朱曉涵，周 晨，齊海英，樓驍斌，蘇詩欣，韓 霖，楊 健，李 稼*&

(1.首都兒科研究所附屬兒童醫(yī)院，神經(jīng)內(nèi)科，北京 100020； 2.驕陽智心教育咨詢有限公司，北京 100089； 3.青海省婦女兒童醫(yī)院，電生理科，西寧 810000； 4.廣州市婦女兒童醫(yī)療中心，廣州醫(yī)科大學，兒科研究所，臨床病理生理研究室，廣州 510623； 5.廣州市婦女兒童醫(yī)療中心，廣州醫(yī)科大學，心臟中心，廣州 510623)

認知功能是人類最具代表性的能力之一，當前少有涉及高海拔缺氧如何影響個體認知功能發(fā)展和代償?shù)难芯?。雖然腦組織重量只占全身重量的2%，但它的耗氧量占全身耗氧量的20%。[1-3]高海拔缺氧環(huán)境令大腦的功能和代償功能面臨挑戰(zhàn)。[4]兒童和青少年的神經(jīng)運動速度略有降低。[5]由于腦活動的減緩與腦血流速度的降低同時發(fā)生，因此這種變化被認為是一種代償而非缺陷。[6，7]與上述研究一致的是，居住在海拔3 700～4 900米處的蓋丘亞族人腦部葡萄糖代謝水平降低。[7]從一定程度上言，腦代謝水平的降低可能有助于維持整體腦氧運輸平衡。運用近紅外光譜技術(Near infrared spectroscopy，NIRS)檢測發(fā)現(xiàn)，盡管高海拔地區(qū)居民全身動脈血氧飽和度(Arterial Oxygen Saturation，SaO2)降低，但其腦氧飽和度(Cerebral oxygen saturation，ScO2)與低海拔地區(qū)居民相似。[8]

基于改良郎伯-比爾定律發(fā)明的功能性近紅外光譜(Functional near infrared spectroscopy，fNIRS)技術是一種能夠通過光吸收程度變化來無創(chuàng)測量個體執(zhí)行認知任務時大腦皮層氧合程度的新興技術。[9]通過測量大腦皮層單位采樣體積中700～900 nm光的衰減量監(jiān)測氧合血紅蛋白(Oxyhemoglobin，oxy-Hb)和脫氧血紅蛋白(Deoxyhemoglobin，deoxy-Hb)的濃度變化，用于評估腦功能的動態(tài)變化情況。[10-12]

青藏高原的藏族人對高原產(chǎn)生了獨特的生理代償。[13，14]本研究擬了解中國高海拔地區(qū)高中生認知水平與氧合血紅蛋白含量變化情況，初步分析其相關性。

1.方法

1.1 研究對象

三組年齡與性別相匹配(P>0.05)：久治組有藏族高中生21名(男生12名，女生9名；平均年齡16.0±1.1歲)；拉薩組有藏族高中生24名(男生11名，女生13名，平均年齡16.4±0.7歲)；北京組有漢族高中生23名(男生10名，女生13名；平均年齡16.5±1.0歲)。所有研究對象都在相應地區(qū)出生和成長。本研究方案獲得了北京首都兒科研究所機構研究倫理委員會的批準。

1.2 認知評估方法

由一名評估師采用《中國大陸漢族和其他少數(shù)民族人群常?；捻f氏兒童智力量表(第四版)》評估全體研究對象的認知功能。[15，16]中國大陸版量表的適用年齡從最初的6～16歲擴展到了6～18歲。量表可反映兒童一般智力水平的IQ分數(shù)。此外，它還提供四個主要的指數(shù)分數(shù)(即語言理解指數(shù)、知覺推理指數(shù)、工作記憶指數(shù)和加工速度指數(shù))，這些指數(shù)更具體地代表了兒童在相應領域的認知水平。各分數(shù)的平均值為100，標準差為15。得分≤85分即低于總體均值1個標準差或以上時被認定為低分。

運用NIRS和fNIRS技術測量大腦氧合水平。兩種不同的技術分別被用以測量認知評估前的靜息態(tài)ScO2和認知評估過程中的ScO2變化。

久治組的21名藏族高中生中有17人不理解標準漢語，需借助翻譯。拉薩組的所有藏族高中生和北京組的所有漢族高中生都理解標準漢語。

1.3 NIRS檢測方法

使用EGOS-600近紅外光譜儀(EnginMed，中國蘇州。該儀器的探測器主要由近紅外光發(fā)射器和距離為5cm的光接收器組成)檢測研究對象認知評估前的ScO2。ScO2可由公式[ScO2=oxy-Hb/(oxy-Hb+deoxy-Hb)×100%]算出。探測器置放于研究對象的前額中線處，檢測時長為5分鐘，每1分鐘記錄1次數(shù)據(jù)。5分鐘內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值為研究對象的靜息態(tài)ScO2。

1.4 fNIRS檢測方法

采用NIRScout系統(tǒng)(NIRxMedizintechnik GmbH，德國柏林)檢測研究對象完成知覺推理測試中“玩具磚”任務時的大腦皮層氧合水平變化情況，通過檢測大腦皮層單位采樣體積中的光衰減率(采樣率為7.81 Hz)測定oxy-Hb或deoxy-Hb的濃度。使用改進的腦電圖帽(http：//nirx.net/nirscaps/)將8個光發(fā)射器和7個光探測器布置在覆蓋于雙側(cè)額中腦區(qū)的兩個網(wǎng)格中。光發(fā)射器與探測器的間距為3.0 cm。該設置產(chǎn)生20個測量通道，大腦左右半球各占10個測量通道(圖1)。

從生理學角度言，神經(jīng)-血管耦合原理預測了因過度補償上升的氧需求量，部分腦區(qū)的局部腦血流會增加，從而導致腦區(qū)神經(jīng)信號增強。[17]因此，我們預期相應腦區(qū)出現(xiàn)以oxy-Hb增加為特征的fNIRS信號。

共有8個光發(fā)射器和7個光探測器被布置在覆蓋于雙側(cè)額中腦區(qū)的兩個網(wǎng)格中。光發(fā)射器與探測器之間的距離為3.0 cm。本設置產(chǎn)生20個通道，各半球有10個通道

1.4.1 fNIRS數(shù)據(jù)處理方法

使用nirsLABv2013.1軟件將原始fNIRS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成Matlab軟件格式數(shù)據(jù)。通過低通濾波器去除0.3 Hz呼吸和1 Hz心率的高頻信號。使用閾限為0.02 Hz的高頻濾波器去除低頻(小于0.01 Hz)血管或代謝振顫。根據(jù)Deply提出的方法[18]計算oxy-Hb濃度變化(μmol/L)。研究對象在完成“玩具磚”任務前5個游戲與認知任務結束后30秒內(nèi)的平均信號振幅差代表大腦氧合激活強度。此外還收集每位研究對象在完成“玩具磚”任務前5個游戲上花費的時間。

1.5 統(tǒng)計學方法

2.結果

表1呈現(xiàn)了久治、拉薩和北京地區(qū)三組高中生的認知評估結果。久治、拉薩兩個高海拔組在IQ和言語理解指數(shù)、知覺推理指數(shù)、工作記憶指數(shù)、加工速度指數(shù)上的得分均顯著低于北京組(P<0.001)。在兩個高海拔組中，久治組的認知評估得分顯著低于拉薩組(P<0.001)。

表1 久治、拉薩和北京地區(qū)三組高中生認知評估得分

表2呈現(xiàn)了久治、拉薩和北京三組的SaO2和ScO2的檢測結果。久治和拉薩兩個高海拔組的SaO2(90.2±3.8% vs 91.6±2.6%)顯著低于北京組(99.1±0.64%，P<0.001)。久治和拉薩兩組間SaO2無顯著性差異(P=0.164)，ScO2也無顯著性差異(65.6±1.3% vs 65.1±1.3%，P=0.205)。然而，兩個高海拔組的ScO2均顯著高于北京組(63.9±1.8%，P=0.001和0.012)。

表2 久治、拉薩、北京三組高中生動脈血氧飽和度(SaO2)和腦氧飽和度

表3呈現(xiàn)了三組在知覺推理前5局“玩具磚”任務中，覆蓋于雙側(cè)額中腦區(qū)域的fNIRS檢測通道1～20的氧合血紅蛋白濃度變化情況。在通道6和15中，兩個高海拔組氧合血紅蛋白的變化顯著大于北京組(Ps<0.050)。在通道7中，僅久治組的氧合血紅蛋白的變化(P=0.037)顯著大于北京組，拉薩組與北京組無顯著性差異(P=0.610)(圖2)。6、7、15通道之間的氧合血紅蛋白的變化均無顯著性差異(Ps>0.600)。三組在其余通道上均無顯著性差異(Ps>0.080)。

表3 久治、拉薩、北京地區(qū)三組高中生知覺推理測試前5局“玩具磚”任務中氧合血紅蛋白變化數(shù)值

續(xù)表：

與北京組相比，兩高海拔組完成前5局“玩具磚”任務所需時間顯著延長(久治組137.984±44.492s；拉薩組90.619±45.404s；北京組61.976±15.654s；久治組與北京組P<0.001；拉薩組與北京組P=0.009)。在兩高海拔組中，久治組所需時間顯著長于拉薩組(P=0.001)。

3.討論

本研究結果顯示，久治和拉薩兩個高海拔地區(qū)藏族高中生的認知功能均顯著低于低海拔地區(qū)的北京漢族高中生。盡管久治和拉薩兩地的海拔高度幾乎相同，但久治組高中生的認知功能更低。相反，盡管兩個高海拔組的SaO2顯著低于北京組，但是高海拔組的ScO2顯著高于北京組。兩個高海拔組中某些通道的氧合血紅蛋白變化水平顯著大于北京組。此外，兩個高海拔組完成同一認知測試所需的時間明顯長于北京組。本研究數(shù)據(jù)顯示，出生和生活于高海拔地區(qū)的高中生的認知功能受到了損傷。

目前關于高海拔地區(qū)原住民認知代償?shù)难芯繄蟮垒^少，且一些針對高海拔原住民的研究結果相互矛盾。科學家們在玻利維亞的安第斯山脈進行了一系列研究，一項橫斷面研究調(diào)查了生活在海拔500、2 500米和3 700米處嬰兒、兒童和青少年的相關情況，結果顯示不同海拔地區(qū)嬰兒的神經(jīng)發(fā)育水平相當，兒童和青少年的精神運動速度隨居住高度的增加略有下降，所有觀察對象在其他領域沒有顯著差異。[5]類似情況在4歲到85歲的人群中也有。[19]由于腦活動的減緩與腦血流速度的降低同時發(fā)生，因此這種變化被認為是一種代償而非缺陷，后續(xù)研究使用靜息態(tài)腦電圖證實了這一觀點。[6，7]與500米相比，生活在海拔3 700米處高中生的腦電圖δ和β波的頻率和振幅有所降低。因此，代謝需求的動態(tài)調(diào)節(jié)可被認為是一種在高原地區(qū)保持認知發(fā)育的代償性機制。[6]一項針對居住在安第斯山脈海拔3 700米～4 900米處蓋丘亞原住民的研究進一步支持了上述觀點，正電子發(fā)射斷層掃描結果顯示，與低海拔地區(qū)居民相比，蓋丘亞人大腦各區(qū)域的葡萄糖代謝率降低。代謝降低在原始大腦結構(如小腦)中最不明顯，在與高級皮層功能相關的腦區(qū)(如額葉皮層)中最明顯。[7]

上述觀察結果提出了一個有趣的假設，即人類對慢性缺氧的代償會導致相應的腦代謝降低和腦活動減少，這些改變能夠最小化缺氧所致的負面影響。而本研究的大腦氧合數(shù)據(jù)也能夠支持該假設。與北京組相比，久治和拉薩兩個高海拔組的SaO2顯著降低，說明高海拔地區(qū)高中生血氧不足，而他們的靜息態(tài)ScO2卻明顯升高。用NIRS測得的ScO2反映了腦組織動脈、靜脈和毛細血管的綜合氧飽和度，代表了腦氧運輸?shù)目傮w平衡狀況。除了歸因于腦代謝水平降低外，ScO2與SaO2之間的差異還可歸因于血細胞比容的增加，該差異表明了血氧不足時腦氧運輸依舊得到了很好的維持。[8]

藏族人已在青藏高原生活了大約3萬年，代表了世界上最古老的高原居民，對高原有著獨特的生理代償模式。[13，14]然而，少有研究涉及他們在認知功能方面的代償情況。

本研究采用《中國大陸漢族和其他少數(shù)民族人群常模化的韋氏兒童智力量表(第四版)》評估研究對象的一般智力以及言語理解、知覺推理、工作記憶和加工速度四項子能力。久治組和拉薩組的認知評估得分均顯著低于北京組。比較久治和拉薩兩個高海拔組后發(fā)現(xiàn)盡管兩組的海拔高度幾乎相同，但久治組的認知評估得分顯著低于拉薩組，該結果提示缺氧對高中生認知功能的影響有限。值得注意的是，久治組的得分低于總體均值2個標準差，而拉薩組的得分低于總體均值1個標準差，即在正常范圍內(nèi)。此外，兩個高海拔組在進行相同的認知測試時所花費的時間比北京組長。本研究還使用fNIRS檢測了研究對象在執(zhí)行認知任務過程中雙側(cè)額中央皮層的腦氧合水平，該水平對認知功能的判定有重要作用。與認知測試表現(xiàn)相反，fNIRS檢測結果顯示與北京組相比，兩個高海拔組在完成“玩具磚”任務期間于通道6和15(還有久治組的通道7)的氧合血紅蛋白濃度上升更多。該結果與ScO2檢測結果基本一致。綜上所述，本研究數(shù)據(jù)可反映與高原相關的兩項大腦生理變化：第一，高海拔地區(qū)居民需付出更多努力來完成相同的認知任務；第二，高海拔地區(qū)居民有足夠的氧供應儲備以代償執(zhí)行認知任務期間更大的氧需求量。事實上，高海拔地區(qū)居民在心血管、呼吸系統(tǒng)和血液系統(tǒng)中有一些重要的代償機制來促進血氧運輸。[13，20-22]我們的發(fā)現(xiàn)或可被上述“代償性機制與減緩腦活動機制”所解釋[5-7，19]。

本研究具有重要的意義。世界上大約12%的人口生活在山區(qū)，約有7.5億人。據(jù)估計，有1.4億的山區(qū)居民生活在海拔超過2 500米的地方，其中有7 800萬人生活在喜馬拉雅山脈，包括生活在青藏高原的800萬人。[23，24]本研究中觀察到的高海拔高中生存在認知障礙這一現(xiàn)象令人關注。進一步的研究需要關注可能影響高海拔地區(qū)居民認知發(fā)育的生理因素和其他因素。如果可能的話，需要對其中一些因素進行干預以抵消高海拔對認知功能的負面影響。

本研究的局限性在于，僅僅利用近紅外光技術和功能性近紅外光譜技術研究了大腦氧合與認知功能的關系，并未使用腦電圖、經(jīng)顱骨多普勒和功能性磁共振等能夠提供更多關于大腦生理和功能改變信息的其他技術。

高海拔地區(qū)高中生認知水平較低，且久治組比拉薩組更低。兩個高海拔組高中生更大程度的氧合血紅蛋白變化表明他們在認知任務中需更強的腦部活動，這些腦活動得到了腦氧輸送的代償。本研究數(shù)據(jù)提示高海拔地區(qū)高中生的認知功能不僅僅受慢性缺氧限制。因此，在可能的情況下，需付出更多努力來修正其中的一些因素，以改善高海拔地區(qū)原住民的認知功能。