一次力竭運動小鼠中樞單胺類神經遞質的代謝特點

趙麗等

【摘要】 目的：探討力竭運動中樞單胺類神經遞質的代謝變化特點，以期為運動疲勞的中樞機制提供一定實驗室依據。方法：4月齡C57/BL小鼠，隨機分為安靜對照組（SC組）和一次性游泳力竭組（SE組）。力竭游泳即刻取材（皮層、下丘腦、紋狀體、海馬、腦干和小腦）六個腦區，高功率微波滅活腦組織相關酶類；HPLC測定去甲腎上腺素（NE）、多巴胺（DA）及其代謝產物多巴克（DOPAC）、5羥色胺（5-HT）、5-羥吲哚乙酸（5-HIAA）含量。結果：力竭時皮層、海馬和腦干NE含量較安靜時明顯增加（P<0.05），而下丘腦、紋狀體和小腦NE含量有降低趨勢。海馬、腦干組織DA含量力竭時極顯著增加（P<0.01），皮層、紋狀體區僅有增加趨勢，而下丘腦DA含量較安靜時有降低趨勢；DA的代謝產物DOPAC僅在腦干有明顯增加。各腦區力竭時5-HT均較安靜時明顯增加（P<0.05），其代謝產物5-HIAA在皮層、下丘腦及小腦也增加顯著（P<0.05）。結論：運動至力竭過程中各腦區單胺類神經元激活程度不相同，其中5-HT和NE可以作為中樞皮層疲勞的一個標志。

【關鍵詞】 力竭運動； 去甲腎上腺素； 多巴胺； 5羥色胺

單胺類中樞神經遞質在運動過程中起著非常重要的作用，它們與運動能力的提高、肌肉協調性的保持有密切的關系，并且也是運動疲勞重要的中樞機制之一[1]。早期的動物實驗就發現DA減少會導致運動能力下降和情緒抑制[2-3]。本實驗室之前利用高功率微波發射技術即刻失活腦內糖原分解和合成酶后，檢測發現一次力竭后伴血糖水平下降，腦組織葡萄糖水平明顯降低，同時儲存于星形膠質細胞中的腦糖原含量也顯著下降，但不同的腦區存在一定的差異。目前運動與各種神經遞質之間關系的綜述性報道較多[1]，涉及力竭運動中樞各腦區神經遞質變化的研究較少。而中樞各腦區遞質分布與其功能是密切相關的，傳統檢測方法在組織取材過程中極易使遞質氧化而影響檢測結果。故本實驗采用高功率的微波發射處理腦組織，即刻失活腦組織的酶類，進而檢測力竭運動后不同腦區單胺類神經遞質的變化特點，為運動疲勞的中樞機制研究提供一定實驗室依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器 NE、DOPAC、DA、5-HT和5-HIAA標準品（Sigma），其余試劑為國產分析純。主要儀器微波爐、解剖顯微鏡、高效液相色譜系統。

1.2 實驗方法

1.2.1 力竭模型 4月齡SPF級C57/BL小鼠，雌雄各半，體重（22±0.5）g，北京維通利華實驗動物有限公司（合格證號：SCXK（京）2007-0001）。國家標準嚙齒動物飼料喂養，晝夜節律人工控制光照（光照時間6：00～18：00），環境22～24 ℃，相對濕度50%～65%。本動物實驗經由北京實驗動物福利倫理委員會北京體育大學分會批準。小鼠適應性喂養3 d后進行適應性游泳訓練，10 min/d，共3 d。篩選能較好適應負重（約自身體重5%）游泳訓練的小鼠32只，隨機分為安靜對照組（SC組）和一次性游泳力竭運動組（SE組），每組16只，雌雄各半。一次性負重力竭游泳運動實驗過程中不停用棍棒驅趕，力竭標準為小鼠頭沒入水面下10 sec不再上浮且撈出后翻正反射消失。

1.2.2 單胺類神經遞質含量測定 力竭結束即刻2%戊巴比妥鈉腹腔麻醉迅速斷頭，即刻取腦組織，0～4 ℃人工腦脊液清洗血液，冰上操作迅速分離皮層、丘腦、紋狀體、海馬、腦干和小腦，即刻放入高功率微波爐內（950 W，30 s）滅活腦組織的酶，處理好的樣本-80 ℃冰箱保存待測。高效液相色譜電化學法（HPLC-ECD）測定各組不同腦區單胺類神經遞質及其代謝產物的含量。

1.3 統計學處理 采用PEMS 3.1軟件對所得數據進行統計分析，計量資料用（x±s）表示，采用單因素方差分析（one-way ANOVA），以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組皮層單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 力竭時皮層NE和5-HT及其代謝產物5-HIAA的含量均較安靜狀態明顯升高（P<0.05）。DA含量及其代謝產物DOPAC雖在力竭時也表現為增高趨勢，見表1。

2.2 各組下丘腦單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 力竭時下丘腦NE含量較安靜時降低（P<0.05），DA含量也有降低趨勢，但DA的代謝水平（DOPAC）無明顯變化；5-HT及其代謝產物5-HIAA的含量在力竭時較安靜組明顯增高（P<0.05），見表2。

2.3 各組紋狀體單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 力竭運動后紋狀體區NE含量較安靜時僅呈降低趨勢（P>0.05）；DA和DOPAC的含量在力竭時雖有增加趨勢，但比較差異無統計學意義（P>0.05）；力竭時5-HT水平較安靜狀態上升了99.26%，代謝產物5-HIAA也較安靜組有增加，見表3。

2.4 各組海馬單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 力竭時NE、DA和5-HT含量均較安靜組有增加趨勢（P<0.05），DA含量增加達101.18%（P<0.01）；同時加速了DA和5-HT的代謝，代謝產物DOPAC和5-HIAA有增加趨勢，見表4。

2.5 各組腦干單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 NE、DA和5-HT含量均較安靜組有增加趨勢，尤其DA含量增加達152.71%（P<0.01），5-HT 含量增高了77.79%（P<0.05）；代謝產物DOPAC有明顯增加趨勢（P<0.05），見表5。

2.6 各組小腦單氨類神經遞質及其代謝產物的變化 NE含量力竭時與安靜組相比雖無顯著性差別，但有降低趨勢；小腦5-HT水平較安靜狀態明顯升高（P<0.05），且伴隨代謝顯著加速，代謝產物5-HIAA增加明顯，見表6。

3 討論

在中樞以NE為遞質的神經元其胞體絕大多數位于低位腦干，其纖維上行部分投射到大腦皮層、邊緣前腦和下丘腦，支配低位腦干的分布于低位腦干內部，下行部分投射至脊髓后角、側角和前角。中樞NE能神經元的功能主要涉及心血管活動、情緒、體溫、攝食和覺醒等方面的調節，并為神經系統其他活動提供有利條件[4]。目前有關NE與運動疲勞關系多集中于血漿NE和E在急性運動時變化規律的研究，對其在運動疲勞時中樞的變化特點報道甚少[5]。機體的運動是包括了骨骼肌和腦等幾乎所有臟器和組織在內的全身各系統的動員[4-5]，從準備活動到進入工作狀態直至疲勞產生的一系列運動過程中，機體各器官即刻動員在維持不斷增加的能量需求中起關鍵的作用，支配各器官活動的中樞神經系統也有相應的變化。本實驗的結果提示在皮層、海馬和腦干這些腦區NE的含量隨力竭狀態均有增加趨勢，尤其皮層作為錐體系運動控制的高位中樞，其NE含量較安靜時增加明顯。說明運動過程中這些腦區NE能神經元功能活躍，以維持機體運動的需求。而下丘腦、紋狀體和小腦NE含量卻略有下降。可見運動過程中作為運動控制的主要腦區大腦皮層、參與空間動作學習記憶的主要腦區海馬及調節心血管活動的基本腦區腦干，其NE釋放量增加，這些腦區NE能神經元功能活躍，以維持機體運動的需求；而隨著疲勞程度的加深，對運動精細調節的邊緣前腦（紋狀體）和維持身體的平衡、調節肌張力和協調運動的小腦及作為內臟和內分泌活動中樞控制的下丘腦這些腦區首先出現遞質釋放量的減少，這些腦區相應的功能會下降。本結果驗證了在運動開始后內臟血流重新分布，骨骼肌血運增加，而至力竭過程中會逐漸出現動作變形或動作質量下降，同時機體體溫增加，這些變化是因調控遞質釋放減少，相應神經元興奮性降低所致。本研究結果與Matsui等[6]觀察到大鼠120 min的長時間運動伴隨皮層NE含量較安靜時增加相一致。

DA是錐體外系中調節軀體運動的重要神經遞質，其合成位置主要在中腦和間腦。中腦DA能神經元向周圍投射形成黑質-紋狀體系統主要參與對軀體運動的調節，另外中腦-邊緣系統和中腦-邊緣-皮層投射系統主要參與精神和情緒的調節[5]。關于運動對DA的代謝影響，目前的研究結果也不盡一致[7]。動物實驗發現力竭時其紋狀體局部腦積液中DA含量明顯增加，同時DA受體表達增加[8-9]。本實驗數據顯示在力竭狀態皮層和紋狀體的DA含量有增加趨勢，下丘腦有下降趨勢，但變化不顯著；海馬和腦干力竭時DA非常明顯增加，但DOPAC的增加與DA含量增加比例不等，海馬安靜組DOPAC/DA為36.05%，在力竭組為19.67%。分析本實驗中力竭時DA含量增加可能與其分解速率減慢有關。雖然本實驗結果還不能精確解釋DA在該過程中的代謝速率，但至少說明在運動至力竭時，中腦-邊緣-皮質系統支配區域之一海馬區和腦干區檢測到較安靜時增高至少2倍以上的DA含量；而與運動指令及運動精細調節密切相關的皮層和紋狀體在力竭狀態下雖有增加，下丘腦DA含量雖下降，但在這些腦區并未突破機體本身的平衡，仍與其功能密切相關，以盡可能維持運動區神經元活性，而控制內臟活動的下丘腦區相對活性減弱，以節省能量，優先供應主要功能區。

5-HT能神經元胞體主要集中于低位腦干的中縫核內，其上行纖維投射至紋狀體、間腦、皮層和邊緣系統，下行纖維走行至脊髓后角、側角和前角，還有部分纖維支配低位腦干。其在中樞神經系統的主要功能是調節心血管活動和軀體運動及痛覺與鎮痛、精神情緒、睡眠、體溫、性行為、垂體內分泌等功能活動。5-HT的主要分解途徑是經MAO催化，由5-羥吲哚乙醛轉變成5-HIAA。由于血腦屏障的存在，中樞5-HT是腦內合成的，與外周5-HT 分屬兩個功能不同的獨立系統，不受外周5-HT代謝的影響。中樞5-HT是運動疲勞中樞主要抑制性神經遞質之一，認為腦內5-HT的增加會降低中樞向外周發放神經沖動的能力，引發外周運動能力的降低。本實驗結果顯示力竭時皮層、下丘腦、紋狀體、海馬、腦干和小腦中5-HT及其代謝產物含量較安靜狀態有明顯升高趨勢（部分腦區幾近2倍以上），并且其代謝產物5-HIAA在下丘腦和小腦顯著蓄積。

總之，關于運動性中樞疲勞的研究從最初的試圖發現在運動誘導下單一神經遞質增加對中樞運動疲勞發生、發展的作用，發展到近期藥物干預實驗的結果卻發現即使降低中樞5-HT的含量對運動能力的改變亦無作用[1]，提示單一種神經遞質的變化并不能決定中樞疲勞的出現。除去經典的認為5-HT與運動疲勞發生的密切關系外，作為腦內主要的兒茶酚胺類遞質DA和NE對運動疲勞的發生、發展也具有重要的作用。

參考文獻

[1]王啟榮，周鈺杰.運動與單胺類神經遞質之間關系的研究進展[J].體育科研，2012， 33 （5）：70-73.

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[4]邱守濤，張蘊琨.腦內氨基酸類神經遞質及其受體與運動性中樞疲勞研究進展[J].南京體育學院學報，2010，9（4）：38-40.

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[6] Matsui T，Soya S，Okamoto M，et al.Brain glycogen decreases during prolonged exercise[J].J Physiol，2011，589（13）：3383-3393.

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[8]楊東升，劉曉莉，喬德才.力竭運動及恢復期大鼠紋狀體5-HT、DA及其代謝物濃度的動態變化研究[J].中國應用生理學雜志，2011，27（4）：432-436.

[9]侯莉娟，劉曉莉，喬德才.運動疲勞對大鼠紋狀體單胺類遞質含量及多巴胺受體表達的影響[J].中國康復醫學雜志，2010，25（7）：639-642.

（收稿日期：2013-12-18） （本文編輯：歐麗）

DA是錐體外系中調節軀體運動的重要神經遞質，其合成位置主要在中腦和間腦。中腦DA能神經元向周圍投射形成黑質-紋狀體系統主要參與對軀體運動的調節，另外中腦-邊緣系統和中腦-邊緣-皮層投射系統主要參與精神和情緒的調節[5]。關于運動對DA的代謝影響，目前的研究結果也不盡一致[7]。動物實驗發現力竭時其紋狀體局部腦積液中DA含量明顯增加，同時DA受體表達增加[8-9]。本實驗數據顯示在力竭狀態皮層和紋狀體的DA含量有增加趨勢，下丘腦有下降趨勢，但變化不顯著；海馬和腦干力竭時DA非常明顯增加，但DOPAC的增加與DA含量增加比例不等，海馬安靜組DOPAC/DA為36.05%，在力竭組為19.67%。分析本實驗中力竭時DA含量增加可能與其分解速率減慢有關。雖然本實驗結果還不能精確解釋DA在該過程中的代謝速率，但至少說明在運動至力竭時，中腦-邊緣-皮質系統支配區域之一海馬區和腦干區檢測到較安靜時增高至少2倍以上的DA含量；而與運動指令及運動精細調節密切相關的皮層和紋狀體在力竭狀態下雖有增加，下丘腦DA含量雖下降，但在這些腦區并未突破機體本身的平衡，仍與其功能密切相關，以盡可能維持運動區神經元活性，而控制內臟活動的下丘腦區相對活性減弱，以節省能量，優先供應主要功能區。

5-HT能神經元胞體主要集中于低位腦干的中縫核內，其上行纖維投射至紋狀體、間腦、皮層和邊緣系統，下行纖維走行至脊髓后角、側角和前角，還有部分纖維支配低位腦干。其在中樞神經系統的主要功能是調節心血管活動和軀體運動及痛覺與鎮痛、精神情緒、睡眠、體溫、性行為、垂體內分泌等功能活動。5-HT的主要分解途徑是經MAO催化，由5-羥吲哚乙醛轉變成5-HIAA。由于血腦屏障的存在，中樞5-HT是腦內合成的，與外周5-HT 分屬兩個功能不同的獨立系統，不受外周5-HT代謝的影響。中樞5-HT是運動疲勞中樞主要抑制性神經遞質之一，認為腦內5-HT的增加會降低中樞向外周發放神經沖動的能力，引發外周運動能力的降低。本實驗結果顯示力竭時皮層、下丘腦、紋狀體、海馬、腦干和小腦中5-HT及其代謝產物含量較安靜狀態有明顯升高趨勢（部分腦區幾近2倍以上），并且其代謝產物5-HIAA在下丘腦和小腦顯著蓄積。

總之，關于運動性中樞疲勞的研究從最初的試圖發現在運動誘導下單一神經遞質增加對中樞運動疲勞發生、發展的作用，發展到近期藥物干預實驗的結果卻發現即使降低中樞5-HT的含量對運動能力的改變亦無作用[1]，提示單一種神經遞質的變化并不能決定中樞疲勞的出現。除去經典的認為5-HT與運動疲勞發生的密切關系外，作為腦內主要的兒茶酚胺類遞質DA和NE對運動疲勞的發生、發展也具有重要的作用。

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[9]侯莉娟，劉曉莉，喬德才.運動疲勞對大鼠紋狀體單胺類遞質含量及多巴胺受體表達的影響[J].中國康復醫學雜志，2010，25（7）：639-642.

（收稿日期：2013-12-18） （本文編輯：歐麗）

DA是錐體外系中調節軀體運動的重要神經遞質，其合成位置主要在中腦和間腦。中腦DA能神經元向周圍投射形成黑質-紋狀體系統主要參與對軀體運動的調節，另外中腦-邊緣系統和中腦-邊緣-皮層投射系統主要參與精神和情緒的調節[5]。關于運動對DA的代謝影響，目前的研究結果也不盡一致[7]。動物實驗發現力竭時其紋狀體局部腦積液中DA含量明顯增加，同時DA受體表達增加[8-9]。本實驗數據顯示在力竭狀態皮層和紋狀體的DA含量有增加趨勢，下丘腦有下降趨勢，但變化不顯著；海馬和腦干力竭時DA非常明顯增加，但DOPAC的增加與DA含量增加比例不等，海馬安靜組DOPAC/DA為36.05%，在力竭組為19.67%。分析本實驗中力竭時DA含量增加可能與其分解速率減慢有關。雖然本實驗結果還不能精確解釋DA在該過程中的代謝速率，但至少說明在運動至力竭時，中腦-邊緣-皮質系統支配區域之一海馬區和腦干區檢測到較安靜時增高至少2倍以上的DA含量；而與運動指令及運動精細調節密切相關的皮層和紋狀體在力竭狀態下雖有增加，下丘腦DA含量雖下降，但在這些腦區并未突破機體本身的平衡，仍與其功能密切相關，以盡可能維持運動區神經元活性，而控制內臟活動的下丘腦區相對活性減弱，以節省能量，優先供應主要功能區。

5-HT能神經元胞體主要集中于低位腦干的中縫核內，其上行纖維投射至紋狀體、間腦、皮層和邊緣系統，下行纖維走行至脊髓后角、側角和前角，還有部分纖維支配低位腦干。其在中樞神經系統的主要功能是調節心血管活動和軀體運動及痛覺與鎮痛、精神情緒、睡眠、體溫、性行為、垂體內分泌等功能活動。5-HT的主要分解途徑是經MAO催化，由5-羥吲哚乙醛轉變成5-HIAA。由于血腦屏障的存在，中樞5-HT是腦內合成的，與外周5-HT 分屬兩個功能不同的獨立系統，不受外周5-HT代謝的影響。中樞5-HT是運動疲勞中樞主要抑制性神經遞質之一，認為腦內5-HT的增加會降低中樞向外周發放神經沖動的能力，引發外周運動能力的降低。本實驗結果顯示力竭時皮層、下丘腦、紋狀體、海馬、腦干和小腦中5-HT及其代謝產物含量較安靜狀態有明顯升高趨勢（部分腦區幾近2倍以上），并且其代謝產物5-HIAA在下丘腦和小腦顯著蓄積。

總之，關于運動性中樞疲勞的研究從最初的試圖發現在運動誘導下單一神經遞質增加對中樞運動疲勞發生、發展的作用，發展到近期藥物干預實驗的結果卻發現即使降低中樞5-HT的含量對運動能力的改變亦無作用[1]，提示單一種神經遞質的變化并不能決定中樞疲勞的出現。除去經典的認為5-HT與運動疲勞發生的密切關系外，作為腦內主要的兒茶酚胺類遞質DA和NE對運動疲勞的發生、發展也具有重要的作用。

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[8]楊東升，劉曉莉，喬德才.力竭運動及恢復期大鼠紋狀體5-HT、DA及其代謝物濃度的動態變化研究[J].中國應用生理學雜志，2011，27（4）：432-436.

[9]侯莉娟，劉曉莉，喬德才.運動疲勞對大鼠紋狀體單胺類遞質含量及多巴胺受體表達的影響[J].中國康復醫學雜志，2010，25（7）：639-642.

（收稿日期：2013-12-18） （本文編輯：歐麗）