地低氧干预对空间学习记忆影响的研究进展①

仲晓寒 高梦雅

(上海体育学院运动科学学院 上海 200438)

单位体积的大脑耗氧量极高,对于缺氧和缺血十分敏感[1]。学习和记忆是大脑的高级功能之一,海马是学习和记忆的关键部位,由于海马对低氧非常敏感,学习和记忆能力也易受低氧环境影响。目前低氧对空间学习记忆影响的研究主要集中在三个方面:大众健康、竞技体育高原训练和临床疾病。

1 低氧与大众健康

随着国家经济水平的日益提高和交通条件的日渐便利,越来越多的人选择去高原地区短期旅游或者从事西部大开发建设工作。由于高海拔地区具有低温、低氧、低压和强紫外线等特殊环境特点,这些人往往会不适应高原环境而出现头痛、头晕、胸闷、失眠等急性高原反应(AMS)症状。世居高原的藏人对高原环境产生了很强的适应,他们的血液携氧能力和血流速度都比平原人高(Beall et al.,2004年;Erzurum et al.,2007年)。而短时间内从低海拔地区进入高原人群往往表现出更强烈的低氧反应[2]。

低氧也会造成人认知功能的改变。Janssen在攀登勃朗峰时就发现他的手指运动协调性能变差,呼吸调节能力降低,认知能力下降[3]。研究发现,适度的低氧可以增强人的认知能力,Kelman等人模拟海拔2438m高原环境发现研究对象的卡片分类测试表现有所提高[4]。已有的一些动物实验结果表明,急性低氧环境会损伤动物的空间学习和记忆能力。孙正启等将大鼠置于模拟海拔6000m的低压舱内24h后,大鼠的空间学习记忆能力降低[5]。Shukitt等模拟5500～6400m海拔高度低氧干预,大鼠运动能力下降,逃脱时间延长,空间记忆能力损伤[6]。

低氧预适应是机体经过短暂的重复性低氧预暴露,使器官或组织对后继严重低氧的耐受性增加,从而避免遭受更严重的低氧性损害的一种内源性保护机制。Maiti等人发现短时间的模拟低压低氧干预可使大鼠的空间记忆能力呈现明显下降,脑内氧化应激产物含量增加,抗氧化系统功能降低,大鼠大脑皮质、海马和纹状体均出现神经变性、细胞凋亡等形态变化。而处于模拟低压低氧环境21d后,大鼠的空间记忆能力有改善,抗氧化活性增强。这说明因低压低氧环境可致神经元出现凋亡,故在进行神经保护上可进行诱导细胞对缺氧的适应的训练[7]。张家兴等建立了“低氧促进记忆模型”——出生后数天的小鼠在连续3周或4周2000m间歇性低氧干预(4h/d)后,其空间学习记忆能力得到提高,成年后仍可以检测到此现象;但是低氧干预对成年小鼠的空间学习记忆能力没有影响[8]。

2 低氧训练

低氧训练(hypoxictraining)是人体在低氧环境下训练,利用环境缺氧和运动缺氧双重刺激(同时或交替),使人体产生一系列的特殊生物学效应,以调动体内的机能潜力,从而产生一系列有利于提高运动能力的抗缺氧生理反应。随着竞技体育的飞速发展,在中长跑、游泳、自行车、越野滑雪、水上项目等运动项目中低氧训练己经被广泛应用。已有大量文献表明低氧训练可以提高运动员对缺氧的适应和耐受能力以及有氧运动能力,但对空间学习记忆能力的影响研究不一。

Nelson发现,在35天的麦金利峰攀登过程中,登山者在海拔5000m出现了空间记忆能力的损伤,而在海拔3800m并未出现空间记忆能力的改变[9]。洪平等人[10]模拟4周或6周海拔3500m高度低氧耐力训练,研究发现在海拔3500m采取高住低练(耐力性训练)的方式可能对提高脑组织抗缺氧能力和运动成绩是最有利的。他们还提出脑组织对低氧训练适应及对运动能力影响的可能机制:低氧训练中低氧环境和运动缺氧的双重刺激(同步或交替)激活脑组织中的HIF-1α,使其调控的相关基因EPO、GLUT1和VEGF的表达增加。这是可以使脑细胞的抗缺氧能力增强的重要因素,随时间延长脑组织逐渐适应低氧训练,脑组织耐缺氧能力增加,运动能力得到进一步提升。

有趣的是,魏星等发现单纯低氧暴露和单纯运动均可提高学习能力,但是低氧和运动双重刺激则会抵消单独低氧或运动对学习的促进作用,当氧浓度为11%时低氧和运动的双重刺激还会降低大鼠的空间学习能力。15%氧浓度单纯低氧干预和低氧运动双干预均可提高记忆能力[11]。

3 低氧与临床疾病

认知功能是人类高级神经活动的重要组成部分,包括定向、注意、集中、警觉、记忆、学习、计算、语言、理解、判断、逻辑推理、行为以及执行等多个方面。很多中枢神经系统疾病和全身性疾病均可造成认知功能损害,如阿尔茨海默病、脑血管病、精神分裂症以及营养代谢性疾病等。

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(OSAHS)是以睡眠中反复发生上气道阻塞和频繁呼吸中断为特征的,睡眠中反复发生的间歇低氧和睡眠结构紊乱可以损害患者身体的许多系统和器官并引发多种并发症,是一种临床上常见并具有严重潜在危险性的疾病。康晶等人对成年大鼠每90s交替给予10%氧和21%氧,每天8h,连续处理14d,成功建立OSAHS动物模型。发现慢性间歇低氧可引起大鼠空间学习记忆能力下降,而大鼠这种慢性脑功能损害可能与大脑CREB mRNA的表达下调有关[12]。

适度的低氧治疗方案可以改善一些疾病对空间学习记忆能力的损害。张亚军等人发现,在氧浓度为15%环境中暴露7天(1h/d)可以明显改善慢性疲劳综合征小鼠的学习记忆能力[13]。

脑缺血缺氧危害极大,可损伤皮质、海马、基底节等的结构,也可导致胆碱能神经元和AVP肽能神经元受损,以及使脑内学习记忆的神经生化基础受损、Pepaz环路被损坏,从而使记忆发生障碍。运动康复可明显提高学习记忆能力,改善诸如脑外伤、神经变性疾病等患者的认知功能,这已被国内外越来越多的动物及人体研究所证明。陈小璐等人对7日龄SD大鼠建立了新生儿缺血缺氧性脑损伤模型(HIBD),并于2周后开始为期4周的运动康复。结果表明,运动康复可减少缺血缺氧后海马神经元死亡,促进HIBD大鼠海马神经元存活,修复受损脑组织,增强突触可塑性,改善其受损的空间记忆能力[14]。

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

[2]Askew EW.Work at high altitude and oxidative stress:antioxidant nutrients[J].Toxicology，2002,180:107-119.

[3]Janssen,J.Club Alpin Francais[J].Annuaire,1890:1882-1887.

[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]孙正启,王唯析,康龙丽,等.模拟高原低压低氧对大鼠学习记忆行为和海马GABA表达的影响[J].现代预防医学,2009(21):4133-4135.

[6]Shukitt-Hale B,Stillman MJ,Welch DI,etal.Hypobaric hypoxia impairs spatial memory in an elevation-dependent fashion[J].Behavioral and neural biology,1994,62(3):52-244.

[7]Maiti P,Singh SB,Mallick B.High altitude memory impairment is due to neuronal apoptosis in hippocampus,cortex and striatum［J］.J Chem Neuroanat,2008,36(3-4):38-227.

[8]张家兴.模拟高原间歇性低氧对小鼠学习记忆功能的影响[D].浙江大学,2005.

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

[10]洪平.低氧训练对大鼠海马神经元的影响及其机制研究[D].北京体育大学,2005.

[11]魏星.低氧训练对大鼠空间学习记忆和海马齿状回新生细胞数量的影响[D].上海体育学院,2011.

[12]康晶,王月华,何静雅,等.慢性间歇低氧对大鼠认知功能及大脑环磷酸腺苷反应单元结合蛋白表达的影响[J].武汉大学学报(医学版),2011(1):5-7,55.

[13]张亚军,王茹,P.R.Mabounda Kounga,等.不同低氧浓度暴露对慢性疲劳综合征小鼠学习记忆能力及情绪的影响[J].中国运动医学杂志,2013(2):130-136,178.

[14]陈小璐,蒋莉.运动康复对缺氧缺血性脑损伤新生大鼠空间学习记忆的影响[J].中国当代儿科杂志,2010(5):363-367.