侯莉娟　王夢羽　張吉敏　劉曉莉　喬德才

摘 要：探究力竭運(yùn)動對大鼠“丘腦腹外側(cè)核（VL）皮層輔助運(yùn)動區(qū)（SMA）”通路電活動影響，揭示基底神經(jīng)節(jié)信息輸出核團(tuán)在運(yùn)動疲勞中樞調(diào)控中的作用。方法：Wistar大鼠隨機(jī)分為對照組、力竭組和干預(yù)組，Bedford改良跑臺遞增負(fù)荷運(yùn)動方案建立一次性力竭運(yùn)動模型。采用金屬電極采集SMA局部場電，對其波形、功率譜密度、平均總功率及各波段所占百分比進(jìn)行分析；干預(yù)組在VL注射γ氨基丁酸A型受體拮抗劑荷包牡丹堿（BIC）后記錄SMA局部場電變化。結(jié)果：1）力竭運(yùn)動后，大鼠SMA局部場電放電頻率降低，能量分布低于對照組，輔助運(yùn)動區(qū)興奮性降低；2）BIC注射干預(yù)VL后，SMA局部場電活動信號振幅變小、頻率增高、活性增強(qiáng)，總功率顯著增高；δ波比例顯著降低，α波與β波比例顯著升高。結(jié)論：力竭運(yùn)動導(dǎo)致大鼠SMA神經(jīng)元電活動減弱，“VLSMA”通路出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，而γ氨基丁酸A型受體拮抗劑荷包牡丹堿干預(yù)可以減弱力竭運(yùn)動引起的基底神經(jīng)節(jié)信息輸出通路抑制效應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 力竭運(yùn)動；丘腦腹外側(cè)核；皮層輔助運(yùn)動區(qū)；局部場電；干預(yù)

中圖分類號： G 804.2 文章編號：1009783X（2016）05045504 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

運(yùn)動性疲勞是機(jī)體不能維持預(yù)定運(yùn)動強(qiáng)度在特定水平上的生理現(xiàn)象，按其發(fā)生部位可分為外周疲勞和中樞疲勞，且外周及中樞神經(jīng)系統(tǒng)均在運(yùn)動疲勞的發(fā)生過程中起一定的調(diào)節(jié)作用[1]。有研究表明，中樞疲勞是由于中樞神經(jīng)系統(tǒng)不能有效募集運(yùn)動神經(jīng)元而導(dǎo)致肌肉收縮能力和運(yùn)動能力降低所引起的[2]。基底神經(jīng)節(jié)作為大腦皮層下主要的神經(jīng)核團(tuán)，分別通過直接通路、間接通路和超直接通路實現(xiàn)運(yùn)動功能的調(diào)控[3]?；咨窠?jīng)節(jié)運(yùn)動調(diào)控的信息通過3條通路信息加工后最終匯聚到黑質(zhì)網(wǎng)狀部（substantia nigra reticular，SNr），然后投射到丘腦腹外側(cè)核（ventrolateral nuleus，VL）并傳遞到皮層輔助運(yùn)動區(qū)（supplementary motor area，SMA），為此，“VLSMA”通路被稱為基底神經(jīng)節(jié)信息輸出的最后通路[4]。本實驗室前期研究發(fā)現(xiàn)，一次性力竭運(yùn)動后紋狀體多巴胺Ⅱ型受體過度激活可導(dǎo)致間接通路興奮性增強(qiáng)，當(dāng)直接通路和間接通路間的動態(tài)調(diào)節(jié)平衡被打破，皮層輔助運(yùn)動區(qū)興奮性水平受到影響，最終可導(dǎo)致運(yùn)動疲勞的發(fā)生[5]。實驗證明，運(yùn)動神經(jīng)元放電頻率的降低是最大肌力收縮產(chǎn)生中樞疲勞的主要原因之一[6]。力竭運(yùn)動后VL神經(jīng)元總放電頻率降低，爆發(fā)式放電神經(jīng)元比例增加，規(guī)則單發(fā)放電頻率有所升高，VL神經(jīng)元電活動的變化說明其參與了運(yùn)動疲勞的中樞調(diào)控[7]。作為連接基底神經(jīng)節(jié)皮層通路的最后終繼站，運(yùn)動疲勞后VL的電變化對大腦皮層運(yùn)動信息輸出SMA區(qū)域產(chǎn)生怎樣的影響就成為本研究的關(guān)注點(diǎn)。本實驗擬選用電生理學(xué)方法探究一次性力竭運(yùn)動后大鼠SMA局部場電活動的變化，并在VL實施受體拮抗劑干預(yù)觀察兩核團(tuán)之間的關(guān)系，為進(jìn)一步闡明運(yùn)動疲勞中樞機(jī)制提供實驗依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實驗動物及分組

實驗對象選用健康成年雄性Wistar大鼠24只，體重280～300 g，由北京市維通利華實驗動物技術(shù)有限公司提供（SCXX京20120001）。隨機(jī)分為對照組A（control group，CG）、力竭組B（exhaustive group，EG）、干預(yù)組C（intervention group，PG）。大鼠分籠飼養(yǎng)，晝夜交替光照，自由飲食飲水，室溫保持在（25±2）℃，相對濕度40%～60%。

1.2 大鼠一次性力竭運(yùn)動方案

建模前大鼠進(jìn)行3 d適應(yīng)性訓(xùn)練，學(xué)會并適應(yīng)在跑臺上運(yùn)動，訓(xùn)練遞增負(fù)荷為0、2、5、8 m/min。采用Bedford遞增負(fù)荷跑臺方案建立一次性力竭運(yùn)動疲勞模型[8]。跑臺運(yùn)動負(fù)荷共分3級：I級，8.2 m/min運(yùn)動15 min；Ⅱ級，15 m/min運(yùn)動15 min；Ⅲ級，20 m/min運(yùn)動直至力竭。力竭判斷標(biāo)準(zhǔn)：大鼠不能維持預(yù)定跑速、長時間滯留于跑臺后方的擋板處，用聲、光刺激及人為驅(qū)趕都不能使其繼續(xù)跑動，并且伴有呼吸急促、俯臥跑臺等行為表現(xiàn)。

1.3 皮層輔助運(yùn)動區(qū)局部場電的記錄及干預(yù)實驗方法

力竭運(yùn)動即刻，10%水合氯醛按照0.34 mL/100 g體重劑量進(jìn)行腹腔麻醉，將大鼠固定于腦立體定位儀（Narishing Japan SN3N）上，在左側(cè)SMA位置（AP：3.7 mm，L：1.4 mm）實施開顱手術(shù)[9]，鎢絲電極（直徑25 μm，阻抗1.4 mΩ）記錄皮層場電，采集信號通過放大器（EX4400）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（AD 8/30）轉(zhuǎn)換成模擬信號儲存，場電采樣頻率512 Hz，數(shù)字濾過50 Hz，主放大器硬件濾波設(shè)置為0.1～100 Hz，增益200倍。另將微量注射針（內(nèi)灌注10 μL，10 μmol/μL荷包牡丹堿BIC生理鹽水溶液）植入VL（AP：-2.2～3.0 mm，L：1.5～2.2 mm，H：5.4～6.4 mm）[10]。在穩(wěn)定記錄到電信號后，BIC干預(yù)組用微量注射泵以1 μL/min的速度向VL內(nèi)注射BIC溶液（5 μm/μL）；對照組用同樣的方法注射生理鹽水。信號采集結(jié)束后，記錄電極給予10 μA直流電，常規(guī)灌流、固定、切片，對電極記錄位置進(jìn)行鑒定，并將定位不準(zhǔn)確動物數(shù)據(jù)剔除。

1.4 局部場電信號統(tǒng)計與處理

使用Chart 7.0頻譜窗口對采集到的電信號進(jìn)行線下分析，對原始生物電波形進(jìn)行快速傅里葉轉(zhuǎn)換（fast fourier transform，F(xiàn)FT；welch 法，F(xiàn)FT size：512）。將局部場電劃分為5個波段：δ波0.8～3.9 Hz，θ波4～7.9 Hz，α波8～12.9 Hz，β波13～30 Hz和γ波30 Hz以上，分別計算不同頻段頻率、功率譜密度值（power spectrum density，PSD）及相對功率譜值（rPSD）。結(jié)果以平均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差（X±SD）表示，組間神經(jīng)元放電頻率、放電模式總功率、各頻段的平均功率、幅度值分析采用獨(dú)立樣本t檢驗，組間放電形式百分比使用檢驗，各頻段功率所占總功率的百分比使用卡方檢驗，P<0.05和P<0.01分別表示差異顯著和差異非常顯著。

2 結(jié)果

2.1 力竭運(yùn)動對SMA局部場電頻譜的影響

一般生理狀態(tài)下SMA局部場電信號集中在50 Hz以下屬低頻放電，力竭組SMA局部場電平均放電頻率顯著低于對照組（P<0.05），干預(yù)組平均放電頻率達(dá)42.92顯著升高（P<0.01）。

力竭組大鼠SMA局部場電原始波形震動幅度較大，平均幅值25.27 mV，CG組僅為8.26 mV，且出現(xiàn)同步性增強(qiáng)的現(xiàn)象，干預(yù)組原始波形幅度降低（平均幅度為13.70 mV），放電頻率明顯增快（平均放電頻率為19.48 Hz），同時還出現(xiàn)了明顯的β波震蕩。實驗結(jié)果表明在VL處給予GABA受體阻斷劑可以增強(qiáng)SMA興奮性。

2.2 力竭運(yùn)動對SMA功率譜密度及時頻圖的影響

從局部場電功率譜密度分析可以看出，無論是對照組還是力竭組，SMA頻譜主要信息集中區(qū)域分布在0～10 Hz低頻區(qū)。力竭組10～20 Hz未出現(xiàn)明顯的震蕩波，而對照組在10～20 Hz出現(xiàn)明顯的震蕩波峰。雖然2組功率譜密度均集中分布在0～10 Hz的范圍內(nèi)，但頻段范圍內(nèi)的分布情況也略有不同。力竭組SMA局部場電集中分布在0～3.902 Hz，主峰最高點(diǎn)出現(xiàn)在1.172 Hz。對照組SMA功率譜密度主要集中分布在0～9.776 Hz，即跨越了δ波、θ波、和α波的頻段范圍，主峰出現(xiàn)在1.953 Hz。

麻醉狀態(tài)下對照組與力竭組SMA時頻圖分布各不相同。SMA能量主要是分布在0～4 Hz。力竭組能量分布集中在3 Hz以下，而對照組相對較為分散，除集中在0.8～3.6 Hz以外，大于4 Hz區(qū)域也有分布。由此可知，力竭組SMA局部場

電能量分布低于對照組，輔助運(yùn)動區(qū)興奮性較低。BIG干預(yù)后皮層輔助運(yùn)動區(qū)放電活動異常興奮，能量主要集中分布于10～50 Hz。

局部場電信號中δ波主要集中在0.8～3.9 Hz波段，SMA局部場電信號中δ波百分含量最高，占總信號的61.05%。EG組θ波及α波所占百分比均顯著降低，其中θ波屬于慢波而β波屬于快波[11]，可見一次性力竭運(yùn)動對于SMA慢波活動的影響更明顯。干預(yù)組SMA電活動顯著增強(qiáng)，皮層輔助運(yùn)動區(qū)放電活動異常興奮，能量主要集中分布于10～50 Hz，且α波、β波增加（P<0.05）。

3 討論

VL位于丘腦腹前核和腹后核之間，接受基底神經(jīng)節(jié)蒼白球內(nèi)側(cè)部γ氨基丁酸神經(jīng)投射，信息處理后投射到皮層輔助運(yùn)動區(qū)發(fā)放運(yùn)動指令。CarPenter等[12]研究發(fā)現(xiàn)VL投射到中央前回的纖維有局部定位關(guān)系，即內(nèi)側(cè)部投射到頭面區(qū)，外側(cè)部投射到下肢區(qū)，中間部投射到上肢和軀干區(qū)，大鼠皮層投射至VL的神經(jīng)元和靈長類相似，主要分布于6、4區(qū)和3、l、2區(qū)，因此，VL又稱為基底神經(jīng)節(jié)運(yùn)動控制信息通往皮層的“最后通路”。運(yùn)動的控制和肌緊張是由大腦和脊髓神經(jīng)元進(jìn)行中樞調(diào)控的，其中肌緊張主要由VL控制。Guiot等[13]觀察到PD的丘腦神經(jīng)元中有周期的有序放電，放電頻率為3～6次/s，與外圍震顫的頻率相似；因此，VL被作為臨床上手術(shù)治療運(yùn)動不能的目標(biāo)核團(tuán)，也是抑制肌肉僵硬最有效的部位。SMA是大腦運(yùn)動皮層的重要組成部分，接受VL纖維投射后，將信息與來自感覺運(yùn)動及視皮層傳入的信息進(jìn)行整合，然后反饋回大腦皮層，參與軀體運(yùn)動的調(diào)控作用[3，14]，完成“基底神經(jīng)丘腦皮層”的調(diào)節(jié)作用。實驗研究發(fā)現(xiàn)，大肌肉群在做自主運(yùn)動直到疲勞的過程中皮層輔助運(yùn)動區(qū)神經(jīng)元的興奮性降低，無論是在運(yùn)動的整個過程中，還是疲勞狀態(tài)后，皮層輔助運(yùn)動區(qū)的神經(jīng)元電活動都會發(fā)生變化[6]。

局部場電信號是電極尖端附近腦區(qū)神經(jīng)元放電的總和，它是一種隨機(jī)的連續(xù)電信號，由攜帶不同編碼信息、不同頻段的電信號疊加而成，主要反映局部神經(jīng)元協(xié)同作用的結(jié)果。局部場電信號與Spike相比具有良好的抗干擾性和整合性[1516]。本實驗觀察到力竭運(yùn)動后SMA局部場電的放電頻率降低，功率譜密度相對集中在較低頻段，SMA神經(jīng)元興奮性降低，與前期研究觀察到大鼠力竭運(yùn)動后30 min大鼠皮層輔助運(yùn)動區(qū)的局部場電慢波活動顯著增強(qiáng)，重心頻率降低一致。說明皮層輔助運(yùn)動區(qū)神經(jīng)元興奮性降低[17]，也進(jìn)一步提示SMA神經(jīng)元興奮性降低是引起運(yùn)動性中樞疲勞的原因之一。研究發(fā)現(xiàn)，大肌肉群在做自主運(yùn)動到疲勞的過程中SMA神經(jīng)元興奮性降低[1819]，且無論是運(yùn)動過程中還是疲勞狀態(tài)后SMA神經(jīng)元電活動都會發(fā)生變化。Benwell等[2021]也通過手指收縮實驗證實在手指收縮疲勞的狀態(tài)下SMA區(qū)電活動出現(xiàn)衰減，也就是說在整個運(yùn)動執(zhí)行的進(jìn)程中SMA都參與了運(yùn)動行為的調(diào)控過程，且隨著疲勞程度的加深，該區(qū)域的神經(jīng)元電活動會受到抑制。大鼠SMA出現(xiàn)這種疲勞狀態(tài)，與一次性力竭運(yùn)動過程中間接通路的過度激活存在相關(guān)，“黑質(zhì)丘腦”通路GABA能神經(jīng)元釋放大量神經(jīng)遞質(zhì)到VL，抑制其神經(jīng)元興奮性，VL不能夠維持發(fā)放原有的興奮型Glu神經(jīng)遞質(zhì)，使得SMA神經(jīng)元興奮性降低，從而導(dǎo)致大鼠出現(xiàn)力竭行為。

局部場電信號中低頻段攜帶的信息主要與生物體狀態(tài)有關(guān)，高頻段信息主要與高級認(rèn)知記憶功能有關(guān)，例如，運(yùn)動決策和學(xué)習(xí)記憶等。本實驗中觀察到力竭運(yùn)動后皮層輔助運(yùn)動區(qū)α波所占的比例顯著降低，BIC干預(yù)后，SMA局部場電活動振幅減小頻率升高，平均總功率顯著提高，興奮性增強(qiáng)，逆轉(zhuǎn)α波降低的趨勢，α波在運(yùn)動領(lǐng)域被認(rèn)為與放松狀態(tài)、動作準(zhǔn)備狀態(tài)有一定關(guān)系；但也有人認(rèn)為α波的變化與疲勞程度有密切聯(lián)系[22]。實驗結(jié)果觀察到在VL注射BIC后，SMA局部場電活動表現(xiàn)出明顯的β波震蕩，局部場電放電平均頻率增強(qiáng)，β波去同步話出現(xiàn)是一種大腦皮層被“激活”的表現(xiàn)，一般出現(xiàn)在執(zhí)行某個動作之前的動作策劃階段出現(xiàn)[23]。也有研究表明正常人類大腦在清醒的狀態(tài)下時，大腦皮層總是重復(fù)出現(xiàn)β波震蕩，而在運(yùn)動的過程當(dāng)中這種潛在的震蕩逐漸被γ波代替[24]。由此可知，在VL施加BIC干預(yù)，阻斷了基底神經(jīng)節(jié)對VL的過度抑制，使SMA局部場電活動去抑制，表現(xiàn)出局部場電活動增強(qiáng)。有相關(guān)研究證實：α波的最大李雅普諾夫指數(shù)小于0.4即認(rèn)為人體已經(jīng)出現(xiàn)了疲勞[25]，人體在清醒閉目或疲勞淺睡狀態(tài)下皮層場電的監(jiān)測認(rèn)為α波的最大李雅普諾夫指數(shù)（lyapunov）、復(fù)雜度和近似熵可以用來判斷人體是否處于疲勞狀態(tài)[26]。

4 結(jié)論

力竭運(yùn)動后，大鼠SMA局部場電放電頻率降低但放電幅值增大，功率譜密度分布發(fā)生改變；SMA時頻圖中θ波、α波所占比例降低，興奮性降低，“VLSMA”通路出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，而γ氨基丁酸A型受體拮抗劑BIC干預(yù)可以減弱力竭運(yùn)動引起的基底神經(jīng)節(jié)信息輸出通路的抑制效應(yīng)，推測VL神經(jīng)元電活動改變引起SMA局部場電頻率的降低是運(yùn)動疲勞后皮層出現(xiàn)抑制性保護(hù)現(xiàn)象的原因之一。

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