长期高海拔暴露对移居者和世居者注意网络的影响*

马海林，张新娟，杨振涛

(西藏大学高原脑科学研究中心，西藏 拉萨，850000)

注意是指准备或选择物理环境或记忆中的特定内容的心理过程[1]。最初研究者将注意视为单一的系统，由于其在注意现象解释中存在一定的局限性，Posner和Peterson提出注意网络模型，将注意系统分成警觉、定向和执行控制[2]。警觉是指达到或保持一种状态，在该状态下对即将到来的信息的敏感度增加；定向是将注意力转移到将要选择或关注的刺激上；执行控制是指对预期、刺激和反应之间的冲突的监控和解决[3]。fMRI研究发现，警觉与右侧大脑半球的额叶和顶叶有关[4]，双侧顶上小叶和颞顶结合区和注意的定向相关[5]；前扣带皮层和前额叶的侧面则与执行控制相关[6]，这些脑区对缺氧十分敏感[7，8]。注意网络测验(ANT)能够有效地测量注意的警觉、定向和执行控制功能[9]，该测验已被广泛运用于常人、AD患者、精神分裂症患者等，但对缺氧状态下的注意网络测验尚无报道。

已有研究发现高海拔对注意功能存在一定程度的影响。Evans等人用韦克斯勒成人智力量表中的数字符号测验，发现居住在海拔4 200米的居民其注意容量受到损害，Berry用同样的方法发现暴露在海拔3 000米到5 000米者的注意容量也受到损害[10，11]。Stivalet等人用视觉搜索任务(在众多干扰刺激中寻找目标刺激)发现，在8小时的中度缺氧条件下，被试的搜索成绩降低，作者推断缺氧延缓注意的持续能力但不影响前注意的功能[12]。Bonnon发现在海拔6 452米，注意已明显受损，停留时间越长，注意损害越重，而且这种损害在人员回到海平面后仍持续存在一段时间[13]；急性高原缺氧时还会使人的注意力明显减退，在海拔5 000米以上时，注意力难以集中，而且随着海拔的升高，缺氧程度加重，注意范围越来越窄[14]。也有研究发现，高海拔地区青少年与平原地区青少年的认知能力并无显著差异，可能青少年在生长发育过程中可以逐渐适应慢性低氧环境[15]。

已有研究发现高海拔暴露会导致注意力的减退，但是高海拔影响了注意的哪个过程(注意的警觉、注意定向还是注意转移？)，目前还并不清楚。而且已有的研究主要为急性高海拔暴露对注意功能的影响，对长期居住在高海拔地区的居民的研究较少。在对长期居住在高海拔地区的居民研究中尚未区分出不同类别的高海拔群体。本研究认为在高海拔的群体中应区分出两个不同的群体，移居到高海拔的群体(在平原地区出生，成年后进入到高海拔地区者)和世居在高海拔的群体(在高海拔地区出生成长且从未离开过该地区者)。本研究立足于两个不同的高海拔群体间注意网络的差异。

1 对象与方法

1.1 对象

移居者：移居高海拔组为24人(右利手)，无躯体疾病的高海拔居住者(平均年龄在21～25岁之间)，移居高海拔组被试均来自于西藏大学；24名匹配的对照组低海拔被试(平均年龄在19～25岁之间)均来自于宁波大学。在移居高海拔组的被试均在平原出生和成长，成年后移居到高原，至少在高原(海拔3600米的拉萨)生活3年以上，回平原的时间每年不超过三个月；在对照组中的低海拔被试在平原出生和成长且从未进入过高原。高海拔组：男性12名，女性10名，平均年龄22.09±1.05，汉族；低海拔组：男性9名，女性11名，平均年龄22.00±1.78，汉族。

世居者：选取75个被试(右利手)，健康的高海拔藏族世居者(年龄18～23岁)，均来自西藏大学。世居者分别来自三个不同的海拔高度(2900米，3700米，4200米)，在各自家乡的海拔高度出生成长未到过平原，每个海拔的被试均选取25名，三个组之间的被试进行智力分数、年龄、性别匹配，2 900米组：男性12名，女性13名，平均年龄21.65±0.82，来自林芝地区，藏族；3 700米组：男性13名，女性12名，平均年龄21.25±1.12，来自山南或日喀则地区，藏族；4 200米组：男性12名，女性13名，平均年龄21.07±0.76，来自那曲地区，藏族。最终得到的有效数据：海拔2 900米组25人；海拔3 700米组24人(有1人正确率极低而剔除)；海拔4 200米组25人。

所有的被试视力正常或矫正正常，无躯体或精神疾病史。两个研究间的被试对年龄、性别、教育程度及高考入学成绩均做匹配。

1.2 ANT实验程序

实验程序如图1所示：包含3个线索条件(没有线索、中心线索和空间线索)和2个刺激条件(一致刺激，不一致刺激)，在一致刺激的条件下，5个箭头指向相同的朝向，在不一致刺激的条件下，中间的箭头和两边的箭头朝向相反。线索在目标刺激呈现之前出现，所有的刺激均为黑色背景，刺激材料为白色，每个小箭头视角为0.58°，相邻箭头之间的距离视角为0.06°，整个刺激即5个箭头的视角为3.27°，箭头有两种朝向，离中心注视点1.06°，在中心注视点的下方或上方。所有试次的设计采用模块化设计，每个模块的6种条件出现的概率是相同的，两种刺激类型(一致条件，不一致条件)和三种线索(无线索，中心线索，空间线索)，实验中共有6个实验模块。每个实验模块有108个试次，被试采用按键反应来判断中间箭头的朝向，当中间的箭头朝左时按“F”键，当中间的箭头朝右时按“J”键。在正式实验之前有练习模块。

该程序采用E-Prime 2.0编制，三个注意网络系统的计算如下：警觉效应= RT没有线索-RT中心线索，数值越大表示警觉效率越高；定向效应=RT中心线索-RT空间线索，数值越大表示定向效率越高；执行控制效应RT不一致刺激-RT一致刺激，数值越小表示执行控制效率越高。

图1ANT实验流程图
Figure1SchematicoftheANTprocedure.

1.3 统计方法

移居者的实验中每个注意网络之间的组间差异，采用的是MATLAB软件，使用Non-parametric permutation tests(5000 permutation)[16]；世居者实验数据分析采用的是SPSS20.0中的ANOVA分析法。

2 结果

2.1 移居者注意网络间的差异

高海拔组和低海拔组在每种实验条件下的反应时和正确率见表1。三个注意网络系统的计算公式采用的是：警觉=RT没有线索-RT中心线索，定向=RT中心线索-RT空间线索，执行控制=RT不一致条件-RT一致条件，结果见表2。高海拔组和低海拔组在警觉上的得分差异显著(P=0.06)，高海拔组的得分显著小于低海拔组，即高海拔组的警觉功能显著低于低海拔组；高海拔组和低海拔组在执行控制上的得分差异显著(P=0.07)，高海拔组的得分显著高于低海拔组即高海拔组的执行控制能力显著低于低海拔组；在定向上，高海拔组和低海拔组之间的差异不显著(P=0.40)。

Table 1 Behavioral resultsof high altitude group and low altitude group(±s)

Table 2 Resultsofattention network in two altitude groups(±s)

2.2 世居者注意网络间的差异

每种条件下的平均反应时和正确率见表3。三个注意网络系统的得分见表4。用方差分析来评估海拔效应，随后采用LSD事后检验[17]。

警觉的海拔效应不显著[F(2，71)=0.237，P=0.789]；定向的海拔效应显著[F(2，71)=11.380，P=.001]，对其进行事后检验发现在海拔4 200米组被试的定向能力(即从众多刺激中筛选出目标刺激)显著低于海拔2 900、3 700米组的被试(LSD，P<0.05)，2 900米被试和3 700米被试之间无显著差异(LSD，P>0.05)；执行控制的海拔效应显著[F(2，71)=6.072，P=0.004]，对其进行事后检验发现在海拔4 200米被试解决冲突的能力显著大于海拔2 900、3 700米组的被试(LSD，P<0.05)，2 900米被试和3 700米被试之间无显著性差异(LSD，P>0.05)。

Table 3 Behavioral resultsinthree altitude groups(±s)

Table 4 Resultsof attention network in three altitude groups(±s)

3 讨论

对移居者注意网络的影响研究中发现：高海拔地区被试的警觉水平显著低于低海拔被试；高海拔地区被试的执行控制水平显著低于低海拔被试；两组被试在定向水平上无显著性差异。对世居者注意网络的影响中发现：三个海拔地区的被试在警觉上无显著性差异；海拔≥4 200米被试的定向水平显著低于海拔3 700米和海拔2 900米的被试；海拔≥4 200米被试的执行控制水平相比海拔3 700米和海拔2 900米的被试提高。

高海拔地区被试的警觉水平显著低于低海拔被试，显示出高海拔地区的被试和低海拔地区被试相比较其对外界反应的灵敏性下降、警觉功能下降，该变化和已有的老龄化研究类似——老年人的警觉水平显著低于青年人，已有的研究显示老年人的额叶功能的衰退与年龄增长明显相关[18]。有研究者发现，大脑额叶也会受连续缺氧的影响[19，20]，原因可能为长期暴露在缺氧的环境中使移居到高海拔的群体额叶受损，致其警觉功能损伤、大脑皮层的觉醒状态降低。高海拔地区被试的执行控制水平显著低于低海拔被试，显示出移居到高海拔的群体其解决冲突的反应时增加。fMRI研究发现，涉及解决冲突任务额叶的中间部分(前扣带回)和前额叶的侧面被激活[6]。前扣带回和前额叶的侧面脑区的多巴胺系统被认为对注意网络中的执行控制功能起主导作用。Yan等人对青藏高原地区常住汉族居民的研究发现，高海拔居民的两侧前脑岛、两侧前额叶、左侧中央前回、左侧扣带回和右侧舌回的灰质容量下降[21]，因而导致移居至高海拔群体的执行控制功能下降。两组被试在定向水平上无显著差异，说明两组被试从众多干扰刺激中选择出目标刺激的能力无显著性差异，和定向相关的主要脑区为顶叶，虽然缺氧致一定程度上的顶叶受损，但程度较轻，未能引起功能性的改变。

三个海拔地区的被试在警觉上无显著性差异。原因可能有如下两种，其一高海拔世居的群体其警觉功能不论在2 900米、3 700米还是4 200米均受到损伤，因而这三组的警觉功能未呈现出差异；其二对世居在高海拔的群体而言，他们的祖先世世代代都生活在缺氧的环境中，或许他们自身已经适应了高海拔缺氧的环境，缺氧的环境不会对其造成损伤。海拔≥4 200米被试的定向水平显著低于海拔3 700米和海拔2 900米的被试，表现出海拔≥4 200米被试从众多刺激中筛选出目标刺激的能力低于海拔3 700米和海拔2 900米的被试，或许三个海拔的被试其定向能力都受损了，只是在海拔4 200米上其含氧量是最低的，因而受损较为严重导致其定向能力显著低于海拔3 700米和海拔2 900米的被试；还有一种可能为海拔3 700米和海拔2 900米的被试没有受到损伤，单单4 200米海拔的群体受到损伤。从对长期居住在高海拔的土著居民的认知功能的已有研究可以看出，海拔3 700米之内，个体基本适应了缺氧环境，心理功能受海拔的影响较小[15，22]。Jansen等人指出，海拔4 000米以上，超出了脑对慢性缺氧的适应范围，这时候会出现明显的神经心理差异[23]，Virués-Ortega等人研究也证明了这一点[24]。海拔≥4 200米被试的执行控制得分显著高于海拔3 700米和海拔2 900米的被试，已有的研究指出三个注意网络共享注意资源[25]，而人的注意资源是有限的，当海拔≥4 200米被试的定向功能下降时，其在一定程度上执行控制功能提升，相比定向功能，执行控制功能更为重要，因而将较多的注意资源分配到较为重要的领域中，该解释符合竞争资源假设[26]；还有可能存在的解释为，海拔≥4 200米被试的执行控制功能并非提升了，只是在解决冲突任务时，过度地激活了执行控制的能力，即在解决同等难度的问题时，海拔≥4 200米被试调用了更多的认知资源。

本研究立足于现实的缺氧环境之中，相对以往的大多数模拟缺氧环境之下所进行的实验具有更强的真实性。但本研究只采用了行为研究，在今后的研究中应结合追踪设计和ERP、fMRI进行多样化的研究。

[1]Raz A，Buhle J.Typologies of attentional networks[J].Nature Reiview Neuroscience，2006，7(5)：367.

[2]Posner M I，Petersen S E.The attention system of the human brain：20 years after[J].Annual Review of Neuroscience，1990，13(1)：25.

[3]Posner M I，Petersen S E.The attention system of the human brain：20 years after[J].Annual Review of Neuroscience，1990，13(1)：25.

[4]Posner，M.I，R.E.Neuroimaging of cognitive procsses[J].Pro-ceedings of the nationalacademy of sciencesof theUSA，1998，95：763-764.

[5]Raz A，Buhle J.Typologies of attentional networks[J].Nature Reiview Neuroscience，2006，7(5)：367.

[6]Bush G，Luu P，Posner A M I.Cognitive and emotional influences in anterior cingulate cortex[J].Trends in Cognitive Sciences，2000，4(6)：215.

[7]Yan X，Zhang J，Gong Q，et al.Adaptive influence of long term high altitude residence on spatial working memory：an fMRI study[J].Brain & Cognition，2011，77(1)：53-59.

[8]Hochachka P W，Clark C M，Brown W D，et al.The Brain at High Altitude：Hypometabolism as a Defense Against Chronic Hypoxia[J].J Cereb Blood Flow Metab，1994，14(4)：671-679.

[9]Fan J，Mccandliss B D，Sommer T，et al.Testing the efficiency and independence of attentional networks[J].Journal of Cognitive Neuroscience，2002，14(3)：340-347.

[10]Berry D T，Mcconnell J W，Phillips B A，et al.Isocapnic hypoxemia and neuropsychological functioning[J].Journal of Clinical & Experimental Neuropsychology，1989，11(2)：241.

[11]Evans W O，Witt N F.The interaction of high altitude and psychotropic drug action[J].Psychopharmacologia，1966，10(2)：184-188.

[12]Stivalet P，Leifflen D，Poquin D，et al.Positive expiratory pressure as a method for preventing the impairment of attentional processes by hypoxia[J].Ergonomics，2000，43(4)：474-485.

[13]Bonnon M，Noljorand M C，Therme P.Effects of different stay durations on attentional performance during two mountain expeditions[J].Aviation Space & Environmental Medicine，2000，71(7)：678.

[14]Chiu G，Chatterjee D，Johnson R W，et al.The impact of acute hypoxia on learning and memory[J].Brain Behavior & Immunity，2010，24(Suppl 1)：S40-S40.

[15]Richardson C，Hogan A M，Bucks R S，et al.Neurophysiological evidence for cognitive and brain functional adaptation in adolescents living at high altitude[J].Clinical Neurophysiology Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology，2011，122(9)：1726-34.

[16]Zhang D，Liu X，Chen J，et al.Widespread increase of functional connectivity in Parkinson′s disease with tremor：a resting-state FMRI study[J].Frontiers in Aging Neuroscience，2015，7：6.

[17]Zhou S S，Fan J，Lee T M C，et al.Age-related differences in attentional networks of alerting and executive control in young，middle-aged，and older Chinese adults[J].Brain & Cognition，2011，75(2)：205-210.

[18]Silver H，Goodman C，Bilker W.Age in high-functioning healthy men is associated with nonlinear decline in some ′executive′ functions in late middle age[J].Dementia & Geriatric Cognitive Disorders，2009，27(3)：292-300.

[19]Prigatano G P，Parsons O，Wright E，et al.Neuropsychological test performance in mildly hypoxemic patients with chronic obstructive pulmonary disease[J].Journal of Consulting & Clinical Psychology，1983，51(1)：108-16.

[20]MarcAndré Bédard，Jacques Montplaisir，Franois Richer，et al.Obstructive Sleep Apnea Syndrome：Pathogenesis of Neuropsychological Deficits[J].Journal of Clinical & Experimental Neuropsychology，1991，13(6)：950.

[21]Yan X，Zhang J，Shi J，et al.Cerebral and functional adaptation with chronic hypoxia exposure：a multi-modal MRI study[J].Brain Research，2010，1348(1348)：21.

[22]Hogan A M，Virues-Ortega J，Botti A B，et al.Development of aptitude at altitude[J].Developmental Science，2010，13(3)：533-544.

[23]Jansen G F，Krins A，Basnyat B，et al.Role of the altitude level on cerebral autoregulation in residents at high altitude[J].Journal of Applied Physiology，2007，103(2)：518-523.

[24]Viruésortega J，Bucks R，Kirkham F J，et al.Changing patterns of neuropsychological functioning in children living at high altitude above and below 4000 m：a report from the Bolivian Children Living at Altitude(BoCLA)study[J].Developmental Science，2011，14(5)：1185-1193.

[25]Mackie M A，Dam N T V，Fan J.Cognitive control and attentional functions[J].Brain & Cognition，2013，82(3)：301-312.

[26]Fan J，Mccandliss B D，Fossella J，et al.The activation of attentional networks[J].Neuroimage，2005，26(2)：471-479.