胡琰茹， 劉曉莉， 喬德才

(北京師范大學(xué)體育與運動學(xué)院，北京100875)

大腦對軀體運動的調(diào)控是通過錐體系和錐體外系2條下行傳導(dǎo)通路實現(xiàn)的。作為錐體外系傳導(dǎo)通路中的重要核團，基底神經(jīng)節(jié)(主要包括紋狀體、蒼白球、黑質(zhì)、杏仁核及丘腦底核等)接受來自大腦皮層的大量信息傳入，并將處理整合后的信息通過直接、間接和超直接通路回傳給大腦皮層，實現(xiàn)對運動皮層功能的調(diào)節(jié)［1］。這3條通路最后均經(jīng)黑質(zhì)網(wǎng)狀部(substantia nigra reticular，SNr)－丘腦腹外側(cè)核(ventrolateral nuleus，VL)的傳遞到達皮層輔助運動區(qū)(supplementary motor area，SMA)，通路各相關(guān)核團神經(jīng)元興奮性的凈變化以及相互作用關(guān)系可以反映基底神經(jīng)節(jié)對皮層興奮性的調(diào)節(jié)作用［2－3］。為此，本實驗采用局部場電(local field potentials，LPFs)及皮層腦電(electrocorticography，ECoG)同步記錄技術(shù)，對一次性力竭運動中大鼠“黑質(zhì)－丘腦－皮層”通路各核團的神經(jīng)元電活動變化進行動態(tài)觀察，探討其對運動疲勞產(chǎn)生的調(diào)控作用。這不僅對于揭示基底神經(jīng)節(jié)對運動疲勞的調(diào)控作用具有重要意義，而且可為進一步闡明運動疲勞的中樞機制，完善疲勞理論提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1．1 實驗對象 選用15只雄性Wistar大鼠，購自北京維通利華實驗動物技術(shù)有限公司，許可證號為SCXK(京)2002－2003，體重為(290 ±20)g，常規(guī)分籠飼養(yǎng)，自由進食飲水，自然光照，動物房內(nèi)溫度為(20±3)℃，相對濕度為40%～60%。在給大鼠實施電極埋藏手術(shù)前先進行適應(yīng)性跑臺訓(xùn)練，每天一次，連續(xù)3 d。

1．2 金屬電極埋藏手術(shù) 用戊巴比妥鈉(50 mg/kg)將大鼠腹腔麻醉，俯臥位固定于腦立體定位儀上(SN－3N，日本成茂)。沿大鼠頭頂正中線做矢狀切口，暴露前、后囟及冠、矢狀縫等骨性標志，調(diào)整門齒高度，使前囟和后囟處在同一水平面上。依照Paxinos and Watson大鼠腦立體定位圖譜［4］，分別在黑質(zhì)網(wǎng)狀部、丘腦腹外側(cè)核及皮層輔助運動區(qū)對應(yīng)的顱骨部位鉆孔(圖1A、B、C)。顯微鏡下掀去硬腦膜，用微推進器(PC－5N，日本成茂)分別將微電極(直徑90μm)植入左側(cè)黑質(zhì)網(wǎng)狀部(A:－5．0，L:2．0，H:－7．5)和丘腦腹外側(cè)核(A:－2．5，L:2．0，H:5)，將直徑1 mm 的不銹鋼鏍釘固定于左側(cè)輔助運動區(qū)(A:3．7，L:1．4，H:－0．5)對應(yīng)部位［5］，另在小腦上方(A:－10．0，L:0，H:－ 0．5)放置地線。石蠟封閉顱骨表面手術(shù)窗口，牙科水泥固定，保證電極不隨動物的活動而松動，并注射地塞米松緩解術(shù)后腦水腫。術(shù)后恢復(fù)4～5 d，待手術(shù)引起的不良反應(yīng)消失、飲食與行為正常后，開始恢復(fù)性的漸增負荷訓(xùn)練，并使其逐漸適應(yīng)測試系統(tǒng)導(dǎo)聯(lián)狀態(tài)下的跑臺運動。

圖1 記錄電極位置示意Figure 1．Schematic Illustration of Location of Recording Electrode

1．3 大鼠力竭運動方案 當大鼠能以20 m/min速度跑30 min、未見不良反應(yīng)時，次日可進行正式實驗。采用本實驗室根據(jù)Bedford方法改建的遞增負荷跑臺運動方案［6］讓大鼠進行力竭運動，負荷分為3級:Ⅰ級負荷為10 m/min，15 min;Ⅱ級負荷為 15 m/min，15 min;Ⅲ級負荷為20 m/min，運動至力竭。力竭判斷標準:大鼠跑姿由蹬地式變?yōu)榉厥?，滯留在跑道末端不能繼續(xù)跑動，且聲波和光刺激均無法驅(qū)使其繼續(xù)維持跑動。

1．4 局部場電及皮層腦電信號的同步采集 大鼠開始運動之前，電極經(jīng)導(dǎo)聯(lián)線與主放大器(Dagan EX4－400，美國)連接，導(dǎo)聯(lián)線靠近電極端包含一個多通道JFET前置放大器(headstage)，用于消除運動過程中由于導(dǎo)線運動、纏繞造成的信號偽跡。跑臺電機由銅網(wǎng)屏蔽并接地，以消除跑臺工作過程中電機運轉(zhuǎn)引起的電磁干擾。預(yù)先植入的金屬微電極用以記錄黑質(zhì)網(wǎng)狀部和丘腦腹外側(cè)核的神經(jīng)元場電活動，另植入皮層輔助運動區(qū)的電極用以記錄皮層腦電活動。信號記錄采用差分模式，信號采集由PowerLab 8通道生理記錄儀(PowerLab 8/30，AD Instrument，澳大利亞)及自身所帶的軟件Chart 5(AD Instrument，澳大利亞)完成，采樣頻率為512 Hz，50 Hz數(shù)字陷波，主放大器硬件濾波設(shè)置為0．1～100 Hz，增益200。連續(xù)同步記錄大鼠安靜、一次力竭運動過程中和恢復(fù)期皮層腦電和局部場電的電信號。實驗完成后，實施常規(guī)冰凍切片取腦，并進行Nissl染色，對照大鼠腦立體定位圖譜鑒定金屬電極尖端所在位置，金屬微電極未同時準確植入黑質(zhì)網(wǎng)狀部、丘腦腹外側(cè)核和皮層輔助運動區(qū)的數(shù)據(jù)將被刪除。

1．5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計使用 Chart 5及 NeuroExplorer 4(Plexon，美國)離線分析軟件對原始波形進行頻譜分析，從大鼠力竭運動中的每一階段選取4個30 s的原始信號進行快速傅立葉轉(zhuǎn)換(fast fourier transform，F(xiàn)FT;welch法，F(xiàn)FT size:512)，計算4個30 s信號的平均值代表各階段局部場電和皮層腦電的電活動特征。力竭運動過程中每隔15 min取30 s局部場電和皮層腦電信號，通過計算各頻段功率占總功率的百分比，得出功率值百分比。

運用SPSS 13．0軟件對所得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果均用平均數(shù)±標準差表示。功率值百分比數(shù)據(jù)的比較用One-Way ANOVA分析，P＜0．05表示組間差異顯著，P＜0．01表示組間差異非常顯著。

2 研究結(jié)果

2．1 電活動變化特征及運動能力的階段劃分 實驗共用15只大鼠，實際記錄到有效信號的大鼠8只，納入數(shù)據(jù)統(tǒng)計，其余7只未記錄到有效信號而被剔除。在實驗過程中利用同步的方法所記錄到的黑質(zhì)網(wǎng)狀部、丘腦腹外側(cè)核的局部場電及皮層腦電的原始波形如圖2所示。

圖2 同步記錄大鼠局部場電及皮層腦電原始波形Figure 2．Raw Data Trace SimultaneouslyRecorded from ECoG and LFPs in Rats

在實驗中發(fā)現(xiàn)，大鼠的運動能力存在一定的個體差異［(93±23．6)min］。為便于分析，依據(jù)大鼠運動能力的外在表現(xiàn)將整個力竭運動過程劃分為4個階段［7］，即自主運動期(大鼠在跑臺遞增負荷時能維持預(yù)定強度進行自主運動)、疲勞初期(當大鼠不能維持預(yù)定運動強度自主運動時，給予聲、光、電等外部刺激仍可維持原有強度繼續(xù)運動一段時間)、力竭期(給予大鼠外部刺激也無法維持預(yù)定強度，直至停止運動)和恢復(fù)初期(力竭后恢復(fù)至30 min)。在力竭運動的不同階段，大鼠的局部場電和皮層腦電原始電位波形表現(xiàn)出明顯的階段性變化特征(圖3A)。與安靜狀態(tài)相比，隨著力竭的出現(xiàn)，黑質(zhì)網(wǎng)狀部局部場電的振幅逐漸減小，頻率逐漸增大;而丘腦腹外側(cè)核局部場電和皮層腦電的振幅逐漸增大，頻率逐漸減小。通過分析功率譜密度(power spectral density，PSD)發(fā)現(xiàn)，局部場電及皮層腦電均存在2種明顯的二次振蕩性電活動，一種為1～2 Hz的低頻振蕩;另一種為6～8 Hz的中頻振蕩(圖3B)。

圖3 大鼠力竭運動中不同階段局部場電及皮層腦電活動特征Figure 3．Characteristic Diagram of ECoG and LFPs of Different Stages during the Exhausting Exercise in Rats

2．2 局部場電及皮層腦電頻段功率值百分比的動態(tài)變化 依據(jù)電活動的頻率特征，局部場電和皮層腦電可分為5 個頻段，即0．8 ～3．9 Hz(δ 波)、4～7．9 Hz(θ波)、8～12．9 Hz(α 波)、13～30 Hz(β 波)及30 Hz以上(γ波)，其中，δ和 θ波稱為慢波，β和 γ波稱為快波［8］。通過對大鼠局部場電和皮層腦電各頻段功率值百分比的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，各頻段功率值百分比的主要變化特點為δ、θ和α波的變化顯著(P＜0．05)，而β和 γ波的變化均不明顯(P＞0．05)(圖4～圖7)。與安靜狀態(tài)相比，黑質(zhì)網(wǎng)狀部局部場電在自主運動期的δ波和疲勞初期、力竭期的 α波顯著升高(P＜0．05);丘腦腹外側(cè)核局部場電在自主運動期的α波和疲勞初期、力竭期的δ、θ波顯著升高(P＜0．05)，自主運動期的θ波顯著降低(P＜0．05);皮層腦電在自主運動期的α波和疲勞初期、力竭期的δ、θ波顯著升高(P ＜0．05)。

圖4 局部場電及皮層腦電各頻段功率值百分比變化Figure 4．Changes of the Power Ratio of Different Frequency Bands in ECoG and LFPs

圖5 局部場電及皮層腦電δ波功率值百分比動態(tài)變化趨勢注:與安靜狀態(tài)相比，#表示P＜0．05;與SNr的局部場電相比，* 表示 P ＜0．05，＊＊表示 P ＜0．01，圖6～圖7同此。Figure 5．Dynamic Changes of Power Ratio of δBand in ECoG and LFPs

圖7 局部場電及皮層腦電α頻段功率值百分比動態(tài)變化趨勢Figure 7．Dynamic Changes of Power Ratio of αBand in ECoG and LFPs

圖6 局部場電及皮層腦電θ波功率值百分比動態(tài)變化趨勢Figure 6．Dynamic Changes of Power Ratio of θBand in ECoG and LFPs

大鼠在一次性力竭運動中，δ、θ及α波功率值百分比動態(tài)變化的總趨勢為局部場電和皮層腦電均出現(xiàn)2個明顯的波峰，丘腦腹外側(cè)核與皮層走勢相同，而黑質(zhì)網(wǎng)狀部走勢相反(圖5～圖7)。在2個波峰期，丘腦腹外側(cè)核、皮層與黑質(zhì)網(wǎng)狀部相比均存在顯著性差異(P ＜0．05，P ＜0．01)。

3 討論

軀體運動的調(diào)控是在大腦皮層及皮層下主要神經(jīng)核團的共同作用下實現(xiàn)的。大腦皮層是運動控制的最高級中樞，丘腦與基底神經(jīng)節(jié)中的一些核團是調(diào)控運動的皮層下中樞，它們之間通過神經(jīng)纖維投射構(gòu)成了“基底神經(jīng)節(jié)－丘腦－皮層”神經(jīng)環(huán)路，通過核團之間神經(jīng)信息的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，實現(xiàn)運動的發(fā)起或停止［9－10］。

3．1 力竭運動中黑質(zhì)網(wǎng)狀部、丘腦腹外側(cè)核及皮層輔助運動區(qū)電活動的特征 黑質(zhì)是基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)的重要核團之一，由黑質(zhì)網(wǎng)狀部和黑質(zhì)致密區(qū)構(gòu)成。黑質(zhì)網(wǎng)狀部與蒼白球內(nèi)側(cè)部共同構(gòu)成基底神經(jīng)節(jié)的最后輸出核團，在整合基底神經(jīng)節(jié)內(nèi)3條通路的興奮性及調(diào)控皮層運動功能方面起重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，大鼠在自主運動期時，黑質(zhì)網(wǎng)狀部局部場電活動振幅增大，頻率減小，δ波震蕩性電活動顯著增多，神經(jīng)元的興奮性明顯減弱;出現(xiàn)疲勞時，局部場電活動卻呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，振幅減小，頻率增大，δ、θ波震蕩活動顯著減少，而α波震蕩活動顯著增多，神經(jīng)元的興奮性明顯增強。相關(guān)文獻報道:黑質(zhì)網(wǎng)狀部約80%的神經(jīng)元放電增加會導(dǎo)致大肌肉群參與的身體運動能力下降［11］;當帕金森病(parkinson’s disease，PD)模型大鼠［12］和癲癇模型大鼠［13］出現(xiàn)運動遲緩、肌肉僵直和靜止性震顫等臨床癥狀時，黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元自發(fā)放電頻率也顯著增高，簇狀放電神經(jīng)元比例增加，與運動疲勞時黑質(zhì)網(wǎng)狀部電活動變化的特征相近似。大鼠疲勞時所出現(xiàn)的運動能力下降與黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元興奮性增強有關(guān)。

丘腦位于間腦，對稱性地分布于第三腦室兩側(cè)，每側(cè)丘腦被丫形的白質(zhì)板(內(nèi)髓板)分隔成3團灰質(zhì)或核團，即丘腦前核、內(nèi)側(cè)核及外側(cè)核。丘腦外側(cè)核又可分為較小的背側(cè)部和較大的腹側(cè)部。丘腦腹外側(cè)核群，亦稱運動丘腦，是重要的感覺及運動中繼站。它與脊髓、腦干以及小腦有廣泛聯(lián)系，并發(fā)出纖維投射到大腦皮層的運動區(qū)，參與皮層對肌肉運動的調(diào)節(jié)［14］，也是基底神經(jīng)節(jié)信息投向皮層的最后中繼核團［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，在力竭運動過程中，大鼠在自主運動期，丘腦腹外側(cè)核局部場電活動振幅減小，頻率增大，α波震蕩活動顯著增多，神經(jīng)元興奮性明顯增強;但當大鼠出現(xiàn)疲勞時，該核團場電活動振幅增大，頻率逐漸減小，δ、θ波振蕩活動顯著增多，神經(jīng)元興奮性明顯減弱;丘腦腹外側(cè)核神經(jīng)元電活動變化與黑質(zhì)網(wǎng)狀部呈相反趨勢，這與臨床上所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果相類似。PD模型大鼠的丘腦腹外側(cè)核自發(fā)放電頻率降低，放電頻譜峰向低頻聚集［16］，這從另一個角度證實，丘腦腹外側(cè)核在運動控制中發(fā)揮一定的作用。

大腦輔助運動區(qū)是運動控制的重要腦區(qū)，通過神經(jīng)纖維聯(lián)系實現(xiàn)對脊髓運動神經(jīng)元的控制［17］。另外，輔助運動區(qū)與皮層主運動區(qū)也有著非常廣泛的相互纖維投射聯(lián)系，其神經(jīng)元興奮性的改變對運動能力具有重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在力竭運動過程中，大鼠在自主運動期皮層輔助運動區(qū)腦電活動振幅減小，頻率增大，α波震蕩活動顯著增多，神經(jīng)元的興奮性明顯增強;但當疲勞出現(xiàn)時，電活動振幅逐漸增大，頻率逐漸減小，δ、θ波振蕩活動顯著增多，說明在運動疲勞發(fā)生后輔助運動區(qū)激活減弱，神經(jīng)元興奮性顯著下降。這與本實驗室前期的研究結(jié)果相同［7，18－19］。Liu 等［20］采用功能性磁共振成像技術(shù)也證實了這一現(xiàn)象的存在。

3．2 力竭運動中“黑質(zhì)－丘腦－皮層”通路各核團的相互調(diào)控作用 在力竭運動中，“黑質(zhì)－丘腦－皮層”通路各核團的相互聯(lián)系主要是通過神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控作用實現(xiàn)的。黑質(zhì)網(wǎng)狀部接收來自紋狀體、蒼白球外側(cè)部的γ－氨基丁酸(GABA)能神經(jīng)纖維投射，以及來自丘腦底核的谷氨酸(Glu)能神經(jīng)纖維投射，大鼠出現(xiàn)力竭時黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元電活動的凈變化表現(xiàn)為興奮性增強，增加向丘腦腹外側(cè)核釋放神經(jīng)遞質(zhì)GABA的量，使丘腦腹外側(cè)核神經(jīng)元興奮性減弱，進而減少向皮層輔助運動區(qū)釋放神經(jīng)遞質(zhì)Glu的量，從而抑制了皮層輔助運動區(qū)神經(jīng)元的興奮性，最終導(dǎo)致運動能力的下降和疲勞的發(fā)生［21］。

我們推測，“黑質(zhì)－丘腦－皮層”神經(jīng)通路各核團神經(jīng)遞質(zhì)GABA和Glu的釋放量改變導(dǎo)致該通路功能失衡，進而發(fā)生運動疲勞。臨床上的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，該神經(jīng)通路的功能失衡會引發(fā)PD大鼠肌張力障礙，也與黑質(zhì)網(wǎng)狀部GABA能神經(jīng)投射增強，抑制了丘腦－皮層Glu能神經(jīng)投射，并降低相應(yīng)皮層運動區(qū)神經(jīng)元興奮性有關(guān)［22－23］。PD病人出現(xiàn)運動無能癥狀時會伴有皮層腦電活動的興奮性降低［24－25］。采用高頻電刺激皮層輔助運動區(qū)又可緩解PD癥狀［26］。亨廷頓舞蹈癥(huntington’s disease，HD)是一種遲發(fā)性神經(jīng)退行性遺傳病，主要臨床表現(xiàn)為病人出現(xiàn)偏側(cè)舞蹈樣癥狀，其原因為紋狀體神經(jīng)元病變、減少神經(jīng)遞質(zhì)GABA的釋放，抑制了間接通路，增強了丘腦腹外側(cè)核－皮層通路Glu能神經(jīng)投射，引發(fā)運動過度［27］。PD和HD的病理機制進一步證實，“黑質(zhì)－丘腦－皮層”通路在整合基底神經(jīng)節(jié)各核團的神經(jīng)信息傳遞及調(diào)控運動皮層的功能方面具有重要作用。

4 小結(jié)

在力竭運動中，大鼠“黑質(zhì)－丘腦－皮層”通路神經(jīng)元的電活動出現(xiàn)明顯的階段性特征，皮層與丘腦腹外側(cè)核電活動變化趨勢相同;但與黑質(zhì)網(wǎng)狀部相反。大鼠在自主運動期，黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元興奮性減弱，降低對丘腦腹外側(cè)核神經(jīng)元的抑制作用，使皮層興奮性增強;在力竭時，黑質(zhì)網(wǎng)狀部神經(jīng)元興奮性增強，抑制了丘腦腹外側(cè)核神經(jīng)元的興奮性，進而對皮層神經(jīng)元產(chǎn)生去興奮作用，最終導(dǎo)致運動能力的下降?！昂谫|(zhì)－丘腦－皮層”通路功能失調(diào)是導(dǎo)致力竭及運動能力下降的重要因素之一。

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