高水平公路自行車運動員急性低氧運動時腦氧飽和度變化特征研究

徐 飛，馬國東，李 岳

高水平公路自行車運動員急性低氧運動時腦氧飽和度變化特征研究

徐 飛1，馬國東2，李 岳3

目的：通過近紅外光譜學技術觀察公路自行車運動員急性低氧運動時腦氧飽和度變化特征，以期為該項目科學化訓練提供參考。方法：采用交叉設計，1 5名優(yōu)秀公路賽自行車運動員（9男6女）于常氧和急性低氧環(huán)境下進行遞增負荷運動，運動過程中連續(xù)監(jiān)測其通氣功能、動脈血氧飽和度和腦組織氧飽和度的變化。結果：（1）運動員低氧下出現(xiàn)無氧閾和最大攝氧量時對應的通氣指標和血氧飽和度都顯著低于常氧對應值。（2）低氧下，從開始運動到力竭時腦氧飽和度呈Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]和Δ[THb]升高的趨勢。在2 5%、5 0%、7 5%和100%相對功率等級時，Δ[O2H b]和Δ[THb]顯著低于常氧值，Δ[HHb]顯著高于常氧值。Δ[THb]在7 5%～100%最大功率階段，腦氧變化較小。（3）低氧下，相對功率和絕對功率對應的腦氧飽和度都顯著大于常氧對應值。結論：自行車運動員常氧運動時腦氧飽和度在5 0%～7 5%最大功率區(qū)間維持在較高水平，而低氧下腦氧飽和度顯著降低。低氧時相對運動強度變大、運動低氧血癥（EIAH）和通氣不足可能是腦氧顯著降低的直接原因。故提高自行車運動員低氧通氣反應有利于提高其腦氧飽和度，從而提高其有氧能力和運動成績。

急性低氧運動；公路賽自行車運動員；近紅外光譜學技術；腦氧飽和度

因公路自行車運動員常在高原進行訓練和比賽，所以探索該項目運動員在高原和低氧環(huán)境下的科學化訓練方法和訓練效果的有效評價指標就極有現(xiàn)實意義[1-2]。研究證實，自行車運動員的肌肉疲勞與肌氧飽和度相關，而肌肉疲勞會顯著影響到其競速能力，尤其是與肌肉工作能力密切相關的起動速度、加速能力、最高速度和高速耐力[1-3]。但動員和控制肌肉的核心在大腦中樞[4]，RASMUSSER等研究表明，大腦額葉皮質(zhì)氧飽和度下降與肌力下降顯著相關[5]。故監(jiān)控和評價運動員高原低氧下腦組織氧飽和度的變化就具有重要的應用價值。但目前相關研究較少，以“cerebral oxygen AND cyclist”為關鍵詞在Pubmed和Highwire數(shù)據(jù)庫中檢索，只返回1篇相關文獻[6]。但隨著近紅外光譜技術在運動領域[3，7-9]和評價低氧適應能力[7，10]、診斷和預測急性高原病[2，11]方面的應用，為探索無創(chuàng)、實時和有效評價自行車運動員腦組織氧飽和度變化特征提供了可能，也為該項目的科學化訓練和監(jiān)控提供了較大便利。因為NIRS紅外光譜能穿透皮膚、脂肪和骨骼并被組織中的血紅蛋白（主要是氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白）不同程度地吸收，通過修正的Beer-Lambert定律可確定氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白的濃度變化，從而反映出測試部位的氧輸送和氧攝取之間的動態(tài)平衡[2]。

作者單位：1.浙江工業(yè)大學體育科學研究所，浙江杭州310023；2.吉林體育學院運動人體科學系，吉林長春1 300 2 2；3.清華大學醫(yī)學院生物醫(yī)學工程系，北京100084。

運動心肺功能測試已證實，有的運動員進行遞增負荷運動至力竭時會出現(xiàn)攝氧量平臺；有研究證實，肌氧飽和度隨運動強度的增大而降低，在達到最大有氧功率輸出時也會出現(xiàn)“平臺值”（plateau value）[12]。而當運動員心肺功能和肌氧飽和度達到“平臺”時，腦組織氧飽和度的變化情況還不明確。目前有關理論假設為：腦組織氧飽和度出現(xiàn)臨界下降（critical reduction）時會抑制傳出運動神經(jīng)元的活性從而限制運動能力[1，13]，但因有創(chuàng)測試技術（invasive technique）的局限難以觀察腦氧動態(tài)實時變化，從而無法驗證此假設。而MORREN等證實，NIRS技術可準確測量出大腦皮質(zhì)的腦氧含量，并探索了傳感器探頭放置于大腦前額皮質(zhì)的具體位置[14]，這為研究上述問題提供了很有價值的參考。因此，本試驗研究了公路賽自行車運動員急性低氧運動時腦氧飽和度變化特征，以期為該項目的科學化訓練提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

某省15名公路自行車隊隊員自愿參與試驗，正式試驗前簽署知情同意書。運動員基本情況參見文獻[3]。

1.2 試驗設計

本研究采用交叉設計，試驗方案見文獻[3]。運動員常氧、低氧測試基本情況見表1。

表1 常氧和低氧測試運動員基本情況（±SD）Table 1 The Characteristics of cyclists in normoxic and hypoxic condition test（±SD）

表1 常氧和低氧測試運動員基本情況（±SD）Table 1 The Characteristics of cyclists in normoxic and hypoxic condition test（±SD）

注：M，male，男；F，female，女；O2max，最大攝氧量；Hb，血紅蛋白；Hct，紅細胞壓積。

測試條件 樣本量 年齡 身高/c m 體重/k g 大腿皮褶厚度/m m V˙O2m a x H b（g/d l） H c t/%常氧 8（5 M，3 F） 2 2±4 1 7 7.8±6.8 6 8.3±7.0 7.8±2.5 6 1.2±6.4 1 5.8±0.8 4 6.0±2.5低氧 7（5 M，2 F） 2 5±2 1 7 5.9±4.0 7 1.6±5.4 7.2±2.5 6 0.2.±4.4 1 6.1±0.5 4 4.3±1.8

遞增負荷心肺功能測試[3]與腦氧飽和度測試同時進行。心肺功能測試系統(tǒng)（Max II，AEI．Inc，USA）結果的輸出設置為 40 s均值。用近紅外光譜腦氧飽和度測試儀（TSHA-100，China）[9]記錄腦氧飽和度，包括氧合、還原及總血紅蛋白；測試時將傳感器光探頭貼置于眉骨上方2～3 cm并避開腦中線，以避免矢狀竇和額竇的影響，用彈力繃帶輕微固定（避免局部缺血和漏光）。傳感器包括1個雙波長發(fā)光二極管（發(fā)光波長分別為760 nm和850 nm）及2個光電檢測器（檢測器與發(fā)光二極管的距離分別為30 mm和40 mm）[14]。測試前試驗儀器皆嚴格按說明書進行調(diào)試及校準。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1名男運動員退出測試，共14人完成試驗。NIRS數(shù)據(jù)用相對于安靜時微摩爾濃度（0 μM）變化量表示，運動強度采用最大功率的百分比表示。用Stata10．0對數(shù)據(jù)進行雙因素（2×4）方差分析，一個因素為測試環(huán)境（常氧、低氧），一個因素為運動強度（25%、50%、75%和 100%Peak Power），后續(xù)比較（Post hoc）采用T檢驗。統(tǒng)計檢驗的顯著性水平皆置為P＜0．05。

2 研究結果

2.1 急性低氧運動對自行車運動員無氧閾和最大攝氧量的影響[3]

運動員測試后無急性高原反應的頭暈、頭痛、惡心等癥狀[15]，低氧下 VT 和O2max 對應的通氣指標和SpO2都顯著低于常氧對應值，對應功率分別降低33%和28%（P＜0．05）[3]。

2.2 自行車運動員急性低氧運動時腦氧飽和度的變化特征

常氧下，運動員安靜至25%最大功率時腦氧飽和度變化不大，由 25%至 75%最大功率時，Δ[O2Hb]、Δ[HHb]和 Δ[THb]均增加；而由 75%至 100%最大功率時，Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]增加、Δ[THb]變化不大（見圖1、表2）。低氧下，從開始運動到力竭時腦氧飽和度呈現(xiàn)Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]和Δ[THb]升高的趨勢。在4個不同相對功率等級時，Δ[O2Hb]顯著低于常氧值（見圖1A），Δ[HHb]顯著高于常氧值（見圖 1B），而 Δ[THb]在 25%、75%和100%最大功率時顯著低于常氧值（見圖1C）。Δ[THb]在75%至100%最大功率階段，低氧與常氧變化幅度都較小，變化趨于平緩（見圖 1C）。

圖1 運動員常氧與低氧下運動時腦氧飽和度的變化Fig. 1 The changes of cerebral oxygen in different percent of peak power under normoxic and hypoxic condition

表2 各相對功率對應腦氧飽和度的變化Tab. 2 The changes of cerebral oxygen in different percent of peak power

本研究亦考察了運動員絕對功率下腦氧飽和度的變化情況，發(fā)現(xiàn)Δ[O2Hb]在常氧和低氧下呈不同變化趨勢：常氧運動時Δ[O2Hb]隨運動負荷的增大而增加（P＜0．05），而低氧運動時 Δ[O2Hb]隨運動負荷的增大而下降。Δ[HHb]和Δ[THb]都隨運動負荷的增大而增加（見表3）?？偟恼f來，無論是相對功率還是絕對功率時，低氧下腦氧飽和度（Δ[O2Hb]、Δ[HHb]和 Δ[THb]）的變化幅度顯著大于常氧對應值（見表2、表3）。

表3 絕對功率時腦氧飽和度的變化Tab. 3 The changes of cerebral oxygen in absolute power

3 分析與討論

運動員高原低氧耐受性的個體差異較大，這為該項目的監(jiān)控和評價帶來了困難。運動強度對人體心血管和呼吸功能等起主要刺激作用[17-18]，而人體的生理和代謝情況對低氧和運動的雙重刺激的反應更為強烈。為了更好地控制運動員耐缺氧能力的個體差異，本研究在相對最大功率的基礎上分析腦氧飽和度的變化。因為運動員低氧下各自最大工作能力不同，但最大功率的百分比對個人而言相同[3]。這為精確分析運動員低氧下腦氧變化特征提供了可靠的前提條件。

MRI和FMRI相關研究表明，大腦額葉皮質(zhì)氧飽和度下降與肌力的下降顯著相關[5，16]，但腦組織內(nèi)氧飽和度一直以來無法準確測量。而雙波長近紅外光譜技術（NIRS技術）可以無損、連續(xù)檢測腦組織中氧含量的相對值，該技術的可行性已為核磁共振的同時測定所證實[9]。NIRS技術可測得組織內(nèi)氧合血紅蛋白（O2Hb）、還原血紅蛋白（HHb）和總血紅蛋白（THb）含量的變化情況，O2Hb是血紅蛋白和氧分子的結合物，其高低主要反映組織內(nèi)Hb結合氧的能力（因為Hb主要通過O2Hb運輸氧氣），HHb指未攜帶氧的血紅蛋白，是反映組織在需氧情況下的氧解離情況，所以其是反映還原血紅蛋白的較好指標，THb指組織中微細靜脈和動脈中氧飽和度的總體效應，反映組織內(nèi)氧輸送和氧攝取之間的動態(tài)平衡。

因運動員在高原低氧環(huán)境中的相對運動強度顯著增加[19]，因為以相同強度進行運動時其反映有氧能力的重要指標（VT和V˙O2max）和血液攜氧量指標顯著降低[3]。這與登山運動員V˙O2max隨海拔高度的增加而下降的研究結果一致[19]，甚至有人還發(fā)現(xiàn)V˙ O2max的下降與缺氧程度呈直線相關[17]，所以提高運動員缺氧環(huán)境下的有氧能力可能是提高運動成績的關鍵。另有研究發(fā)現(xiàn)，運動訓練水平與運動員低氧通氣反應指標關系密切[20]，本研究結果也證實了這一發(fā)現(xiàn)。

有研究通過腦功能成像技術（MRI、fMRI和PET）證實，重癥肌無力患者發(fā)病時其腦組織（尤其是大腦皮質(zhì)）腦氧飽和度處于低水平[16]，提示腦氧飽和度的變化可能與外周肌肉疲勞相關。因為腦組織能源儲備極少但耗氧量巨大，主要依靠循環(huán)血液持續(xù)供應氧氣和血糖，而腦氧飽和度出現(xiàn)異常很可能影響到外周肌肉的工作能力，因為機體攝氧能力是保持組氧飽和度在安全范圍的基礎[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，運動員常氧和低氧運動時腦氧飽和度有不同變化特征：常氧時，安靜至25%最大功率時腦氧飽和度變化不大；在 25%至 75%最大功率時，Δ[O2Hb]、Δ[HHb]和 Δ[THb]均增加，而由75%至100%最大功率時Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]增加（見圖1）。低氧時，從運動初始到力竭時腦氧飽和度呈Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]和Δ[THb]升高的趨勢。分析認為，中小強度運動時腦氧飽和度變化不大主要是因為腦內(nèi)的血流動力學自主調(diào)節(jié)機制保證了腦血流量（cerebral blood flow，CBF）和腦容量的穩(wěn)定[15]。而常氧時＜50%最大功率強度的腦氧飽和度變化不大，當75%最大功率時，腦氧飽和度顯著高于中小強度時的值（見表2），分析原因認為是較大的運動強度導致的局部腦組織血管舒張、CBF增加。這也與SUBUCDHI等[2]的研究結果較為一致，其發(fā)現(xiàn)受試者常氧力竭時Δ[O2Hb]約在75%最大強度時出現(xiàn)峰值。提示腦氧飽和度約在50%～75%最大功率運動強度（約為無氧閾強度）時保持在較高水平。NYBO等[21]也指出腦氧飽和度受肌肉反饋信號的調(diào)節(jié)，即當肌肉疲勞相關的感覺神經(jīng)纖維刺激G3和G4傳入神經(jīng)時，大腦皮質(zhì)系統(tǒng)通過加強神經(jīng)元活性募集更多的肌肉完成大強度的運動。而本試驗的另一項研究發(fā)現(xiàn)，75%最大功率時肌氧飽和度的變化特征[3]也證實了上述機制；結合前人的研究結果[15，22]來看，當運動強度在無氧閾強度至力竭時，腦整體和區(qū)域血流量降低可能是由于大運動強度引發(fā)的通氣不足（hypoventilation）使動脈二氧化碳分壓（PaCO2）升高所致，因為PaCO2強烈影響腦內(nèi)血液再灌注和CBF。

普遍認為肌肉疲勞時肌氧飽和度降低是限制運動能力的重要原因[2]，這也是“外周疲勞”學說的重要支持論據(jù)；但最新研究發(fā)現(xiàn)，肌力下降與大腦額葉皮質(zhì)氧飽和度下降顯著相關[5]。本研究發(fā)現(xiàn)，低氧顯著影響到遞增負荷運動時大腦皮質(zhì)的氧代謝：低氧運動時，在4個不同相對強度，除50%最大功率時的Δ[THb]外，低氧下腦氧飽和度與其常氧對應值都有顯著性差異（見圖1），因為腦組織對氧分壓（PO2）極為敏感，當腦組織缺氧時腦內(nèi)毛細血管O2交換和線粒體內(nèi)氧生成效率降低，從而影響到PO2，PO2降低會顯著影響到腦組織神經(jīng)元和星形細胞的活性，不利于激活運動神經(jīng)元[23]。但在安靜和中等強度運動時，腦組織血流量顯著下降、腦氧傳遞效率降低可為氧解離所代償（本研究也發(fā)現(xiàn)低氧下Δ[HHb]隨運動強度增加而顯著降低，見圖1B）。本試驗前期研究結果發(fā)現(xiàn)，低氧運動會造成運動低氧血癥（EIAH）和通氣不足[3，10，11，15]，而 EIAH 或運動導致的通氣不足會引發(fā)高碳酸血癥（hypercapnia）[11]，高碳酸血癥會導致腦血流灌注量減少和CBF下降（大強度運動時腦血流灌注量減少20%～30%），從而更易致使腦缺氧[15，23]。故本研究觀察到低氧運動時不同運動強度對應的腦組織氧飽和度顯著低于常氧對應值。

運動員從低氧運動伊始至力竭時呈Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]升高的趨勢（見圖1 A、B），且Δ[THb]在75%最大功率后變化不大（圖見1C）。低氧安靜時腦組織的自我保護機制可能在一定程度上緩沖低氧導致的氧傳遞效率降低，但當EIAH和運動導致的通氣不足同時存在時，會引發(fā)動脈CO2分壓降低并最終導致CBF顯著降低[10]。提示此時腦組織缺氧程度加劇已超過其自我保護機制范圍，所以表現(xiàn)為SpO2和腦氧飽和度顯著降低。這也與以往的運動現(xiàn)場測試的結果一致：大強度運動后暈厥的運動員和極限強度訓練時賽艇運動員出現(xiàn)嚴重EIAH，其腦組織氧含量比基礎值低39%～46%[23]。盡管試驗室內(nèi)測試很少發(fā)現(xiàn)運動員大強度運動后出現(xiàn)暈厥，但上述眾多研究結果都提示，低氧運動時EIAH和過度通氣導致的CBF顯著降低會造成腦內(nèi)氧含量降低（可能是線粒體合成效率和氧傳遞效率降低）。綜上，低氧運動造成運動員顯著的運動低氧血癥和通氣不足可能是造成腦組織氧飽和度顯著降低的直接原因。

研究表明，亞極量強度運動時腦組織血液灌注量增加是保持腦組織氧轉(zhuǎn)運穩(wěn)定的主要機制[24]，而本試驗發(fā)現(xiàn)低氧下以較大相對強度（75%～100%最大功率）運動時腦組織氧飽和度下降（Δ[O2Hb]逐漸下降，Δ[HHb]增加，而 Δ[THb]基本保持不變），考察運動員絕對強度運動時同樣發(fā)現(xiàn)此結果（見表3），這與報道的極量[25]和超極量運動[24]導致腦氧飽和度下降的結果較為一致。結合前期研究結果[3]，筆者認為這主要是因為低氧運動時運動強度與通氣不足導致的動脈血氧分壓（PaO2）下降，從而導致腦組織血管收縮和血流量減少[22]。GONZALEZ-ALONSO等[26]證實，以恒定負荷運動至力竭時腦氧含量降低是因為CBF的小幅下降和腦組織攝取O2的大幅增加。本試驗也得到近似結果：接近極量運動強度時，局部腦組織血量的變化率下降，而氧攝取率增加（Δ[O2Hb]降低、Δ[HHb]增加和 Δ[THb]變化不大）。提示低氧運動導致的EIAH和通氣不足致使的PaO2降低，引發(fā)CBF減少可能是導致腦氧飽和度下降重要生理機制，但仍需進一步的直接證據(jù)證實。

本研究發(fā)現(xiàn)，雖然常氧和低氧運動時Δ[THb]在75%最大功率后都出現(xiàn)變化趨于平緩的現(xiàn)象，但低氧值顯著低于常氧對應值（圖1C）。分析認為，THb是腦組織微血管中SpO2的平均效應[21-22]，因腦組織中密布大量的微血管（微靜脈、微動脈和毛細血管），故有研究人員認為THb可直接反映腦組織的氧飽和度與氧代謝情況[22]。筆者認為，出現(xiàn)上述兩種現(xiàn)象的機制有所不同。常氧：運動引起的血液濃縮（hemoconcentration）和SpO2變化不太大（常氧時VT和V˙O2max對應SpO2分別為93%±3%和91%±3%）造成的動脈血氧含量（CaO2）升高（有報道稱常氧運動CaO2升高5%～10%[21]），因為已證實血液濃縮會引起腦內(nèi)運動中樞氧轉(zhuǎn)運量增加[1，18]，所以本研究觀察到Δ[THb]在最大強度與次最大強度運動時差別不大（見圖1C），RUPP等[8]甚至發(fā)現(xiàn)運動員運動過程中腦氧含量呈現(xiàn)先增高而后降低的特征，這與本研究常氧下觀察到的結果幾乎一致。而低氧下，運動員在低氧和運動的雙重刺激下，出現(xiàn)嚴重的EIAH癥狀（動脈氧分壓＜70mmHg或SpO2＜88%）[11]。本試驗前期研究也證實，低氧運動時會出現(xiàn)較為嚴重的EIAH癥狀[3，10，15]，提示其機體不能供給腦組織足夠的氧，從而較為嚴重地影響到腦內(nèi)氧轉(zhuǎn)運和到腦內(nèi)線粒體的有氧代謝[21]。所以，在高原低氧環(huán)境下運動時更容易導致腦內(nèi)毛細血管內(nèi)氧濃度和線粒體合成效率降低，從而影響到腦內(nèi)氧代謝，最終表現(xiàn)為腦氧飽和度異常。

4 結 論

自行車運動員常氧運動時腦氧飽和度在50%～75%最大功率區(qū)間保持在較高水平，而低氧運動時腦氧飽和度顯著降低。低氧環(huán)境下相對運動強度變大、顯著的運動低氧血癥（EIAH）和通氣不足可能是造成腦組織氧飽和度顯著降低的直接原因。故提高自行車運動員的低氧通氣反應有利于提高其腦氧飽和度，腦氧飽和度的提高可能通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控并調(diào)動外周肌肉的工作能力，最終有利于運動員的有氧能力和運動成績。

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Change of Characteristics of Cerebral Oxygen during Acute Hypoxic Exercise in Elite Road Race Cyclists

XU Fei1，MA Guodong2，LI Yue3
（1.Institute of Sports Scientific Research，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China；2.Dept.of Human Movement，Jilin Institute of Physical Education，Changchun 130022，China；3.Dept.of Biomedical Engineering，School of Medicine，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Purpose：To observe the changes of cerebral oxygen of elite road race cyclists during acute hypoxic exercise duration，so as to supply some references for scientific evaluation and training.Methods：The study was conducted using a cross-over design.To investigate the changes of hypoxic responses，arterial oxygen saturation and cerebral oxygen when 15 elite cyclists （9 male and 6 female）were performed maximal incremental exercise test under normoxia and hypoxia.Results：（1）In hypoxia，the ventilatory parameters and SpO2are significantly lower than relative normoxic values.（2）In hypoxia，the cyclists exercise to exhausting，the cerebral oxygen appeared the tendency of Δ[O2Hb]decrease，Δ[HHb]and Δ[THb]increase.And the Δ[O2Hb]and Δ[THb]are significant lower than normoxic values，and the Δ[HHb]is significant higher than normoxic values in 25%，50%，75%and 100%peak power.In addition，although Δ [THb]is no obvious changes when cyclists exercise by 75%～100%peak power in hypoxia and normoxia，and to incline to flatten.（3）In hypoxia，the cerebral oxygen changes are significant higher than normoxic values regardless of relative and absolute exercise intensity.Conclusions：In normoxia，cerebral oxygen maintained at relative high level in 50%～70%peak power exercise intensity.And significantly lower in hypoxia exercise.The，exercise induced arterial hypoxemia（EIAH）and hypoventilation caused by increase of relative exercise intensity might be the direct reason that result the cerebral oxygen significantly reduced.Thus，the enhancement of hypoxic ventilation response（HVR）is an important physiological mechanism of maintaining cerebral oxygen in normal range，indicated that HVR increasing is benefit to improving the cyclists'aerobic ability and performance.

acute hypoxic exercise；road race cyclists；near-infrared spectrum（NIRS）；cerebral oxygen

G 804.7

A

1005-0000（2012）03-214-05

2011-10-27；

2012-04-14；錄用日期：2012-04-18

國家自然科學基金項目（項目編號：60578004）

徐 飛（1981-），男，重慶市人，博士，講師，研究方向為低氧生理學和運動機能評定。E-mail：yangt1193@gmail.com。