高温环境运动中力竭时间与力竭即刻脑、肌肉组织血氧饱和度的关系.pdf

，（）：高温环境运动中力竭时间与力竭即刻脑、肌肉组织血氧饱和度的关系王大磊，郎健（国防科技大学军事体育系，湖南 长沙 ；北京师范大学体育与运动学院，北京 ）【摘要】目的：探讨高温环境运动中脑和肌肉组织血氧饱和度的动态变化，以及力竭时间与其力竭即刻时血氧饱和度的关系。方法：名男性大学生，在常温、高温环境条件下各进行一次力竭运动，采用近红外光谱技术，对运动及恢复阶段脑组织、肌肉组织血氧饱和度变化情况进行同步观察。监测运动前、后血乳酸水平。计算不同环境条件下力竭时间与力竭即刻脑组织、肌肉组织血氧饱和度的相关性。结果：高温环境力竭时间极显著低于常温环境（），而力竭即刻血乳酸水平显著高于常温环境（）；常温、高温环境条件下，脑组织血氧饱和度随运动持续下降，肌肉组织血氧饱和度呈先上升后下降趋势。力竭即刻，脑组织、肌肉组织血氧饱和度均达最低水平，且高温环境脑组织、肌肉组织血氧饱和度均显著低于常温环境（）；常温环境条件下，力竭时间与力竭即刻脑组织、肌肉组织血氧饱和度水平相关系数分别为 （）和 （）。高温环境条件下，力竭时间与力竭即刻脑组织、肌肉组织血氧饱和度水平相关系数分别为 （）和 （）。结论：在高温环境运动中，力竭时间与力竭即刻脑及肌肉组织血氧饱和度呈正相关。【关键词】高温环境；脑组织；肌肉组织；血氧饱和度；男性大学生【】；【中图分类号】【文献标识码】【文章编号】（）【】【基金项目】国家自然科学基金青年科学基金项目（）；教育部人文社会科学研究规划基金项目（）【收稿日期】【修回日期】【通讯作者】：；：于高温环境下运动中，在运动应激、热应激和心理应激共同作用下，会严重影响运动员的运动能力甚至健康，因此探讨高温环境影响运动能力的深层机制，一直是运动生理学领域研究的热点之一 。以往资料显示，运动疲劳一般分为两类：外周疲劳和中枢疲劳，外周疲劳常归因于肌肉组织内代谢底物的耗竭或代谢产物的堆积，而中枢疲劳一般归因于脑组织运动神经元放电频率的下降，该变化将直接引发神经元对肌肉的驱动力下降，进而导致运动疲劳的发生，这也被认为是一种自我保护机制，以避免机体的系统性衰竭 。从运动疲劳的诱发因素可以看出，中枢神经系统及外周肌肉均是影响运动能力的重要组织器官，因此高温环境下，运动机体脑组织、肌肉组织各项生理参数的同步观察对于阐述高温环境影响运动能力的机制具有重要意义。氧是人体维持新陈代谢的关键物质，是人体生命活动的第一需要。对于脑组织，尽管其平均重量仅占体重的 ，而其耗氧量可占安静状态身体总氧气消耗量的 。对于肌肉组织，运动过程中氧的供应及肌肉对氧的利用能力是决定机体有氧能力的重要因素，当氧供给不足时会加速疲劳的产生从而造成机体工作能力下降 。有资料已经证实 ，高温环境运动时，大量脱水可导致循环血量减少，加之血液重新分配等其它一系列因素影响，机体脑组织、肌肉组织血流量会出现较显著变化。然而，血流量的变化未必会直接影响到组织器官的代谢水平，组织器官可能通过提高氧的摄取率来代偿血流量的减少 。血氧饱和度，是指血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的比例，该指标能够直接反映人体的氧代谢水平，与血流量相比更适宜作为运动性疲劳的一个判断依据 。然而有关对高温环境下运动过程中脑组织、肌肉组织血氧饱和度动态变化情况进行同步观察尚鲜有报道。近红外光谱技术（，）利用近红外光穿透组织能力强的特性，以及氧合血红蛋白对近红外光谱吸收特性的差异，可实现对组织血氧饱和度特异性检测。近年来的资料已经证实 ，技术可用于运动过程中脑组织、肌肉组织血氧饱和度的实时、同步测量，该技术的发展为探讨高温环境下运动过程中脑组织、肌肉组织氧气供给、消耗的动态变化提供了可能。基于此，本研究对高温环境与常温环境条件下，递增负荷力竭运动过程中脑组织及肌肉组织血氧饱和度动态变化情况进行对比观察，其目的旨在为进一步阐述高温环境影响运动能力的机制提供实验依据及支撑。材料与方法 受试对象本研究以某军事院校 名男性大学生为受试对象，年龄（）岁，身高（），体重（），（），身体健康，半年内无训练伤，测试前 无剧烈运动。所有实验对象自愿参加本研究，实验前详细告知其实验目的、意义和实验流程，并签署知情同意书，实验过程和测试方法已通过相关主管部门审查和备案。运动方案受试者共进行两次负荷递增的力竭运动，采用近似交叉 ，（）试验设计，第一次为常温环境（，），环境温度 ，相对湿度 ，运动方式为跑台运动（，德国），运动方案采用调整后的 跑台运动方案 ，一级负荷为：速度 ，时间 ；二级负荷为：速度 ，时间 ；三级负荷为：速度 ，时间 ；四级负荷为：速度 ，运动直至力竭。运动过程中跑台坡度均为 度，心率带监测运动过程中的心率。力竭判断标准为：（）心率大于或等于 ；（）受试者达到最大努力程度，经激励仍无法保持预定负荷。第二次负荷递增的力竭运动于高温环境下进行（，），两次测试时间间隔 ，期间不进行剧烈运动。实验于暑期开展，通过空调、电热炉等加热工具，将环境温度控制在 ，相对湿度、运动方案等其它条件不变 。肌肉组织、脑组织血氧参数的监测采用近红外组织血氧参数无损监测仪进行（，爱琴生物医疗电子有限公司）。肌肉组织的测量，选择股四头肌外侧头为检测点，将传感器探头纵向放置在左侧大腿髌骨中点上 股外侧肌肌腹的纵向平面上，探头的纵轴平行于大腿。脑组织的测量，由于脑对躯体控制为左右交叉控制，实验选择额骨右侧为监测点，将传感器探头横向放置在额骨右侧眉上 处。为防止汗水浸入检测器影响检测精度，在探头与皮肤之间贴一层透光保鲜膜，并用黑色弹性绷带固定探头，一方面可防止漏光，提高数据采集的信噪比，另一方面，还可避免运动中探头的移动或脱落 。信号出现后，基线稳定 ，再开始正式记录，记录参数 为 局 部 组 织 血 氧 饱 和 度（，）。血乳酸测试通过血乳酸测试仪（，德国）及配套试纸条（，德国），对受试者运动前安静，运动结束后即刻指血血乳酸浓度进行测试。统计学处理所得数值采用平均值 标准差（珋 ）表示，运用 统计软件对数据进行统计学分析。不同环境条件下运动至力竭时间的比较采用配对样本 检验进行，不同环境条件下测试前、后血乳酸浓度的比较采用重复测量方差分析进行。不同环境条件下递增负荷力竭运动前、中、后血氧参数的观察，每隔 取一个点，在比较前先进行归一化处理，以避免不同个体之间的差异，然后再采用重复测量方差分析进行比较。以 表示差异显著，表示差异极显著。运动至力竭时间与不同环境条件下力竭即刻肌肉、脑组织氧饱和度相关性的分析采用 相关性分析，相关性水平设定在 ，相关性系数 划分四个等级：为高度相关，为中度相关，为低度相关，为关系极弱 。结果 高温环境对运动能力的影响常温环境条件下运动至力竭时间为（），而高温环境条件下运动至力竭时间为（），后者显著低于前者（），提示高温环境条件严重影响受试者的运动能力。高温环境对力竭即刻血乳酸水平的影响常温环境条件、高温环境条件下安静状态受试者血乳酸水平分别为（）和（），而在常温环境条件、高温环境条件下力竭即刻时，受试者血乳酸水平分别为（）和（），两者均显著高于各自环境下的安静状态（），且高温环境条件下力竭即刻时血乳酸水平显著高于常温环境条件力竭即刻时水平（）。高温环境对递增负荷力竭运动过程中脑组织血氧饱和度的影响从图 、表 可以看出，常温、高温环境条件下，脑组织血氧饱和度变化呈相同趋势：运动开始后，脑组织血氧饱和度逐渐下降，力竭即刻时达最低水平，恢复过程中又缓慢上升。从统计结果来看，运动开始 后，常温、高温环境条件下，脑组织血氧饱和度均开始显著低于安静水平，随着运动继续，脑组织血氧饱和度持续下降，运动开始 后，高温环境条件下受试者脑组织血氧饱和度显著低于常温环境条件下受试者脑组织血氧饱和度水平（）。常温、高温环境条件下，力竭即刻时脑组织血氧饱和度降至最低水平，且两者之间差异具有显著性（）。恢复阶段，不同环境条件下受试者脑组织血氧饱和度均逐渐上升，但恢复 后，仍极显著低于安静水平（）。在恢复阶段，两种环境条件下受试者脑组织血氧饱和度差异无显著性（）。高温环境对递增负荷力竭运动过程中肌肉组织血氧饱和度的影响由图 、表 可以看出，常温、高温环境条件下，肌肉组织血氧饱和度变化也呈相同趋势：运动开始后，肌肉组织血氧饱和度先小幅上升后逐渐下降，力竭即刻时达最低水平，后随着恢复缓慢上升。统计分析发现，常温环境条件下运动开始 后，肌肉组织血氧饱和度水平显著高于安静状态（）；而在高温环境条件下，运动开始 后，肌肉组织血氧饱和度水平即显著高于安静状态（）。此后，肌中国应用生理学杂志，（）肉组织血氧饱和度水平均随运动继续呈下降趋势，运动 后，高温环境条件下，肌肉组织血氧饱和度水平显著低于常温环境肌肉组织血氧饱和度水平（）。力竭即刻时，常温、高温环境条件下机体肌肉组织血氧饱和度水平均达最低值，且两者之间差异具有显著性（）。恢复阶段，不同环境条件下受试者肌肉组织血氧饱和度均逐渐上升，平均值虽低于安静状态，但与安静状态之间差异均无显著性（）。（珋 ，）：；：，；，；（珋 ，）：；：，；，；不同环境条件下运动能力与力竭即刻脑组织、肌肉组织血氧饱和度的相关性经相关性分析发现，常温环境条件下运动至力竭时间与脑组织血氧饱和度呈中度正相关（相关系数 ，决定系数 ，），与肌肉组织血氧饱和度呈高度正相关（相关系数 ，决定系数 ，）。在高温环境条件下，运动至力竭时间与脑组织血氧饱和度、肌肉组织血氧饱和度均呈中度正相关，相关系数分别为 （决定系数 ，）和 （决定系数 ，）。讨论本研究对高温环境下递增负荷力竭运动过程中脑组织及肌肉组织血氧饱和度动态变化情况进行同步观察。本研究结果显示，与常温环境相比，高温环境下受试者运动能力显著下降，该结果与以往报道相似 ，进一步表明高温环境对长时间运动能力有明显的影响。本研究结果表明常温和高温环境条件下力竭运动过程中脑组织血氧饱和度均呈下降趋势，力竭状态时达最低值，且高温环境条件受试者降低程度显著高于常温环境。常温环境下，运动过程中脑组织血氧饱和度的下降结果与以往报道一致 ，其机制可能与过度通气导致的动脉二氧化碳分压（，）下降以及心输出量减少有关。高强度运动过程中，由于肺血流量增多，可反射性引起通气过度；精神紧张，可引起前反馈调节，使呼吸频率增加最终也可导致通气过度。通气过度会造成二氧化碳排出过多，使血液 降低 。资料显示，脑血流量对 的变化非常敏感，是调节脑部血流量的重要因素，降低可使脑血管收缩，从而使脑血流量降低 。此外，由于心率较高时心脏舒张期会缩短，心脏每搏输出量会显著降低，而心脏每搏输出量与脑血流量呈显著正相关，从而也会导致脑血流量下降 。有报道显示，高温环境条件下运动时，脑血流量下降可达 。运动过程中，脑组织代谢增强，对氧的需求量也相应增加，血流量减少和代谢需求增加共同导致脑组织血氧饱和度的下降 。高温环境条件下运动时，机体为适应散热和供氧的双重需要，皮肤血管的交感神经活动减弱，内脏血管的交感神经活动增强，血液会重新分配，大量血液流入体表，以适应散热的需要，加之机体脱水，循环血量减少，血液黏稠度增加，一系列因素共同作用，可导致心脏每搏输出量进一步降低，该机制可能是造成高温环境条件下运动过程中脑组织血氧饱和度更低的原因。脑组织血氧饱和度的下降将会影响神经元兴奋性，本实验中所测额叶皮层具有运动调控功能，该变化可能会造成神经元对肌肉驱动能力的下降，进而导致运动能力的下降和疲劳的发生。本研究结果显示，一次力竭运动过程中肌肉组织血氧饱和度呈先上升后下降趋势，力竭即刻时达最低值，且高温环境条件下运动过程中肌肉组织血氧饱和度降低程度显著高于常温环境。该变化可能与肌肉组织血流量变化有关，以往报道结果显示 ，健康男性受试者常温环境下递增负荷踏车运动直至力竭过程中，股四头肌血流量呈先上升后下降趋势。运动开始后，肌肉组织血流量上升可能与运动刺激肌肉组织局部血管扩张导致。另外，本研究结果还显示，高温环境条件下肌肉组织血氧饱和度上升阶段出现较常温环境更早，可能与高温环境促使血管更早扩张有关。随着运动的持续，肌肉组织的持续收缩可能使得血管受压，血管管径减小，进而影响到血流量 。血流量的下降，必然导致肌肉组织供氧减少，而运动条件下肌肉组织代谢需求增加，对氧的需求量也相应增加，以上因素共同导致肌肉组织血氧饱和度的下降。高温环境条件下运动过程中，肌肉组织血氧饱和度更低的机制可能与高温环境条件下脑组织血氧饱和度变化机制相同，主要是由于脱水使循环血量减少，心率增加使每搏 ，（）心输出量下降等因素共同导致。随着血氧饱和度的降低，肌肉组织代谢将从以有氧代谢为主逐渐转变为以无氧代谢为主，由于高温环境条件下肌肉组织血氧饱和度更低，因此其乳酸生成量更多，血氧饱和度水平快速下降及代谢产物的更多累积，可能是导致高温环境条件下肌肉工作能力下降更快、力竭时间出现更早的原因。为了进一步揭示高温环境条件下运动过程中脑组织和肌肉组织中，哪个组织血氧饱和度下降对运动能力影响起关键作用，本研究对运动至力竭时间与力竭即刻时肌肉组织、脑组织血氧饱和度水平分别进行相关分析。结果发现常温环境与高温环境条件下运动至力竭时间与肌肉组织、脑组织血氧饱和度水平均呈显著正相关，即脑组织与肌肉组织在力竭即刻时血氧饱和度水平越高，运动至力竭时间则越长。以往有资料显示 ，高温环境条件下，运动方案如果是低强度长时间运动，则中枢疲劳是影响运动能力的关键诱因，而高强度运动时，外周疲劳则是影响运动能力的关键因素。因为高温环境条件下高强度运动时，脑部血流量尽管显著下降，但由于氧摄取率的提高，使脑组织代谢维持在一定水平。但当氧摄取率增加不足以代偿血流量下降时而致供氧不足，脑组织代谢将会受到较大影响。本研究所采用运动方案为高强度运动，但结果表明，高温环境条件下运动至力竭时间与脑组织血氧饱和度水平也呈显著相关，该结果可能是由于氧摄取率增加无法抵消血流量下降导致。本实验中不同环境条件下，运动至力竭时间与肌肉组织、脑组织血氧饱和度水平均存在相关性的结果，一方面进一步提示高温环境对运动能力的影响是中枢因素与外周因素共同作用的结果，另一方面也进一步表明血氧饱和度是判断运动性疲劳的一个有效指标。综上所述，高温环境下运动时，力竭时间与力竭即刻脑及肌肉组织血氧饱和度呈正相关，延缓脑组织、肌肉组织血氧饱和度的下降速率，可能会成为提高高温环境条件下机体运动能力的有效手段。【参考文献】王大磊，胡琳茹，王童，等复方中药结合预运动训练对运动热应激大鼠脑组织氧化损伤的保护作用 北京体育大学学报，（）：，（）：，：马国东，罗冬梅，徐飞，等模拟海拔 急性低氧运动对肌氧饱和度的影响 北京体育大学学报，（）：，（）：，（）：丁南运用近红外光谱技术对递增负荷运动脑血流动力学变化特点的研究 北京：首都体育学院，：，（）：，（）：马国东，罗冬梅，徐飞，等渐进式低氧训练后急性低氧暴露对健康男性大学生脑氧饱和度的影响 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