運動性中樞疲勞的生物指標研究

沈玲麗 陳義龍

摘 要：運動性中樞疲勞一直是國內外科研的熱點，就運動性中樞疲勞相關的生物指標進行研究對實現運動訓練的科學化具有重要意義。本文就目前國內外研究學者公認的導致運動性中樞疲勞的關鍵神經遞質5-羥色胺、γ- 氨基丁酸、多巴胺、乙酰膽堿進行研究，旨在進一步發揮相關生化指標在運動性中樞疲勞評價和運動性中樞疲勞恢復中的作用。

關鍵詞：運動 中樞疲勞 神經遞質

前 言

根據機體的運動方式、疲勞產生機制和產生部位的不同，運動性疲勞可以有不同的分類。其中最主要的分類包括了按照疲勞發生的部位分為腦力疲勞和體力疲勞；按照疲勞產生的范圍可分為整體疲勞和局部疲勞；按身體的器官劃分為心血管疲勞、呼吸系統疲勞、骨骼肌疲勞；按運動方式不同分為耐力性疲勞和快速性疲勞。

中樞神經系統是機體產生興奮、發放沖動以及調節肌肉收縮的機能系統，中樞疲勞產生的可能部位為腦細胞和脊髓運動神經元。生物指標是指可以標記從系統到細胞結構或功能所發生改變的特性和參數。了解運動性中樞疲勞的生物指標有助于了解中樞疲勞產生的原因，也有助于評價運動性中樞疲勞的等級，為后續疲勞的預防和恢復提供指導性意見。本文主要就運動性中樞疲勞的關鍵性生物標志進行綜述。

1、運動性疲勞和運動性中樞疲勞的概念

自1880年莫索Mosso開始研究疲勞以來，首次提出了疲勞發生的兩個部位：分別是發生在中樞神經系統的中樞疲勞和發生在外周（即脊髓運動神經、神經肌肉節點和骨骼肌）的外周疲勞[1]。1982年，第五屆國際運動生物化學會議上，首次提出了運動性疲勞的定義，該定義為：“運動性疲勞是指人體生理狀況不能維持在特定的水平和（ 或 ）不能維持預定的運動強度和運動負荷”[2]。運動性中樞疲勞是指在疲勞的發展過程中，神經細胞“能量消耗”過多，導致機體運動能力下降的現象[3]。是機體為了防止發生過度的機能衰竭而促使中樞系統作出的一種保護性抑制，是一種中樞神經系統起主導性作用的疲勞 [4]。

2、運動疲勞和運動性中樞疲勞發生的機制

目前，關于運動性疲勞產生機制的學說很多，如能量耗竭學說、代謝產物堆積學說、離子代謝紊亂學說、內分泌失調學說、氧自由基-脂質過氧化學說、機能保護性抑制學說等[5]。但有關運動性疲勞產生的許多問題仍不夠清楚。

運動性中樞疲勞被公認為是機體在運動過程中，中樞神經系統作出的保護性抑制，與中樞神經系統內的一些特殊物質-神經遞質的改變密切相關。機體的所有運動都是在中樞神經系統的調控和指揮下進行的，中樞神經系統對傳入的各類信息進行分析、判斷、整合、加工并合成協調的運動性傳出，或存儲在中樞神經系統內成為學習和記憶的神經基礎。運動性中樞疲勞是由運動所引起的，當機體不能適應訓練負荷時表現為運動能力下降，運動效率低下、機體應激因素與機體恢復不平衡等[6]。

3、運動性中樞疲勞的生化指標

3.1中樞疲勞與5-羥色胺

Newsholme等人率先提出了5- 羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）是中樞疲勞的潛在介質[7]。5- 羥色胺又稱血清緊張素 （ serotonin） ， 屬單胺類神經遞質，是導致運動性中樞疲勞的關鍵腦內神經遞質[8]。 由于血漿中的5-羥色胺不能通過血-腦脊液屏障，所以中樞神經系統中的5-羥色胺只能在腦內通過神經元來合成，其合成量的多少取決于血漿中游離色氨酸（ free tryptophan， f- TRP） 進入到腦的含量[9]。但是大部分的5- 羥色胺存在于體內消化道、血小板以及一些腸細胞中，人體的中樞神經系統中只有少量的5-羥色胺存在[8， 10]。

色氨酸（TRP）作為中樞系統中5-羥色胺（5-HT）的前體，并不都轉化為5-HT，TRP進入中樞神經后，在色氨酸羥化酶（TPH）的作用下，生成5-羥色氨酸（5-HTP），5-HTP在芳香族氨基酸脫羧酶，即5-羥色氨酸脫羧酶（5-HTPDC）的催化作用下發生脫羧反應生成 5-HT， 5-HT進一步在單胺氧化酶的催化作用下生成 5-羥吲哚酸（5-hydroxyindole acetic acid， 5-HIAA） ，5-HIAA作為代謝產物進入到血液，并最終隨尿液排出體外[11， 12]。

Blomstrand[13]等通過大鼠跑臺實驗發現，大鼠力竭時運動能力明顯下降，隨之產生運動疲勞。檢測到此時腦中的 5- 羥色胺（5-HT）含量顯著增加，因此可以判定 5- 羥色胺（5-HT）是一種抑制性神經遞質，這種抑制性神經遞質可以降低從中樞向外周發放的沖動，因此導致了疲勞的產生。

3.2 中樞疲勞與γ- 氨基丁酸 （γ-GABA）

1974年，蘇聯生理學家首先發現了γ-氨基丁酸（Gama-aminobutyric Acid，GABA）含量的升高與運動性疲勞相關，并提出了γ-氨基丁酸是中樞神經系統出現保護性抑制的重要遞質。γ-氨基丁酸由谷氨酸脫羧酶催化谷氨酸分解而成，可抑制皮層神經原軸-樹突觸的聯系[12， 14]。γ-GABA的增加是中樞保護性抑制作用的結果，也是長時間運動產生疲勞的主要原因[15]。

γ-GABA和谷氨酸在正常生理情況下會保持平衡，但是腦中γ-GABA含量在長時間運動后會顯著升高，其相關機制為谷氨酸脫羧酶活性增加[14]。谷氨酸脫羧酶活性增加時，生成γ-GABA，再經過脫氨基生成琥珀酸，然后進入三羧酸循環氧化[7]。當機體疲勞產生時，腦組織中的琥珀酸脫氫酶活性會明顯降低，而γ- 氨基丁酸 （γ-GABA）在腦中濃度會升高，從而對中樞神經系統產生抑制作用。其抑制作用主要是通過改變神經細胞膜對Cl-，K+的通透性，使Cl-內流，K+外流而形成的突軸后膜超級化，實現抑制效應，進而產生疲勞。

3.3中樞疲勞與多巴胺 DA

多巴胺（dopamine， DA） （C6H3（OH）2-CH2-CH2-NH2）是中樞神經系統中重要的兒茶酚胺類神經遞質，由酪氨酸催化生成。2000年，瑞典醫學家Arvid Carlsson因發現了多巴胺這一重要的神經遞質而榮獲諾貝爾生理或醫學獎。

Gerald[16]通過實驗，發現大鼠在注射安非他明后進行耐力跑，其耐力跑持續時間與未注射前相比增加了67%。該實驗證明了大鼠的耐力之所以得到改善，是因為使用了安非他明促進了腦內多巴胺（DA）的合成和代謝。由此可知，多巴胺（DA）活性的增加是維持機體能夠運動的必要條件，隨著運動強度或運動時間的不斷增加，多巴胺的濃度呈下降趨勢、活性減弱，肌肉活動的協調性降低，最終導致疲勞的發生。

3.4中樞疲勞與乙酰膽堿ach

乙酰膽堿（ach）是神經-肌肉節點興奮傳遞的神經遞質，也是第一個被認為是神經遞質的化學物質[17]，是在膽堿乙酰轉移酶（ChAT）的催化作用下由膽堿（Ch）和乙酰輔酶A（CoA）合成。乙酰膽堿（ach）的合成速率由它的前體物質膽堿的濃度決定。有研究表明，由于運動中膽堿利用的衰竭和膽堿能的神經活性下降，從而引起運動性中樞疲勞的產生[18]。當以高頻率的電流刺激機體時，神經肌肉接點前膜乙酰膽堿（ach）的釋放量減少，不能引起接點后膜去極化，骨骼肌產生興奮和收縮的能力下降。成都體育學院運動疲勞研究室通過研究認為：在短時間大強度的運動過程中，如投擲、舉重項目，因乳酸、乙酸堆積導致疲勞時，接點前膜乙酰膽堿（ach）比正常興奮時更多，ach不能迅速水解導致接點間隙及后膜微環境PH值降低，使肌細胞處于長時間不能復極化的持續興奮狀態，由于肌肉缺乏舒張和收縮的正常交替，從而導致機體疲勞[19]。

4、結論與展望

運動性中樞疲勞嚴重影響運動員的運動表現。競技體育難免會開展大強度大運動量的訓練，若高強度運動負荷超過了運動員身體的承受范圍，就會導致不同程度的運動性中樞疲勞。中樞疲勞的關鍵遞質5-羥色胺、γ- 氨基丁酸、多巴胺、乙酰膽堿是中樞疲勞相關標志物，為衡量中樞疲勞程度和如何有效消除疲勞提供科學依據。

由于運動性中樞疲勞的產生機制本身的復雜性和疲勞個體的差異性，關于運動性中樞疲勞的生物標志物眾說紛紜，不同的研究者有不同評判標準。由于在評判過程中還需要綜合不同的評判指標，由此，更多、更可靠運動性中樞疲勞的生物標志物與疲勞之間的因果關系還需要進一步研究和證實。

由于運動性中樞疲勞的產生是一個多因素、多層次的過程，因此我們需要明白以下兩點 ：首先，運動性中樞疲勞的產生機制與軀體和認知兩方面相關，而軀體和認知兩者相輔相成，不可以獨立作為評判標準。其次，對運動疲勞或運動性中樞疲勞并沒有一個規范化的統一診療標準，要做出一個全面、綜合、具有個體針對性的運動性中樞疲勞評價需要一個廣泛而深刻的相關知識結構。

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