實(shí)驗(yàn)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型的特點(diǎn)與應(yīng)用

李 瑞 ，董 毅 *

運(yùn)動(dòng)影響著人體每個(gè)系統(tǒng)、器官和組織（Wang et al.，2010），合理運(yùn)動(dòng)對(duì)健康大有裨益。然而，運(yùn)動(dòng)對(duì)人體各個(gè)系統(tǒng)影響的途徑和機(jī)制仍存在諸多問題有待闡明。為了進(jìn)一步研究這些問題，研究者開發(fā)出許多用于動(dòng)物研究的體育鍛煉模型，即運(yùn)動(dòng)模型。本研究總結(jié)目前已有動(dòng)物模型的研究進(jìn)展、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用范圍，并對(duì)未來研究的發(fā)展趨勢(shì)提升展望。

1 運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究中動(dòng)物模型的重要性

運(yùn)動(dòng)生理學(xué)在正確認(rèn)識(shí)人體機(jī)能活動(dòng)基本規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究體育運(yùn)動(dòng)對(duì)人體機(jī)能發(fā)展變化的影響，以此闡明運(yùn)動(dòng)對(duì)健康、疾病治療的影響和機(jī)制（Lemanne et al.，2013； Pate et al.，2004）。不同的運(yùn)動(dòng)模式對(duì)人體的作用不同，有氧運(yùn)動(dòng)可以提高心肺耐力，阻力運(yùn)動(dòng)可以使肌肉力量和耐力增強(qiáng)。除運(yùn)動(dòng)模式外，運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度（低、中和高強(qiáng)度）、運(yùn)動(dòng)頻率、運(yùn)動(dòng)時(shí)間（早晨、晚上）、持續(xù)時(shí)間（長期、短期）和運(yùn)動(dòng)環(huán)境（冷環(huán)境、熱環(huán)境）也是決定生理反應(yīng)和作用結(jié)果的因素（Laursen，2010； Seo et al.，2013）。相比人體實(shí)驗(yàn)，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)可以降低成本并有效監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。其中，嚙齒動(dòng)物具有壽命短、妊娠期短和易繁衍的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，人體實(shí)驗(yàn)的一些標(biāo)準(zhǔn)可以在動(dòng)物模型上實(shí)現(xiàn)，比如人體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的檢查標(biāo)準(zhǔn)是通過實(shí)時(shí)記錄攝氧量（O2）和最大攝氧量（O2max）進(jìn)行判斷，這也是動(dòng)物模型中最常用的方法（Kemi et al.，2002； Wisl?ff et al.，2001b）。能否將人體運(yùn)動(dòng)生理學(xué)指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上建立相應(yīng)的模型是目前動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型是否有效的關(guān)鍵。在動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型中合理安排運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方案對(duì)于揭示潛在的生理機(jī)制至關(guān)重要，這也是動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型建立的要點(diǎn)。此外，不同動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型對(duì)健康產(chǎn)生的影響和機(jī)制也各不相同，因此運(yùn)動(dòng)生理學(xué)研究中對(duì)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型的選擇也非常重要。

2 動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型

目前，常見的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型主要集中在跑臺(tái)、游泳、自愿轉(zhuǎn)輪、舉重、爬梯等，這些模型已廣泛用于研究運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)或疾病運(yùn)動(dòng)干預(yù)后的恢復(fù)及其機(jī)制。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)考慮影響運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的因素，包括環(huán)境、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的品系、性別、年齡和勞損等（Coimbra et al.，2008； Kobayashi et al.，2012），做好必要的準(zhǔn)備工作可以提高動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型的可靠性。更重要的是，實(shí)驗(yàn)過程中研究人員必須確保對(duì)動(dòng)物進(jìn)行鍛煉方案時(shí)采用人道的程序（Lerman et al.，2002）。

2.1 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)

在嚙齒類動(dòng)物中，研究多采用跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，其原理是在跑步過程中通過調(diào)整速度、坡度和持續(xù)時(shí)間3 項(xiàng)參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行控制，從而模擬人類運(yùn)動(dòng)模式。目前的研究已經(jīng)設(shè)計(jì)了多種跑臺(tái)運(yùn)行方案，總訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間從數(shù)周到數(shù)月不等，一次訓(xùn)練持續(xù)時(shí)間從數(shù)分鐘到數(shù)小時(shí)不等，運(yùn)動(dòng)速度范圍為10～97 m/min，跑步機(jī)的坡度范圍為0°～30°（Fenning et al.，2003； Kemi et al.，2002； Wisl?ff et al.，2001a； Zhang et al.，2002）。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)坡度從0°變?yōu)?0°時(shí)，大鼠O2max在64.5～79.9 mL·kg-1·min-1變化，表明跑臺(tái)的坡度會(huì)影響O2的水平（Wisl?ff et al.，2001a）。在跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)中，跑步速度既可以調(diào)節(jié)訓(xùn)練強(qiáng)度，也可以在低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中估計(jì)O2max（H?ydal et al.，2007）。此外，不同持續(xù)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出不同的生理反應(yīng)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果（Evangelista et al.，2003）。本研究對(duì)跑臺(tái)模型中通過調(diào)整參數(shù)所衍生的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分別闡述。

2.1.1 運(yùn)動(dòng)性疲勞模型

為了使動(dòng)物達(dá)到運(yùn)動(dòng)性疲勞，一項(xiàng)研究采取7 周的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)建立了慢性運(yùn)動(dòng)性疲勞動(dòng)物模型。具體方法如下：實(shí)驗(yàn)的前5 周運(yùn)動(dòng)負(fù)荷逐級(jí)遞增，每周的速度分別為15、22、27、31、35 m/min，20 min/天，5 天/周，最后2 周的速度為35 m/min，一般訓(xùn)練組為20 min/天，強(qiáng)化訓(xùn)練組為25 min/天（鄭瀾 等，2003）。另一項(xiàng)研究采取4 周的訓(xùn)練建立了運(yùn)動(dòng)性疲勞模型。具體方法如下：4 周的跑臺(tái)速度分別為28、30、30、32 m/min，120 min/天，6 天/周，跑臺(tái)坡度為10° （王平 等，2009）。侯莉娟等（2017）通過7 天訓(xùn)練建立了力竭性運(yùn)動(dòng)疲勞模型。具體方法如下：每天的訓(xùn)練負(fù)荷分為3 級(jí)（8.2 m/min、15 min，15 m/min、15 min，20 m/min、運(yùn)動(dòng)至力竭）。與以上建模模式不同，劉曉莉等（2012）采用多級(jí)遞增負(fù)荷建立力竭運(yùn)動(dòng)的疲勞模型。具體方法如下：先進(jìn)行3 天適應(yīng)性跑臺(tái)訓(xùn)練，1 次/天，15～30 min/次。當(dāng)大鼠能以20 m/min 的速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)30 min 時(shí)，可正式開始實(shí)驗(yàn)。跑臺(tái)坡度為0°，負(fù)荷分為3 級(jí)，分別為8.2 m/min、15 min，15 m/min、15 min，20 m/min、運(yùn)動(dòng)至力竭。方劍喬等（2009）采取5 級(jí)遞增跑臺(tái)訓(xùn)練建立運(yùn)動(dòng)性疲勞模型。具體方法如下：前6 天在坡度為5°的跑臺(tái)上，每天分別以10、15、20、24、28 m/min 的速度各運(yùn)動(dòng)10 min，第7 天以28 m/min 的速度持續(xù)運(yùn)動(dòng)至力竭。還有研究采用3 種不同的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度建立了急性運(yùn)動(dòng)疲勞性模型，分別為短時(shí)間大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組（20 min，28 m/min）、長時(shí)間中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組（100 min，18 m/min）和超長時(shí)間中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組（200 min，18 m/min）（田野 等，1995）。大鼠力竭標(biāo)準(zhǔn)為動(dòng)物不能維持跑臺(tái)速度繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，滯留于跑道后擋板不動(dòng)，使用光、電、聲刺激驅(qū)趕無效，并伴有呼吸急促、俯臥跑臺(tái)、垂頭不起等行為表現(xiàn)。由此可見，根據(jù)建模參數(shù)的選擇可建立不同的運(yùn)動(dòng)性疲勞模型（表1）。

表1 不同運(yùn)動(dòng)性疲勞模型的建模參數(shù)Table 1 Modeling Parameters for Different Exercise-Induced Fatigue Models

2.1.2 過度訓(xùn)練模型

為了探究人類過度訓(xùn)練的影響，研究者設(shè)計(jì)了動(dòng)物過度訓(xùn)練的模型。一項(xiàng)研究采取17 周的跑臺(tái)訓(xùn)練建立了過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：第1 周：坡度為5°，10 m/min、20 min；第2 周：坡度為5°，15 m/min、10 min，18 m/min、20 min；第3 周：坡度為5°，18 m/min、15 min，20 m/min、15 min；第4 周：坡度為5°，20 m/min、20 min，22 m/min、20 min；第5 周：坡度為5°，22 m/min、20 min，25 m/min、15 min，28 m/min、15 min；第6 周：坡度為5°，25 m/min、20 min，28 m/min、20 min，30 m/min、20 min；第7 周：坡度為5°，28 m/min、30 min，30 m/min、40 min；第8 周：坡度為5°，30 m/min、30 min；坡度為10°，32 m/min、40 min；第9 周：坡度為10°，32 m/min、70 min；第10 周：坡度為10°，35 m/min、30 min，38 m/min、40 min；第11 周：坡度為10°，38 m/min、30 min，40 m/min、40 min；第12～14周：坡度為10°，40 m/min、40 min，42 m/min、30 min；第15～16周：坡度為10°，42 m/min、30 min，45 m/min、40 min；第17 周：坡度為10°，45 m/min、30 min，48 m/min、40 min（張崇林 等，2011）。另一項(xiàng)研究采取11 周的跑臺(tái)訓(xùn)練建立了過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：第1 周：15 m/min，20 min，1 次/天；第2 周：20 m/min，30 min，1 次/天；第3 周：22.5 m/min，45 min，1 次/天；第4周：25 m/min，60 min，1 次/天；第5～8 周：25 m/min，60 min，1 次/天；第9 周：25 m/min，60 min，2 次/天，1 次間隔4 h；第10 周：25 m/min，60 min，3 次/天，1 次間隔3 h；第11 周：25 m/min，60 min，4 次/天，1 次間隔2 h（Hohl et al.，2009）。此外，一項(xiàng)研究采取8 周遞增負(fù)荷跑臺(tái)訓(xùn)練建立了過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：跑臺(tái)坡度為10°，一般訓(xùn)練（1～4 周）和力竭訓(xùn)練（5～8 周）各4 周，6 天/周。每周的速度與持續(xù)時(shí)間分別為：第1 周：10 m/min，10 min；第2 周：10 m/min、10 min，15 m/min、10 min；第3 周：10、15和20 m/min 各10 min；第4 周以10、15、20、25 m/min 的速度各進(jìn)行10 min 的訓(xùn)練；從第5 周開始，每天分別以15、20 和25 m/min 的速度各運(yùn)動(dòng)10 min，隨后加速至30 和35 m/min 各運(yùn)動(dòng)20 min，并且不斷增加跑臺(tái)速度，直至力竭（鄭陸 等，2000）。徐琳等（2019）也采取8 周遞增負(fù)荷跑臺(tái)訓(xùn)練建立了過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：第1～4 周：坡度為0°，60 min，60%EV；第5周：下坡14%，60 min，60%EV；第6周：下坡14%，60 min，70%EV；第7周：下坡14%，60 min，75%EV；第8 周：下坡14%，60 min，75%EV，訓(xùn)練2 次［EV=V＋（n/b）·a。其中，v 是上一個(gè)完成階段的速度，n 為完成階段的持續(xù)時(shí)間，b 為該階段的持續(xù)時(shí)間，a 是增量速度］。因此，不同的訓(xùn)練方案均可以建立過度訓(xùn)練模型，從訓(xùn)練周期時(shí)長及便于研究出發(fā)，建議研究人員優(yōu)先選擇上述后兩種方案。

2.1.3 高強(qiáng)度間歇性運(yùn)動(dòng)模型

研究多采取跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立動(dòng)物高強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng)模型。一項(xiàng)研究采取12 周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立了該模型。具體方法如下：跑臺(tái)坡度為5°，高速階段以25 m/min 的速度快跑3 min，低速階段以15 m/min 的速度慢跑1 min，重復(fù)10 組，40 min/天，5天/周（張子怡 等，2020）。另一項(xiàng)研究采取8周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立了該模型。具體方法如下：適應(yīng)階段，跑臺(tái)坡度為0°，速度為8.3 m/min，訓(xùn)練2 天。正式訓(xùn)練階段，熱身活動(dòng)以8.3 m/min 的速度運(yùn)動(dòng)4 min，再以跑臺(tái)坡度10°、25 m/min、4 min 和跑臺(tái)坡度0°、8.3 m/min、4 min 重復(fù)7 組，60 min/天，5 天/周（施曼莉 等，2015）。此外，還有研究采取4 周的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)建立了該模型。具體方法如下：1 周的適應(yīng)階段，跑臺(tái)坡度為0°，10 m/min，20 min，1 次/天。正式訓(xùn)練階段，30 m/min、1 min，15 m/min、3 min，重復(fù)3 組，隨后每周比前一周多重復(fù)1 次（王蒙 等，2020）。

通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整可以建立不同的跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型（運(yùn)動(dòng)性疲勞、過度訓(xùn)練和高強(qiáng)度間歇性），研究者可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇和設(shè)計(jì)。目前對(duì)各種跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型的建立尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，還需進(jìn)一步的深入研究。

2.1.4 跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

2.1.4.1 優(yōu)點(diǎn)

1）精確控制運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)量、持續(xù)時(shí)間、坡度、速度和距離，便于變量控制。2）跑臺(tái)設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析效率高。3）跑步機(jī)能在受控條件下測(cè)量運(yùn)動(dòng)和心血管參數(shù)。

2.1.4.2 缺點(diǎn)

1）實(shí)驗(yàn)通常是壓力性的和非生理性的，使用負(fù)面刺激（電擊）導(dǎo)致活動(dòng)模式與正常的小鼠行為相差較大。2）實(shí)驗(yàn)安排在白天，這與鼠類夜間活動(dòng)的晝夜模式相反，可能對(duì)運(yùn)動(dòng)的生理反應(yīng)和分子機(jī)制產(chǎn)生混雜影響。3）跑臺(tái)可能會(huì)難以激勵(lì)動(dòng)物長時(shí)間運(yùn)動(dòng)，并且動(dòng)物可能會(huì)因強(qiáng)行奔跑而遭受身體和心理壓力。

2.1.4.3 適用范圍

跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)屬于有氧運(yùn)動(dòng)的一種，對(duì)動(dòng)物的益處是全身性的。因此，跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可對(duì)研究全身器官的功能、疾病的預(yù)防和治療有積極的作用。國內(nèi)外有研究證實(shí)，長期中等強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)的益處包括延緩機(jī)體的衰老（Kim et al.，2010），減少腫瘤細(xì)胞的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)移（Murphy et al.，2004），改善糖尿病患者的糖代謝和能量代謝紊亂（叢琳等，2001），以及明顯減輕肥胖群體的體質(zhì)量等（陳巍 等，2018）。相比中等強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，高強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)心肺功能有更明顯的影響（Hafstad et al.，2011）。相比低強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，高強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼結(jié)構(gòu)有更明顯的影響（黃偉彥 等，2018）。

2.2 游泳運(yùn)動(dòng)

在游泳運(yùn)動(dòng)中，可通過改變持續(xù)時(shí)間和頻率調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，還可將一定重量的負(fù)荷附加在動(dòng)物的胸部或尾巴上來調(diào)整運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（Gobatto et al.，2001； Voltarelli et al.，2002）。采用游泳運(yùn)動(dòng)形式，也可以模擬人類運(yùn)動(dòng)的一些情況。本研究對(duì)游泳模型中通過調(diào)整參數(shù)所衍生的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行分別闡述。

2.2.1 運(yùn)動(dòng)性疲勞模型

有研究通過游泳訓(xùn)練建立運(yùn)動(dòng)性疲勞模型。具體方法如下：首先對(duì)實(shí)驗(yàn)大鼠進(jìn)行3 天的適應(yīng)性游泳訓(xùn)練，1 次/天，20 min/次。正式訓(xùn)練前7 天采取的訓(xùn)練模式為1 次/天，3 h/次，后3 天采取的訓(xùn)練模式為2 次/天，3 h/次，每次間隔時(shí)間為6 h。在游泳過程中，當(dāng)大鼠出現(xiàn)反復(fù)下沉?xí)r，將其取出游泳池休息3 min 后，再放入游泳池中繼續(xù)游泳，使其游泳時(shí)間不少于3 h（侯莉娟 等，2005）。采用該方法可以模擬人類運(yùn)動(dòng)性疲勞的狀態(tài)。

2.2.2 力竭運(yùn)動(dòng)模型

一項(xiàng)研究通過8 周遞增游泳訓(xùn)練建立了力竭運(yùn)動(dòng)模型。具體方法如下：正式訓(xùn)練采取5 天/周，1 次/天，第1 次訓(xùn)練10 min，此后逐日增加，1～3 周周末的時(shí)間分別為30、60、120 min/天。第4 周開始高強(qiáng)度訓(xùn)練：大鼠尾部增加0.5%體質(zhì)量的負(fù)荷，120 min/天，第4 周周末增加重量達(dá)到體質(zhì)量的1%，第5 周周末增加達(dá)到體質(zhì)量的2%。第6周周末起每天上、下午各訓(xùn)練1 次，上午增加2%的體質(zhì)量游2 h，下午增加3%～7%的體質(zhì)量游2 h。如發(fā)現(xiàn)有力竭表現(xiàn)（在水下維持10 s 不能上浮），將其取出水面休息5 min 后繼續(xù)訓(xùn)練直至2 h。第7～8 周時(shí)，夜間再訓(xùn)練1 次，同樣增加3%～7%體質(zhì)量的負(fù)荷，持續(xù)游泳至力竭，訓(xùn)練2 h，大鼠訓(xùn)練滿8 周后，次日上午繼續(xù)按第8 周安排方案訓(xùn)練，增加2%的體質(zhì)量游完2 h （毛杰，2004）。另一項(xiàng)研究采取6 周的遞增負(fù)荷建立力竭運(yùn)動(dòng)模型。具體方法如下：前3 周通過增加游泳時(shí)間來提高運(yùn)動(dòng)負(fù)荷（第1 周為5～30 min，第2 周為30～60 min，第3 周為60～120 min）；后3 周固定運(yùn)動(dòng)時(shí)間增加負(fù)重（第4 周負(fù)重1%～2%體質(zhì)量，第5 周負(fù)重2%～4%體質(zhì)量，第6 周負(fù)重4%～6%體質(zhì)量），6 天/周（佟強(qiáng) 等，2016）。由此可見，游泳訓(xùn)練也可以建立力竭運(yùn)動(dòng)模型。

2.2.3 過度訓(xùn)練模型

有研究采取8 周的訓(xùn)練建立過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：前3 天適應(yīng)性游泳30 min，并在1 周內(nèi)增加時(shí)間至120 min，訓(xùn)練1周后，對(duì)大鼠進(jìn)行力竭性游泳訓(xùn)練，1次/天，6 天/周，持續(xù)4 周。最后2 周，每天早、晚各1 次，每周6 天，對(duì)于在短時(shí)間內(nèi)力竭的大鼠，撈出休息5 min 后再進(jìn)行游泳訓(xùn)練，使訓(xùn)練時(shí)間不少于2 h（李寧川 等，2000）。還有研究采取6 周的訓(xùn)練建立過度訓(xùn)練模型。具體方法如下：在鼠尾部增加負(fù)重（體質(zhì)量的50%），1 次/天，180 min/次，6 天/周，持續(xù)訓(xùn)練6 周（張志勝 等，1999）。游泳方式的過度訓(xùn)練模型也可以模擬人類的活動(dòng)。

除了跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)模型，通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整也可以建立不同的游泳運(yùn)動(dòng)模型（運(yùn)動(dòng)性疲勞、過度訓(xùn)練和力竭運(yùn)動(dòng)），兩者之間的比較見表2。

表2 跑臺(tái)與游泳運(yùn)動(dòng)模型（運(yùn)動(dòng)性疲勞、過度訓(xùn)練、力竭運(yùn)動(dòng)）的比較Table 2 Comparison of Treadmill and Swimming Exercise Models （Exercise-Induced Fatigue，Overtraining，Exhaustive Exercise）

2.2.4 游泳運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍

2.2.4.1 優(yōu)點(diǎn)

1）鼠類具有先天的游泳能力，在進(jìn)行游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)一般不表現(xiàn)出強(qiáng)烈的抵觸行為。2）游泳訓(xùn)練易維持較高水平的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，而所需設(shè)備大多簡便易得。3）可同時(shí)進(jìn)行相對(duì)大量的動(dòng)物訓(xùn)練，而不必依賴動(dòng)物的自我激勵(lì)。

2.2.4.2 缺點(diǎn)

1）由于缺乏分級(jí)的運(yùn)動(dòng)量，導(dǎo)致量化運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度困難。2）水環(huán)境可能會(huì)給動(dòng)物增加額外的壓力，例如，與潛水有關(guān)的缺氧、不適感和溺水的恐懼，而低水溫可能導(dǎo)致神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)和血液動(dòng)力學(xué)的變化（Kioukia-Fougia et al.，2002）。

2.2.4.3 適用范圍

游泳運(yùn)動(dòng)屬于有氧運(yùn)動(dòng)，不僅可以作為一種訓(xùn)練手段，還有利于疾病的恢復(fù)。例如，作為訓(xùn)練手段對(duì)骨骼適應(yīng)性（步斌，2005）、骨骼肌適應(yīng)性（黃文聰 等，2008）、心臟適應(yīng)性（Wang et al.，2008） 以及大腦可塑性（馬春蓮 等，2018）等有作用；對(duì)多種疾病如抑郁癥（Suvrathan et al.，2010）、高血壓（Cardoso et al.，2014）、糖尿病（張?zhí)?等，2016）和阿爾茨海默病（劉濤，2012）也有作用。

2.3 自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)

有研究表明，使用能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)的籠子，鼠類則會(huì)自發(fā)奔跑（Allen et al.，2001； Lerman et al.，2002； Swallow et al.，1998），在野生小鼠中也觀察到這種行為（Meijer et al.，2014）。小鼠受玩耍、逃跑和代謝驅(qū)動(dòng)而奔跑，這是有益行為，因此自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)被研究者選為另一種運(yùn)動(dòng)模型。目前發(fā)現(xiàn)，小鼠自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)的特征是間歇性的，類似于人類的間歇訓(xùn)練，因此可模擬人類間歇運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

有研究發(fā)現(xiàn)，小鼠在黑暗周期開始后立即奔跑。奔跑活動(dòng)在黑暗周期最初2～3 h 達(dá)到峰值，并逐漸降低（Bartling et al.，2017； De Bono et al.，2006）。目前發(fā)現(xiàn)，小鼠每天總跑步時(shí)間和總距離之間的差異可能受年齡、性別、品系和環(huán)境等影響。有研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同品系的小鼠每天跑步速度和總跑步距離各不相同，其中C57L/J小鼠的跑動(dòng)比其他品系快，因此在選擇動(dòng)物模型時(shí)要綜合考慮品系運(yùn)動(dòng)差異（Lightfoot et al.，2004）。此外，雌性小鼠的每周跑步距離大于雄性小鼠，老年小鼠的日常活動(dòng)明顯少于年輕小鼠（Bartling et al.，2017）。研究還證明，小鼠較喜歡以 “巡航速度”（接近其最大速度）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)（De Bono et al.，2006）。因此，這種參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能優(yōu)于傳統(tǒng)方法（平均速度），而且還可以將跑步速度較快的小鼠替代跑步距離較長的小鼠 （Swallow et al.，2005）。

目前，在參數(shù)控制上，主要研究動(dòng)物自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)的長期效應(yīng)，對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)距離等指標(biāo)一般不做干預(yù)，僅將運(yùn)動(dòng)的總持續(xù)時(shí)間作為控制因素（Allen et al.，2001），最大程度依靠動(dòng)物的自愿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2.3.1 自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)

1）運(yùn)動(dòng)方式類似于小鼠的自然跑步行為。2）可根據(jù)動(dòng)物的正常晝夜節(jié)律在非應(yīng)激條件下進(jìn)行。3）不需要研究人員的直接干預(yù)，且易于長期實(shí)驗(yàn)研究。4）允許動(dòng)物在籠內(nèi)無應(yīng)激的環(huán)境中活動(dòng)，對(duì)技術(shù)要求需求較少。

2.3.2 自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)模型的缺點(diǎn)

1）不同年齡、性別、品系的小鼠運(yùn)動(dòng)水平各不一致，對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。2）除了飲食干預(yù)外，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間不能精確控制。3）可能會(huì)折斷腳趾甲或擦傷。

2.3.3 自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)模型的適用范圍

自愿轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)屬于有氧運(yùn)動(dòng)的一種，通常適合研究運(yùn)動(dòng)的長期效應(yīng)。例如，慢性適應(yīng)性變化（Manzanares et al.，2019）、慢性疾病（Goh et al.，2013）、行為學(xué)研究（Bartling et al.，2017； Koteja et al.，1999）、認(rèn)知功能（Lee et al.，2012）、心臟適應(yīng)性（Konhilas et al.，2004）、骨骼肌適應(yīng)性（Pellegrino et al.，2005）、肥胖癥（Goh et al.，2013）、杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Call et al.，2010）、阿爾茨海默病（張楠等，2017）、抑郁癥（崔建梅 等，2014）和中風(fēng)等（Ke et al.，2011）。

2.4 舉重運(yùn)動(dòng)

大鼠舉重運(yùn)動(dòng)模式常用于研究長時(shí)間的耐力和力量訓(xùn)練下肌肉和骨骼變化。對(duì)動(dòng)物而言，舉重運(yùn)動(dòng)模式不是自愿的，需要通過一些刺激和獎(jiǎng)勵(lì)來促使動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同的誘導(dǎo)方式，可分為以下幾種不同的舉重訓(xùn)練模式。

有研究對(duì)大鼠下肢肌肉進(jìn)行電刺激以使其抵住滑輪桿進(jìn)行舉重運(yùn)動(dòng)。在訓(xùn)練期間，對(duì)其采用低頻重復(fù)、高訓(xùn)練負(fù)荷的訓(xùn)練方案。在給定的負(fù)荷下完成的動(dòng)作連續(xù)3個(gè)訓(xùn)練階段達(dá)到穩(wěn)定水平，再以100 g 的增量逐漸增加，每次訓(xùn)練4 組，每組6 次。每隔20 s 重復(fù)1 次，每組之間休息5 min，共持續(xù)16 周。研究發(fā)現(xiàn)，受刺激的負(fù)重腿部腓腸肌濕重增加了18%。該模型為進(jìn)一步研究舉重運(yùn)動(dòng)引起骨骼肌增大提供了思路。這種模型的不足之處是使用電刺激誘導(dǎo)會(huì)不自主的使肌肉收縮，訓(xùn)練過程中大鼠的心理和精神創(chuàng)傷較大，并且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄需要花費(fèi)大量的時(shí)間（Wong et al.，1988）。另一項(xiàng)研究將雙極電極植入大鼠顱內(nèi)進(jìn)行自我刺激來進(jìn)行舉重運(yùn)動(dòng)。大鼠穿著一定重量的外套，起始阻力為大鼠體質(zhì)量的5%～10%。在隨后的每個(gè)星期開始時(shí)，阻力逐漸增加。在訓(xùn)練期結(jié)束時(shí)，大鼠舉起起始重量的550%以上。訓(xùn)練方案5 天/周，持續(xù)10 周。該模型將運(yùn)動(dòng)與積極激勵(lì)相結(jié)合，具有相對(duì)容易實(shí)施且不會(huì)在動(dòng)物體內(nèi)產(chǎn)生任何明顯的身體或精神創(chuàng)傷的優(yōu)點(diǎn)，不足之處是大鼠需做開顱手術(shù)并植入電極（Garner et al.，1991）。

同上述舉重運(yùn)動(dòng)中采用電刺激相反，在另外幾種舉重運(yùn)動(dòng)模型中產(chǎn)生了可長期維持的自發(fā)性肌肉運(yùn)動(dòng)。其中一項(xiàng)研究誘使大鼠抬起腳尖來得到頭頂?shù)氖澄镞M(jìn)而完成一次訓(xùn)練。在36 周內(nèi)，杠桿上的重量增加了85%。對(duì)于訓(xùn)練后大鼠的左右下肢比目魚肌重量分別比對(duì)照組增加了31%和34%。同樣，左右肢的足底屈肌也增加了24%。該模型的明顯優(yōu)勢(shì)在于能夠在訓(xùn)練后肌肉重量和張力產(chǎn)生變化。不足之處是大鼠必須在禁食保持饑餓狀態(tài)才可能愿意進(jìn)行訓(xùn)練（Klitgaard，1988）。另一項(xiàng)研究通過操作性調(diào)節(jié)程序和食物獎(jiǎng)勵(lì)來進(jìn)行訓(xùn)練。為了保持目標(biāo)體質(zhì)量，要在籠子內(nèi)調(diào)整大鼠標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室食物的每日定量。實(shí)驗(yàn)將大鼠分為負(fù)重70 g 組和700 g 組。在初步訓(xùn)練后，這些大鼠就能夠通過其全部位移抬起負(fù)荷，并在數(shù)次連續(xù)的訓(xùn)練中保持穩(wěn)定的速度（70 g 組中穩(wěn)定在100 次，700 g 組中穩(wěn)定在80 次）。大鼠進(jìn)行了適應(yīng)訓(xùn)練后，在之后的幾周內(nèi)，舉重模式呈穩(wěn)定狀態(tài)。而且，這種模型是自愿和無創(chuàng)的，并且非常適合研究圍繞重復(fù)性抗阻鍛煉對(duì)生理的影響（Wirth et al.，2003）。還有研究作出進(jìn)一步改進(jìn)，該模型不使用禁食或電擊作為鍛煉的刺激，鼓勵(lì)動(dòng)物通過短期的能量限制和干擾刺激運(yùn)動(dòng)，而且這些刺激不會(huì)促進(jìn)體質(zhì)量的改變。此模型還將聲音設(shè)備集成到調(diào)節(jié)過程中，可以優(yōu)化運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的性能。動(dòng)物的調(diào)整完全取決于光線、聲音和氣味的變化。并且可以準(zhǔn)確控制運(yùn)動(dòng)變量（數(shù)量、強(qiáng)度和休息間隔），這種抗阻訓(xùn)練設(shè)備更接近于人類觀察到的生理環(huán)境（Nicastro et al.，2012）。

2.4.1 舉重運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)

1）與人類抗阻運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。2）運(yùn)動(dòng)變量比較容易控制。3）對(duì)研究骨骼肌（肥大、萎縮、代謝）方面起著必不可少的作用。

2.4.2 舉重運(yùn)動(dòng)模型的缺點(diǎn)

1）非自愿運(yùn)動(dòng)，動(dòng)物容易產(chǎn)生應(yīng)激和不合作。2）可能需要負(fù)面刺激（禁食、電擊）來維持運(yùn)動(dòng)。3）需要專用的訓(xùn)練設(shè)備。4）動(dòng)物在訓(xùn)練前需要一定階段的時(shí)間適應(yīng)訓(xùn)練模式。

2.4.3 舉重運(yùn)動(dòng)模型的適用范圍

舉重運(yùn)動(dòng)是抗阻運(yùn)動(dòng)的一種，重點(diǎn)研究其對(duì)骨骼肌和心臟的影響。例如，骨骼肌肥大（Tamaki et al.，1992）、心臟功能（Ahmadiasl et al.，2012）、心肌肥大（Barauna et al.，2007）。

2.5 爬梯運(yùn)動(dòng)

目前，已經(jīng)開發(fā)出了若干動(dòng)物模型用于抗阻訓(xùn)練，并旨在模仿人類抗阻運(yùn)動(dòng)中所表現(xiàn)出的骨骼肌生理效應(yīng)（Klitgaard，1988； Tamaki et al.，1992； Wong et al.，1988；Yarasheski et al.，1990）。其中一些研究使用負(fù)面強(qiáng)化，如電擊或禁食來激發(fā)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)（Klitgaard，1988； Tamaki et al.，1992）。而通過電刺激誘發(fā)訓(xùn)練可能會(huì)破壞結(jié)果的可靠性，甚至?xí)柚鼓Ｐ偷某晒?zhí)行。目前有研究證明了拒絕在跑步機(jī)上跑步且未經(jīng)訓(xùn)練的老鼠會(huì)在梯子進(jìn)行爬坡運(yùn)動(dòng)，且V˙O2與爬梯速度成線性關(guān)系。同時(shí)證明了爬梯是鍛煉大鼠較好的方法之一，其依從率較高，可重復(fù)性強(qiáng)，并且在這種鍛煉方式中會(huì)出現(xiàn)與人類相同的生理反應(yīng)（Norton et al.，1990）。因此，研究人員開發(fā)了一種能夠模仿人類漸進(jìn)式抗阻運(yùn)動(dòng)的動(dòng)物模型——爬梯式抗阻運(yùn)動(dòng)。

已有研究通過不同的爬梯運(yùn)動(dòng)模型訓(xùn)練大鼠后肢骨骼肌肥大和力量。一項(xiàng)研究訓(xùn)練大鼠爬上40 cm 的垂直梯子，同時(shí)逐漸增加固定在尾巴上的重量。訓(xùn)練持續(xù)26 周，4 天/周，12～15 次/組，4 組/天或一次訓(xùn)練重復(fù)4 組。大鼠最多可承受800 g 或其各自體質(zhì)量140%的負(fù)荷。這種長期的抗阻訓(xùn)練可增強(qiáng)肌肉耐力和肌肉疲勞的抵抗力，但沒有明顯增加肌肉肥大，也沒有增加趾長伸肌或比目魚肌的最大力量（Duncan et al.，1998）。另一項(xiàng)研究則相反，正式訓(xùn)練前大鼠要在傾斜80°的梯子（長110 cm×寬18 cm）上進(jìn)行適應(yīng)性訓(xùn)練，3 次/天，共3 天。在此期間，將大鼠放置在梯子頂部的收容室內(nèi)60 s，然后放在梯子的底部。在第二項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，將大鼠放在梯子的中間長度上。在最后一次試驗(yàn)，大鼠爬完整個(gè)梯子并記錄了所耗費(fèi)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)組接受負(fù)荷試驗(yàn)，持續(xù)8 周，每周5 次，將負(fù)荷50 mL 錐形管固定在大鼠的尾巴上。實(shí)驗(yàn)證明，漸進(jìn)式抗阻訓(xùn)練的小鼠表現(xiàn)出趾長屈肌肌纖維肥大，并改善了海馬依賴性記憶任務(wù)（Cassilhas et al.，2012）。與此不同，Hornberger 等（2004）采取高強(qiáng)度漸進(jìn)式阻力訓(xùn)練，每3 天訓(xùn)練1 次，持續(xù)8 周。適應(yīng)性訓(xùn)練3 天后進(jìn)入正式訓(xùn)練，訓(xùn)練大鼠4～9 次爬梯，在最初的4 次爬梯過程中，大鼠分別承載了之前最大承載能力的50%、75%、90%和100%。在隨后的爬梯過程中，逐漸增加30 g 的額外負(fù)荷，直至達(dá)到大鼠新的最大承受能力為止。研究發(fā)現(xiàn)，拇長屈肌（FHL）質(zhì)量增加了23%，F(xiàn)HL的峰值強(qiáng)直張力增加了20%。組數(shù)、休息時(shí)間和訓(xùn)練頻率與典型的人類抵抗運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練計(jì)劃非常相似，且觀察到許多與人類進(jìn)行性抵抗運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練參數(shù)和生理適應(yīng)性。

2.5.1 爬梯運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)

1）與人類漸進(jìn)式抗阻運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。2）一般不需要負(fù)面刺激（電擊）驅(qū)使動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。3）訓(xùn)練設(shè)備簡便可得且成本較低。

2.5.2 爬梯運(yùn)動(dòng)模型的缺點(diǎn)

1）適應(yīng)后可能對(duì)動(dòng)物的壓力較大。2）運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度逐步加大，對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生心理和身體上的壓力。3）訓(xùn)練過程中需要人工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄運(yùn)動(dòng)量（表3）。

表3 爬梯與舉重運(yùn)動(dòng)模型的比較Table 3 Comparison of Stair Climbing and Weightlifting Model

2.5.3 爬梯運(yùn)動(dòng)模型的適用范圍

爬梯運(yùn)動(dòng)也是抗阻運(yùn)動(dòng)，研究多圍繞對(duì)骨骼和骨骼肌結(jié)構(gòu)和功能的影響。例如，骨骼生長（Ahles et al.，2013）、骨骼肌肥大（Hornberger et al.，2004）、認(rèn)知功能（Cassilhas et al.，2012）和糖尿病（Sanches et al.，2014）。

2.6 電刺激運(yùn)動(dòng)

除了以上較為自然的運(yùn)動(dòng)模型外，還有研究者從電生理學(xué)角度開發(fā)了更為特殊的動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型——電刺激運(yùn)動(dòng)模型。電刺激運(yùn)動(dòng)模型是指向肌肉內(nèi)植入電刺激器從而導(dǎo)致非自愿的肌肉收縮（Ambrosio et al.，2012； Ljubicic et al.，2005）。在這種運(yùn)動(dòng)模型中，可以激活特定的肌肉群而不是整個(gè)小腿，并且由于該模型中有對(duì)照肌肉，因此可獲得定量的結(jié)果（Baar et al.，1999）。

有研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4 周的神經(jīng)肌肉電刺激（NMES）后，鼠的強(qiáng)直性收縮增加了約30%。NMES 鼠模型可促進(jìn)骨骼肌血管生成和增強(qiáng)，但不會(huì)引起骨骼肌損傷（Ambrosio et al.，2012）。另有研究表明，長期電刺激的作用與耐力鍛煉并無不同，且電刺激模式避免了意志的局限性和生理性募集順序。與經(jīng)受相同的連續(xù)低頻脈沖序列的肌肉相比，高頻刺激模式的肌肉將具有更大的質(zhì)量和橫截面積，并產(chǎn)生更大的力（Salmons，2009）。

2.6.1 電刺激運(yùn)動(dòng)模型的優(yōu)點(diǎn)

1）可用于控制對(duì)側(cè)肌肉。2）定量且高度可重復(fù)的結(jié)果。3）不需要?jiǎng)游锏呐浜稀?）能最大程度地激活所有運(yùn)動(dòng)單元。

2.6.2 電刺激運(yùn)動(dòng)模型的缺點(diǎn)

1）需要手術(shù)和重復(fù)麻醉，可能會(huì)影響動(dòng)物的生理。2）肌肉收縮不是生理性的，影響結(jié)果的可靠性。3）高頻刺激肌肉纖維可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。

2.6.3 電刺激運(yùn)動(dòng)模型的適用范圍

電刺激模式應(yīng)用最多的是對(duì)骨骼肌的影響。例如，骨骼肌肥大（Baar et al.，1999）、肌肉功能（Pette et al.，1999）、肌肉損傷和炎癥的恢復(fù)（Ambrosio et al.，2012； Ljubicic et al.，2005）、神經(jīng)肌肉的疾病肌肉收縮等（Ambrosio et al.，2012）。

3 小結(jié)與展望

不同運(yùn)動(dòng)模型有各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)和改進(jìn)各種動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模型，以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性和成本效益，同時(shí)節(jié)省研究人員的勞動(dòng)力，這是目前亟待解決的問題。在選擇和開發(fā)動(dòng)物模型時(shí)，應(yīng)牢記影響運(yùn)動(dòng)結(jié)果的多種因素。例如：動(dòng)物的晝夜節(jié)律，負(fù)面刺激，動(dòng)物品系、性別和年齡等。當(dāng)前，還沒有任何一種運(yùn)動(dòng)模型或任何一種運(yùn)動(dòng)方案能夠?qū)?shí)驗(yàn)對(duì)象產(chǎn)生最優(yōu)的效果，這需要研究人員對(duì)每種運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行對(duì)比來調(diào)整運(yùn)動(dòng)方案，并不斷改進(jìn)運(yùn)動(dòng)模型，最終開發(fā)出能夠模擬人類運(yùn)動(dòng)的理想化運(yùn)動(dòng)模型。