研究目的:适宜运动使机体产生良好适应,根据应激适应理论,可以说应激是机体产生适应的基础。中枢神经系统的海马脑区是应激的敏感部位,应激则可能引致海马的损伤发生。应激过程中以肾上腺皮质激素增多为主要特征,海马中含有丰富的糖皮质激素受体,在神经元兴奋性双向调节、细胞凋亡、突触长时程增强及学习和记忆形成中均有重要作用,应激引起海马糖皮质激素受体变化,通过激素反应元件影响蛋白质合成、海马神经元兴奋性的改变等。海马内有丰富的谷氨酸能神经元,神经元释放兴奋性氨基酸,通过NMDA受体影响细胞膜对离子的通透性,尤其是钙离子的通透性,正常的NMDA受体活性和海马神经内的钙离子水平是海马学习和记忆的基础;在严重应激损伤时兴奋性氨基酸或NMOA受体活性加大,引起细胞内及线粒体内的钙离子超载,钙离子超载则引起氧化磷酸化脱偶联等效应,产生自由基,而自由基又会进一步引起组织的氧化损伤,即氧化应激。钙离子、活性氧则迅速启动神经的保护机制,如核因子kappa B、雌激素等。雌激素自身即具有抗氧化作用,是一种抗氧化剂;同时,雌激素通过非基因组(快速)和基因组机制(慢速)起到神经保护作用,并可能对HPA轴起到调节作用,应对机体的应激状态。本研究旨在通过游泳这一运动模式,以水环境为参照,观察环境及运动对海马功能相关指标及应激反应的HPA轴激素的影响,探讨应激对海马功能的影响,以及海马神经保护和对HPA轴的可能调节机制,为运动性中枢疲劳理论的发展提供依据。研究方法:研究选用雄性SD大鼠进行实验,分别观察急性(一次)运动、经过耐力训练过的大鼠进行急性运动的效应。实验设计几个不同的时间观测点,即运动15min、运动至力竭后即刻、运动至力竭后1hr、运动至力竭后24hr。相应的参照组大鼠以水环境暴露,也类似设立急性(一次)水环境及长期水环境,取样也设为相同的4个点。实验进行中使用两个独立的水池,耐力训练大鼠进行游泳的同时,参照组大鼠则同时浸于水中(自由),以尽量减少非实验施加因素的影响,如水温、激素的生物节律等,但参照组的水深仅为大鼠直立后达耳下缘左右(约15-20cm)。以本实验室创立的大鼠负重游泳乳酸阈强度模型建立的强度进行耐力训练和力竭性运动强度设定。测试大鼠的血红蛋白、力竭游泳能力及乳酸阈强度的提高为模型建立成功的考察指标。实验采用放射免疫法测定了大鼠部分激素含量,包括下丘脑中的促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)、皮质酮、雌二醇;血清中的促肾上腺皮质激素、皮质酮、睾酮。观察了海马CA1区神经元的细胞体的电镜超微结构。采用顺磁共振自旋捕获技术测定了海马CA1区羟自由基信号强度。采用western blot法测定了海马糖皮质激素受体(GR)、雌激素受体alpha(ERα)、核因子kappa B(NF-κB)、N-甲基-D-天门冬氨酸受体2A亚型(NMDAR2A)、钙调蛋白激酶Ⅱalpha亚型(CaMKⅡα)。研究结果:1、动物运动模型。每周6次,每次30min以乳酸阈强度90%负重游泳6周后,大鼠游泳到达力竭的时间显著延长(训练过的大鼠44.42±32.29min,未训练过的大鼠21.32±20.12min,p＜0.05);训练大鼠血红蛋白含量显著性高于未训练大鼠(训练过的大鼠146.08±7.35g/L,未训练过的大鼠134.50±8.33g/L,p＜0.05)。2、海马CA1区锥体细胞形态。急性、慢性水环境及急性、慢性运动作用均可能引起其超微结构的变化。其变化程度有所不同,均未见有明显的核固缩、核碎裂及核溶解等细胞凋亡的典型表现。急性水环境因素作用下,大鼠海马CA1区锥体细胞形态发性改变,如细胞外膜不清,细胞内细胞器也发生损伤,如核膜消失、线粒体空泡化现象等。从急性水环境作用时间看,急性水环境作用15min和作用后1hr,细胞的受损状况更为严重,而在急性环境因素后即刻和24hr受损则小于15min和1hr大鼠的情况。慢性水环境与急性影响结果类似。急性运动因素作用下,大鼠海马CA1区锥体细胞形态发性改变,细胞外膜和核膜的变形,内质网和线粒体肿胀等。急性运动作用后即刻和之后的1hr,细胞受损情况最为严重,之后的24hr,细胞形态已经基本正常化。慢性运动因素作用下,大鼠海马CA1区锥体细胞结构变形最大的是运动15min和运动后24hr,在运动后即刻及1hr,其受损状况反而相对来说较小。3、海马羟自由基。长期水环境影响的大鼠再施加急性水环境因素与未进行水预适应的大鼠施加急性水环境因素,以及耐力训练大鼠和未进行过耐力训练的大鼠进行急性力竭运动时,从各因素作用的总体看海马羟自由基信号强度无显著性差异,水环境和运动对海马羟自由基的影响具有同一性;但耐力训练大鼠力竭运动后即刻海马羟自由基强度显著性高于未训练大鼠运动后即刻大鼠,与之相对应的长期水环境大鼠在水环境作用后即刻与水预适应大鼠水环境后即刻比没有差异。4、激素。各组大鼠下丘脑CRH无显著性差异,但仍可见耐力训练过的大鼠在力竭后即刻下丘脑CRH均数高于未训练大鼠力竭运动后即刻(无显著性差异)。耐力运动大鼠下丘脑皮质酮整体上显著性高于长期水环境大鼠;训练和未训练过的大鼠在力竭性运动后即刻下丘脑皮质酮均显著性高于各自的运动15min大鼠;未训练过的大鼠运动后1hr下丘脑皮质酮就显著性低于运动后即刻,而耐力训练大鼠则依然保持较高的下丘脑皮质酮水平。各组大鼠血清ACTH无显著性差别。血清皮质酮,各组大鼠在水或运动因素作用后即刻显著低于15分时,因素作用后1hr显著高于即刻值。以所有大鼠下丘脑皮质酮含量与血清皮质酮浓度作相关分析发现,下丘脑皮质酮含量与血清皮质酮呈弱的负相关关系,R=-0.228,p＜0.05。下丘脑雌二醇,耐力训练大鼠和长期水环境大鼠均较一次水环境或一次运动大鼠高,但只有长期水环境大鼠与一次水环境大鼠比有显著性差异;一次水环境、长期水环境后急性水环境、一次运动和耐力训练大鼠急性运动后即刻、1hr和24hr均显著性高于各自15min,运动后直至24hr均处于高水平。一次水环境组大鼠血清睾酮显著性高于长期水环境、急性运动和耐力训练大鼠急性运动组。各组大鼠运动后24hr血清睾酮达最高值,差异具有显著性。5、海马相关信号蛋白含量。海马雌激素受体α水平,一次水环境、长期水环境和一次运动大鼠在相应作用因素后即刻均显著性高于15min时、以及之后的1hr及24hr,而耐力训练大鼠在运动后即刻是下降趋势,运动后24hr升高。耐力训练大鼠海马糖皮质激素受体在相同的采样时间点时均有低于其它各处理因素大鼠的趋势,但无显著性差异。海马NF-κB整体上各处理因素和采样时间点间无显著性差异,但一次水环境后即刻显著性低于一次水环境后1hr和24hr,并且显著性低于同样是即刻状态的长期水环境大鼠、一次运动大鼠和耐力训练大鼠;运动后24hr,耐力训练大鼠海马NF-κB显著性高于未训练大鼠;同时,未训练大鼠运动后即刻最高,而耐力训练大鼠则是运动后24hr最高。海马NMDAR2A含量,耐力训练大鼠整体上显著性高于一次运动大鼠,耐力训练大鼠力竭运动后即刻显著性高于长期水环境大鼠;耐力训练和未训练大鼠运动后即刻均高于各自的后1hr和24hr水平。CaMKⅡα水平,从整体看,一次急性运动与一次水环境大鼠存在显著性差异,长期水环境大鼠与一次水环境大鼠存在显著性差异,因素后24hr与因素作用后即刻和之后1hr有显著性差异;耐力训练大鼠运动后24hr水平显著性高于长期水环境24hr组和未训练大鼠运动力竭后24hr组。6、相关性分析。大鼠力竭游泳时间与下丘脑CRH和海马ERα相关,偏相关系数分别为0.573,p＜0.001:-0.584,p＜0.001。其它具有显著性的两变量pearson相关有:NF-κB与CaMKⅡα相关(r=0.253,p＜0.05),ERα与GR、下丘脑雌二醇、下丘脑皮质酮(r=0.428,p＜0.001;r=-0.250,p＜0.05;r=-0.219,p＜0.05),海马羟自由基信号强度与血清睾酮、血清皮质酮(r=0.232,p＜0.05;r=-0.443,p＜0.001),血清皮质酮与下丘脑皮质酮(r=-0.220,p＜0.05),下丘脑内皮质酮与CRH(r=0.214.p＜0.05)。结论:1)HPA轴激素相互调节中CRH和下丘脑皮质酮起重要作用,而非血清皮质酮;下丘脑应激增高(皮质酮增高),伴随雌二醇生成增多。下丘脑皮质酮和血清皮质酮含量呈负相关关系,尚需进一步研究。2)海马超微结构可因环境和游泳运动刺激发生改变,其变化可在不长的时间内恢复,可能不是损伤性变化,更可能是学习和记忆或适应过程中的一个阶段表现。3)海马对HPA轴的负反馈调节与海马的整体机能状况有关,海马ERα和羟自由基与HPA的负反馈调节有关。CaMKⅡα可能与HPA轴下游激素有关,并影响海马在应激时的机能。4)海马NF-κB可能起到的神经保护作用,在运动性疲劳发生时(本研究的力竭运动)并不具重要意义,其意义在于修复和恢复过程,这对于运动训练的适应机制的研究十分重要。5)海马ERα直接与运动能力有关,ERα含量越高,运动能力越低(可能是提供此直接证据的首次报道)。下丘脑CRH与运动能力正相关,CRH含量越高,运动能力越强。