氢气吸入对脑血流的影响大【新进展】

本文的重点是发现氢气具有生理调节效应，即吸入氢气对脑血流和心脏神经调节产生影响。这背后的逻辑基础虽然没有研究，但非常值得深入探讨。这种研究相对比较简单，但仍然能发表，说明这个工作的所关注的问题，发现的现象，都是值得重视的。

氢气（H₂）具有选择性抗氧化和抗炎特性，但其对人体脑氧合与自主神经功能的即时影响尚不明确。本研究通过鼻导管以300 mL/min的固定流速向健康成年人输送99.9%的氢气，评估单次30分钟吸氢对受试者中枢及自主神经的急性反应。采用时域近红外光谱（TD-NIRS）检测双侧前额叶皮层（PFC）的氧合血红蛋白（oxy-Hb）和去氧血红蛋白（deoxy-Hb）浓度，并计算吸氢前、吸氢结束即刻、吸氢后30分钟及90分钟的半球间不对称指数，以此评估脑氧合状态；通过连续心电图（ECG）记录心率、R-R间期及频域心率变异性指标（低频成分LF、高频成分HF及LF/HF比值），以此评估自主神经活性。结果显示，吸氢可显著且短暂地增加右侧前额叶皮层氧合血红蛋白浓度的不对称性；同时，吸氢期间LF/HF比值升高，提示交感神经激活，而吸氢后心率下降，与副交感神经恢复一致。这种脑与自主神经的平行反应表明，吸氢可引发协同的神经血管-自主神经耦合效应。本研究结果证实，急性吸氢可短暂调节前额叶皮层氧合偏侧化及自主神经张力，提示其可能与认知功能及心血管调节存在关联。 

引言

氢气（H₂）作为一种具有选择性抗氧化、抗炎及抗凋亡特性的生物活性气体，已成为多种病理状态的潜在治疗剂，引发广泛关注。自大泽等学者的开创性研究证实，吸入氢气可选择性清除羟自由基并减轻大鼠脑缺血-再灌注损伤模型的梗死面积以来[1]，越来越多的证据表明，氢气能够减轻氧化应激、调节炎症反应并维持线粒体完整性[2-4]。这些多效性作用促使研究人员探索氢基干预在神经系统、心血管系统和代谢性疾病中的应用，包括脑卒中[5]、心肌梗死[6]以及帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病[7,8]。

尽管相关研究热度持续上升，但氢气对人体的急性生理效应（尤其是在脑功能和自主神经功能层面）仍未完全明确。基于磁共振成像（MRI）的初步研究表明，吸入氢气可能减轻脑梗死严重程度或改善神经元完整性[8,9]，但这些效应背后确切的血流动力学机制尚未得到清晰阐述。在此背景下，时域近红外光谱（TD-NIRS）作为一种强大的无创检测技术，借助光子飞行时间测量分离吸收与散射信号，能够对皮层组织中的氧合血红蛋白（oxy-Hb）和去氧血红蛋白（deoxy-Hb）浓度进行绝对定量[10,11]。因此，TD-NIRS 为捕捉气体干预相关的脑氧合细微、时间分辨变化提供了独特优势。

同时，有研究推测氢气可调节自主神经系统活性。基于心电图（ECG）的动物和人体研究显示，氢气干预后心率变异性（HRV）提高、交感神经优势减弱且迷走神经张力增强[12,13]。然而，急性吸入氢气后的即时自主神经反应（尤其是与心率（HR）、R-R 间期（RRI）及频域心率变异性指标相关的反应），尚未结合脑血流动力学数据进行系统表征。

据此，我们假设吸入氢气会特异性调节前额叶皮层（PFC）血流动力学（尤其是半球间不对称性），并伴随自主神经张力的短暂改变。本研究通过同步运用 TD-NIRS 监测前额叶皮层氧合状态和基于 ECG 的指标评估自主神经调节，旨在阐明吸入氢气引发的中枢-自主神经相互作用。研究重点关注半球间不对称性的时间模式和心率变异性动态变化，这可能为氢气潜在影响的脑-体耦合机制提供见解。需强调的是，本研究旨在描述急性生理反应，而非评估临床疗效，因此未设置假气体对照组。

材料与方法

研究对象

招募 15 名健康成年志愿者（男性 8 名，女性 7 名；平均年龄 ± 标准差（SD）：53.3 ± 12.1 岁）。研究于 2024 年 6 月至 7 月期间开展，本研究为探索性初步研究，未进行正式样本量计算，样本量基于可行性及与采用类似实验范式的既往研究一致性确定。所有参与者均无已知神经系统、心血管系统或精神疾病病史，且未服用任何已知会影响脑血流动力学或自主神经功能的药物。参与者在测试前 ≥72 小时停用所有药物、非处方药、膳食补充剂（包括功能性食品和保健食品），并避免剧烈体力活动；每次实验前 ≥24 小时避免饮酒、摄入咖啡因和尼古丁。测试前一晚 21:00 起禁食（仅可饮水）≥12 小时，测试当天数据采集前 90 分钟提供标准化清淡饮食和 500 mL 水。所有实验均在专用门诊检查室进行，环境温度控制在 22-24℃，参与者在基线记录前静坐休息 10 分钟。所有研究方法均遵循相关指南和规定。参与者均签署书面知情同意书，研究符合《赫尔辛基宣言》要求，方案经上野朝颜诊所伦理委员会批准（批准号：2024-09）。本研究于 2024 年 6 月 22 日在日本大学医院医疗信息网络临床试验注册中心（UMIN000054586；recptno=R000062375）前瞻性注册，该注册中心为世界卫生组织国际临床试验注册平台认可的一级注册机构。研究报告遵循 CONSORT 2025 声明指南撰写，试验方案和统计分析计划作为单独文件随手稿提交，可供同行评审。

氢气吸入方案

参与者采用商用氢气发生器（AQY-300，日本 CNB 医学研究所），通过鼻导管以 300 mL/min 的固定流速吸入纯度为 99.9% 的氢气，单次吸入时长为 30 分钟。参与者自主呼吸室内空气的同时，通过鼻导管吸入氢气。因此，吸入氢气分数未直接测量，可能因参与者个体通气情况（潮气量和呼吸频率）而异。本研究未记录呼吸参数，也未采集吸入气体成分，故无法量化每位参与者的吸入氢气分数或氢气分压。吸入过程中未监测末梢血氧饱和度（SpO₂），也未采集吸入氧浓度。每次实验前校准氢气流速，吸入全程通过 ECG 持续监测心率，研究者在吸入前、吸入中及吸入后对参与者进行视觉观察，确保其安全。时间轴零点（t，单位：分钟）定义为氢气吸入开始时间。

脑血流动力学测量（TD-NIRS）

采用 TD-NIRS 系统（TRS-20，日本滨松光子学株式会社）评估脑氧合状态。该系统配备三个脉冲激光二极管（波长：760、800 和 840 nm），通过时间分辨光子检测对 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 浓度进行绝对定量。光极对称附着于前额，光源-探测器间距固定为 3.0 cm，靶向双侧前额叶皮层。为利用 TRS 系统的绝对定量能力（时域测量的核心优势），我们将脉冲光传播解析解的曲线拟合应用于测得的飞行时间分布（DTOF）。通过该拟合，在假设人类前额组织均质的前提下，获得三个波长下的吸收系数和约化散射系数。利用 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 的吸收光谱，根据三个波长下的吸收系数计算 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 浓度。为简洁起见，下文“oxy-Hb”和“deoxy-Hb”分别指 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 的浓度。

TD-NIRS 数据在四个时间点采集，每个时间点采集 3 分钟：吸入前（t = -15 分钟，T1，基线）、吸入结束即刻（t = 30 分钟，T2）、吸入结束后 30 分钟（t = 60 分钟，T3）和吸入结束后 90 分钟（t = 120 分钟，T4），如图 1 所示。对每个半球和每个时间点的 3 分钟信号进行平均。

不对称指数计算

为量化半球间平衡，计算每个时间点 oxy-Hb 和 deoxy-Hb 的不对称指数（AI）[14,15]。oxy-Hb 浓度的不对称指数计算公式如下：

式中，“Right”和“Left”分别指右侧和左侧前额叶皮层3分钟平均测得的氧合血红蛋白浓度。该指标为标准化数值，取值范围在-1至1之间，正值表示氧合状态以右侧占优势。采用相同公式对测得的去氧血红蛋白浓度进行计算，以评估脱氧状态的半球不对称性。

 探索性数据质量控制

从测量数据中提取33项时域近红外光谱（TD-NIRS）衍生特征，重点为三个波长下、所有时间点及双侧前额获取的光子飞行时间分布（DTOF）数据。这些特征包括：三个波长下DTOF的峰值时间、峰值强度、半高全宽、积分光子计数及三个波长的总积分光子计数；三个波长下的光程长度、吸收系数、约化散射系数；氧合血红蛋白、去氧血红蛋白及总血红蛋白（总血红蛋白=氧合血红蛋白+去氧血红蛋白）浓度及其标准差；组织氧饱和度及其标准差（补充图1），并纳入测量开始后的时间信息。对双侧前额共计66项TD-NIRS特征进行主成分分析（PCA）。

将在三维主成分空间中，前三个主成分（PC1至PC3）与原点欧氏距离最大的受试者判定为异常值（补充图2）。该方法捕捉的是多变量偏离，而非单个主成分上的单变量异常值，等效于多变量异常值检测方法。依据此标准，4名受试者被排除，不再参与后续分析。所有TD-NIRS结局指标的分析，均针对完成实验且符合预设数据质量控制标准的受试者开展，纳入分析的TD-NIRS测量指标无缺失数据。

 心脏与自主神经功能测量

使用佩戴于上腹部的可穿戴监测仪（myBeat，日本东京Union Tool株式会社），从氢气吸入前15分钟至吸入后90分钟连续记录心电图（ECG）信号。通过QRS波检测，逐搏计算R-R间期（RRI，单位：ms）。对原始信号进行目视检查，剔除R-R间期＜300 ms或＞2000 ms、或与8个连续心搏的滑动平均值偏差＞30次/分的异常值。心率（HR）计算公式为：60000/RRI。

R-R间期是用于心率变异性（HRV）计算和伪差筛查的主要逐搏信号。因此，为保证结果透明性，本文同时报告心率和R-R间期，并明确二者在数学上的倒数关系，解读重点放在心率变异性指标和变时性改变的方向上。

尽管心电图持续记录至吸入后90分钟，但为保证数据质量与可比性，心率变异性频域分析仅限定在与TD-NIRS采集时间点对齐、直至T3（t=60分钟）的时间段内。以氢气吸入开始时间为基准，分析时段划分如下：S1（t=-15~0分钟，基线期）、S2（t=0~30分钟，吸入期）、S3（t=30~40分钟，吸入结束即刻）、S4（t=60~70分钟，吸入后60分钟），如图1所示。

在每个分析时段内，采用设备标准频域算法计算低频功率（LF，0.04~0.15 Hz）和高频功率（HF，0.15~0.40 Hz）。将小于零的功率值替换为该时段内最小正值的0.1倍，随后进行对数转换，再计算平均值。各时段直接计算平均心率和R-R间期，对数转换后的LF、HF及LF/HF比值则在对数尺度上取均值。

同时在五个时间点测量平均动脉压（MBP），分别为t=-15（B1）、15（B2）、30（B3）、60（B4）和120（B5）分钟，如图1所示。

 统计学分析

所有数据预处理、不对称指数计算及可视化均采用Python 3.11编写的自定义脚本完成。统计学分析使用GraphPad Prism 8和9软件（美国加利福尼亚州圣地亚哥GraphPad软件公司）进行。

针对脑氧合指标（氧合血红蛋白、去氧血红蛋白）的时间进程比较，采用弗里德曼检验（Friedman test）分析四个TD-NIRS时间点（T1~T4）的时间主效应。若主效应具有统计学意义，进一步采用邓恩检验（Dunn’s test）结合邦费罗尼校正进行事后两两比较。

通过计算各时间点的不对称指数（AI）量化半球不对称性，采用威尔科克森符号秩检验（Wilcoxon signed-rank test）比较不同时间点的AI值。以基线T1为参照，计算各半球T2、T3、T4时间点氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的相对变化值（Δoxy-Hb、Δdeoxy-Hb），并采用配对样本威尔科克森符号秩检验评估左右侧差异。此外，对存在统计学意义半球差异的时间点，采用配对样本科恩d值（Cohen’s d）量化效应量。

为评估主要半球不对称性比较结果的稳健性，针对ΔAI=AI(T2)−AI(T1)开展预设的敏感性分析：

1. 逐一剔除每位受试者后，重复威尔科克森检验及效应量估计的留一法（LOO）分析；

2. 重新分析剔除两名最具影响力受试者（定义为剔除后产生最大留一法P值的受试者）后的结果；

3. 采用非参数自助法（B=20000次重抽样）计算中位数ΔAI的95%置信区间；

4. 采用符号检验量化ΔAI在所有受试者中的方向一致性。

为提升分析稳健性，采用±3倍标准差的标准，剔除每位受试者各时间点的异常值。

对于心血管和自主神经指标（平均动脉压、心率、R-R间期、LF、HF、LF/HF），因数据不符合正态分布假设，采用弗里德曼检验评估不同阶段（B1~B5及S1~S4）的效应，此处“阶段”指氢气吸入前、吸入中及吸入后。若结果具有统计学意义，采用配对t检验或威尔科克森符号秩检验，并结合邦费罗尼校正进行多重比较的事后两两分析。同时分析以基线为参照的变化值（Δ值），以评估各阶段的特异性效应。对于心率、R-R间期及频谱指标有统计学意义的比较，计算配对样本科恩d值以估计效应量大小。本文以心率作为主要的变时性描述指标，同时并列报告R-R间期，主要用于支持心率变异性计算和保证数据质量透明性。

为探索潜在的年龄依赖性调节效应，采用斯皮尔曼秩相关分析，检验受试者年龄是否与NIRS衍生的脑氧合指标及ECG衍生的心血管/自主神经参数的变化幅度相关。所有检验均为双侧检验，P＜0.05视为差异具有统计学意义，适用时报告校正后的P值。

结果

氢气吸入期间脑氧合的时间进程

为明确氢气吸入阶段（气源纯度99.9%，吸入时长30分钟）皮层氧合的时间变化特征，首先采用小提琴图绘制双侧前额叶皮层氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四个时间点（T1~T4）的时间序列，如图2A所示，每个数据点代表3分钟的平均值。数据点按受试者年龄（25~72岁）进行颜色编码，具体见色标。

弗里德曼检验结果显示，左侧半球氧合血红蛋白信号存在显著的时间主效应（χ²₍₃₎=8.35，P=0.039），但经邦费罗尼校正后的邓恩事后两两比较未发现特定时间点间存在显著差异。右侧半球氧合血红蛋白（χ²₍₃₎=2.67，P=0.445）及双侧半球去氧血红蛋白信号（左侧：χ²₍₃₎=4.42，P=0.220；右侧：χ²₍₃₎=5.84，P=0.120）均未观察到显著的时间主效应。上述数据表明，各时间点氧合血红蛋白变化的幅度和方向存在显著的个体间差异。

氢气诱导的半球不对称性改变

随后，通过计算各时间点氧合血红蛋白和去氧血红蛋白的不对称指数，量化脑功能偏侧化。

如图2B（左图）所示，氧合血红蛋白不对称指数的中位数由基线期（T1：-0.031 [-0.063~0.001]）的轻微负值，转变为吸入期（T2：0.003 [-0.015~0.041]）的正值，并在吸入后逐渐回落至接近基线水平（T3：-0.016 [-0.058~-0.007]；T4：0.011 [-0.048~0.046]）。威尔科克森符号秩检验显示，T2时间点的不对称指数显著高于基线T1（T1 vs T2：P=0.014；d=0.790），T1和T2的均值±标准差分别为-0.031±0.059和0.054±0.138。

由于不对称指数是左右侧的相对测量指标，这种向右偏的改变可能反映右侧浓度升高、左侧浓度降低，或二者共同作用，而非仅右侧半球的绝对升高。相比之下，T1与T3（P=0.102）、T1与T4（P=0.054）之间均未观察到显著差异。

为评估该T2-T1不对称性改变对高影响力受试者的稳健性，针对主要对比项ΔAI=AI(T2)−AI(T1)开展敏感性分析。在完整样本（n=11）中，T2相较于T1的改变仍具有统计学意义（P=0.0137），且效应量较大（r=0.724；d=0.790）。留一法分析显示，逐一剔除任意单一受试者后，该比较仍保持显著性（P值范围：0.00195~0.02734），各迭代结果均呈现一致的大效应量（r值范围：0.693~0.886；d值范围：0.694~0.973）（补充表1）。

剔除两名最具影响力的受试者后（n=9），效应方向保持不变（中位数ΔAI=0.037 [0.022~0.079]），但统计学显著性有所减弱（P=0.055；r=0.652；d=0.775），提示在该小样本中，结果对极端案例的剔除存在一定敏感性。

为补充P值的解读，进一步采用非参数自助法计算中位数ΔAI的95%置信区间，结果不包含零（95%CI：0.022~0.164），并证实了方向一致性（11名受试者中10人ΔAI＞0；P=0.012）（补充图3）。补充图3同时展示了受试者水平的ΔAI、年龄（颜色编码）和BMI分类（点大小），以便直观评估个体间差异和潜在的人口学混杂因素。

对于去氧血红蛋白不对称指数（图2B，右图），中位数在所有时间点均为正值（T1：0.060 [0.016~0.119]；T2：0.055 [0.027~0.127]；T3：0.049 [-0.008~0.077]；T4：0.021 [0.006~0.118]）。威尔科克森符号秩检验显示，T1与T2（P=0.638）、T1与T4（P=0.898）及T2与T3（P=0.175）之间均无显著差异。

上述结果表明，氢气吸入与氧合血红蛋白半球不对称性的短暂向右偏移相关，该现象在吸入期间及结束即刻最为明显，而去氧血红蛋白的不对称性无明确改变。

基线参照变化与偏侧化

为进一步评估半球特异性效应，计算T2~T4时间点相对于基线的变化值Δoxy-Hb和Δdeoxy-Hb，如图2C所示。所有半球间比较均采用威尔科克森符号秩检验。

在T2时间点，右侧半球Δoxy-Hb显著高于左侧半球（左侧：-2.00 [-3.96~-0.01] μM；右侧：1.27 [-0.85~3.29] μM；P=0.017；d=-0.858），左侧和右侧半球的均值±标准差分别为-1.99±6.55 μM和2.45±5.82 μM。相比之下，T3（左侧：-0.73 [-1.94~0.77] μM；右侧：-0.88 [-3.61~2.33] μM；P=0.875）和T4（左侧：-3.00 [-5.92~-0.66] μM；右侧：-1.74 [-2.62~2.31] μM；P=0.077）时间点均未观察到显著的半球间差异（图2C，左图）。

Δdeoxy-Hb在吸入后各时间点均无显著的半球间差异。T2（左侧：0.68 [-0.25~2.44] μM；右侧：1.21 [0.51~2.65] μM；P=0.396）、T3（左侧：2.05 [0.76~2.59] μM；右侧：1.45 [-1.26~2.04] μM；P=0.256）和T4（左侧：1.03 [-0.42~1.93] μM；右侧：0.77 [-0.07~1.80] μM；P=0.865）时间点，Δdeoxy-Hb的中位数在半球间均无明显差异（图2C，右图）。

由于比较是在各时间点的半球间进行，结果主要反映基线参照变化的半球差异。这些发现提示，在T2时间点，氧合血红蛋白的基线参照变化存在短暂的半球间差异，右侧前额叶皮层的Δoxy-Hb高于左侧。此外，探索性斯皮尔曼相关分析未发现受试者年龄与氧合血红蛋白或去氧血红蛋白基线参照变化幅度之间存在一致的单调相关关系（补充图3）。

心血管与自主神经参数的动态变化

最后，通过分析氢气吸入前（S1）、整个30分钟吸入期间（S2）、吸入结束即刻（S3）及吸入后期（S4）的ECG衍生指标，评估系统性自主神经效应，同时分析B1至B5时间点的平均动脉压。

连续时间序列分析显示，从B1到B5的整个测量期间，平均动脉压保持稳定（图3，最上方）。与之相反，吸入期间及吸入后观察到心率逐渐降低、R-R间期相应升高（图3，从上至下第二、三面板）。频域指标（LF和HF功率）在典型范围内波动，无持续升高或降低，而LF/HF比值在吸入期间出现短暂峰值（图3，最下方两个面板）。

各阶段的平均动脉压（MBP）均值无显著变化（B1 vs. B2：P=0.108；B1 vs. B3：P=0.118；B1 vs. B4：P=0.288）。与之相反，心率（HR）相较于基线水平显著下降（S1 vs. S2：P=0.009，d=-0.635；S1 vs. S3：P=0.037；S1 vs. S4：P=0.015，d=-0.746），对应的R-R间期（RRI）相较于基线则显著升高（S1 vs. S2：P=0.034；S1 vs. S3：P=0.029；S1 vs. S4：P=0.008，d=0.831）。这些趋势在绝对值（图4）和图5所示的基线参照差值中均一致呈现。 

特别值得注意的是，吸入后30分钟时的心率相对变化值（ΔHR）与R-R间期相对变化值（ΔRRI）相较于基线均出现显著改变（ΔHR：P=0.014，d=-0.746；ΔRRI：P=0.007，d=0.831），而更早时间点的指标经邦费罗尼校正后未达到统计学显著性。对于频域指标，经对数转换的低频功率（LF）在吸入期间呈轻度降低（S1 vs. S2：P=0.011，d=0.669），而高频功率（HF）与LF/HF比值未表现出显著变化。 

相似地，低频功率相对变化值（ΔLF）与高频功率相对变化值（ΔHF）的基线参照差值均无统计学意义，而LF/HF比值的相对变化值（ΔLF/HF）在吸入期间短暂升高（S1 vs. S2：未校正P=0.023，校正后P=0.070，d=0.745），随后恢复至基线水平（图3）。尽管平均动脉压在群体水平上未出现显著变化，但斯皮尔曼相关性分析显示，年龄与吸入期间及吸入结束时的平均动脉压变化呈负相关（ΔMBP(B2-B1)：ρ=-0.674，P=0.023；ΔMBP(B3-B1)：ρ=-0.665，P=0.025），提示年龄较大的受试者平均动脉压下降幅度更小。 

相比之下，在所有阶段，年龄与心率、R-R间期、低频功率、高频功率的变化均无显著相关性（所有阶段P>0.3）。吸入期间，LF/HF比值与年龄呈中等程度正相关（ρ=0.512，P=0.074），但该相关性未达到统计学显著性。由于受试者的基线心率存在差异，我们剔除基线期平均心率最高（88.8次/分钟）的受试者后，重复进行了事后比较。结果显示，心率变化的方向与效应量均与全样本分析结果相似，但经邦费罗尼校正后的P值超过0.05（基线期vs.吸入期，校正后P=0.051；基线期vs.吸入后30分钟，校正后P=0.098）。 

综上，氧合血红蛋白的半球不对称性在T2时间点出现短暂向右偏移，而去氧血红蛋白的不对称性无明确改变。自主神经指标则呈现时间依赖性变化，包括吸入期间LF/HF比值的短暂升高。在时域近红外光谱（TD-NIRS）相关分析中，依据预设的数据质量控制标准剔除4名受试者，最终纳入11名受试者进行TD-NIRS数据分析。心电图衍生指标的分析仅针对所有预设时间窗均有可分析心电记录的受试者开展，因此其样本量与TD-NIRS分析的样本量不同。整个研究过程中未观察到任何不良事件。 

讨论

本研究首次在健康人群中证实，单次30分钟的氢气吸入与前额叶氧合血红蛋白半球不对称性的短暂偏移相关，且该变化不伴随去氧血红蛋白的同步改变，同时伴随自主神经张力的轻度波动。尽管总体氧合血红蛋白与去氧血红蛋白在四个测量时间点（T1–T4）间无显著变化，但氧合血红蛋白不对称指数从T1到T2短暂升高，在T3时间点向基线水平回落（图2B）。 

T2时间点氧合血红蛋白基线参照变化值的半球间差异（Δoxy-Hb，右侧vs.左侧）（图2C），符合脑氧合状态偏侧化改变的特征，而去氧血红蛋白水平保持稳定。据我们所知，这是首次报道健康成年人在氢气吸入期间，前额叶氧合血红蛋白半球不对称性出现短暂向右偏移。 

一种合理的功能学解读为：氢气吸入可短暂增强前额叶脑氧合的右侧偏侧化趋势。针对年轻人群的神经影像学研究已多次证实，需要持续注意力、工作记忆或新信息处理的任务，会优先激活右侧半球的前额叶神经网络，这一现象与更快的反应速度和更高的准确率相关[16,17]。与之相对，衰老则与任务相关的半球不对称性降低有关，即哈罗德现象（HAROLD），老年人群会通过激活双侧前额叶区域，来代偿神经效能的下降[18,19]。 

在本研究的中老年受试者队列中，这种向更显著右侧偏侧化不对称模式的短暂转变，可能反映了年轻态偏侧化模式的暂时恢复，尽管我们未直接评估认知功能或觉醒水平。鉴于研究结果存在显著的个体间差异，我们进一步探索了不对称性偏移幅度是否与年龄或体质指数相关，但在这一有限样本中未观察到明确关联（补充图3）。未来仍需开展更大样本、设置假气体对照的研究，以明确人口统计学或人体测量学因素是否会系统性地调节该反应的强度。 

另一种可能（且可能与上述机制同时存在）的解释是，这些血流动力学改变反映了自主神经-血管耦合效应。本研究的心电图分析显示，吸入期间心率出现轻微但显著的下降，同时LF/HF比值短暂升高，该模式提示自主神经暂时向交感神经占优势的状态转变（图3）。 

既往研究已将右侧前额叶皮层的激活与交感神经兴奋、焦虑状态相关联[14]，提示吸入一种新型气体刺激可能引发轻微的预期性紧张，尤其在吸入初期阶段。事实上，已有研究证实单次氢气干预既可通过短暂的交感神经激活，急性提升警觉性；而长期或反复暴露于氢气，则可降低基线交感神经张力、改善心率变异性并降低应激标志物水平[12,20]。因此，本研究观察到的不对称性短暂偏移伴随交感神经活性升高，可能反映了皮层觉醒与血管调节之间的相互作用，而非单纯的代谢需求变化。 

从机制层面而言，上述血管改变可能由一氧化氮（NO）生物利用度提升所介导。氢气可选择性清除羟自由基（•OH），而羟自由基会降解具有强效血管舒张作用的内皮源性一氧化氮[1]。通过中和羟自由基，氢气能够维持一氧化氮的水平，促进脑血管舒张并增加氧合血红蛋白浓度，且不会改变去氧血红蛋白水平，因为组织氧耗量并未发生变化[21]。这一一氧化氮介导的通路，为本研究的TD-NIRS观测结果提供了生化层面的理论依据。 

研究观察到的半球不对称性向右偏移，与氢气可能调节存在右侧偏侧化核心枢纽的静息态神经网络这一推测相符，例如突显网络（salience network）[22]或默认模式网络（DMN）的部分组件[23]，这两类网络均参与机体的内外部监测与自主神经调控。此外，右侧前额叶皮层本身也是中枢-自主神经网络（CAN）中的关键节点，负责协调皮层与皮层下自主神经中枢的功能[24,25]。因此，氢气吸入可能在右侧前额叶的中枢-自主神经网络节点引发定向反应，将皮层激活转化为下游的交感神经调节效应。 

归根结底，本研究结果最适合在中枢-自主神经网络的框架下进行解读，即皮层与自主神经的改变构成了统一的应答反应。不对称性偏移与短暂交感神经占优势（LF/HF比值升高）的同时出现，很可能反映了氢气调控脑-体耦合效应的两个方面。基于这一视角，氢气吸入可作为中枢-自主神经网络的温和调节剂，其作用起始于右侧前额叶皮层，并通过自主神经效应通路逐级传导。这种整合性的观点不仅阐明了氢气的急性生理作用，也拓展了其作为中枢-自主神经交互作用调节剂的治疗潜力。 

本研究存在若干局限性需要考量。首先，研究样本量较小，且未设置安慰剂（假气体）对照组，限制了我们对干预效应作出明确因果推断的能力。尤其需要指出的是，吸入期间或吸入后即刻观察到的急性改变，以及直至吸入后120分钟观察到的延迟性改变，均可能反映非特异性的时间/体位效应、任务持续时间因素，以及正常的日间生理波动，而非氢气特异性的作用。重要的是，本研究旨在表征氢气吸入的短期生理反应，而非评估其治疗功效。因此，未来采用随机、安慰剂对照设计的研究，对于证实所观察到的脑与自主神经反应特异性归因于氢气至关重要。 

其次，由于主要的不对称性对比结果效应幅度较小，且统计推断对剔除高影响力受试者较为敏感，我们通过预设的敏感性分析（留一法、自助法置信区间、方向一致性检验）对主要分析结果进行了补充验证，因此将该不对称性相关发现视为探索性结果。 

第三，氢气通过鼻导管以固定气源流速给药，研究未记录呼吸参数或吸入气体成分，因此无法量化每位受试者的吸入氢气浓度/分压。这一局限限制了剂量-反应关系的解读，也可能是导致生理反应存在个体间差异的原因之一。未来研究应通过测量吸入氢气浓度，或根据通气量估算氢气暴露量，理想情况下采用可控的吸入装置规范给药方式，以实现氢气暴露量的量化。此外，本研究未监测外周血氧饱和度与吸入氧浓度，无法排除短暂的亚临床血氧饱和度下降情况。 

第四，本研究仅将测量区域限定于前额叶皮层，未获取认知功能或主观觉醒水平的直接评估指标。未来纳入全脑成像、任务态实验范式以及心理测量学评估的研究，对于阐明这种右侧偏侧化反应的功能意义及其在网络层面的影响至关重要。 

第五，尽管相较于传统的连续波近红外光谱（CW-NIRS），TD-NIRS具有独特的方法学优势，包括降低对探头相关伪影的敏感性，但该技术也存在固有的局限性。在TD-NIRS检测中，吸收系数与约化散射系数（即光学特性）是在假设头部光学性质均一的前提下，通过光子飞行时间分布估算得出的。但在实际情况中，头皮、颅骨和脑组织具有截然不同的光学特性。因此，计算得出的氧合血红蛋白与去氧血红蛋白浓度，可能同时包含来自脑内和脑外组织的混合信号。 

虽然TD-NIRS对于因探头移除或重新固定导致的信号干扰具有相对较强的抗干扰能力，这一优势在本研究这类重复测量设计中尤为突出，但该方法无法明确区分皮层与浅表组织的血流动力学改变。尽管如此，脑外组织的血流动力学变化主要反映体循环状态，不太可能在双侧前额间呈现显著的偏侧化差异；与之相反，脑部反应通常具有脑区特异性，且可能存在半球间差异。因此，本研究观察到的脑氧合半球不对称性，更可能归因于脑血流动力学的半球差异，而非头皮组织来源的信号影响。此外，随着从光子飞行时间分布中提取吸收系数方法的进一步改进，未来有望实现脑外与脑内吸收系数的分离[26]，这一问题将在后续研究中予以解决。

 结论

这项整合近红外光谱与心电图的研究，首次提供了详实证据，证实急性吸入氢气可短暂调节人体前额叶皮层的脑氧合不对称性与自主神经平衡。研究观察到氧合血红蛋白半球不对称性出现短暂向右偏移，同时伴随交感神经激活，提示机体对氢气吸入产生了协同的神经血管-自主神经应答。上述发现为后续探究重复或长期氢气干预的研究奠定了生理学基础，该干预方式或在认知功能提升、延缓年龄相关的脑功能偏侧化衰退，以及通过神经血管通路调节心血管疾病风险等方面具有潜在应用价值。 

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 图1 实验方案：时域近红外光谱、心电图及平均动脉压的测量时间点

灰色阴影区域代表30分钟氢气吸入阶段（t=0分钟）。平均动脉压（MBP）在5个时间点测量：t=-15、15、30、60和120分钟（蓝色柱形B1–B5）。心电图从t=-20分钟至t=110分钟连续记录，心率变异性/R-R间期分析在4个时段内开展：S1（t=-15~-5分钟）、S2（t=0~30分钟）、S3（t=30~40分钟）、S4（t=60~70分钟）（双向箭头标注）。时域近红外光谱测量（每次采集3分钟）在4个时间点进行：t=-15分钟（T1）、30分钟（T2）、60分钟（T3）和120分钟（T4）（红色柱形标注）。

 图2 氢气吸入期间前额叶皮层血流动力学的时间进程与偏侧化

a. 小提琴图展示4个时间点（T1–T4），左侧（暖红色/冷蓝色调）与右侧（黄色/浅蓝色调）前额叶皮层氧合血红蛋白（左图）、去氧血红蛋白（右图）3分钟测量均值。数据点叠加于图中，并按色标以年龄进行颜色编码。灰色阴影表示30分钟氢气吸入阶段。

b. 箱线散点图展示T1–T4各时间点氧合血红蛋白（左图）与去氧血红蛋白（右图）的不对称指数。线条连接配对观测数据；* P<0.05，与T1相比（威尔科克森符号秩检验）。

c. 小提琴图展示T2–T4时间点相对于基线的变化值（较T1的变化量），即Δ氧合血红蛋白（左图）与Δ去氧血红蛋白（右图）。数据点叠加显示（实心点代表左侧，空心点代表右侧）。* P<0.05，代表T2时间点Δ氧合血红蛋白的半球间比较（配对威尔科克森检验）；其余半球间比较均无统计学显著性。 

 图3 氢气吸入前、吸入中及吸入后心血管与自主神经功能的连续动态变化

从吸入前15分钟（t=-15分钟）至测量结束（t=110分钟）的平均动脉压（MBP，最上图）、心率（HR，第二图）、R-R间期（RRI，第三图）及频域指标（低频与高频功率，第四图；LF/HF比值，最下图）的时间序列曲线。彩色带状区域为组均值曲线（实线）的±1倍标准误。蓝色阴影柱形代表30分钟氢气吸入阶段。

 图4 各阶段平均动脉压与心电图衍生指标的绝对值及基线参照变化柱状图

柱状散点图（均值±标准误柱形；圆点代表个体数据）展示吸入前（B1、S1）、吸入中（B2、S2）、吸入结束即刻（B3、S3）、吸入后期（B4、S4）四个阶段的平均动脉压、心率、R-R间期、低频与高频功率及LF/HF比值。星号代表与吸入前基线相比差异具有统计学显著性（配对t检验或威尔科克森符号秩检验，经邦费罗尼校正）：* P<0.05。 

 图5 平均动脉压、心血管及自主神经指标的基线参照变化量与年龄相关性

小提琴图展示吸入中（B2、S2）、吸入结束即刻（B3、S3）、吸入后期（B4、S4）各阶段，平均动脉压、心率、R-R间期、对数转换的低频与高频功率，以及ΔLF/HF比值的基线参照变化量（Δ值）。个体数据点按年龄进行灰度颜色编码。每个小提琴图上方的符号代表阶段效应具有统计学显著性（# P<0.05，未校正；* P<0.05，校正后）。 

补充图1 光子飞行时间分布（DTOF）特征

平均光程长度为光子平均飞行时间乘以光速。FWHM：光子飞行时间分布的半高全宽。光子飞行时间分布是吸收系数（μₐ）与约化散射系数（μₛ'）的函数，上述系数通过将光子飞行时间分布的解析解拟合至实测分布获得。基于三个波长下测得的吸收系数，结合氧合血红蛋白与去氧血红蛋白的吸收光谱，计算二者的浓度。 

 补充图2 探索性数据质量控制的主成分分析与聚类

a. 碎石图展示从双侧前额测量所得的66项特征中提取的前8个主成分（PCs）的方差解释比例。绿色柱形为各主成分单独解释的方差，品红色曲线为累积方差解释比例。

b. 前三个主成分的三维散点图，不同颜色代表15名受试者，每名受试者对应一种专属颜色。

 补充图3 受试者水平从基线到氢气吸入期间氧合血红蛋白不对称指数的变化

该图展示每名受试者氧合血红蛋白的主要对比指标ΔAI = AI(T2) − AI(T1)。横轴按ΔAI升序排列受试者。圆点颜色代表年龄（浅红至深红），圆点大小代表体质指数分类（<22、22–25、≥25 kg/m²）。ΔAI=0处的水平线代表T2与T1时间点不对称指数无变化。

 补充图4 半球特异性氧合血红蛋白与去氧血红蛋白变化的年龄依赖性差异

散点图展示受试者年龄与T2、T3、T4时间点，左侧（暖红色/冷蓝色调）与右侧（黄色/浅蓝色调）前额叶皮层氧合血红蛋白（上图行）、去氧血红蛋白（下图行）基线参照变化量之间的关系。每个点代表一名受试者，各半球分别绘制回归直线与95%置信区间。所有时间点的氧合血红蛋白与去氧血红蛋白均未观察到一致的单调相关性。

 补充表S1 主要不对称指数对比项（ΔAI = AI(T2) − AI(T1)）的留一法敏感性分析

每次迭代剔除一名受试者，在剩余样本（n=10）中重复进行T2与T1时间点氧合血红蛋白不对称指数的配对威尔科克森符号秩检验。表格报告每次留一法迭代的ΔAI中位数[四分位距]、双侧P值及效应量（r与配对科恩d值）。影响力排序依据留一法检验所得的最大P值对迭代结果进行排名。效应量r由标准化检验统计量（z/√n）推导得出，配对科恩d值基于受试者自身的差值计算。