摘要: 近红外线光谱技术（Near-Infrared Spectrum Instrument，NIRS），NIRS凭借其安全、便捷、无创、实时等优势被广泛应用于肌氧和脑氧的运动实践研究中。研究发现，高强度运动会引发相应脑区的神经激活，发生能量供求不平衡，从而影响大脑血流变化和氧合状态；另外，运动疲劳会影响大脑认知功能，这些都可通过NIRS技术监测脑氧饱和度来实时反映。因此，将NIRS技术用于运动中实时监测运动性中枢疲劳，为训练人员提供有效的监测手段，保证运动员安全有效的训练。
关键词: 脑氧；中枢性疲劳；近红外线光谱技术
1 前言
人的大脑对血液供应十分依赖，对于缺氧也十分敏感。大脑短时间的缺氧缺血就会对人体造成不可逆性损害，因此，对于运动人群来说，要安全有效地进行训练，提高运动成绩，对脑血流氧合情况的监控就十分重要。大脑中，氧必须通过血红蛋白来运输，所以氧合血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（HHb）含量就成为了监测大脑氧供状态的重要指标。近红外线，是介于可见光和中红外之间的近红外波段，近红外光谱技术（NIRS），具有安全、快速、连续、实时、便捷、无创等特点。目前在国内主要应用于监测运动中、运动前后的肌氧和脑氧含量的变化，也有研究发现[[]张力新,张春翠,何峰,赵欣,綦宏志,万柏坤,明东.体脑疲劳交互影响及神经机制研究进展[J].生物医学工程学杂志,2015,32(05):1135-1140.]NIRS技术能够通过监测脑氧含量和肌氧含量来体现脑疲劳和体疲劳。
2 中枢性疲劳
疲劳是指缺乏足够的稳态能量来支持体力和/或认知工作，是危害健康和操作安全的关键因素。按疲劳的产生部位疲劳可分为外周性疲劳和中枢性疲劳。中枢性疲劳通常会导致周围性疲劳，这是由于缺氧导致呼吸加深加快，从而产生更多的代谢产物，加速肌疲劳[[]Fan, J.-L., & Kayser, B. (2016). Fatigue and Exhaustion in Hypoxia: The Role of Cerebral Oxygenation. High Altitude Medicine & Biology, 17(2), 72–84.]。然而，无论哪种类型，疲劳个体通常无法发挥最佳水平的功能，导致性能下降和消极情绪。
3 脑血流及脑功能
中枢性疲劳是影响运动神经元激活引起的疲劳，是由于中枢神经系统不能产生或维持足够的神经冲动到达所支配的工作肌所致。肌肉疲劳不仅会造成外周疲劳和神经系统疲劳，还会伴随大脑功能的降低。要维持神经冲动，其物质基础就是脑的能量代谢。 骨骼肌的收缩是通过大脑皮质运动区的神经元发放神经冲动产生的，因此其需要消耗大量的能源物质。大脑皮质在激活中的能量需求远远大于安静时的状态，但是由于脑组织不能像肌肉组织一样储存能量，因此需要通过脑循环中的氧和葡萄糖氧化分解来供能，即通过周围毛细动脉血流量的增加来维持能量供给[[]张朕, 姜劲, 傅嘉豪,等. 基于功能近红外光谱的多生理脑力疲劳检测[J]. 仪器仪表学报, 2017, 38(6):1345-1352.]。
4 NIRS监测脑氧饱和度的生理学机制
许多研究已经表明，NIRS可以穿透足够深的头皮去检测还原血红蛋白和氧合血红蛋白的含量。能够在监测下发现，接受不同种类刺激（如听觉/视觉）时，不同区域血流出现的变化。可以监测到产生疲劳时或恢复时大脑的氧化和代谢状况。为运动人群提供客观的脑功能监测、调控和评价的指标。
NIRS检测脑功能的主要的神经生理学和能量学基础是“神经-血管偶联”机制。即大脑的血流供应会随着局部功能活动的变化而发生局部响应，在大脑处于激活状态下，会引起局部脑血流和氧代谢率的变化，从而引起相应区域内血氧浓度的变化[[]张海琴. 基于NIRS法对运动负荷影响VFT任务的效应研究[D].首都体育学院,2012.]。因此可通过监测组织中的血氧饱和度（SmO2）来间接评价大脑功能活动。
5 递增负荷中脑氧含量的变化
在运动中，脑氧变化的基本变化是含氧血红蛋白含量上升而脱氧血红蛋白含量下降。然而，丁南[[]丁南. 运用近红外光谱技术对递增负荷运动脑血流动力学变化特点的研究[D].首都体育学院,2012.]的研究表明，在递增运动中，脑氧含量变化呈3个阶段，第一阶段，含氧血红蛋白和脑氧饱和度基本保持不变，第二个阶段增加，第三阶段又出现下降。张慧杰[[]张慧杰. 优秀短道速滑运动员递增负荷运动中肌氧及脑氧含量变化特征研究[D].]经过试验认为出现这种情况的原因可能是，脑氧含量在运动刚开始由于运动负荷强度较小，大脑具有自我调节能力，因此整体变化不大，在运动负荷达到一定强度的时候，脑氧含量大幅度上升，这是由于大脑神经元被激活，为了维持脑的功能活动，脑血流量会增多，脑代谢增加，从而在结果图上体现出大幅度波动。另外，在接近最大负荷时，脑氧量出现峰值，而后又急剧下降，这与吴军、刘涛等人[[]Wu, J., Liu, T., Huang, J., & Han, W. (2017). The effects of exercise fatigue on prefrontal and motor activations as measured by near-infrared spectroscopy. NeuroReport, 28(17), 1134–1138.]的试验结果一致，导致这种情况可能的原因是出现了运动性中枢疲劳。在疲劳状态下，需要增加大脑氧合，提升大脑活跃度来努力维持机体的运动，文士林[[]文世林. 近红外光谱功能成像技术在运动性疲劳研究中的应用[A]. 中国体育科学学会.第五届中国体育博士高层论坛论文集[C].中国体育科学学会:中国体育科学学会,2014:1.]认为，随着疲劳的加深，大脑会通过前额叶皮质区补偿神经激活来应对疲劳，但当达到最高负荷时，大脑也达到最大消耗，脑前额叶皮质激活水平下降，最终导致机体运动停止。同时，有更深入的一些研究证明，在疲劳状态下，前额左右两侧含氧血红蛋白活跃度不对称，对侧前额叶皮质氧合增加程度大于同侧。
6 递增负荷中脑氧与肌氧变化关系
在递增负荷运动中脑氧受负荷影响比较大，在受到低负荷运动的刺激时，机体脑含量变化缓慢，随着运动负荷增大刺激的累积，当机体运动时脑氧饱和度波动幅度增大。与肌氧饱和度相比脑氧饱和度变化幅度更大，因为在运动过程中动员和控制肌肉的核心在大脑中枢神经系统，所以研究大脑氧饱和度能够有效的反馈出肌肉工作能力的情况。何荣雪[[]何荣雪. 男子竞走运动员递增负荷运动中脑氧含量与气体代谢指标关系的研究[D].]经过对11名男性竞走运动员的研究试验发现，前额叶皮质血氧含量变化与肌氧变化情况呈负相关。这是由于人体运动后肌肉耗氧量增加，同时呼吸频率和心率会同步增加，从而导致机体摄氧量增加，血红蛋白和氧的结合率也增加，虽然这时大脑的耗氧率也一定程度增加，但是从整体趋势来说，大脑的耗氧量小于肌肉的耗氧量，因此，在一定运动强度内，前额皮质血氧含量增加时肌氧含量降低。但是从肌氧和脑氧的变化曲线上可以看出，两者对于变化趋势点递增负荷强度具有同一性。
7 总结
我们可以从目前的研究知道：①NIRS对于中枢疲劳的检测具有可行性，通过近红外线光谱技术（NIRS）对大脑氧饱和度进行监控，对指导合理有效的运动训练意义重大；②在单侧抗阻运动中，对侧的前额叶皮质氧合变化更大。但是目前关于针对不同性别或不同训练水平人群的前额叶皮质的氧合变化方面的研究，值得深入思考与探索。