0 引言

       全球约5.03亿人口生活在1500 m以上海拔区域（占总人口6.58%），200万人口生活在4500 m以上海拔区域（占总人口0.027%），而我国在海拔高度大于3500 m居住的绝对人口最多^[1]。按照国际惯例的海拔划分标准，1500~3500 m为高海拔，大于3500 m为超高海拔。高海拔环境具有缺氧、低温、低气压、低湿度和强紫外线等特点，可使人产生头晕、心悸、嗜睡、疲劳、胸闷、心律失常等临床症状^[2]，严重影响高原人群的健康、生活质量和工作能力^[3]。缺氧是人类适应高海拔环境的主要挑战之一^[4]，中枢神经系统对缺氧高度敏感，高海拔暴露可导致认知障碍^[5]，如反应时间的增加，注意力、记忆和执行功能的下降等^[6]。大脑是神经活动的结构基础，也是调节身体活动的中枢，因此，探索大脑在高海拔缺氧环境中的功能改变有助于了解人类在高海拔环境中的适应行为，有助于阐明高海拔相关脑疾病的神经机制。

       Meta分析发现，长期生活在超高海拔区域的人群大脑整体灰质、白质与脑脊液无显著变化，而局部灰质体积与白质纤维束存在差异^[7]。CHEN等^[8]发现超高海拔暴露时间越长，脑损伤越严重。另一篇综述发现超高海拔移居人群和当地居民大脑视觉网络、运动网络及岛叶因高海拔环境发生改变^[9]。其他研究还发现，作为负责学习与记忆区的海马也受到高海拔环境的严重损伤^[10]，长期缺氧影响顶叶、枕叶、前额叶、颞叶等脑区，损伤注意力、执行、视觉等认知功能^[11]，并延伸到尾状核、壳核^[12]。动物研究表明，大鼠的脑、肺和心脏的损伤程度以及缺氧诱导因子-1α的表达随着海拔高度（1500、3000、4500、6000、7500和8000 m）和缺氧持续时间的增加而增加^[13]。高海拔地区人群向超高海拔地区迁移工作、生活、旅游及学习的人数增多，频率增高。先前研究多采用海平面地区作为参照，仅一项研究以高海拔地区（1500 m）人群作为参考对象，发现与高海拔地区相比，超高海拔地区人群大脑多个脑区的灰质密度降低、白质纤维受损^[14]。然而，两种海拔环境对大脑静息状态下脑网络的影响尚不清楚。

       基于静息态功能MRI的度中心性（degree centrality, DC）指标可从信息流的角度衡量某个脑区在脑网络中的枢纽性^{[15, 16]}。在网络连接中通过某节点的路径越多，DC值越高，表明该节点在网络中的中心程度越重要^[17]。DC基于数据驱动，采用图论理论测量大脑每个体素与整个大脑其他体素间的连接强度，可从全脑角度探索高海拔与超高海拔对该区域人群大脑影响的关键脑区。两种海拔环境移居人群的大脑核心脑区研究目前尚未见报道，核心节点脑区相关的神经机制尚不清楚。本研究利用功能磁共振技术探讨高海海拔与超高海拔环境对移居人群脑网络静息状态下DC值差异，拟明确超高海拔移居人群受低氧影响的关键脑区，有助于了解缺氧环境对大脑功能的影响，可进一步明晰高原认知功能障碍的神经机制。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       分别在超高海拔区（拉萨，海拔高度约3600 m）和高海拔区（兰州，海拔高度约1500 m）招募健康人群。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经唐都医院伦理委员会批准（第K201912-08号），所有受试者均知晓研究内容并自愿签署同意书。

       所有受试者的纳入标准：（1）受试者的父辈祖辈世居于低海拔地区（海拔高度小于500 m），无高原出生与生活工作经历；（2）受试者本人长期居住低海拔，近期移居兰州或拉萨；（3）年龄20~25岁；（4）汉族；（5）右利手；（6）教育程度为本科及以上；（7）目前无服用任何药物；（8）半月内无发热史。所有受试者的排除标准：（1）曾患精神病史，如精神分裂症、抑郁症、焦虑症、睡眠障碍、成瘾等；（2）直属亲属患精神疾病；（3）神经系统疾病史，如脑外伤、脑血管疾病史、脑水肿、脑膜炎、遗传病史等；（4）幽闭恐惧症；（5）MRI禁忌证。最终超高海拔组纳入28例受试者，高海拔组纳入31例受试者。

1.2 生理采集

       所有受试者接受生理学检查，包括动脉氧饱和度、心率以及吸气后屏气时间。

1.3 MRI采集

       超高海拔组受试者于2023年6月在西藏军区总医院进行MRI数据采集，高海拔组受试者于2023年9月在中国人民解放军联勤保障部队第九四〇医院进行。两组人群均采用3.0 T MRI（美国，GE，discovery MR750）设备，8通道的头颈联合线圈。MRI图像采集过程中，受试者佩戴耳塞减少噪音对大脑激活，泡沫固定头部减少头动。要求受试者睁眼看“十”字，头部静止，不作特定思维活动。轴位T2WI图像排除头部实质性病变，静息态功能磁共振扫描先后经过60 s的适应采集和370 s的正式采集，三维T1WI图像用于功能像预处理中的配准与分割。静息态功能磁共振采用单次激发梯度平面回波成像序列，重复时间2000 ms；回波时间30 ms；激励次数1；翻转角=90°；视野256 mm×256 mm；矩阵64×64；厚度4 mm；层间距0 mm；层数34，正式期采集185次全脑。三维T1WI采用三维磁化准备快速梯度回波序列，重复时间8.2 ms；回波时间3.2 ms；激励次数1；翻转角20°；视野256 mm×256 mm；矩阵256×256；厚度1 mm；层间距0 mm；层数166。

1.4 MRI图像处理

       运用DPABI（v8.0，https://rfmri.org/）和SPM12（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/）软件对静息态功能MRI与三维T1WI图像进行分析。预处理步骤包括：图像格式转化，去除功能像前5个时间点，时间校正，头动校正，T1WI配准到功能像，脑分割，图像标准化，高斯平滑（半高全宽=6 mm），去线性漂移，回归协变量（Friston 24头动、白质与脑脊液），图像滤波（0.01~0.10 Hz）。剔除头动大于2 mm或2°的受试者。

       计算全脑所有体素时间序列之间相关性，获得全脑功能连接矩阵。以相关系数（r）=0.25为阈值，剔除噪声或时间相关性较低的体素。通过该阈值，计算每个体素与其相关的体素数目以衡量该体素的连接程度，获得每个体素的DC脑图。Fisher-Z变换使数据近似正态性。

1.5 统计学分析

       使用SPSS软件（v21，https://www.ibm.com/cn-zh/spss）对两组人群的人口学和生理数据进行分析。连续变量服从正态分布采用均数±标准差描述，使用两样本t检验进行比较；若偏态分布，采用中位数（四分位数间距）描述，使用Mann-Whitney U检验进行比较。计数资料采用卡方检验进行比较。P<0.05表示差异具有统计学意义。

       MRI数据使用DPABI软件（V8.1，http://www.rfmri.org/DPABI）进行两样本t检验进行组间比较，采用错误发现率（false discovery rate, FDR）方法进行多重比较校正以降低假阳性率。团块体素>110，P<0.05表示差异具有统计学意义。

1.6 相关性分析

       为进一步探索脑区与高原相关的生理指标的关联，控制组间人口学差异指标，使用偏相关分析组间差异脑区DC值与吸气后屏气时间、心率、动脉血氧饱和度间的相关性，|r|≥0.8为高度相关；0.5≤|r|<0.8为中度相关；0.3≤|r|<0.5为低度相关；|r|<0.3为相关性极弱。P<0.05表示相关性具有统计学意义。

2 结果

2.1 基本人口学与生理学

       超高海拔组与高海拔组的年龄差异具有统计学意义（P<0.001），吸气后屏气时间、心率和动脉血氧饱和度差异均具有统计学意义（P均<0.001）；性别、受教育程度和居住高原时间差异无统计学意义（P均>0.05）（表1）。

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表1  两组人口学与生理学指标
Tab. 1  Demographic and physiological indicators of the two groups

2.2 静息态下大脑DC值

       因组间年龄差异具有统计学意义，两组影像学统计分析时将年龄纳入控制变量。与高海拔组相比，超高海拔组大脑双侧距状回、枕中回与楔叶，右侧中央后回的DC值增加（FDR校正，团块体素>110，P<0.05）；在双侧岛叶及壳核，右侧中扣带及辅助运动区和左侧小脑的DC值降低（FDR校正，团块体素>110，P<0.05）（图1、表2）。

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图1  超高海拔组与高海拔组DC值差异脑区（FDR校正，团块体素>110，P<0.05）。暖色表示超高海拔组>高海拔组；冷色表示超高海拔组<高海拔组。DC：度中心性；FDR：错误发现率；L：左侧。
Fig. 1  Brain regions of difference in DC values between the ultra-high altitude group and the high altitude group (FDR-corrected, cluster voxels >110, P<0.05). Warm color indicates ultra-high altitude group > high altitude group; cold color indicated ultra-high altitude group < high altitude group. DC: degree centrality; FDR: false discovery rate; L: left side.

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表2  超高海拔组与高海拔组大脑DC值差异区域
Tab. 2  Brain regions with significant differences in DC values between the ultra-high altitude group and the high altitude group

2.3 相关性分析

       两组年龄为协变量，显著差异脑区与生理指标进行偏相关分析。第一体素区域（双侧距状回、枕中回与楔叶）和第二体素区域（右侧中央后回）与动脉血氧饱和度呈负相关性（r=-0.360，P=0.006；r=-0.481，P<0.001）（图2A、2B），第三体素区域（右侧岛叶与壳核）、第四体素区域（左侧岛叶与壳核）、第六体素区域（左侧小脑）的DC值与动脉血氧饱和度呈正相关性（r=0.518，P<0.001；r=0.416，P=0.001；r=0.414，P=0.001）（图2C~2E）。

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图2  高海拔组与超高海拔组大脑度中心性（DC）值差异的五个区域与动脉血氧饱和度具有偏相关性（n=59）。2A：双侧距状回、枕中回及楔叶团块的DC值与动脉血氧饱和度呈负相关性；2B：右侧中央后回的DC值与动脉血氧饱和度呈负相关性；2C：右侧岛叶与壳核与动脉血氧饱和度呈正相关性；2D：左侧岛叶与壳核与动脉血氧饱和度呈正相关性；2E：左侧小脑的DC值与动脉血氧饱和度呈正相关性。
Figure 2  The degree centrality (DC) values of five brain regions had a partial correlation with arterial oxygen saturation both the high altitude and ultra-high altitude groups (n=59). 2A: The DC values of bilateral talar gyrus, middle occipital gyrus, and cuneate lobe mass are negatively correlated with oxygen saturation; 2B: The DC values of right postcentral gyrus are negatively correlated with oxygen saturation; 2C: The DC values of right insula and chiasma nuclei are positively correlated with oxygen saturation; 2D: The DC values of left insula and chiasma nuclei are positively correlated with oxygen saturation; 2E: The DC values of left cerebellum are positively correlation with oxygen saturation.

3 讨论

       本研究探讨超高海拔地区人群生理与大脑核心脑区的特性，结果表明，与高海拔地区相比，超高海拔地区人群吸气后屏气时间与动脉血氧饱和度降低，心率增加；视觉相关的双侧距状回、枕中回与楔叶，右侧中央后回的DC值增加，且与动脉血氧饱和度呈负相关性；双侧岛叶及壳核，右侧中扣带及辅助运动区和左侧小脑的DC值降低，且与动脉血氧饱和度呈正相关性。这些结果为进一步探明高海拔相关脑功能疾病提供了神经影像学依据。

3.1 超高海拔改变生理特征

       本研究发现与高海拔地区人群相比，超高海拔地区人群的动脉血氧饱和度降低，心率增高，吸气后屏气时间缩短，这与先前的研究^[18]相同。1500~2000 m海拔，吸入氧浓度为海平面的77%~83%，当海拔在4500~5000 m，吸入氧浓度仅为海平面51%~55%^[1]。在高海拔地区，氧气从空气到血液的驱动压力降低，血液通过肺毛细血管的运输时间加快，动脉氧饱和度下降^[19]。超高海拔环境中，降低的大气压减少了机体从空气吸入到器官和组织的整个氧气运输链上的氧分压，机体应对外环境的变化启动一系列适应的生理反应^[20]，如增加心率、缩短屏气时间，以帮助恢复血液中的氧浓度（氧含量）和能量供应，为器官和组织提供足够的氧气来支持代谢需求^[4]。

3.2 视觉功能在超高海拔环境中可能存在代偿

       本研究表明，相对高海拔区，超高海拔区域人群双侧距状回、枕中回及楔叶，右侧中央后回的DC值增加，且与血氧饱和度呈负相关性。双侧距状回、枕中回和楔叶属于视觉功能区。视觉系统在毫秒时间尺度上动态处理接收到的感觉信息^[21]，细胞活跃，消耗的能量很大，且易受缺氧损伤^[22]。超高海拔环境降低视网膜感光功能与视觉信息传递功能^[23]，机体不可避免地诱导视觉皮层做出适应性调整，以补偿恢复其损伤的视觉皮层中存在的内部连接与反馈连接^[24]。一项纵向研究表明，超高海拔环境可增强距状回、辅助运动区功能强度^[25]以及皮层厚度^[26]。类似的研究也表明，高海拔移居人群后顶叶、颞叶和枕叶皮层等视觉功能区脑电图α和β功率增加^[27]。本研究推测暴露于超高海拔环境导致低氧应激，通过生理补偿机制，适应性提高通气频率、增强心率、血管舒张、增加血细胞和改善流向大脑的血流量^[28]，从而使视觉皮层维持功能。

3.3 超高海拔可能降低基底节与岛叶功能

       本研究发现，与高海拔地区相比，超高海拔地区人群大脑的双侧岛叶及壳核，右侧中扣带及辅助运动区和左侧小脑的DC值降低，且与血氧饱和度呈正相关性。虽然低压环境可能会轻微调节这些生理功能^[29]，但缺氧是高海拔对大脑影响的主要决定因素^[13]，直接或间接导致大脑发生累积变化，造成大脑结构与功能的改变^[30]，从而一定程度地影响认知功能。动物实验表明，高原暴露后，小鼠双侧尾状核与扣带回、苍白球等脑区间的功能连接减弱^[31]。高海拔人群的双侧岛叶灰质密度降低可能与慢性缺氧时脑组织的无氧代谢有关^[32]，岛叶皮层是脏器的感觉中枢，也会受到动脉血氧饱和度变化的影响^[9]。壳核的灰质体积减少可能提示低氧环境对神经元造成不可逆的损伤，从而引起大脑结构的改变^[33]。本研究结果表明，超高海拔地区的慢性缺氧可能导致了这些区域在整个脑网的连通性降低，信息传输能力下降，导致这些脑区在网络中DC降低。

3.4 超高海拔可能降低小脑功能

       本研究显示，相对高海拔，超高海拔区域人群的小脑DC值降低。高原本地人与高原移居人群中均发现小脑结构与功能发生改变^[9]。动物实验模型（模拟海拔7000 m，7天）中，雌雄大鼠小脑、大脑皮层、海马及纹状体区域出现脑损伤，凋亡细胞增多^[34]。小鼠暴露于慢性超高海拔（5000 m，12周）表现出小脑突触蛋白（突触后密度-95）表达下降^[35]。移居高原人群（海拔4300 m，30天）左侧壳核、小脑蚓部和右侧丘脑等脑区血流量显著降低^[36]。长期低氧环境暴露可降低左侧小脑区域的低频振幅强度^[14]。超高海拔环境也可影响大脑发育，包括小脑皮质多个部位（左侧第8区、双侧第6区）、左侧中央前皮质的灰质体积减少，且小脑第8区灰质体积与舒张压呈正相关^[37]。本研究表明小脑与大脑其他脑区连接降低，在脑网络中的中心性或重要性降低，而小脑DC值与动脉血氧饱和度密切相关，可能提示超高海拔缺氧环境降低了小脑功能。

3.5 局限性

       本研究存在一些不足：（1）本研究的样本量相对较小，后期将增加更多的样本量来进一步增强实验结果的鲁棒性；（2）本研究为横断面，缺少纵向数据，尚不知随着超高海拔暴露时间的延长，这些特征差异是否会变化；（3）本研究结果可能会受到生活习俗、情绪波动的影响；（4）本研究未纳入海平面地区人群作为基线组，其研究结果的广义性与泛化性受一定的约束。

4 结论

       本研究探讨了超高海拔环境对人大脑的影响，结果表明，与高海拔环境相比，超高海拔地区人群视觉相关脑区功能代偿增强，基底节、岛叶及小脑在功能网络中的中心性减弱。这些脑区的差异可能作为超高海拔环境对移居人群大脑功能影响的生物标志物，为超高海拔影响大脑的神经机制研究提供了影像学依据。