急性高原低氧对静息态脑电功率的影响研究进展

刘 冰，韩布新，安 心，王 妍*

·新进展·

急性高原低氧对静息态脑电功率的影响研究进展

刘 冰1,2，韩布新1,2，安 心1,2，王 妍1,2*

静息态脑电按照频率分为5个主要频段。高原低氧环境可使个体静息态脑电的总功率降低，脑电活动减弱；但脑电各频段的功率变化各有其规律：静息态脑电α波功率在急性低氧阶段降低，后随驻留时间延长有增强趋势；初次习服高原环境者静息态脑电β波功率增强；静息态脑电低频δ波和θ波在模拟低氧环境中功率增强，但在现实高原环境中减弱。未来的研究可在3个方面展开：一是使用多种认知神经科学技术考察高原低氧环境中的认知加工过程，二是探讨海拔高度因素如何影响静息态脑电功率，三是关注低海拔移民群体在长期慢性低氧条件下的异常脑电功率变化。

低氧；高原病；脑电波；综述

医学上将海拔3 000 m以上地区界定为高原[1]。有“世界屋脊”之称的青藏高原约占我国国土面积的1/4，平均海拔4 000 m以上。随着西部大开发政策的实施，越来越多的人到青藏高原地区旅游、工作和生活[2]。从平原进入高原地区后，为维持毛细血管内血液与组织间必要的压力阶差，机体产生一系列代偿性反应，如增加肺通气量、红细胞和血红蛋白等来改善血氧循环和利用，以适应高原低氧环境，这一适应过程也称为习服[3]。部分对低氧反应迟钝者可能适应不全而患急性高原病(acute mountain sickness，AMS)。

空间维度方面，海拔高度越高，低氧对生理造成的影响越严重。进入海拔2 100 m时，人体血氧饱和度开始骤降，少部分人可出现AMS的典型症状[4]。AMS在登上3 000 m以上地区后6～72 h的人群中最为常见，发病率约为20%[5-6]，临床表现为心悸、胸闷、气促、头痛、厌食、恶心、乏力等。如不妥善处理，AMS可能会引发危及生命的高原肺水肿和高原脑水肿，并且海拔高度越高，患病的可能性越大[4]。在7 500 m高度，睡眠极度困难，人体将近不可能消化食物，高原肺水肿和高原脑水肿的发病率急剧增加[4,7]。

时间维度方面，研究者根据人体血细胞比容的变化情况，将进入高原地区的适应过程分为急性、亚急性和慢性3个适应阶段[8]。进入高原前3 d为急性适应阶段，机体通过增强心肺功能和增加血红蛋白,提高对组织、细胞的供氧；此阶段因血细胞比容增长较快易致AMS；进入高原3 d后至个体完全适应高原环境为亚急性适应阶段，血细胞比容增长放缓并稳定，个体对高原环境形成持续、稳定的适应。适应高原环境的时间长短受海拔高度影响，海拔每增加1 000 m，人体多需要11.4 d来完全适应[8]。比如，人体在海拔3 600 m的西藏自治区拉萨市大约需要40 d才能完全适应高原环境。完全适应高原环境后的慢性适应阶段，人体通过提高组织、细胞对氧的利用能力保持健康[3]，如果个体血细胞比容过量增多则极易导致慢性高原病[8]。慢性高原病较少见，主要发生在久居高原或少数世居海拔4 000 m以上者，且急性适应阶段和慢性适应阶段机体的代偿机制不同，因此本文仅选取急性低氧阶段的研究进行综述。

高原地区最显著的特点是低氧。人体大脑代谢旺盛、耗氧量大、对低氧的耐受性最低，因此中枢神经系统对低氧尤为敏感[1]。早在20世纪50年代就有研究者使用静息态脑电(EEG-resting state)技术开展低氧对大脑影响的研究[9]。大脑皮质神经元的突触后电位变化产生脑电波，按照是否有外界刺激分为自发脑电和诱发脑电。其中自发脑电能够反映大脑内在、固有的活动模式。静息态脑电技术可将神经元的电生理活动放大并连续记录，且其无复杂的试验设计，对受试者配合度要求不高，数据采集相对容易；因此在脑损伤、脑疾病的研究和治疗中能够提供有效指标,目前其主要应用于脑疾病的辅助诊断及疗效分析。研究发现多种精神疾病患者的静息态脑电信号异常，如轻度认知功能障碍[10]、阿尔茨海默病[11]、精神分裂症[12]、抑郁症[13]、癫痫[14]、注意力缺陷多动障碍[15]。

目前对静息态脑电信号的处理以功率谱分析方法为主。静息态脑电按照频率从低到高可划分为δ波(<4 Hz)、θ波(4～7 Hz)、α波(8～12 Hz)、β波(13～30 Hz)、γ波(>30 Hz)5个频段[16]。功率谱分析通过傅立叶变换等方法将波幅随时间变化的脑电波转换为脑电功率随频率变化的谱图，进而计算上述某一频段的绝对功率或相对功率。绝对功率(单位μV2)为某一频段范围内脑电信号平均波幅的平方[17]，相对功率为某一频段的绝对功率与脑电全部频段绝对功率的比值[18]。波幅(单位μV)的大小反映了静息态脑电功率的大小，即静息态脑电活动的强弱。波幅越大，脑电功率越大，活动越强。研究发现高原低氧环境中个体的静息态脑电功率减小，脑电活动减弱[19]。而脑电不同频段反映了大脑不同的功能性加工过程[20-21]，某一频段静息态脑电活动的异常，可能是某项功能性加工过程发生变化的表现。因此本文分频段综述急性高原低氧对静息态脑电功率的影响，以期发现高原低氧环境下个体静息态脑电活动的变化规律，并对未来的研究方向提出见解。

1 急性高原低氧对静息态脑电各频段功率的影响

1.1 急性低氧阶段α波的活动先减弱后增强 大多数健康成年人安静、闭眼时α波占主导地位，平均波幅30～50 μV。困倦、睡眠或睁眼进行思维活动时，α波的波幅减小，活动减弱[22]。发育过程中α波随脑发育的成熟或年龄的增长而变化，青少年α波的数量逐渐增多，频率也逐渐提高，至成年趋于稳定，到老年后α波活动逐渐减弱。因此，α波的频率、波幅和脑区分布等因素是反映大脑功能状态的重要指标。α波占优势时，人的意识清醒、身体放松。这种状态下身心能量消耗最少，脑部相对获得较高的能量，思维活动更加快速、顺畅[23]。

多数研究发现，初到高原1周内的急性低氧者静息态脑电中α波功率降低，活动减弱[24-30](见表1)。例如在模拟舱内模拟3 000 m海拔高度时，尽管受试者主观报告未察觉到模拟舱内气压及含氧量降低，其静息态脑电频率中10～11 Hz频段的功率仍然降低，而当模拟海拔高度依次增加至4 000、5 000、6 000 m时，功率降低的频率范围逐渐扩大到整个α频段(8～12 Hz)，故α波活动减弱是低氧最初阶段的一个重要特征性表现[24],且其减弱的大小受海拔高度的影响。在现实高原环境中研究者也发现相同的结果：受试者到达海拔3 600 m的拉萨市32～38 h，额叶、顶叶及枕叶的α波功率均降低，推测为α波对低氧敏感所致[25]。

α波活动随高原驻留时间延长而增强。追踪研究发现，α波的相对功率在初到高原第7天减弱但未达到显著水平，驻留1个月时则增强[30]。

表1 高原低氧对静息态脑电α波功率影响的试验总结Table 1 Impact of high altitude hypoxia on alpha wave power of EEG-resting state

注：AMS=急性高原病

α波是大脑在安静休息时的主要节律，但并不意味此时大脑空载运行[23]。α波反映了大脑皮质间、丘脑-皮质间的广泛联系[31]，可能与某些自上而下的加工过程相关[32]。健康受试者闭眼进行创造性思考[33]和冥想[34]时静息态脑电α波活动增强，而抑郁症[35]及精神分裂症患者[36]同处于低氧环境者一样，静息态脑电中α波活动减弱，故此种减弱是低氧所致中枢神经系统功能异常的生理表现[30]。

高原低氧者静息态脑电α波先减弱后增强的趋势与对高原低氧环境的生理习服过程大体一致。军用标准《高原习服评价指标与方法》(GJB 4301-2002)标明，到高原地区满7 d且测试人体呼吸、脉搏等达到一定范围即可称为完成初步习服。在完成初步习服之前，因红细胞计数增长较快易患AMS，这一阶段与α波活动减弱相对应。驻留高原地区满1个月且呼吸、脉搏、血压恢复至参考范围，红细胞计数及血红蛋白增加到一定数量后趋于稳定，则完成基本习服。此时血细胞比容达到最优水平，完成了对高原环境持续、稳定的适应[37]。ZHAO等[30]的试验结果表明在完成基本习服之前，α波活动增强。

1.2 初次习服高原低氧环境的个体静息态脑电中与注意功能相关的β波功率增强 健康成年人在清醒状态时大脑主要节律为β波，平均波幅5～30 μV，主要集中于中央区和额区。β波增多使人注意力集中，对周围事物敏感，可随时应对外界环境的变化[38]。

高原低氧对静息态脑电β波功率的影响尚有争议[25,29-30,39](见表2)。短时暴露在低氧环境中，多数研究认为静息态脑电β波活动增强[39]，而GRITTI等[25]的结果相反：在3 600 m进行测试时研究者发现受试者静息态脑电β波功率比低海拔初测时降低；4 300 m再次测试时，静息态脑电β波功率显著增强，但仍低于基线水平。产生差异的原因可能在于选择的受试者：GRITTI等[25]试验的受试者为5名马拉松运动员，均报告有过在高原地区训练的经历，参加试验时不是初次习服高原低氧环境。而初次习服高原低氧环境的受试者静息态脑电β波活动增强[29,39]。

表2 高原低氧对静息态脑电β波功率影响的试验总结Table 2 Impact of high altitude hypoxia on beta wave power of EEG-resting state

β波与注意功能相关。例如，静息态脑电β波活动较强的老年受试者视觉注意任务成绩与年轻人相当，而静息态脑电β波活动较弱者比年轻人差[40]。而吸食可卡因者[41]及失眠症患者[42]的静息态脑电β波活动均增强。静息态脑电β波活动较强者在随后注意相关任务中的正确率更高，而静息态脑电α波活动较强者则表现较差[43]。结合上述研究推测，同吸食可卡因者及失眠症患者静息态脑电β波活动增强类似，初次到达高原地区者的静息态脑电β波活动增强，是大脑皮质兴奋性增强、过度警觉的表现；人在低氧环境中常出现头痛、多言、失眠，难以恢复至安静的休息状态。

1.3 登高速度影响低氧环境中静息态脑电δ波和θ波的变化 δ波和θ波频率较低，又称慢波。儿童或成年人处于深度睡眠状态时可观察到静息态脑电δ波，广泛分布于大脑额叶区和颞叶区。清醒状态下健康成年人静息态脑电δ波成分较少。工作记忆负荷[44]、语言处理[45]等任务中静息态脑电δ波的活动会产生变化，而睡前服用咖啡因者及抑郁症患者在睡眠状态时静息态脑电δ波活动均减弱[46-47]。

婴儿和儿童的脑电信号中可观察到静息态脑电θ波，主要散见于颞部；随年龄增长其静息态脑电θ波逐渐减少。成年人在疲劳或睡眠状态下会呈现静息态脑电θ波，平均波幅10～30 μV，老年人也可在清醒的状态下观察到静息态脑电θ波。记忆[48]、决策[49]、注意[50]等相关任务中均发现静息态脑电θ波活动增强。

高原低氧影响静息态脑电δ波和θ波的变化见表3、表4。在现实高原环境中，研究者均发现静息态脑电δ波和θ波活动的减弱[25,30]；而在模拟高原低氧环境的模拟舱中，静息态脑电δ波和θ波活动则增强[27-28]。

模拟低压低氧的模拟舱中的试验和现实高原低氧环境中的试验使较低频率的慢波δ波和θ波变化趋势不同，原因可能与登高速度有关。影响人的高原习服过程除海拔高度、停留时间、机体状况、营养情况等因素外，还有登高速度。进驻高原的速度越快,生理反应越强烈，越易发生AMS[37]。模拟舱常用以模拟在高原地区快速部署部队或旅客乘飞机到达高原地区等情景，模拟舱按照一定的上升速率上升至模拟海拔高度，此过程持续20～30 min，而现实环境中从平原地区到达高原地区通常需要数小时甚至数天。因此推测慢波对登高速度(即氧气的变化)更为敏感。

表3 高原低氧对静息态脑电δ波功率影响的试验总结Table 3 Impact of high altitude hypoxia on delta wave power of EEG-resting state

1.4 急性低氧环境中静息态脑电高频γ波活动增强 γ波在静息态脑电频率中所占成分较少。在3 600 m停留约2 d时静息态脑电γ波活动减弱，而在4 300 m停留约1周时活动增强[24]。高原环境可使脑电中慢波成分如静息态脑电δ波和θ波活动减弱，快波成分如静息态脑电β波和γ波活动增强[30]。

表4 高原低氧对静息态脑电θ波影响的试验总结Table 4 Impact of high altitude hypoxia on theta wave power of EEG-resting state

2 评价与展望

无论是实验室呼吸低氧空气[19]还是模拟舱模拟低压低氧的高原环境，亦或是现实高原环境中的短期急性低氧和长期慢性低氧[51]，低氧环境中人静息态脑电的总功率相对于对照组或者基线水平均有所降低，此为脑组织低氧的生理性特征表现[30]。但各特征频段随高原低氧环境遵循何种变化规律尚不明确。高原低氧对个体静息态脑电影响仍处于探索阶段。虽然相同实验环境、相近时间维度的研究结果趋于一致，但研究方法、研究对象等仍存在不少问题。未来研究可以从以下几个方面展开。

首先，多种认知神经科学技术相结合是未来研究高原低氧的一个重点。静息态脑电技术的优点为试验设计简单，故采集数据相对容易，缺点为受试者未参与认知任务，故无法测量认知加工过程的时间特征；并且脑电技术空间分辨率低，难以研究大脑认知加工过程的空间特征。高时间分辨率的事件相关电位技术及高空间分辨率的功能性磁共振成像技术可测量认知加工的时间和空间进程，探索高原低氧暴露对认知加工影响的神经机制，具有广阔的研究前景。

其次，海拔高度因素对静息态脑电活动的影响尚不明确。由于各研究者选取的受试者不同、测试时受试者在高原停留的时间不同、脑电功率的计算方法差异等原因，尚无法确定海拔高度因素如何影响个体的静息态脑电。尽管OZAKI等[24]在模拟3 000、4 000、5 000、6 000 m分别测量了个体静息态脑电功率，但模拟舱中进行的试验生态效度有限。未来的研究应系统探讨海拔高度因素对个体静息态脑电活动的影响，为AMS的筛查和预防给予借鉴。

再次，可根据相关研究结果开发高原临床应用技术。比如，AMS患者枕部电极静息态脑电α波活动增强，因此研究者提出根据静息态脑电α波功率的变化情况判断个体发生AMS的可能[29]。除患者自述胸闷、气促、头痛等主观感受外，静息态脑电α波功率的变化可为临床工作者诊断AMS提供客观指标。此外，静息态脑电α波与多种认知功能相关，可依据静息态脑电α波的变化评估个体在低氧环境中认知功能的动态变化情况，并服务于文化、教育、体育、军事、医疗等各类具体情境之中。

最后，未来研究可关注低海拔移民在长期慢性低氧条件下的异常静息态脑电功率变化。以往研究多针对短期急性低氧，而个体达到基本习服标准后，在高原驻留6个月以上可完成完全习服。我国每年有许多援藏干部、驻守军人和去西藏求学的大学生前往高原地区，在高原地区驻留的时间以年计算。该群体受长期慢性低氧的影响，其脑电活动变化规律尚不明确，亟待研究。

3 结论

低氧对于静息态脑电频率各频段的影响有3方面。(1)静息态脑电α波活动随驻留时间的延长先减弱后增强，此变化为个体对高原低氧环境习服过程的表现；(2)初次适应高原低氧环境者因大脑皮质兴奋性增强、过度警戒致静息态脑电β波活动增强；(3)静息态脑电慢波δ波和θ波在模拟高原环境的试验中均表现为活动增强，而现实高原环境中均表现为活动减弱。进一步研究可在多技术协同、海拔高度的作用、慢性低氧的长期身心健康影响及应用技术开发等方面开展。

本文文献检索策略：

检索中国知网、万方数据知识服务平台、PubMed、Web of Science等数据库，中文数据库采用(高原OR高海拔OR缺氧OR低氧)AND(静息态OR脑电功率OR脑电活动OR alpha)逻辑关系进行主题检索，英文数据库采用(High altitude OR mountain OR hypoxi*)AND(EEG OR alpha power OR alpha activity OR beta power OR beta activity)逻辑关系进行主题检索，并根据文献引文追溯搜索，搜集国内外1980—2016年公开发表的关于高原低氧对静息态脑电功率影响的中英文文献。文献纳入标准：1980—2016年公开发表的关于高原低氧对静息态脑电功率影响的中文和英文试验研究；对静息态脑电研究的因变量为脑电功率。文献排除标准：对静息态脑电研究的因变量为同步化、偏侧化等；主题虽出现关键词High altitude，但试验实施时的海拔高度低于医学界定的3 000 m。

作者贡献：刘冰、韩布新、王妍进行文章的构思与设计；刘冰、安心进行文献/资料收集、整理；刘冰撰写论文；韩布新、王妍进行文章的可行性分析，论文的修订，负责文章的质量控制及审校，对文章整体负责，监督管理。

本文无利益冲突。

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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)

(本文编辑：陈素芳)

国家自然科学基金资助项目(31660274，31560277)

1.100101北京市，中国科学院心理健康重点实验室 中国科学院心理研究所

2.100049北京市，中国科学院大学

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

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