熱預(yù)適應(yīng)對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

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熱預(yù)適應(yīng)對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)對大鼠運動誘導(dǎo)的中樞疲勞的作用。方法：12只成年雄性SD大鼠，隨機分為2組，6只為預(yù)熱組，6只為對照組。運動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，對照組不做任何處理。記錄最后運動力竭時間及運動前后體內(nèi)核心溫度，同時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間為178.24±42.43 min，顯著高于對照組318.49±37.25min，熱預(yù)適應(yīng)顯著增加了運動的耐受時間（P<0.05）；（2）熱預(yù)處理組運動前后肛溫差0.382±0.396℃顯著低于對照組（1.954±0.603）℃，熱預(yù)適應(yīng)顯著降低了運動后體溫（P<0.05）；結(jié)論：熱預(yù)適應(yīng)可以有效的降低運動前后體溫差，并且可能是通過減少5-HT含量來起到延緩中樞運動疲勞的作用。

熱預(yù)適應(yīng)；神經(jīng)遞質(zhì)；運動疲勞

運動性疲勞是因為運動引起的肌肉運動及做功能力下降的現(xiàn)象，其中長時間中等強度的運動所產(chǎn)生的疲勞主要由中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出的抑制信號而引起的，稱之為運動中樞性疲勞[1-3]，是目前運動疲勞機制研究的熱點之一。緩解疲勞對提高運動能力有重要作用，是運動領(lǐng)域重要的研究課題。運動性中樞疲勞機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)方法在運動醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用，運動性中樞疲勞機制的研究取得了一些進展，長時間運動時中樞神經(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)，運動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，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，從而產(chǎn)生一系列反應(yīng)，調(diào)整各種機能以適應(yīng)環(huán)境溫度的改變，并可影響機體長時間的運動能力，并從而在運動性中樞疲勞的產(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)境的改變而進行適應(yīng)性調(diào)節(jié)，保持身體穩(wěn)態(tài)。那么過量運動引起的遞質(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)后達到的新的遞質(zhì)平衡就有可能適應(yīng)機體的應(yīng)激狀態(tài)，從而在過量運動過程中推遲疲勞出現(xiàn)的時間、延長運動時間，減輕疲勞程度。在自身適應(yīng)調(diào)節(jié)機制研究中，預(yù)適應(yīng)是目前常用且安全有效的方法之一，常用于減輕機體損傷，如缺血預(yù)適應(yīng)保護腦組織、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)對保護和改善心肌細胞的損傷，對神經(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的活性抑制機體溫度升高導(dǎo)致的中樞疲勞，改善熱應(yīng)激下運動能力[16-17]。同時也有研究顯示，DA能提高神經(jīng)元活性也能使受試者在高熱環(huán)境中運動時有更高的耐受性[18]。由此可見，人體對熱應(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，達到自身在高溫環(huán)境中新的平衡，有利于維持機體的穩(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，研究并闡明運動時重要神經(jīng)遞質(zhì)的變化規(guī)律，明確其與運動性中樞疲勞的關(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 實驗動物和分組

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驗動物公司）。大鼠飼養(yǎng)在首都醫(yī)科大學(xué)實驗動物中心大鼠飼養(yǎng)房。大鼠正常分組（3只/籠子），自由飲水，飲食，溫度為18—24℃，空氣相對濕度40%—60%，正常晝夜節(jié)律。

1.2 實驗方法

1.2.1 高溫預(yù)熱處理 預(yù)熱組動物用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小時后，再升高體溫42℃ 15min，反復(fù)3次，連續(xù)5天。對照組不做任何處理。

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力竭跑步模型，兩組動物測試前進行適應(yīng)性跑臺訓(xùn)練一次/天（共3天），低于力竭程度。恢復(fù)2天后進行一次性力竭跑步實驗，采用treadmill平板跑臺法，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，記錄每只動物三階段跑步時間。

1.2.3 核心體溫測定 采用體溫計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，用運動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 兩組力竭跑步實驗結(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檢驗分析，< 0.05為顯著性差異，P < 0.01 為極顯著性差異。

2 實驗結(jié)果

2.1 一次性力竭跑步時間

兩組動物經(jīng)水平跑臺三階段力竭跑步后，測定各階段跑步時間，結(jié)果顯示預(yù)熱組動物較對照組跑步持續(xù)時間明顯延長，疲勞出現(xiàn)時間延后。其中一、二階段跑步時間和動物體能狀態(tài)無差別，兩組動物均能按跑臺速度勻速跑步，無疲勞表現(xiàn)；而在第三階段后，尤其進入跑步后期，兩組動物出現(xiàn)疲勞的時間、體能表現(xiàn)差異明顯，對照組動物首先出現(xiàn)疲勞癥狀，如，速度下降，跑步暫停等，跑步至力竭平均時長為178.24±42.43min，而預(yù)熱組動物在第三階段，特別是跑步后期，耐力明顯提高，能長時間保持勻速跑步，延遲疲勞出現(xiàn)，力竭時間較對照組平均時長顯著延長，力竭時間為318.49±37.25min（P<0.05）。（如圖1）

圖1 第三階段力竭時間

2.2 一次性力竭跑步肛溫

隨著運動過程的進行，體溫會逐步升高，溫度升高時是中樞疲勞的誘因之一。兩組動物力竭跑步后均即刻檢測肛溫，結(jié)果顯示對照組動物平均肛溫，升高幅度，預(yù)熱組動物平均肛溫較跑步前升高0.382±0.396℃（p<0.05），較對照組（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)延緩運動疲勞的出現(xiàn)

熱預(yù)適應(yīng)在運動損傷以及腦保護研究中已經(jīng)有較為深入的研究。實驗發(fā)現(xiàn)熱預(yù)適應(yīng)可提高動物熱休克蛋白（Hsp）和抗氧化劑表達水平，對大鼠骨骼肌運動損傷具有保護作用[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)對運動中機體和腦有保護作用。我們測量了熱預(yù)適應(yīng)組跟對照組大鼠跑臺的平均力竭時間。結(jié)果表明，熱預(yù)適應(yīng)后，大鼠的平均力竭時間為320min 而對照組的平均力竭時間約為180min，說明經(jīng)過熱預(yù)適應(yīng)后大鼠的力竭時間提高了約75%。說明了熱預(yù)適應(yīng)可以延緩運動性疲勞的出現(xiàn)時間。

3.2 熱預(yù)適應(yīng)降低運動前后機體溫差

機體在運動后，體溫會有升高的現(xiàn)象，與正常的體溫相比，機體在高溫下的運動能力會有所下降。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)機體生理上對高溫的適應(yīng)，從而可以用來提高運動成績。人們已經(jīng)對熱適應(yīng)進行了大量的研究，例如，Patterson等人研究表明健康機體在經(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)的細胞內(nèi)熱休克蛋白（Hsp72）濃度增加[26]。這些數(shù)據(jù)表明，細胞內(nèi)的熱休克蛋白可能對熱預(yù)適應(yīng)更為敏感。通過測量實驗組跟對照組力竭運動前后體溫表明，熱預(yù)處理組的運動前后的溫差變化顯著小于對照組。先前研究表明，運動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。運動過程中會引起體溫升高，運動員機體核心溫度隨時間與運動負荷的增加而平穩(wěn)的、緩慢的升高[27]。已經(jīng)有證據(jù)表明，正是過量運動時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)對神經(jīng)遞質(zhì)的影響

研究證實多種神經(jīng)遞質(zhì)與中樞性運動疲勞產(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)參與了運動疲勞的發(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]。過量運動可引起多種神經(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，這可能是運動疲勞發(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)，長時間大強度運動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，同時會引起多種酶活性下降，ATP再合成下降，繼而使肌肉運動能力下降[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照組，這表明，熱預(yù)適應(yīng)抑制了由運動疲勞導(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)延緩運動疲勞的機制推測

綜上所述，本研究觀察到熱預(yù)處理干預(yù)后導(dǎo)致大鼠運動至力竭的時間縮短，運動前后體溫差減小，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，適應(yīng)溫度變化，使腦內(nèi)神經(jīng)遞質(zhì)分泌預(yù)先進入調(diào)節(jié)機制，尤其是提高抑制性遞質(zhì)的活性，使神經(jīng)遞質(zhì)分泌與身體機能趨于平衡，達到高溫環(huán)境中的穩(wěn)態(tài)，調(diào)節(jié)機體適應(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)處理使得機體適應(yīng)了5-HT的下降，從而在運動力竭實驗中，大鼠的5-HT的水平相應(yīng)的下降。這無疑對改善鍛煉機能，提高疲勞運動耐受力有重要意義。

4 結(jié) 論

經(jīng)過熱預(yù)適應(yīng)處理后，大鼠運動力竭時間明顯延長，肛溫的運動前后溫差顯著變小，5-HT的含量明顯下降，說明熱預(yù)處理通過對神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)控從而改善了運動中樞疲勞的發(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)費資助項目，項目編號：FRF-BR -16-003B。