反復力竭游泳運動對小鼠前腦皮層和海馬的影響

蔡成法　李亞

摘要：急性應激和長期慢性應激均可損傷腦內的海馬和前額葉，繼而降低動物或人的學習記憶能力。采用4周反復力竭游泳運動方式建立力竭運動小鼠模型。在反復性力竭游泳運動后即刻（0 h）、12 h、24 h和1周，檢測小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性變化，以及突觸體內游離Ca2+濃度。結果表明，反復性力竭游泳運動后，與對照組小鼠比較，力竭運動組小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性在0 h、12 h顯著降低，24 h有所恢復，1周后基本恢復到正常水平。力竭運動組小鼠前腦皮層和海馬突觸體內游離Ca2+濃度在0 h、12 h和24 h后顯著增加，1周后前腦皮層和海馬突觸體內游離Ca2+濃度明顯回落。力竭游泳運動所致小鼠運動性中樞疲勞的產生和恢復可能與突觸體膜流動性和突觸體內游離Ca2+濃度的變化密切相關。

關鍵詞：反復力竭游泳運動；前腦皮層；海馬

中圖分類號：G804.7文獻標識碼：A文章編號：1006-2076（2014）04-0058-05

Abstract：Acute stress and chronic stress can damage the brain prefrontal cortex （PFC） and hippocampus （HP） function， then reduce learning and memory abilities of animal or human. Model of exhaustive exercise mice was set up by the way of repeatedly （four weeks） exhausted swimming. Membrane fluidity and free calcium concentrations （[Ca2+]i） of prefrontal cortical and hippocampal synaptosomes in mice were detected. The results show that， compared with control group mice， the membrane fluidity of synaptosomes in PFC and HP of exhaustive exercise group mice were significantly decreased at 0 h and 12 h， after repeatedly exhausted exercise. The synaptosomal [Ca2+]i in PFC and HP were significantly increased at 0 h， 12 h and 24 h in exhaustive exercise group mice. The [Ca2+]i in PFC and HP at 1 week were remarkably reduced than the exhaustive exercise 0 h group mice， respectively. The generation and recovery of exercise-induced central fatigue in mice after exhausted exercise which may be nearly related to the changes of membrane fluidity and[Ca2+]i of synaptosomes.

Key words：repeated exhaustive swimming exercise； prefrontal cortex； hippocampus

反復力竭運動可導致機體出現運動性疲勞，而中樞疲勞在運動性疲勞的發展過程中起到主導作用[1]。如果中樞神經系統不能發揮其維護機制，疲勞得不到及時恢復，發生過度疲勞，就會造成腦功能損傷。前腦皮層和海馬是前腦神經中樞的重要組成部分，承擔著腦半球神經傳導、學習記憶、運動調控和神經內分泌等重要功能，過度運動應激導致的神經損傷與自我修復也常常發生在此腦區[2]。突觸體是兩神經元之間或神經元與效應器細胞之間相互接觸、并借以傳遞信息的部位，這種神經末梢組分可從腦勻漿中分離得到。突觸體膜上電位門控鈣通道的關閉與開發決定著神經遞質傳遞情況，它對內外環境都很敏感，如缺氧、疲勞等均可引起其結構和功能變化，尤其是突觸體膜流動性的改變將影響膜的離子通透性和跨膜物質轉運等。神經元受損及老化過程中，膜流動性也顯示相應的改變[3]。本研究建立4周反復性力竭游泳運動小鼠模型，檢測力竭游泳運動和恢復期小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性及突觸體內游離Ca2+濃度的變化，旨在探討力竭游泳運動與突觸體膜流動性變化的關系。

1研究對象與方法

1.1研究對象

選用3月齡健康昆明品系小白鼠20只，體重23～26克，雌雄各半，由山東魯抗醫藥股份有限公司動物實驗中心提供。適應性喂養1周后隨機分為正常對照組和反復性力竭游泳運動組，每組10只。

1.2力竭游泳運動小鼠模型的建立

建立4周反復性力竭游泳運動小鼠模型。實驗用小鼠接受連續3 d的適應性游泳訓練，每天一次自由游泳訓練，持續時間分別為15 min、30 min、45 min，逐日遞增。水溫30℃±2℃。

對實驗小鼠進行4周反復性力竭游泳訓練時，每天游泳訓練一次，每次游泳訓練均至力竭，每周5天。為避免訓練過程中產生適應現象，在訓練后期采用負重（體重的2%）的方法增加游泳訓練強度，每次訓練均要求達到力竭狀態。力竭判斷標準為：1） 游泳動作明顯失調，不能再堅持。2） 沉入水底超過3 s不能回到水面。停止游泳運動訓練，及時撈起，吹干毛發，放回飼養籠中休息。

3討論

運動性疲勞是一個復雜的身體變化綜合反應過程，指“機體生理過程不能持續其機能在一特定水平上和（或）不能維持預定的運動強度”[4]，包括肌肉疲勞、中樞疲勞和內臟疲勞。機體的隨意識運動只有在神經系統對骨骼肌的支配保持完整的條件下才能發生，而且必須受到大腦皮層控制[5]。過度運動可引起大腦皮質的超微結構發生明顯改變，而力竭運動導致大腦皮質結構的損傷可在運動后的一定時間內持續存在，腦組織結構的異常變化可能會引起大腦的調節功能減退，繼而導致運動中樞疲勞的產生[6]。有研究報道，力竭游泳訓練可引起大鼠海馬神經元損傷，而腦源性神經營養因子（BDNF）可能參與了力竭運動后腦損傷的自我保護和修復過程[7]。適當的運動訓練亦可增強大鼠海馬區突觸的可塑性，改變腦內神經元的形態。

在運動實踐中，過度訓練會引起機體神經內分泌系統的綜合反應，該應激反應的主要特征是下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸（HPA軸）受到抑制，血清睪酮水平下降，皮質醇水平升高[8]。而腦內海馬結構對HPA軸功能發揮重要調節作用，在應激過程中海馬區也是介導應激反應重要腦區之一[9]。在腦內，海馬和前額葉都是應激易累及損傷的主要靶區。研究表明，慢性應激對海馬介導的記憶有持久性損傷作用，這可能是通過改變海馬突觸可塑性而影響腦海馬區的功能活動[10]。本研究建立了4周反復性力竭游泳運動小鼠模型，研究結果表明，反復力竭游泳運動后小鼠前腦皮層和海馬受到應激反應誘導的損傷，表現為突觸體膜流動性降低和突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加。

適宜的膜流動性是維持生物膜正常功能的必需條件。研究發現，突觸體膜與神經元信號轉導通路密切相關，膜流動性的降低可導致許多信號轉導的膜結合機制出現功能缺失或紊亂，最終導致腦功能的減退或障礙[11]。研究表明，慢性應激可導致海馬興奮性氨基酸含量顯著升高，過量的氨基酸結合于海馬神經元細胞膜上的受體，繼而引起胞內Ca2+濃度顯著增加，并可激活超氧化自由基的產生。腦內海馬神經細胞內Ca2+平衡失調，亦可導致海馬神經細胞萎縮、變性和丟失等損傷[12]。此外，隨年齡增長，神經細胞膜脂質過氧化反應增強，腦內神經細胞鈣調節能力降低，細胞膜流動性也明顯降低，出現腦功能減退。基于以上結論可以推測，在本研究中，反復力竭游泳運動后，突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加，而突觸體膜流動性明顯降低，引起神經元突觸傳遞效能降低，導致前腦皮層和海馬神經元功能受損。若前腦皮層和海馬突觸體內游離Ca2+濃度過度升高，引起鈣超載，嚴重破壞了細胞內鈣穩態，則可引起神經細胞變性、凋亡和壞死等，前腦皮層和海馬功能損傷加重。本研究結果提示，突觸體膜流動性和突觸體內游離Ca2+濃度的變化可能是力竭運動所致小鼠運動性中樞疲勞產生和恢復的機制之一。

4小結

4.1反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性顯著降低。

4.2反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體內鈣穩態失調。

參考文獻：

[1] 徐明，蔡國梁，等. 運動性疲勞分子生物學機制的研究進展[J].成都體育學院學報，2009， 31（4）：91-94.

[2] Lupien SJ， McEwen BS， Gunnar MR，et al. Effects of stress throughout the lifespan on the brain， behaviour and cognition[J]. Nat Rev Neurosci， 2009，10（6）：434-445.

[3] Li Y， Wang JJ， Cai JX. Aniracetam restores the effects of amyloid-b protein or ageing on membrane fluidity and intracellular calcium concentration in mice synaptosomes[J]. J Neural Transm，2007， 114（11）： 1407-1411.

[4]鄧樹勛，洪泰田，曹志發，等. 運動生理學[M]. 北京：高等教育出版社，1999：246.

[5] 朱明旺，戴建平，詹炯，等. 大腦皮層運動功能區的腦功能成像[J]. 中華醫學雜志，2000， 80（9）：681-682.

[6] 吳燕波，王曉東，張麗玉，等. 力竭運動后大鼠大腦皮層和下丘腦組織中毛細血管超微結構的定量研究[J]. 體育與科學，2003，24（1）：39-40.

[7] Kim MW，Bang MS，Han TR，et al.Exercise increased BDNF and TrkB in the contralateral hemisphere of the ischemic rat brain[J].Brain Res，2005，1052（1）： 16-21.

[8]陸小香，張蘊琨，江年. 力竭運動后大鼠海馬CA1 區自由基、下丘腦GABA及HPA 軸的動態變化[J]. 中國運動醫學雜志，2007，26（5）：563-567.

[9]Bruel-Jungerman E， Rampon C， Lar℃he S. Adult hipp℃ampal neurogenesis， synaptic plasticity and memory： facts and hypotheses[J]. Rev Neurosci，2007， 18（2）：93-114.

[10]Joels M. Functional actions of corticosteroids in the hipp℃ampus[J]. Eur J Pharmacol，2008， 583（4）：312-321.

[11]Eckert GP， Wood WG， Muller WE. Effects of aging and beta-amyloid on the properties of brain synaptic and mitochondrial membranes[J]. J Neural Transm， 2001，108（8-9）：1051-1064.

[12]李亞，孔宏，宋倩，等. 慢性應激對大鼠空間學習記憶及海馬和前腦皮層突觸體膜流動性的影響[J]. 心理學報， 2010， 42（2）：235-240.

3討論

運動性疲勞是一個復雜的身體變化綜合反應過程，指“機體生理過程不能持續其機能在一特定水平上和（或）不能維持預定的運動強度”[4]，包括肌肉疲勞、中樞疲勞和內臟疲勞。機體的隨意識運動只有在神經系統對骨骼肌的支配保持完整的條件下才能發生，而且必須受到大腦皮層控制[5]。過度運動可引起大腦皮質的超微結構發生明顯改變，而力竭運動導致大腦皮質結構的損傷可在運動后的一定時間內持續存在，腦組織結構的異常變化可能會引起大腦的調節功能減退，繼而導致運動中樞疲勞的產生[6]。有研究報道，力竭游泳訓練可引起大鼠海馬神經元損傷，而腦源性神經營養因子（BDNF）可能參與了力竭運動后腦損傷的自我保護和修復過程[7]。適當的運動訓練亦可增強大鼠海馬區突觸的可塑性，改變腦內神經元的形態。

在運動實踐中，過度訓練會引起機體神經內分泌系統的綜合反應，該應激反應的主要特征是下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸（HPA軸）受到抑制，血清睪酮水平下降，皮質醇水平升高[8]。而腦內海馬結構對HPA軸功能發揮重要調節作用，在應激過程中海馬區也是介導應激反應重要腦區之一[9]。在腦內，海馬和前額葉都是應激易累及損傷的主要靶區。研究表明，慢性應激對海馬介導的記憶有持久性損傷作用，這可能是通過改變海馬突觸可塑性而影響腦海馬區的功能活動[10]。本研究建立了4周反復性力竭游泳運動小鼠模型，研究結果表明，反復力竭游泳運動后小鼠前腦皮層和海馬受到應激反應誘導的損傷，表現為突觸體膜流動性降低和突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加。

適宜的膜流動性是維持生物膜正常功能的必需條件。研究發現，突觸體膜與神經元信號轉導通路密切相關，膜流動性的降低可導致許多信號轉導的膜結合機制出現功能缺失或紊亂，最終導致腦功能的減退或障礙[11]。研究表明，慢性應激可導致海馬興奮性氨基酸含量顯著升高，過量的氨基酸結合于海馬神經元細胞膜上的受體，繼而引起胞內Ca2+濃度顯著增加，并可激活超氧化自由基的產生。腦內海馬神經細胞內Ca2+平衡失調，亦可導致海馬神經細胞萎縮、變性和丟失等損傷[12]。此外，隨年齡增長，神經細胞膜脂質過氧化反應增強，腦內神經細胞鈣調節能力降低，細胞膜流動性也明顯降低，出現腦功能減退。基于以上結論可以推測，在本研究中，反復力竭游泳運動后，突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加，而突觸體膜流動性明顯降低，引起神經元突觸傳遞效能降低，導致前腦皮層和海馬神經元功能受損。若前腦皮層和海馬突觸體內游離Ca2+濃度過度升高，引起鈣超載，嚴重破壞了細胞內鈣穩態，則可引起神經細胞變性、凋亡和壞死等，前腦皮層和海馬功能損傷加重。本研究結果提示，突觸體膜流動性和突觸體內游離Ca2+濃度的變化可能是力竭運動所致小鼠運動性中樞疲勞產生和恢復的機制之一。

4小結

4.1反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性顯著降低。

4.2反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體內鈣穩態失調。

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3討論

運動性疲勞是一個復雜的身體變化綜合反應過程，指“機體生理過程不能持續其機能在一特定水平上和（或）不能維持預定的運動強度”[4]，包括肌肉疲勞、中樞疲勞和內臟疲勞。機體的隨意識運動只有在神經系統對骨骼肌的支配保持完整的條件下才能發生，而且必須受到大腦皮層控制[5]。過度運動可引起大腦皮質的超微結構發生明顯改變，而力竭運動導致大腦皮質結構的損傷可在運動后的一定時間內持續存在，腦組織結構的異常變化可能會引起大腦的調節功能減退，繼而導致運動中樞疲勞的產生[6]。有研究報道，力竭游泳訓練可引起大鼠海馬神經元損傷，而腦源性神經營養因子（BDNF）可能參與了力竭運動后腦損傷的自我保護和修復過程[7]。適當的運動訓練亦可增強大鼠海馬區突觸的可塑性，改變腦內神經元的形態。

在運動實踐中，過度訓練會引起機體神經內分泌系統的綜合反應，該應激反應的主要特征是下丘腦-垂體-腎上腺皮質軸（HPA軸）受到抑制，血清睪酮水平下降，皮質醇水平升高[8]。而腦內海馬結構對HPA軸功能發揮重要調節作用，在應激過程中海馬區也是介導應激反應重要腦區之一[9]。在腦內，海馬和前額葉都是應激易累及損傷的主要靶區。研究表明，慢性應激對海馬介導的記憶有持久性損傷作用，這可能是通過改變海馬突觸可塑性而影響腦海馬區的功能活動[10]。本研究建立了4周反復性力竭游泳運動小鼠模型，研究結果表明，反復力竭游泳運動后小鼠前腦皮層和海馬受到應激反應誘導的損傷，表現為突觸體膜流動性降低和突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加。

適宜的膜流動性是維持生物膜正常功能的必需條件。研究發現，突觸體膜與神經元信號轉導通路密切相關，膜流動性的降低可導致許多信號轉導的膜結合機制出現功能缺失或紊亂，最終導致腦功能的減退或障礙[11]。研究表明，慢性應激可導致海馬興奮性氨基酸含量顯著升高，過量的氨基酸結合于海馬神經元細胞膜上的受體，繼而引起胞內Ca2+濃度顯著增加，并可激活超氧化自由基的產生。腦內海馬神經細胞內Ca2+平衡失調，亦可導致海馬神經細胞萎縮、變性和丟失等損傷[12]。此外，隨年齡增長，神經細胞膜脂質過氧化反應增強，腦內神經細胞鈣調節能力降低，細胞膜流動性也明顯降低，出現腦功能減退。基于以上結論可以推測，在本研究中，反復力竭游泳運動后，突觸體內游離Ca2+濃度顯著增加，而突觸體膜流動性明顯降低，引起神經元突觸傳遞效能降低，導致前腦皮層和海馬神經元功能受損。若前腦皮層和海馬突觸體內游離Ca2+濃度過度升高，引起鈣超載，嚴重破壞了細胞內鈣穩態，則可引起神經細胞變性、凋亡和壞死等，前腦皮層和海馬功能損傷加重。本研究結果提示，突觸體膜流動性和突觸體內游離Ca2+濃度的變化可能是力竭運動所致小鼠運動性中樞疲勞產生和恢復的機制之一。

4小結

4.1反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體膜流動性顯著降低。

4.2反復力竭游泳運動可引起小鼠前腦皮層和海馬突觸體內鈣穩態失調。

參考文獻：

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