中等強度有氧運動大鼠環(huán)境應(yīng)激的保護效應(yīng)及其機制探討

趙 振，蘇鐵柱

（長治學院 體育系，山西 長治 046011）

1 研究目的

當壓力增大時，人們對突發(fā)事件的處理能力降低、對環(huán)境的適應(yīng)能力變差，這種應(yīng)激是目前多種疾病的病因和誘因[1]。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)激可引起一系列的腦功能障礙，如出現(xiàn)認知功能低下、情緒和行為異常等。此外，應(yīng)激刺激還會誘發(fā)多種行為和狀態(tài)的改變，如出現(xiàn)焦慮和抑郁狀態(tài)、探究和攻擊行為的改變、睡眠生物節(jié)律及活動量也有所影響等[2]。機體可通過激活神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)的下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)軸（hypothalamic-pituitary adrenalaxis，HPA）和交感神經(jīng)系統(tǒng)（sympathetic nervous system，SNS）兩條信號通路對應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生調(diào)控。本實驗通過觀察大鼠運動訓練后對外界損害性應(yīng)激的各種行為學變化，并測定相關(guān)神經(jīng)內(nèi)分泌指標的改變，探討中等強度有氧運動對大鼠應(yīng)對外界損害性應(yīng)激能力的影響及其機制，為人們通過運動鍛煉增強應(yīng)對突發(fā)事件及各種環(huán)境應(yīng)激適應(yīng)能力提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗動物分組

三月齡健康雄性SD大鼠32只，體重180～220 g（購于西安交通大學醫(yī)學院實驗動物中心），大鼠適應(yīng)性喂養(yǎng)1 wk，隨機分為安靜對照組（A組）、運動訓練組（B組）、應(yīng)激組（C組）、運動訓練應(yīng)激組（D組），每組8只。分籠飼養(yǎng)，每籠5只。均以國家嚙齒類標準動物飼料喂養(yǎng)，自由飲水，飼養(yǎng)環(huán)境28℃±1℃，相對濕度為50-65%。

2.2 運動訓練方案

B和D組大鼠運動訓練采用遞增強度的方式進行跑臺運動，運動負荷參照Bedford等人的研究進行[3]。起始速度為11 m/min,時間為20 min，每周訓練5天，遞增速度3 m/min、時間5 min，運動至速度為20 m/min，維持此運動速度運動60 min，跑臺坡度為5度，訓練周期為8周。

2.3 應(yīng)激實驗方案

D組運動訓練8 w后與C組大鼠一同接受電擊、強聲、強光多種損害性應(yīng)激1 w[4]。將大鼠分別置于封閉的籠中，給予足底電擊（電流強度1 mA、電壓 30 V，每隔1 min刺激1次，每次持續(xù)10 s，單位電擊周期為5 min）；強噪聲刺激（200 HZ強聲刺激，每隔30 min刺激1次）；強光刺激（500 w普通燈泡夜間照射8 h）。實驗中應(yīng)掌握同種刺激不要連續(xù)出現(xiàn)，使大鼠不能預(yù)料或習服刺激的發(fā)生。

2.4 曠場行為學觀察

C、D組末應(yīng)激后24 h，各組大鼠依次進行曠場實驗，室內(nèi)保持安靜，光照度為60 Lux，噪音控制在65 dB以下。實驗裝置由曠場反應(yīng)箱和數(shù)據(jù)自動采集處理系統(tǒng)兩部分組成。曠場反應(yīng)箱高30～40 cm，底邊長50 cm，底部涂黑并將其平均分為25個4 cm*4 cm的小方格，正上方1 m處架一數(shù)碼攝像頭，其視野可覆蓋整個礦場內(nèi)部。實驗時將實驗動物置入曠場中央格內(nèi)，通過行為學攝像系統(tǒng)記錄動物3 min的行為，觀察大鼠在中央格停留時間、穿越格數(shù)（四爪均進入的方格方可計數(shù)，為水平運動得分）、后肢站立次數(shù)（兩前爪騰空或攀附墻壁，為垂直運動得分）、修飾次數(shù)和糞便粒數(shù)。每只動物僅做1次行為測定，用75%酒精徹底清潔敞箱后再進行下一只動物的觀察[5]。實驗期間密切觀察各組大鼠一般行為學變化。

2.5 生化指標與測試方法

血漿皮質(zhì)醇、去甲腎上腺素和多巴胺水平以及血漿NO和NOS含量的測試方法（采用南京建成生物工程研究所的試劑盒），嚴格按照試劑盒操作說明進行。

2.6 數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)均采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件進行處理，統(tǒng)計學方法采用One-Way ANOVA方差分析，實驗結(jié)果均以平均數(shù)±標準差（±S）表示，顯著性差異選擇P＜0.05和P＜0.01水平。

3 實驗結(jié)果

3.1 各組大鼠一般行為學變化

正常對照組大鼠生活狀態(tài)正常，皮毛整潔光滑，對新異刺激及周圍環(huán)境的變化反應(yīng)靈敏，在籠內(nèi)很活躍，進食較多，運動能力較強，探究性行為頻繁。運動訓練組大鼠較正常對照組顯得更為活躍，食量增加，捕捉時逃避行為明顯，一般狀況正常，隨著時間的推移，大鼠對外界刺激反應(yīng)遲鈍，探究性行為減少。應(yīng)激組大鼠在應(yīng)激后，躁動不安、高度警惕、活動能力顯著下降，體重減輕，皮毛散亂、直立、無光澤，飲水、進食有所減少，多數(shù)靜臥少動。而運動訓練應(yīng)激組大鼠較應(yīng)激組相比，上述驚恐表現(xiàn)明顯降低，能很好的應(yīng)對損害性應(yīng)激。

3.2 各組大鼠曠場行為學變化

與安靜對照組相比，運動訓練組大鼠穿越格數(shù)和站立次數(shù)均顯著增加（P<0.01）。而應(yīng)激組大鼠場中的潛伏期顯著延長（P<0.01），其穿越格數(shù)、站立次數(shù)和修飾次數(shù)均顯著減少（P<0.01），糞便粒數(shù)顯著增多（P<0.05）。與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠場中潛伏期顯著縮短（P<0.01），穿越格數(shù)和修飾次數(shù)均顯著增加（P<0.01），站立次數(shù)和糞便顆粒顯著增加（P<0.05）。

表1：各組大鼠曠場行為相關(guān)指標數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3.2 血漿皮質(zhì)醇、去甲腎上腺素和多巴胺水平的變化

與安靜對照組相比，運動訓練組大鼠血漿皮質(zhì)醇、去甲腎上腺素和多巴胺水平均顯著增加（P<0.05）。應(yīng)激組大鼠血漿皮質(zhì)醇水平顯著增加（P<0.01），去甲腎上腺素水平顯著降低（P<0.05），多巴胺水平則極顯著降低（P<0.01）。與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠多巴胺水平顯著增加（P<0.01），去甲腎上腺素也顯著增加（P<0.05）。

表2：各組大鼠血漿皮質(zhì)醇、去甲腎上腺素及多巴胺水平的變化

3.3 各組大鼠血漿NOS-NO含量變化

與安靜對照組相比，運動訓練組大鼠血漿NO和肝臟NOS含量均顯著增加（P<0.01）；應(yīng)激組大鼠血漿NO含量顯著增加（P<0.01）。與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠肝臟NOS含量顯著增加（P<0.01），NO含量也顯著增加（P<0.05）。

表3：各組大鼠血漿NOS-NO含量變化

4 分析討論

近年來，有關(guān)應(yīng)激對機體損傷作用的研究越來越多，人們對該問題的重視程度越來越高。應(yīng)激是機體對各種應(yīng)激源的非特異性適應(yīng)反應(yīng)，各種引發(fā)應(yīng)激反應(yīng)的刺激反應(yīng)又可以分為軀體性應(yīng)激（如熱刺激、冷刺激和疼痛刺激等）和心理性應(yīng)激（如考試），一般情況下兩者同時發(fā)生，相互混雜[6]。心理性應(yīng)激涉及到生理和行為方面的變化，互相之間具有密切的聯(lián)系。行為方面主要表現(xiàn)為攻擊、退縮等。在生理方面，往往引起較大的認知或生理上的反應(yīng)，使交感神經(jīng)活動增強、副交感神經(jīng)活動減弱，并使機體免疫功能受到抑制，這就要求機體作出適應(yīng)性的反應(yīng)來保持其內(nèi)部的穩(wěn)定性[7]。大量研究表明，當一些心理應(yīng)激情況出現(xiàn)時，其神經(jīng)內(nèi)分泌免疫調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、行為能力和學習記憶能力都會受到明顯影響[8]。此外，許多研究也顯示：適量的運動可以使糖皮質(zhì)激素的分泌減少，對皮質(zhì)醇的釋放有良好的調(diào)節(jié)作用，能抗糖皮質(zhì)類激素的過量分泌[9]。

4.1 中等強度運動訓練后大鼠對應(yīng)激刺激的一般行為的影響

應(yīng)激對大鼠的食量、活動能力、反應(yīng)力等一般狀況等都會產(chǎn)生一定的影響。本實驗研究結(jié)果顯示：與正常對照組相比，給予大鼠強損害性應(yīng)激后，應(yīng)激組大鼠極度恐慌，發(fā)生紊亂、慌亂的逃避行為，或蜷縮不動的僵持狀態(tài)，有的甚至發(fā)生自殘、相互殘殺等現(xiàn)象；而與運動訓練組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠的恐慌表現(xiàn)顯著降低，表明強烈的損害性應(yīng)激使得機體正常免疫監(jiān)控失調(diào)，造成行為和認知的改變。通過早期進行運動訓練干預(yù)，不僅能夠有效降低應(yīng)激損害，增強機體對抗應(yīng)激損害的能力及環(huán)境適應(yīng)能力，同時還可有效維持機體的正常功能和保持其內(nèi)部的穩(wěn)定性。

4.2 中等強度運動訓練后大鼠對應(yīng)激刺激的曠場行為的影響

曠場實驗（Open-field test）又稱敞箱實驗，是以實驗動物在新奇環(huán)境中某些行為的發(fā)生頻率和持續(xù)時間為標準，對動物的自主行為和探究行為進行評價，以尿便次數(shù)來判斷其緊張度的一種應(yīng)激行為學研究方法[10]。其中穿越格數(shù)及站立次數(shù)是反應(yīng)動物探索行為及興奮性的指標；中央格時間反映動物對環(huán)境的認知能力。正常動物會避開空曠環(huán)境，迅速離開中央格，沿周邊活動。如果對新環(huán)境的認知能力差，則停留在中央格的時間就會延長；修飾是動物滿足和自我關(guān)注的表現(xiàn)；排便多反映了動物的緊張強度高。

本實驗研究結(jié)果顯示：與安靜對照組相比，運動訓練組大鼠穿越格數(shù)和站立次數(shù)均顯著增加（P<0.01），表明運動訓練能夠使得大鼠探索欲增加，興奮性提高，能夠很好的適應(yīng)新環(huán)境；而應(yīng)激組大鼠在場中的潛伏期顯著延長（P<0.01），其穿越格數(shù)、站立次數(shù)和修飾次數(shù)均顯著減少（P<0.01），糞便粒數(shù)顯著增多（P<0.05）。表明應(yīng)激使大鼠的探索行為下降，興奮性顯著降低，對新環(huán)境的適應(yīng)性和對空間的認知能力均比正常動物差，且表現(xiàn)出較高的緊張度。與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠場中潛伏期顯著縮短（P<0.01），穿越格數(shù)和修飾次數(shù)均顯著增加（P<0.01），站立次數(shù)和糞便顆粒顯著增加（P<0.05），運動訓練應(yīng)激組大鼠在探索行為及興奮性，對新環(huán)境的適應(yīng)性比單純應(yīng)激組要強很多，而在緊張度上明顯比單純應(yīng)激組低，表明運動訓練干預(yù)大鼠后對其應(yīng)對外界應(yīng)激刺激具有顯著緩解與適應(yīng)作用。

4.3 中等強度運動訓練后大鼠對應(yīng)激刺激行為學變化的可能機制分析

應(yīng)激反應(yīng)的主要特征是神經(jīng)內(nèi)分泌反應(yīng)增強，其中以HPA軸終端腎上腺皮質(zhì)分泌的糖皮質(zhì)激素（主要是皮質(zhì)醇）增高為顯著特征。此外，SNS激活后可從交感神經(jīng)末梢和腎上腺髓質(zhì)釋放兒茶酚胺，隨著應(yīng)激強度的逐漸增加，糖皮質(zhì)激素和兒茶酚胺的分泌呈增加趨勢[11]。

皮質(zhì)醇是人體內(nèi)主要的糖皮質(zhì)激素，由腎上腺皮質(zhì)束狀帶分泌，其分泌與合成受下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)軸調(diào)節(jié)，血漿皮質(zhì)醇水平具有明顯晝夜節(jié)律。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)激刺激時，下丘腦分泌的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子，可刺激促腎上腺皮激素釋放，后者作用于腎上腺皮質(zhì)能夠促進皮質(zhì)醇分泌，皮質(zhì)醇分泌反過來又可抑制促腎上腺皮激素的釋放。損害性應(yīng)激可明顯引發(fā)大鼠的不良情緒反應(yīng)，增強腎上腺皮質(zhì)激素的分泌，導(dǎo)致皮質(zhì)醇含量升高。有研究表明，皮質(zhì)醇變化與運動強度和運動量之間有一定的量變關(guān)系，適度的身體鍛煉對皮質(zhì)醇的釋放有良性的調(diào)節(jié)作用[12]。本研究發(fā)現(xiàn)，與安靜對照組相比，應(yīng)激組大鼠血漿皮質(zhì)醇水平顯著增加（P<0.01），而運動訓練組大鼠血漿皮質(zhì)醇水平均顯著增加（P<0.05）；與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠血漿皮質(zhì)醇水平有所降低，但無顯著差異，說明血漿皮質(zhì)醇水平改變與行為學變化具有相關(guān)性。本研究結(jié)果表明，適度的運動訓練可通過降低應(yīng)激引起的皮質(zhì)醇水平進而緩解大鼠行為功能減弱狀況。

去甲腎上腺素和多巴胺是SNS激活后從交感神經(jīng)末梢和腎上腺髓質(zhì)釋放兒茶酚胺類遞質(zhì)，主要參與調(diào)節(jié)機體的覺醒、注意力和精神情緒狀態(tài)。應(yīng)激水平與血漿去甲腎上腺素濃度增加相關(guān)[13]；多巴胺在黑質(zhì)紋狀體中含量豐富，參與機體認知過程，并與精神活動密切相關(guān)。其精神情緒狀態(tài)則主要表現(xiàn)在行為學自主活動及對外界環(huán)境應(yīng)激的適應(yīng)性。應(yīng)激誘導(dǎo)的行為異常與去甲腎上腺素和多巴胺水平耗竭有關(guān)。在應(yīng)激情況下，多巴胺神經(jīng)元生理活動加強，當應(yīng)激的強度或持續(xù)時間超過機體耐受能力時，將導(dǎo)致認知功能及行為能力的下降。此時，酪氨酸的充足供應(yīng)能增強多巴胺的合成和釋放，能在一定程度上拮抗應(yīng)激對中樞多巴胺神經(jīng)元的損害[14]。酪氨酸屬于中性芳香族氨基酸，是合成兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)的前體物。運動訓練可能促進酪氨酸生成以適應(yīng)應(yīng)激刺激及外界環(huán)境。本研究結(jié)果顯示，與安靜對照組相比，運動訓練組大鼠去甲腎上腺素和多巴胺水平均顯著增加（P<0.05），應(yīng)激組大鼠去甲腎上腺素水平顯著降低（P<0.05），多巴胺水平則極顯著降低（P<0.01）。與應(yīng)激組相比，運動訓練應(yīng)激組大鼠多巴胺水平顯著增加（P<0.01），去甲腎上腺素也顯著增加（P<0.05）。表明中等強度有氧運動可通過增加兒茶酚胺類遞質(zhì)的釋放應(yīng)對應(yīng)激反應(yīng)，產(chǎn)生保護效應(yīng)。

NO在神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)作為神經(jīng)遞質(zhì)不僅具有信息傳遞功能，而且具有拮抗谷氨酸介導(dǎo)的神經(jīng)毒性作用，該作用可能是通過阻斷NMDA受體與谷氨酸結(jié)合實現(xiàn)的[15]。實驗顯示，運動訓練應(yīng)激組NOS及NO含量升高，推測運動訓練可能具有增強機體NOS-NO水平作用，從而提高大鼠的應(yīng)激適應(yīng)性，其可能機制還需更深入的研究。

綜上，本研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)激刺激引起大鼠曠場行為改變，表現(xiàn)為中央格停留時間延長，穿越格數(shù)、站立次數(shù)和修飾次數(shù)均顯著較少，糞便顆粒增多，應(yīng)激激素分泌增加，而預(yù)先經(jīng)運動訓練大鼠這種由應(yīng)激造成的不良反應(yīng)明顯減輕，其機制可能是通過改變神經(jīng)遞質(zhì)去甲腎上腺素和多巴胺水平的變化及機體NOS-NO水平實現(xiàn)。

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