振動對神經系統危害性的研究綜述

徐樹禮

恰當利用振動會對機體帶來良好的生物學效應[1，2]。這一研究成果在運動訓練、大眾體育、太空、美容、醫學和康復等領域，已經顯示了極大的優勢和潛力，采用的頻率集中在1Hz～60Hz，振幅1mm～10mm，加速度0.1～15.0×9.8m/s2和暴露時間3min～640min[3～7]。不適宜的振動可能會造成機體器官損傷或功能性損害[8]，影響組織分子結構、生物氧化和能量代謝過程，產生各種不良的生理反應[9]，其中對神經系統的影響最為嚴重。1970年代，國際標準化組織已將振動列為七大環境公害之一，成為一種環境污染[10]，我國也將振動病列為法定職業病，稱振動性血管神經病。

國際標準 ISO2631(第二版)[11]、我國最新的 GB/T13442—1992《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》[12]，都是針對人體各種器官的共振最敏感頻率0.5Hz～80Hz 、振幅1mm～10mm、加速度0.04m/s2～100m/s2和暴露時間1min～480min進行限定。日本是振動研究比較先進的國家，2000年最新頒布了關于全身振動和手傳局部振動容許強度標準[12]，限定范圍更大。顯然，利用振動與產生振動病的主要參數集中范圍有明顯交叉，而人們卻很少關注甚至忽略其對神經系統的危害性。

美國一條高速公路兩旁的樹木突然死去的原因是過往汽車產生的振動，中國天壇公園和故宮御花園古木的死因是因為游人太多，腳踩地面產生振動所致。植物如此害怕振動，人類呢？因此，對有關振動危害性的研究具有重要意義。

1 振動對神經系統功能的影響

1.1 振動對中樞神經系統功能的影響

全身振動可直接作用于中樞神經系統引起病變，使大腦皮層功能下降、條件反射潛伏期延長、腦電圖改變等。對神經系統的影響與接振的頻率關系很大[13]。低頻(10Hz以下)時，面部軟組織的共振引起眼震顫，視敏度降低、視覺模糊和視野改變，使得人識讀數字受限，計算能力下降，表現為閃光融合頻率下降，視覺-運動反應時延長及視讀錯誤率增大，語言明顯失真或間斷，精細操作困難，判讀儀表和分辨力降低，動作不協調，操作誤差增加，甚至誤操作造成人身或設備事故等[14]。

當振動達到一定強度后，人體會出現注意力不易集中、平衡和定向障礙，如頭痛、頭暈、易于疲勞、記憶力減退、耳鳴、入睡困難等神經衰弱綜合癥[15]。大于 20 Hz 的全身振動對神經系統的影響表現在皮層和皮層下結構功能的損害、腦血液供應障礙、間腦功能紊亂、中樞神經系統小病灶癥狀等[16]。長時間全身振動暴露，中樞神經系統可能發生共振，導致振動病。振動性神經病變，在一定條件下，比振動性血管損傷的危害更加明顯[17]。

局部振動對中樞神經功能影響的研究報告較少。手臂振動作業使中樞神經短潛伏時體感誘發電位、腦干聽覺誘發電位均出現了異常[18], 提示手臂振動對從外周神經 (聽神經) 到中樞神經 (橋腦下段) 的整個聽覺通路均有影響。國外研究結果表明，長期接振工人顱腦核磁共振圖像無明顯變化, 認為手臂振動在短時間內尚不致引起中樞神經系統形態學的改變[19]。局部振動對中樞神經是僅僅造成功能性改變還是可以造成器質性病變，尚待進一步研究。

1.2 振動對周圍神經系統功能的影響

小于20Hz的全身振動主要引起精神-神經-植物神經穩定性改變, 表現為非特異性應激性增高、感覺障礙增多以及原發功能紊亂, 如頭痛等癥狀。手麻、痛、手僵及下肢酸痛的發生率較高，與全身振動引起周圍神經血管功能改變有關。

局部振動引起以末梢神經感覺和運動障礙為主，皮膚感覺、痛覺、觸覺、溫度覺功能下降[20]。手臂振動可致作業工人血中兒茶酚胺及其代謝產物異常等。表明手臂振動可致植物神經功能紊亂，主要表現為交感神經功能亢進和副交感神經(迷走神經)功能下降。交感神經興奮性增高可導致外周血管的張力增高，表現為小動脈的收縮、痙攣，而這正是振動性外周血管損傷的基本表現[21]，從而引起外周循環功能障礙使腕部組織缺血、缺氧, 不僅加重腕部組織損傷，而且影響損傷修復，導致腕管綜合征的發生[22，23]。提示手臂振動對正中神經具有直接的損傷作用，如機械性損傷、循環功能異常等，造成作業工人外周神經和外周血管功能的損害隨接振時間的延長有加重趨勢。作業工人振動覺閾值明顯增高, 與接振強度、接振時間、接振劑量密切相關, 有劑量-反應關系，與感覺神經功能損害呈顯著正相關。

長期從事手臂振動作業不僅使神經干功能發生異常改變，而且在神經-肌肉接頭處也會發生傳導功能異常，使神經興奮性明顯減低，可能與周圍神經發生脫髓鞘改變有關。長期接觸強烈的局部振動引起血管神經癥，典型表現為肢端血管痙攣，末梢循環及周圍神經末梢感覺機能障礙和上肢骨與關節改變，表現為手麻、手僵、發冷、發白、疼痛、上肢關節無力，手指痙攣，指甲松動脫落等。嚴重時常出現“白指”、“死指”，使脈管和神經組織逐漸退化，最后使手失去知覺和操作能力，產生多發性神經炎,嚴重的振動病還會伴有明顯的精神病癥狀, 可能會導致永久性殘疾。

2 振動對神經電生理的影響

振動性神經病變使正中神經各刺激點相應的感覺神經傳導速度減慢，動作電位潛伏時延長、動作電位波幅顯著降低, 橈神經動作電位波幅顯著降低[25]。周圍神經傳導功能也會發生損害。振動工具使用時間 (實際接振時間) 是感覺神經傳導功能損傷的最重要因素[26]。國內研究者對砂輪磨光工、金礦鑿巖工的調查也有類似結果[27]，同時也有動物實驗方面的研究結果。

3 振動對神經纖維的生物學效應

局部振動使跖神經中的無髓神經 (C 類神經纖維) 發生了可逆性改變。主要表現為細胞體骨架結構的紊亂和滑面內質網密度增高，這種變化與手臂振動所致溫度覺 (主要由無髓鞘的 C 類神經纖維傳導) 閾值增高有密切關系[28]；可致交感神經功能異常進而導致血管功能異常。這顯然與手臂振動病的表現具有一致性。

振動對髓纖維的損傷。通過對接振工人死亡后的指尖部神經檢查發現，主要問題為脫髓鞘、軸突退化、神經束膜和神經內膜的纖維化以及雪旺細胞的增生。提示手臂振動可對雪旺細胞造成影響，因雪旺細胞在神經再生、周圍神經結構組成中的特殊地位和作用，這種影響對跖神經的有髓纖維大于坐骨神經，可能是由于跖神經更多地接受了振動能量 ( 更靠近振動臺面)。

還有研究者發現，神經細胞體出現髓鞘質的外溢以及細胞間質和神經束膜的纖維化，患者的脫髓鞘變化處在不同時期，似與接振時間呈正相關關系。神經中胰島素樣生長因子的表達明顯增強，上述改變的生化基礎可能與神經細胞內鈣離子超載有一定關系。

4 振動的神經內分泌生物學效應

4.1 環磷酸腺苷和環磷酸鳥苷

振動暴露白指組、振動暴露未發生白指組和無振動暴露的對照組血漿環磷酸腺苷和環磷酸鳥苷濃度在7℃時較 25 ℃均有升高，且振動暴露白指組和振動暴露未發生白指組升高幅度顯著高于對照組。提示振動暴露可使患者交感神經活性明顯增強，副交感神經的功能低下, 并且這種改變與體內兒茶酚胺的水平呈一致性。

4.2 去甲腎上腺素

振動暴露白指組在寒冷情況下 (7℃) 較室溫情況下 (25 ℃) 血漿去甲腎上腺素濃度明顯高于無振動暴露的對照組。這與寒冷環境中振動暴露白指組的發病率增高一致；振動暴露白指組患者在面對應激時, 尿中兒茶酚胺的濃度較對照組明顯增高。表明手臂振動可通過增強腎上腺髓質的功能而增強交感活性[29]。

4.3 振動對血管活性物質的影響

坐骨神經的運動神經纖維軸漿逆向運輸減少甚至中斷, 同時大量過氧化物酶染色呈陽性的物質沉積在支配比目魚肌運動神經、脛神經、坐骨神經遠端以及伴行的小血管內。表明振動性神經損傷可能與活性氧增多、血管功能異常、振動波對神經機械性的沖壓有關。

5 振動訓練的神經生物學研究進展

5.1 振動訓練的生物學基礎

振動對機體影響的主要機制是神經系統調節機能的改善。神經系統對力量的調節，主要體現在運動單位的募集、沖動頻率、神經協調、抑制的減小和反射的調節[30]。力量的提高和發展是以神經中樞興奮和抑制過程的強度和集中，以及相適應的神經過程充分協調為前提而建立起來的各種用力動作的條件反射的結果，主要受中樞神經系統的調節機能和肌肉肥大兩個因素的調節。振動刺激的遞減性傳遞引起中樞神經功能加強，導致更多的肌纖維參與運動。機體承受負荷過程中非對稱性周期性振動可能導致中樞神經系統協調性的改善，突觸的可塑性是極限力量突破的神經生物學基礎[31]。訓練負荷對神經系統先在結構存在自組織反應[32]，振動負荷引起腦功能的自組織適應[33]，引起機體極限漲落訓練所造成的神經系統內相關神經元功能矩陣的高幅漲落，是神經元功能矩陣從空間與時問進行適應性調整的根本動力，是造成網絡內最佳生態位的惟一途徑；當最佳生態位達到一定累積時，訓練效應累積具有不可逆特點，可達到極限突破[34]，但振動神經損傷的量—效關系尚缺少更充分的資料[35]，振動危害和因素的作用機理尚未完全弄清，振動能量在手臂的傳播等基礎性研究在國內還是空白。手臂振動導致植物神經功能紊亂可能是作業工人外周循環功能異常的原因，致外周血管功能受損的發病機制尚未明了。

5.2 預防振動病的標準研究

相對日本及歐洲各國而言, 我國對預防振動病標準的研究起步比較晚，深度還不夠。1970年代，國際標準化組織制定了ISO 2631《人承受全身振動的評價指南》，分別于1978、1982、1985、1989、1991、1994年做了一些補充和修訂，1997年再版了ISO 2631/1(第2版)《機械振動和沖擊——人承受全身振動的評價》第一部分：基本要求，這是人體振動響應最新研究成果的產物。

國內率先開展此項研究的是航天醫學研究所，此后鐵路及其他行業也開展了相關研究，制訂了GB/T 13441—92《人體全身振動環境的測量規范》及GB/T 13442—92《人體全身振動暴露的舒適性降低界限和評價準則》等，并進行了大量有關人體承受振動的研究、驗證工作。

醫學界等行業專家、學者為減少振動病的發生，在限制以至消除振動源、限制接觸振動的時間和強度，阻斷振動傳播的途徑等方面進行了一系列的研究；還通過采取隔振裝置，保健措施，控制作業環境的寒冷、噪聲等因素的危害，加強健康管理和個人防護, 定期神經科健康檢查等一系列措施，盡可能預防振動病的發生。此外對振動接觸者進行早期診斷和預防，積極加快防振護具的研發，使操作者不直接接觸到對身體有害的振動，從根源上防止或限制振動可能產生的危害。

6 目前研究存在的問題和應用展望

6.1 存在的問題

振動刺激訓練使用特定頻率、振幅、加速度、振動方式和暴露時間的振動波代替人腦發生的神經沖動，誘使機體神經適應按人為要求設計的振動波，達到各種目的，雖有功效，但同時干擾甚至破壞了人體正常的生物電，對機體各系統，特別是神經的副作用較大。文獻中關于“振動對某一方面(力量、速度、柔韌性、疲勞等)的影響”的研究，僅僅就兩者相關性進行研究，而沒有考慮到振動采用的頻率。人體各種器官特別敏感的共振頻率在0.5～80Hz(見圖1)。1～30Hz的振動可引起全身多處共振，受振作用最強；50～150Hz的振動可引起神經、肌肉等的直接損傷[36]。與身體某一或部分器官或機體的固有頻率接近或一致，可能會產生共振，此時對某一或部分器官或機體的影響和危害最大。因此，需要根據選取的振動頻率、人體各部分固有頻率、接觸物對頻率的吸收作用等因素對某一或部分器官或機體加強醫務監督。同樣，因振幅、加速度、振動方式、接觸方式和暴露時間等其他振動參數的變化，以及振動后神經系統自身的調節如何進一步適應，也應該進行嚴格的醫務監督，否則過猶不及。正如不能因為興奮劑能提高興奮性，使機體表現出更高競技成績，而漠視其危害性一樣。所以，對教練員振動訓練參數設計和醫務監督能力等均有很高的要求，在今后的科研和訓練中將進一步核實這些細節問題，對振動進行更充分的了解，權衡利弊，以便更好地利用振動，預防潛在危害。

圖1人體各部分固有頻率

6.2 應用展望

據阿巴杰耶夫、弗爾納杰夫、沃羅比耶夫和郭廷棟等人的研究，在超強度的訓練中，內分泌系統起巨大作用，但長時期提高內分泌系統的活動(超過7～8周)能導致其衰竭，引起某些疾病，如神經癥狀、內分泌癥狀和內臟癥狀等(即安靜時交感神經興奮性增加、心率加快、體力下降等)。因此，通過振動刺激突破人體機能極限的方法不宜長期使用。應通過實驗論證，針對不同目的、不同項目、不同類型和不同個體積極探索振動參數，將是以后研究的方向，將對創新訓練手段、方法和開發適用于不同領域的新器材具有積極意義。

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