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【摘要】 目的：探讨力竭运动中枢单胺类神经递质的代谢变化特点，以期为运动疲劳的中枢机制提供一定实验室依据。方法：4月龄C57/BL小鼠，随机分为安静对照组（SC组）和一次性游泳力竭组（SE组）。力竭游泳即刻取材（皮层、下丘脑、纹状体、海马、脑干和小脑）六个脑区，高功率微波灭活脑组织相关酶类；HPLC测定去甲肾上腺素（NE）、多巴胺（DA）及其代谢产物多巴克（DOPAC）、5羟色胺（5-HT）、5-羟吲哚乙酸（5-HIAA）含量。结果：力竭时皮层、海马和脑干NE含量较安静时明显增加（P<0.05），而下丘脑、纹状体和小脑NE含量有降低趋势。海马、脑干组织DA含量力竭时极显著增加（P<0.01），皮层、纹状体区仅有增加趋势，而下丘脑DA含量较安静时有降低趋势；DA的代谢产物DOPAC仅在脑干有明显增加。各脑区力竭时5-HT均较安静时明显增加（P<0.05），其代谢产物5-HIAA在皮层、下丘脑及小脑也增加显著（P<0.05）。结论：运动至力竭过程中各脑区单胺类神经元激活程度不相同，其中5-HT和NE可以作为中枢皮层疲劳的一个标志。
【关键词】 力竭运动； 去甲肾上腺素； 多巴胺； 5羟色胺
单胺类中枢神经递质在运动过程中起着非常重要的作用，它们与运动能力的提高、肌肉协调性的保持有密切的关系，并且也是运动疲劳重要的中枢机制之一[1]。早期的动物实验就发现DA减少会导致运动能力下降和情绪抑制[2-3]。本实验室之前利用高功率微波发射技术即刻失活脑内糖原分解和合成酶后，检测发现一次力竭后伴血糖水平下降，脑组织葡萄糖水平明显降低，同时储存于星形胶质细胞中的脑糖原含量也显著下降，但不同的脑区存在一定的差异。目前运动与各种神经递质之间关系的综述性报道较多[1]，涉及力竭运动中枢各脑区神经递质变化的研究较少。而中枢各脑区递质分布与其功能是密切相关的，传统检测方法在组织取材过程中极易使递质氧化而影响检测结果。故本实验采用高功率的微波发射处理脑组织，即刻失活脑组织的酶类，进而检测力竭运动后不同脑区单胺类神经递质的变化特点，为运动疲劳的中枢机制研究提供一定实验室依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器 NE、DOPAC、DA、5-HT和5-HIAA标准品（Sigma），其余试剂为国产分析纯。主要仪器微波炉、解剖显微镜、高效液相色谱系统。
1.2 实验方法
1.2.1 力竭模型 4月龄SPF级C57/BL小鼠，雌雄各半，体重（22±0.5）g，北京维通利华实验动物有限公司（合格证号：SCXK（京）2007-0001）。国家标准啮齿动物饲料喂养，昼夜节律人工控制光照（光照时间6：00～18：00），环境22～24 ℃，相对湿度50%～65%。本动物实验经由北京实验动物福利伦理委员会北京体育大学分会批准。小鼠适应性喂养3 d后进行适应性游泳训练，10 min/d，共3 d。筛选能较好适应负重（约自身体重5%）游泳训练的小鼠32只，随机分为安静对照组（SC组）和一次性游泳力竭运动组（SE组），每组16只，雌雄各半。一次性负重力竭游泳运动实验过程中不停用棍棒驱赶，力竭标准为小鼠头没入水面下10 sec不再上浮且捞出后翻正反射消失。
1.2.2 单胺类神经递质含量测定 力竭结束即刻2%戊巴比妥钠腹腔麻醉迅速断头，即刻取脑组织，0～4 ℃人工脑脊液清洗血液，冰上操作迅速分离皮层、丘脑、纹状体、海马、脑干和小脑，即刻放入高功率微波炉内（950 W，30 s）灭活脑组织的酶，处理好的样本-80 ℃冰箱保存待测。高效液相色谱电化学法（HPLC-ECD）测定各组不同脑区单胺类神经递质及其代谢产物的含量。
1.3 统计学处理 采用PEMS 3.1软件对所得数据进行统计分析，计量资料用（x±s）表示，采用单因素方差分析（one-way ANOVA），以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 各组皮层单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时皮层NE和5-HT及其代谢产物5-HIAA的含量均较安静状态明显升高（P<0.05）。DA含量及其代谢产物DOPAC虽在力竭时也表现为增高趋势，见表1。
2.2 各组下丘脑单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时下丘脑NE含量较安静时降低（P<0.05），DA含量也有降低趋势，但DA的代谢水平（DOPAC）无明显变化；5-HT及其代谢产物5-HIAA的含量在力竭时较安静组明显增高（P<0.05），见表2。
2.3 各组纹状体单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭运动后纹状体区NE含量较安静时仅呈降低趋势（P>0.05）；DA和DOPAC的含量在力竭时虽有增加趋势，但比较差异无统计学意义（P>0.05）；力竭时5-HT水平较安静状态上升了99.26%，代谢产物5-HIAA也较安静组有增加，见表3。
2.4 各组海马单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时NE、DA和5-HT含量均较安静组有增加趋势（P<0.05），DA含量增加达101.18%（P<0.01）；同时加速了DA和5-HT的代谢，代谢产物DOPAC和5-HIAA有增加趋势，见表4。
2.5 各组脑干单氨类神经递质及其代谢产物的变化 NE、DA和5-HT含量均较安静组有增加趋势，尤其DA含量增加达152.71%（P<0.01），5-HT 含量增高了77.79%（P<0.05）；代谢产物DOPAC有明显增加趋势（P<0.05），见表5。
2.6 各组小脑单氨类神经递质及其代谢产物的变化 NE含量力竭时与安静组相比虽无显著性差别，但有降低趋势；小脑5-HT水平较安静状态明显升高（P<0.05），且伴随代谢显著加速，代谢产物5-HIAA增加明显，见表6。
3 讨论
在中枢以NE为递质的神经元其胞体绝大多数位于低位脑干，其纤维上行部分投射到大脑皮层、边缘前脑和下丘脑，支配低位脑干的分布于低位脑干内部，下行部分投射至脊髓后角、侧角和前角。中枢NE能神经元的功能主要涉及心血管活动、情绪、体温、摄食和觉醒等方面的调节，并为神经系统其他活动提供有利条件[4]。目前有关NE与运动疲劳关系多集中于血浆NE和E在急性运动时变化规律的研究，对其在运动疲劳时中枢的变化特点报道甚少[5]。机体的运动是包括了骨骼肌和脑等几乎所有脏器和组织在内的全身各系统的动员[4-5]，从准备活动到进入工作状态直至疲劳产生的一系列运动过程中，机体各器官即刻动员在维持不断增加的能量需求中起关键的作用，支配各器官活动的中枢神经系统也有相应的变化。本实验的结果提示在皮层、海马和脑干这些脑区NE的含量随力竭状态均有增加趋势，尤其皮层作为锥体系运动控制的高位中枢，其NE含量较安静时增加明显。说明运动过程中这些脑区NE能神经元功能活跃，以维持机体运动的需求。而下丘脑、纹状体和小脑NE含量却略有下降。可见运动过程中作为运动控制的主要脑区大脑皮层、参与空间动作学习记忆的主要脑区海马及调节心血管活动的基本脑区脑干，其NE释放量增加，这些脑区NE能神经元功能活跃，以维持机体运动的需求；而随着疲劳程度的加深，对运动精细调节的边缘前脑（纹状体）和维持身体的平衡、调节肌张力和协调运动的小脑及作为内脏和内分泌活动中枢控制的下丘脑这些脑区首先出现递质释放量的减少，这些脑区相应的功能会下降。本结果验证了在运动开始后内脏血流重新分布，骨骼肌血运增加，而至力竭过程中会逐渐出现动作变形或动作质量下降，同时机体体温增加，这些变化是因调控递质释放减少，相应神经元兴奋性降低所致。本研究结果与Matsui等[6]观察到大鼠120 min的长时间运动伴随皮层NE含量较安静时增加相一致。 DA是锥体外系中调节躯体运动的重要神经递质，其合成位置主要在中脑和间脑。中脑DA能神经元向周围投射形成黑质-纹状体系统主要参与对躯体运动的调节，另外中脑-边缘系统和中脑-边缘-皮层投射系统主要参与精神和情绪的调节[5]。关于运动对DA的代谢影响，目前的研究结果也不尽一致[7]。动物实验发现力竭时其纹状体局部脑积液中DA含量明显增加，同时DA受体表达增加[8-9]。本实验数据显示在力竭状态皮层和纹状体的DA含量有增加趋势，下丘脑有下降趋势，但变化不显著；海马和脑干力竭时DA非常明显增加，但DOPAC的增加与DA含量增加比例不等，海马安静组DOPAC/DA为36.05%，在力竭组为19.67%。分析本实验中力竭时DA含量增加可能与其分解速率减慢有关。虽然本实验结果还不能精确解释DA在该过程中的代谢速率，但至少说明在运动至力竭时，中脑-边缘-皮质系统支配区域之一海马区和脑干区检测到较安静时增高至少2倍以上的DA含量；而与运动指令及运动精细调节密切相关的皮层和纹状体在力竭状态下虽有增加，下丘脑DA含量虽下降，但在这些脑区并未突破机体本身的平衡，仍与其功能密切相关，以尽可能维持运动区神经元活性，而控制内脏活动的下丘脑区相对活性减弱，以节省能量，优先供应主要功能区。
5-HT能神经元胞体主要集中于低位脑干的中缝核内，其上行纤维投射至纹状体、间脑、皮层和边缘系统，下行纤维走行至脊髓后角、侧角和前角，还有部分纤维支配低位脑干。其在中枢神经系统的主要功能是调节心血管活动和躯体运动及痛觉与镇痛、精神情绪、睡眠、体温、性行为、垂体内分泌等功能活动。5-HT的主要分解途径是经MAO催化，由5-羟吲哚乙醛转变成5-HIAA。由于血脑屏障的存在，中枢5-HT是脑内合成的，与外周5-HT 分属两个功能不同的独立系统，不受外周5-HT代谢的影响。中枢5-HT是运动疲劳中枢主要抑制性神经递质之一，认为脑内5-HT的增加会降低中枢向外周发放神经冲动的能力，引发外周运动能力的降低。本实验结果显示力竭时皮层、下丘脑、纹状体、海马、脑干和小脑中5-HT及其代谢产物含量较安静状态有明显升高趋势（部分脑区几近2倍以上），并且其代谢产物5-HIAA在下丘脑和小脑显著蓄积。
总之，关于运动性中枢疲劳的研究从最初的试图发现在运动诱导下单一神经递质增加对中枢运动疲劳发生、发展的作用，发展到近期药物干预实验的结果却发现即使降低中枢5-HT的含量对运动能力的改变亦无作用[1]，提示单一种神经递质的变化并不能决定中枢疲劳的出现。除去经典的认为5-HT与运动疲劳发生的密切关系外，作为脑内主要的儿茶酚胺类递质DA和NE对运动疲劳的发生、发展也具有重要的作用。
参考文献
[1]王启荣，周钰杰.运动与单胺类神经递质之间关系的研究进展[J].体育科研，2012， 33 （5）：70-73.
[2] Freed C R，Yamamoto B K.Regional brain dopamine metabolism：a marker for the speed，direction，and posture of moving animals[J].Science，1985，229（4708）：62-65.
[3] Brown A M.Brain glycogen re-awakened[J].J Neurochem，2004，89（3）：537-552.
[4]邱守涛，张蕴琨.脑内氨基酸类神经递质及其受体与运动性中枢疲劳研究进展[J].南京体育学院学报，2010，9（4）：38-40.
[5] Secher N H，Seifert T，Van Lieshout J J.Cerebral blood flow and metabolism during exercise：implications for fatigue[J].J Appl Physiol，2008，104（1）：306-314.
[6] Matsui T，Soya S，Okamoto M，et al.Brain glycogen decreases during prolonged exercise[J].J Physiol，2011，589（13）：3383-3393.
[7] Rosenthal T C，Majeroni B A，Pretorius R，et al.Fatigue：an overview[J].Am Fam Physician，2008，78（10）：1173.
[8]杨东升，刘晓莉，乔德才.力竭运动及恢复期大鼠纹状体5-HT、DA及其代谢物浓度的动态变化研究[J].中国应用生理学杂志，2011，27（4）：432-436.
[9]侯莉娟，刘晓莉，乔德才.运动疲劳对大鼠纹状体单胺类递质含量及多巴胺受体表达的影响[J].中国康复医学杂志，2010，25（7）：639-642.
（收稿日期：2013-12-18） （本文编辑：欧丽）
【关键词】 力竭运动； 去甲肾上腺素； 多巴胺； 5羟色胺
单胺类中枢神经递质在运动过程中起着非常重要的作用，它们与运动能力的提高、肌肉协调性的保持有密切的关系，并且也是运动疲劳重要的中枢机制之一[1]。早期的动物实验就发现DA减少会导致运动能力下降和情绪抑制[2-3]。本实验室之前利用高功率微波发射技术即刻失活脑内糖原分解和合成酶后，检测发现一次力竭后伴血糖水平下降，脑组织葡萄糖水平明显降低，同时储存于星形胶质细胞中的脑糖原含量也显著下降，但不同的脑区存在一定的差异。目前运动与各种神经递质之间关系的综述性报道较多[1]，涉及力竭运动中枢各脑区神经递质变化的研究较少。而中枢各脑区递质分布与其功能是密切相关的，传统检测方法在组织取材过程中极易使递质氧化而影响检测结果。故本实验采用高功率的微波发射处理脑组织，即刻失活脑组织的酶类，进而检测力竭运动后不同脑区单胺类神经递质的变化特点，为运动疲劳的中枢机制研究提供一定实验室依据。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器 NE、DOPAC、DA、5-HT和5-HIAA标准品（Sigma），其余试剂为国产分析纯。主要仪器微波炉、解剖显微镜、高效液相色谱系统。
1.2 实验方法
1.2.1 力竭模型 4月龄SPF级C57/BL小鼠，雌雄各半，体重（22±0.5）g，北京维通利华实验动物有限公司（合格证号：SCXK（京）2007-0001）。国家标准啮齿动物饲料喂养，昼夜节律人工控制光照（光照时间6：00～18：00），环境22～24 ℃，相对湿度50%～65%。本动物实验经由北京实验动物福利伦理委员会北京体育大学分会批准。小鼠适应性喂养3 d后进行适应性游泳训练，10 min/d，共3 d。筛选能较好适应负重（约自身体重5%）游泳训练的小鼠32只，随机分为安静对照组（SC组）和一次性游泳力竭运动组（SE组），每组16只，雌雄各半。一次性负重力竭游泳运动实验过程中不停用棍棒驱赶，力竭标准为小鼠头没入水面下10 sec不再上浮且捞出后翻正反射消失。
1.2.2 单胺类神经递质含量测定 力竭结束即刻2%戊巴比妥钠腹腔麻醉迅速断头，即刻取脑组织，0～4 ℃人工脑脊液清洗血液，冰上操作迅速分离皮层、丘脑、纹状体、海马、脑干和小脑，即刻放入高功率微波炉内（950 W，30 s）灭活脑组织的酶，处理好的样本-80 ℃冰箱保存待测。高效液相色谱电化学法（HPLC-ECD）测定各组不同脑区单胺类神经递质及其代谢产物的含量。
1.3 统计学处理 采用PEMS 3.1软件对所得数据进行统计分析，计量资料用（x±s）表示，采用单因素方差分析（one-way ANOVA），以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 各组皮层单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时皮层NE和5-HT及其代谢产物5-HIAA的含量均较安静状态明显升高（P<0.05）。DA含量及其代谢产物DOPAC虽在力竭时也表现为增高趋势，见表1。
2.2 各组下丘脑单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时下丘脑NE含量较安静时降低（P<0.05），DA含量也有降低趋势，但DA的代谢水平（DOPAC）无明显变化；5-HT及其代谢产物5-HIAA的含量在力竭时较安静组明显增高（P<0.05），见表2。
2.3 各组纹状体单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭运动后纹状体区NE含量较安静时仅呈降低趋势（P>0.05）；DA和DOPAC的含量在力竭时虽有增加趋势，但比较差异无统计学意义（P>0.05）；力竭时5-HT水平较安静状态上升了99.26%，代谢产物5-HIAA也较安静组有增加，见表3。
2.4 各组海马单氨类神经递质及其代谢产物的变化 力竭时NE、DA和5-HT含量均较安静组有增加趋势（P<0.05），DA含量增加达101.18%（P<0.01）；同时加速了DA和5-HT的代谢，代谢产物DOPAC和5-HIAA有增加趋势，见表4。
2.5 各组脑干单氨类神经递质及其代谢产物的变化 NE、DA和5-HT含量均较安静组有增加趋势，尤其DA含量增加达152.71%（P<0.01），5-HT 含量增高了77.79%（P<0.05）；代谢产物DOPAC有明显增加趋势（P<0.05），见表5。
2.6 各组小脑单氨类神经递质及其代谢产物的变化 NE含量力竭时与安静组相比虽无显著性差别，但有降低趋势；小脑5-HT水平较安静状态明显升高（P<0.05），且伴随代谢显著加速，代谢产物5-HIAA增加明显，见表6。
3 讨论
在中枢以NE为递质的神经元其胞体绝大多数位于低位脑干，其纤维上行部分投射到大脑皮层、边缘前脑和下丘脑，支配低位脑干的分布于低位脑干内部，下行部分投射至脊髓后角、侧角和前角。中枢NE能神经元的功能主要涉及心血管活动、情绪、体温、摄食和觉醒等方面的调节，并为神经系统其他活动提供有利条件[4]。目前有关NE与运动疲劳关系多集中于血浆NE和E在急性运动时变化规律的研究，对其在运动疲劳时中枢的变化特点报道甚少[5]。机体的运动是包括了骨骼肌和脑等几乎所有脏器和组织在内的全身各系统的动员[4-5]，从准备活动到进入工作状态直至疲劳产生的一系列运动过程中，机体各器官即刻动员在维持不断增加的能量需求中起关键的作用，支配各器官活动的中枢神经系统也有相应的变化。本实验的结果提示在皮层、海马和脑干这些脑区NE的含量随力竭状态均有增加趋势，尤其皮层作为锥体系运动控制的高位中枢，其NE含量较安静时增加明显。说明运动过程中这些脑区NE能神经元功能活跃，以维持机体运动的需求。而下丘脑、纹状体和小脑NE含量却略有下降。可见运动过程中作为运动控制的主要脑区大脑皮层、参与空间动作学习记忆的主要脑区海马及调节心血管活动的基本脑区脑干，其NE释放量增加，这些脑区NE能神经元功能活跃，以维持机体运动的需求；而随着疲劳程度的加深，对运动精细调节的边缘前脑（纹状体）和维持身体的平衡、调节肌张力和协调运动的小脑及作为内脏和内分泌活动中枢控制的下丘脑这些脑区首先出现递质释放量的减少，这些脑区相应的功能会下降。本结果验证了在运动开始后内脏血流重新分布，骨骼肌血运增加，而至力竭过程中会逐渐出现动作变形或动作质量下降，同时机体体温增加，这些变化是因调控递质释放减少，相应神经元兴奋性降低所致。本研究结果与Matsui等[6]观察到大鼠120 min的长时间运动伴随皮层NE含量较安静时增加相一致。 DA是锥体外系中调节躯体运动的重要神经递质，其合成位置主要在中脑和间脑。中脑DA能神经元向周围投射形成黑质-纹状体系统主要参与对躯体运动的调节，另外中脑-边缘系统和中脑-边缘-皮层投射系统主要参与精神和情绪的调节[5]。关于运动对DA的代谢影响，目前的研究结果也不尽一致[7]。动物实验发现力竭时其纹状体局部脑积液中DA含量明显增加，同时DA受体表达增加[8-9]。本实验数据显示在力竭状态皮层和纹状体的DA含量有增加趋势，下丘脑有下降趋势，但变化不显著；海马和脑干力竭时DA非常明显增加，但DOPAC的增加与DA含量增加比例不等，海马安静组DOPAC/DA为36.05%，在力竭组为19.67%。分析本实验中力竭时DA含量增加可能与其分解速率减慢有关。虽然本实验结果还不能精确解释DA在该过程中的代谢速率，但至少说明在运动至力竭时，中脑-边缘-皮质系统支配区域之一海马区和脑干区检测到较安静时增高至少2倍以上的DA含量；而与运动指令及运动精细调节密切相关的皮层和纹状体在力竭状态下虽有增加，下丘脑DA含量虽下降，但在这些脑区并未突破机体本身的平衡，仍与其功能密切相关，以尽可能维持运动区神经元活性，而控制内脏活动的下丘脑区相对活性减弱，以节省能量，优先供应主要功能区。
5-HT能神经元胞体主要集中于低位脑干的中缝核内，其上行纤维投射至纹状体、间脑、皮层和边缘系统，下行纤维走行至脊髓后角、侧角和前角，还有部分纤维支配低位脑干。其在中枢神经系统的主要功能是调节心血管活动和躯体运动及痛觉与镇痛、精神情绪、睡眠、体温、性行为、垂体内分泌等功能活动。5-HT的主要分解途径是经MAO催化，由5-羟吲哚乙醛转变成5-HIAA。由于血脑屏障的存在，中枢5-HT是脑内合成的，与外周5-HT 分属两个功能不同的独立系统，不受外周5-HT代谢的影响。中枢5-HT是运动疲劳中枢主要抑制性神经递质之一，认为脑内5-HT的增加会降低中枢向外周发放神经冲动的能力，引发外周运动能力的降低。本实验结果显示力竭时皮层、下丘脑、纹状体、海马、脑干和小脑中5-HT及其代谢产物含量较安静状态有明显升高趋势（部分脑区几近2倍以上），并且其代谢产物5-HIAA在下丘脑和小脑显著蓄积。
总之，关于运动性中枢疲劳的研究从最初的试图发现在运动诱导下单一神经递质增加对中枢运动疲劳发生、发展的作用，发展到近期药物干预实验的结果却发现即使降低中枢5-HT的含量对运动能力的改变亦无作用[1]，提示单一种神经递质的变化并不能决定中枢疲劳的出现。除去经典的认为5-HT与运动疲劳发生的密切关系外，作为脑内主要的儿茶酚胺类递质DA和NE对运动疲劳的发生、发展也具有重要的作用。
参考文献
[1]王启荣，周钰杰.运动与单胺类神经递质之间关系的研究进展[J].体育科研，2012， 33 （5）：70-73.
[2] Freed C R，Yamamoto B K.Regional brain dopamine metabolism：a marker for the speed，direction，and posture of moving animals[J].Science，1985，229（4708）：62-65.
[3] Brown A M.Brain glycogen re-awakened[J].J Neurochem，2004，89（3）：537-552.
[4]邱守涛，张蕴琨.脑内氨基酸类神经递质及其受体与运动性中枢疲劳研究进展[J].南京体育学院学报，2010，9（4）：38-40.
[5] Secher N H，Seifert T，Van Lieshout J J.Cerebral blood flow and metabolism during exercise：implications for fatigue[J].J Appl Physiol，2008，104（1）：306-314.
[6] Matsui T，Soya S，Okamoto M，et al.Brain glycogen decreases during prolonged exercise[J].J Physiol，2011，589（13）：3383-3393.
[7] Rosenthal T C，Majeroni B A，Pretorius R，et al.Fatigue：an overview[J].Am Fam Physician，2008，78（10）：1173.
[8]杨东升，刘晓莉，乔德才.力竭运动及恢复期大鼠纹状体5-HT、DA及其代谢物浓度的动态变化研究[J].中国应用生理学杂志，2011，27（4）：432-436.
[9]侯莉娟，刘晓莉，乔德才.运动疲劳对大鼠纹状体单胺类递质含量及多巴胺受体表达的影响[J].中国康复医学杂志，2010，25（7）：639-642.
（收稿日期：2013-12-18） （本文编辑：欧丽）