高原（低氧）和高溫環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控研究進展

趙杰修 張漓 路瑛麗 徐金成 瞿超藝 吳趙昭 徐旻霄國家體育總局體育科學研究所（北京100061）

高原（低氧）和高溫環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控研究進展

趙杰修 張漓 路瑛麗 徐金成 瞿超藝 吳趙昭 徐旻霄
國家體育總局體育科學研究所（北京100061）

近些年，高溫與高原（低氧）特殊環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控研究正迅速發(fā)展，涌現出一系列相關的新指標、新方法、新思路。本研究在Pubmed、Web of Science、EBSCO等外文數據庫和中國期刊網、萬方數據庫等中文數據庫中，以關鍵詞檢索方式檢索關于高原（低氧）和高溫環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控的研究文獻，并將相關研究文獻的研究方法、結果與結論進行分類歸納，為特殊環(huán)境下競技體育和健身運動提供科技支撐。

高原；低氧；高溫；生理生化監(jiān)控

高原（低氧）和高溫是特殊環(huán)境的兩個重要分支，其與體育科學結合最為緊密。耐力運動員利用高原訓練提高平原運動能力的方法研究與應用已近半個世紀[1-4]，除了傳統(tǒng)的高原訓練外，由于模擬低氧艙的發(fā)明，還發(fā)展出高住低訓（HiLo）[5，6]、高住高練低訓（HiHiLo）[7]、間歇性低氧訓練（IHT）[8-10]和多元化高原訓練[11，12]等方法。但是，各種高原（低氧）訓練的效果可能因項而宜、因人而宜，且高原（低氧）運動訓練的生理生化監(jiān)控要求更高。隨著全球溫室效應和厄爾尼諾現象加劇，全球氣候經常會出現高溫的特點。目前，大多數重要的國際性賽事，如夏季奧運會、國際足聯世界杯和環(huán)法自行車賽等均在北半球的夏季月份舉行，通常也是在高溫環(huán)境中進行[13-15]。因此，高溫環(huán)境下的運動訓練生理生化監(jiān)控是預防熱疾病風險和疾病的關鍵。本研究以國內外發(fā)表的高原（低氧）和高溫環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控文獻和資料為基礎，整合和分析相關訓練監(jiān)控的進展與前沿動態(tài)，為運動訓練一線教練員和運動員及運動健身愛好者提供參考。

1 高原（低氧）環(huán)境下的運動訓練生理生化監(jiān)控

近期（2013年1月1日至2015年12月31日），國外發(fā)表的關于低氧訓練的文獻明顯比高原訓練的文獻多。美國國家醫(yī)學圖書館（NLM）提供的PUBMED信息檢索系統(tǒng)表明，低氧訓練論文472篇，而高原訓練論文僅349篇?？赡苁且驗榈脱踉O備已經比較普及，且其在使用中可以通過氧濃度的調節(jié)，使得訓練方案更加多樣和靈活，因此研究者和運動隊更愿意進行低氧訓練的研究與應用。

1.1 基因多態(tài)性與低氧訓練效果表現出關聯性

通過長期研究，張漓等[16]提出低氧習服能力對高原/低氧訓練效果具有重要的影響，并通過人體實驗證明，通過檢測血壓調節(jié)物質血液內皮素-1可以快速反映運動員低氧習服的情況：血液內皮素-1快速升高的運動員低氧習服能力較差，高原訓練效果也差，而血液內皮素-1不升高、甚至下降的運動員低氧習服能力較強，高原訓練效果則較好。這一發(fā)現可能為高原訓練的訓練監(jiān)控新指標開發(fā)提供了新的研究思路。有意思的是，Richalet等[17]在研究老年人比年輕人更少發(fā)生高原病的機制時發(fā)現，老年人在低氧習服期間心血管功能的變化幅度很小，這一發(fā)現從另一個角度表明心血管調節(jié)機制對低氧習服具有重要的影響，且這種低氧訓練效果可能與基因多態(tài)性存在著關聯。

1.2 間歇性低氧訓練可以改善運動員過度訓練的癥狀

間歇性低氧訓練是在體育領域中興起的一種模擬訓練方法，它是利用低氧儀在平原條件下模擬不同海拔高度的高原低氧環(huán)境，對運動員產生間歇性的低氧刺激，以提高運動員有氧代謝能力和抗缺氧能力的一種訓練方法[18]。其在體育領域中應用廣泛，如低氧面罩的應用。間歇性低氧訓練與普通高原訓練的區(qū)別如表1所示[19]。間歇性低氧訓練的主要特點包括：在白天安靜休息時重復吸入低氧和常氧氣體；每次低氧刺激的時間很短，僅持續(xù)幾分鐘，低氧間歇常氧，反復多次，每天低氧暴露時間不超過90 min；低氧刺激的氧濃度比其他低氧訓練模式都低，氧含量相當于海拔4000～6500 m。間歇性低氧訓練常見安排為：低氧混合氣體的氧體積分數為9%～16%（大致相當于海拔2000～6500 m），先給予5 min低氧刺激，然后正常呼吸5 min，接著再給予5 min低氧刺激，如此循環(huán)，每次持續(xù)1～ 1.5 h，每天進行1～2次，持續(xù)15～20天為一個階段，可根據不同訓練目的和個體差異對間歇性低氧訓練方案進行調整[18]。

表1 間歇性低氧訓練與高原訓練方式比較[19]

關于低氧訓練的作用，Susta[20]等研究認為，在間歇的低氧與高氧暴露環(huán)境中進行低強度訓練能夠改善運動員過度訓練的癥狀，并提高運動員的訓練水平。間歇性的低氧環(huán)境已經被證明可以有效提高運動能力[20]。在Susta等[20]的研究中，實驗對象為34名田徑運動員，其中15人為實驗組，另外19人為對照組。實驗組進行1周3次的間歇低氧（10%O2）與間歇高氧（30% O2）暴露干預，每次6～8個循環(huán)，每次時間為45～60 min，并在暴露干預之后的1.5 h～2 h進行低強度的有氧訓練（共2部分，每部分30 min，進行50%VO2max運動強度的跑步運動，2部分中間休息10 min），共持續(xù)4周。而對照組19名運動員按照其正常的計劃訓練，不施加任何干預。結果顯示，通過對干預前后的運動能力、心率變異性、血液指標參數的分析比較，實驗組運動員經過4周間歇低氧與高氧暴露與低強度運動相結合的方法，與干預前相比，機體的運動能力得到一定提高。PWC170測試結果：干預前為170.8±44.8 W、干預后為191.9±26.9 W。心率變異性分析結果：干預后機體的交感-副交感神經指數得到改善，中樞疲勞癥狀得以減輕（干預前8.01±7.51，干預后1.45±1.71）。血液指標參數沒有顯著性變化。其最后得出結論：通過間歇的低氧與高氧環(huán)境，并且結合低強度的運動，能夠在相對短的時間內促進運動員恢復，改善過度訓練的程度[20]。

1.3 低氧訓練可以提高運動員的無氧能力

Kasai等[21]的研究中，實驗對象為32名女大學生運動員，其中16人為低氧訓練組，16人為常氧訓練組。在不同氧分壓環(huán)境下，進行相同的運動干預。低氧訓練組氧濃度為14.5%，常氧訓練組氧濃度為20.9%。運動方案為熱身10 min，5 min之后進行20組7秒的快速折返沖刺，組間可休息30秒，10組過后休息10 min，再進行剩下的10組。一周進行2次練習，每次20組，共持續(xù)4周。之后對干預前后的沖刺能力、輸出功率與VO2max值進行測量。結果顯示，與干預前的基礎值相比，干預后低氧組的平均功率顯著提高，且低氧組的快速折返跑最大功率與平均功率遠優(yōu)于常氧組（低氧組最大功率與平均功率：9.7±0.9%，6.0±0.8%；常氧組最大功率與平均功率：5.0±0.7%，1.5±0.9%）。而兩組間VO2max并沒有顯著性差異。其最后得出結論：女運動員經過4周低氧環(huán)境下快速折返跑訓練后，其最大無氧功率和平均無氧功率相比常氧環(huán)境得到顯著改善，提示通過低氧的快速折返跑訓練，可能會提高機體的反復沖刺能力[21]。

1.4 低氧訓練可以提高運動員的有氧能力

目前，國內外體育界出現了一些簡易低氧設備，實際上是一種可以限制通氣量的口罩。有人認為，通過限制通氣量可以達到人工低氧設備的使用效果。Sell?ers等[22]在一些軍校學員中進行了功效實驗，學員們在日常體育課中配戴限制通氣量口罩（低氧程度模擬海拔2750米）進行運動，訓練共6周，結果發(fā)現學員們的有氧運動能力和無氧運動能力均無變化，證明這種簡易低氧設備不能替代人工低氧發(fā)生設備。

高原訓練盡管在實踐應用中不如人工低氧訓練簡便易行，但高原環(huán)境具有低壓特點，以及氣候、環(huán)境等方面等人工低氧設備無法模擬的整體特征，使其在對運動員的身體刺激以及內環(huán)境改造方面具有人工低氧設備無法比擬的優(yōu)勢。多個對比研究[23，24]都顯示出高原訓練比低氧訓練效果更為顯著，體現在受試者的生理指標變化更為明顯，并且往往有顯著性差異。因此，大多數運動員在有條件的情況下，仍然愿意選擇高原訓練。

2 高溫環(huán)境下的運動訓練生理生化監(jiān)控

機體長期處于高溫高濕環(huán)境等危險因素中，而沒有采取有效的措施預防，將導致機體出現一系列的不良反應與癥狀，稱之為熱疾病[25]。熱疾病是導致美國高中運動性猝死的第三大原因[25]。近年，高溫與運動的關系愈來愈成為研究的熱點，美國國家醫(yī)學圖書館（NLM）提供的PUBMED信息檢索系統(tǒng)表明：在2013年1月1日至2015年12月31日期間，高溫與運動相關研究論文1009篇；僅2015年1月1日至2015年12月31 日1年，高溫與運動相關研究論文達到421篇。2015年，國際權威體育學術期刊《運動醫(yī)學》（Sports Medi?cine）、《英國運動醫(yī)學雜志》（British Journal of Sports Medicine）、《斯堪的納維亞運動醫(yī)學與科學雜志》（Scandinavian Journal of Medicine and Science in Sports）均刊發(fā)了Racinais教授研究團隊的“高溫環(huán)境中訓練和比賽的共識性建議”[13-15]，成為運動與高溫環(huán)境研究的一部“紅寶書”。

2.1 運動人群在高溫環(huán)境下的運動建議與危險因素

熱環(huán)境中運動可提高機體熱適應能力，但如果應用不當將會對機體造成損傷[26]。由于機體在熱環(huán)境中代謝產熱以及從熱環(huán)境中吸收、傳輸熱量的比例較高，將會導致汗液分泌速率增加，心跳加快，外周阻力增加，使機體水分和電解質損失，出現脫水癥狀，影響內環(huán)境穩(wěn)態(tài)。運動中，體液每丟失1%體重，機體的核心溫度將會上升0.15～0.2℃。核心溫度增幅過快也是造成熱疾病的主要原因[25]。運動員對熱環(huán)境做好充分的準備能夠最大限度減少甚至消除炎熱環(huán)境對機體帶來的負面影響，從而為運動員在熱環(huán)境中的訓練與比賽提供便利[26]。美國體育教練員協(xié)會聲明對熱疾病的多個方面進行了闡述[27]，不同熱疾病具有不同的臨床表現特點（表2），其綜合高溫環(huán)境中活動與休息指南[27，28]的觀點（表3），認為高溫環(huán)境下運動相關熱疾病主要受到以下6個因素的影響：環(huán)境條件、運動強度、熱習服狀況、裝備與服裝、個體適應、年齡[27]，其各項危險因素又包括外在風險因素和內在風險因素兩個方面[27]（表4）。

表2 熱疾病的主要臨床區(qū)別[27]

表3 綜合熱指數指南[27-29]

表4 熱疾病的各項危險因素[27]

2.2 濕球溫度指數（Wet Bulb Global Temperature inn?ddeexx，WWBBGGTT）修正性應用可以有效評估熱應激誘導的運動風險

WBGT指數由美國軍隊憑經驗發(fā)展而來并被美國運動醫(yī)學學會在運動醫(yī)學中進行推廣[30]，已被不同的運動協(xié)會所采納（表5）。但是，當汗液蒸發(fā)受到限制時（即高濕度和/或較低的空氣流動），WBGT可能低估了熱應激的風險[31]，進而有學者提出了修正性建議[32]（表6）。此外，WBGT是一個氣候指數且不能說明代謝產熱或穿衣著裝，因此不能預測熱量的散失情況[33]。所以，下文中的建議為不同體育活動提供了指南而非基于WBGT指數的固定分界點。

表5 不同運動管理機構基于WBGT的建議措施示例

表6 基于WBGT的運動性中暑風險的校正估計——將WBGT低估高濕度下的熱應激考慮在內

2.3 高溫訓練類似高原訓練可以提高運動員的有氧運動能力

Lorenzo[35]等對12名專業(yè)自行車運動員進行熱適應的實驗研究，具體方法為：40℃與30%相對濕度的高溫環(huán)境下進行為期10天、50%最大攝氧量（VO2max）的有氧運動，每天進行包括兩組45分鐘、中間間歇10分鐘的自行車練習。實驗前后分別在涼爽環(huán)境（13℃、30%相對濕度）和高溫環(huán)境（38℃、30%相對濕度）下進行最大攝氧量、60分鐘運動試驗能力及乳酸閾等指標的測試。結果表明：這種熱適應訓練顯著提高了研究對象在涼爽環(huán)境和高溫環(huán)境下的最大攝氧量。由此證明，運動員在高溫環(huán)境內熱適應訓練可以提高其在高溫與涼爽環(huán)境（如13℃）下有氧運動能力。這提示高溫環(huán)境下熱適應訓練和“高住低練”訓練方法一樣，其能夠提高機體在常溫和常溫環(huán)境下的運動能力。

2.4 高溫環(huán)境有助于運動后肌肉酸痛癥狀的消除

Petrofsky等[36]的研究認為，由于運動類型、運動強度、溫度和濕度以及利用冷療和熱療的時間不同，很難評價哪種手段對運動過后的肌肉酸痛更加有效。其實驗對象為100名運動水平接近的成年人，分為對照組、立即冷療組、24 h冷療組、立即熱療組、24 h熱療組5組，每組20人，分別進行15 min的下蹲練習后，在運動結束后即刻，以及運動結束24 h接受熱敷和冷敷的不同干預，對照組不進行任何干預。之后對其膝關節(jié)力量、膝關節(jié)被動活動力量、主觀視覺模擬疼痛評分量表、肌紅蛋白進行測量與評價。結果顯示，對照組相比其他4組肌肉力量下降幅度更大（對照組?24%、其他4組?4%），對于力量的恢復，24 h冷療組要優(yōu)于24 h熱療組（P＜0.01），運動過后通過熱敷或冷敷可以有效預防肌肉組織的損傷。與對照組相比，其他4組肌紅蛋白損傷量更少，其中24 h冷療組與24 h熱療組肌紅蛋白損傷量要小于立即冷療組與立即熱療組，（24 h冷熱療組135.1%，立即冷熱療組106.1%）。其他4組肌肉酸疼感明顯低于對照組，并且冷療組優(yōu)于熱療組。因此，其最后得出結論：運動過后不論冷療還是熱療對肌肉酸痛都具有一定的減輕作用。

2.5 去甲腎上腺素（NANA）神經遞質可作為高溫環(huán)境下運動生理生化監(jiān)控的新指標

本研究團隊綜述國內外研究資料發(fā)現：泌乳素、生長激素和皮質醇是高溫高濕環(huán)境下訓練監(jiān)控的敏感生理生化指標[37]。本研究團隊以8名運動員為研究對象[37]，分別在5種環(huán)境：常溫低濕（21°C/20%RH）、高溫低濕（33°C/20%RH）、高溫40%（33°C/40%RH）、高溫60% （33°C/60%RH）、高溫80%（33°C/80%RH）進行最大攝氧量和生化指標測試，應用雙因素重復測量方差分析（a two-way repeated measures analysis of variance）探討外周血神經遞質和激素之間的關系。結果發(fā)現：運動對去甲腎上腺素（NA，P＜0.0001）、泌乳素（PRL，P＜0.0001）、5-羥色胺（5-HT，P=0.002）、5-羥吲哚乙酸（5-HIAA，P=0.029）和多巴胺（DA，P=0.016）的影響較為顯著，在5種環(huán)境條件下，NA與運動時間顯著性相關（r= 0.7721，P=0.0000002），提示外周血NA神經遞質可作為高溫環(huán)境下運動生理生化監(jiān)控的新指標。

2.6 生理應激指數（PSIPSI）可用于高溫環(huán)境下運動人群的熱適應情況評價

在Moran等[38]的研究中，其首次應用生理應激指數（physiological strain index，PSI）評估熱應激，此指數是基于直腸溫度和心率的比率換算得出的，能夠對機體的熱適應情況進行有效分析。該指數的范圍從0～10，其假設機體在高溫熱應激過程中溫度的變化范圍為36.5℃～39.5℃，心率變化范圍為120次/分（60～180次/分）。其具體公式為：PSI=5×（運動時直腸溫度?安靜時直腸溫度）/（39.5?安靜時直腸溫度）＋5×（運動時心率?安靜時心率）/（180?安靜時心率）。運動時的直腸溫度和心率同步測量。研究進行了兩組實驗，第1組實驗為100名男性受試者在溫度為40℃、相對濕度為40%的環(huán)境下進行120 min、速度保持在1.34 m/s的跑步練習。第2組實驗為7位穿著防護服的男性，在高溫高濕環(huán)境下測試PSI指數的有效性[38]。結果顯示，在兩組實驗中，PSI具有顯著性差異（P＜0.05），其認為PSI指數可被進行廣泛應用。

2.7 高溫環(huán)境下運動員的飲食結構和營養(yǎng)研究

對于耐力項目來說，普遍的研究認為需進行高碳水化合物的補充，從而最大限度的提高運動能力。然而另外一些觀點認為低碳水化合物的膳食補充對超耐力運動員的能量補充同樣具有有益作用[39]。在Kunces 等[39]關于熱環(huán)境下自行車騎行者的膳食調查中，實驗對象為20位男性自行車騎行者（年齡48±8歲、體重85.1±13.4 kg、身高178.2±7.4 cm），在高溫環(huán)境中進行162公里的騎行，隨后記錄其在騎行前、騎行中、騎行后飲食結構中碳水化合物和熱量攝入的關系。結果顯示，機體碳水化合物的攝入比重騎行前為384 g/day，騎行中為657 g/day，騎行后為329 g/day，碳水化合物的攝入量與熱量攝入并沒有顯著關聯。其結果提示，由于自行車騎行者飲食結構和變化量較大，因此對于其膳食安排應該具有特定化和個性化，針對個人的需求量，增加液態(tài)糖的補充，保證其運動表現。

2.8 “低溫飲料復合降溫服”綜合預冷法是高溫環(huán)境下運動能力保持的關鍵

綜合預冷法指將降低體表體溫與核心體溫的方法或者是同一類的兩種（或者兩種以上）不同預冷手段同時疊加使用，常用的綜合法有冷水浸泡加冷水飲用、冷水浸泡加降溫背心和冷水飲用加冷空氣等預冷方案[40]，而“低溫飲料復合降溫服”被認為是適用于運動員的綜合預冷法[41]。Quod等[42]研究兩種不同預冷方式（體表預冷與體表預冷加核心降溫）對高溫環(huán)境下自行車運動員的影響，結果發(fā)現，綜合預冷的方法，即浸泡在冷水中的同時配合著降溫背心的使用，可以產生降低直腸溫度的效果，從而提高在高溫實驗條件下自行車運動成績。Ross等[43]對11名訓練有素的男性自行車運動員進行研究，在炎熱和潮濕的環(huán)境（32℃～35℃，相對濕度50%）下進行自行車時間競速比賽測試，實驗結果表明：綜合預冷法（飲用4℃冷水和冰毛巾）可以作為耐力運動員在炎熱和潮濕的條件下準備訓練和比賽的一種實用、有效的降溫措施。Clarke等[41]以12名足球運動員為研究對象，進行了高溫環(huán)境（30.5°C，相對溫度42.2%）下90分鐘間歇跑運動能力實驗，實驗過程中進行了補糖、預冷的干預方法，結果表明，補糖與預冷結合可以有效提高足球運動能力（速度和疲勞時間）。

3 小結

近些年，高溫與高原（低氧）特殊環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控研究正迅速發(fā)展，涌現出一系列相關的新指標、新方法、新思路，為競技體育和健身運動提供了較為科學的保障。但是，高溫與高原（低氧）特殊環(huán)境下運動訓練生理生化監(jiān)控仍然需要進一步完善。

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2016.06.03

國家自然科學基金（31371195），國家科技部公益性研究院所專項基金項目（基本15-08和16-22）共同資助

趙杰修，Email：zhaojiexiu@ciss.cn