振動對神經(jīng)系統(tǒng)危害性的研究綜述

徐樹禮

恰當利用振動會對機體帶來良好的生物學(xué)效應(yīng)[1，2]。這一研究成果在運動訓(xùn)練、大眾體育、太空、美容、醫(yī)學(xué)和康復(fù)等領(lǐng)域，已經(jīng)顯示了極大的優(yōu)勢和潛力，采用的頻率集中在1Hz～60Hz，振幅1mm～10mm，加速度0.1～15.0×9.8m/s2和暴露時間3min～640min[3～7]。不適宜的振動可能會造成機體器官損傷或功能性損害[8]，影響組織分子結(jié)構(gòu)、生物氧化和能量代謝過程，產(chǎn)生各種不良的生理反應(yīng)[9]，其中對神經(jīng)系統(tǒng)的影響最為嚴重。1970年代，國際標準化組織已將振動列為七大環(huán)境公害之一，成為一種環(huán)境污染[10]，我國也將振動病列為法定職業(yè)病，稱振動性血管神經(jīng)病。

國際標準 ISO2631(第二版)[11]、我國最新的 GB/T13442—1992《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》[12]，都是針對人體各種器官的共振最敏感頻率0.5Hz～80Hz 、振幅1mm～10mm、加速度0.04m/s2～100m/s2和暴露時間1min～480min進行限定。日本是振動研究比較先進的國家，2000年最新頒布了關(guān)于全身振動和手傳局部振動容許強度標準[12]，限定范圍更大。顯然，利用振動與產(chǎn)生振動病的主要參數(shù)集中范圍有明顯交叉，而人們卻很少關(guān)注甚至忽略其對神經(jīng)系統(tǒng)的危害性。

美國一條高速公路兩旁的樹木突然死去的原因是過往汽車產(chǎn)生的振動，中國天壇公園和故宮御花園古木的死因是因為游人太多，腳踩地面產(chǎn)生振動所致。植物如此害怕振動，人類呢？因此，對有關(guān)振動危害性的研究具有重要意義。

1 振動對神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響

1.1 振動對中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響

全身振動可直接作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)引起病變，使大腦皮層功能下降、條件反射潛伏期延長、腦電圖改變等。對神經(jīng)系統(tǒng)的影響與接振的頻率關(guān)系很大[13]。低頻(10Hz以下)時，面部軟組織的共振引起眼震顫，視敏度降低、視覺模糊和視野改變，使得人識讀數(shù)字受限，計算能力下降，表現(xiàn)為閃光融合頻率下降，視覺-運動反應(yīng)時延長及視讀錯誤率增大，語言明顯失真或間斷，精細操作困難，判讀儀表和分辨力降低，動作不協(xié)調(diào)，操作誤差增加，甚至誤操作造成人身或設(shè)備事故等[14]。

當振動達到一定強度后，人體會出現(xiàn)注意力不易集中、平衡和定向障礙，如頭痛、頭暈、易于疲勞、記憶力減退、耳鳴、入睡困難等神經(jīng)衰弱綜合癥[15]。大于 20 Hz 的全身振動對神經(jīng)系統(tǒng)的影響表現(xiàn)在皮層和皮層下結(jié)構(gòu)功能的損害、腦血液供應(yīng)障礙、間腦功能紊亂、中樞神經(jīng)系統(tǒng)小病灶癥狀等[16]。長時間全身振動暴露，中樞神經(jīng)系統(tǒng)可能發(fā)生共振，導(dǎo)致振動病。振動性神經(jīng)病變，在一定條件下，比振動性血管損傷的危害更加明顯[17]。

局部振動對中樞神經(jīng)功能影響的研究報告較少。手臂振動作業(yè)使中樞神經(jīng)短潛伏時體感誘發(fā)電位、腦干聽覺誘發(fā)電位均出現(xiàn)了異常[18], 提示手臂振動對從外周神經(jīng) (聽神經(jīng)) 到中樞神經(jīng) (橋腦下段) 的整個聽覺通路均有影響。國外研究結(jié)果表明，長期接振工人顱腦核磁共振圖像無明顯變化, 認為手臂振動在短時間內(nèi)尚不致引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)形態(tài)學(xué)的改變[19]。局部振動對中樞神經(jīng)是僅僅造成功能性改變還是可以造成器質(zhì)性病變，尚待進一步研究。

1.2 振動對周圍神經(jīng)系統(tǒng)功能的影響

小于20Hz的全身振動主要引起精神-神經(jīng)-植物神經(jīng)穩(wěn)定性改變, 表現(xiàn)為非特異性應(yīng)激性增高、感覺障礙增多以及原發(fā)功能紊亂, 如頭痛等癥狀。手麻、痛、手僵及下肢酸痛的發(fā)生率較高，與全身振動引起周圍神經(jīng)血管功能改變有關(guān)。

局部振動引起以末梢神經(jīng)感覺和運動障礙為主，皮膚感覺、痛覺、觸覺、溫度覺功能下降[20]。手臂振動可致作業(yè)工人血中兒茶酚胺及其代謝產(chǎn)物異常等。表明手臂振動可致植物神經(jīng)功能紊亂，主要表現(xiàn)為交感神經(jīng)功能亢進和副交感神經(jīng)(迷走神經(jīng))功能下降。交感神經(jīng)興奮性增高可導(dǎo)致外周血管的張力增高，表現(xiàn)為小動脈的收縮、痙攣，而這正是振動性外周血管損傷的基本表現(xiàn)[21]，從而引起外周循環(huán)功能障礙使腕部組織缺血、缺氧, 不僅加重腕部組織損傷，而且影響損傷修復(fù)，導(dǎo)致腕管綜合征的發(fā)生[22，23]。提示手臂振動對正中神經(jīng)具有直接的損傷作用，如機械性損傷、循環(huán)功能異常等，造成作業(yè)工人外周神經(jīng)和外周血管功能的損害隨接振時間的延長有加重趨勢。作業(yè)工人振動覺閾值明顯增高, 與接振強度、接振時間、接振劑量密切相關(guān), 有劑量-反應(yīng)關(guān)系，與感覺神經(jīng)功能損害呈顯著正相關(guān)。

長期從事手臂振動作業(yè)不僅使神經(jīng)干功能發(fā)生異常改變，而且在神經(jīng)-肌肉接頭處也會發(fā)生傳導(dǎo)功能異常，使神經(jīng)興奮性明顯減低，可能與周圍神經(jīng)發(fā)生脫髓鞘改變有關(guān)。長期接觸強烈的局部振動引起血管神經(jīng)癥，典型表現(xiàn)為肢端血管痙攣，末梢循環(huán)及周圍神經(jīng)末梢感覺機能障礙和上肢骨與關(guān)節(jié)改變，表現(xiàn)為手麻、手僵、發(fā)冷、發(fā)白、疼痛、上肢關(guān)節(jié)無力，手指痙攣，指甲松動脫落等。嚴重時常出現(xiàn)“白指”、“死指”，使脈管和神經(jīng)組織逐漸退化，最后使手失去知覺和操作能力，產(chǎn)生多發(fā)性神經(jīng)炎,嚴重的振動病還會伴有明顯的精神病癥狀, 可能會導(dǎo)致永久性殘疾。

2 振動對神經(jīng)電生理的影響

振動性神經(jīng)病變使正中神經(jīng)各刺激點相應(yīng)的感覺神經(jīng)傳導(dǎo)速度減慢，動作電位潛伏時延長、動作電位波幅顯著降低, 橈神經(jīng)動作電位波幅顯著降低[25]。周圍神經(jīng)傳導(dǎo)功能也會發(fā)生損害。振動工具使用時間 (實際接振時間) 是感覺神經(jīng)傳導(dǎo)功能損傷的最重要因素[26]。國內(nèi)研究者對砂輪磨光工、金礦鑿巖工的調(diào)查也有類似結(jié)果[27]，同時也有動物實驗方面的研究結(jié)果。

3 振動對神經(jīng)纖維的生物學(xué)效應(yīng)

局部振動使跖神經(jīng)中的無髓神經(jīng) (C 類神經(jīng)纖維) 發(fā)生了可逆性改變。主要表現(xiàn)為細胞體骨架結(jié)構(gòu)的紊亂和滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)密度增高，這種變化與手臂振動所致溫度覺 (主要由無髓鞘的 C 類神經(jīng)纖維傳導(dǎo)) 閾值增高有密切關(guān)系[28]；可致交感神經(jīng)功能異常進而導(dǎo)致血管功能異常。這顯然與手臂振動病的表現(xiàn)具有一致性。

振動對髓纖維的損傷。通過對接振工人死亡后的指尖部神經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，主要問題為脫髓鞘、軸突退化、神經(jīng)束膜和神經(jīng)內(nèi)膜的纖維化以及雪旺細胞的增生。提示手臂振動可對雪旺細胞造成影響，因雪旺細胞在神經(jīng)再生、周圍神經(jīng)結(jié)構(gòu)組成中的特殊地位和作用，這種影響對跖神經(jīng)的有髓纖維大于坐骨神經(jīng)，可能是由于跖神經(jīng)更多地接受了振動能量 ( 更靠近振動臺面)。

還有研究者發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)細胞體出現(xiàn)髓鞘質(zhì)的外溢以及細胞間質(zhì)和神經(jīng)束膜的纖維化，患者的脫髓鞘變化處在不同時期，似與接振時間呈正相關(guān)關(guān)系。神經(jīng)中胰島素樣生長因子的表達明顯增強，上述改變的生化基礎(chǔ)可能與神經(jīng)細胞內(nèi)鈣離子超載有一定關(guān)系。

4 振動的神經(jīng)內(nèi)分泌生物學(xué)效應(yīng)

4.1 環(huán)磷酸腺苷和環(huán)磷酸鳥苷

振動暴露白指組、振動暴露未發(fā)生白指組和無振動暴露的對照組血漿環(huán)磷酸腺苷和環(huán)磷酸鳥苷濃度在7℃時較 25 ℃均有升高，且振動暴露白指組和振動暴露未發(fā)生白指組升高幅度顯著高于對照組。提示振動暴露可使患者交感神經(jīng)活性明顯增強，副交感神經(jīng)的功能低下, 并且這種改變與體內(nèi)兒茶酚胺的水平呈一致性。

4.2 去甲腎上腺素

振動暴露白指組在寒冷情況下 (7℃) 較室溫情況下 (25 ℃) 血漿去甲腎上腺素濃度明顯高于無振動暴露的對照組。這與寒冷環(huán)境中振動暴露白指組的發(fā)病率增高一致；振動暴露白指組患者在面對應(yīng)激時, 尿中兒茶酚胺的濃度較對照組明顯增高。表明手臂振動可通過增強腎上腺髓質(zhì)的功能而增強交感活性[29]。

4.3 振動對血管活性物質(zhì)的影響

坐骨神經(jīng)的運動神經(jīng)纖維軸漿逆向運輸減少甚至中斷, 同時大量過氧化物酶染色呈陽性的物質(zhì)沉積在支配比目魚肌運動神經(jīng)、脛神經(jīng)、坐骨神經(jīng)遠端以及伴行的小血管內(nèi)。表明振動性神經(jīng)損傷可能與活性氧增多、血管功能異常、振動波對神經(jīng)機械性的沖壓有關(guān)。

5 振動訓(xùn)練的神經(jīng)生物學(xué)研究進展

5.1 振動訓(xùn)練的生物學(xué)基礎(chǔ)

振動對機體影響的主要機制是神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)機能的改善。神經(jīng)系統(tǒng)對力量的調(diào)節(jié)，主要體現(xiàn)在運動單位的募集、沖動頻率、神經(jīng)協(xié)調(diào)、抑制的減小和反射的調(diào)節(jié)[30]。力量的提高和發(fā)展是以神經(jīng)中樞興奮和抑制過程的強度和集中，以及相適應(yīng)的神經(jīng)過程充分協(xié)調(diào)為前提而建立起來的各種用力動作的條件反射的結(jié)果，主要受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機能和肌肉肥大兩個因素的調(diào)節(jié)。振動刺激的遞減性傳遞引起中樞神經(jīng)功能加強，導(dǎo)致更多的肌纖維參與運動。機體承受負荷過程中非對稱性周期性振動可能導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的改善，突觸的可塑性是極限力量突破的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)[31]。訓(xùn)練負荷對神經(jīng)系統(tǒng)先在結(jié)構(gòu)存在自組織反應(yīng)[32]，振動負荷引起腦功能的自組織適應(yīng)[33]，引起機體極限漲落訓(xùn)練所造成的神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)神經(jīng)元功能矩陣的高幅漲落，是神經(jīng)元功能矩陣從空間與時問進行適應(yīng)性調(diào)整的根本動力，是造成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)最佳生態(tài)位的惟一途徑；當最佳生態(tài)位達到一定累積時，訓(xùn)練效應(yīng)累積具有不可逆特點，可達到極限突破[34]，但振動神經(jīng)損傷的量—效關(guān)系尚缺少更充分的資料[35]，振動危害和因素的作用機理尚未完全弄清，振動能量在手臂的傳播等基礎(chǔ)性研究在國內(nèi)還是空白。手臂振動導(dǎo)致植物神經(jīng)功能紊亂可能是作業(yè)工人外周循環(huán)功能異常的原因，致外周血管功能受損的發(fā)病機制尚未明了。

5.2 預(yù)防振動病的標準研究

相對日本及歐洲各國而言, 我國對預(yù)防振動病標準的研究起步比較晚，深度還不夠。1970年代，國際標準化組織制定了ISO 2631《人承受全身振動的評價指南》，分別于1978、1982、1985、1989、1991、1994年做了一些補充和修訂，1997年再版了ISO 2631/1(第2版)《機械振動和沖擊——人承受全身振動的評價》第一部分：基本要求，這是人體振動響應(yīng)最新研究成果的產(chǎn)物。

國內(nèi)率先開展此項研究的是航天醫(yī)學(xué)研究所，此后鐵路及其他行業(yè)也開展了相關(guān)研究，制訂了GB/T 13441—92《人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范》及GB/T 13442—92《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》等，并進行了大量有關(guān)人體承受振動的研究、驗證工作。

醫(yī)學(xué)界等行業(yè)專家、學(xué)者為減少振動病的發(fā)生，在限制以至消除振動源、限制接觸振動的時間和強度，阻斷振動傳播的途徑等方面進行了一系列的研究；還通過采取隔振裝置，保健措施，控制作業(yè)環(huán)境的寒冷、噪聲等因素的危害，加強健康管理和個人防護, 定期神經(jīng)科健康檢查等一系列措施，盡可能預(yù)防振動病的發(fā)生。此外對振動接觸者進行早期診斷和預(yù)防，積極加快防振護具的研發(fā)，使操作者不直接接觸到對身體有害的振動，從根源上防止或限制振動可能產(chǎn)生的危害。

6 目前研究存在的問題和應(yīng)用展望

6.1 存在的問題

振動刺激訓(xùn)練使用特定頻率、振幅、加速度、振動方式和暴露時間的振動波代替人腦發(fā)生的神經(jīng)沖動，誘使機體神經(jīng)適應(yīng)按人為要求設(shè)計的振動波，達到各種目的，雖有功效，但同時干擾甚至破壞了人體正常的生物電，對機體各系統(tǒng)，特別是神經(jīng)的副作用較大。文獻中關(guān)于“振動對某一方面(力量、速度、柔韌性、疲勞等)的影響”的研究，僅僅就兩者相關(guān)性進行研究，而沒有考慮到振動采用的頻率。人體各種器官特別敏感的共振頻率在0.5～80Hz(見圖1)。1～30Hz的振動可引起全身多處共振，受振作用最強；50～150Hz的振動可引起神經(jīng)、肌肉等的直接損傷[36]。與身體某一或部分器官或機體的固有頻率接近或一致，可能會產(chǎn)生共振，此時對某一或部分器官或機體的影響和危害最大。因此，需要根據(jù)選取的振動頻率、人體各部分固有頻率、接觸物對頻率的吸收作用等因素對某一或部分器官或機體加強醫(yī)務(wù)監(jiān)督。同樣，因振幅、加速度、振動方式、接觸方式和暴露時間等其他振動參數(shù)的變化，以及振動后神經(jīng)系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)如何進一步適應(yīng)，也應(yīng)該進行嚴格的醫(yī)務(wù)監(jiān)督，否則過猶不及。正如不能因為興奮劑能提高興奮性，使機體表現(xiàn)出更高競技成績，而漠視其危害性一樣。所以，對教練員振動訓(xùn)練參數(shù)設(shè)計和醫(yī)務(wù)監(jiān)督能力等均有很高的要求，在今后的科研和訓(xùn)練中將進一步核實這些細節(jié)問題，對振動進行更充分的了解，權(quán)衡利弊，以便更好地利用振動，預(yù)防潛在危害。

圖1人體各部分固有頻率

6.2 應(yīng)用展望

據(jù)阿巴杰耶夫、弗爾納杰夫、沃羅比耶夫和郭廷棟等人的研究，在超強度的訓(xùn)練中，內(nèi)分泌系統(tǒng)起巨大作用，但長時期提高內(nèi)分泌系統(tǒng)的活動(超過7～8周)能導(dǎo)致其衰竭，引起某些疾病，如神經(jīng)癥狀、內(nèi)分泌癥狀和內(nèi)臟癥狀等(即安靜時交感神經(jīng)興奮性增加、心率加快、體力下降等)。因此，通過振動刺激突破人體機能極限的方法不宜長期使用。應(yīng)通過實驗論證，針對不同目的、不同項目、不同類型和不同個體積極探索振動參數(shù)，將是以后研究的方向，將對創(chuàng)新訓(xùn)練手段、方法和開發(fā)適用于不同領(lǐng)域的新器材具有積極意義。

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