Petra Golja1, Igor B. Mekjavic2
Hipoksija oslabi zaznavo hladnih dražljajev
Hypoxia Attenuates the Sensation of Cold Stimuli
IZVLEČEK_
KLJUČNE BESEDE: anoksija, ob~utek motnje, mraz
Izpostavitev hipoksičnemu okolju spremeni vidno in slušno zaznavo ter vpliva na miselne sposobnosti pri človeku. Ker je ustrezna zaznava toplotnih dražljajev nepogrešljiva za pravilno vedenjsko zaščito pred mrazom tako v nižini kot v visokogorskem okolju, smo testirali, če in kako hipoksija vpliva na zaznavo hladnih dražljajev pri človeku. Zaznavanje hladnih dražljajev smo testirali na prvih dveh prstih na nogi med izpostavitvijo normobarični hipoksiji, enkrat v hipokapničnih in enkrat v normokapničnih pogojih. Poskus smo izvedli v dveh serijah. Preiskovanci (N= 13) so vsakokrat dihali plinsko mešanico, ki je ustrezala 5500 m nadmorske višine (PIO2 = 0,10 atm). V eni seriji (normokapnija) smo v dihalno mešanico dodajali CO2, tako da smo vzdrževali običajen, normokapničen delež CO2 v izdihanem zraku. V drugi seriji (hipokapnija) v dihalno mešanico nismo dodajali CO2-ja. Prag za zaznavo hladnih dražljajev smo v obeh serijah določili pred izpostavitvijo hipoksiji in po 10 minutah dihanja hipoksič-ne mešanice. Med hipoksijo je prag za zaznavanje hladnih dražljajev značilno narasel tako v hipokapničnem kot v normokapničnem poskusu. Prag za zaznavo hladnega dražljaja je narasel
s 4,7 (3,2) °C na 6,3 (3,5) °C med hipokapnijo in s 4,7 (3,2) °C na 6,2 (3,2) °C med normokap- _
nijo. Občutljivost za mraz se je torej med hipoksijo zmanjšala, saj je bilo zaznavanje hladnih 297 dražljajev poslabšano. Rezultati raziskave kažejo, da hipoksija oslabi zaznavanje hladnih dražljajev, kar lahko posledično vodi v večjo izpostavljenost hipotermiji in poškodbam zaradi mraza v višinskem okolju.
ABSTRACT
KEY WORDS: anoxia, sensation disorders, cold
It is well documented that exposure to a hypoxic environment affects visual and auditory perception and attenuates cognitive function in humans. Since the perception of thermal stimuli is indispensable for appropriate behavioral protection against cold in both low and high altitudes, the present study examined if and how hypoxia affects the perception of cold stimuli in humans. The perception of thermal stimuli depends on the unimpeded activity of temperature receptors. The perception of cold was determined on the plantar surface of the first two toes during exposure to normobaric hypoxia. The perception of cold was tested twice, once under hypocapnic, and once during normocapnic conditions. The study was composed
1	Dr. Petra Golja, univ. dipl. biol., prof. biol., Department of Sport and Exercise Science, University of Portsmouth, St. Michael's Building, White Swan Road, Portsmouth PO1 2DT, Velika Britanija; Odsek za avtomatiko, biokibernetiko in robotiko, Institut Jožef Stefan, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija; Politehnika Nova Gorica, Vipavska 13, 5000 Nova Gorica, Slovenija.
2	Prof. dr. Igor B. Mekjavic, znanstveni svetnik, univ. dipl. inž. el., Institute of Biomedical and Biomolecular Sciences, Department of Sport and Exercise Science, University of Portsmouth, St. Michael's Building, White Swan Road, Portsmouth PO1 2DT, Velika Britanija; Odsek za avtomatiko, biokibernetiko in robotiko, Institut Jožef Stefan, Jamova 39, 1000 Ljubljana, Slovenija.
of two separate trials. In both trials, the subjects (N = 13) inhaled a hypoxic mixture equivalent to 5500 m (P102 = 0,10atm). In one trial (normocapnia), CO2 was added to the inhaled gas mixture in order to maintain the normal, normocapnic value of C02 in the exhaled air. In the second trial (hypocapnia), C02 was not added to the breathing mixture. In both trials, the cutaneous threshold for cold sensation was determined prior to and during exposure to hypoxia. The statistical analysis was performed with one-way analysis of variance for correlated samples. The threshold for cold sensation increased significantly during hypoxia, under both hypocapnic and normocapnic conditions. The cold sensation threshold increased from 4.7 (3.2) °C to 6.3 (3.5) °C during hypocapnia, and from 4.7 (3.2) °C to 6.2 (3.2) °C during normocapnic conditions. Sensitivity to cold thus decreased during hypoxia, as the perception of cold stimuli was attenuated. It is concluded that hypoxia attenuates the perception of cold, which may in turn lead to greater susceptibility to hypothermia and cold injury at high altitudes.
298
UVOD
Poskusi z živalmi so pokazali, da hipoksija vpliva na termoregulacijsko vedenje. Med hipoksijo živali izberejo hladnejše okolje kot med normoksijo (1-3), zaradi cesar se poveča tok toplote med živaljo in okoljem. Zaradi večjih toplotnih izgub telesna temperatura živali pade proti hipotermiji (1, 2). Hipoksija torej pri živalih izzove nadzorovano hipo-termijo, kar pomeni, da se mehanizmi za proizvodnjo toplote (izbira toplejšega okolja, vazokonstrikcija, drgetanje) ne aktivirajo, kljub nižji telesni temperaturi. Pojav so opazili pri homeotermnih in pri poikilotermnih organizmih (4).
Mehanizem, ki povezuje hipoksijo in hipo-termijo, ni znan, verjetno pa je prilagoditvene narave. Hipotermija zmanjša energetsko presnovo v celicah in s tem zmanjša potrebe po kisiku. Za vsako stopinjo znižane telesne temperature naj bi se potrebe po kisiku zmanjšale za 11 % (3). Pojav pomeni precejšnjo prednost v okolju, v katerem je kisik manj razpoložljiv, saj preprečuje poškodbe tkiv z najvišjimi potrebami po kisiku - možganov in srca. Zaščita je seveda učinkovita le, dokler tkivo ne postane podvrženo poškodbam zaradi hipotermije.
Učinek hipoksije na vedenjsko termore-gulacijo je najverjetneje posledica delovanja hipoksije na živčne mehanizme, ki sodelujejo v procesu prevajanja toplotnih dražljajev v toplotno zaznavo. Ob toplotnem dražljaju se vzdražijo specializirane živčne celice, periferni in centralni termoreceptorji. Vzburjenje se po aferentnih poteh prenese do termore-gulacijskega centra (centrov), kjer se aferentni signali integrirajo in procesirajo. Vtermore-
gulacijskem centru se tako oblikuje eferent-na aktivnost, ki potuje do izvršilnih organov (znojnic, gladkih mišic krvnih žil, skeletnih mišic), aktivnost katerih vzdržuje organizem v homeostatičnem termonevtralnem stanju. Ce bi hipoksija, podobno kot pri živalih, tudi pri človeku sprožila mehanizem nadzorovane hipotermije, bi se zaradi vpliva hipoksije na živčne mehanizme najverjetneje spremenilo zaznavanje toplotnih dražljajev. Posledično bi se spremenilo tudi zaznavanje celokupnega toplotnega udobja. V mrzlem okolju bi se zato povečale možnosti za pojav hipotermije.
Hipotermija je lahko kritična, če se je oseba ne zave in se zato ne odzove ustrezno, da bi preprečila nadaljnje ohlajanje telesa. V primeru, da hipoksično okolje zmanjša jakost vedenjskega odziva na toplotne dražljaje, je organizem najverjetneje lahko bolj podvržen poškodbam zaradi mraza. Poročila o pogostejši pojavnosti poškodb zaradi mraza na večjih nadmorskih višinah sicer obstajajo, vendar pa še niso bila kvantitativno ovrednotena (5).
Namen tokratne raziskave je bil ovrednotiti, ali in kako hipoksija vpliva na zaznavo hladnih dražljajev pri človeku.
METODE
V preiskavi je sodelovalo 13 zdravih prostovoljcev povprečne (standardni odklon) starosti 22 (3) let. Vse preiskovance je pred raziskavo pregledal zdravnik. Protokol raziskave je odobrila Komisija za medicinsko etiko pri Ministrstvu za zdravje, Ljubljana, Slovenija.
Za testiranje zaznavanja toplotnih dražljajev smo uporabili računalniško krmiljeno napravo za določanje toplotne občutljivosti
(The Middlesex Thermal Testing System (MTTS), Howe Inst. Ltd., Canvery Island, Essex, Velika Britanija). Glavni del naprave je bakrena ploščica, ki jo pritrdimo na preiskovani del telesa. Bakrena ploščica se najprej prilagodi temperaturi kože, nato pa se prehodno ohladi. Naprava istočasno s toplotnim dražljajem proizvede tudi kratek pisk, po katerem preiskovanec pove, ali je toplotni dražljaj čutil ali ne. Glede na preiskovančev odgovor se jakost naslednjega dražljaja zmanjša ali poveča. Naprava občasno proizvede tudi slepi poskus - pisk brez toplotnega dražljaja, ki omogoča preverjanje verodostojnosti preiskovančevih odgovorov. Prag za toplotno zaznavo, torej najmanjšo jakostjo dražljaja, ki še sproži zavestno zaznavo, izračunamo iz dražljajev, ki so izzvali zadnjih pet pozitivnih in zadnjih pet negativnih odgovorov. Število toplotnih dražljajev, ki jim je izpostavljen preiskovanec v enem poskusu, je običajno 15 do 20.
Poskus smo opravili v dveh serijah, ki so bile med seboj ločene vsaj 7 dni. V eni seriji (hipokapnija) je preiskovanec sede skozi ustnik najprej dihal običajen zrak, nato pa hipoksično zračno mešanico (PIO2 = 0,10 atm; 1atm=1 atmosfera = 1,013 bar), ki ustreza nadmorski višini približno 5500 m. V drugi seriji (normokapnija) je preiskovanec sede dihal običajen zrak, nato pa hipoksično zračno mešanico (PI02 = 0,10atm), ki smo ji dodajali ustrezno količino C02. Na ta način smo v izdihanem zraku kljub hiperventilaciji, ki jo je izzvala hipoksija, vzdrževali normokapni-čno vrednost C02. V obeh serijah smo določili prag za zaznavo hladnega dražljaja, in sicer na plantarni strani prvih dveh prstov ene noge pred in med izpostavitvijo hipoksični plinski mešanici. Zaznavo hladnih dražljajev med hipoksijo smo testirali po tem, ko je preiskovanec 10 minut že dihal hipoksično plinsko mešanico. Vrstni red serij se je med preiskovanci razlikoval. Toplotno zaznavo smo testirali na prvih dveh prstih noge zato, ker se tu najpogosteje pojavljajo poškodbe zaradi mraza, ki so hipotetično lahko posledica nezadostne vedenjske termoregulacije.
Med preiskavo smo s pulznim oksimetrom (HanauLife, BCI International, Waukesha, WI, ZDA) spremljali preiskovančevo nasičenost hemoglobina s kisikom (Sa02; %) in njegov srčni utrip (HR; min-1). Minutni dihalni
volumen (Vt; l-min-1) smo spremljali z merilcem zračnega toka (K 520, KL Engineering, CA, ZDA). Delež CO2 v izdihanem zraku (FETCO2; %) smo določali z analizatorjem za ogljikov dioksid (Ultramat 22P, Siemens). S termistorji (Yellow Springs Instruments, NTC, B Mix 2252, YSI Inc., OH, ZDA) smo spremljali kožno temperaturo na štirih mestih telesa (nadlakt, prsi, stegno, meča). Bobnič-no temperaturo smo določili z infrardečim ušesnim termometrom (ThermoScan IRT 3020, Braun, Kronberg, Nemčija). Poskuse smo izvedli pri termonevtralni temperaturi okolja 29 °C.
Statistično analizo podatkov smo naredili z enosmerno analizo variance za odvisne vzorce. Privzeli smo, da je rezultat signifikanten, če je p vrednost manjša od 0,05.
REZULTATI
Prag zaznave hladnega dražljaja je bil pred izpostavitvijo hipoksični mešanici 4,7 (3,2) °C v obeh poskusih, hipokapničnem in normo-kapničnem. Med hipoksijo je prag značilno (p<0,001) narasel na 6,3(3,5) °C med hipokap- 299 ničnim in na 6,2 (3,2) °C med normokapnič-nim poskusom. Občutljivost za hladne dražljaje se je torej med hipoksijo zmanjšala. Prag zaznave hladnega dražljaja se med hipokapnič-no hipoksijo in normokapnično hipoksijo ni značilno razlikoval.
Med hipokapnijo je bila temperatura kože na mestu pred aplikacijo hladnega dražljaja, t. j. prilagoditvena temperatura kože, 31,2 (1,3) °C pred in 31,9 (1,8) °C med izpostavitvijo hipoksiji. Med normokapnijo sta bili isti temperaturi kože 32,1 (2,3) °C in 32,5 (1,9) °C. Razlika v temperaturi kože med hipokapničnim in normokapničnim poskusom ni bila statistično značilna (p >0,20).
Srčni utrip (HR; min-1) je značilno (p<0,01) narasel od 80 (8) min-1 in 82 (12) min-1 pred začetkom hipoksije v hipokapničnem in nor-mokapničnem poskusu na 91 (12) min-1 in 86 (11) min-1 v 15. minuti hipoksije v hipokapničnem in normokapničnem poskusu. Čeprav razlika v srčnem utripu med hipokapnijo in normokapnijo ni bila statistično značilna, je bila opazno nagnenje k nižjemu srčnemu utripu med normokapnijo.
300
16
14
— 12 E
Š 1°. 8
6 100
90
8°
©
- 70 60

♦♦♦
°oo<>
O Hipoksija Hipokapnija ♦Hipoksija Normokapnija
O
50

0
5
10
15
Slika 1. a) Minutni dihalni volumen (V; l • min-1) in b) nasičenost hemoglobina skisikom (SaO2; %) med izpostavitvijo normobaini hipoksiji (Pp2=0,10atm) vpogojih hipokapnije in normokapnije. Značilno večja ventilacija v normokapničnih pogojih se je izrazila vznaino višji SPO2 med normokapnijo.
Minutni dihalni volumen (Vt; l-min-1) (slika 1 a) je med hipoksijo značilno (p < 0,002) narasel v obeh serijah. Vt je bil pred izpostavitvijo hipoksiji 9,5 (1,3) l-min-1 vhipokapničnem poskusu in 10,0 (1,0) l-min-1 v normokapnič-nem poskusu. V15. minuti hipoksije je bil Vt 12,6 (4,1) l-min-1 vhipokapničnem in 13,4 (1,7) l •min-1 v normokapničnem poskusu. Razlika vVj med normokapnijo in hipokapnijo je bila statistično značilna (p < 0,04).
Nasičenost hemoglobina s kisikom (SaO2; %) (slika 1 b) je med hipoksijo značilno (p < 0,001) padla od 97(1)% do 72(13)% v hipoka-pničnem poskusu in od 96 (1) % do 80 (7) % v normokapničnem poskusu. SaO2 je bila med normokapnijo značilno (p <0,02) višja kot med hipokapnijo.
Delež CO2 v izdihanem zraku (FETCO2; %) je zaradi hiperventilacije značilno (p < 0,0001) padel od 4,2 (0,6) % na 3,4 (0,9) % med hipokapnijo. Med normokapničnim poskusom je bil FetCO2 stabilen na 4,3 (0,4) % zaradi dodajanja CO2 v dihalno mešanico.
Temperatura okolja in relativna vlažnost sta bili v hipokapničnem poskusu 28,6 (0,6) °C in 24 (3) %, ter v normokapničnem poskusu 28,8 (0,6) °C in 28 (6) %. Povprečna kožna in bobnična temperatura sta bili enaki v obeh eksperimentalnih pogojih (p >0,10).
RAZPRAVA
Znano je, da hipoksija poslabša vidno in slušno zaznavo, zmanjša efektivno intenziteto dražljaja, poslabša kognitivno funkcijo in poveča reakcijske čase (6-10). Rezultati pričujoče raziskave kažejo, da hipoksija oslabi tudi zaznavanje hladnih dražljajev.
Ceprav v razglabljanju, lahko rezultate pričujoče raziskave razložimo z učinkom hipoksije na membransko in/ali sinaptično funkcijo živčnih celic. Kisik je nujen za energijsko presnovo v celici, med katero nastajajo energijsko bogati fosfati. Le-ti so nujni za delovanje ionskih črpalk, ki vzdržujejo ionska razmerja med izvenceličnim in znotrajceličnim prostorom. Vzdrževanje ionskih razmerij ohranja mirovni membranski potencial vzdražnih živčnih celic. Znano je, da anoksija poveča tok K+ iz živčnih celic, kar vodi v hiperpolarizacijo nevronov (11-13) (Zaradi povečane prevodnosti K+ kanalov med anoksijo in zaradi koncentracijske razlike med znotrajceličnim in izvenceličnim prostorom K+ ioni med anoksijo prehajajo iz znotrajceličnega v izvencelični prostor. Primanjkljaj pozitivnega naboja na znotrajcelični strani, ki se vzpostavi v začetni fazi prehoda pozitivnih K+ ionov iz znotraj-celičnega v izvencelični prostor, pomakne mirovni membranski potencial proti bolj negativni vrednosti, torej hiperpolarizira celično membrano). Zaradi hiperpolarizacije se vzdraž-nost živčnih celic zmanjša, kar zmanjša nevronsko dejavnost v živčnem sistemu.
Hipoksija ne sproži le sprememb v mirovnem potencialu membrane vzdražne celice, pač pa lahko vpliva tudi na sinaptične prenose. Pri mehanoreceptorjih hipoksija zmanjša število sinaptičnih veziklov na bazalnem delu presinaptične celice, v katerih je predvidoma skladiščen nevrotransmiter, to pa se posledično odraža kot zmanjšana dejavnost postsinap-tične celice (14). Verjetno je, da zadostna hipoksija lahko vpliva tudi na sinaptične prenose v termoregulacijskem sistemu.
*
a
*
b
Učinek hipoksije na dejavnost termore-ceptorjev in posledično na zaznavanje toplotnih dražljajev je potemtakem lahko posledica delovanja hipoksije na membransko in/ali sinaptično funkcijo. Glede na to, da so sinap-se bolj občutljive na pomanjkanje kisika kot celična membrana, predvidevamo da je bil vzrok za zmanjšano občutljivost na hladno v hipoksičnem okolju predvsem spremenjeno delovanje sinaptičnih preklopov (15).
Zmanjšana občutljivost za hladno, torej višji pragi zaznave, se je pojavila tako v hipo-kapničnih kot v normokapničnih pogojih. Rezultat kaže na to, da je spremembo v občutljivosti za hladno dejansko izzvalo pomanjkanje kisika, ne pa zmanjšana količina CO2 v krvi, ki je bila v hipokapničnih pogojih odraz s hipok-sijo povečane ventilacije.
ZAKLJUČEK
Rezultati raziskave kažejo, da se v hipoksič-nem okolju zaznavanje hladnih dražljajev pri človeku poslabša. Sklepamo, da se v višinskem okolju ob izpostavljenosti mrazu zaradi slabše zaznave hladnih dražljajev lahko poveča tveganje za hipotermijo in poškodbe zaradi mraza.
ZAHVALA
Najlepša hvala dr. Juriju Gorjancu za opravljene zdravniške preglede in dr. Leonu Zlajpahu za pomoč pri računalniški analizi podatkov.
LITERATURA
1.	Hicks JW, Wood SC. Temperature regulation in lizards: effects of hypoxia. Am J Physiol 1985; 248 (5Pt 2): 595-600.
2.	Gordon CJ, Fogelson L. Comparative effects of hypoxia on behavioral thermoregulation in rats, hamsters, and mice. Am J Physiol 1991; 260 (1 Pt2): 120-5.
3.	Wood SC. Interactions between hypoxia and hypothermia. Annu Rev Physiol 1991; 53: 71-85.
4.	Malvin GM, Wood SC. Behavioral hypothermia and survival of hypoxic protozoans Paramecium caudatum.
Science 1992; 255(5050): 1423-5.	——
5.	Ward M. Mountain medicine. A clinical study of cold and high altitude. London: Crosby Lockwood Staples; 1975.
6.	Fowler B, Banner J, Pogue J. The slowing of visual processing by hypoxia. Ergonomics 1993; 36(6): 727-35.
7.	Fowler B, Prlic H, Brabant M. Acute hypoxia fails to influence two aspects of short-term memory: implications for the source of cognitive deficits. Aviat Space Environ Med 1994; 65 (7): 641-5.
8.	Fowler B, White PL, Wright GR, Ackles KN. The effects of hypoxia on serial response time. Ergonomics 1982; 25(3): 189-201.
9.	Kennedy RS, Dunlap WP, Banderet LE, Smith MG, Houston CS. Cognitive performance deficits in a simulated climb of Mount Everest: Operation Everest II. Aviat Space Environ Med 1989; 60(2): 99-104.
10.	Fowler B, Taylor M, Porlier G. The effects of hypoxia on reaction time and movement time components of a perceptual-motor task. Ergonomics 1987; 30(10): 1475-85.
11.	Hansen AJ, Hounsgaard J, Jahnsen H. Anoxia increases potassium conductance in hippocampal nerve cells. Acta Physiol Scand 1982; 115 (3): 301-10.
12.	Krnjevic K, Leblond J. Changes in membrane currents of hippocampal neurons evoked by brief anoxia.JNeurophy-siol 1989; 62(1): 15-30.
13.	Martin RL, Lloyd HG, Cowan AI. The early events of oxygen and glucose deprivation: setting the scene for neuronal death? Trends Neurosci 1994; 17(6): 251-7.
14.	Findlater GS, Cooksey EJ, Anand A, Paintal AS, Iggo A. The effects of hypoxia on slowly adapting type I (SAI) cutaneous mechanoreceptors in the cat and rat. Somatosens Res 1987; 5(1): 1-17.
15.	Astrup J. Energy-requiring cell functions in the ischemic brain. Their critical supply and possible inhibition in protective therapy. JNeurosurg 1982; 56(4): 482-97.
Prispelo 10. 4. 2004