高原低氧与脑组织结构和功能损伤※

靳国恩 综述 格日力审校

(青海大学高原医学研究中心)

人类脑计划是继人类基因组计划之后的又一大科学工程，是21世纪最重要的新科技革命内容。因此，21世纪又被誉为脑的世纪。脑所具有的极其复杂性，被科学家比喻为“缩小的宇宙”。脑不仅具有复杂的结构，更具有难以洞悉的高级功能，故脑科学计划有望推进人类发展进程。继美国、日本和欧盟启动脑计划以来，我国也开始筹划相关计划。研究脑科学是科技发展的必然趋势。高原脑科学是在中国脑科学计划的大背景下提出的，2016年在全国高校系统“中国脑科学”研讨会上，高原医学知名专家格日力教授首次提出了“高原脑科学”这样一个全新概念，并对其内涵进行了阐述。本文对此综述如下。

1.高原脑科学发展概况

有关高原对脑组织影响的描述，国内记载于《汉书·西域传》，文中描述：“又历大头痛山、小头痛山，赤土、身热之阪，令人身热无色，头痛呕吐，驴畜尽然”；国外记载于1862年詹姆斯·格莱舍和亨利·考克斯韦尔的一篇学术报告，报告描述：“乘热气球上升到8 000米时出现了认知及身体机能不同程度的下降”[1]。从那时起，高原低氧对脑组织影响的相关研究拉开了序幕，我国的低氧对神经系统影响的研究始于上世纪60年代初[2]，最初由于受到实验技术的限制，研究主要着重于生理学方向，随后随着实验技术的发展，研究手段越来越丰富。文献显示，有关低氧对神经系统影响的相关研究经历了三个阶段：第一阶段，围绕低氧神经生理学实验技术开展基础科学研究，比如低氧对神经递质合成释放以及电生理反应等方面的影响、低氧对呼吸中枢及心血管中枢的影响等；第二阶段，将低氧神经生理学技术与行为学/心理学方法相结合开展了对脑的高级功能的研究，比如结合水迷宫实验开展的学习记忆研究等；第三阶段，将低氧神经生理学技术与行为学/心理学、影像学相结合开展了对脑高级功能及结构的综合研究。21世纪的今天正处于第三阶段，有望在高原脑科学领域获得突破性进展。

2.高原低氧对血脑屏障和脑结构的影响

高原低氧会对脑造成损伤是个不争的事实，比如高原脑水肿。80%的人进入高原会出现头痛症状，这是低氧引起的神经体液和血流动力学改变(受损)所导致的，特别是脑血流量的突然增大，增加了脑毛细血管压力，致脑组织容量增大，并发生水肿，其中脑血管扩张和颅内压升高是引起头痛的原因之一，MRI显示皮质下白质和胼胝体出现不同程度水肿[3]。同时，血脑屏障的稳定性下降、血流灌注量增大是已知引起脑水肿最直接的结构和动力学因素，研究发现从150米海拔进入3 475米时，脑血流量比平原水平增加了24%，从3 200米进入5 000米左右时，脑血流量增加了53%[4]。轻度头痛是否也存在脑水肿？目前的检测技术无法明晰脑组织是否存在极轻微的水肿。脑灌注量增大可能是引起脑水肿的重要原因，但血脑屏障损伤是发生高原脑水肿的根本因素，特别是血脑屏障各组成部分之间的相互关系受到扰动而出现血脑屏障障碍：内皮细胞间连接的完整性，内皮细胞与周细胞、周细胞与星形胶质细胞等之间相互依存性均受到低氧的影响，而出现血脑屏障的稳定性降低[5]。除急性低氧对脑组织的影响之外，慢性低氧对脑组织的损伤也不容忽视，青海大学高原医学研究中心团队对平原人和高原人脑结构和功能进行了研究，利用MRI首次发现慢性高原病患者也存在脑水肿，打破了以往认为慢性高原病无脑水肿的观点。慢性低氧下形成的脑水肿与过度的红细胞增多和严重的低氧血症有关，因为MRI测定发现慢性高原病患者有显著的脑循环延迟现象，即血液黏滞度增大[6]。Halder等人研究发现，脑血管在低氧刺激下，也会出现如肺动脉平滑肌一样的血管重构现象，主要体现在因内皮细胞增生引起的毛细血管密度增加和内皮细胞肥大而导致的大血管扩张[7]。但也有相反的观点，Parkdengren认为，低氧能够通过促进脑微血管内皮细胞的分化、增殖，以及增强内皮细胞侧膜ZO-1、claudin-5、PECAM-1等分子高表达，而增强了血脑屏障密封性[8]。这种矛盾的观点可能与低氧程度和研究对象不同有关。低氧对脑结构的影响越来越受到重视，有研究表明，在平原人与高原人之间存在白质纤维分布差异[9]，低海拔人移居高原两年以上会出现脑的适应性变化，具体表现为移居后左侧眶内额上回、左侧脑岛、左侧顶下缘角回脑区区域均一性(ReHo)增强，右侧楔叶、右侧顶上回、右侧梭状回脑区ReHo 减弱，左侧额中回、左侧背外侧额上回、左侧脑岛、左侧前扣带回和旁扣带脑回脑区低频增幅(ALFF)增大，右侧舌回脑区ALFF 减小[10]。而Zhang等人[11]对未罹患慢性高原病者的16名移居者(≥2年)研究发现，右中央后回和右额上回的灰质体积显著减小， 右额中回、右海马旁回、右颞下回和中回、双侧腹下桥和右小脑脚的灰质体积增加，并出现反应时间延长和精神旋转障碍(人体上额叶与心理旋转相关，而中央后回与反应时相关)。对人而言，这种结构上的改变究竟是有益的表现还是损害的表现，仍然存在争议，因为高原人和平原移居者对低氧的适应能力是完全不同的，其改变的意义也就有所不同。可以肯定的是，当平原人或动物暴露于低氧环境时神经细胞会受到损伤。动物研究表明[12]，低氧可使脑组织尼氏小体数目减少和体积缩小，同时伴随脑组织凋亡蛋白Apaf-1、HIF-1α、Bax、和cyto-c的表达水平上调以及MDA、LDH、GSSG水平明显升高和GSH、SOD显著降低，足以证明低氧对脑组织有损伤作用。另外，低氧还可以通过改变神经细胞的可塑性及神经递质的合成、释放、摄取、降解等环节而影响脑功能。

3.高原低氧对脑认知功能及对阿茨海默症(AD)患病率的影响

高原急、慢性低氧对高原人及移居者脑组织的影响十分复杂，其中对认知功能的影响最不容忽视。Nelson等人[13]对攀登珠穆朗玛峰的登山队员的认知能力进行了测试，结果显示无论是在极端海拔或返回中度海拔后，其认知感均有所下降，特别是对元认知的影响最显著。Chen等人[14]对69名移居高海拔两年的大学生通过MRI结合言语/视觉记忆和简单/再认反应时等神经心理学测试研究发现，受试者的记忆测试准确率明显降低，暴露后反应时间延长，神经影像学分析显示左壳核灰质体积和ReHo明显减小，颞上回、扣带回前/中回和其他脑区的功能连接性(FC)明显减弱。此外，颞上回、顶叶上叶、扣带回前叶和额内侧回ReHo降低，而海马区ReHo增加，高海拔暴露后ReHo/FC的差异与认知功能变化显著相关。Ma等人[15]也发现，移居高原的平原人其反应时长明显大于平原人。可见高原低氧很容易使移居高原地区的平原人发生认知功能障碍(这是一种神经性退行性病变表现)。

AD是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病，主要症状是进行性记忆丧失和认知能力退化。在我国目前有关AD发病机制的假说有多种，如胆碱能功能低下论，淀粉样蛋白(A)病变论，Tau蛋白病变论，神经免疫炎症论，自由基学说论等等，其中以淀粉样蛋白病变论最受公认，然而从1901年发现第一例至今，对其研究进展缓慢，无论是早期诊断、机制阐明和药物开发均不尽人意。目前认为，AD的发病不仅仅与上述几种假说相关，也与人群所处环境、遗传背景、生活习俗、宗教信仰以及文化底蕴均密切相关。近年来越来越多的研究重视“遗传变异论”在 AD 的发病机制中占有的重要地位，这种“变异”是与环境和文化对人群的长期影响分不开的，这就提示不同人种、不同民族在不同地理和人文环境下，AD患病率应该存在差异。

AD发病的分子机制尚不清楚，目前仍以 Aβ沉积为主流观点，其中对Aβ的清除功能降低是其发病的重要环节。有研究[16]表明，β-位点β-淀粉样前体蛋白(APP)裂解酶1(BACE1)基因BACE1与AD发病有关，而在BACE1基因启动子中发现了一个功能性缺氧反应元件，缺氧通过增加BACE1基因在体内外的转录和表达，上调APP的β-分泌酶和Aβ水平。在动物研究中发现，APP突变会增加Aβ沉积和神经斑块形成，出现记忆障碍。另外，线粒体自噬活动受损，也会促使AD发生，有研究认为在AD患者的神经元的线粒体中存在Aβ和Tau的沉积，一旦自噬活动受损，影响线粒体的自我修复功能，加重神经元损伤，使AD症状更加明显，而低氧虽能增加自噬能力，但也可以增加AD的沉积，后者会影响自噬活动的发生[17]。Li等人[18]在动物实验中发现，γ-氨基丁酸B1受体参与了低氧下对学习记忆的活动，暴露于海拔5 000米大鼠海马组织中的γ-氨基丁酸B1受体表达显著下降，同时伴随着记忆蛋白FOXP2水平的下调，其结果使得大鼠在水迷宫的巡航总路程延长、穿越平台次数减少。当上调γ-氨基丁酸B1受体表达水平，FOXP2水平也出现上升，大鼠巡航总路程缩短、穿越平台的次数增多，表明低氧也可以通过改变脑组织中的神经递质而影响认知功能。可见AD发病机制十分复杂，特别是在高原低氧环境下，AD患病率是否高于平原地区，高原世居者和高原移居者之间是否存在差异，目前仍缺乏足够的依据(包括流行病学调查数据)。青海大学高原医学研究中心团队对西宁地区和果洛玉树地区人群(3000人)的初步调查结果显示，高原世居藏族60岁以上人群中的AD患病率较低，大概在1.01%，这与Fang等人[19]研究的65岁以上世居人群AD患病率为1.33%的结果大致相同，均远低于全国总体患病率(4.7%)。提示：1.高原世居藏族人群独特的基因型[20]或许在AD 的发生及低氧环境下对脑认知功能的损害存在保护作用；2.世居藏族生活习俗和文化背景等的不同，也影响AD患病率。

4.高原低氧对神经性和精神性疾病的影响

有关描述高原地区神经性和精神性疾病的患病率流行病学特点的文献比较少。有研究[21]认为海拔越高，精神功能受损和决策能力受损情况就越严重，经统计，在高海拔地区，缺血性中风占总住院人数的13.70/1000，而非高海拔地区，只占1.05/1000。低氧引起的毛细血管损伤、血液粘滞度增加及高凝状态是缺血性中风的主要原因。Hsieh报道了一例美国军人攀登富士山后出现多发性硬化症的病例[22]。高原低氧对精神性疾病影响的报道鲜见。有人研究[23]发现，高海拔地区自杀前有抑郁症的患者(50%)显著高于低海拔(37%)，缺氧环境增加了个体自杀的风险，但没有提到低氧如何影响精神的机制。另有人研究[24]发现，低氧环境可以影响普通攀登者的心理，与非心理干预者相比，干预者最终登顶的成功率会显著提高。到目前为止，尚无大数据表明高原低氧环境会增加精神疾病的发生率，但低氧对心理因素的影响是明确的，即便是轻度低氧反应也会引起不安和焦虑，而严重的高原病造成的脑损伤者的心理状态更是如此。因此，高原低氧是否会导致精神性疾病增加的问题有待于进一步研究。

5.高原低氧对神经细胞的保护作用

大多数研究认为，高原低氧会对神经细胞造成损伤，但不同的情况下，适当的低氧反而有利于神经细胞保护，有研究[25]发现，高原地区Willis环完整率低、后循环发育异常为其主要变化，但低氧在一定程度上又能促进后交通动脉的开放，发挥适应性代偿作用。有研究[26]表明，来源于MSCs或PC-MSCs的外显体被系统地给予转基因APP/PS1小鼠，做缺氧处理后，骨髓间充质干细胞中miR-21的表达显著增加。根据Morris水迷宫实验结果，注射MSCs外显体可改善认知和记忆障碍，减少斑块沉积，降低脑内Aβ水平；能降低星形胶质细胞和小胶质细胞的活性；与常氧骨髓间充质干细胞外体给药组相比，PC-MSCs外显体给药组学习记忆能力明显提高；斑块沉积和Aβ水平降低，生长相关蛋白43、突触蛋白1和IL-10表达水平提高；更重要的是，来自PC-MSCs的外显体有效地提高了AD小鼠 大脑miR-21水平。此外，补充miR-21可改善APP/PS1小鼠的认知功能障碍，并阻止其出现路径学特征，其机制是通过低氧调节miR-21来改善突触功能障碍。除此之外，适当的低氧刺激会增强损伤的神经细胞的可塑性和生长性[27]，也有利于提高机体对低氧环境的习服能力。

近年来，脑科学研究获得了突飞猛进的发展，许多方面逐渐被揭示，如神经间信息的传递、结构区域与功能的关系等，但对脑的各种功能和神经网络工作原理的了解非常粗浅，未知的领域仍然很多，比如意识和潜意识的产生、记忆的储存恢复、情感的漂移等。高原独特的环境对神经系统的影响是否存在其他特殊机制，是高原脑科学研究的主要方向。由于高原地区存在丰富的世居人群、移居人群和新进人群资源，十分有利于做低氧下脑结构和功能的对比研究。

6.展望

高原脑科学具有地域性、民族性特色。它要解决的不仅仅是低氧对脑组织损伤的机制问题，更重要的是要解决脑组织对低氧的适应机制问题，其具体解决的目标有：高原地区人群AD流行病学特征及其低氧对认知功能影响问题；世居高原藏族适应低氧的正选基因筛选及其生物学功能问题；低氧对高原地区不同人群脑结构及其功能的影响问题；高原环境中神经元线粒体能量代谢特征问题；高原低氧对肠道菌群的干扰及干扰后菌群对神经系统功能的影响问题；高原地区神经类和精神类疾病流行病学特征及低氧对此类病的影响特点问题。