慧创学术荟 | 法国国家科学中心利用fNIRS研究高海拔对认知的影响

研究概述

01研究背景

随着登山、徒步、滑雪等高海拔休闲运动的出现，人们越来越关注缺氧对生理和认知功能的影响。随海拔高度的上升总大气压呈指数下降，动脉血和组织中的氧气分压降低。适应性生理反应通常帮助人类适应缺氧环境。有研究发现缺氧引起的视觉感知能力下降，但缺氧对更高认知过程的影响尚不清楚。本研究旨在利用功能性近红外光谱( fNIRS）评估急性和长期待在高海拔环境下的特定认知过程（认知控制和时间知觉）和血液动力学相关性。

02研究方法

• 受试者

11名男性受试者，所有受试者在参与实验前都进行了全面的医疗筛查，以排除呼吸系统、心血管和脑血管疾病。研究对象为普通的休闲登山者，在以往的高海拔攀登中没有严重急性高原反应(AMS)史，且没有适应高海拔环境(过去3个月没有在1500米以上逗留)。

• 实验流程

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍所有受试者通过直升机被运送到14272英尺 (4350米)的高空，并在那里停留了4天。被试在上升到高海拔地区前一周，到达当天(D0)，在高海拔地区的第二天 (D2）和第四天(D4)执行认知任务。认知任务包括冲突任务和时间分割任务。

冲突任务：受试者坐在距离电脑屏幕1米远的椅子上，手持左右键完成任务。在整个实验过程中，受试者必须盯着屏幕中央的一个白点，他们被要求根据注视点左边或右边的几何符号的形状(即正方形或圆形)同时忽略其空间位置，按下相应的反应键，以尽可能快和准确的方式做出反应。几何符号形状与按键的映射(例如，右反应为正方形，左反应为圆形)在被试间进行平衡。该任务包括两种试验类型:一致试验(CO)(按键反应与刺激同侧)和不一致试验(IN)(按键反应与刺激反侧)。

时间感知任务：受试者的时间感知能力是通过两个听觉时间分割任务来评估的﹐一个涉及短持续时间范围（以250ms为中心），另一个涉及长持续时间范围(以2000ms为中心)。该任务是判断白噪声的持续时间。在测试阶段，白噪声是五种不同的持续时间(短持续时间范围:190ms、220ms、250 ms、280ms、310ms;长持续时间范围:1520ms、1760ms、2000ms、2240ms、2480ms)。参与者被要求通过按相应的反应键来指出所呈现的刺激是长是短。每组包含两个50组试验，分别对应5种不同持续时间的刺激，每组10次(试验间隔为2s)。

• 数据处理与分析

对每个因变量(即平均反应时、决策误差、分布分析、误差后调整、PSE、DL和自我报告测量、[HbO2]、[HHb]、[Hbtot]和TOI，以及绝对TOI)进行被试内重复测量方差分析。

03研究结果

高海拔影响了信息处理的速度和准确性。到达高海拔早期（D0），受试者的反应时(RT）比海平面慢（图B）同时决策错误是海平面的两倍高（图A）。但在高海拔地区2天后，与到达高海拔第一天相比反应时逐渐恢复，与海平面相比反应时依然变慢（图A（2））。从D0到D2的较大近红外脑成像反应表明，前额叶活动的增强抵消了部分认知表现的下降，通过建立一个自上而下的反应抑制机制来评估认知控制，早期的自动反应激活和错误后的调整都没有受到缺氧的影响。

04结论

本研究调查了急性和长时间暴露在高海拔环境中的认知功能和血流动力学的相关性。通过冲突任务和时间感知任务，研究了在目标导向行为中起重要作用的认知过程，如认知控制和时间知觉。此外，利用近红外光谱(NIRS)对冲突任务期间PFC氧合变化进行了评估。这项研究有三个主要发现。首先，急性缺氧对信息处理的影响主要体现在速度和准确性上。其次，认知控制(通过反应抑制、冲动和后验调整评估)在高原暴露后没有受损，并保持完全有效。第三，PFC活性的增加只能部分抵消缺氧对信息处理的有害影响。

05军队应用

该研究首次通过近红外脑功能成像研究发现高原暴露过程中人们的反应时和决策能力受损。这对于戍守在高原的士兵以及作战计划布置在高海拔地区时，为了不影响部队的作战状态让战士们有良好的判断的能力，部队应提前两天到达高原使得认知功能恢复到正常状态，提高作战水平。部队作战不仅需要良好的决策力、判断力也需要很高的注意力，通过fNIRS进行监测其他的认知能力比如注意力很有必要，可以帮助部队提前做好防护措施以帮助部队达到最佳状态。

参考文献：

[1] Davranche, K., Casini, L., Arnal, P. J., Rupp, T., Perrey, S., & Verges, S. (2016). Cognitive functions and cerebral oxygenation changes during acute and prolonged hypoxic exposure.Physiology & Behavior, 164, 189-197.

Doi：0.1016/j.physbeh.2016.06.001

关于慧创

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• 已支撑用户在Nature Human Behaviour等顶级期刊发表SCI论文70余篇

• 获得中国生物医学工程学会最高科技奖“黄家驷生物医学工程奖”

• 2022年6月成为清华大学研究生专业实践基地

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