振動訓練對制動大鼠單一肌梭電生理活動的影響

趙雪紅， 高 艷， 樊小力

(1. 湖北文理學院醫(yī)學院， 湖北 襄陽 441053；2. 西安交通大學醫(yī)學部， 西安 710061)

振動訓練對制動大鼠單一肌梭電生理活動的影響

趙雪紅1， 高 艷1， 樊小力2

(1. 湖北文理學院醫(yī)學院， 湖北 襄陽 441053；2. 西安交通大學醫(yī)學部， 西安 710061)

采用石膏固定建立后肢制動模型，用空氣隔絕法記錄大鼠單一肌梭的電生理活動，用振動儀給制動+振動組比目魚肌施加高頻振動，7 d后觀察大鼠制動側(cè)比目魚肌肌梭的電生理活動變化。比目魚肌的濕重與非制動側(cè)相比降低了15.33%±4.76%(P<0.05)；有自發(fā)放電的肌梭數(shù)量減少(P<0.05)；靜息放電頻率降低(P<0.05)。制動期間施加高頻振動組，比目魚肌濕重減少的程度明顯降低(P<0.05)；自發(fā)放電的肌梭數(shù)量、肌梭的放電頻率明顯高于制動組(P<0.05)。制動期間的肌肉振動對制動所致肌梭電生理活動特性的改變有明顯的對抗作用。

制動；肌萎縮；肌梭；電生理；肌肉振動

大量研究資料表明，肢體脫負荷條件下骨骼肌會出現(xiàn)明顯的廢用性萎縮[1]。本研究組以往的研究結果表明，肌梭的形態(tài)結構[2]、Ca2+ [3]水平和MHC表型的表達[4]，在肢體脫負荷早期即出現(xiàn)改變，而且肌梭的傳入放電活動減少，而肌梭傳入沖動減少可能是廢用性肌萎縮發(fā)生的始動因素之一[5]。如果能夠維持肌梭的傳入放電活動，勢必能夠延緩或?qū)辜∥s的發(fā)生和發(fā)展。

近年來肌肉振動已成為康復醫(yī)學領域用來增強骨骼肌功能的一種有效手段，而高頻正弦波振動的主要作用是興奮肌梭[6-8]。但每日短時、間歇性的肌肉振動能否使這種短時的效應長久的維持，從而維持肌梭的電生理活動，還不清楚。因此，本研究擬通過觀察肌肉振動對制動大鼠單一肌梭電生理活動的影響，探討肌梭在廢用性肌萎縮發(fā)生中的作用及機制，為更有效地制定對抗肌肉萎縮的措施提供研究資料。

1 材料與方法

1.1 實驗動物分組

實驗選用健康雌性Sprague-Dawley成年大鼠24只(體重220～250 g，由西安交通大學醫(yī)學院實驗動物中心提供)。將大鼠按體重配對原則隨機分為：制動(immobilization， IMM)7 d組、制動+振動(Immobilization+high frequency vibration， IMM+HFV)7 d組和同步正常對照組，每組8只。所有實驗動物單籠喂養(yǎng)，能夠自由活動與進食、進水。動物室內(nèi)溫度保持在20℃～25℃，人為控制室內(nèi)照明，保持12 h光明與黑暗交替循環(huán)。

采用改良的Booth FW方法建立大鼠后肢制動模型[9-10]。大鼠用10%水合氯醛腹腔注射麻醉(0.4 g/kg b.w)，左側(cè)后肢用石膏繃帶由踝關節(jié)向上纏繞至大腿與腹股溝處，踝關節(jié)固定在跖屈位。在石膏層的外面用一層銅網(wǎng)保護，以防止動物咬毀石膏。

1.2 振動方法

給制動+振動組大鼠，采用本室自行研制的強肌儀施加短時、間歇式振動( 頻率為100 Hz，振幅300 μm) 。振動方法：將振動儀探頭置于比目魚肌肌腹部位，振動1 min后間歇1 min，重復4 次；將探頭更換部位，間歇2 min后繼續(xù)振動；每個比目魚肌選擇3個振動點。每天進行4 次振動(上午8:00，中午12:00，下午4:00，晚上8:00)。

1.3 單一肌梭電生理活動的記錄

動物經(jīng)戊巴比妥鈉腹腔注射麻醉，分離并取下比目魚肌，迅速稱其濕重。

稱重后，在雙目解剖顯微鏡下以其呈梭形膨大的赤道部和較強的折光性辨認肌梭，用分離針完整地分離出單一肌梭。肌梭標本制備好后，靜息放置30～60 min后，將其移入灌流槽內(nèi)，用改良的空氣隔絕法記錄傳入放電活動(sampling frequency: 20 kHz )[11]。首先在自然長度下觀察肌梭自發(fā)放電活動1000 s，隨后將肌梭兩端用組織膠固定于伸長位，維持5 min，計算最后1 min內(nèi)肌梭的放電頻率。如果拉長后肌梭無放電則放棄該次實驗。

1.4 主要溶液和儀器設備

1.4.1 主要溶液(mmol/L)

10% 水合氯醛；肌梭電生理活動記錄液：NaCl 138.8、 KCl 4.0、 NaHCO312.0、KH2PO41.0、MgCl21.0、CaCl22.0、葡萄糖 11.0，Glutamine 2.4、Glycine 3.2、Histidine 1.0、Glutamate 1.0[11]。持續(xù)通95%O2和5%CO2的混合氣體，pH值7.4。

1.4.2 主要儀器設備

雙目解剖顯微鏡(SMZ-10A，日本NIHON KONDEN公司)；CED1401數(shù)模轉(zhuǎn)換器和Spike2分析軟件(Cambridge，UK)；217雙鹽橋飽和甘汞電極(中國上海越磁公司)

1.5 統(tǒng)計學分析

2 結果2.1 高頻正弦波振動對制動大鼠比目魚肌濕重的影響

IMM組和IMM+HFV組的非制動側(cè)比目魚肌濕重與正常對照組相比均無顯著性差異(P=0.35和P=0.26)。因此我們將每組的非制動側(cè)比目魚肌濕重作為參照，衡量制動對比目魚肌濕重的影響。

如表1所示，制動7 d后，制動側(cè)比目魚肌濕重與非制動側(cè)相比明顯下降(P<0.05)；制動期間施加正弦波振動，制動側(cè)比目魚肌濕重減少的程度明顯降低(P<0.05)。

表1 肌肉振動對制動大鼠比目魚肌濕重的影響

a—Contralateral non-immobilized muscle used as control；“*”—P<0.05， compared with Controla；“#”—P<0.05，compared with IMM group.

2.2 肌肉振動對制動大鼠比目魚肌單一肌梭電生理活動的影響

正常對照組共分離、記錄了29個單一肌梭的放電活動，其中有2例無自發(fā)放電。在靜息狀態(tài)下，單一肌梭的自發(fā)放電頻率較低，尤其是制動后，最典型的每1000 s內(nèi)僅有數(shù)十個動作電位散在出現(xiàn)。因此我們通過1000 s內(nèi)總的放電數(shù)來觀察肌梭的電活動。

表2 正弦波振動對制動大鼠比目魚肌單一肌梭放電活動的影響

*—P<0.05， Compared with control group；#—P<0.05，compared with IMM group.

如表2所示，制動7 d后，靜息條件下，有自發(fā)放電的肌梭數(shù)量明顯減少(P<0.05)，肌梭的放電頻率也明顯降低(P<0.05)。制動期間給予正弦波振動，則能對抗肌梭電生理活動的改變(P>0.05)。

將肌梭固定于伸長位后，所有肌梭均有連續(xù)的放電出現(xiàn)，且IMM+HFV組和正常對照組及IMM組的放電頻率無明顯差別(P>0.05)。

3 討論

如所周知，肌梭是骨骼肌內(nèi)的一種牽張感受器。在體的肌梭活動受梭外肌、γ-運動神經(jīng)元及高位中樞功能狀態(tài)的影響[12-13]。單一肌梭排除了其他組織對它的影響，其傳入放電活動主要取決于梭內(nèi)肌纖維的收縮功能和感覺末梢對牽拉的敏感性。

靜息位單一肌梭的自發(fā)放電活動，主要是由于梭內(nèi)肌纖維的自主收縮，使赤道部的感覺末梢受牽拉引起的。無論是超微結構的改變、還是Ca2+的改變，都會影響到梭內(nèi)肌纖維的收縮功能[3]。因此，制動引起的肌梭靜息位自發(fā)放電活動的降低，可能是由于肌梭自身形態(tài)結構的改變，導致梭內(nèi)肌纖維自主收縮活動減少引起的。伸長位肌梭放電活動主要反映的是感覺末梢對牽拉的敏感性。本研究結果提示，制動后肌梭感覺末梢對牽拉刺激的敏感性無明顯改變。

高頻正弦波振動興奮肌梭的機制是直接牽拉刺激神經(jīng)末稍[14-15]，使肌梭傳入沖動增加，引起梭外肌纖維產(chǎn)生反射性的收縮。由于γ-運動神經(jīng)元和α-運動神經(jīng)元經(jīng)常處于同激活(co-activation)狀態(tài)，梭外肌收縮時γ-運動神經(jīng)元傳出沖動也增加，梭內(nèi)肌纖維兩極端收縮，牽拉赤道部感覺末梢，引起肌梭的傳入放電活動增加，因而就防止了廢用條件下梭內(nèi)肌纖維的脫負荷。本課題組以往的研究也證實，正弦波振動對后肢脫負荷引起的肌梭形態(tài)結構的改變具有明顯的對抗作用[16]。本研究進一步表明，正弦波振動對制動所致肌梭電生理活動特性的改變也有明顯的對抗作用；同時能夠減輕制動引起的大鼠比目魚肌濕重的降低，這與Falempin等的研究結果相一致[17]。因此我們推測，肌肉振動對廢用性肌萎縮的對抗作用可能主要是改善了廢用狀態(tài)下肌梭形態(tài)結構，從而改善了梭內(nèi)肌纖維的收縮功能，進而改善了肌梭電生理活性，增加了相關中樞的興奮性引起的。但由于條件所限，制動條件下梭內(nèi)肌纖維收縮功能的改變還沒有直接的實驗證據(jù)，還有待于進一步的研究。

綜上所述，本研究結果表明，短期的后肢制動即可引起肌梭電生理活動的明顯抑制，而制動期間短時、間歇性的肌肉振動能夠明顯改善制動對肌梭電生理活動的抑制。本研究為探明廢用性肌萎縮的發(fā)生機制及其防治措施提供了新的思路。

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Effects of muscle vibration on the electrophysiological activity of isolated muscle spindles in rat following hind limb immobilization

ZHAO Xue-hong1， GAO Yan， FAN Xiao-li2

(1. Medical College, Hubei University of Arts and Science， Xiangyang 441053；2. Medical College, Xi′an Jiaotong University, Xi′an 710061, China)

To investigate the effects of muscle vibration on the electrophysiological activity of isolated muscle spindles in rat following hind limb immobilization, the limb immobilization model in rat was induced with plaster cast. The electrophysiological activities of the isolated muscle spindles were recorded by air-gap technique. The muscle vibration was applied to the immobilized soleus muscle with a home-made vibrator. Results showed that after 7 days′ immobilization， significant reduction in muscle mass (15.33%±4.76% compared with the contralateral non-immobilized muscle ) was found(P<0.05); the numbers of muscle spindles with spontaneous discharges decreased(P<0.05)and the spontaneous impulses decreased(P<0.05). With sinusodial vibration during 7 days of immobilization, the loss of muscle mass was significantly attenuated and no significant changes in electrophysiological activities of isolated muscle spindles occurred. It indicated that the muscle vibration during the immobilization could guard against the changes of muscle spindles′ electrophysiological activity induced by hind limb immobilization.

immobilization； muscular atrophy； muscle spindles； electrophysiology； muscle vibration

2014-08-27；

2014-10-06

國家自然科學基金(No.31300981)；湖北省自然科學基金(2012FFC05601)

趙雪紅，博士，講師，主要研究方向為神經(jīng)電生理、骨骼肌生理學，E-mail: xuehong_zhao@163.com。

R338

A

2095-1736(2015)02-0017-03

doi∶10.3969/j.issn.2095-1736.2015.02.017