高氧氣體補充對人體運動后恢復相關指標的影響

瞿超藝, 馮亦唯, 徐旻霄, 趙麗娜, 耿 雪,趙翠翠, 覃 飛, 趙杰修

(1.國家體育總局體育科學研究所,北京 100061; 2.北京體育大學,北京 100084;3.上海體育學院,上海 200438)

高氧氣體是指以空氣為基礎、氧體積分數高于21%的呼吸氣體。借由氣瓶或氣艙中的氧體積分數增加、氮體積分數減少,機體減少吸入的氮氣,增加吸入的氧氣,將可以增加吸入氧體積分數或高于常氧條件氧含量的氣體稱為高氧氣體[1-2]。吸入高體積分數氧氣作為一種特殊的物理手段,用于改善睡眠與精神狀態,臨床上已成為一門應用學科,其對休克、缺氧等疾病有很好的治療效果[3]。同時,高氧氣體補充具有多種形式,包括高氧氣體補充面罩、氧氣罩/氧氣籠、鼻塞、鼻腔和鼻咽部氧氣補充、高壓氧、微壓氧等[4]。不同的高氧補充形式有不同的優缺點與適應情況,需因人而異。

當前,促進運動員快速恢復成為運動領域的重要課題。由于高氧氣體補充干預在臨床治療中有效,國內外學者[5-6]嘗試將高氧氣體補充干預作為運動員訓練后的恢復手段,探究其能否促進運動后機體的恢復。現有研究[1-3]關于高氧氣體補充干預對促進運動恢復的有效性結果不一,其干預效果還存在爭議。在競技體育對恢復方法與手段要求愈發精益求精的背景下,恢復方式的迅速性與有效性至關重要。基于此,本文針對高氧氣體補充干預對人體運動后恢復相關指標的作用進行綜述,探究高氧氣體補充干預對人體運動后恢復的可能作用及相關原因,為后續研究提出建議與展望,為高氧氣體補充干預恢復方式的更好應用提供參考。

1 高氧氣體補充對機體的可能影響

研究[1-2]指出,高氧氣體補充能針對機體的氧運輸系統、血流量分布、肌肉活動、耐力訓練效果、運動耐受能力等產生相應的正向影響。運動實踐中,運動員可在3種狀況下通過吸入高氧氣體促進恢復:運動過程中吸入高氧氣體能改善運動表現;運動間歇吸入高氧氣體能促進恢復;訓練期間吸入高氧氣體可增強訓練效果[1-2,7]。高強度運動環境下機體的運動表現在很大程度上取決于環境中的氧體積分數、血紅蛋白的氧結合曲線、血液到組織的氧氣運輸能力及線粒體的氧利用率[1-2]等。機體短期或長期吸入高氧氣體,血紅蛋白、血氧飽和度及血液釋放溶解的氧氣量增加,可能引起機體代謝、心肺、激素、血液、神經、主觀感覺的相應變化,如圖1所示。

2 高氧氣體補充對運動恢復相關指標的可能影響

新技術的發展使訓練中和訓練后使用高氧氣體作為增強訓練效果的輔助手段成為可能。運動員通過佩戴口罩在運動中和運動后可以從固定或便攜式的設備中吸入體積分數更高的氧氣[1-2]。呼吸高氧時,氧運輸系統能力、乳酸代謝能力、功率輸出表現和耐力運動中的耐受能力可得到相應改善。其功能狀態改善背后的生理機制雖未完全闡明,但可能與更高的氧氣輸送能力和相對減少了疲勞程度等有關[1-2,7]。

2.1 血乳酸

通過口罩吸入體積分數99.5%或100%高氧氣體后,機體的血乳酸含量下降,通過吸氧加快了血乳酸的清除[8-9]。運動后即刻通過口罩吸入體積分數70%的高氧氣體30 min后,與對照組相比,吸氧組的乳酸清除速率增大,其原因可能是運動后吸入高氧增加了血液氧含量,減緩了運動后的氧債累積,提高了肌肉對乳酸的再利用能力,因此減輕了乳酸在體內的堆積[10]。類似的研究[11]指出,吸氧組比不吸氧組乳酸的消除速率更快,這可能與高氧改善體內酸性環境有關。在進行最大強度或大強度運動時,吸入高氧能降低血乳酸水平,其原因可能與糖原的分解、糖酵解和丙酮酸生成減少等有關[2,10]。高氧吸入期間肌肉糖原分解減少的機制目前尚不完全清楚,可能是通過血漿中腎上腺素水平的降低來調節糖原磷酸化酶。另外,吸入高氧引起的血乳酸水平降低,可能是由于線粒體穿梭底物氧化更加迅速,從而導致乳酸更快清除[2,7-8]。在高氧條件下,丙酮酸的氧化反應更迅速,線粒體中輔酶Ⅰ的含量更高,并且高氧可能提高細胞呼吸速率,從而更好地維持細胞穩態[1-2,9]。

圖1 機體吸入高氧氣體可能帶來的相應影響[2]

有研究[12]指出,與不吸氧組相比,運動員通過口罩吸入體積分數40%和34%的高氧氣體后血乳酸濃度相應降低,但組間無顯著性差異。也有研究[6,13]指出:吸氧組與對照組血乳酸濃度在力竭運動前后均無顯著性差異;或是吸氧組血乳酸濃度雖低于不吸氧組,但二者沒有顯著差異。其差異的原因可能在于:血乳酸濃度受多種因素制約,不同研究的運動方案與干預條件等對研究結果也會造成影響。

2.2 心 率

彭莉[6]研究發現,高氧干預條件下力竭后15 min,吸氧組心率比不吸氧組有顯著性下降。受試者運動后經過口罩吸入體積分數70%的高氧氣體,15 min后吸氧組的心率較不吸氧組顯著下降[13]。有研究[1-2,6]認為,吸入高氧后機體血液氧分壓增高,提高血漿內溶解氧與氧擴散的能力,血液中的氧彌漫能力增強,從而使心臟舒張期增加,心輸出量減少,心肌的耗氧量和代謝率降低,有效改善機體各器官的供氧狀況,減少心臟負擔,有效降低心率。與對照組相比,運動員通過口罩吸入體積分數99.5%的高氧氣體后,心率出現相應下降[8]。但在一些研究[12]中,經過高氧干預后,常氧組與高氧組的心率無顯著性變化或是心率出現相應增加,這可能與心率指標的個體差異等因素有關。

2.3 主觀疲勞感

受試者通過口罩吸入體積分數100%的高氧氣體后,其主觀疲勞指數較對照組有所降低[5]。吸入高氧氣體降低機體主觀疲勞,減少機體疲勞程度,可能與氧氣的供應量增多保障機體各器官的氧供應,維持各器官的氧合作用,提高氧氣向肌肉細胞的擴散速度,有效緩解代謝產物的堆積有關[2,5]。Tucker等[14]研究認為,受試者通過口罩吸入體積分數40%的高氧氣體后,主觀疲勞感與對照組有顯著下降,認為吸入高氧可能會增加機體抗氧化酶的活力,提高機體對自由基損傷的抵抗能力,同時呼吸額外的氧氣可以補償大腦氧合作用的相應減少,促進機體恢復。

也有研究[8-9]指出:高氧干預后對照組與吸氧組的主觀疲勞感無顯著差異;或者吸氧組的主觀疲勞感略有下降,但與對照組相比無顯著差異。這可能與主觀疲勞感等指標受主觀影響較大有關,因此該指標的準確性略有欠缺,只能作為干預效果的簡單參考。

2.4 血氧飽和度

血氧飽和度是反映機體呼吸循環系統狀態的重要指標。運動后15 min,吸氧干預組的血氧飽和度顯著高于對照組[6]。與對照組相比,在高氧干預恢復后的5 min、10 min、20 min、30 min,吸氧組的血氧飽和度顯著增加[10]。Zinner等[9]研究發現,吸入高氧氣體能提高血氧飽和度,其作用可能是大強度運動后的高氧恢復可增加血氧含量,提高血氧分壓,改善大強度運動后器官組織的血流狀況,改善血細胞的流變性,達到對機體各器官、系統代謝及功能的正向調節作用[1-2,6,10],從而有效防止血氧飽和度下降,促進血氧飽和度恢復[2,6]。

2.5 運動表現

有研究[5]指出,受試者通過口罩吸入體積分數100%的高氧氣體后,能較好地維持運動中的平均功率輸出表現和峰值功率輸出表現。通過口罩吸入體積分數70%的高氧氣體后,受試者的功率與峰值功率得到較好維持,功率輸出表現的下降率更低[10]。長時間耐力運動后吸入體積分數40%的高氧氣體,能有效維持受試者蹬車距離與功率輸出表現[14]。常氧訓練后經過高氧恢復,對維持運動員平均功率的輸出表現效果更明顯[9]。

吸入高氧氣體會改善機體的相關運動表現,可能與高氧補充后氧氣供應充足,心率較低,從而減少分鐘通氣量,呼吸功能出現節省化、經濟化有關。同時,較低的腎上腺素循環水平,肌肉糖原分解減少,有效維持了機體的糖原貯備[ 2,5]。當氧氣供應量增多時,機體更依賴脂肪代謝產生能量,可提高機體對運動的耐受性,充分調動機體的生理潛能,提高機體的有氧耐力水平[1,14]。呼吸高氧氣體使中樞神經得到刺激,導致神經遞質釋放,可能會促進運動表現[1]。在運動領域,高氧補充干預主要針對循環運動、遞增運動、短時間最大強度運動。高氧補充干預可能使運動員產生比常氧情況下略高的最大或次最大功率輸出,并延長其出現疲勞后的運動時間[2,5]。相關研究中運動測試方案很難標準化控制,檢測指標的測試方法也很難統一,加之實驗條件不同,導致研究結果不一致,因此需謹慎對待相關結論。

在運動領域吸入高氧促進恢復的相關研究中,受試者數量、訓練狀態、運動時間、運動強度、吸入氧濃度存在較大差異,導致研究結論不完全一致。現有研究基本都以男性作為受試者,運動方案的選擇存在較大差異,不同身體部位(上肢或下肢)的運動,全身或局部的身體運動,以及受試者的個體差異等[1-2],導致無法得出高氧氣體吸入對機體恢復的確切結論,還需更多實驗條件更加嚴格的后續相關研究加以證實。同時,其恢復效果也需從生理學的角度綜合分析。

3 高氧氣體補充禁忌與風險防范

有研究認為,高氧氣體補充干預雖可增加機體內氧含量,但可能造成氧化損傷。其主要原因在于伴隨體內氧含量的增加,細胞中的氧自由基也隨之增多,氧自由基增多會攻擊機體造成相應損傷,這種氧的有害作用被稱為氧中毒,其主要作用部位是中樞神經系統和肺。氧中毒的臨床癥狀包括前胸不適、惡心、嘔吐、頭暈、耳鳴等。這些中樞神經系統癥狀往往發生在大腦,通常被稱為腦氧中毒癥狀。氧氣的毒性作用還可表現為細胞呼吸失活、神經傳導阻滯、紅細胞溶血、抽搐、驚厥等[3,15-16]。因此,運用高氧氣體補充干預時需預先有一定的適應周期,當機體不適應時應適當縮短高氧補充時間或采取間歇高氧補充方式,改變氧中毒的發展速度,應用時需注意掌握適當的壓力、氧體積分數和時間,避免長時間連續高氧補充和連續氧壓過高。建議采用有一定間歇時間的高氧補充方式,掌握安全時限,有效防止氧中毒的發生[6,15-16]。

4 小 結

高氧氣體補充對人體運動后恢復的相關指標具有一定的積極作用,對于運動后機體的恢復,高氧氣體補充是一種無創、有效的干預手段。

由于個體差異、運動專項及高氧補充方法中各變量的不同,高氧氣體補充干預對機體運動后的恢復效果存在差異。運動與高氧補充領域的后續研究可考慮針對不同年齡、不同身體條件和不同運動專項的人群進行干預實驗。在此基礎上,需進行更多高質量、大樣本、多指標、設計嚴謹的隨機對照或自身對照實驗,為高氧氣體補充干預對人體運動后的恢復效果提供更準確的循證醫學依據。同時,需明確高氧氣體補充在運動領域中應用的絕對與相對禁忌證,注重安全風險防范。目前,高氧氣體補充的方式朝著便攜式、小型化方向發展,如新興的微壓氧技術,安全、有效、可操作性更強,從而更好地推動其普及應用。