SMA局部場電在力竭運動過程中的特征分析及BIC干預實驗研究

侯莉娟　王夢羽　張吉敏　劉曉莉　喬德才

摘 要：探究力竭運動對大鼠“丘腦腹外側核（VL）皮層輔助運動區（SMA）”通路電活動影響，揭示基底神經節信息輸出核團在運動疲勞中樞調控中的作用。方法：Wistar大鼠隨機分為對照組、力竭組和干預組，Bedford改良跑臺遞增負荷運動方案建立一次性力竭運動模型。采用金屬電極采集SMA局部場電，對其波形、功率譜密度、平均總功率及各波段所占百分比進行分析；干預組在VL注射γ氨基丁酸A型受體拮抗劑荷包牡丹堿（BIC）后記錄SMA局部場電變化。結果：1）力竭運動后，大鼠SMA局部場電放電頻率降低，能量分布低于對照組，輔助運動區興奮性降低；2）BIC注射干預VL后，SMA局部場電活動信號振幅變小、頻率增高、活性增強，總功率顯著增高；δ波比例顯著降低，α波與β波比例顯著升高。結論：力竭運動導致大鼠SMA神經元電活動減弱，“VLSMA”通路出現抑制現象，而γ氨基丁酸A型受體拮抗劑荷包牡丹堿干預可以減弱力竭運動引起的基底神經節信息輸出通路抑制效應。

關鍵詞： 力竭運動；丘腦腹外側核；皮層輔助運動區；局部場電；干預

中圖分類號： G 804.2 文章編號：1009783X（2016）05045504 文獻標志碼： A

運動性疲勞是機體不能維持預定運動強度在特定水平上的生理現象，按其發生部位可分為外周疲勞和中樞疲勞，且外周及中樞神經系統均在運動疲勞的發生過程中起一定的調節作用[1]。有研究表明，中樞疲勞是由于中樞神經系統不能有效募集運動神經元而導致肌肉收縮能力和運動能力降低所引起的[2]。基底神經節作為大腦皮層下主要的神經核團，分別通過直接通路、間接通路和超直接通路實現運動功能的調控[3]。基底神經節運動調控的信息通過3條通路信息加工后最終匯聚到黑質網狀部（substantia nigra reticular，SNr），然后投射到丘腦腹外側核（ventrolateral nuleus，VL）并傳遞到皮層輔助運動區（supplementary motor area，SMA），為此，“VLSMA”通路被稱為基底神經節信息輸出的最后通路[4]。本實驗室前期研究發現，一次性力竭運動后紋狀體多巴胺Ⅱ型受體過度激活可導致間接通路興奮性增強，當直接通路和間接通路間的動態調節平衡被打破，皮層輔助運動區興奮性水平受到影響，最終可導致運動疲勞的發生[5]。實驗證明，運動神經元放電頻率的降低是最大肌力收縮產生中樞疲勞的主要原因之一[6]。力竭運動后VL神經元總放電頻率降低，爆發式放電神經元比例增加，規則單發放電頻率有所升高，VL神經元電活動的變化說明其參與了運動疲勞的中樞調控[7]。作為連接基底神經節皮層通路的最后終繼站，運動疲勞后VL的電變化對大腦皮層運動信息輸出SMA區域產生怎樣的影響就成為本研究的關注點。本實驗擬選用電生理學方法探究一次性力竭運動后大鼠SMA局部場電活動的變化，并在VL實施受體拮抗劑干預觀察兩核團之間的關系，為進一步闡明運動疲勞中樞機制提供實驗依據。

1 材料和方法

1.1 實驗動物及分組

實驗對象選用健康成年雄性Wistar大鼠24只，體重280～300 g，由北京市維通利華實驗動物技術有限公司提供（SCXX京20120001）。隨機分為對照組A（control group，CG）、力竭組B（exhaustive group，EG）、干預組C（intervention group，PG）。大鼠分籠飼養，晝夜交替光照，自由飲食飲水，室溫保持在（25±2）℃，相對濕度40%～60%。

1.2 大鼠一次性力竭運動方案

建模前大鼠進行3 d適應性訓練，學會并適應在跑臺上運動，訓練遞增負荷為0、2、5、8 m/min。采用Bedford遞增負荷跑臺方案建立一次性力竭運動疲勞模型[8]。跑臺運動負荷共分3級：I級，8.2 m/min運動15 min；Ⅱ級，15 m/min運動15 min；Ⅲ級，20 m/min運動直至力竭。力竭判斷標準：大鼠不能維持預定跑速、長時間滯留于跑臺后方的擋板處，用聲、光刺激及人為驅趕都不能使其繼續跑動，并且伴有呼吸急促、俯臥跑臺等行為表現。

1.3 皮層輔助運動區局部場電的記錄及干預實驗方法

力竭運動即刻，10%水合氯醛按照0.34 mL/100 g體重劑量進行腹腔麻醉，將大鼠固定于腦立體定位儀（Narishing Japan SN3N）上，在左側SMA位置（AP：3.7 mm，L：1.4 mm）實施開顱手術[9]，鎢絲電極（直徑25 μm，阻抗1.4 mΩ）記錄皮層場電，采集信號通過放大器（EX4400）、數模轉換器（AD 8/30）轉換成模擬信號儲存，場電采樣頻率512 Hz，數字濾過50 Hz，主放大器硬件濾波設置為0.1～100 Hz，增益200倍。另將微量注射針（內灌注10 μL，10 μmol/μL荷包牡丹堿BIC生理鹽水溶液）植入VL（AP：-2.2～3.0 mm，L：1.5～2.2 mm，H：5.4～6.4 mm）[10]。在穩定記錄到電信號后，BIC干預組用微量注射泵以1 μL/min的速度向VL內注射BIC溶液（5 μm/μL）；對照組用同樣的方法注射生理鹽水。信號采集結束后，記錄電極給予10 μA直流電，常規灌流、固定、切片，對電極記錄位置進行鑒定，并將定位不準確動物數據剔除。

1.4 局部場電信號統計與處理

使用Chart 7.0頻譜窗口對采集到的電信號進行線下分析，對原始生物電波形進行快速傅里葉轉換（fast fourier transform，FFT；welch 法，FFT size：512）。將局部場電劃分為5個波段：δ波0.8～3.9 Hz，θ波4～7.9 Hz，α波8～12.9 Hz，β波13～30 Hz和γ波30 Hz以上，分別計算不同頻段頻率、功率譜密度值（power spectrum density，PSD）及相對功率譜值（rPSD）。結果以平均數標準差（X±SD）表示，組間神經元放電頻率、放電模式總功率、各頻段的平均功率、幅度值分析采用獨立樣本t檢驗，組間放電形式百分比使用檢驗，各頻段功率所占總功率的百分比使用卡方檢驗，P<0.05和P<0.01分別表示差異顯著和差異非常顯著。

2 結果

2.1 力竭運動對SMA局部場電頻譜的影響

一般生理狀態下SMA局部場電信號集中在50 Hz以下屬低頻放電，力竭組SMA局部場電平均放電頻率顯著低于對照組（P<0.05），干預組平均放電頻率達42.92顯著升高（P<0.01）。

力竭組大鼠SMA局部場電原始波形震動幅度較大，平均幅值25.27 mV，CG組僅為8.26 mV，且出現同步性增強的現象，干預組原始波形幅度降低（平均幅度為13.70 mV），放電頻率明顯增快（平均放電頻率為19.48 Hz），同時還出現了明顯的β波震蕩。實驗結果表明在VL處給予GABA受體阻斷劑可以增強SMA興奮性。

2.2 力竭運動對SMA功率譜密度及時頻圖的影響

從局部場電功率譜密度分析可以看出，無論是對照組還是力竭組，SMA頻譜主要信息集中區域分布在0～10 Hz低頻區。力竭組10～20 Hz未出現明顯的震蕩波，而對照組在10～20 Hz出現明顯的震蕩波峰。雖然2組功率譜密度均集中分布在0～10 Hz的范圍內，但頻段范圍內的分布情況也略有不同。力竭組SMA局部場電集中分布在0～3.902 Hz，主峰最高點出現在1.172 Hz。對照組SMA功率譜密度主要集中分布在0～9.776 Hz，即跨越了δ波、θ波、和α波的頻段范圍，主峰出現在1.953 Hz。

麻醉狀態下對照組與力竭組SMA時頻圖分布各不相同。SMA能量主要是分布在0～4 Hz。力竭組能量分布集中在3 Hz以下，而對照組相對較為分散，除集中在0.8～3.6 Hz以外，大于4 Hz區域也有分布。由此可知，力竭組SMA局部場

電能量分布低于對照組，輔助運動區興奮性較低。BIG干預后皮層輔助運動區放電活動異常興奮，能量主要集中分布于10～50 Hz。

局部場電信號中δ波主要集中在0.8～3.9 Hz波段，SMA局部場電信號中δ波百分含量最高，占總信號的61.05%。EG組θ波及α波所占百分比均顯著降低，其中θ波屬于慢波而β波屬于快波[11]，可見一次性力竭運動對于SMA慢波活動的影響更明顯。干預組SMA電活動顯著增強，皮層輔助運動區放電活動異常興奮，能量主要集中分布于10～50 Hz，且α波、β波增加（P<0.05）。

3 討論

VL位于丘腦腹前核和腹后核之間，接受基底神經節蒼白球內側部γ氨基丁酸神經投射，信息處理后投射到皮層輔助運動區發放運動指令。CarPenter等[12]研究發現VL投射到中央前回的纖維有局部定位關系，即內側部投射到頭面區，外側部投射到下肢區，中間部投射到上肢和軀干區，大鼠皮層投射至VL的神經元和靈長類相似，主要分布于6、4區和3、l、2區，因此，VL又稱為基底神經節運動控制信息通往皮層的“最后通路”。運動的控制和肌緊張是由大腦和脊髓神經元進行中樞調控的，其中肌緊張主要由VL控制。Guiot等[13]觀察到PD的丘腦神經元中有周期的有序放電，放電頻率為3～6次/s，與外圍震顫的頻率相似；因此，VL被作為臨床上手術治療運動不能的目標核團，也是抑制肌肉僵硬最有效的部位。SMA是大腦運動皮層的重要組成部分，接受VL纖維投射后，將信息與來自感覺運動及視皮層傳入的信息進行整合，然后反饋回大腦皮層，參與軀體運動的調控作用[3，14]，完成“基底神經丘腦皮層”的調節作用。實驗研究發現，大肌肉群在做自主運動直到疲勞的過程中皮層輔助運動區神經元的興奮性降低，無論是在運動的整個過程中，還是疲勞狀態后，皮層輔助運動區的神經元電活動都會發生變化[6]。

局部場電信號是電極尖端附近腦區神經元放電的總和，它是一種隨機的連續電信號，由攜帶不同編碼信息、不同頻段的電信號疊加而成，主要反映局部神經元協同作用的結果。局部場電信號與Spike相比具有良好的抗干擾性和整合性[1516]。本實驗觀察到力竭運動后SMA局部場電的放電頻率降低，功率譜密度相對集中在較低頻段，SMA神經元興奮性降低，與前期研究觀察到大鼠力竭運動后30 min大鼠皮層輔助運動區的局部場電慢波活動顯著增強，重心頻率降低一致。說明皮層輔助運動區神經元興奮性降低[17]，也進一步提示SMA神經元興奮性降低是引起運動性中樞疲勞的原因之一。研究發現，大肌肉群在做自主運動到疲勞的過程中SMA神經元興奮性降低[1819]，且無論是運動過程中還是疲勞狀態后SMA神經元電活動都會發生變化。Benwell等[2021]也通過手指收縮實驗證實在手指收縮疲勞的狀態下SMA區電活動出現衰減，也就是說在整個運動執行的進程中SMA都參與了運動行為的調控過程，且隨著疲勞程度的加深，該區域的神經元電活動會受到抑制。大鼠SMA出現這種疲勞狀態，與一次性力竭運動過程中間接通路的過度激活存在相關，“黑質丘腦”通路GABA能神經元釋放大量神經遞質到VL，抑制其神經元興奮性，VL不能夠維持發放原有的興奮型Glu神經遞質，使得SMA神經元興奮性降低，從而導致大鼠出現力竭行為。

局部場電信號中低頻段攜帶的信息主要與生物體狀態有關，高頻段信息主要與高級認知記憶功能有關，例如，運動決策和學習記憶等。本實驗中觀察到力竭運動后皮層輔助運動區α波所占的比例顯著降低，BIC干預后，SMA局部場電活動振幅減小頻率升高，平均總功率顯著提高，興奮性增強，逆轉α波降低的趨勢，α波在運動領域被認為與放松狀態、動作準備狀態有一定關系；但也有人認為α波的變化與疲勞程度有密切聯系[22]。實驗結果觀察到在VL注射BIC后，SMA局部場電活動表現出明顯的β波震蕩，局部場電放電平均頻率增強，β波去同步話出現是一種大腦皮層被“激活”的表現，一般出現在執行某個動作之前的動作策劃階段出現[23]。也有研究表明正常人類大腦在清醒的狀態下時，大腦皮層總是重復出現β波震蕩，而在運動的過程當中這種潛在的震蕩逐漸被γ波代替[24]。由此可知，在VL施加BIC干預，阻斷了基底神經節對VL的過度抑制，使SMA局部場電活動去抑制，表現出局部場電活動增強。有相關研究證實：α波的最大李雅普諾夫指數小于0.4即認為人體已經出現了疲勞[25]，人體在清醒閉目或疲勞淺睡狀態下皮層場電的監測認為α波的最大李雅普諾夫指數（lyapunov）、復雜度和近似熵可以用來判斷人體是否處于疲勞狀態[26]。

4 結論

力竭運動后，大鼠SMA局部場電放電頻率降低但放電幅值增大，功率譜密度分布發生改變；SMA時頻圖中θ波、α波所占比例降低，興奮性降低，“VLSMA”通路出現抑制現象，而γ氨基丁酸A型受體拮抗劑BIC干預可以減弱力竭運動引起的基底神經節信息輸出通路的抑制效應，推測VL神經元電活動改變引起SMA局部場電頻率的降低是運動疲勞后皮層出現抑制性保護現象的原因之一。

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