高原地区自然环境特殊,对人体影响较大的主要气候特征表现为低气温、强紫外线辐射、低大气压和低氧分压等,其中低氧分压对人体健康威胁最大。急进高原早期,机体对低氧环境的习服机制尚未建立,极易引发急性高原反应(acute mountain sickness,AMS)。在人体所有系统中,中枢神经系统对低氧环境最为敏感。目前研究发现,高原急性低氧环境几乎能影响机体所有的功能活动,高级神经活动的改变往往在低氧刺激初期就会出现。结合时间因素,轻微的低氧刺激就可能引起不同程度的神经元细胞损伤,严重的低氧刺激会导致神经元细胞产生不可逆损伤甚至死亡。且急性低氧引发的认知功能损伤严重威胁着急进高原人群的作业效能和身心健康,更有甚者会危及生命。随着我国高原医学的发展,高原抗缺氧技术和装备研究随之不断进步,目前已有研究证实了高原富氧干预对急进高原人群的心、肺等组织器官的生理功能和结构有一定的预防保护作用,但是有关高原富氧干预是如何影响机体的认知功能和脑部结构目前仍鲜有研究报道。因此,探索富氧干预对高原急性低氧所致认知功能障碍及脑部结构损伤的预防保护作用在保障急进高原人群生理健康和工作效率方面具有重要意义。本研究首先建立了平原条件下的弥散富氧环境、模拟高原低压低氧环境以及模拟高原低压低氧条件下的弥散富氧环境实验平台,并分别对三种平台的氧气浓度、海拔、温度等参数进行了连续测试,结果表明上述三套系统均可连续运行12 h以上,且氧气浓度和温度能够保持稳定;同时建立了急性缺氧大鼠模型,通过对其自发协调性活动检测,验证了三种环境能影响大鼠的自发协调性活动和认知功能,为后续动物实验的开展提供了科学有效的实验平台保障。其次,本实验使用便携式膜法氧气机对急性缺氧动物模型进行了有效富氧干预,探索了在模拟高原急性低压低氧环境下膜法氧气机的富氧干预对于大鼠的空间学习记忆能力、海马组织结构、神经细胞形态和Tau蛋白磷酸化表达水平的影响,发现富氧干预能显著降低急性低压低氧环境造成的大鼠空间学习记忆功能障碍以及对海马结构和神经细胞超微结构的损伤。该研究为弥散富氧改善急进高原人群的生理和心理健康提供了理论依据,也为后续抗缺氧系列装备在高原地区的进一步推广与应用提供了科学使用方法与实验依据。本实验研究分为以下两部分:第一部分:模拟高原低压低氧条件下弥散富氧环境和急性缺氧动物模型的建立背景:大量研究表明高原低氧环境会严重影响急进高原人群的神经、呼吸、消化、泌尿、循环等系统的正常生理功能,因此,系统研究低氧对机体损伤的机制并探寻科学有效的富氧干预方法,对于维护人体正常生理功能和健康具有重要意义。为此,建立一种科学有效的急性缺氧动物模型并构建与其相对应的弥散富氧环境对于研究急进高原机体损伤机制并探索相关干预方法具有重要价值。方法:首先,通过将便携式膜法氧气机的出气端与大鼠独立通气笼具(individual ventilated cages,IVC)笼具的进气口相接,构建弥散富氧环境,以模拟高原富氧室;随后,将富氧笼置于低压舱内,协同运行低压舱及膜法氧气机。至此,模拟高原低压低氧条件下的弥散富氧环境构建完毕。随后在各海拔高度下对富氧笼内的氧气浓度和温度进行测试。随后建立急性缺氧大鼠模型,并对其在富氧干预后的自发协调性活动进行检测。结果:氧气浓度测试结果显示,在平原条件下,富氧笼内氧浓度于20 min内即可达到30.72%,且稳定性较好。模拟高原环境时,低压舱内氧浓度始终保持在20.9%,与平原状态一致,但压力值显著降低。而富氧笼内氧浓度随海拔高度的上升略呈下降趋势,但是在模拟海拔6000 m时仍能维持在28.41%,且在固定海拔高度时富氧笼内氧浓度基本能够保持稳定在12 h以上。此外,富氧干预能有效改善急性缺氧对大鼠体重以及水平和垂直活跃度的影响。结论:本部分实验分别构建了科学有效的平原弥散富氧环境、模拟高原低压低氧环境以及模拟高原低压低氧条件下的弥散富氧环境三种氧环境,并建立了相对应的急性缺氧动物模型,为后续深入研究富氧干预对和大鼠空间学习记忆相关的认知功能及脑部结构的影响提供了科学有效的方法学保障。第二部分:急性低压低氧环境下膜法氧气机富氧干预对大鼠空间学习记忆能力及海马结构的影响背景:目前针对富氧环境对机体影响的基础研究大都集中在心肺功能方向,而有关富氧干预能否改善因急性低氧引发的脑部结构损伤和学习记忆能力下降,尤其是富氧干预对其作用机制迄今仍未见研究报道。方法:通过Morris水迷宫进行定位航行训练后,对大鼠进行急性低压低氧处理和富氧干预,随后检测其空间学习记忆能力,并分别观察急性低氧与富氧干预对于大鼠海马组织结构和神经细胞超微结构的影响,同时在分子水平上对于与认知功能密切相关的Tau蛋白在四个重要位点的磷酸化表达水平进行Western Blot半定量分析。结果:空间探索能力测试结果表明,急性低氧处理会显著降低大鼠穿越Morris水迷宫水下平台的次数,而富氧干预则会扭转这种负向影响。HE染色结果表明,低氧处理会导致大鼠海马CA1区锥体细胞排列散乱,胞核体积缩小,染色加深,与胞质界线不清,出现大量空泡样变,且变性锥体细胞数量显著增多,而富氧干预组大鼠相关结构损伤明显减轻。透射电镜结果表明,低氧处理会显著破坏神经元细胞结构和线粒体形态,而富氧干预能有效缓解低氧引发的神经细胞损伤。Western Blot结果表明,进行低氧和富氧干预对于海马组织内总Tau蛋白的表达无显著影响,但急性低压低氧处理会造成Tau蛋白在不同位点的异常磷酸化表达,而有效富氧干预则会显著降低其在不同位点的磷酸化表达水平。结论:采用膜法氧气机进行富氧干预能够显著减轻急性低压低氧环境导致的大鼠空间学习记忆功能障碍以及海马组织结构、神经细胞形态和线粒体结构的损伤,并且对大鼠的认知功能具有显著的保护作用。