咖啡因对高温环境下耐力性运动表现的影响

王萃萃，周子贵，郑鑫焱

随着全球性气温升高，以夏季奥运会为代表的许多体育赛事都是在炎热的环境下进行，如2008年北京奥运会及2016年里约热内卢奥运会。在热环境中运动并取得较好的成绩，对于足球、马拉松以及长距离公路自行车等室外项目的运动员来说，将是一项巨大的挑战。众所周知，运动员在高温环境下进行运动易产生疲劳，运动表现降低，甚至影响健康[1-2]。因此，探索高温环境下运动表现降低的原因，提高高温环境下运动员的成绩在体育科学研究中受到越来越多的重视。

咖啡因作为世界上最流行的中枢刺激剂之一，在自然界中，广泛存在于茶、咖啡豆中，同时也经常被添加到各种饮料中用于提神，越来越多的人热衷于此。在临床应用和研究中，咖啡因已取得不少有益成果，如治疗神经衰弱和昏迷复苏、治疗偏头痛、预防病症、抑制某些严重传染病、加强某些止痛剂的效果以及灭菌杀毒等。然而，咖啡因的使用不仅仅局限于临床研究，因其不受场地设施限制、使用简单方便的特点，近年来，在运动科学领域中也逐渐受到关注。

2004年世界反兴奋剂机构将咖啡因从禁止类药物名单上摘除，重新认定为监管类药物。在此之后，很多运动员都服用咖啡因来提高运动成绩，特别是耐力型运动员。据报道，75%的优秀运动员在运动之前或期间使用咖啡因，尤其在耐力性运动中[3]。大量文献支持摄取咖啡因可以提升耐力性运动表现[4-6]。有研究指出，摄入低到中剂量的咖啡因提高了常温环境（20°C）下的运动表现。特别是运动持续时间在30 min以上时[7]。咖啡因已经被证明能够有效地拮抗脑内腺苷受体、促进脑内神经递质的分泌、增强脑活性等，提高常温环境下各种形式的运动表现[4,8]。

但是，关于咖啡因对高温环境下耐力性运动表现的影响仍存在众多争议，且最佳摄取剂量未知，这些问题仍是未来需要重点关注和研究的方向。本文检索了近几年的相关文献，对高温环境下运动表现降低的原因、咖啡因提高常温环境下耐力性运动表现的机制进行阐述，重点对高温环境下咖啡因对耐力性运动表现的影响的相关研究进行总结归纳。

1 高温环境与耐力性运动表现

人体核心温度指的是人体内部胸腔、腹腔和中枢神经温度的平均温度，正常值约37°C。核心温度过高是指由于各种原因体温调节中枢的调定点上移，导致体温超过正常范围，在中强度运动时会升高到38°C以上。高温环境是指在气温、空气湿度和气流的综合影响下，温度超过人体的舒适程度，并能够引起机体体温过高的环境[9]。邱仞之[10]认为，在劳动环境中，气温超过32°C，炎热地区超过35°C，相对湿度超过80%，或者辐射强度超过4.814 J/cm2/min，或通风不良而存在的热源散热量超过83.7 kJ/cm2/min都属于高温劳动的范畴。赵杰修[11]在综合了国内外大量研究资料后对高温高湿环境进行进一步描述：通常把35°C以上的生活环境和32°C以上的训练环境称为高温环境。当人体处于高温环境时，会产生热应激，在该种情况下，人体的神经系统、免疫系统、内分泌系统等会产生一系列生理性改变，当热应激过强时，甚至会发生病理性变化。在高温环境中，人体会产生过高的热负荷，导致一些生理指标发生变化，如心率、血压、体温、出汗量等[12]。如果热负荷进一步升高，核心体温达到40°C，则会造成中枢神经系统的紊乱，甚至引发热休克[13-14]。人体运动过程中体温升高是运动表现增强的生理应答，体温适度升高，特别是骨骼肌温度适度升高，可以增加酶的活性，加快化学反应速度，加快神经传导，增强肌肉收缩。但在高温环境下长时间运动时人的运动表现会降低，其原因在于体温的过度升高[15-17]。在高温环境下，机体主要通过汗液蒸发方式来散热，人体皮肤与环境的温度梯度减少，使机体的散热受到障碍，加上运动过程中体内产热过多，当散热作用低于产热作用时，体内热量积蓄直接引起核心体温升高，核心体温超过38°C时即出现运动性高核心体温[18]。运动中脑部温度和身体核心体温的升高成为了中枢神经系统继续维持机体一定运动强度的限制因素，它们可提前诱发运动性疲劳，以保护大脑不受热损伤，从而降低运动表现[15]。大量研究评估了高温对力竭运动测试[19]、时间试验测试[20]和最大摄氧量测试[21]的影响，力竭运动和时间试验的研究表明，高温会损害运动表现。Roelands等[22]研究表明环境温度从20°C升高到40°C时，力竭运动时间（67±1）min降低到（30±3）min。Gonzáles-Alonso等[15]的研究指出运动中核心温度越高，运动持续时间越短，在动物实验中同样观察到类似结果[23]。因此，运动中体温的过度上升被认为是高温环境下运动表现降低的原因之一。运动中核心温度的过度升高使心血管系统负荷增加、诱发脱水、肌肉代谢率减慢等外周性因素的改变，进而引发运动性疲劳（图1）[24]。然而，Zheng等[25]指出高体温并没有引起糖原的减少或心血管系统负荷的增加，高体温引起的运动表现降低与中枢机能降低更加相关。近年来，高温环境下运动表现的降低可能与脑内神经递质、脑血流、脑活性等中枢性因素的改变有关。例如，Nybo等[26]发现高温环境下运动中的脑血流量会随着核心温度的升高而增加，常温环境下并没有发生这样的变化。因此，高温环境下体内核心温度的升高可引起运动中大脑激活低下、脑血流量降低及神经递质分泌的改变引发运动性中枢疲劳，从而降低运动表现[25]。

图1 高温环境下运动表现下降的机制Figure1 Mechanism of Decreased Exercise Performance in the Heat

2 咖啡因与常温环境下的耐力性运动表现

有研究证明咖啡因能提升常温环境下耐力性运动表现，平均改善率为3%～5%，且指出摄取低到中剂量的咖啡因对耐力性运动表现的作用效果更大[27]。咖啡因能够提高耐力性运动表现的机制涉及到中枢和外周，但主要作用机制可能是中枢机制[28]。

2.1 咖啡因提高常温环境下耐力性运动表现的外周机制

2.1.1 增加游离脂肪酸的分解，减少血糖、肌糖原以及肝糖原的代谢

运动后ATP分解，腺苷生成增加，与受体结合使脂肪酶的活性降低，抑制脂肪动员，肌肉依靠肌糖原分解功能，肌糖原减少导致肌肉收缩功能下降，从而导致运动表现降低[29]。咖啡因的摄入增加了肾上腺素和去甲肾上腺素的含量，增加了脂肪限速酶的活性或直接作用于脂肪细胞的脂酶，因此脂肪动员加快，从而导致运动开始后血浆中游离脂肪酸增多，使机体对脂肪的利用增加，有效节省糖原，使贮备有限的糖原作用于运动的后半程，从而延缓疲劳的发生，提高了运动表现[30]。该机制最初是由Costill等人提出，他们发现摄入4～5 mg/kg体重的咖啡因可以刺激脂肪组织释放游离脂肪酸，减少运动时肌糖原的利用，延长力竭运动时间[31-32]。然而，在随后的重复研究中发现6 mg/kg体重的咖啡因对运动期间的肌糖原的利用无影响，他们提出咖啡因的促进作用可能有其他机制[33-34]。

2.1.2 咖啡因促进肌质网钙离子的释放

咖啡因并不增加骨骼肌运动神经元和兴奋的传导速度，而是直接作用于肌浆网膜上的兰尼碱受体（RyR）[35-36]。钙离子是肌肉收缩的始动因素，在肌肉收缩初期，咖啡因达到一定剂量时，兰尼碱受体对肌质中的钙离子敏感性增强，从而影响钙离子通道，促进肌质网钙离子释放，肌肉收缩的兴奋阈值降低，延长肌肉收缩活动的持续时间，使钙离子更利于和肌钙蛋白结合，从而有利于横纹肌进行兴奋收缩耦联，肌肉收缩活动增强[37]。

2.2 咖啡因提高耐力性运动表现的中枢机制

2.2.1 兴奋中枢神经系统

近年来研究者认为中枢神经系统的激活是由于阻断腺苷受体A1和A2[38-39]。中枢内腺苷的产生可以抑制大脑内兴奋性神经递质多巴胺（Dopamine，DA）的产生，降低DA、乙酰胆碱合成，对运动表现起重要作用[37]。DA作为一种兴奋性脑内神经递质，已有研究证实，大脑DA与激发、促动作用以及肌肉协调能力密切相关[40-41]。Bailey等[42-43]的研究发现长时间的疲劳性运动使脑干和中脑内DA的合成和代谢水平降低，导致运动性疲劳的发生，从而降低运动表现。咖啡因作为非选择性腺苷受体拮抗剂，能够透过血脑屏障，拮抗腺苷受体，促进纹状体、伏隔核、尾状核脑内神经递质的分泌，特别是DA[28]，从而对运动表现产生作用。

为了具体地探讨咖啡因对运动表现的影响机制，Zheng等[44]观察了腹腔注射咖啡因对力竭运动的时间、运动中的体温调节反应及下丘脑内单胺类神经递质分泌的影响。结果表明，咖啡因能够延长运动时间，促进脑内DA的分泌，但没有影响去甲肾上腺素及5-羟色胺的分泌。另外，咖啡因增强的产热高于机体散热，引起核心温度升高。这些结果表明咖啡因可以抑制常温环境下高体温引起的疲劳，提升运动表现，这些与咖啡因促进脑内DA分泌有关[38]。

2.2.2 降低运动疲劳的主观感觉

随着运动疲劳的发生，主观疲劳感觉增加，运动表现下降[45]。Doherty等[46]的研究指出，在恒定负荷运动期间，摄入咖啡因后，主观疲劳感觉系数降低了约6%，系数的降低可以解释摄入咖啡因后疲劳测试的30%差异。在恒定的工作负荷运动中，伴随着较低的主观疲劳感觉，愉悦和唤醒的情感状态会增加，这会进一步增强咖啡因的促进作用即提高运动表现[47]。Sökmen等[48]研究报道服用3～13 mg/kg体重的咖啡因可增强各类运动项目的运动表现。另外，与3 mg/kg体重（低剂量）和9 mg/kg体重（高剂量）相比，6 mg/kg体重（中剂量）的咖啡因摄取能够更有效地提高常温环境下的耐力性运动表现[49]。由于高温环境下体温的过度升高会降低运动表现，所以在高温环境下，咖啡因能否有效地抑制高体温引起的疲劳和提高运动成绩有待探讨。

3 咖啡因与高温环境下的耐力性运动表现

近年来，摄入咖啡因对高温下运动表现的影响一直受到人们的关注，同时也存在众多的争议。因此，对近几年的相关文献进行了总结归纳（表1）。

表1 咖啡因对高温环境下的耐力性运动表现及体温调节的影响Table1 Effects of Caffeine on Endurance Exercise Performance and Thermoregulation in the Heat

Cheuvront等[50]在实验中观察到摄取9 mg/kg体重的咖啡因并未显著提高高温环境下的耐力性运动表现，其可能原因为咖啡因引起的体温升高，降低了神经驱动和肌肉力量。在类似运动中，Roelands等[51]观察到6 mg/kg体重的咖啡因摄取同样没有提升高温环境下的耐力性运动表现。Silva等[52]进一步比较了男女的差异，指出6 mg/kg体重的咖啡因并没有提高男女耐力跑的表现，只是降低了男性的主观疲劳感觉（Rating of Perceived Exertion，RPE）和疲劳程度，没有提高运动表现的原因可能是运动前的进食情况会影响咖啡因的代谢。此外，高皮肤温度影响机体散热，因此可能会抵消低RPE对耐热能力的有益影响。Pitchford等[53]指出，3 mg/kg体重的咖啡因摄取降低了RPE，提升了高温环境下的耐力性运动表现并且没有引起体温的升高，其可能原因为咖啡因对脑的刺激，促进了脑内兴奋性神经递质的释放，进而促进兴奋性突触的传递，降低疲劳感觉。同样，Beaumont等[54]指出6 mg/kg体重的咖啡因提高了高温环境下的运动表现，但核心温度和皮肤温度没有显著变化。提升运动表现的原因可能是服用咖啡因导致了更高的出汗率，机体通过增加散热带走运动产生的热量，使体温不至于过度升高，从而提升运动表现。运动表现提升的另一个原因可能是摄取咖啡因降低了运动前60 min的RPE。Hanson等[55]将低剂量、中剂量的咖啡因应用于自定速度的10 km跑中，发现2种剂量的咖啡因都没有提升运动表现，6 mg/kg体重的咖啡因会导致更高的热储备，热储备增加的原因可能是咖啡因通过血脑屏障，拮抗腺苷受体，促进兴奋性神经递质DA的释放。脑DA对体温调节中起着重要作用，Hasegawa等[29]指出在不同环境温度下注射多巴胺/去甲肾上腺素（DA/NE）再摄取抑制剂-丁氨苯丙酮，大鼠的运动表现增强、大脑和核心温度升高的同时伴随着视前区-下丘脑前部（PO/AH）处DA的增加。

将表1的研究进行归纳总结后得出，咖啡因的剂量、运动时间以及形式的差异可能会导致不同研究结果之间的相互矛盾，并且咖啡因对运动表现的影响的作用机制未知。低剂量的咖啡因摄取可能会抑制中枢性机能的降低，并不引起体温升高的生理反应，从而抑制高温环境下运动表现的降低，提升运动成绩。中到高剂量的咖啡因摄取可能引起体温的升高从而抵消了咖啡因的促进作用。然而目前为止并没有研究探讨不同剂量的咖啡因摄取对高温环境下运动表现的影响，低剂量的咖啡因的效果并没有被证实。因此，应探索提升高温环境下运动表现的咖啡因最佳剂量。

4 结论与展望

对以往研究进行总结归纳可知，高温环境下进行长时间运动会导致运动性高体温，对肌肉代谢、心血管系统等外周产生影响，同时影响脑血流、脑活性等中枢系统，从而加速了运动疲劳的产生，降低运动表现。咖啡因作为一种非选择性拮抗剂，可阻断腺苷受体，促进兴奋性神经递质的释放，降低RPE，促进钙离子的释放，增加脂肪的分解，提高常温环境下的耐力性运动表现，同时提高运动表现的最佳剂量为低到中剂量。但在高温环境下，关于咖啡因对耐力性运动表现的影响仍存在众多争议，且提高运动表现的最佳剂量未知。因此，探索摄取不同剂量咖啡因对高温环境下耐力性运动表现的影响，探究咖啡因抑制高温环境下运动表现降低的最佳摄取剂量及机制，对今后运动员使用咖啡因提升运动成绩提供科学的指导方法、高温环境下提升耐力性项目的运动成绩提供新的理论基础等至关重要。