仲曉寒 高夢雅

(上海體育學(xué)院運動科學(xué)學(xué)院 上海 200438)

單位體積的大腦耗氧量極高,對于缺氧和缺血十分敏感[1]。學(xué)習(xí)和記憶是大腦的高級功能之一,海馬是學(xué)習(xí)和記憶的關(guān)鍵部位,由于海馬對低氧非常敏感,學(xué)習(xí)和記憶能力也易受低氧環(huán)境影響。目前低氧對空間學(xué)習(xí)記憶影響的研究主要集中在三個方面:大眾健康、競技體育高原訓(xùn)練和臨床疾病。

1 低氧與大眾健康

隨著國家經(jīng)濟水平的日益提高和交通條件的日漸便利,越來越多的人選擇去高原地區(qū)短期旅游或者從事西部大開發(fā)建設(shè)工作。由于高海拔地區(qū)具有低溫、低氧、低壓和強紫外線等特殊環(huán)境特點,這些人往往會不適應(yīng)高原環(huán)境而出現(xiàn)頭痛、頭暈、胸悶、失眠等急性高原反應(yīng)(AMS)癥狀。世居高原的藏人對高原環(huán)境產(chǎn)生了很強的適應(yīng),他們的血液攜氧能力和血流速度都比平原人高(Beall et al.,2004年;Erzurum et al.,2007年)。而短時間內(nèi)從低海拔地區(qū)進入高原人群往往表現(xiàn)出更強烈的低氧反應(yīng)[2]。

低氧也會造成人認(rèn)知功能的改變。Janssen在攀登勃朗峰時就發(fā)現(xiàn)他的手指運動協(xié)調(diào)性能變差,呼吸調(diào)節(jié)能力降低,認(rèn)知能力下降[3]。研究發(fā)現(xiàn),適度的低氧可以增強人的認(rèn)知能力,Kelman等人模擬海拔2438m高原環(huán)境發(fā)現(xiàn)研究對象的卡片分類測試表現(xiàn)有所提高[4]。已有的一些動物實驗結(jié)果表明,急性低氧環(huán)境會損傷動物的空間學(xué)習(xí)和記憶能力。孫正啟等將大鼠置于模擬海拔6000m的低壓艙內(nèi)24h后,大鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力降低[5]。Shukitt等模擬5500～6400m海拔高度低氧干預(yù),大鼠運動能力下降,逃脫時間延長,空間記憶能力損傷[6]。

低氧預(yù)適應(yīng)是機體經(jīng)過短暫的重復(fù)性低氧預(yù)暴露,使器官或組織對后繼嚴(yán)重低氧的耐受性增加,從而避免遭受更嚴(yán)重的低氧性損害的一種內(nèi)源性保護機制。Maiti等人發(fā)現(xiàn)短時間的模擬低壓低氧干預(yù)可使大鼠的空間記憶能力呈現(xiàn)明顯下降,腦內(nèi)氧化應(yīng)激產(chǎn)物含量增加,抗氧化系統(tǒng)功能降低,大鼠大腦皮質(zhì)、海馬和紋狀體均出現(xiàn)神經(jīng)變性、細(xì)胞凋亡等形態(tài)變化。而處于模擬低壓低氧環(huán)境21d后,大鼠的空間記憶能力有改善,抗氧化活性增強。這說明因低壓低氧環(huán)境可致神經(jīng)元出現(xiàn)凋亡,故在進行神經(jīng)保護上可進行誘導(dǎo)細(xì)胞對缺氧的適應(yīng)的訓(xùn)練[7]。張家興等建立了“低氧促進記憶模型”——出生后數(shù)天的小鼠在連續(xù)3周或4周2000m間歇性低氧干預(yù)(4h/d)后,其空間學(xué)習(xí)記憶能力得到提高,成年后仍可以檢測到此現(xiàn)象;但是低氧干預(yù)對成年小鼠的空間學(xué)習(xí)記憶能力沒有影響[8]。

2 低氧訓(xùn)練

低氧訓(xùn)練(hypoxictraining)是人體在低氧環(huán)境下訓(xùn)練,利用環(huán)境缺氧和運動缺氧雙重刺激(同時或交替),使人體產(chǎn)生一系列的特殊生物學(xué)效應(yīng),以調(diào)動體內(nèi)的機能潛力,從而產(chǎn)生一系列有利于提高運動能力的抗缺氧生理反應(yīng)。隨著競技體育的飛速發(fā)展,在中長跑、游泳、自行車、越野滑雪、水上項目等運動項目中低氧訓(xùn)練己經(jīng)被廣泛應(yīng)用。已有大量文獻表明低氧訓(xùn)練可以提高運動員對缺氧的適應(yīng)和耐受能力以及有氧運動能力,但對空間學(xué)習(xí)記憶能力的影響研究不一。

Nelson發(fā)現(xiàn),在35天的麥金利峰攀登過程中,登山者在海拔5000m出現(xiàn)了空間記憶能力的損傷,而在海拔3800m并未出現(xiàn)空間記憶能力的改變[9]。洪平等人[10]模擬4周或6周海拔3500m高度低氧耐力訓(xùn)練,研究發(fā)現(xiàn)在海拔3500m采取高住低練(耐力性訓(xùn)練)的方式可能對提高腦組織抗缺氧能力和運動成績是最有利的。他們還提出腦組織對低氧訓(xùn)練適應(yīng)及對運動能力影響的可能機制:低氧訓(xùn)練中低氧環(huán)境和運動缺氧的雙重刺激(同步或交替)激活腦組織中的HIF-1α,使其調(diào)控的相關(guān)基因EPO、GLUT1和VEGF的表達增加。這是可以使腦細(xì)胞的抗缺氧能力增強的重要因素,隨時間延長腦組織逐漸適應(yīng)低氧訓(xùn)練,腦組織耐缺氧能力增加,運動能力得到進一步提升。

有趣的是,魏星等發(fā)現(xiàn)單純低氧暴露和單純運動均可提高學(xué)習(xí)能力,但是低氧和運動雙重刺激則會抵消單獨低氧或運動對學(xué)習(xí)的促進作用,當(dāng)氧濃度為11%時低氧和運動的雙重刺激還會降低大鼠的空間學(xué)習(xí)能力。15%氧濃度單純低氧干預(yù)和低氧運動雙干預(yù)均可提高記憶能力[11]。

3 低氧與臨床疾病

認(rèn)知功能是人類高級神經(jīng)活動的重要組成部分,包括定向、注意、集中、警覺、記憶、學(xué)習(xí)、計算、語言、理解、判斷、邏輯推理、行為以及執(zhí)行等多個方面。很多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病和全身性疾病均可造成認(rèn)知功能損害,如阿爾茨海默病、腦血管病、精神分裂癥以及營養(yǎng)代謝性疾病等。

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(OSAHS)是以睡眠中反復(fù)發(fā)生上氣道阻塞和頻繁呼吸中斷為特征的,睡眠中反復(fù)發(fā)生的間歇低氧和睡眠結(jié)構(gòu)紊亂可以損害患者身體的許多系統(tǒng)和器官并引發(fā)多種并發(fā)癥,是一種臨床上常見并具有嚴(yán)重潛在危險性的疾病?？稻У热藢Τ赡甏笫竺?0s交替給予10%氧和21%氧,每天8h,連續(xù)處理14d,成功建立OSAHS動物模型。發(fā)現(xiàn)慢性間歇低氧可引起大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力下降,而大鼠這種慢性腦功能損害可能與大腦CREB mRNA的表達下調(diào)有關(guān)[12]。

適度的低氧治療方案可以改善一些疾病對空間學(xué)習(xí)記憶能力的損害。張亞軍等人發(fā)現(xiàn),在氧濃度為15%環(huán)境中暴露7天(1h/d)可以明顯改善慢性疲勞綜合征小鼠的學(xué)習(xí)記憶能力[13]。

腦缺血缺氧危害極大,可損傷皮質(zhì)、海馬、基底節(jié)等的結(jié)構(gòu),也可導(dǎo)致膽堿能神經(jīng)元和AVP肽能神經(jīng)元受損,以及使腦內(nèi)學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)生化基礎(chǔ)受損、Pepaz環(huán)路被損壞,從而使記憶發(fā)生障礙。運動康復(fù)可明顯提高學(xué)習(xí)記憶能力,改善諸如腦外傷、神經(jīng)變性疾病等患者的認(rèn)知功能,這已被國內(nèi)外越來越多的動物及人體研究所證明。陳小璐等人對7日齡SD大鼠建立了新生兒缺血缺氧性腦損傷模型(HIBD),并于2周后開始為期4周的運動康復(fù)。結(jié)果表明,運動康復(fù)可減少缺血缺氧后海馬神經(jīng)元死亡,促進HIBD大鼠海馬神經(jīng)元存活,修復(fù)受損腦組織,增強突觸可塑性,改善其受損的空間記憶能力[14]。

[1]Erecińska M,Silver IA.Tissue oxygen tension and brain sensitivity to hypoxia[J].Respir Physiol，2001,128:263-276.

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[4]Kelman GR,Crow TJ，Bursill AE.Effect of mild hypoxia on mental performance assessed by a test of selective attention[J].Aerospace medicine,1969,40:3-301.

[5]孫正啟,王唯析,康龍麗,等.模擬高原低壓低氧對大鼠學(xué)習(xí)記憶行為和海馬GABA表達的影響[J].現(xiàn)代預(yù)防醫(yī)學(xué),2009(21):4133-4135.

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[8]張家興.模擬高原間歇性低氧對小鼠學(xué)習(xí)記憶功能的影響[D].浙江大學(xué),2005.

[9]Nelson,M.Psychological testing at high altitudes[J].Aviation,space,and environmentalmedicine,1982,53(2):6-122.

[10]洪平.低氧訓(xùn)練對大鼠海馬神經(jīng)元的影響及其機制研究[D].北京體育大學(xué),2005.

[11]魏星.低氧訓(xùn)練對大鼠空間學(xué)習(xí)記憶和海馬齒狀回新生細(xì)胞數(shù)量的影響[D].上海體育學(xué)院,2011.

[12]康晶,王月華,何靜雅,等.慢性間歇低氧對大鼠認(rèn)知功能及大腦環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)單元結(jié)合蛋白表達的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版),2011(1):5-7,55.

[13]張亞軍,王茹,P.R.Mabounda Kounga,等.不同低氧濃度暴露對慢性疲勞綜合征小鼠學(xué)習(xí)記憶能力及情緒的影響[J].中國運動醫(yī)學(xué)雜志,2013(2):130-136,178.

[14]陳小璐,蔣莉.運動康復(fù)對缺氧缺血性腦損傷新生大鼠空間學(xué)習(xí)記憶的影響[J].中國當(dāng)代兒科雜志,2010(5):363-367.