changes in pulse oxygen saturation in different times of three states（%）（n=45）

2.3 腦氧飽和度與SpO2的關(guān)聯(lián)

因?yàn)闄z測器探頭位置和角度的不可重復(fù)性，腦氧飽和度用相對有效下降值表示，即從安靜狀態(tài)到濃度達(dá)最低時(shí)的差值。對腦氧飽和度和SpO2進(jìn)行相關(guān)分析，在急性低氧暴露期間運(yùn)動(dòng)時(shí)腦氧飽和度和SpO2相對有效下降值之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，二者之間相關(guān)系數(shù)為 0．792（P＜0．01）。

3 分析與討論

3.1 不同狀態(tài)下腦氧飽和度的變化

根據(jù)蒙特卡洛仿真的結(jié)果，光子可以穿透頭皮、顱骨等外層組織，進(jìn)入腦灰質(zhì)層，因此腦氧飽和度主要反映了受試者腦灰質(zhì)中的血氧含量。腦氧飽和度監(jiān)測能迅速反映腦氧代謝的變化，缺氧時(shí)靈敏度高于腦電圖。動(dòng)脈氧分壓主要取決于吸入氣體氧分壓和肺的呼吸功能，靜脈氧分壓主要取決于組織攝取氧的能力。急性低氧暴露期間運(yùn)動(dòng)組織細(xì)胞加強(qiáng)對氧氣的利用，動(dòng)、靜脈氧分壓均急劇下降，表現(xiàn)為腦氧飽和度急劇下降。研究表明，給小鼠進(jìn)行急性重復(fù)低氧暴露，可以降低小鼠的代謝率，表現(xiàn)為體溫降低、耗氧量和CO2生成減少，而動(dòng)物對低氧的耐受能力卻明顯增強(qiáng)[11]。缺氧和運(yùn)動(dòng)都會(huì)增加平均腦血流速度[12]，本研究3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練前后急性低氧6 h暴露期間運(yùn)動(dòng)時(shí)，腦氧飽和度降低幅度之間有顯著性差異。腦對低氧的應(yīng)答很快，經(jīng)過3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練后，可能啟動(dòng)了低代謝代償機(jī)制，如可以關(guān)閉一些ATP依賴性的離子泵以及減少某些蛋白質(zhì)的合成[13]，在急性重復(fù)低氧暴露小鼠所觀察到的體溫、呼吸頻率、心跳明顯降低也表明了對能量消耗的減少。以上的機(jī)體代謝率降低都可能是腦組織對氧的需求量減少的原因，引起腦氧飽和度下降幅度減小。腦組織在低氧條件下免受損傷的前提條件是保持組織的ATP處于正常水平[14]，在持續(xù)性低氧刺激的情況下，通過降低腦組織的代謝來維持其ATP水平。以上分析可以得出：當(dāng)人體受到低氧的刺激時(shí)，機(jī)體首先表現(xiàn)出不適應(yīng)，急性低氧暴露時(shí)腦氧飽和度的變化幅度相對常氧大；隨著低氧刺激的累積，運(yùn)動(dòng)時(shí)腦氧飽和度下降幅度減小，對缺氧最敏感的腦組織對低氧的耐受力增強(qiáng)。

3.2 腦氧飽和度的變化與SpO2的關(guān)聯(lián)

動(dòng)脈血氧飽和度（SaO2）反映Hb與氧結(jié)合的能力，根據(jù)氧離曲線可知它與血液氧分壓相關(guān)。脈搏血氧飽和度（SpO2）與SaO2顯著相關(guān)（相關(guān)系數(shù)為 0．90～0．98），研究表明 SpO2可以真實(shí)反映動(dòng)脈血液中的血氧飽和度，故監(jiān)測SpO2可以反映血液的氧合程度。

腦氧飽和度是腦組織中各種微血管血氧飽和度的加權(quán)平均值，由于微靜脈血流速比微動(dòng)脈血慢，因此微靜脈血在腦氧飽和度中占主要地位[1]，即腦氧飽和度主要代表靜脈成分。SpO2是動(dòng)脈血的氧飽和度，只要人體指端動(dòng)脈供氧正常，它一般范圍在95%～100%。通過SpO2的測試值，能及時(shí)評價(jià)血氧飽和情況，了解機(jī)體氧合功能。SpO2與腦氧飽和度的生理意思不同，如果動(dòng)脈血液循環(huán)正常，而局部腦組織缺氧，則SpO2仍維持正常，但腦氧飽和度降低。

Hadolt[15]指出，低氧導(dǎo)致的腦氧飽和度降低幅度要明顯少于SpO2的降低幅度，原因是SpO2對低氧的敏感度較高，而腦組織血流的自調(diào)節(jié)功能可導(dǎo)致腦氧飽和度避免出現(xiàn)較大波動(dòng)。本文研究結(jié)果與前人無矛盾。在急性低氧暴露期間運(yùn)動(dòng)時(shí)SpO2與腦氧飽和度變化趨勢基本一致。低氧暴露期間二者相關(guān)系數(shù)為0．792（P＜0．01）。SpO2只能在少數(shù)部位進(jìn)行測量，不能實(shí)現(xiàn)體表大多數(shù)部位供血供氧狀態(tài)的無損傷監(jiān)測，從這些部位測得的參數(shù)能反映全身動(dòng)脈血氧飽和度的變化情況，卻無法反映腦組織血氧飽和度的變化情況。由此提示腦氧飽和度與SpO2一樣，可以反映個(gè)體對低氧的適應(yīng)能力，對制定有效提高運(yùn)動(dòng)能力的最適宜低氧暴露計(jì)劃有一定的應(yīng)用價(jià)值，但其機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究證實(shí)。

4 結(jié) 論

（1）3周漸進(jìn)式低氧訓(xùn)練顯著提高腦氧飽和度，改善了腦組織的氧合狀況，產(chǎn)生耐缺氧適應(yīng)。（2）急性低氧暴露期間運(yùn)動(dòng)時(shí)腦氧飽和度和SpO2相對有效下降值呈正相關(guān)，提示腦氧飽和度受全身氧供狀況影響很大，有充分的全身供氧，才會(huì)有大腦局部的氧供增加。腦氧飽和度有望成為低氧訓(xùn)練適應(yīng)能力的簡單無創(chuàng)預(yù)測指標(biāo)。

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Effects of Acute Hypoxia Exposure on Cerebral Oxygen Saturation after Stepwise Hypoxic Training in Male College Students

MA Guodong1，LUO Dongmei2，XU Fei3，HU Yang2，LI Yue4，TENG Yichao4
（1．Jilin Institute of Physical Education，Changchun 130022，China；2．Beijing Sports University，Beijing 100084，China；3．Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；4．Dept．of Biomedical Engineering，School of Medical，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Objective：To study the effect of progressive hypoxic training during acute hypoxia exposure on cerebral oxygen saturation．Methods：Cerebral oxygen saturation and arterial oxygen saturation （SpO2）of 45 male college students were measured in different conditions，exercised at normoxia，acute hypoxic exposure（simulated altitude of 4 800 m），three－week progressive hypoxic training（altitude control for 2 500，3 500，4 800 m），again acute hypoxic exposure（simulated altitude of 4 800 m）during the experimental period by near infrared spectroscopy．Results：The three－week training in progressive hypoxia significantly increased cerebral oxygen saturation and SpO2；the relative decline in value the effective correlation coefficient was 0．792 （P＜0．01）between brain oxygen saturation and SpO2during acute hypoxic exposure．Conclusions：The three－week progressive hypoxia training to improve the oxygenation status of brain tissue，resulting in hypoxia adaptation；cerebral oxygen saturation decreased with a decline in oxygen saturation during hypoxic exercise．

acute hypoxia exposure；hypoxic exercise；cerebral oxygen saturation；pulse oxygen saturation

G 804．7

A

1005-0000（2010）05-0385-03

收稿日期：2010-05-20；

2010-07-26；錄用日期：2010-08-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：60578004）；北京市教委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放性課題

馬國東（1969-），女，吉林長春人，副教授，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。

1.吉林體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)系，吉林長春130022；2.北京體育大學(xué)，北京100084；3.浙江工業(yè)大學(xué)，浙江杭州310014；4.清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，北京100084。