劉 冰，韓布新，安 心，王 妍*

·新進展·

急性高原低氧對靜息態(tài)腦電功率的影響研究進展

劉 冰1,2，韓布新1,2，安 心1,2，王 妍1,2*

靜息態(tài)腦電按照頻率分為5個主要頻段。高原低氧環(huán)境可使個體靜息態(tài)腦電的總功率降低，腦電活動減弱；但腦電各頻段的功率變化各有其規(guī)律：靜息態(tài)腦電α波功率在急性低氧階段降低，后隨駐留時間延長有增強趨勢；初次習(xí)服高原環(huán)境者靜息態(tài)腦電β波功率增強；靜息態(tài)腦電低頻δ波和θ波在模擬低氧環(huán)境中功率增強，但在現(xiàn)實高原環(huán)境中減弱。未來的研究可在3個方面展開：一是使用多種認知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)考察高原低氧環(huán)境中的認知加工過程，二是探討海拔高度因素如何影響靜息態(tài)腦電功率，三是關(guān)注低海拔移民群體在長期慢性低氧條件下的異常腦電功率變化。

低氧；高原病；腦電波；綜述

醫(yī)學(xué)上將海拔3 000 m以上地區(qū)界定為高原[1]。有“世界屋脊”之稱的青藏高原約占我國國土面積的1/4，平均海拔4 000 m以上。隨著西部大開發(fā)政策的實施，越來越多的人到青藏高原地區(qū)旅游、工作和生活[2]。從平原進入高原地區(qū)后，為維持毛細血管內(nèi)血液與組織間必要的壓力階差，機體產(chǎn)生一系列代償性反應(yīng)，如增加肺通氣量、紅細胞和血紅蛋白等來改善血氧循環(huán)和利用，以適應(yīng)高原低氧環(huán)境，這一適應(yīng)過程也稱為習(xí)服[3]。部分對低氧反應(yīng)遲鈍者可能適應(yīng)不全而患急性高原病(acute mountain sickness，AMS)。

空間維度方面，海拔高度越高，低氧對生理造成的影響越嚴重。進入海拔2 100 m時，人體血氧飽和度開始驟降，少部分人可出現(xiàn)AMS的典型癥狀[4]。AMS在登上3 000 m以上地區(qū)后6～72 h的人群中最為常見，發(fā)病率約為20%[5-6]，臨床表現(xiàn)為心悸、胸悶、氣促、頭痛、厭食、惡心、乏力等。如不妥善處理，AMS可能會引發(fā)危及生命的高原肺水腫和高原腦水腫，并且海拔高度越高，患病的可能性越大[4]。在7 500 m高度，睡眠極度困難，人體將近不可能消化食物，高原肺水腫和高原腦水腫的發(fā)病率急劇增加[4,7]。

時間維度方面，研究者根據(jù)人體血細胞比容的變化情況，將進入高原地區(qū)的適應(yīng)過程分為急性、亞急性和慢性3個適應(yīng)階段[8]。進入高原前3 d為急性適應(yīng)階段，機體通過增強心肺功能和增加血紅蛋白,提高對組織、細胞的供氧；此階段因血細胞比容增長較快易致AMS；進入高原3 d后至個體完全適應(yīng)高原環(huán)境為亞急性適應(yīng)階段，血細胞比容增長放緩并穩(wěn)定，個體對高原環(huán)境形成持續(xù)、穩(wěn)定的適應(yīng)。適應(yīng)高原環(huán)境的時間長短受海拔高度影響，海拔每增加1 000 m，人體多需要11.4 d來完全適應(yīng)[8]。比如，人體在海拔3 600 m的西藏自治區(qū)拉薩市大約需要40 d才能完全適應(yīng)高原環(huán)境。完全適應(yīng)高原環(huán)境后的慢性適應(yīng)階段，人體通過提高組織、細胞對氧的利用能力保持健康[3]，如果個體血細胞比容過量增多則極易導(dǎo)致慢性高原病[8]。慢性高原病較少見，主要發(fā)生在久居高原或少數(shù)世居海拔4 000 m以上者，且急性適應(yīng)階段和慢性適應(yīng)階段機體的代償機制不同，因此本文僅選取急性低氧階段的研究進行綜述。

高原地區(qū)最顯著的特點是低氧。人體大腦代謝旺盛、耗氧量大、對低氧的耐受性最低，因此中樞神經(jīng)系統(tǒng)對低氧尤為敏感[1]。早在20世紀50年代就有研究者使用靜息態(tài)腦電(EEG-resting state)技術(shù)開展低氧對大腦影響的研究[9]。大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的突觸后電位變化產(chǎn)生腦電波，按照是否有外界刺激分為自發(fā)腦電和誘發(fā)腦電。其中自發(fā)腦電能夠反映大腦內(nèi)在、固有的活動模式。靜息態(tài)腦電技術(shù)可將神經(jīng)元的電生理活動放大并連續(xù)記錄，且其無復(fù)雜的試驗設(shè)計，對受試者配合度要求不高，數(shù)據(jù)采集相對容易；因此在腦損傷、腦疾病的研究和治療中能夠提供有效指標,目前其主要應(yīng)用于腦疾病的輔助診斷及療效分析。研究發(fā)現(xiàn)多種精神疾病患者的靜息態(tài)腦電信號異常，如輕度認知功能障礙[10]、阿爾茨海默病[11]、精神分裂癥[12]、抑郁癥[13]、癲癇[14]、注意力缺陷多動障礙[15]。

目前對靜息態(tài)腦電信號的處理以功率譜分析方法為主。靜息態(tài)腦電按照頻率從低到高可劃分為δ波(<4 Hz)、θ波(4～7 Hz)、α波(8～12 Hz)、β波(13～30 Hz)、γ波(>30 Hz)5個頻段[16]。功率譜分析通過傅立葉變換等方法將波幅隨時間變化的腦電波轉(zhuǎn)換為腦電功率隨頻率變化的譜圖，進而計算上述某一頻段的絕對功率或相對功率。絕對功率(單位μV2)為某一頻段范圍內(nèi)腦電信號平均波幅的平方[17]，相對功率為某一頻段的絕對功率與腦電全部頻段絕對功率的比值[18]。波幅(單位μV)的大小反映了靜息態(tài)腦電功率的大小，即靜息態(tài)腦電活動的強弱。波幅越大，腦電功率越大，活動越強。研究發(fā)現(xiàn)高原低氧環(huán)境中個體的靜息態(tài)腦電功率減小，腦電活動減弱[19]。而腦電不同頻段反映了大腦不同的功能性加工過程[20-21]，某一頻段靜息態(tài)腦電活動的異常，可能是某項功能性加工過程發(fā)生變化的表現(xiàn)。因此本文分頻段綜述急性高原低氧對靜息態(tài)腦電功率的影響，以期發(fā)現(xiàn)高原低氧環(huán)境下個體靜息態(tài)腦電活動的變化規(guī)律，并對未來的研究方向提出見解。

1 急性高原低氧對靜息態(tài)腦電各頻段功率的影響

1.1 急性低氧階段α波的活動先減弱后增強 大多數(shù)健康成年人安靜、閉眼時α波占主導(dǎo)地位，平均波幅30～50 μV。困倦、睡眠或睜眼進行思維活動時，α波的波幅減小，活動減弱[22]。發(fā)育過程中α波隨腦發(fā)育的成熟或年齡的增長而變化，青少年α波的數(shù)量逐漸增多，頻率也逐漸提高，至成年趨于穩(wěn)定，到老年后α波活動逐漸減弱。因此，α波的頻率、波幅和腦區(qū)分布等因素是反映大腦功能狀態(tài)的重要指標。α波占優(yōu)勢時，人的意識清醒、身體放松。這種狀態(tài)下身心能量消耗最少，腦部相對獲得較高的能量，思維活動更加快速、順暢[23]。

多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，初到高原1周內(nèi)的急性低氧者靜息態(tài)腦電中α波功率降低，活動減弱[24-30](見表1)。例如在模擬艙內(nèi)模擬3 000 m海拔高度時，盡管受試者主觀報告未察覺到模擬艙內(nèi)氣壓及含氧量降低，其靜息態(tài)腦電頻率中10～11 Hz頻段的功率仍然降低，而當模擬海拔高度依次增加至4 000、5 000、6 000 m時，功率降低的頻率范圍逐漸擴大到整個α頻段(8～12 Hz)，故α波活動減弱是低氧最初階段的一個重要特征性表現(xiàn)[24],且其減弱的大小受海拔高度的影響。在現(xiàn)實高原環(huán)境中研究者也發(fā)現(xiàn)相同的結(jié)果：受試者到達海拔3 600 m的拉薩市32～38 h，額葉、頂葉及枕葉的α波功率均降低，推測為α波對低氧敏感所致[25]。

α波活動隨高原駐留時間延長而增強。追蹤研究發(fā)現(xiàn)，α波的相對功率在初到高原第7天減弱但未達到顯著水平，駐留1個月時則增強[30]。

表1 高原低氧對靜息態(tài)腦電α波功率影響的試驗總結(jié)Table 1 Impact of high altitude hypoxia on alpha wave power of EEG-resting state

注：AMS=急性高原病

α波是大腦在安靜休息時的主要節(jié)律，但并不意味此時大腦空載運行[23]。α波反映了大腦皮質(zhì)間、丘腦-皮質(zhì)間的廣泛聯(lián)系[31]，可能與某些自上而下的加工過程相關(guān)[32]。健康受試者閉眼進行創(chuàng)造性思考[33]和冥想[34]時靜息態(tài)腦電α波活動增強，而抑郁癥[35]及精神分裂癥患者[36]同處于低氧環(huán)境者一樣，靜息態(tài)腦電中α波活動減弱，故此種減弱是低氧所致中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能異常的生理表現(xiàn)[30]。

高原低氧者靜息態(tài)腦電α波先減弱后增強的趨勢與對高原低氧環(huán)境的生理習(xí)服過程大體一致。軍用標準《高原習(xí)服評價指標與方法》(GJB 4301-2002)標明，到高原地區(qū)滿7 d且測試人體呼吸、脈搏等達到一定范圍即可稱為完成初步習(xí)服。在完成初步習(xí)服之前，因紅細胞計數(shù)增長較快易患AMS，這一階段與α波活動減弱相對應(yīng)。駐留高原地區(qū)滿1個月且呼吸、脈搏、血壓恢復(fù)至參考范圍，紅細胞計數(shù)及血紅蛋白增加到一定數(shù)量后趨于穩(wěn)定，則完成基本習(xí)服。此時血細胞比容達到最優(yōu)水平，完成了對高原環(huán)境持續(xù)、穩(wěn)定的適應(yīng)[37]。ZHAO等[30]的試驗結(jié)果表明在完成基本習(xí)服之前，α波活動增強。

1.2 初次習(xí)服高原低氧環(huán)境的個體靜息態(tài)腦電中與注意功能相關(guān)的β波功率增強 健康成年人在清醒狀態(tài)時大腦主要節(jié)律為β波，平均波幅5～30 μV，主要集中于中央?yún)^(qū)和額區(qū)。β波增多使人注意力集中，對周圍事物敏感，可隨時應(yīng)對外界環(huán)境的變化[38]。

高原低氧對靜息態(tài)腦電β波功率的影響尚有爭議[25,29-30,39](見表2)。短時暴露在低氧環(huán)境中，多數(shù)研究認為靜息態(tài)腦電β波活動增強[39]，而GRITTI等[25]的結(jié)果相反：在3 600 m進行測試時研究者發(fā)現(xiàn)受試者靜息態(tài)腦電β波功率比低海拔初測時降低；4 300 m再次測試時，靜息態(tài)腦電β波功率顯著增強，但仍低于基線水平。產(chǎn)生差異的原因可能在于選擇的受試者：GRITTI等[25]試驗的受試者為5名馬拉松運動員，均報告有過在高原地區(qū)訓(xùn)練的經(jīng)歷，參加試驗時不是初次習(xí)服高原低氧環(huán)境。而初次習(xí)服高原低氧環(huán)境的受試者靜息態(tài)腦電β波活動增強[29,39]。

表2 高原低氧對靜息態(tài)腦電β波功率影響的試驗總結(jié)Table 2 Impact of high altitude hypoxia on beta wave power of EEG-resting state

β波與注意功能相關(guān)。例如，靜息態(tài)腦電β波活動較強的老年受試者視覺注意任務(wù)成績與年輕人相當，而靜息態(tài)腦電β波活動較弱者比年輕人差[40]。而吸食可卡因者[41]及失眠癥患者[42]的靜息態(tài)腦電β波活動均增強。靜息態(tài)腦電β波活動較強者在隨后注意相關(guān)任務(wù)中的正確率更高，而靜息態(tài)腦電α波活動較強者則表現(xiàn)較差[43]。結(jié)合上述研究推測，同吸食可卡因者及失眠癥患者靜息態(tài)腦電β波活動增強類似，初次到達高原地區(qū)者的靜息態(tài)腦電β波活動增強，是大腦皮質(zhì)興奮性增強、過度警覺的表現(xiàn)；人在低氧環(huán)境中常出現(xiàn)頭痛、多言、失眠，難以恢復(fù)至安靜的休息狀態(tài)。

1.3 登高速度影響低氧環(huán)境中靜息態(tài)腦電δ波和θ波的變化 δ波和θ波頻率較低，又稱慢波。兒童或成年人處于深度睡眠狀態(tài)時可觀察到靜息態(tài)腦電δ波，廣泛分布于大腦額葉區(qū)和顳葉區(qū)。清醒狀態(tài)下健康成年人靜息態(tài)腦電δ波成分較少。工作記憶負荷[44]、語言處理[45]等任務(wù)中靜息態(tài)腦電δ波的活動會產(chǎn)生變化，而睡前服用咖啡因者及抑郁癥患者在睡眠狀態(tài)時靜息態(tài)腦電δ波活動均減弱[46-47]。

嬰兒和兒童的腦電信號中可觀察到靜息態(tài)腦電θ波，主要散見于顳部；隨年齡增長其靜息態(tài)腦電θ波逐漸減少。成年人在疲勞或睡眠狀態(tài)下會呈現(xiàn)靜息態(tài)腦電θ波，平均波幅10～30 μV，老年人也可在清醒的狀態(tài)下觀察到靜息態(tài)腦電θ波。記憶[48]、決策[49]、注意[50]等相關(guān)任務(wù)中均發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)腦電θ波活動增強。

高原低氧影響靜息態(tài)腦電δ波和θ波的變化見表3、表4。在現(xiàn)實高原環(huán)境中，研究者均發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)腦電δ波和θ波活動的減弱[25,30]；而在模擬高原低氧環(huán)境的模擬艙中，靜息態(tài)腦電δ波和θ波活動則增強[27-28]。

模擬低壓低氧的模擬艙中的試驗和現(xiàn)實高原低氧環(huán)境中的試驗使較低頻率的慢波δ波和θ波變化趨勢不同，原因可能與登高速度有關(guān)。影響人的高原習(xí)服過程除海拔高度、停留時間、機體狀況、營養(yǎng)情況等因素外，還有登高速度。進駐高原的速度越快,生理反應(yīng)越強烈，越易發(fā)生AMS[37]。模擬艙常用以模擬在高原地區(qū)快速部署部隊或旅客乘飛機到達高原地區(qū)等情景，模擬艙按照一定的上升速率上升至模擬海拔高度，此過程持續(xù)20～30 min，而現(xiàn)實環(huán)境中從平原地區(qū)到達高原地區(qū)通常需要數(shù)小時甚至數(shù)天。因此推測慢波對登高速度(即氧氣的變化)更為敏感。

表3 高原低氧對靜息態(tài)腦電δ波功率影響的試驗總結(jié)Table 3 Impact of high altitude hypoxia on delta wave power of EEG-resting state

1.4 急性低氧環(huán)境中靜息態(tài)腦電高頻γ波活動增強 γ波在靜息態(tài)腦電頻率中所占成分較少。在3 600 m停留約2 d時靜息態(tài)腦電γ波活動減弱，而在4 300 m停留約1周時活動增強[24]。高原環(huán)境可使腦電中慢波成分如靜息態(tài)腦電δ波和θ波活動減弱，快波成分如靜息態(tài)腦電β波和γ波活動增強[30]。

表4 高原低氧對靜息態(tài)腦電θ波影響的試驗總結(jié)Table 4 Impact of high altitude hypoxia on theta wave power of EEG-resting state

2 評價與展望

無論是實驗室呼吸低氧空氣[19]還是模擬艙模擬低壓低氧的高原環(huán)境，亦或是現(xiàn)實高原環(huán)境中的短期急性低氧和長期慢性低氧[51]，低氧環(huán)境中人靜息態(tài)腦電的總功率相對于對照組或者基線水平均有所降低，此為腦組織低氧的生理性特征表現(xiàn)[30]。但各特征頻段隨高原低氧環(huán)境遵循何種變化規(guī)律尚不明確。高原低氧對個體靜息態(tài)腦電影響仍處于探索階段。雖然相同實驗環(huán)境、相近時間維度的研究結(jié)果趨于一致，但研究方法、研究對象等仍存在不少問題。未來研究可以從以下幾個方面展開。

首先，多種認知神經(jīng)科學(xué)技術(shù)相結(jié)合是未來研究高原低氧的一個重點。靜息態(tài)腦電技術(shù)的優(yōu)點為試驗設(shè)計簡單，故采集數(shù)據(jù)相對容易，缺點為受試者未參與認知任務(wù)，故無法測量認知加工過程的時間特征；并且腦電技術(shù)空間分辨率低，難以研究大腦認知加工過程的空間特征。高時間分辨率的事件相關(guān)電位技術(shù)及高空間分辨率的功能性磁共振成像技術(shù)可測量認知加工的時間和空間進程，探索高原低氧暴露對認知加工影響的神經(jīng)機制，具有廣闊的研究前景。

其次，海拔高度因素對靜息態(tài)腦電活動的影響尚不明確。由于各研究者選取的受試者不同、測試時受試者在高原停留的時間不同、腦電功率的計算方法差異等原因，尚無法確定海拔高度因素如何影響個體的靜息態(tài)腦電。盡管OZAKI等[24]在模擬3 000、4 000、5 000、6 000 m分別測量了個體靜息態(tài)腦電功率，但模擬艙中進行的試驗生態(tài)效度有限。未來的研究應(yīng)系統(tǒng)探討海拔高度因素對個體靜息態(tài)腦電活動的影響，為AMS的篩查和預(yù)防給予借鑒。

再次，可根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果開發(fā)高原臨床應(yīng)用技術(shù)。比如，AMS患者枕部電極靜息態(tài)腦電α波活動增強，因此研究者提出根據(jù)靜息態(tài)腦電α波功率的變化情況判斷個體發(fā)生AMS的可能[29]。除患者自述胸悶、氣促、頭痛等主觀感受外，靜息態(tài)腦電α波功率的變化可為臨床工作者診斷AMS提供客觀指標。此外，靜息態(tài)腦電α波與多種認知功能相關(guān)，可依據(jù)靜息態(tài)腦電α波的變化評估個體在低氧環(huán)境中認知功能的動態(tài)變化情況，并服務(wù)于文化、教育、體育、軍事、醫(yī)療等各類具體情境之中。

最后，未來研究可關(guān)注低海拔移民在長期慢性低氧條件下的異常靜息態(tài)腦電功率變化。以往研究多針對短期急性低氧，而個體達到基本習(xí)服標準后，在高原駐留6個月以上可完成完全習(xí)服。我國每年有許多援藏干部、駐守軍人和去西藏求學(xué)的大學(xué)生前往高原地區(qū)，在高原地區(qū)駐留的時間以年計算。該群體受長期慢性低氧的影響，其腦電活動變化規(guī)律尚不明確，亟待研究。

3 結(jié)論

低氧對于靜息態(tài)腦電頻率各頻段的影響有3方面。(1)靜息態(tài)腦電α波活動隨駐留時間的延長先減弱后增強，此變化為個體對高原低氧環(huán)境習(xí)服過程的表現(xiàn)；(2)初次適應(yīng)高原低氧環(huán)境者因大腦皮質(zhì)興奮性增強、過度警戒致靜息態(tài)腦電β波活動增強；(3)靜息態(tài)腦電慢波δ波和θ波在模擬高原環(huán)境的試驗中均表現(xiàn)為活動增強，而現(xiàn)實高原環(huán)境中均表現(xiàn)為活動減弱。進一步研究可在多技術(shù)協(xié)同、海拔高度的作用、慢性低氧的長期身心健康影響及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)等方面開展。

本文文獻檢索策略：

檢索中國知網(wǎng)、萬方數(shù)據(jù)知識服務(wù)平臺、PubMed、Web of Science等數(shù)據(jù)庫，中文數(shù)據(jù)庫采用(高原OR高海拔OR缺氧OR低氧)AND(靜息態(tài)OR腦電功率OR腦電活動OR alpha)邏輯關(guān)系進行主題檢索，英文數(shù)據(jù)庫采用(High altitude OR mountain OR hypoxi*)AND(EEG OR alpha power OR alpha activity OR beta power OR beta activity)邏輯關(guān)系進行主題檢索，并根據(jù)文獻引文追溯搜索，搜集國內(nèi)外1980—2016年公開發(fā)表的關(guān)于高原低氧對靜息態(tài)腦電功率影響的中英文文獻。文獻納入標準：1980—2016年公開發(fā)表的關(guān)于高原低氧對靜息態(tài)腦電功率影響的中文和英文試驗研究；對靜息態(tài)腦電研究的因變量為腦電功率。文獻排除標準：對靜息態(tài)腦電研究的因變量為同步化、偏側(cè)化等；主題雖出現(xiàn)關(guān)鍵詞High altitude，但試驗實施時的海拔高度低于醫(yī)學(xué)界定的3 000 m。

作者貢獻：劉冰、韓布新、王妍進行文章的構(gòu)思與設(shè)計；劉冰、安心進行文獻/資料收集、整理；劉冰撰寫論文；韓布新、王妍進行文章的可行性分析，論文的修訂，負責文章的質(zhì)量控制及審校，對文章整體負責，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。

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ResearchProgressofImpactofAcuteHighAltitudeHypoxiaontheResting-stateEEGPower

LIUBing1,2,HANBu-xin1,2,ANXin1,2,WANGYan1,2*

1.KeyLaboratoryofMentalHealth,InstituteofPsychology,CAS，Beijing100101,China2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

*Correspondingauthor：WANGYan,Associateresearcher；E-mail：wangyan@psych.ac.cn

Resting-state EEG can be divided into five bands according to the frequency.High altitude hypoxia environment reduces the total power of resting-state EEG and decreases the electric activity of brain，but the power change of each frequency band has its own rules：the power of alpha wave decreases in acute hypoxia stage but then enhances with the prolonged dwelling duration in the hypoxia environment;those who enter the high altitudes first time exhibit enhanced activity of beta waves;the powers of low frequency waves of delta and theta enhance in simulated hypoxia,but decrease in real plateau environment.Future research can be carried out in three aspects：first,the spatial and temporal characteristics of cognitive processes are worthy of studying through variety of cognitive neuroscience technology in the hypoxia environment;second,exploring how the altitude influences the resting-state EEG power;third,the abnormal EEG power in low altitude immigrant groups in long-term chronic hypoxia conditions needs to be tested.

Hypoxia；Altitude sickness；Brain waves；Review

R 845.22

A

10.3969/j.issn.1007-9572.2017.06.y12

2017-02-23；

2017-05-31)

(本文編輯：陳素芳)

國家自然科學(xué)基金資助項目(31660274，31560277)

1.100101北京市，中國科學(xué)院心理健康重點實驗室 中國科學(xué)院心理研究所

2.100049北京市，中國科學(xué)院大學(xué)

*通信作者：王妍，副研究員；E-mail：wangyan@psych.ac.cn

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