咖啡因對高溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)的影響

王萃萃，周子貴，鄭鑫焱

隨著全球性氣溫升高，以夏季奧運會為代表的許多體育賽事都是在炎熱的環(huán)境下進行，如2008年北京奧運會及2016年里約熱內盧奧運會。在熱環(huán)境中運動并取得較好的成績，對于足球、馬拉松以及長距離公路自行車等室外項目的運動員來說，將是一項巨大的挑戰(zhàn)。眾所周知，運動員在高溫環(huán)境下進行運動易產生疲勞，運動表現(xiàn)降低，甚至影響健康[1-2]。因此，探索高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)降低的原因，提高高溫環(huán)境下運動員的成績在體育科學研究中受到越來越多的重視。

咖啡因作為世界上最流行的中樞刺激劑之一，在自然界中，廣泛存在于茶、咖啡豆中，同時也經(jīng)常被添加到各種飲料中用于提神，越來越多的人熱衷于此。在臨床應用和研究中，咖啡因已取得不少有益成果，如治療神經(jīng)衰弱和昏迷復蘇、治療偏頭痛、預防病癥、抑制某些嚴重傳染病、加強某些止痛劑的效果以及滅菌殺毒等。然而，咖啡因的使用不僅僅局限于臨床研究，因其不受場地設施限制、使用簡單方便的特點，近年來，在運動科學領域中也逐漸受到關注。

2004年世界反興奮劑機構將咖啡因從禁止類藥物名單上摘除，重新認定為監(jiān)管類藥物。在此之后，很多運動員都服用咖啡因來提高運動成績，特別是耐力型運動員。據(jù)報道，75%的優(yōu)秀運動員在運動之前或期間使用咖啡因，尤其在耐力性運動中[3]。大量文獻支持攝取咖啡因可以提升耐力性運動表現(xiàn)[4-6]。有研究指出，攝入低到中劑量的咖啡因提高了常溫環(huán)境（20°C）下的運動表現(xiàn)。特別是運動持續(xù)時間在30 min以上時[7]?？Х纫蛞呀?jīng)被證明能夠有效地拮抗腦內腺苷受體、促進腦內神經(jīng)遞質的分泌、增強腦活性等，提高常溫環(huán)境下各種形式的運動表現(xiàn)[4,8]。

但是，關于咖啡因對高溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)的影響仍存在眾多爭議，且最佳攝取劑量未知，這些問題仍是未來需要重點關注和研究的方向。本文檢索了近幾年的相關文獻，對高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)降低的原因、咖啡因提高常溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)的機制進行闡述，重點對高溫環(huán)境下咖啡因對耐力性運動表現(xiàn)的影響的相關研究進行總結歸納。

1 高溫環(huán)境與耐力性運動表現(xiàn)

人體核心溫度指的是人體內部胸腔、腹腔和中樞神經(jīng)溫度的平均溫度，正常值約37°C。核心溫度過高是指由于各種原因體溫調節(jié)中樞的調定點上移，導致體溫超過正常范圍，在中強度運動時會升高到38°C以上。高溫環(huán)境是指在氣溫、空氣濕度和氣流的綜合影響下，溫度超過人體的舒適程度，并能夠引起機體體溫過高的環(huán)境[9]。邱仞之[10]認為，在勞動環(huán)境中，氣溫超過32°C，炎熱地區(qū)超過35°C，相對濕度超過80%，或者輻射強度超過4.814 J/cm2/min，或通風不良而存在的熱源散熱量超過83.7 kJ/cm2/min都屬于高溫勞動的范疇。趙杰修[11]在綜合了國內外大量研究資料后對高溫高濕環(huán)境進行進一步描述：通常把35°C以上的生活環(huán)境和32°C以上的訓練環(huán)境稱為高溫環(huán)境。當人體處于高溫環(huán)境時，會產生熱應激，在該種情況下，人體的神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、內分泌系統(tǒng)等會產生一系列生理性改變，當熱應激過強時，甚至會發(fā)生病理性變化。在高溫環(huán)境中，人體會產生過高的熱負荷，導致一些生理指標發(fā)生變化，如心率、血壓、體溫、出汗量等[12]。如果熱負荷進一步升高，核心體溫達到40°C，則會造成中樞神經(jīng)系統(tǒng)的紊亂，甚至引發(fā)熱休克[13-14]。人體運動過程中體溫升高是運動表現(xiàn)增強的生理應答，體溫適度升高，特別是骨骼肌溫度適度升高，可以增加酶的活性，加快化學反應速度，加快神經(jīng)傳導，增強肌肉收縮。但在高溫環(huán)境下長時間運動時人的運動表現(xiàn)會降低，其原因在于體溫的過度升高[15-17]。在高溫環(huán)境下，機體主要通過汗液蒸發(fā)方式來散熱，人體皮膚與環(huán)境的溫度梯度減少，使機體的散熱受到障礙，加上運動過程中體內產熱過多，當散熱作用低于產熱作用時，體內熱量積蓄直接引起核心體溫升高，核心體溫超過38°C時即出現(xiàn)運動性高核心體溫[18]。運動中腦部溫度和身體核心體溫的升高成為了中樞神經(jīng)系統(tǒng)繼續(xù)維持機體一定運動強度的限制因素，它們可提前誘發(fā)運動性疲勞，以保護大腦不受熱損傷，從而降低運動表現(xiàn)[15]。大量研究評估了高溫對力竭運動測試[19]、時間試驗測試[20]和最大攝氧量測試[21]的影響，力竭運動和時間試驗的研究表明，高溫會損害運動表現(xiàn)。Roelands等[22]研究表明環(huán)境溫度從20°C升高到40°C時，力竭運動時間（67±1）min降低到（30±3）min。Gonzáles-Alonso等[15]的研究指出運動中核心溫度越高，運動持續(xù)時間越短，在動物實驗中同樣觀察到類似結果[23]。因此，運動中體溫的過度上升被認為是高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)降低的原因之一。運動中核心溫度的過度升高使心血管系統(tǒng)負荷增加、誘發(fā)脫水、肌肉代謝率減慢等外周性因素的改變，進而引發(fā)運動性疲勞（圖1）[24]。然而，Zheng等[25]指出高體溫并沒有引起糖原的減少或心血管系統(tǒng)負荷的增加，高體溫引起的運動表現(xiàn)降低與中樞機能降低更加相關。近年來，高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)的降低可能與腦內神經(jīng)遞質、腦血流、腦活性等中樞性因素的改變有關。例如，Nybo等[26]發(fā)現(xiàn)高溫環(huán)境下運動中的腦血流量會隨著核心溫度的升高而增加，常溫環(huán)境下并沒有發(fā)生這樣的變化。因此，高溫環(huán)境下體內核心溫度的升高可引起運動中大腦激活低下、腦血流量降低及神經(jīng)遞質分泌的改變引發(fā)運動性中樞疲勞，從而降低運動表現(xiàn)[25]。

圖1 高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)下降的機制Figure1 Mechanism of Decreased Exercise Performance in the Heat

2 咖啡因與常溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)

有研究證明咖啡因能提升常溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)，平均改善率為3%～5%，且指出攝取低到中劑量的咖啡因對耐力性運動表現(xiàn)的作用效果更大[27]?？Х纫蚰軌蛱岣吣土π赃\動表現(xiàn)的機制涉及到中樞和外周，但主要作用機制可能是中樞機制[28]。

2.1 咖啡因提高常溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)的外周機制

2.1.1 增加游離脂肪酸的分解，減少血糖、肌糖原以及肝糖原的代謝

運動后ATP分解，腺苷生成增加，與受體結合使脂肪酶的活性降低，抑制脂肪動員，肌肉依靠肌糖原分解功能，肌糖原減少導致肌肉收縮功能下降，從而導致運動表現(xiàn)降低[29]?？Х纫虻臄z入增加了腎上腺素和去甲腎上腺素的含量，增加了脂肪限速酶的活性或直接作用于脂肪細胞的脂酶，因此脂肪動員加快，從而導致運動開始后血漿中游離脂肪酸增多，使機體對脂肪的利用增加，有效節(jié)省糖原，使貯備有限的糖原作用于運動的后半程，從而延緩疲勞的發(fā)生，提高了運動表現(xiàn)[30]。該機制最初是由Costill等人提出，他們發(fā)現(xiàn)攝入4～5 mg/kg體重的咖啡因可以刺激脂肪組織釋放游離脂肪酸，減少運動時肌糖原的利用，延長力竭運動時間[31-32]。然而，在隨后的重復研究中發(fā)現(xiàn)6 mg/kg體重的咖啡因對運動期間的肌糖原的利用無影響，他們提出咖啡因的促進作用可能有其他機制[33-34]。

2.1.2 咖啡因促進肌質網(wǎng)鈣離子的釋放

咖啡因并不增加骨骼肌運動神經(jīng)元和興奮的傳導速度，而是直接作用于肌漿網(wǎng)膜上的蘭尼堿受體（RyR）[35-36]。鈣離子是肌肉收縮的始動因素，在肌肉收縮初期，咖啡因達到一定劑量時，蘭尼堿受體對肌質中的鈣離子敏感性增強，從而影響鈣離子通道，促進肌質網(wǎng)鈣離子釋放，肌肉收縮的興奮閾值降低，延長肌肉收縮活動的持續(xù)時間，使鈣離子更利于和肌鈣蛋白結合，從而有利于橫紋肌進行興奮收縮耦聯(lián)，肌肉收縮活動增強[37]。

2.2 咖啡因提高耐力性運動表現(xiàn)的中樞機制

2.2.1 興奮中樞神經(jīng)系統(tǒng)

近年來研究者認為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的激活是由于阻斷腺苷受體A1和A2[38-39]。中樞內腺苷的產生可以抑制大腦內興奮性神經(jīng)遞質多巴胺（Dopamine，DA）的產生，降低DA、乙酰膽堿合成，對運動表現(xiàn)起重要作用[37]。DA作為一種興奮性腦內神經(jīng)遞質，已有研究證實，大腦DA與激發(fā)、促動作用以及肌肉協(xié)調能力密切相關[40-41]。Bailey等[42-43]的研究發(fā)現(xiàn)長時間的疲勞性運動使腦干和中腦內DA的合成和代謝水平降低，導致運動性疲勞的發(fā)生，從而降低運動表現(xiàn)。咖啡因作為非選擇性腺苷受體拮抗劑，能夠透過血腦屏障，拮抗腺苷受體，促進紋狀體、伏隔核、尾狀核腦內神經(jīng)遞質的分泌，特別是DA[28]，從而對運動表現(xiàn)產生作用。

為了具體地探討咖啡因對運動表現(xiàn)的影響機制，Zheng等[44]觀察了腹腔注射咖啡因對力竭運動的時間、運動中的體溫調節(jié)反應及下丘腦內單胺類神經(jīng)遞質分泌的影響。結果表明，咖啡因能夠延長運動時間，促進腦內DA的分泌，但沒有影響去甲腎上腺素及5-羥色胺的分泌。另外，咖啡因增強的產熱高于機體散熱，引起核心溫度升高。這些結果表明咖啡因可以抑制常溫環(huán)境下高體溫引起的疲勞，提升運動表現(xiàn)，這些與咖啡因促進腦內DA分泌有關[38]。

2.2.2 降低運動疲勞的主觀感覺

隨著運動疲勞的發(fā)生，主觀疲勞感覺增加，運動表現(xiàn)下降[45]。Doherty等[46]的研究指出，在恒定負荷運動期間，攝入咖啡因后，主觀疲勞感覺系數(shù)降低了約6%，系數(shù)的降低可以解釋攝入咖啡因后疲勞測試的30%差異。在恒定的工作負荷運動中，伴隨著較低的主觀疲勞感覺，愉悅和喚醒的情感狀態(tài)會增加，這會進一步增強咖啡因的促進作用即提高運動表現(xiàn)[47]。S?kmen等[48]研究報道服用3～13 mg/kg體重的咖啡因可增強各類運動項目的運動表現(xiàn)。另外，與3 mg/kg體重（低劑量）和9 mg/kg體重（高劑量）相比，6 mg/kg體重（中劑量）的咖啡因攝取能夠更有效地提高常溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)[49]。由于高溫環(huán)境下體溫的過度升高會降低運動表現(xiàn)，所以在高溫環(huán)境下，咖啡因能否有效地抑制高體溫引起的疲勞和提高運動成績有待探討。

3 咖啡因與高溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)

近年來，攝入咖啡因對高溫下運動表現(xiàn)的影響一直受到人們的關注，同時也存在眾多的爭議。因此，對近幾年的相關文獻進行了總結歸納（表1）。

表1 咖啡因對高溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)及體溫調節(jié)的影響Table1 Effects of Caffeine on Endurance Exercise Performance and Thermoregulation in the Heat

Cheuvront等[50]在實驗中觀察到攝取9 mg/kg體重的咖啡因并未顯著提高高溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)，其可能原因為咖啡因引起的體溫升高，降低了神經(jīng)驅動和肌肉力量。在類似運動中，Roelands等[51]觀察到6 mg/kg體重的咖啡因攝取同樣沒有提升高溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)。Silva等[52]進一步比較了男女的差異，指出6 mg/kg體重的咖啡因并沒有提高男女耐力跑的表現(xiàn)，只是降低了男性的主觀疲勞感覺（Rating of Perceived Exertion，RPE）和疲勞程度，沒有提高運動表現(xiàn)的原因可能是運動前的進食情況會影響咖啡因的代謝。此外，高皮膚溫度影響機體散熱，因此可能會抵消低RPE對耐熱能力的有益影響。Pitchford等[53]指出，3 mg/kg體重的咖啡因攝取降低了RPE，提升了高溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)并且沒有引起體溫的升高，其可能原因為咖啡因對腦的刺激，促進了腦內興奮性神經(jīng)遞質的釋放，進而促進興奮性突觸的傳遞，降低疲勞感覺。同樣，Beaumont等[54]指出6 mg/kg體重的咖啡因提高了高溫環(huán)境下的運動表現(xiàn)，但核心溫度和皮膚溫度沒有顯著變化。提升運動表現(xiàn)的原因可能是服用咖啡因導致了更高的出汗率，機體通過增加散熱帶走運動產生的熱量，使體溫不至于過度升高，從而提升運動表現(xiàn)。運動表現(xiàn)提升的另一個原因可能是攝取咖啡因降低了運動前60 min的RPE。Hanson等[55]將低劑量、中劑量的咖啡因應用于自定速度的10 km跑中，發(fā)現(xiàn)2種劑量的咖啡因都沒有提升運動表現(xiàn)，6 mg/kg體重的咖啡因會導致更高的熱儲備，熱儲備增加的原因可能是咖啡因通過血腦屏障，拮抗腺苷受體，促進興奮性神經(jīng)遞質DA的釋放。腦DA對體溫調節(jié)中起著重要作用，Hasegawa等[29]指出在不同環(huán)境溫度下注射多巴胺/去甲腎上腺素（DA/NE）再攝取抑制劑-丁氨苯丙酮，大鼠的運動表現(xiàn)增強、大腦和核心溫度升高的同時伴隨著視前區(qū)-下丘腦前部（PO/AH）處DA的增加。

將表1的研究進行歸納總結后得出，咖啡因的劑量、運動時間以及形式的差異可能會導致不同研究結果之間的相互矛盾，并且咖啡因對運動表現(xiàn)的影響的作用機制未知。低劑量的咖啡因攝取可能會抑制中樞性機能的降低，并不引起體溫升高的生理反應，從而抑制高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)的降低，提升運動成績。中到高劑量的咖啡因攝取可能引起體溫的升高從而抵消了咖啡因的促進作用。然而目前為止并沒有研究探討不同劑量的咖啡因攝取對高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)的影響，低劑量的咖啡因的效果并沒有被證實。因此，應探索提升高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)的咖啡因最佳劑量。

4 結論與展望

對以往研究進行總結歸納可知，高溫環(huán)境下進行長時間運動會導致運動性高體溫，對肌肉代謝、心血管系統(tǒng)等外周產生影響，同時影響腦血流、腦活性等中樞系統(tǒng)，從而加速了運動疲勞的產生，降低運動表現(xiàn)。咖啡因作為一種非選擇性拮抗劑，可阻斷腺苷受體，促進興奮性神經(jīng)遞質的釋放，降低RPE，促進鈣離子的釋放，增加脂肪的分解，提高常溫環(huán)境下的耐力性運動表現(xiàn)，同時提高運動表現(xiàn)的最佳劑量為低到中劑量。但在高溫環(huán)境下，關于咖啡因對耐力性運動表現(xiàn)的影響仍存在眾多爭議，且提高運動表現(xiàn)的最佳劑量未知。因此，探索攝取不同劑量咖啡因對高溫環(huán)境下耐力性運動表現(xiàn)的影響，探究咖啡因抑制高溫環(huán)境下運動表現(xiàn)降低的最佳攝取劑量及機制，對今后運動員使用咖啡因提升運動成績提供科學的指導方法、高溫環(huán)境下提升耐力性項目的運動成績提供新的理論基礎等至關重要。