渐进式低氧训练后急性低氧暴露对健康男性大学生脑氧饱和度的影响

马国东，罗冬梅 ，徐 飞 ，胡 扬，李 岳 ，腾轶超

渐进式低氧训练后急性低氧暴露对健康男性大学生脑氧饱和度的影响

马国东1，罗冬梅2，徐 飞3，胡 扬2，李 岳4，腾轶超4

目的：探讨渐进式低氧训练后急性低氧暴露对脑氧饱和度的影响。方法：以45名男性大学生为实验对象，采用近红外光谱技术测试其在6周实验期内，常氧常压、急性低氧暴露（模拟海拔4 800 m）、3周渐进式低氧训练（模拟海拔2 500 m、3 500 m、4 800 m）、再次4 800 m低氧暴露运动时脑氧饱和度、动脉血氧饱和度（SpO2）。结果：3周渐进式低氧训练显著提高脑氧饱和度和SpO2；急性低氧暴露运动中脑氧饱和度和SpO2相对有效下降值存在相关性（r=0.792，P＜0.01）。结论：3周渐进式低氧训练改善脑组织的氧合状况，产生耐缺氧适应；低氧运动时脑氧饱和度随血氧饱和度的下降而降低。

急性低氧暴露；低氧运动；脑血氧饱和度；指脉血氧饱和度

脑组织耗氧量高，短时间缺氧可造成中枢神经系统不可恢复的损伤，长时间缺氧可导致组织功能性和器质性损伤，甚至危及生命[1]。Nielson等[2]报道脑组织缺氧是影响运动能力的一个重要因素。因此要维持运动中脑的正常生理机能，必须供给脑组织稳定、充足的氧气。近红外光谱技术（near infrared spectroscopy，NIRS）对人体组织中氧的变化灵敏，特别是在毛细血管和微静脉这一层次[3]，信号能反映组织细胞摄取氧气的动态变化及组织氧供需的平衡情况[4]。研究表明NIRS技术在实际应用中具备有效性[5－7]。本实验采用基于上述原理研发的TSAH－100型近红外组织血氧参数无损监测仪检测脑氧饱和度。

低氧暴露和运动均可造成机体缺氧，脑组织对缺氧特别敏感，耐受性很差，缺氧时脑氧饱和度会发生相应改变满足大脑供氧需要。Wilber[8]研究认为：低氧刺激的效果并不依赖于低氧刺激的持续性和低氧暴露时间的长短，1～2 h的间歇性低氧刺激比更长时间的持续性低氧刺激更能有效提高机体耐缺氧能力。低氧暴露初期个体差异较大，低氧训练的个体化监控，探索低氧训练适应能力预测指标是当前研究的热点。本研究通过实时检测急性低氧暴露过程中脑氧饱和度的动态变化，揭示3周渐进式常压低氧训练脑组织氧合状况的变化规律及适应过程，对了解低氧暴露情况下运动对大脑机能的影响有重要意义，为科学运用低氧训练提高运动能力提供新的评价指标。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

45名健康男性大学生，世居平原，实验前6个月未经高原或低氧暴露（海拔≥1 500 m）；受试者被明确告知实验具体流程和要求，实验可能造成的低氧不适反应，签署知情同意书。受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况一览表Table 1 Basic condition of subjects

1.2 实验设计

第1周：基础值及恒定负荷运动测试。低氧暴露前1周进行常氧基础值测试，测试前48 h避免剧烈运动。测试环境：温度20～24 ℃，相对湿度46%～67%，气压为 1 014～1 021 hPa。测试安静时脑氧饱和度、SpO2、HR；在GE Ergoselect 1000 LP型卧式功率车（USA）上仰卧休息5 min后，进行恒定负荷（80 W，60 rpm）仰卧蹬车20 min，恢复5 min，运动期间每5 min记录脑氧饱和度、SpO2、HR。

脑氧饱和度采用TSAH－100型近红外组织血氧参数无损监测仪（清华大学医学院生物医学工程系研发，合肥安恒光电有限公司生产）连续监测。测量时将传感器放置在受试者右前额部位，避开脑中线并位于眉骨上方至少2 cm，以避免矢状窦和额状窦的影响，光源与两个检测器之间的距离分别为30 cm和40 cm。

第2周：急性低氧6 h暴露。受试者于常压低氧舱（模拟海拔 4 800 m，FIO2为 13．0%～13．4%）暴露 6 h。进舱后休息30 min；功率车上仰卧休息5 min后，进行恒定负荷（80 W，60 rpm）仰卧蹬车20 min，恢复5 min，运动期间每5 min记录脑氧饱和度、SpO2、HR；30 min 运动测试后，低氧舱内再暴露 5 h（静止休息）。

3周渐进式低氧训练后，第6周再次进行急性低氧6 h暴露（重复第2周测试）。实验地点：北京体育大学低氧训练实验室，实验过程中受试者无异常。

第3～5周：3周渐进式低氧训练。连续3周渐进式低氧训练，每周4次，每次2 h，其中1 h低氧暴露（静止休息），1 h中等强度蹬功率自行车运动。低氧下运动时SpO2变化与最大耗氧量的下降线性相关[9]，是低氧运动时监控运动强度的可靠指标[10]。本研究用Nonin 3100型血氧饱和度仪（USA）测试SpO2，传感器统一夹在左手食指，数据稳定后读数并记录。实验选用SpO2监控运动强度，具体情况见表2。

表2 训练监控指标Table 2 Index of training monitoring

1.3 数据处理

用Excel进行数据采集及整理，用SPSS11．5进行数据分析，组间比较采用单因素方差分析，脑氧饱和度与动脉血氧饱和度之间采用Pearson相关分析。测量与计算结果用（Mean±SD）表示，显著性差异为 P＜0．05，非常显著性差异为 P＜0．01。

2 结 果

2.1 不同状态下脑氧饱和度的变化

表3数据为安静和运动中各时段脑氧饱和度变化的统计平均值，在常氧常压状态下运动开始后脑氧饱和度小幅度上升，运动至10 min左右数据平稳，直到运动结束，恢复期脑氧饱和度没有出现超量恢复。

表3 3种状态下不同时段脑氧饱和度变化情况（%）（n=45）Table 3 Changes in cerebral oxygen saturation in different times of three states（%）（n=45）

急性低氧暴露期间，Hy（pre－）和 Hy（post－）脑氧饱和度的变化趋势基本一致，安静时脑氧饱和度比常氧常压低，运动开始后下降，下降到最低值之后继续运动曲线逐渐趋于平稳直到运动结束，恢复期出现超量恢复。3周渐进式低氧训练后，对比训练前，脑氧饱和度升高，差异具有显著性（F=3．659，P＜0．05，n=45），提示脑组织耐受缺氧能力提高。

2.2 不同状态下SpO2的变化

表4数据显示，常氧状态安静时各时间段SpO2均为最高水平，急性低氧暴露前测各时间段SpO2均为最低水平。安静时SpO2在常氧状态下最高，急性低氧暴露前测时最低，经过3周渐进式低氧训练，急性低氧暴露期间SpO2比训练前显著升高（F=16．723，P＜0．001，n=45）。

表4 3种状态下不同时段SpO2变化情况（%）（n=45）Table 4 Changes in pulse oxygen saturation in different times of three states（%）（n=45）

2.3 脑氧饱和度与SpO2的关联

因为检测器探头位置和角度的不可重复性，脑氧饱和度用相对有效下降值表示，即从安静状态到浓度达最低时的差值。对脑氧饱和度和SpO2进行相关分析，在急性低氧暴露期间运动时脑氧饱和度和SpO2相对有效下降值之间表现出明显的相关性，二者之间相关系数为 0．792（P＜0．01）。

3 分析与讨论

3.1 不同状态下脑氧饱和度的变化

根据蒙特卡洛仿真的结果，光子可以穿透头皮、颅骨等外层组织，进入脑灰质层，因此脑氧饱和度主要反映了受试者脑灰质中的血氧含量。脑氧饱和度监测能迅速反映脑氧代谢的变化，缺氧时灵敏度高于脑电图。动脉氧分压主要取决于吸入气体氧分压和肺的呼吸功能，静脉氧分压主要取决于组织摄取氧的能力。急性低氧暴露期间运动组织细胞加强对氧气的利用，动、静脉氧分压均急剧下降，表现为脑氧饱和度急剧下降。研究表明，给小鼠进行急性重复低氧暴露，可以降低小鼠的代谢率，表现为体温降低、耗氧量和CO2生成减少，而动物对低氧的耐受能力却明显增强[11]。缺氧和运动都会增加平均脑血流速度[12]，本研究3周渐进式低氧训练前后急性低氧6 h暴露期间运动时，脑氧饱和度降低幅度之间有显著性差异。脑对低氧的应答很快，经过3周渐进式低氧训练后，可能启动了低代谢代偿机制，如可以关闭一些ATP依赖性的离子泵以及减少某些蛋白质的合成[13]，在急性重复低氧暴露小鼠所观察到的体温、呼吸频率、心跳明显降低也表明了对能量消耗的减少。以上的机体代谢率降低都可能是脑组织对氧的需求量减少的原因，引起脑氧饱和度下降幅度减小。脑组织在低氧条件下免受损伤的前提条件是保持组织的ATP处于正常水平[14]，在持续性低氧刺激的情况下，通过降低脑组织的代谢来维持其ATP水平。以上分析可以得出：当人体受到低氧的刺激时，机体首先表现出不适应，急性低氧暴露时脑氧饱和度的变化幅度相对常氧大；随着低氧刺激的累积，运动时脑氧饱和度下降幅度减小，对缺氧最敏感的脑组织对低氧的耐受力增强。

3.2 脑氧饱和度的变化与SpO2的关联

动脉血氧饱和度（SaO2）反映Hb与氧结合的能力，根据氧离曲线可知它与血液氧分压相关。脉搏血氧饱和度（SpO2）与SaO2显著相关（相关系数为 0．90～0．98），研究表明 SpO2可以真实反映动脉血液中的血氧饱和度，故监测SpO2可以反映血液的氧合程度。

脑氧饱和度是脑组织中各种微血管血氧饱和度的加权平均值，由于微静脉血流速比微动脉血慢，因此微静脉血在脑氧饱和度中占主要地位[1]，即脑氧饱和度主要代表静脉成分。SpO2是动脉血的氧饱和度，只要人体指端动脉供氧正常，它一般范围在95%～100%。通过SpO2的测试值，能及时评价血氧饱和情况，了解机体氧合功能。SpO2与脑氧饱和度的生理意思不同，如果动脉血液循环正常，而局部脑组织缺氧，则SpO2仍维持正常，但脑氧饱和度降低。

Hadolt[15]指出，低氧导致的脑氧饱和度降低幅度要明显少于SpO2的降低幅度，原因是SpO2对低氧的敏感度较高，而脑组织血流的自调节功能可导致脑氧饱和度避免出现较大波动。本文研究结果与前人无矛盾。在急性低氧暴露期间运动时SpO2与脑氧饱和度变化趋势基本一致。低氧暴露期间二者相关系数为0．792（P＜0．01）。SpO2只能在少数部位进行测量，不能实现体表大多数部位供血供氧状态的无损伤监测，从这些部位测得的参数能反映全身动脉血氧饱和度的变化情况，却无法反映脑组织血氧饱和度的变化情况。由此提示脑氧饱和度与SpO2一样，可以反映个体对低氧的适应能力，对制定有效提高运动能力的最适宜低氧暴露计划有一定的应用价值，但其机制仍有待进一步研究证实。

4 结 论

（1）3周渐进式低氧训练显著提高脑氧饱和度，改善了脑组织的氧合状况，产生耐缺氧适应。（2）急性低氧暴露期间运动时脑氧饱和度和SpO2相对有效下降值呈正相关，提示脑氧饱和度受全身氧供状况影响很大，有充分的全身供氧，才会有大脑局部的氧供增加。脑氧饱和度有望成为低氧训练适应能力的简单无创预测指标。

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Effects of Acute Hypoxia Exposure on Cerebral Oxygen Saturation after Stepwise Hypoxic Training in Male College Students

MA Guodong1，LUO Dongmei2，XU Fei3，HU Yang2，LI Yue4，TENG Yichao4
（1．Jilin Institute of Physical Education，Changchun 130022，China；2．Beijing Sports University，Beijing 100084，China；3．Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China；4．Dept．of Biomedical Engineering，School of Medical，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Objective：To study the effect of progressive hypoxic training during acute hypoxia exposure on cerebral oxygen saturation．Methods：Cerebral oxygen saturation and arterial oxygen saturation （SpO2）of 45 male college students were measured in different conditions，exercised at normoxia，acute hypoxic exposure（simulated altitude of 4 800 m），three－week progressive hypoxic training（altitude control for 2 500，3 500，4 800 m），again acute hypoxic exposure（simulated altitude of 4 800 m）during the experimental period by near infrared spectroscopy．Results：The three－week training in progressive hypoxia significantly increased cerebral oxygen saturation and SpO2；the relative decline in value the effective correlation coefficient was 0．792 （P＜0．01）between brain oxygen saturation and SpO2during acute hypoxic exposure．Conclusions：The three－week progressive hypoxia training to improve the oxygenation status of brain tissue，resulting in hypoxia adaptation；cerebral oxygen saturation decreased with a decline in oxygen saturation during hypoxic exercise．

acute hypoxia exposure；hypoxic exercise；cerebral oxygen saturation；pulse oxygen saturation

G 804．7

A

1005-0000（2010）05-0385-03

收稿日期：2010-05-20；

2010-07-26；录用日期：2010-08-01

国家自然科学基金项目（项目编号：60578004）；北京市教委重点实验室开放性课题

马国东（1969-），女，吉林长春人，副教授，研究方向为运动人体科学。

1.吉林体育学院运动人体科学系，吉林长春130022；2.北京体育大学，北京100084；3.浙江工业大学，浙江杭州310014；4.清华大学医学院生物医学工程系，北京100084。