熱預適應對大鼠中樞疲勞后體溫及腦神經遞質5-HT分泌的影響研究

曹慶雷，趙海濤，李小蘭

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熱預適應對大鼠中樞疲勞后體溫及腦神經遞質5-HT分泌的影響研究

曹慶雷，趙海濤，李小蘭

北京科技大學體育部，北京，100083。

目的：觀察熱預適應通過調節中樞神經遞質對大鼠運動誘導的中樞疲勞的作用。方法：12只成年雄性SD大鼠，隨機分為2組，6只為預熱組，6只為對照組。運動疲勞模型通過力竭跑步模型建立，熱預處理組是42℃熱處理15min，每天3次，連續5天，對照組不做任何處理。記錄最后運動力竭時間及運動前后體內核心溫度，同時用液相色譜測量腦組織中5羥色胺（5-HT）的水平。結果：（1）熱預處理組的平均力竭時間為178.24±42.43 min，顯著高于對照組318.49±37.25min，熱預適應顯著增加了運動的耐受時間（P<0.05）；（2）熱預處理組運動前后肛溫差0.382±0.396℃顯著低于對照組（1.954±0.603）℃，熱預適應顯著降低了運動后體溫（P<0.05）；結論：熱預適應可以有效的降低運動前后體溫差，并且可能是通過減少5-HT含量來起到延緩中樞運動疲勞的作用。

熱預適應；神經遞質；運動疲勞

運動性疲勞是因為運動引起的肌肉運動及做功能力下降的現象，其中長時間中等強度的運動所產生的疲勞主要由中樞神經系統發出的抑制信號而引起的，稱之為運動中樞性疲勞[1-3]，是目前運動疲勞機制研究的熱點之一。緩解疲勞對提高運動能力有重要作用，是運動領域重要的研究課題。運動性中樞疲勞機制研究提出多種假說，涉及中樞神經遞質失衡，內穩態失調，氨基酸、離子代謝紊亂，自由基增多，能源衰竭，神經內分泌、免疫系統的平衡打破等諸多變化[4]。隨著神經生物學相關技術方法在運動醫學研究中應用，運動性中樞疲勞機制的研究取得了一些進展，長時間運動時中樞神經遞質的變化是導致疲勞產生的重要原因[1,3]。

有關神經遞質分泌失衡導致中樞性疲勞的研究發現，運動過程中體溫升高可能是誘導神經遞質分泌的主要原因之一。熱應激條件下，體溫升高的熱敏信號，傳遞至下丘腦視前區等腦區域，腦區域內熱敏神經元接受并整合形成反饋信號作用于下丘腦、延髓中縫區等不同腦區，影響腦內神經遞質的釋放和相應受體的表達，從而產生一系列反應，調整各種機能以適應環境溫度的改變，并可影響機體長時間的運動能力，并從而在運動性中樞疲勞的產生和恢復中發揮特定的作用[5-7]。神經網絡調節是多重而復雜的過程，遞質的分泌受內外環境影響，并且可因環境的改變而進行適應性調節，保持身體穩態。那么過量運動引起的遞質變化，也可能通過全身性調節引起自身適應性改變，從而使失衡的神經遞質分泌趨于正常。那么，預適應后達到的新的遞質平衡就有可能適應機體的應激狀態，從而在過量運動過程中推遲疲勞出現的時間、延長運動時間，減輕疲勞程度。在自身適應調節機制研究中，預適應是目前常用且安全有效的方法之一，常用于減輕機體損傷，如缺血預適應保護腦組織、肌肉組織等[8-9]。熱預適應是指通過反復暴露在高熱的條件下，使得體內和皮膚溫度升高并且大量出汗[10-13]。熱預適應的研究也應用于諸多領域，如熱預適應對保護和改善心肌細胞的損傷，對神經系統及小鼠的學習行為也有積極的影響[14-15]。已有研究顯示，在熱應激條件下，可通過提高DA、NE的活性抑制機體溫度升高導致的中樞疲勞，改善熱應激下運動能力[16-17]。同時也有研究顯示，DA能提高神經元活性也能使受試者在高熱環境中運動時有更高的耐受性[18]。由此可見，人體對熱應激的調節反應與神經遞質分泌有密切的關系。調節神經遞質的活性，達到自身在高溫環境中新的平衡，有利于維持機體的穩態。

因此，我們的研究擬通過熱預適應調節中樞神經遞質的平衡，研究并闡明運動時重要神經遞質的變化規律，明確其與運動性中樞疲勞的關系，并且尋找中樞性疲勞的有效的預防與恢復方法。

1 材料和方法

1.1 實驗動物和分組

成年雄性SD大鼠（8周齡）12只，體重230g—260g之間（購自北京維通利華實驗動物公司）。大鼠飼養在首都醫科大學實驗動物中心大鼠飼養房。大鼠正常分組（3只/籠子），自由飲水，飲食，溫度為18—24℃，空氣相對濕度40%—60%，正常晝夜節律。

1.2 實驗方法

1.2.1 高溫預熱處理 預熱組動物用6%水合氯醛0.6ml/100g腹腔注射麻醉，置于60℃恒溫水浴箱，保持大鼠呼吸通暢，直至肛溫升至42℃，維持肛溫42℃ 15min，再置于常溫環境下恢復體溫，1小時后，再升高體溫42℃ 15min，反復3次，連續5天。對照組不做任何處理。

1.2.2 急性力竭疲勞模型建立 采用Bedford[19]建立的一次性平板跑臺力竭跑步模型，兩組動物測試前進行適應性跑臺訓練一次/天（共3天），低于力竭程度。恢復2天后進行一次性力竭跑步實驗，采用treadmill平板跑臺法，測試由15cm/s開始，持續15min，增加至25cm/s，持續15min，最后保持在35 cm/s跑步直至力竭，記錄每只動物三階段跑步時間。

1.2.3 核心體溫測定 采用體溫計測量肛溫表示核心體溫，跑步前測定初始肛溫，力竭跑步完成后立即測肛溫，用運動前后核心體溫的變化觀察體溫變化的差異。

1.2.4 腦內神經遞質檢測 兩組力竭跑步實驗結束后，采用斷頭法獲取腦組織，置于冰上并迅速分離皮質、下丘腦、海馬、紋狀體。高氯酸提取法充分勻漿后，4 000g/min離心5min，離心取上清液，-80℃凍存。采用高效液相色譜法分析各部腦組織內5-HT含量。

1.3 統計分析

所有結果采用均數±標準差表示，組間差異采用t檢驗分析，< 0.05為顯著性差異，P < 0.01 為極顯著性差異。

2 實驗結果

2.1 一次性力竭跑步時間

兩組動物經水平跑臺三階段力竭跑步后，測定各階段跑步時間，結果顯示預熱組動物較對照組跑步持續時間明顯延長，疲勞出現時間延后。其中一、二階段跑步時間和動物體能狀態無差別，兩組動物均能按跑臺速度勻速跑步，無疲勞表現；而在第三階段后，尤其進入跑步后期，兩組動物出現疲勞的時間、體能表現差異明顯，對照組動物首先出現疲勞癥狀，如，速度下降，跑步暫停等，跑步至力竭平均時長為178.24±42.43min，而預熱組動物在第三階段，特別是跑步后期，耐力明顯提高，能長時間保持勻速跑步，延遲疲勞出現，力竭時間較對照組平均時長顯著延長，力竭時間為318.49±37.25min（P<0.05）。（如圖1）

圖1 第三階段力竭時間

2.2 一次性力竭跑步肛溫

隨著運動過程的進行，體溫會逐步升高，溫度升高時是中樞疲勞的誘因之一。兩組動物力竭跑步后均即刻檢測肛溫，結果顯示對照組動物平均肛溫，升高幅度，預熱組動物平均肛溫較跑步前升高0.382±0.396℃（p<0.05），較對照組（1.954±0.603℃）肛溫升高幅度較小。（如圖2）

圖2 力竭前后肛溫差

2.3 神經遞質變化

5-HT色氨是重要的中樞疲勞的標志物之一，在熱適應組中5-HT色氨的含量顯著低于對照組（p<0.01），熱預適應處理后5-HT下降了接近50%。（見圖3）

圖3 神經遞質5-HT的變化

3 分析及討論

3.1 熱預適應延緩運動疲勞的出現

熱預適應在運動損傷以及腦保護研究中已經有較為深入的研究。實驗發現熱預適應可提高動物熱休克蛋白（Hsp）和抗氧化劑表達水平，對大鼠骨骼肌運動損傷具有保護作用[20]。另外，熱預適應產生熱休克蛋白，在多種中樞性疾病或損傷中被發現具有有效的保護作用[21-23]。此外，在缺氧及低能量條件下培養的大腦海馬細胞，其損害程度也可因熱休克蛋白而減輕[24]。這些研究表明，熱預適應對運動中機體和腦有保護作用。我們測量了熱預適應組跟對照組大鼠跑臺的平均力竭時間。結果表明，熱預適應后，大鼠的平均力竭時間為320min 而對照組的平均力竭時間約為180min，說明經過熱預適應后大鼠的力竭時間提高了約75%。說明了熱預適應可以延緩運動性疲勞的出現時間。

3.2 熱預適應降低運動前后機體溫差

機體在運動后，體溫會有升高的現象，與正常的體溫相比，機體在高溫下的運動能力會有所下降。熱預適應是經常被作為減少這種損傷的措施之一。熱預適應可以誘導機體生理上對高溫的適應，從而可以用來提高運動成績。人們已經對熱適應進行了大量的研究，例如，Patterson等人研究表明健康機體在經過8天和22天的熱預適應后體內核心溫度分別下降了0.20℃與0.32℃[25]。熱休克反應通常是經過改善的耐熱性的標志之一，有研究表明，熱預適應誘導的細胞內熱休克蛋白（Hsp72）濃度增加[26]。這些數據表明，細胞內的熱休克蛋白可能對熱預適應更為敏感。通過測量實驗組跟對照組力竭運動前后體溫表明，熱預處理組的運動前后的溫差變化顯著小于對照組。先前研究表明，運動過程中體溫的升高可能是誘發神經遞質分泌失衡的主要原因之一。運動過程中會引起體溫升高，運動員機體核心溫度隨時間與運動負荷的增加而平穩的、緩慢的升高[27]。已經有證據表明，正是過量運動時體溫的升高引起了多種遞質分泌，例如，體溫升高后腦內視前區和下丘腦前部區域中5-HT含量上升[28]；DA、NE伴隨大腦和機體核心溫度的升高而增加，該類遞質參與調節降溫過程[29-30]。

3.3 熱預適應對神經遞質的影響

研究證實多種神經遞質與中樞性運動疲勞產生有密切關系并起到重要的調節作用，因而成為疲勞產生機制、緩解疲勞方法研究中的重要內容。目前已經發現多種神經遞質參與了運動疲勞的發生，主要包括多巴胺、γ-氨基丁酸（GABA）、5-HT和NE等；也有興奮性遞質谷氨酸（Glu）和天冬氨酸（Asp）等及其他類型神經遞質如乙酰膽堿等參與[4]。過量運動可引起多種神經遞質分泌失衡，并導致遞質之間相互作用的平衡失調，因而引起腦內代謝紊亂，引起中樞性疲勞，這可能是運動疲勞發生的重要原因。

5-HT是研究最多的的中樞疲勞的標志物之一[31-33]。研究發現，長時間大強度運動使血漿游離的氨基酸濃度上升，氨基酸和色氨酸爭奪結合位點從而增加了血漿中游離色氨酸的濃度和色氨酸／支鏈氨基酸的比值，促使更多的色氨酸等遞質穿過血腦屏障，使腦內特定區域抑制性遞質5-HT的合成增加，同時會引起多種酶活性下降，ATP再合成下降，繼而使肌肉運動能力下降[34]。5-HT是最明顯的中樞疲勞的衡量物。我們測量了熱預適應組和對照組的5-HT的含量（圖3），結果發現，熱預處理組5-HT在腦中的含量顯著低于對照組，這表明，熱預適應抑制了由運動疲勞導致的5-HT濃度的上升。

3.4 熱預適應通過改善神經遞質延緩運動疲勞的機制推測

綜上所述，本研究觀察到熱預處理干預后導致大鼠運動至力竭的時間縮短，運動前后體溫差減小，中樞神經遞質5-HT的含量下降，我們推測通過熱應激預適應，誘導并激活神經遞質網絡的活動，適應溫度變化，使腦內神經遞質分泌預先進入調節機制，尤其是提高抑制性遞質的活性，使神經遞質分泌與身體機能趨于平衡，達到高溫環境中的穩態，調節機體適應高溫環境，將有效延緩因神經遞質失調造成代謝失衡、中樞性疲勞的出現。研究中，我們通過熱預處理使得機體適應了5-HT的下降，從而在運動力竭實驗中，大鼠的5-HT的水平相應的下降。這無疑對改善鍛煉機能，提高疲勞運動耐受力有重要意義。

4 結 論

經過熱預適應處理后，大鼠運動力竭時間明顯延長，肛溫的運動前后溫差顯著變小，5-HT的含量明顯下降，說明熱預處理通過對神經遞質的調控從而改善了運動中樞疲勞的發生。

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Heat Preconditioning Reduce Exercise Induced Central Fatigue by Neurotransmitters DA, 5-HT, NE Manipulation

CAO Qinglei, ZHAO Haitao, LI Xiaolan

P.E. Department of University of Science and Technology Beijing, 100083, China.

objective: To observe the effect of heat preconditioning on exercise induced central fatigue by regulate theneurotransmitters manipulation. Methods: Twelve male adult SD rats were randomly divided into 2 control group（n=6）, heat preconditioning model group（n=6）. Sports fatigue model was established by treadmill running. Heat preconditioning was applied by 42℃, per times for 15min, three times per day for 5 days. The exhausted exercise time and body core temperature were recorded. The 5 hydroxytryptamine（5-HT）levels in the brain tissue were measured by HPLC. Results: 1）The duration of exhausted exercise in heat preconditioning group and control group were（56.00 ± 12.27）min and（70.88 ± 13.74）min respectively, significant increase in exercise tolerance（P<0.05）; 2）The duration of exhausted exercise in heat preconditioning group and control group were（0.382 ± 0.396）℃ and（1.954 ± 0.603）℃respectively, significant increase in exercise tolerance（P<0.05）; Conclusions: Heat preconditioning can effectively reduce the temperature difference before and after exercise, and may be through the reduction of 5-HT content to play a role in delaying the movement of fatigue.

Heat preconditioning; Neurotransmitters; Exercise fatigue

1007―6891（2017）06―0024―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2017.06.06

G804.7

A

2017-06-14

2017-07-29

中央高?；究蒲袠I務費資助項目，項目編號：FRF-BR -16-003B。