振动对神经系统危害性的研究综述

徐树礼

恰当利用振动会对机体带来良好的生物学效应[1，2]。这一研究成果在运动训练、大众体育、太空、美容、医学和康复等领域，已经显示了极大的优势和潜力，采用的频率集中在1Hz～60Hz，振幅1mm～10mm，加速度0.1～15.0×9.8m/s2和暴露时间3min～640min[3～7]。不适宜的振动可能会造成机体器官损伤或功能性损害[8]，影响组织分子结构、生物氧化和能量代谢过程，产生各种不良的生理反应[9]，其中对神经系统的影响最为严重。1970年代，国际标准化组织已将振动列为七大环境公害之一，成为一种环境污染[10]，我国也将振动病列为法定职业病，称振动性血管神经病。

国际标准 ISO2631(第二版)[11]、我国最新的 GB/T13442—1992《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则》[12]，都是针对人体各种器官的共振最敏感频率0.5Hz～80Hz 、振幅1mm～10mm、加速度0.04m/s2～100m/s2和暴露时间1min～480min进行限定。日本是振动研究比较先进的国家，2000年最新颁布了关于全身振动和手传局部振动容许强度标准[12]，限定范围更大。显然，利用振动与产生振动病的主要参数集中范围有明显交叉，而人们却很少关注甚至忽略其对神经系统的危害性。

美国一条高速公路两旁的树木突然死去的原因是过往汽车产生的振动，中国天坛公园和故宫御花园古木的死因是因为游人太多，脚踩地面产生振动所致。植物如此害怕振动，人类呢？因此，对有关振动危害性的研究具有重要意义。

1 振动对神经系统功能的影响

1.1 振动对中枢神经系统功能的影响

全身振动可直接作用于中枢神经系统引起病变，使大脑皮层功能下降、条件反射潜伏期延长、脑电图改变等。对神经系统的影响与接振的频率关系很大[13]。低频(10Hz以下)时，面部软组织的共振引起眼震颤，视敏度降低、视觉模糊和视野改变，使得人识读数字受限，计算能力下降，表现为闪光融合频率下降，视觉-运动反应时延长及视读错误率增大，语言明显失真或间断，精细操作困难，判读仪表和分辨力降低，动作不协调，操作误差增加，甚至误操作造成人身或设备事故等[14]。

当振动达到一定强度后，人体会出现注意力不易集中、平衡和定向障碍，如头痛、头晕、易于疲劳、记忆力减退、耳鸣、入睡困难等神经衰弱综合症[15]。大于 20 Hz 的全身振动对神经系统的影响表现在皮层和皮层下结构功能的损害、脑血液供应障碍、间脑功能紊乱、中枢神经系统小病灶症状等[16]。长时间全身振动暴露，中枢神经系统可能发生共振，导致振动病。振动性神经病变，在一定条件下，比振动性血管损伤的危害更加明显[17]。

局部振动对中枢神经功能影响的研究报告较少。手臂振动作业使中枢神经短潜伏时体感诱发电位、脑干听觉诱发电位均出现了异常[18], 提示手臂振动对从外周神经 (听神经) 到中枢神经 (桥脑下段) 的整个听觉通路均有影响。国外研究结果表明，长期接振工人颅脑核磁共振图像无明显变化, 认为手臂振动在短时间内尚不致引起中枢神经系统形态学的改变[19]。局部振动对中枢神经是仅仅造成功能性改变还是可以造成器质性病变，尚待进一步研究。

1.2 振动对周围神经系统功能的影响

小于20Hz的全身振动主要引起精神-神经-植物神经稳定性改变, 表现为非特异性应激性增高、感觉障碍增多以及原发功能紊乱, 如头痛等症状。手麻、痛、手僵及下肢酸痛的发生率较高，与全身振动引起周围神经血管功能改变有关。

局部振动引起以末梢神经感觉和运动障碍为主，皮肤感觉、痛觉、触觉、温度觉功能下降[20]。手臂振动可致作业工人血中儿茶酚胺及其代谢产物异常等。表明手臂振动可致植物神经功能紊乱，主要表现为交感神经功能亢进和副交感神经(迷走神经)功能下降。交感神经兴奋性增高可导致外周血管的张力增高，表现为小动脉的收缩、痉挛，而这正是振动性外周血管损伤的基本表现[21]，从而引起外周循环功能障碍使腕部组织缺血、缺氧, 不仅加重腕部组织损伤，而且影响损伤修复，导致腕管综合征的发生[22，23]。提示手臂振动对正中神经具有直接的损伤作用，如机械性损伤、循环功能异常等，造成作业工人外周神经和外周血管功能的损害随接振时间的延长有加重趋势。作业工人振动觉阈值明显增高, 与接振强度、接振时间、接振剂量密切相关, 有剂量-反应关系，与感觉神经功能损害呈显著正相关。

长期从事手臂振动作业不仅使神经干功能发生异常改变，而且在神经-肌肉接头处也会发生传导功能异常，使神经兴奋性明显减低，可能与周围神经发生脱髓鞘改变有关。长期接触强烈的局部振动引起血管神经症，典型表现为肢端血管痉挛，末梢循环及周围神经末梢感觉机能障碍和上肢骨与关节改变，表现为手麻、手僵、发冷、发白、疼痛、上肢关节无力，手指痉挛，指甲松动脱落等。严重时常出现“白指”、“死指”，使脉管和神经组织逐渐退化，最后使手失去知觉和操作能力，产生多发性神经炎,严重的振动病还会伴有明显的精神病症状, 可能会导致永久性残疾。

2 振动对神经电生理的影响

振动性神经病变使正中神经各刺激点相应的感觉神经传导速度减慢，动作电位潜伏时延长、动作电位波幅显著降低, 桡神经动作电位波幅显著降低[25]。周围神经传导功能也会发生损害。振动工具使用时间 (实际接振时间) 是感觉神经传导功能损伤的最重要因素[26]。国内研究者对砂轮磨光工、金矿凿岩工的调查也有类似结果[27]，同时也有动物实验方面的研究结果。

3 振动对神经纤维的生物学效应

局部振动使跖神经中的无髓神经 (C 类神经纤维) 发生了可逆性改变。主要表现为细胞体骨架结构的紊乱和滑面内质网密度增高，这种变化与手臂振动所致温度觉 (主要由无髓鞘的 C 类神经纤维传导) 阈值增高有密切关系[28]；可致交感神经功能异常进而导致血管功能异常。这显然与手臂振动病的表现具有一致性。

振动对髓纤维的损伤。通过对接振工人死亡后的指尖部神经检查发现，主要问题为脱髓鞘、轴突退化、神经束膜和神经内膜的纤维化以及雪旺细胞的增生。提示手臂振动可对雪旺细胞造成影响，因雪旺细胞在神经再生、周围神经结构组成中的特殊地位和作用，这种影响对跖神经的有髓纤维大于坐骨神经，可能是由于跖神经更多地接受了振动能量 ( 更靠近振动台面)。

还有研究者发现，神经细胞体出现髓鞘质的外溢以及细胞间质和神经束膜的纤维化，患者的脱髓鞘变化处在不同时期，似与接振时间呈正相关关系。神经中胰岛素样生长因子的表达明显增强，上述改变的生化基础可能与神经细胞内钙离子超载有一定关系。

4 振动的神经内分泌生物学效应

4.1 环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷

振动暴露白指组、振动暴露未发生白指组和无振动暴露的对照组血浆环磷酸腺苷和环磷酸鸟苷浓度在7℃时较 25 ℃均有升高，且振动暴露白指组和振动暴露未发生白指组升高幅度显著高于对照组。提示振动暴露可使患者交感神经活性明显增强，副交感神经的功能低下, 并且这种改变与体内儿茶酚胺的水平呈一致性。

4.2 去甲肾上腺素

振动暴露白指组在寒冷情况下 (7℃) 较室温情况下 (25 ℃) 血浆去甲肾上腺素浓度明显高于无振动暴露的对照组。这与寒冷环境中振动暴露白指组的发病率增高一致；振动暴露白指组患者在面对应激时, 尿中儿茶酚胺的浓度较对照组明显增高。表明手臂振动可通过增强肾上腺髓质的功能而增强交感活性[29]。

4.3 振动对血管活性物质的影响

坐骨神经的运动神经纤维轴浆逆向运输减少甚至中断, 同时大量过氧化物酶染色呈阳性的物质沉积在支配比目鱼肌运动神经、胫神经、坐骨神经远端以及伴行的小血管内。表明振动性神经损伤可能与活性氧增多、血管功能异常、振动波对神经机械性的冲压有关。

5 振动训练的神经生物学研究进展

5.1 振动训练的生物学基础

振动对机体影响的主要机制是神经系统调节机能的改善。神经系统对力量的调节，主要体现在运动单位的募集、冲动频率、神经协调、抑制的减小和反射的调节[30]。力量的提高和发展是以神经中枢兴奋和抑制过程的强度和集中，以及相适应的神经过程充分协调为前提而建立起来的各种用力动作的条件反射的结果，主要受中枢神经系统的调节机能和肌肉肥大两个因素的调节。振动刺激的递减性传递引起中枢神经功能加强，导致更多的肌纤维参与运动。机体承受负荷过程中非对称性周期性振动可能导致中枢神经系统协调性的改善，突触的可塑性是极限力量突破的神经生物学基础[31]。训练负荷对神经系统先在结构存在自组织反应[32]，振动负荷引起脑功能的自组织适应[33]，引起机体极限涨落训练所造成的神经系统内相关神经元功能矩阵的高幅涨落，是神经元功能矩阵从空间与时问进行适应性调整的根本动力，是造成网络内最佳生态位的惟一途径；当最佳生态位达到一定累积时，训练效应累积具有不可逆特点，可达到极限突破[34]，但振动神经损伤的量—效关系尚缺少更充分的资料[35]，振动危害和因素的作用机理尚未完全弄清，振动能量在手臂的传播等基础性研究在国内还是空白。手臂振动导致植物神经功能紊乱可能是作业工人外周循环功能异常的原因，致外周血管功能受损的发病机制尚未明了。

5.2 预防振动病的标准研究

相对日本及欧洲各国而言, 我国对预防振动病标准的研究起步比较晚，深度还不够。1970年代，国际标准化组织制定了ISO 2631《人承受全身振动的评价指南》，分别于1978、1982、1985、1989、1991、1994年做了一些补充和修订，1997年再版了ISO 2631/1(第2版)《机械振动和冲击——人承受全身振动的评价》第一部分：基本要求，这是人体振动响应最新研究成果的产物。

国内率先开展此项研究的是航天医学研究所，此后铁路及其他行业也开展了相关研究，制订了GB/T 13441—92《人体全身振动环境的测量规范》及GB/T 13442—92《人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则》等，并进行了大量有关人体承受振动的研究、验证工作。

医学界等行业专家、学者为减少振动病的发生，在限制以至消除振动源、限制接触振动的时间和强度，阻断振动传播的途径等方面进行了一系列的研究；还通过采取隔振装置，保健措施，控制作业环境的寒冷、噪声等因素的危害，加强健康管理和个人防护, 定期神经科健康检查等一系列措施，尽可能预防振动病的发生。此外对振动接触者进行早期诊断和预防，积极加快防振护具的研发，使操作者不直接接触到对身体有害的振动，从根源上防止或限制振动可能产生的危害。

6 目前研究存在的问题和应用展望

6.1 存在的问题

振动刺激训练使用特定频率、振幅、加速度、振动方式和暴露时间的振动波代替人脑发生的神经冲动，诱使机体神经适应按人为要求设计的振动波，达到各种目的，虽有功效，但同时干扰甚至破坏了人体正常的生物电，对机体各系统，特别是神经的副作用较大。文献中关于“振动对某一方面(力量、速度、柔韧性、疲劳等)的影响”的研究，仅仅就两者相关性进行研究，而没有考虑到振动采用的频率。人体各种器官特别敏感的共振频率在0.5～80Hz(见图1)。1～30Hz的振动可引起全身多处共振，受振作用最强；50～150Hz的振动可引起神经、肌肉等的直接损伤[36]。与身体某一或部分器官或机体的固有频率接近或一致，可能会产生共振，此时对某一或部分器官或机体的影响和危害最大。因此，需要根据选取的振动频率、人体各部分固有频率、接触物对频率的吸收作用等因素对某一或部分器官或机体加强医务监督。同样，因振幅、加速度、振动方式、接触方式和暴露时间等其他振动参数的变化，以及振动后神经系统自身的调节如何进一步适应，也应该进行严格的医务监督，否则过犹不及。正如不能因为兴奋剂能提高兴奋性，使机体表现出更高竞技成绩，而漠视其危害性一样。所以，对教练员振动训练参数设计和医务监督能力等均有很高的要求，在今后的科研和训练中将进一步核实这些细节问题，对振动进行更充分的了解，权衡利弊，以便更好地利用振动，预防潜在危害。

图1人体各部分固有频率

6.2 应用展望

据阿巴杰耶夫、弗尔纳杰夫、沃罗比耶夫和郭廷栋等人的研究，在超强度的训练中，内分泌系统起巨大作用，但长时期提高内分泌系统的活动(超过7～8周)能导致其衰竭，引起某些疾病，如神经症状、内分泌症状和内脏症状等(即安静时交感神经兴奋性增加、心率加快、体力下降等)。因此，通过振动刺激突破人体机能极限的方法不宜长期使用。应通过实验论证，针对不同目的、不同项目、不同类型和不同个体积极探索振动参数，将是以后研究的方向，将对创新训练手段、方法和开发适用于不同领域的新器材具有积极意义。

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