曹慶雷，趙海濤，李小蘭

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熱預(yù)適應(yīng)對(duì)大鼠中樞疲勞后體溫及腦神經(jīng)遞質(zhì)5-HT分泌的影響研究

曹慶雷，趙海濤，李小蘭

北京科技大學(xué)體育部，北京，100083。

目的：觀察熱預(yù)適應(yīng)通過調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)遞質(zhì)對(duì)大鼠運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的中樞疲勞的作用。方法：12只成年雄性SD大鼠，隨機(jī)分為2組，6只為預(yù)熱組，6只為對(duì)照組。運(yùn)動(dòng)疲勞模型通過力竭跑步模型建立，熱預(yù)處理組是42℃熱處理15min，每天3次，連續(xù)5天，對(duì)照組不做任何處理。記錄最后運(yùn)動(dòng)力竭時(shí)間及運(yùn)動(dòng)前后體內(nèi)核心溫度，同時(shí)用液相色譜測量腦組織中5羥色胺（5-HT）的水平。結(jié)果：（1）熱預(yù)處理組的平均力竭時(shí)間為178.24±42.43 min，顯著高于對(duì)照組318.49±37.25min，熱預(yù)適應(yīng)顯著增加了運(yùn)動(dòng)的耐受時(shí)間（P<0.05）；（2）熱預(yù)處理組運(yùn)動(dòng)前后肛溫差0.382±0.396℃顯著低于對(duì)照組（1.954±0.603）℃，熱預(yù)適應(yīng)顯著降低了運(yùn)動(dòng)后體溫（P<0.05）；結(jié)論：熱預(yù)適應(yīng)可以有效的降低運(yùn)動(dòng)前后體溫差，并且可能是通過減少5-HT含量來起到延緩中樞運(yùn)動(dòng)疲勞的作用。

熱預(yù)適應(yīng)；神經(jīng)遞質(zhì)；運(yùn)動(dòng)疲勞

運(yùn)動(dòng)性疲勞是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)引起的肌肉運(yùn)動(dòng)及做功能力下降的現(xiàn)象，其中長時(shí)間中等強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的疲勞主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出的抑制信號(hào)而引起的，稱之為運(yùn)動(dòng)中樞性疲勞[1-3]，是目前運(yùn)動(dòng)疲勞機(jī)制研究的熱點(diǎn)之一。緩解疲勞對(duì)提高運(yùn)動(dòng)能力有重要作用，是運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域重要的研究課題。運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞機(jī)制研究提出多種假說，涉及中樞神經(jīng)遞質(zhì)失衡，內(nèi)穩(wěn)態(tài)失調(diào)，氨基酸、離子代謝紊亂，自由基增多，能源衰竭，神經(jīng)內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)的平衡打破等諸多變化[4]。隨著神經(jīng)生物學(xué)相關(guān)技術(shù)方法在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用，運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞機(jī)制的研究取得了一些進(jìn)展，長時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)中樞神經(jīng)遞質(zhì)的變化是導(dǎo)致疲勞產(chǎn)生的重要原因[1,3]。

有關(guān)神經(jīng)遞質(zhì)分泌失衡導(dǎo)致中樞性疲勞的研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)過程中體溫升高可能是誘導(dǎo)神經(jīng)遞質(zhì)分泌的主要原因之一。熱應(yīng)激條件下，體溫升高的熱敏信號(hào)，傳遞至下丘腦視前區(qū)等腦區(qū)域，腦區(qū)域內(nèi)熱敏神經(jīng)元接受并整合形成反饋信號(hào)作用于下丘腦、延髓中縫區(qū)等不同腦區(qū)，影響腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放和相應(yīng)受體的表達(dá)，從而產(chǎn)生一系列反應(yīng)，調(diào)整各種機(jī)能以適應(yīng)環(huán)境溫度的改變，并可影響機(jī)體長時(shí)間的運(yùn)動(dòng)能力，并從而在運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的產(chǎn)生和恢復(fù)中發(fā)揮特定的作用[5-7]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)是多重而復(fù)雜的過程，遞質(zhì)的分泌受內(nèi)外環(huán)境影響，并且可因環(huán)境的改變而進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，保持身體穩(wěn)態(tài)。那么過量運(yùn)動(dòng)引起的遞質(zhì)變化，也可能通過全身性調(diào)節(jié)引起自身適應(yīng)性改變，從而使失衡的神經(jīng)遞質(zhì)分泌趨于正常。那么，預(yù)適應(yīng)后達(dá)到的新的遞質(zhì)平衡就有可能適應(yīng)機(jī)體的應(yīng)激狀態(tài)，從而在過量運(yùn)動(dòng)過程中推遲疲勞出現(xiàn)的時(shí)間、延長運(yùn)動(dòng)時(shí)間，減輕疲勞程度。在自身適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制研究中，預(yù)適應(yīng)是目前常用且安全有效的方法之一，常用于減輕機(jī)體損傷，如缺血預(yù)適應(yīng)保護(hù)腦組織、肌肉組織等[8-9]。熱預(yù)適應(yīng)是指通過反復(fù)暴露在高熱的條件下，使得體內(nèi)和皮膚溫度升高并且大量出汗[10-13]。熱預(yù)適應(yīng)的研究也應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如熱預(yù)適應(yīng)對(duì)保護(hù)和改善心肌細(xì)胞的損傷，對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)及小鼠的學(xué)習(xí)行為也有積極的影響[14-15]。已有研究顯示，在熱應(yīng)激條件下，可通過提高DA、NE的活性抑制機(jī)體溫度升高導(dǎo)致的中樞疲勞，改善熱應(yīng)激下運(yùn)動(dòng)能力[16-17]。同時(shí)也有研究顯示，DA能提高神經(jīng)元活性也能使受試者在高熱環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)有更高的耐受性[18]。由此可見，人體對(duì)熱應(yīng)激的調(diào)節(jié)反應(yīng)與神經(jīng)遞質(zhì)分泌有密切的關(guān)系。調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的活性，達(dá)到自身在高溫環(huán)境中新的平衡，有利于維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)。

因此，我們的研究擬通過熱預(yù)適應(yīng)調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)遞質(zhì)的平衡，研究并闡明運(yùn)動(dòng)時(shí)重要神經(jīng)遞質(zhì)的變化規(guī)律，明確其與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的關(guān)系，并且尋找中樞性疲勞的有效的預(yù)防與恢復(fù)方法。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物和分組

成年雄性SD大鼠（8周齡）12只，體重230g—260g之間（購自北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物公司）。大鼠飼養(yǎng)在首都醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心大鼠飼養(yǎng)房。大鼠正常分組（3只/籠子），自由飲水，飲食，溫度為18—24℃，空氣相對(duì)濕度40%—60%，正常晝夜節(jié)律。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 高溫預(yù)熱處理 預(yù)熱組動(dòng)物用6%水合氯醛0.6ml/100g腹腔注射麻醉，置于60℃恒溫水浴箱，保持大鼠呼吸通暢，直至肛溫升至42℃，維持肛溫42℃ 15min，再置于常溫環(huán)境下恢復(fù)體溫，1小時(shí)后，再升高體溫42℃ 15min，反復(fù)3次，連續(xù)5天。對(duì)照組不做任何處理。

1.2.2 急性力竭疲勞模型建立 采用Bedford[19]建立的一次性平板跑臺(tái)力竭跑步模型，兩組動(dòng)物測試前進(jìn)行適應(yīng)性跑臺(tái)訓(xùn)練一次/天（共3天），低于力竭程度。恢復(fù)2天后進(jìn)行一次性力竭跑步實(shí)驗(yàn)，采用treadmill平板跑臺(tái)法，測試由15cm/s開始，持續(xù)15min，增加至25cm/s，持續(xù)15min，最后保持在35 cm/s跑步直至力竭，記錄每只動(dòng)物三階段跑步時(shí)間。

1.2.3 核心體溫測定 采用體溫計(jì)測量肛溫表示核心體溫，跑步前測定初始肛溫，力竭跑步完成后立即測肛溫，用運(yùn)動(dòng)前后核心體溫的變化觀察體溫變化的差異。

1.2.4 腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)檢測 兩組力竭跑步實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用斷頭法獲取腦組織，置于冰上并迅速分離皮質(zhì)、下丘腦、海馬、紋狀體。高氯酸提取法充分勻漿后，4 000g/min離心5min，離心取上清液，-80℃凍存。采用高效液相色譜法分析各部腦組織內(nèi)5-HT含量。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有結(jié)果采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，組間差異采用t檢驗(yàn)分析，< 0.05為顯著性差異，P < 0.01 為極顯著性差異。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 一次性力竭跑步時(shí)間

兩組動(dòng)物經(jīng)水平跑臺(tái)三階段力竭跑步后，測定各階段跑步時(shí)間，結(jié)果顯示預(yù)熱組動(dòng)物較對(duì)照組跑步持續(xù)時(shí)間明顯延長，疲勞出現(xiàn)時(shí)間延后。其中一、二階段跑步時(shí)間和動(dòng)物體能狀態(tài)無差別，兩組動(dòng)物均能按跑臺(tái)速度勻速跑步，無疲勞表現(xiàn)；而在第三階段后，尤其進(jìn)入跑步后期，兩組動(dòng)物出現(xiàn)疲勞的時(shí)間、體能表現(xiàn)差異明顯，對(duì)照組動(dòng)物首先出現(xiàn)疲勞癥狀，如，速度下降，跑步暫停等，跑步至力竭平均時(shí)長為178.24±42.43min，而預(yù)熱組動(dòng)物在第三階段，特別是跑步后期，耐力明顯提高，能長時(shí)間保持勻速跑步，延遲疲勞出現(xiàn)，力竭時(shí)間較對(duì)照組平均時(shí)長顯著延長，力竭時(shí)間為318.49±37.25min（P<0.05）。（如圖1）

圖1 第三階段力竭時(shí)間

2.2 一次性力竭跑步肛溫

隨著運(yùn)動(dòng)過程的進(jìn)行，體溫會(huì)逐步升高，溫度升高時(shí)是中樞疲勞的誘因之一。兩組動(dòng)物力竭跑步后均即刻檢測肛溫，結(jié)果顯示對(duì)照組動(dòng)物平均肛溫，升高幅度，預(yù)熱組動(dòng)物平均肛溫較跑步前升高0.382±0.396℃（p<0.05），較對(duì)照組（1.954±0.603℃）肛溫升高幅度較小。（如圖2）

圖2 力竭前后肛溫差

2.3 神經(jīng)遞質(zhì)變化

5-HT色氨是重要的中樞疲勞的標(biāo)志物之一，在熱適應(yīng)組中5-HT色氨的含量顯著低于對(duì)照組（p<0.01），熱預(yù)適應(yīng)處理后5-HT下降了接近50%。（見圖3）

圖3 神經(jīng)遞質(zhì)5-HT的變化

3 分析及討論

3.1 熱預(yù)適應(yīng)延緩運(yùn)動(dòng)疲勞的出現(xiàn)

熱預(yù)適應(yīng)在運(yùn)動(dòng)損傷以及腦保護(hù)研究中已經(jīng)有較為深入的研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)熱預(yù)適應(yīng)可提高動(dòng)物熱休克蛋白（Hsp）和抗氧化劑表達(dá)水平，對(duì)大鼠骨骼肌運(yùn)動(dòng)損傷具有保護(hù)作用[20]。另外，熱預(yù)適應(yīng)產(chǎn)生熱休克蛋白，在多種中樞性疾病或損傷中被發(fā)現(xiàn)具有有效的保護(hù)作用[21-23]。此外，在缺氧及低能量條件下培養(yǎng)的大腦海馬細(xì)胞，其損害程度也可因熱休克蛋白而減輕[24]。這些研究表明，熱預(yù)適應(yīng)對(duì)運(yùn)動(dòng)中機(jī)體和腦有保護(hù)作用。我們測量了熱預(yù)適應(yīng)組跟對(duì)照組大鼠跑臺(tái)的平均力竭時(shí)間。結(jié)果表明，熱預(yù)適應(yīng)后，大鼠的平均力竭時(shí)間為320min 而對(duì)照組的平均力竭時(shí)間約為180min，說明經(jīng)過熱預(yù)適應(yīng)后大鼠的力竭時(shí)間提高了約75%。說明了熱預(yù)適應(yīng)可以延緩運(yùn)動(dòng)性疲勞的出現(xiàn)時(shí)間。

3.2 熱預(yù)適應(yīng)降低運(yùn)動(dòng)前后機(jī)體溫差

機(jī)體在運(yùn)動(dòng)后，體溫會(huì)有升高的現(xiàn)象，與正常的體溫相比，機(jī)體在高溫下的運(yùn)動(dòng)能力會(huì)有所下降。熱預(yù)適應(yīng)是經(jīng)常被作為減少這種損傷的措施之一。熱預(yù)適應(yīng)可以誘導(dǎo)機(jī)體生理上對(duì)高溫的適應(yīng)，從而可以用來提高運(yùn)動(dòng)成績。人們已經(jīng)對(duì)熱適應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，例如，Patterson等人研究表明健康機(jī)體在經(jīng)過8天和22天的熱預(yù)適應(yīng)后體內(nèi)核心溫度分別下降了0.20℃與0.32℃[25]。熱休克反應(yīng)通常是經(jīng)過改善的耐熱性的標(biāo)志之一，有研究表明，熱預(yù)適應(yīng)誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)熱休克蛋白（Hsp72）濃度增加[26]。這些數(shù)據(jù)表明，細(xì)胞內(nèi)的熱休克蛋白可能對(duì)熱預(yù)適應(yīng)更為敏感。通過測量實(shí)驗(yàn)組跟對(duì)照組力竭運(yùn)動(dòng)前后體溫表明，熱預(yù)處理組的運(yùn)動(dòng)前后的溫差變化顯著小于對(duì)照組。先前研究表明，運(yùn)動(dòng)過程中體溫的升高可能是誘發(fā)神經(jīng)遞質(zhì)分泌失衡的主要原因之一。運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)引起體溫升高，運(yùn)動(dòng)員機(jī)體核心溫度隨時(shí)間與運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的增加而平穩(wěn)的、緩慢的升高[27]。已經(jīng)有證據(jù)表明，正是過量運(yùn)動(dòng)時(shí)體溫的升高引起了多種遞質(zhì)分泌，例如，體溫升高后腦內(nèi)視前區(qū)和下丘腦前部區(qū)域中5-HT含量上升[28]；DA、NE伴隨大腦和機(jī)體核心溫度的升高而增加，該類遞質(zhì)參與調(diào)節(jié)降溫過程[29-30]。

3.3 熱預(yù)適應(yīng)對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的影響

研究證實(shí)多種神經(jīng)遞質(zhì)與中樞性運(yùn)動(dòng)疲勞產(chǎn)生有密切關(guān)系并起到重要的調(diào)節(jié)作用，因而成為疲勞產(chǎn)生機(jī)制、緩解疲勞方法研究中的重要內(nèi)容。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種神經(jīng)遞質(zhì)參與了運(yùn)動(dòng)疲勞的發(fā)生，主要包括多巴胺、γ-氨基丁酸（GABA）、5-HT和NE等；也有興奮性遞質(zhì)谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）等及其他類型神經(jīng)遞質(zhì)如乙酰膽堿等參與[4]。過量運(yùn)動(dòng)可引起多種神經(jīng)遞質(zhì)分泌失衡，并導(dǎo)致遞質(zhì)之間相互作用的平衡失調(diào)，因而引起腦內(nèi)代謝紊亂，引起中樞性疲勞，這可能是運(yùn)動(dòng)疲勞發(fā)生的重要原因。

5-HT是研究最多的的中樞疲勞的標(biāo)志物之一[31-33]。研究發(fā)現(xiàn)，長時(shí)間大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)使血漿游離的氨基酸濃度上升，氨基酸和色氨酸爭奪結(jié)合位點(diǎn)從而增加了血漿中游離色氨酸的濃度和色氨酸／支鏈氨基酸的比值，促使更多的色氨酸等遞質(zhì)穿過血腦屏障，使腦內(nèi)特定區(qū)域抑制性遞質(zhì)5-HT的合成增加，同時(shí)會(huì)引起多種酶活性下降，ATP再合成下降，繼而使肌肉運(yùn)動(dòng)能力下降[34]。5-HT是最明顯的中樞疲勞的衡量物。我們測量了熱預(yù)適應(yīng)組和對(duì)照組的5-HT的含量（圖3），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，熱預(yù)處理組5-HT在腦中的含量顯著低于對(duì)照組，這表明，熱預(yù)適應(yīng)抑制了由運(yùn)動(dòng)疲勞導(dǎo)致的5-HT濃度的上升。

3.4 熱預(yù)適應(yīng)通過改善神經(jīng)遞質(zhì)延緩運(yùn)動(dòng)疲勞的機(jī)制推測

綜上所述，本研究觀察到熱預(yù)處理干預(yù)后導(dǎo)致大鼠運(yùn)動(dòng)至力竭的時(shí)間縮短，運(yùn)動(dòng)前后體溫差減小，中樞神經(jīng)遞質(zhì)5-HT的含量下降，我們推測通過熱應(yīng)激預(yù)適應(yīng)，誘導(dǎo)并激活神經(jīng)遞質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)，適應(yīng)溫度變化，使腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)分泌預(yù)先進(jìn)入調(diào)節(jié)機(jī)制，尤其是提高抑制性遞質(zhì)的活性，使神經(jīng)遞質(zhì)分泌與身體機(jī)能趨于平衡，達(dá)到高溫環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)機(jī)體適應(yīng)高溫環(huán)境，將有效延緩因神經(jīng)遞質(zhì)失調(diào)造成代謝失衡、中樞性疲勞的出現(xiàn)。研究中，我們通過熱預(yù)處理使得機(jī)體適應(yīng)了5-HT的下降，從而在運(yùn)動(dòng)力竭實(shí)驗(yàn)中，大鼠的5-HT的水平相應(yīng)的下降。這無疑對(duì)改善鍛煉機(jī)能，提高疲勞運(yùn)動(dòng)耐受力有重要意義。

4 結(jié) 論

經(jīng)過熱預(yù)適應(yīng)處理后，大鼠運(yùn)動(dòng)力竭時(shí)間明顯延長，肛溫的運(yùn)動(dòng)前后溫差顯著變小，5-HT的含量明顯下降，說明熱預(yù)處理通過對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控從而改善了運(yùn)動(dòng)中樞疲勞的發(fā)生。

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Heat Preconditioning Reduce Exercise Induced Central Fatigue by Neurotransmitters DA, 5-HT, NE Manipulation

CAO Qinglei, ZHAO Haitao, LI Xiaolan

P.E. Department of University of Science and Technology Beijing, 100083, China.

objective: To observe the effect of heat preconditioning on exercise induced central fatigue by regulate theneurotransmitters manipulation. Methods: Twelve male adult SD rats were randomly divided into 2 control group（n=6）, heat preconditioning model group（n=6）. Sports fatigue model was established by treadmill running. Heat preconditioning was applied by 42℃, per times for 15min, three times per day for 5 days. The exhausted exercise time and body core temperature were recorded. The 5 hydroxytryptamine（5-HT）levels in the brain tissue were measured by HPLC. Results: 1）The duration of exhausted exercise in heat preconditioning group and control group were（56.00 ± 12.27）min and（70.88 ± 13.74）min respectively, significant increase in exercise tolerance（P<0.05）; 2）The duration of exhausted exercise in heat preconditioning group and control group were（0.382 ± 0.396）℃ and（1.954 ± 0.603）℃respectively, significant increase in exercise tolerance（P<0.05）; Conclusions: Heat preconditioning can effectively reduce the temperature difference before and after exercise, and may be through the reduction of 5-HT content to play a role in delaying the movement of fatigue.

Heat preconditioning; Neurotransmitters; Exercise fatigue

1007―6891（2017）06―0024―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2017.06.06

G804.7

A

2017-06-14

2017-07-29

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：FRF-BR -16-003B。