研究目的脑作为耗氧量最大的器官,需要消耗20%的氧气来维持正常的脑功能,在低压低氧环境下,脑很容易受到损伤。因此,高原低氧环境所产生得一系列反应主要表现为头疼和头晕等神经系统症状。本实验室曾对高原登山队、驻藏军队以及拉萨支教队的脑功能进行了一系列测试发现低氧后脑功能的变化主要表现在视觉空间认知构建能力的下降。因此,本课题从脑血流及视觉任务激活脑神经细胞活动两个方面对低氧/复氧视觉空间认知功能改变的脑机制进行深入研究。材料与方法:本研究于2017年8月招募了赴拉萨当雄县(海拔4300m)支教的23名厦门大学本科生,其中女性11名,男性12名,平均年龄为19.4±0.9岁。他们支教时间为30天。在所有被试出发前一周内(Test 1),支教完成后回到厦门一周内(Test2)以及回到厦门三个月后(Test3)分别进行了如下测试:一般生理指标测试(血常规、血压、心率、脉搏、血氧饱和度和肺功能)、行为测试(急性高原反应、高原脱适应、焦虑和抑郁症状)、经颅多普勒超声(transcranial doppler,TCD)和脑磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)的扫描。脑部MRI的数据包括结构3D T1像、脑血流动脉自旋标记(arterial spin-labeling,ASL)、静息态功能磁共振和时钟(clock)任务态功能磁共振(functional magnetic resonance imaging,fMRI)。另外又在厦门大学招募了13名年龄、性别以及教育背景相匹配的大学生组成对照组,以此来验证在相同的时间间隔条件下,学习效应是否影响了行为测试结果。上述测试项目均利用组间配对T检验分析。研究结果Test 2与Test 1相比,第一秒钟用力呼气量/用力肺活量(Forced expiratory volume in one second/Forced vital capacity,FEV1/FVC,P=0.020),FEV1(P=0.039)显著性增加,红细胞数目(P=0.003)和血红蛋白水平(P<0.001)显著性增加。TCD的结果显示,基底动脉(basilar artery,BA)的最大收缩期峰值速度(systolic velocity,Vs)和平均速度(mean velocity,Vm)显著性降低。ASL结果显示,左侧中央后回、扣带回、额上回的脑血流量(cerebral blood flow,CBF)显著增加;左侧楔前叶、壳核、丘脑、小脑蚓部以及右侧颞叶、小脑蚓部的CBF显著降低。将脑血流变化的差异脑区与生理指标进行相关性分析,结果显示红细胞数与小脑蚓部和左侧小脑显著性负相关,血红蛋白与左侧小脑显著性负相关。时钟任务fMRI的结果显示,左侧额下回、岛叶、额内侧回和右侧额回被激活,右侧舌回被抑制。进一步以静息态fMRI数据为基础,以视觉皮层差异脑区双侧舌回为种子点进行全脑功能连接分析发现,左侧舌回与左侧中央旁回、右侧旁中央小叶、顶下小叶和梭状回(枕颞内侧)的功能连接增强,而与右侧角回的功能连接减弱;右侧舌回与两侧顶下小叶、右侧梭状回、右侧额中回和右侧岛叶的功能连接增强,而与右侧额上回的功能连接减弱。Test 3与Test 1相比,心肺功能与血液指标均无显著性差异,但收缩压(P<0.001)和舒张压(P=0.010)显著性增加。BA的Vs和Vm无显著性差异。ASL的结果显示,左侧颞中回、舌回、小脑、顶叶、颞叶和扣带回以及右侧杏仁核、海马、梭状回和小脑的CBF显著降低。将脑血流变化的差异脑区与生理指标进行相关性分析,结果显示红细胞数与小脑和右侧海马显著性负相关;血红蛋白与左侧舌回以及左侧顶叶显著性负相关。时钟刺激任务fMRI的结果显示,左侧豆状核、锥体、后扣带回、颞上回和颞中回被激活。进一步以静息态fMRI数据为基础,以视觉皮层差异脑区双侧舌回为种子点进行全脑功能连接分析发现,左侧舌回与右侧梭状回、前扣带以及左下半月形小叶的功能连接增强,而与颞上回的功能连接减弱;右侧舌回与右侧后扣带回、右侧颞上回、右侧岛叶和左侧结节的功能连接增强。结论(1)高原低氧环境暴露后,脑血流量在不同脑区重新分布,基底动脉供应的脑后部包括视觉相关皮层血流显著性降低;(2)空间任务激活的视觉皮层的细胞活动受到了抑制;(3)与视觉皮层的功能连接代偿性增强;(4)上述低氧所造成的脑血流和脑功能变化在恢复到常氧水平一段时间后,能够可逆性的恢复到初始水平;(5)本研究提示脑血流的降低和神经细胞活动的抑制可能是低氧视觉功能障碍的机制。