5-羥色胺與中樞運動疲勞的分析研究

魯建清滿維祥羅榮保

（1.湘南學院，湖南 郴州 423000；2.湖南師范大學 體育學院，湖南 長沙 410081）

前言

自1880年莫索(Mosso)[1]研究人類的疲勞開始,距今已有100多年的歷史了。在1982年第五屆國際運動生物化學會議上對疲勞的概念取得了統一的認識,即運動性疲勞是:“機體生理過程不能繼續機能在特定水平上進行和(或)不能維持預定的運動強度。”它是運動本身引起的機體工作能力的暫時降低,經過適當的時間休息和調整可以恢復的生理現象,是一個極其復雜的身體變化綜合反應過程[2]。自莫索首次提出疲勞可能發生在兩個部位:一是發生在中樞神經系統,為中樞疲勞;二是發生在外周(即脊髓運動神經、神經肌肉接點和骨骼肌),為外周疲勞以來，疲勞的外周機制已得到廣泛研究。近年來,疲勞的中樞機制越來越受到重視，有許多研究發現了腦內氨基酸、氧化自由基等物質變化與中樞疲勞發生有關。但是,目前被學術界廣泛接受的還是中樞神經遞質5-HT導致運動性中樞疲勞發生的假說。

1.樞運動疲勞

中樞運動疲勞在疲勞的發展過程中,中樞神經系統起主導作用,它是中樞的一種維護性抑制,以防止機體發生過度的機能衰竭[3]。就中樞疲勞而言，盡管中樞神經功能紊亂可作為最基本表現，同時受其他諸多因素的影響，是一個高度整合的過程。目前很難給出一個準確的定義，現在普遍認為中樞疲勞是一種中樞負性變力的結果，CNS疲勞(力量和功的輸出無法維持在預期水平)是不能夠僅用肌肉本身功能紊亂來解釋，是與CNS特異性功能改變有關的疲勞，同時還包括了一些象動機、感覺等重要的心理學指標在疲勞中的作用。Green[4](1990)從生理學角度歸納得出，中樞神經系統疲勞產生的原因有：(1)棘突衰減；(2)傳人抑制；(3)運動神經元興奮性降低；(4)神經分支點興奮性喪失；(5)神經肌肉末觸問傳達衰減。

25.羥色胺(5-HT)

1948年Rapport等從血清中分離出5-HT。它在化學上屬吲哚胺類化合物,由吲哚和乙胺兩部分構成。90%的5-HT存在于體內消化道,8%～9%在血小板中,存在于中樞神經系統中的5-HT只占全身總量的1%～2%。5-HT本身難于透過血腦屏障,但是其前體是色氨酸,血液中的色氨酸可以經過血腦屏障進入腦,再經過細胞膜進入5-HT能神經原內,合成5-HT。所以體內中樞神經系統與外周的5-HT可算分屬兩個獨立的系統。由于5-HT能神經元只存在于中樞神經系統,所以目前認為5-HT主要是作為一種中樞神經抑制性遞質發揮作用[5]。

在許多動物中進行的神經生理學研究發現5-HT可以引起一系列特殊行為,在大鼠是搖頭,前肢踏步樣動作,后肢僵硬外展,尾豎起,顫抖,肌肉震顫等,被稱為5-HT行為癥候群。另外發現5-HT可以抑制攝食。此外5-HT對體溫調節和性行為調節也有作用,但是都根據5-HT受體類型不同以及不同腦區而產生不同的抑制或促進作用。多數的動物研究認為5-HT還與慢波睡眠有關,也有研究發現它與快波睡眠有關。此外,5-HT與痛覺和精神活動也有關系。對于運動系統來說,腦內5-HT的上行纖維主要投射到下丘腦視上核、基底神經節和邊緣系統等古老結構,少部分纖維到達大腦皮層；5-HT能神經元的下行纖維軸突沿脊髓外側索下行,在頸膨大和腰膨大出纖維比較密集,末梢分布于脊髓前角、側角和后角。其中基底神經節的尾狀核、殼核與蒼白球統稱為紋狀體,紋狀體具有控制肌肉運動的功能,與丘腦,下丘腦聯合成為本能反射的調節中樞,基底神經節有重要的調節運動的功能,它與隨意運動的穩定、肌緊張的控制、本體感覺傳入沖動信息的處理都有關系[6]。

Newsholme等(1987)提出該物質與運動疲勞的中樞機制有關,首次提出了5-HT可能是中樞疲勞的調節物質,他們的研究發現運動對該遞質的合成及轉換有明顯的影響。他們認為長時間的運動使腦內5-HT濃度升高,因為5-HT是一種抑制性遞質,所以可以降低從中樞向外周發放的沖動,從而導致中樞疲勞的產生,降低了運動能力。之后不斷有研究證明運動可以導致中樞5-HT增高,而腦內某些腦區5-HT的增高與中樞疲勞的產生有關。Chauloff[78]等研究表明這些腦區主要是海馬和紋狀體。

3.樞運動疲勞與5–HT的相關研究

5-HT是腦組織內中樞抑制性神經遞質。它通過神經元的上行和下行纖維與脊髓的軀體反射以及錐體外系的運動功能有聯系,即通過降低神經中樞向外周發放神經沖動來降低運動能力[9]。運動時由于血漿游離脂肪酸(FAAs),血漿中支鏈氨基酸(BCAAs)氧化增強,從而血漿游離色氨酸(f-Try)相應增加,BCAAs濃度降低,f-Try/BCAAs值上升,進入腦組織的Try濃度也上升[10],使腦內5-HT的含量升高,對大腦皮層抑制加強,激發倦怠、食欲不振、睡眠紊亂等疲勞癥狀[11]。Newsholme等(1987)認為,隨著腦中Try濃度的增加,由于生理條件下與5-HT合成的有關的酶不能飽和,故5-HT的合成也隨之增加;而5-HT濃度上升時,中樞功能被削弱,運動能力下降。。Bailey等[12]通過一系列藥物實驗來研究5一HT與中樞疲勞之間的關系。服用引起腦內5-HT升高的藥物，大鼠運動至力竭的時間大大縮短，而且出現明顯的劑量效應關系，說明特定的藥物引起腦內5一HT增加導致中樞抑制出現疲勞現象，而一些外周指標如體溫、血糖、肌糖元、肝糖元以及各種應激激素的變化支持這一假說。Davis等[13]以及Wilson等[14]在人體上所作的試驗證明，以70%V02一強度進行長時間跑步或騎自行車前，服用5一HT的激動劑(Paroxetine或Fluoxetine)，運動時間縮短，與對照組比較疲勞程度較高，但心血管系統、體溫調節和代謝功能上無差異。這些都提示，運動中大腦5一HT水平的提高是影響乃至決定運動性疲勞的重要因素。

3.1.性耐力運動后5–HT在中樞神經不同區域的表達

Chaouloff等[15]對運動后大腦不同部位5-HT水平的研究表明,90分鐘跑臺運動(20m/min)后,大鼠中腦、海馬、紋狀體5-HT增加,其它腦區無明顯變化。然而有些研究證實[16],腦內5-HT主要來自腦內中縫核上部,其神經纖維投射到紋狀體、丘腦、下丘腦、邊緣前腦和皮層。也有的研究發現[17],在2小時跑臺運動(平均17m/min)后,無訓練大鼠下丘腦5-HT濃度顯著增高,海馬、紋狀體和腦干有增高趨勢,而皮質和小腦表現為輕微降低。宋亞軍,孫勤樞,王魯克,王寧,謝敏豪[18]等研究發現,3小時游泳后即刻,大鼠間腦和腦干5-HT濃度增高;其中,間腦增高23.15%,而端腦則略有降低。表明各腦區5-HT對急性耐力運動的反應具有非均衡性;提示,在急性耐力運動中,“中樞疲勞”的可能性介質—5-HT水平的提高可能發生或首先發生在某些腦區,而非全腦。

3.2.動時間對5-HT的影響

Chaouloff[15]實驗發現,1h跑臺跑(20m·min-1)可導致大鼠腦內TRP和5-HIAA質量分數的平行性增加,隨后對腦脊液的研究呈現相似的結果,說明跑臺跑可增加運動鼠腦內5-HT的合成與代謝。運動停止后1h,TRP和5-HI2AA恢復到正常值。Blomstrand等[19]對不同腦區運動鼠的研究亦表明,超長適量運動和力竭性運動可增加腦內各部位5-HT的合成與更新。采用微透析技術對大鼠海馬5-HT變化的研究顯示[20],從跑臺跑(25m·min-1)60min開始5-HT表現為增加,120min的運動結束達到最高,恢復期2h恢復至基線水平;5-HT變化表現出時間依賴性。大多學者的研究發現,盡管運動后間腦5-HT大幅度增加(23.15%),但5-HIAA卻變化不明顯。運動后20h,5-HT恢復至略低于基線水平,而5-HIAA則略高于基線,提示間腦5-HT的合成與代謝水平在一次性耐力運動過程中和恢復期存在差異;運動期間5-HT合成過程占優勢,而恢復期5-HT分解代謝過程占優勢。袁瓊嘉,熊若虹,代毅,徐明,鄧偉明,蘇全生,楊品華[21]等以大鼠力竭運動為模型,發現力竭運動后24h組端腦內5-HT含量達到最高,48h組較24h組明顯下降,但是仍然明顯高于對照組。

4.究新進展

4.15.HT受體的研究

5-HT受體方面的研究是隨著神經科學的發展開始的。在很多研究中都驗證了關于訓練或進行運動可以觸發5-HT受體改變的假說;但是既有陽性的結果也有陰性的結果。這些數據綜合到一起說明有必要進一步研究運動對5-HT的影響[22]。Dwyer D和Browning J的研究認為,大鼠耐力訓練減低了對5-HT促進劑的受體敏感性,而5-HT受體敏感性似乎是決定中樞性運動疲勞的重要因素。在他們的動物實驗中大鼠經過6周的耐力訓練,每周跑臺訓練4次,兩次力竭運動,在給予5-HT(1A)促進劑m-chlorophenylpiperazine(m-CPP)后觀察運動持續時間的變化,通過運動時間的相應縮短來確定受體的敏感性。他們發現訓練6周后的未給5-HT1A促進劑的動物的運動表現明顯改善了47%。給藥動物的運動表現也有明顯改善,但是不如未給藥組顯著。實驗說明5-HT促進劑可以導致疲勞產生,但在實驗中經過耐力訓練后耐力增加、發生疲勞的時間延遲說明中樞5-HT受體脫敏,很可能是5-HT1A受體。耐力訓練使中樞5-HT受體脫敏,對腦內5-HT增加所導致的疲勞發生適應反應,這可以提高耐力運動的表現,延遲疲勞產生的時間。最近Dwyer D,FlynnJ還發現短期有氧訓練不改變年輕男性對中樞5-HT促進劑的敏感性[23]總之在5-HT受體方面的研究目前還比較少,還不足以說明不同5-HT受體的作用差異,還需要大量的研究工作來確定不同5-HT受體促進劑和拮抗劑對不同受體的具體作用,從而說明5-HT受體在中樞疲勞產生中的具體作用。

4.2.養干預對中樞疲勞和5-HT的影響

研究中樞運動疲勞真正目的在于應用基本理論研究消除中樞運動疲勞的方法，現已有科學家開始研究營養干預機制對中樞疲勞和5-HT的影響,從而,也進一步闡明5-HT在中樞疲勞中的作用,并且得出相應的營養補充消除運動疲勞的方法。目前在營養干預方面的研究比較注重補充葡萄糖、氨基酸對5-HT的影響。Blomstrand等人把補充支鏈氨基酸作為延遲中樞運動疲勞的手段之一,他們認為在運動前和運動中補充支鏈氨基酸可以延緩運動疲勞的發生,他們分別在馬拉松跑,越野滑雪,足球等運動中進行了研究,發現實驗對象的體力可以有小的改變,但是由于食物和水等干預因素控制的不理想,他們的實驗結果尚不能充分肯定[24]Varnier等也提出了相似的看法[25],他們同樣認為補充支鏈氨基酸可以降低游離色氨酸與支鏈氨基酸比值,減少腦內5-HT形成,達到延遲中樞疲勞的目的；J Mark Davis等人研究認為補充碳水化合物(CHO)和支鏈氨基酸(BCAA)可以緩解5-HT的積累并且改善運動表現。但是,很難區別CHO是作用于大腦還是肌肉本身的,而大多數有關BCAA的研究結果不能肯定地說明補充BCAA對運動成績有利。但是這些數據都支持了一個令人興奮的可能性,即在營養、腦內神經生化和運動表現之間存在著聯系[26]。

[1]高強.疲勞及其測定(上)[J].中國運動醫學雜志,1985,(3):179.

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

[3]李一華.運動性疲勞機理的探索[J].體育與科學,1987,(4):45-47.

[4]呂榮,姜文凱.神經－肌肉疲勞的生理學研究進展[J].體育與科學,2001,(3):34-36

[5]韓濟生.神經科學原理[M].北京:北京醫科大學出版社,1999.

[6]張鏡如.人體生理學[M].北京:人民衛生出版社,1992.

[7]Chaouloff F.Effects of acute physical exercise on central serotonergic sys2tems [J]. Med Sci Sports Exerc 1997,(1):58-62.

[8]Chaouloff,F,Laude, D,Merino, D, etal. Amphetamine and alpha-methylp tyrosine affect the exercise induced imbalance between the avail2ability of tryptophan and synthesis of serotonin in the brain of rat.

[9]Blomstrand E.Amino acids and central fatigue[J].AminoAcids,2001,(1):25-34.

[10]徐禮皙,鄧樹勛,徐曉陽.運動性中樞疲勞的生化基礎[J].浙江體育科學,2000,(2):58-60.

[11]Bailey S,Davis J M,Arlborn E N.Neuroendocrine and sub2strate responses to altered brain 5-HT activity during prolonged ex2ercise to fatigue[J].J Appl Physiol,1993,74:3006-3010.

[12]Bailey SP,DavisⅢ,Ahlbom EN.Brain serotonergic activityefects endumn-performance in the ral[J].Int J Sports Med,1993,(6):330-333.

[13]Davis JM,Bailey SP,Taclsoon DA,et a1.Efects of serotoninagonist during prolonged exercisetofatiguein humans[JJ.MedInt JMed Sci,1993,(25):578.

[14]WilsonWM,Manghan IU.Evidencefor a possible role of5-hydroxytryptamine in the genesis offatigue in mall:administration ofparoxetine.a 5-m’reuptake inhibitor,reduces the capacity to performprolonged exercise[J].Exp i Physi,1992,(77):921-924.

[15]Chaouloff.F.et al.Physical exercise:evidence for differential conse2quences of tryptophan on 5-HT synthesis and metabolism in central sero2tonergic cell bodies and terminals[J].J.Neural Transm,1989,(78):121-130.

[16]萬選才.現代神經生物學[M].北京:北京醫科大學中國協和醫科大學聯合出版社,1999:145-148.

[17]Blomstrand,E,et al,Effect of sustained exercise on plasma amino acidconcentrations and on 5-hydroxytryptamine metabolism in six differentbrain regions in the rat[J].Acta Physiol Scand,1989,136:473-481.

[18]宋亞軍,孫勤樞,王魯克,王寧,謝敏豪.急性耐力運動對大鼠不同腦區單胺類神經遞質及其代謝產物的影響[J].北京體育大學學報,2006,(4).

[19]Blomstrand E.Effect of sustained exercise on plasma aminoacid concentrations and on 5-hydroxytryptamine metabolism insix different brain region in the rat[J].Acta Physiol Scand,1989,(136):473-4811

[20]Newsholme E A.Amino-Acids,Brain neurotransmittersand a functional link between muscle and brain that is importantinsustainedexercise[A].In:BenzicG(ed)Advances in Biocbe2mistry John Libbey Eurotext Ltd[C].London:1987:127-133.

[21]袁瓊嘉,熊若虹,代毅,徐明,鄧偉明,蘇全生,楊品華.力竭運動后大鼠端腦中單胺類神經遞質含量動態變化的研究[J].成都體育學院學報,2000,(5):26.

[22]Chaouloff F.Effects of acute physical exercise on central serotonergic sys 2 tems.Med Sci Sports Exerc,1997,(1):58-62.

[23]Dwyer D,Flynn J.Short term aerobic exercise training in young malesdoes not alter sensitivity to a central serotonin agonist.Exp Physiol,2002,(1):83-9.

[24]Blomstrand, E, Anderson, S, Hassmen, Pet al.Effect of branched-chainaminoacidandcarbohydrate supplementation on the exercise =in2duced change in plasma and muscle concentration of a mino acids in hu 2 man subject.Acta Phys.Scand.1995,153:87-96.

[25]Varnier M,Sarto P,Matines D,et al.Effect of infusing branched-chainamino acid during incremental exercise with reduced muscle glycogen cont2ents.European Jornal of Applied Physiology.1994,(69):26-31.

[26]Davis J M.Central and peripheral factors in fatigue.J Sports Sci 1995,(13):S49-53.