仲曉寒 高夢雅

(上海體育學院運動科學學院 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]。學習和記憶是大腦的高級功能之一,海馬是學習和記憶的關(guān)鍵部位,由于海馬對低氧非常敏感,學習和記憶能力也易受低氧環(huán)境影響。目前低氧對空間學習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,認知能力下降[3]。研究發(fā)現(xiàn),適度的低氧可以增強人的認知能力,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習和記憶能力。孫正啟等將大鼠置于模擬海拔6000m的低壓艙內(nèi)24h后,大鼠的空間學習記憶能力降低[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重低氧的耐受性增加,從而避免遭受更嚴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)細胞對缺氧的適應(yīng)的訓練[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,其空間學習記憶能力得到提高,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習記憶能力沒有影響[8]。

2 低氧訓練

低氧訓練(hypoxictraining)是人體在低氧環(huán)境下訓練,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練己經(jīng)被廣泛應(yīng)用。已有大量文獻表明低氧訓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,但對空間學習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高度低氧耐力訓練,研究發(fā)現(xiàn)在海拔3500m采取高住低練(耐力性訓練)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練適應(yīng)及對運動能力影響的可能機制:低氧訓練中低氧環(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習能力,但是低氧和運動雙重刺激則會抵消單獨低氧或運動對學習的促進作用,當氧濃度為11%時低氧和運動的雙重刺激還會降低大鼠的空間學習能力。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、學習、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習記憶能力下降,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習記憶能力的損害。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習記憶能力[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)學習記憶的神經(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)可明顯提高學習記憶能力,改善諸如腦外傷、神經(jīng)變性疾病等患者的認知功能,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]。

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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.

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

[11]魏星.低氧訓練對大鼠空間學習記憶和海馬齒狀回新生細胞數(shù)量的影響[D].上海體育學院,2011.

[12]康晶,王月華,何靜雅,等.慢性間歇低氧對大鼠認知功能及大腦環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)單元結(jié)合蛋白表達的影響[J].武漢大學學報(醫(yī)學版),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習記憶能力及情緒的影響[J].中國運動醫(yī)學雜志,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習記憶的影響[J].中國當代兒科雜志,2010(5):363-367.