運動性中樞疲勞的生化機制研究進展

翟昕元　楊健科　劉　強

摘要：當前對運動性中樞疲勞的研究取得了很大進展，現已提出了幾種解釋中樞疲勞的生物機制。本文主要對中樞神經系統疲勞的某些生化指標在中樞疲勞過程中的影響作一總結。

關鍵詞：運動疲勞；中樞疲勞；生化機制

運動疲勞是體育科學中長期的研究熱點。按照巴甫洛夫學派的觀點，無論是體力疲勞，還是腦力疲勞，都是大腦皮層保護性抑制的結果。血糖下降、缺氧、pH值下降、鹽丟失和滲透壓升高等，均會促使大腦皮質神經元工作能力下降，從而促進疲勞(保護性抑制)的發生和發展。

Gibson等[1]（2001）總結了20世紀90年代以來運動疲勞的神經機理，提出了外周疲勞和中樞疲勞的區別，并且將中樞疲勞定義為：神經驅動或神經調控減弱導致力量生成或肌張力下降。以往對于運動疲勞的研究多集中于外周，而對中樞神經系統的疲勞則研究較少。

近年來，利用運動生物化學的方法研究運動疲勞，總結運動疲勞產生、消除的機理，取得了不少成果。本文擬就運動性中樞疲勞的神經生物化學機制的研究進展作一綜述。

一、5-羥色胺（5-HT）與中樞疲勞

5-羥色胺是一種神經遞質，它使機體乏力、困倦，腦中5-羥色胺濃度升高對喚醒、嗜眠、失眠和心境具有重要的調節作用。因此，過量的5-羥色胺有可能在中樞神經系統引起人體疲勞。

血漿中5-羥色胺不能通過血腦屏障，因此中樞的5-羥色胺只能在腦內合成。5-羥色胺生物合成的前體為色氨酸。因此，腦內5-羥色胺的合成首先取決于色氨酸的有效利用率。

首先色氨酸必須轉運進入腦內，但這種轉運有兩個競爭機制：①色氨酸與血漿游離脂肪酸競爭血漿白蛋白；② 色氨酸與某些支鏈氨基酸（纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸）競爭轉運載體。運動時由于游離脂肪酸濃度增加，從而血漿游離色氨酸相應增加；耐力運動過程中支鏈氨基酸氧化增強，故支鏈氨基酸濃度降低。即在耐力運動過程中，血漿游離色氨酸與支鏈氨基酸的比值上升，人腦中的色氨酸也上升。

大量的研究表明，在運動中或運動后，腦內的5-羥色胺含量升高。5-羥色胺能使神經纖維在腦內的投射比較廣泛，它的升高表明中樞的抑制過程加強。Bailey等[2](1993)對大鼠服用一些能引起腦5-羥色胺增高的藥物，結果顯示：隨著藥量的增加，大鼠運動的時間大大縮短，說明這些藥物引起腦內5-羥色胺的水平提高，導致中樞抑制而引起疲勞出現。Wilson等[3]（1993）對受試者服用5-羥色胺的激動劑后，以70%VO2max 強度進行長時間跑步或騎自行車測試，發現與對照組相比，服藥組堅持運動的時間縮短，疲勞程度較高。

以上這些資料指出5-羥色胺在運動性中樞疲勞中起重要的作用，主要是：①在長時間運動中，腦中的5-羥色胺濃度升高，而疲勞時濃度最高；②服用5-羥色胺激動劑或拮抗劑將縮短或延長運動時間；③長時間的運動訓練可以降低5-羥色胺的水平，延緩疲勞的發生。

二、氨基酸類與中樞疲勞

神經遞質中氨基酸類有著重要的作用，它們大致可分為兩類：①興奮性氨基酸：谷氨酸（GLU）和天門冬氨酸（ASP）；②抑制性氨基酸：γ-氨基丁酸（GABA） 、甘氨酸（GLY）。氨基酸類神經遞質含量的變化會影響中樞的興奮與抑制，而中樞的興奮與抑制機能的變化對運動能力有著重要的影響，適宜的興奮性是創造優秀運動成績的保證，而過度的興奮與抑制分別會對神經系統產生損傷和機體疲勞。

以上幾類神經遞質中，γ-氨基丁酸的作用較強，有對抗興奮性氨基酸遞質的作用。γ-氨基丁酸主要分布在腦內，且含量很高。腦內直接生成γ-氨基丁酸的物質是谷氨酸。谷氨酸在谷氨酸脫羧酶的催化下生成γ-氨基丁酸，兩者在正常生理情況下在代謝上處于相對平衡狀態，兩者都是腦組織的正常代謝產物，有神經遞質的作用。葡萄糖、丙酮酸及其它氨基酸如谷氨酰胺等都可作為γ-氨基丁酸的前體。γ-氨基丁酸含量的升高，表示大腦皮層抑制過程占優勢。

我國李人等[4]（1985）的研究發現，大鼠經過1、2、5小時游泳后，腦中有部分腦區γ-氨基丁酸低于安靜值，而谷氨酸高于安靜值，并有顯著性，意味腦中出現以興奮為主的效應；而經過9小時長時間的運動后，所測腦區中谷氨酸與γ-氨基丁酸都有十分顯著的增多，而谷氨酸與γ-氨基丁酸的比值明顯下降，說明腦中以γ-氨基丁酸抑制效應占優勢，這與中樞抑制過程有關。長時間運動時的γ-氨基丁酸含量升高，主要是由于ATP濃度下降，糖原含量顯著減少，氧化酶活性受到抑制，γ-氨基丁酸清除減弱。故長時間運動產生疲勞時的腦中γ-氨基丁酸濃度升高是正常過程減弱引起的。還有研究發現，力竭運動后即刻，大鼠腦皮質運動區中的谷氨酸和天門冬氨酸兩種重要的興奮性神經遞質，含量低于安靜值，說明了中樞興奮性下降，原因可能是機體在過度疲勞下產生的抑制性保護。

三、多巴胺（DA）與中樞疲勞

多巴胺是腦內分泌的一種單胺類神經遞質，主要負責大腦的感覺，傳遞興奮的信息。腦中多巴胺活性增加，可抑制5-羥色胺的合成與代謝，從而起到了延緩疲勞的作用，而當大腦5-羥色胺/多巴胺的比率升高，會引發運動性疲勞，降低行為能力。多巴胺的代謝隨著運動強度增加而增加，多巴胺的含量下降，運動能力也隨之下降。Bhagat等[5]（1973）給大鼠注射可提高多巴胺水平的安非他明（10-20mg/kg）后，其運動的時間延長，耐力提高，疲勞延遲發生。

四、乙酰膽堿（Ach）與中樞疲勞

乙酰膽堿是中樞膽堿能系統中重要的神經遞質之一，其主要功能是維持意識的清醒，在學習記憶中起重要作用，參與溫度的調節。提高腦內乙酰膽堿的含量，可以促進激活腦神經傳導功能，提高信息傳遞速度，乙酰膽堿的合成、釋放以及再吸收對肌力的產生起著重要的作用，因此可能也與運動性疲勞有關。

Kurosawa等[6]（1993）對鍛煉后保持清醒狀態的受試者做了大腦皮層中乙酰膽堿變化的分析，顯示5分鐘的運動使乙酰膽堿升高得最明顯。當中樞乙酰膽堿濃度下降時，中樞疲勞就會發生。Conlay等[7]（1992）對馬拉松運動員比賽中血漿膽堿水平調查顯示，比賽中其血漿膽堿水平下降約40%，運動能力下降，如及時補充適量膽堿飲料，疲勞會延遲發生。

五、氨與中樞疲勞

血氨的來源主要途徑有：①ATP大量消耗，導致ADP過多，使2分子ADP轉變為ATP和AMP，以保證ATP再合成，AMP則脫氨生成次黃嘌呤核苷酸，氨會引起腦中毒癥狀，如運動平衡失調等；②骨骼肌中的各種氨基酸經脫氨作用也可產生少量的氨。

氨能夠干擾腦細胞的能量代謝，使得腦細胞ATP生成減少，以抑制腦細胞。還可引起腦內谷氨酸、Ach等興奮神經遞質的減少，又使谷氨酰胺、γ—氨基丁酸等抑制性神經遞質增多，從而造成對中樞神經系統的抑制。氨在運動時由肌肉產生并釋放到血液，通過血腦屏障，引起氨中毒癥狀。所以運動時，時肌肉、血液中氨釋放過多，也是引發中樞神經系統運動性疲勞的因素之一。

總之，運動疲勞是進行運動訓練時必然伴隨的生理現象，其產生受多種因素的影響。隨著活檢、核磁共振、超微量生化分析及分子生物學技術等先進手段在研究中的應用，對于中樞神經系統疲勞產生的機制將會不斷深入。

參考文獻：

[1] Gibson ASC，Lambert ML，Noakes TD.Neural contor of force output during maximal and submaximal exercise.Sports Med，2001，31(9)：637-650.

[2] Bailey SP，Davis JM，Ahlbom EN. Serotonergic agonists and antagonists affect endurance performance in the rat.Int J Sports Med，1993，14(6): 330-333.

[3] Wilson WM，Manghan RJ. Evidence for a possible role of 5-hydroxytryptamine in the genesis of fatigue in man: administration of paroxetine，a 5-HT reuptake inhibitor，reduces the capacity to perform prolonged exercise.Exp Physiol，1992，77（6）: 921-924.

[4] 李人等.運動性疲勞與腦中γ-氨基丁酸.中國運動醫學雜志，1985，4（2）：81.

[5] Bhagat B，Wheleer N. Effect of amphetamine on the swimming endurance performance of rats.Neuropharmacology，1973，12（7）:711-713.

[6] Kurosawa M，Okada K，Sato A，Uchida S. Extracellular release of acetylcholine，noradrenaline and serotonin increases in the cerebral cortex during walking in conscious rats.Neuroscience Lett，1993，161（1）:73-76.

[7] Conlay LA，Sabounjian LA，Wurtman RJ. Exercise and neuromodulators :choline and acetylcholine in marathon runner.Int J Sports Med ,1992,10(13):141-142.