韓 磊,李 森,劉 媛

陸軍軍醫大學大坪醫院野戰外科研究部,創傷、燒傷與復合傷國家重點實驗室,重慶 400042

最冷月平均溫度為-10～0℃的區域在氣象學上稱為寒冷地區。寒冷環境除了對人體的皮膚、心血管系統以及機體代謝產生不良影響外,其對神經內分泌以及機體認知功能的影響也受到越來越多的關注[1-2]。寒冷環境下,包括軍事作業在內的特殊從業人員長時間作業均會面臨嚴峻的身心挑戰,尤其會對機體決策能力及任務執行能力產生嚴重影響。本文就寒冷環境對機體認知功能、作業能力的影響以及冷適應的保護作用進行綜述。

1 寒冷環境下神經系統對體溫的調節

寒冷環境可激活體溫的神經調節過程。機體對寒冷的主要反應為寒顫、出汗減少和皮膚血管收縮,通過上述反應使機體的核心體溫維持在37°C左右的正常范圍。神經系統對體溫的調節是通過下丘腦、皮膚溫度感受器和身體特定組織(如脊髓、內臟)中溫度調節中心介導的神經反饋機制進行。下丘腦前部分布著溫度敏感神經元,它們可感受體內溫度的變化。下丘腦后部是體溫調節的整合部位,參與調節機體的產熱和散熱過程,以保持體溫的恒定。其中,下丘腦通過調控交感神經系統(sympathetic nervous system,SNS) 和控制寒顫的前運動中樞(premotor center,PMC)從而對機體的產熱和散熱平衡進行調節。在體溫調節過程中,SNS 一方面通過控制皮膚血管收縮以減少熱量損失,同時可促進腎上腺髓質釋放腎上腺素和去甲腎上腺素,提高機體代謝率,從而增加熱量的產生。PMC則通過促進脊髓前角運動神經元的電活動,增加骨骼肌的張力。當張力增加到臨界水平以上時,機體產生寒顫反應,從而進一步提高機體代謝率和增加熱量的產生[3-4]。

棕色脂肪(brown adipose tissue,BAT)是一種具有產熱功能的組織,它以非顫抖性產熱(non-shivering thermogenesis,NST)為主,因此在冷環境中,通過BAT產熱并不依賴肌肉的收縮活動。BAT產熱主要受下丘腦和腦干的自主控制。BAT的產熱功能歸因于解偶聯蛋白1(uncoupling protein 1,UCP1)的存在。UCP1是存在于BAT細胞線粒體內膜中的一種特殊蛋白質,能夠氧化解離來自載體轉運的底物,BAT的產熱能力較強,是嚙齒動物NST的主要來源。有趣的是這種組織占去甲腎上腺素誘導代謝速率的75%,同時BAT可以燃燒人體攝入的50%甘油三酯和75%葡萄糖。在急性冷應激條件下,機體通過甘油三酯燃燒產熱過程中,BAT的產熱可高達84%。研究發現:BAT的產熱功能高度依賴SNS,它和甲狀腺素羥化酶陽性細胞極為相像,能夠高表達p3-腎上腺素受體(p3-adrenoreceptor,133-AR),并與G蛋白偶聯受體結合,通過與SNS神經節后傳出神經纖維中去甲腎上腺素釋放的B3-AR結合,促使底物氧化,并最終引起熱量的產生。機體釋放的去甲腎上腺素通過增加環腺苷酸水平來增強 BAT細胞產熱活性,并逆向激活蛋白激酶A和脂肪酸以作為能量底物和UCP的激活劑而促進產熱。此外,增強的SNS活性還增加BAT產熱能力(即增加BAT細胞的數量以及每個脂肪細胞中線粒體的數量,UCP1和伴隨的產熱蛋白表達增加)[5]。

除了上述不受自主控制體溫調節的神經機制外,機體還存在對溫度的主動控制行為(如增加衣物、使用取暖設備等)。當上述兩種體溫調節反應不足以抵抗低溫時,機體核心體溫將逐漸降至35°C以下,這種情況可能會導致短暫的器質性腦綜合征發生。即使機體核心體溫輕度降低也會影響認知功能,主要表現為反應時間延長、注意力分散、邏輯推理能力減退、信息處理速度減慢和學習記憶功能減弱。冷暴露導致認知功能障礙的程度主要取決于低溫程度、低溫持續時間、空氣或水的流速以及冷暴露相關的其他因素,如熱保護程度、疲勞和個體對寒冷反應的差異等[3-5]。

2 不同形式的冷暴露對機體認知功能和作業能力的影響

急性寒冷暴露通常是暴露于冷空氣或浸入冷水中造成,根據暴露情況的嚴重程度,可能導致機體產生不同的生理變化。Anam 和Tang 等[1,6]回顧了大量環境暴露的人群后發現:暴露于10°C以下的冷空氣或冷水后會導致機體認知功能障礙。

2.1冷空氣暴露 暴露在冷空氣中可以降低人體的皮膚溫度并引發輕度顫抖,而不會影響機體的核心溫度,但是會降低機體的專注力,延長反應時間,并引起較為嚴重的注意力分散。Matthew等[7]提供了暴露于冷空氣導致認知能力下降的相關試驗證據。他們將受試者暴露在5°C空氣中60min,雖然機體的核心溫度并未降低,但皮膚溫度明顯下降,同時發現機體對于復雜任務出現認知功能障礙。他們認為:這種損傷是由皮膚溫度降低和熱感覺變化引起的注意力分散,而不是全身冷卻的結果。Dai等[8]還觀察到:當受試者暴露于4°C空氣中60min時,盡管試驗過程中并沒有發生全身冷卻,即核心溫度下降的情況,但他們的皮膚溫度下降,也會導致個體的記憶能力下降。這些結果表明:機體外周溫度的降低可以引起相關的認知功能障礙。

2.2冷水浸泡 機體浸泡在冷水中會導致皮膚溫度下降,并伴有明顯的寒顫反應,但僅僅通過寒顫并不能抵御機體核心溫度的下降。根據在冷水中持續時間的長短不同,該類型的冷暴露可導致全身或大腦溫度降低,并與多種形式的認知障礙有關:包括記憶力減退、嚴重的低體溫甚至昏迷。當機體浸泡在足以降低核心體溫的冷水中,可導致大腦溫度降低,該降溫過程將減慢腦組織內神經元傳導速度并降低突觸傳遞的有效性,從而引起機體認知功能受損。部分研究發現:在-20～-10℃環境下,大腦的工作記憶、警覺度、注意力等都有所減弱;也有研究觀察到在2～3℃環境下,短暫冷暴露可以提高大腦警覺度,但會降低短時工作記憶能力[9]。研究者認為大腦警覺度增加與喚醒理論(即SNS的激活)有關,并通過寒冷環境中去甲腎上腺素釋放增加實驗證實了該理論。然而,當前仍然需要更多的實驗研究來明確為什么有些人在寒冷環境中表現出警覺性障礙(注意力分散),有些人表現出警覺性增強,或許不同個體去甲腎上腺素敏感性不同是這些認知反應產生差異的重要原因之一。

Taylor等[10]還提出:由于機體維護正常認知功能需要幾種兒茶酚胺的協同作用,因此,由冷暴露引起的兒茶酚胺水平改變會對認知功能產生負面影響。當核心體溫降至35.0°C以下時,Coleshaw等[11]認為70%的信息無法在大腦內保留。在34.0～35.0°C的核心溫度下,與非低體溫下執行任務的受試者相比,機體注意力明顯受損,復雜任務完成時間減慢175%。研究還表明,當使用熱保護措施防止全身體溫降低時,機體往往只出現注意力分散。如果寒冷暴露進一步加重并導致全身體溫降低,從而減緩神經元和突觸電活動,則機體注意力下降、短期記憶減退、反應時間延長和作業效率下降等認知功能障礙都可能同時發生。這些障礙會極大地影響運動員、特殊職業工作者和高寒地區作戰人員保持警覺、快速反應和記住關鍵信息的能力[12-13]。Kate等[14]將50名受試者隨機分為3組,分別在寒冷(5℃)、中等溫度(20℃)、炎熱(35℃)環境下進行駕駛任務測試,結果發現駕駛行為的表現得分在寒冷環境(5℃)降低16%,在炎熱環境(35℃)降低13%,表明中等溫度(20℃)環境最適宜駕駛,同時也能保證行車過程的安全性。

3 寒冷環境引起神經功能障礙的機制

3.1寒冷環境對神經元細胞形態及結構的影響 大鼠在經歷中度低溫體外循環后6h,海馬組織中神經元細胞出現典型的凋亡早期形態學變化,包括神經元固縮、核不規則、有切跡、染色體濃縮及核仁邊集等。進一步通過電鏡檢查可以觀察到神經元超微結構出現明顯異常,表現為部分線粒體中度或重度腫脹、空泡變性、嵴減少或消失。粗面內質網密度增大,可見有脂膜包裹、含有核碎片的凋亡小體,胞質內空泡增多,胞膜保持完整。對培養海馬神經元進行低溫處理后可發現神經元細胞胞體收縮、突起變短,突觸結構的蛋白表達減少。對孕鼠進行4℃低溫處理后,產后6周發現子代大鼠海馬神經元細胞內腦源性神經營養因子(brain derived neurotrophic factor,BDNF)的表達降低,同時RNA結合基序蛋白3(RNA-binding motif protein 3,RBM3)表達增高、而細胞外信號相關蛋白激酶1和2(extracellular signal-regulated protein kinases 1 and 2,ERK1/2) 的磷酸化水平降低,同時冷應激通過增強P65上Ser536磷酸化而以非Caspase 3依賴途徑誘導海馬神經元凋亡[15-16]。經歷中度低溫60min的大鼠,其海馬組織中Bax和Bcl-2基因表達升高,同時神經元凋亡數量增多。將動物在深低溫(體溫降到18℃)條件下處理90min后,通過形態學觀察可發現海馬神經元細胞核的核膜皺縮、形狀不規則,并在局部出現凹陷。胞漿有局灶性大片溶解區、細胞器缺乏,有的細胞器消失殆盡,并出現空泡狀結構。線粒體中等程度腫脹,嵴斷裂或消失,線粒體外膜僅有少量顆粒存在[17]。進一步研究認為:浸入低溫冷水環境導致機體核心溫度降低并引起大腦溫度下降后,會通過影響神經元細胞亞結構而減慢神經傳導速度和降低突觸傳遞的有效性,該病理生理變化會極大地影響機體保持警覺、快速反應和儲存記憶重要信息的能力[18]。

3.2寒冷環境對神經元細胞遞質釋放的影響 低溫環境導致的中樞神經功能損傷取決于不同神經遞質之間的協同作用。其中最重要的神經遞質是多巴胺(dopamine,DA)和去甲腎上腺素(norepinephrine,NA)。DA參與體溫調節的過程。運動過程中DA濃度的變化能夠影響機體核心溫度的調節,DA或NA再攝取抑制劑可以增加體溫調節中樞兒茶酚胺釋放、改善體溫調節。低溫環境使興奮性遞質釋放增加,與常溫腦缺血組相比,低溫腦缺血組谷氨酸和甘氨酸明顯增多。甘氨酸和谷氨酸可協同激活N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體,該受體對參與機體學習和記憶過程至關重要,其激活后可使鈣通道開放,大量鈣離子內流,ATP產生減少,電化學梯度改變并激發依賴Caspase 的細胞凋亡,從而引起神經元細胞損傷。Taylor等[10,19-20]研究還表明,由于正常認知功能需要兒茶酚胺類遞質的參與,冷暴露引起的兒茶酚胺變化會對認知能力產生負面影響。Coleshaw等[11,21-22]認為機體在34.0～35.0°C的核心溫度下,與非低體溫下執行任務相比,注意力明顯受損。腦內尤其是海馬組織內神經遞質種類繁多,包括氨基酸類、單胺類以及膽堿類神經遞質等。其中多種神經遞質的變化與神經退行性疾病、腦損傷后學習記憶功能改變密切相關[23-24]。

3.3寒冷環境對血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)及腦組織炎癥反應的影響 BBB正常情況下是由血管內皮細胞與神經膠質細胞形成的血液與腦組織間的重要選擇性屏障,可防止大分子、親水性分子或毒性物質由血液進入腦組織,從而保持腦組織內環境的相對穩定。BBB的通透性與體溫密切相關。研究發現低溫組BBB通透性、星形膠質細胞組織蛋白酶L表達量均高于對照組,腦微血管內皮細胞(brain microvascular endothelial cells,BMECs)的緊密連接蛋白Claudin-1表達率低于對照組。BBB受損后可誘導核因子κB活化,使神經膠質細胞激活,遷移到受損區域。活化的神經膠質細胞釋放炎性分子和細胞毒性因子,如環氧酶-2(cyclooxygenase-2,Cox-2)、誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase,iNOS)衍生物、腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、白細胞介素-1β(interleukin-1β,IL-1β)等,進而導致神經元和突觸損傷。TNF-α和IL-1β一方面抑制成體神經干細胞的增殖和機體的認知功能,同時低溫環境還可顯著增加海馬炎癥反應,導致記憶障礙[25-27]。低溫處理后,海馬組織中熱休克蛋白70(heat shock protein,HSP 70)和原癌基因c-Fos表達明顯增加且達到高峰。隨著暴露天數的增加,海馬星形膠質細胞內神經膠質纖維酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein,GFAP)和巨噬細胞-1抗原陽性細胞數量也顯著增加[28-29]。

4 冷適應及其對認知功能的保護作用

King等[30]研究表明:神經生理調節對溫度適應過程十分敏感。因此,減輕寒冷誘導認知障礙的一種潛在策略可通過寒冷適應得以實現。由反復冷應激引起的機體生理和感知調節可以自然發生以適應環境變化。冷適應是一種獨特的策略,可以減輕機體對寒冷的反應。幾天、幾周或幾個月內重復的冷暴露可以改善機體對冷應激的感知能力。如果冷暴露適當,則會發生冷適應反應,通過冷適應可以改善機體的保溫、產熱和能量保存能力。相關研究已經證實:寒冷適應的生理效應可持續數月之久,并且還可以通過間歇性寒冷暴露得以維持。但是,如果不保持定期的寒冷暴露,冷適應效應最終將會失去。冷適應的主要類型包括習慣性適應(血管收縮和顫抖)、絕緣(保溫)和代謝(機體產熱)三種。值得注意的是冷適應過程中應當避免冷損傷。此外,也許與認知能力最密切相關的是通過成功的冷適應方案改善機體的感知反應,如熱感覺和舒適度[31-32]。

4.1習慣性冷適應 當身體暴露于寒冷環境時,就會習慣寒冷應激狀態,但不會發生身體熱量損失。這主要是由于寒顫反應減少,同時血管收縮反應降低,最終導致皮膚溫度更高、能量喪失減少,機體舒適度提高。習慣性冷適應是由反復的冷應激引起,這種應激表現為:(1)非常冷但持續時間很短(沒有足夠的時間影響核心溫度);(2)輕度至中度的冷應激(可能影響皮膚溫度,但不會導致體熱損失);(3)冷暴露時給予熱保護,該保護措施可以間歇性地去除(北極探險家,極地居民)。冷暴露時血管收縮反應遲鈍導致更多的血液流向外周并增加皮膚溫度,該反應可改善機體的熱舒適性并減少外周冷損傷[33]。Tipton[34]試圖進一步確定寒冷習慣化是起源于外周還是中樞刺激。在他的研究中,受試者穿著特殊的熱防護服,用以覆蓋身體的右側,通過使用10°C冷水反復浸泡,僅使身體左側感到寒冷。通過身體兩側發生的冷習慣化差異,其認為冷適應的習慣化更多地受到中樞途徑的控制,而不是通過外周皮膚受體實現。習慣化可以減弱對突然冷水浸泡刺激的反應,例如可以減緩交感神經興奮、心動過速和呼吸急促反應。習慣化改變使得機體皮膚更溫暖、能量保存更多、舒適度感覺更好。由于相關證據表明習慣化改變起源于中樞,因此可能確實具有改善認知功能的作用。具體表現為改善冷暴露時的注意力分散[35]。

4.2絕緣性(保溫)冷適應 導致體熱損失的反復寒冷暴露會引起機體產生絕緣性冷適應。這種類型的適應通常以長時間浸泡在冷水中為特征。當體熱在寒冷暴露期間反復損失時,會產生一些適應反應來對抗核心溫度的反復下降。絕緣性冷適應引起的最顯著變化是皮膚溫度降低,這是由血管收縮增強引起,從而增加機體的熱量儲存。皮膚溫度的降低減少了皮膚與周圍環境(空氣或水)之間的熱梯度,因此,從皮膚表面損失的熱量更少。機體暴露于低溫時,身體更好的保溫性還有助于增強保持核心溫度的能力[36]。例如,Tipton和Bradford[37]在研究中觀察到,在實驗室10°C水溫游泳期間,未適應寒冷的個體在30～40s會出現高達2.5°C的核心溫度下降。然而,訓練有素和適應寒冷的游泳者在室外15°C水域中保持身體熱平衡的時間可超過12h。絕緣性冷適應的特征在于延遲顫抖,即通過減少產熱所需的肌肉活動量來節省機體能量。這些變化能最大限度地使身體熱量得以保留,從而改善更容易受到核心溫度降低所影響的認知功能,例如記憶和復雜任務處理能力[33,37]。

4.3代謝性冷適應 當寒冷暴露足以導致機體核心溫度下降時,就會發生代謝性冷適應。機體通過增加代謝率以抵御這種類型的體溫下降。因此,代謝性冷適應的反應包括通過增加顫抖或不顫抖的產熱來增加熱量。盡管通過提高代謝率可維持機體核心溫度,并且可能有助于預防寒冷導致的腦損傷和認知障礙,但這種方式可能會使機體在能量代謝上付出更大的代價。相關研究證明:代謝性冷適應可使皮膚溫度升高,這可能會使身體熱感覺和舒適度得以改善,進而減少寒冷引起的認知功能障礙[33,38]。

綜上所述,低溫環境可通過影響神經元細胞的結構與功能、改變神經遞質的平衡、激發神經細胞的免疫和炎癥反應以及改變BBB的通透性等作用,導致神經元變性、凋亡和壞死,引起機體認知功能和作業能力的改變。冷適應成功并得以維持,可以減輕冷暴露期間經歷的生理和心理壓力,維持并改善腦的高級認知功能。本綜述將為進一步研究特殊環境下人體病理生理變化,特別是低溫環境對認知功能和作業能力的影響提供思路,為寒冷暴露相關疾病的發病機制、診斷以及防護研究提供依據。

作者貢獻聲明：韓磊:文獻查閱及初稿撰寫;李森:文獻核對及文字校對;劉媛:稿件修訂