100HZ正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌M波和H反射的影響

趙雪紅，樊小力，宋新愛(ài)，石 磊

(1.西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院生理教研室，陜西西安710061;2.西安交通大學(xué)體育部，陜西西安710049)

許多研究資料表明，人或動(dòng)物在制動(dòng)狀態(tài)下會(huì)發(fā)生明顯的肌肉萎縮。我們以往的研究資料表明，100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)所造成的肌肉萎縮有明顯的對(duì)抗作用［1］，但其機(jī)制目前尚不清楚。為此，本研究以大鼠后肢制動(dòng)作為廢用動(dòng)物模型，采用短時(shí)間歇式振動(dòng)的方法，觀測(cè)100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠M波及H反射的影響，旨在進(jìn)一步探明肌梭在廢用性肌萎縮發(fā)生中的作用，為尋找一種有效的對(duì)抗肌肉萎縮的措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物及分組 采用健康雌性Sprague-Dawley品系大鼠24只(西安交大醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供)，體重180～220 g。按體重配對(duì)原則將24只動(dòng)物分為3組:制動(dòng)14 d組、制動(dòng)+振動(dòng)14 d組及正常同步對(duì)照組，每組8只。

1.2 制動(dòng)模型的建立 采用改良后的Booth和Kelso方法［2］，將動(dòng)物用水和氯醛(0.4 g/kg，腹腔注射)麻醉，在其左側(cè)后肢的踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及腹股溝等血管容易受壓處襯一層薄厚適宜的棉墊，然后用石膏繃帶由踝關(guān)節(jié)向上纏繞至大腿與腹股溝處，將動(dòng)物后肢固定在靜息位 。單籠喂養(yǎng)，能夠自由活動(dòng)與進(jìn)食、進(jìn)水。室溫保持在20℃ ～25℃，人工控制動(dòng)物室內(nèi)照明，每晝夜均保持12 h光明與黑暗交替循環(huán)。

1.3 振動(dòng)方法 在制動(dòng)14 d內(nèi)，對(duì)制動(dòng)+振動(dòng)組大鼠，每天在其比目魚肌肌腹部位采取短時(shí)間歇式振動(dòng)(頻率為100 Hz，振幅300 μm):每振動(dòng)1 min后間歇1 min，重復(fù)4次后間歇2 min，此為1個(gè)振動(dòng)回合，1個(gè)振動(dòng)點(diǎn)每回合振動(dòng)時(shí)間總計(jì)4 min(不包括間歇時(shí)間)，每次重復(fù)振動(dòng)3個(gè)回合。每天進(jìn)行4次振動(dòng)(上午8時(shí)，中午12時(shí)，下午4時(shí)，晚上8時(shí))，每天每只大鼠共計(jì)振動(dòng)時(shí)間為48 min。

1.4 手術(shù)及固定 動(dòng)物經(jīng)腹腔注射戊巴比妥鈉麻醉，行常規(guī)氣管插管和頸靜脈插管術(shù)。分離大腿后側(cè)肌與腓腸肌，暴露比目魚肌，在腘窩處作2～3 cm的縱行切口，鈍性分離股二頭肌及臀淺肌，暴露坐骨神經(jīng)。最后在腘窩處制備油槽，內(nèi)充37℃液體石蠟保護(hù)坐骨神經(jīng)。將動(dòng)物置于恒溫控制操作臺(tái)上，頭部固定于腦立體定位儀上，維持體溫在37℃以上，持續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)物心電，R-R間期維持在120～160 ms;隨時(shí)觀察動(dòng)物瞳孔變化及角膜反射，若上述各項(xiàng)生理指標(biāo)超出正常范圍立即終止實(shí)驗(yàn)。

1.5 比目魚肌M波及H反射的記錄方法 將一對(duì)雙銀絲電極(電極間距為2 mm)作為刺激電極置于坐骨神經(jīng)上，陰極靠近中樞端。同心針電極作為記錄電極垂直于肌纖維方向刺入比目魚肌肌腹處。以波寬0.3 ms，逐級(jí)遞增0.2 mA的一系列方波電流刺激坐骨神經(jīng)，刺激間隔10 s。記錄電極所引導(dǎo)的比目魚肌肌電變化，經(jīng)生物物理放大器放大后輸入示波器顯示，并經(jīng)生物信號(hào)處理系統(tǒng)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。每個(gè)刺激強(qiáng)度重復(fù)測(cè)3次，計(jì)算平均的H反射和M波幅值。

1.6 觀察指標(biāo) 刺激閾值:誘發(fā)M波所需的最小刺激強(qiáng)度;最大波幅:從最大正峰到最大負(fù)峰的電壓;最大刺激:誘發(fā)最大M或H波時(shí)所需的最小刺激強(qiáng)度;上升時(shí)間:動(dòng)作電位波形上升相(正峰到負(fù)峰)的時(shí)程。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示，采用單因素方差(ANOVA)分析，組間多重比較采用LSD檢驗(yàn)，取P＜0.05作為顯著性差異的界值。

2 結(jié)果

2.1 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌M波的影響 如表1所示，大鼠后肢被制動(dòng)14 d后，比目魚肌M波的最大波幅(Mmax)明顯降低(P＜0.01)，刺激閾值(stimulus threshold)和最大刺激強(qiáng)度(SMmax)均增加(P＜0.01、P＜0.05)。

在制動(dòng)期間給大鼠比目魚肌100 Hz正弦波振動(dòng)后，其Mmax、刺激閾值、SMmax與正常對(duì)照組相比均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。但與制動(dòng)組相比，振動(dòng)組大鼠比目魚肌Mmax明顯增高(P＜0.01)，閾強(qiáng)度和 SMmax均明顯降低(P＜0.05)。

2.2 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌H反射的影響 大鼠后肢被制動(dòng)后H反射的各參數(shù)也發(fā)生了改變(表2):H反射的最大波幅(Hmax)降低，最大刺激強(qiáng)度(SHmax)增加(P＜0.05);Hmax/Mmax由正常對(duì)照組的(24.73±7.44)%下降為(17.56±4.60)%(P＜0.05)。

在制動(dòng)期間給大鼠比目魚肌100 Hz正弦波振動(dòng)后，其Hmax、SHmax和Hmax/Mmax的比值與正常對(duì)照組相比均無(wú)顯著性差異(P＞0.05);但與制動(dòng)組相比，振動(dòng)組大鼠比目魚肌Hmax明顯增高(P＜0.01)，SHmax降低(P=0.057)，Hmax/Mmax的比值增大(P＜0.05)。

表1 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌M波的影響Table 1 Influences of 100 Hz sinusodial vibration on M wave in rat soleus muscle following immobilization(n=8，±s)

表1 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌M波的影響Table 1 Influences of 100 Hz sinusodial vibration on M wave in rat soleus muscle following immobilization(n=8，±s)

與正常對(duì)照組比，＊＊P ＜0.01，*P ＜0.05;與制動(dòng)組比，##P ＜0.01，#P ＜0.05.

組 別 刺激閾值/mA 最大波幅/mV 最大刺激/mA 上升時(shí)間/ms正常對(duì)照組0.09±0.04 4.10±1.30 0.72±0.25 0.70±0.06制動(dòng)組 0.21±0.12＊＊ 1.71±0.77＊＊ 1.19±0.40* 0.80±0.07制動(dòng)+振動(dòng)組 0.11±0.07# 3.08±0.82## 0.86±0.32#0.78±0.08

表2 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌H反射的影響Table 2 Influences of 100 Hz sinusodial vibration on H reflex in rat soleus muscle following immobilization(n=8，±s)

表2 100 Hz正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌H反射的影響Table 2 Influences of 100 Hz sinusodial vibration on H reflex in rat soleus muscle following immobilization(n=8，±s)

與正常對(duì)照組比，＊＊P ＜0.01，*P ＜0.05;與制動(dòng)組比，##P ＜0.01，#P ＜0.05.

組 別 最大波幅/mV 最大刺激/mA (Hmax∶Mmax)/%正常對(duì)照組0.98±0.41 1.67±0.78 24.73±7.44制動(dòng)組 0.30±0.22＊＊ 2.65±0.87* 17.56±4.60*制動(dòng)+振動(dòng)組 0.80±0.33## 2.06±1.02# 25.58±6.89#

3 討論

后肢固定由于方法簡(jiǎn)單，操作方便，損傷較小，而且效果可靠，目前已被廣泛地用于廢用性肌肉萎縮的研究［2-3］。我們以往的研究表明，后肢制動(dòng)14 d后大鼠比目魚肌出現(xiàn)明顯的萎縮，主要表現(xiàn)為重量的減輕，肌纖維橫截面積的減小，纖維類型的轉(zhuǎn)換［4］。

本研究發(fā)現(xiàn)，后肢制動(dòng)14 d后，大鼠比目魚肌Mmax由正常對(duì)照組的(4.10±1.30)mV降低為(1.71±0.77)mV，波幅的降低可能主要是由于制動(dòng)而導(dǎo)致被興奮的肌纖維數(shù)量減少所致。Robinson［5］等發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)后大鼠后肢肌肉運(yùn)動(dòng)單位的特性發(fā)生改變，出現(xiàn)新的類型的運(yùn)動(dòng)單位，這些運(yùn)動(dòng)單位的神經(jīng)軸突興奮后，它所支配的肌纖維不能產(chǎn)生相應(yīng)的肌力和肌電，表明有功能的肌纖維數(shù)量減少。Gondin［6］等的研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)后比目魚肌M波降低，這些均與本研究結(jié)果相一致。另外，本研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)后大鼠比目魚肌M波的刺激閾值和最大刺激強(qiáng)度均增大，提示制動(dòng)后比目魚肌神經(jīng)-肌肉組織的興奮性降低。

以往有關(guān)制動(dòng)對(duì)H反射的影響的研究不多，結(jié)果也不盡一致。Lundbye-Jensen［7］等發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)1周后比目魚肌H反射增高。Kaneko等［8］研究發(fā)現(xiàn)，肢體制動(dòng)2～3周后H反射無(wú)明顯改變。本研究結(jié)果顯示，制動(dòng)14 d后H反射的最大波幅減小，H/M的比值降低，這與最近的來(lái)自于空間站的研究報(bào)道相一致。有研究報(bào)道，Ia類傳入對(duì)脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元有雙重作用，一方面通過(guò)突觸前抑制使脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性降低，從而導(dǎo)致H反射降低;另一方面，可直接興奮脊髓前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，使H反射增高［9］。因此，我們認(rèn)為制動(dòng)后由于肌梭的傳入減少，這兩方面都受影響，共同決定H反射的變化，隨制動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)兩者起的作用大小可能不同。Duchateau［10］等研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)后比目魚肌運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的放電特性發(fā)生改變，低閾值運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元數(shù)目增多而高閾值的數(shù)目減少;他們認(rèn)為，這可能是脊髓前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的興奮性降低所致。本研究發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)14 d后誘發(fā)最大H反射的SHmax增大;這進(jìn)一步表明制動(dòng)后脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的興奮性降低，這也與Cormery等［11］的研究結(jié)果相一致。

肌梭是骨骼肌內(nèi)的一種特殊的感受器，在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，由于重力的作用，肌梭不斷的向中樞傳入沖動(dòng)，一方面產(chǎn)生本體感覺(jué)，另一方面反射性的產(chǎn)生和維持肌緊張，并參與對(duì)隨意運(yùn)動(dòng)的精細(xì)調(diào)節(jié)。由于肌梭的Ia類傳入纖維與脊髓前角α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元形成單突觸聯(lián)系，因此肌梭的活動(dòng)成為α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元電活動(dòng)的基礎(chǔ)，而脊髓前角α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電活動(dòng)決定著骨骼肌的基因表達(dá)。無(wú)論在結(jié)構(gòu)、發(fā)生學(xué)還是功能上，肌梭與梭外肌均有密不可分的聯(lián)系。有資料報(bào)道，在肢體制動(dòng)引起梭外肌萎縮的同時(shí)，肌梭的結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變［12-13］。我們以往的研究也發(fā)現(xiàn)，在制動(dòng)狀態(tài)下，肌梭的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，Ia類纖維傳入放電減少(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院博士論文從肌梭的變化探討廢用性肌肉萎縮的發(fā)生機(jī)制，邢國(guó)剛著，尚未公開發(fā)表)。因此我們認(rèn)為，在制動(dòng)狀態(tài)下，由于肌梭的傳入沖動(dòng)減少，導(dǎo)致脊髓前角a運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的活動(dòng)下降，H反射發(fā)生改變;被興奮的肌纖維數(shù)量減少，引起M波幅降低。

大量研究資料表明，肌肉振動(dòng)有選擇性興奮肌梭的作用，使其傳入中樞的活動(dòng)增多，與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)的神經(jīng)環(huán)路興奮性增加［14-15］。因此，肌肉振動(dòng)已經(jīng)成為康復(fù)醫(yī)學(xué)中用來(lái)對(duì)抗神經(jīng)-肌肉激活功能障礙的一種重要手段［16］。我們以往研究表明，高頻正弦波振動(dòng)可使大鼠比目魚肌肌梭的傳入放電增多，對(duì)ramp-and-hold牽拉的反應(yīng)性增強(qiáng)，有明顯對(duì)抗梭外肌萎縮的作用［17］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)期間給以高頻正弦波振動(dòng)后比目魚肌M波的刺激閾值、波幅及最大刺激，H反射的波幅、最大刺激及Hmax/Mmax與正常對(duì)照組相比均無(wú)顯著性差異，表明高頻正弦波振動(dòng)對(duì)制動(dòng)大鼠比目魚肌H反射及M波的降低也有明顯的對(duì)抗作用。有資料表明，本研究所采用的肌肉振動(dòng)(頻率100 Hz，波幅0.3 mm)主要興奮肌梭的初級(jí)感覺(jué)末梢［18］。因此，這種對(duì)抗作用可能是因?yàn)楦哳l正弦波振動(dòng)選擇性的興奮了肌梭，繼而改善了制動(dòng)狀態(tài)下由于肌梭的傳入沖動(dòng)減少而引起的脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能的變化。這也表明肌梭在制動(dòng)所致肌肉萎縮的發(fā)生發(fā)展中具有重要的作用。本研究為探明廢用性肌萎縮的機(jī)制提供了新的資料，也為其防治措施的研究提供了新的思路。

［1］XING Guo-gang，F(xiàn)AN Xiao-li，SONG Xin-ai(邢國(guó)剛，樊小力，宋新愛(ài)).The study of disuse muscle atrophy ［J］.Foreign Medical Science:Physical Medical and Rehabilitation(國(guó)外醫(yī)學(xué)·物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)學(xué)分冊(cè))，2000，20(4):145-150.(in Chinese)

［2］BOOTH F W，KELSO J R.Production of rat muscle atrophy by cast fixation ［J］.J Appl Physiol，1973，34(3):404-406.

［3］CARON A Z，DROUIN G，DESROSIERS J，et al.A novel hindlimb immobilization procedure for studying skeletal muscle atrophy and recovery in mouse［J］.J Appl Physiol，2009，106(6):2049-2059.

［4］XING Guo-gang，F(xiàn)AN Xiao-li，WU Su-di(邢國(guó)剛，樊小力，吳蘇娣).Effects of passive stretch on soleus muscle atrophy in immobilized rats［J］.Academic Journal of Xi'an Jiaotong University(西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)英文版)，2002，14(2):145-150.

［5］ROBINSON G A，ENOKA R M，STUART D G.Immobilization-induced changes in motor unit force and fatigability in the cat［J］.Muscle Nerve，1991，14(6):563-573.

［6］GONDIN J，GUETTE M，MAFFIULETTI N A，et al.Neural activation of the triceps surae is impaired following 2 weeks of immobilization ［J］.Eur J Appl Physiol，2004，93(3):359-365.

［7］LUNDBYE-JENSENJ，NIELSEN JB.Central nervous adaptations following 1 wk of wrist and hand immobilization ［J］.J Appl Physiol，2008，105(1):139-151.

［8］KANEKO F，MURAKAMI T，ONARI K，et al.Decreased cortical excitability during motor imagery after disuse of an upper limb in humans［J］.Clin Neurophysio，2003，114(12):2397-2403.

［9］ZEHR P.Considerations for use of the Hoffmann reflex in exercise studies［J］.Eur J Appl Physiol，2002，86(6):455-468.

［10］DUCHATEAU J， HAINAUT K.Effects of immobilization on contractile properties，recruitment and firing rates of human motor units［J］.J Physiol，1990，422:55-65.

［11］CORMERY B，BEAUMONT E，CSUKLY K，et al.Hindlimb unweighting for 2 weeks alters physiological properties of rat hindlimb motoneurones［J］.J Physiol，2005，568(3):841-850.

［12］KAMEDA H.Ultrastructural effects of immobilization on ratmuscle spindles ［J］.Medical Electron Microscopy，1993，26(1):65-75.

［13］JOZSA L，KVIST M，KANNUS P，et al.The effect of tenotomy and immobilization on muscle spindles and tendon organs of the rat calf muscles.A histochemical and morphometrical study［J］.Acta Neuropathol，1988，76(5):465-470.

［14］MATTEWS P B C.The reflex excitation of the soleus muscle of the decerebrate cat caused by vibration applied to its tendon ［J］.J Physiol(Lond)，1996，184(1):450-472.

［15］FATTORINI L，F(xiàn)ERRARESI A，RODIO A，et al.Motor performance changes induced by muscle vibration ［J］.Eur J Appl Physiol，2006，98(1):79-87.

［16］BRUNETTI O，F(xiàn)ILIPPI G M，LORENZINI M，et al.Improvement of posture stability by vibratory stimulation following anterior cruciate ligament reconstruction［J］.Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2006，14(11):1180-1187.

［17］REN Jun-chan，F(xiàn)AN Xiao-li，SONG Xin-ai，et al(任俊嬋，樊小力，宋新愛(ài)，等).Influence of 100Hz sinusoidal vibration on muscle spindle afferents of soleus muscles in suspended situation rat［J］.Space Medicine＆ Medical Engineering(航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程)，2004，17(5):3402-3441.(in Chinese)

［18］STEYVERS M，LEVIN O，VERSCHUEREN S M，etal.Frequency-dependenteffects ofmuscle tendon vibration on corticospinal excitability:a TMS study［J］.Exp Brain Res，2003，151(1):9-14.