中国高海拔地区高中生认知水平与氧合血红蛋白含量变化的关系※

朱晓涵，周 晨，齐海英，楼骁斌，苏诗欣，韩 霖，杨 健，李 稼*&

(1.首都儿科研究所附属儿童医院，神经内科，北京 100020； 2.骄阳智心教育咨询有限公司，北京 100089； 3.青海省妇女儿童医院，电生理科，西宁 810000； 4.广州市妇女儿童医疗中心，广州医科大学，儿科研究所，临床病理生理研究室，广州 510623； 5.广州市妇女儿童医疗中心，广州医科大学，心脏中心，广州 510623)

认知功能是人类最具代表性的能力之一，当前少有涉及高海拔缺氧如何影响个体认知功能发展和代偿的研究。虽然脑组织重量只占全身重量的2%，但它的耗氧量占全身耗氧量的20%。[1-3]高海拔缺氧环境令大脑的功能和代偿功能面临挑战。[4]儿童和青少年的神经运动速度略有降低。[5]由于脑活动的减缓与脑血流速度的降低同时发生，因此这种变化被认为是一种代偿而非缺陷。[6，7]与上述研究一致的是，居住在海拔3 700～4 900米处的盖丘亚族人脑部葡萄糖代谢水平降低。[7]从一定程度上言，脑代谢水平的降低可能有助于维持整体脑氧运输平衡。运用近红外光谱技术(Near infrared spectroscopy，NIRS)检测发现，尽管高海拔地区居民全身动脉血氧饱和度(Arterial Oxygen Saturation，SaO2)降低，但其脑氧饱和度(Cerebral oxygen saturation，ScO2)与低海拔地区居民相似。[8]

基于改良郎伯-比尔定律发明的功能性近红外光谱(Functional near infrared spectroscopy，fNIRS)技术是一种能够通过光吸收程度变化来无创测量个体执行认知任务时大脑皮层氧合程度的新兴技术。[9]通过测量大脑皮层单位采样体积中700～900 nm光的衰减量监测氧合血红蛋白(Oxyhemoglobin，oxy-Hb)和脱氧血红蛋白(Deoxyhemoglobin，deoxy-Hb)的浓度变化，用于评估脑功能的动态变化情况。[10-12]

青藏高原的藏族人对高原产生了独特的生理代偿。[13，14]本研究拟了解中国高海拔地区高中生认知水平与氧合血红蛋白含量变化情况，初步分析其相关性。

1.方法

1.1 研究对象

三组年龄与性别相匹配(P>0.05)：久治组有藏族高中生21名(男生12名，女生9名；平均年龄16.0±1.1岁)；拉萨组有藏族高中生24名(男生11名，女生13名，平均年龄16.4±0.7岁)；北京组有汉族高中生23名(男生10名，女生13名；平均年龄16.5±1.0岁)。所有研究对象都在相应地区出生和成长。本研究方案获得了北京首都儿科研究所机构研究伦理委员会的批准。

1.2 认知评估方法

由一名评估师采用《中国大陆汉族和其他少数民族人群常模化的韦氏儿童智力量表(第四版)》评估全体研究对象的认知功能。[15，16]中国大陆版量表的适用年龄从最初的6～16岁扩展到了6～18岁。量表可反映儿童一般智力水平的IQ分数。此外，它还提供四个主要的指数分数(即语言理解指数、知觉推理指数、工作记忆指数和加工速度指数)，这些指数更具体地代表了儿童在相应领域的认知水平。各分数的平均值为100，标准差为15。得分≤85分即低于总体均值1个标准差或以上时被认定为低分。

运用NIRS和fNIRS技术测量大脑氧合水平。两种不同的技术分别被用以测量认知评估前的静息态ScO2和认知评估过程中的ScO2变化。

久治组的21名藏族高中生中有17人不理解标准汉语，需借助翻译。拉萨组的所有藏族高中生和北京组的所有汉族高中生都理解标准汉语。

1.3 NIRS检测方法

使用EGOS-600近红外光谱仪(EnginMed，中国苏州。该仪器的探测器主要由近红外光发射器和距离为5cm的光接收器组成)检测研究对象认知评估前的ScO2。ScO2可由公式[ScO2=oxy-Hb/(oxy-Hb+deoxy-Hb)×100%]算出。探测器置放于研究对象的前额中线处，检测时长为5分钟，每1分钟记录1次数据。5分钟内数据的平均值为研究对象的静息态ScO2。

1.4 fNIRS检测方法

采用NIRScout系统(NIRxMedizintechnik GmbH，德国柏林)检测研究对象完成知觉推理测试中“玩具砖”任务时的大脑皮层氧合水平变化情况，通过检测大脑皮层单位采样体积中的光衰减率(采样率为7.81 Hz)测定oxy-Hb或deoxy-Hb的浓度。使用改进的脑电图帽(http：//nirx.net/nirscaps/)将8个光发射器和7个光探测器布置在覆盖于双侧额中脑区的两个网格中。光发射器与探测器的间距为3.0 cm。该设置产生20个测量通道，大脑左右半球各占10个测量通道(图1)。

从生理学角度言，神经-血管耦合原理预测了因过度补偿上升的氧需求量，部分脑区的局部脑血流会增加，从而导致脑区神经信号增强。[17]因此，我们预期相应脑区出现以oxy-Hb增加为特征的fNIRS信号。

共有8个光发射器和7个光探测器被布置在覆盖于双侧额中脑区的两个网格中。光发射器与探测器之间的距离为3.0 cm。本设置产生20个通道，各半球有10个通道

1.4.1 fNIRS数据处理方法

使用nirsLABv2013.1软件将原始fNIRS数据转换成Matlab软件格式数据。通过低通滤波器去除0.3 Hz呼吸和1 Hz心率的高频信号。使用阈限为0.02 Hz的高频滤波器去除低频(小于0.01 Hz)血管或代谢振颤。根据Deply提出的方法[18]计算oxy-Hb浓度变化(μmol/L)。研究对象在完成“玩具砖”任务前5个游戏与认知任务结束后30秒内的平均信号振幅差代表大脑氧合激活强度。此外还收集每位研究对象在完成“玩具砖”任务前5个游戏上花费的时间。

1.5 统计学方法

2.结果

表1呈现了久治、拉萨和北京地区三组高中生的认知评估结果。久治、拉萨两个高海拔组在IQ和言语理解指数、知觉推理指数、工作记忆指数、加工速度指数上的得分均显著低于北京组(P<0.001)。在两个高海拔组中，久治组的认知评估得分显著低于拉萨组(P<0.001)。

表1 久治、拉萨和北京地区三组高中生认知评估得分

表2呈现了久治、拉萨和北京三组的SaO2和ScO2的检测结果。久治和拉萨两个高海拔组的SaO2(90.2±3.8% vs 91.6±2.6%)显著低于北京组(99.1±0.64%，P<0.001)。久治和拉萨两组间SaO2无显著性差异(P=0.164)，ScO2也无显著性差异(65.6±1.3% vs 65.1±1.3%，P=0.205)。然而，两个高海拔组的ScO2均显著高于北京组(63.9±1.8%，P=0.001和0.012)。

表2 久治、拉萨、北京三组高中生动脉血氧饱和度(SaO2)和脑氧饱和度

表3呈现了三组在知觉推理前5局“玩具砖”任务中，覆盖于双侧额中脑区域的fNIRS检测通道1～20的氧合血红蛋白浓度变化情况。在通道6和15中，两个高海拔组氧合血红蛋白的变化显著大于北京组(Ps<0.050)。在通道7中，仅久治组的氧合血红蛋白的变化(P=0.037)显著大于北京组，拉萨组与北京组无显著性差异(P=0.610)(图2)。6、7、15通道之间的氧合血红蛋白的变化均无显著性差异(Ps>0.600)。三组在其余通道上均无显著性差异(Ps>0.080)。

表3 久治、拉萨、北京地区三组高中生知觉推理测试前5局“玩具砖”任务中氧合血红蛋白变化数值

续表：

与北京组相比，两高海拔组完成前5局“玩具砖”任务所需时间显著延长(久治组137.984±44.492s；拉萨组90.619±45.404s；北京组61.976±15.654s；久治组与北京组P<0.001；拉萨组与北京组P=0.009)。在两高海拔组中，久治组所需时间显著长于拉萨组(P=0.001)。

3.讨论

本研究结果显示，久治和拉萨两个高海拔地区藏族高中生的认知功能均显著低于低海拔地区的北京汉族高中生。尽管久治和拉萨两地的海拔高度几乎相同，但久治组高中生的认知功能更低。相反，尽管两个高海拔组的SaO2显著低于北京组，但是高海拔组的ScO2显著高于北京组。两个高海拔组中某些通道的氧合血红蛋白变化水平显著大于北京组。此外，两个高海拔组完成同一认知测试所需的时间明显长于北京组。本研究数据显示，出生和生活于高海拔地区的高中生的认知功能受到了损伤。

目前关于高海拔地区原住民认知代偿的研究报道较少，且一些针对高海拔原住民的研究结果相互矛盾。科学家们在玻利维亚的安第斯山脉进行了一系列研究，一项横断面研究调查了生活在海拔500、2 500米和3 700米处婴儿、儿童和青少年的相关情况，结果显示不同海拔地区婴儿的神经发育水平相当，儿童和青少年的精神运动速度随居住高度的增加略有下降，所有观察对象在其他领域没有显著差异。[5]类似情况在4岁到85岁的人群中也有。[19]由于脑活动的减缓与脑血流速度的降低同时发生，因此这种变化被认为是一种代偿而非缺陷，后续研究使用静息态脑电图证实了这一观点。[6，7]与500米相比，生活在海拔3 700米处高中生的脑电图δ和β波的频率和振幅有所降低。因此，代谢需求的动态调节可被认为是一种在高原地区保持认知发育的代偿性机制。[6]一项针对居住在安第斯山脉海拔3 700米～4 900米处盖丘亚原住民的研究进一步支持了上述观点，正电子发射断层扫描结果显示，与低海拔地区居民相比，盖丘亚人大脑各区域的葡萄糖代谢率降低。代谢降低在原始大脑结构(如小脑)中最不明显，在与高级皮层功能相关的脑区(如额叶皮层)中最明显。[7]

上述观察结果提出了一个有趣的假设，即人类对慢性缺氧的代偿会导致相应的脑代谢降低和脑活动减少，这些改变能够最小化缺氧所致的负面影响。而本研究的大脑氧合数据也能够支持该假设。与北京组相比，久治和拉萨两个高海拔组的SaO2显著降低，说明高海拔地区高中生血氧不足，而他们的静息态ScO2却明显升高。用NIRS测得的ScO2反映了脑组织动脉、静脉和毛细血管的综合氧饱和度，代表了脑氧运输的总体平衡状况。除了归因于脑代谢水平降低外，ScO2与SaO2之间的差异还可归因于血细胞比容的增加，该差异表明了血氧不足时脑氧运输依旧得到了很好的维持。[8]

藏族人已在青藏高原生活了大约3万年，代表了世界上最古老的高原居民，对高原有着独特的生理代偿模式。[13，14]然而，少有研究涉及他们在认知功能方面的代偿情况。

本研究采用《中国大陆汉族和其他少数民族人群常模化的韦氏儿童智力量表(第四版)》评估研究对象的一般智力以及言语理解、知觉推理、工作记忆和加工速度四项子能力。久治组和拉萨组的认知评估得分均显著低于北京组。比较久治和拉萨两个高海拔组后发现尽管两组的海拔高度几乎相同，但久治组的认知评估得分显著低于拉萨组，该结果提示缺氧对高中生认知功能的影响有限。值得注意的是，久治组的得分低于总体均值2个标准差，而拉萨组的得分低于总体均值1个标准差，即在正常范围内。此外，两个高海拔组在进行相同的认知测试时所花费的时间比北京组长。本研究还使用fNIRS检测了研究对象在执行认知任务过程中双侧额中央皮层的脑氧合水平，该水平对认知功能的判定有重要作用。与认知测试表现相反，fNIRS检测结果显示与北京组相比，两个高海拔组在完成“玩具砖”任务期间于通道6和15(还有久治组的通道7)的氧合血红蛋白浓度上升更多。该结果与ScO2检测结果基本一致。综上所述，本研究数据可反映与高原相关的两项大脑生理变化：第一，高海拔地区居民需付出更多努力来完成相同的认知任务；第二，高海拔地区居民有足够的氧供应储备以代偿执行认知任务期间更大的氧需求量。事实上，高海拔地区居民在心血管、呼吸系统和血液系统中有一些重要的代偿机制来促进血氧运输。[13，20-22]我们的发现或可被上述“代偿性机制与减缓脑活动机制”所解释[5-7，19]。

本研究具有重要的意义。世界上大约12%的人口生活在山区，约有7.5亿人。据估计，有1.4亿的山区居民生活在海拔超过2 500米的地方，其中有7 800万人生活在喜马拉雅山脉，包括生活在青藏高原的800万人。[23，24]本研究中观察到的高海拔高中生存在认知障碍这一现象令人关注。进一步的研究需要关注可能影响高海拔地区居民认知发育的生理因素和其他因素。如果可能的话，需要对其中一些因素进行干预以抵消高海拔对认知功能的负面影响。

本研究的局限性在于，仅仅利用近红外光技术和功能性近红外光谱技术研究了大脑氧合与认知功能的关系，并未使用脑电图、经颅骨多普勒和功能性磁共振等能够提供更多关于大脑生理和功能改变信息的其他技术。

高海拔地区高中生认知水平较低，且久治组比拉萨组更低。两个高海拔组高中生更大程度的氧合血红蛋白变化表明他们在认知任务中需更强的脑部活动，这些脑活动得到了脑氧输送的代偿。本研究数据提示高海拔地区高中生的认知功能不仅仅受慢性缺氧限制。因此，在可能的情况下，需付出更多努力来修正其中的一些因素，以改善高海拔地区原住民的认知功能。