一種大鼠跑臺抗阻訓練模型的構建

藺海旗，王 震，林文弢

（1.華南理工大學體育學院，廣州 510641；2.廣東青年職業學院，廣州 510550；3.廣州體育學院，廣州 510500）

抗阻訓練是提高肌肉質量和體積的有效訓練方法[1-4]。近年來抗阻訓練研究多數以大鼠建模為主[5-8]。研究運動員力量訓練所適應的生理機制、機體康復和力量訓練效果，以及老年人力量訓練的風險性和合理性時，均采用抗阻訓練作為研究手段。而且研究者常采用不同的實驗方案，模擬人體抗阻運動規律，建立大鼠抗阻訓練模型[9-13]。動物抗阻訓練模型中常見有爬梯、跑臺等方式，但爬梯抗阻模式時大鼠缺少運動的自主性，訓練效果欠佳。同時，現有訓練模型的運動量、負荷強度、間歇時間和運動頻度等難以監控，影響抗阻訓練研究的開展。因此，如何設計有效的抗阻訓練模型是開展抗阻訓練研究的首要任務，也是眾多學者研究的焦點。本研究結合以往抗阻訓練模型的優點與不足，利用跑臺建立大鼠抗阻訓練模型，以期為抗阻訓練研究提供簡便、有效的訓練手段和方法。

1 材料與方法

1.1 實驗動物

SPF級19月齡雄性SD大鼠40只，購自廣東省醫學實驗動物中心[SCXK（粵）2018-0002]，體質量為（780±30）g。所有大鼠分籠飼養于華南理工大學醫學院SPF級動物實驗中心[SYXK（粵）2017-0178]，每籠4只，溫度25 ℃左右，濕度50%～60%，晝夜節律光照。適應喂養后，隨機挑選8只進行跑臺坡度、速度和負重3個參數的抗阻訓練聯合實驗，其余隨機分為對照組、抗阻訓練1組、抗阻訓練2組和抗阻訓練3組，每組8只。本研究經華南理工大學倫理委員會核準（編號：2018SDL012）。

1.2 試劑與儀器

德國EKF Biosen C-line血糖/乳酸分析儀購自盼樂（上海）貿易有限公司。乳酸分析儀的酶膜、標準液和緩沖液購自深圳市格林斯儀器有限公司。醫用棉布基膠帶、紗布、沙袋、棉繩，以及改良的動物實驗跑臺（型號：DB030）均購自北京智鼠多寶生物科技有限責任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 構建大鼠跑臺抗阻訓練模型

負重爬坡運動是運動訓練中常見的抗阻訓練模式，運動過程中不僅要克服自身體質量，而且要克服額外的負重。基于負重爬坡運動模式的啟發，設計跑臺抗阻訓練模型：利用可升降支柱將跑臺支撐距離地面高度約1 m，調節跑臺坡度，跑道粘貼防滑紗布；利用跑臺自有的電動裝置，調節旋鈕，進行配速；根據大鼠尾部最大負重制作相應百分比的沙袋，作為抗阻訓練的負重物，抗阻訓練時用棉繩系于大鼠尾部（圖1）。根據抗阻訓練實驗方案的需求，確定運動訓練強度、負荷量、訓練周期和間歇時間等運動要素。

圖1 大鼠跑臺抗阻訓練模型簡圖Figure 1 Schematic diagram of resistance training model for rats using a treadmill

1.3.2 大鼠跑臺抗阻訓練聯合實驗

在跑臺坡度分別為20°、25°、30°、35°和40°，跑臺速度分別控制在10、15、20、25、30、35和40 m/min的條件下，大鼠進行抗阻訓練。觀察大鼠的運動表現，以確定抗阻訓練模型的適宜坡度和跑臺速度。

1.3.3 大鼠跑臺抗阻訓練負荷強度實驗

在確定大鼠抗阻訓練模型適宜坡度和跑速的基礎上，分別進行1～6次，每次15 s，間歇30 s的斜坡跑；并在每次運動后90 s，用毛細血管于大鼠尾部取血10 μL，測試全血乳酸濃度，以確定每次適宜的組數及每組間歇時間。以大鼠尾部負重后僅能在跑臺爬行為標準來確定大鼠最大負重量，并分別以各個大鼠最大負重的30%、70%作為負重量進行跑臺抗阻訓練，同時測試全血乳酸濃度以確定運動強度。

1.4 統計學分析

采用SPSS 18.0統計學軟件對各實驗結果數據進行統計分析。所有實驗結果數據均采用±s表示。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 大鼠跑臺抗阻訓練的坡度與跑速

大鼠在不同的跑臺坡度和速度下分別進行運動，觀察記錄大鼠運動狀態。由表1可見，跑臺坡度為30°、跑速＜15m/min時，大鼠可自主跑動且無需驅趕；跑速為20～25 m/min時，大鼠需驅趕才能進行短時間的跑動；跑速＞30 m/min時，大鼠不能跟進跑臺速度，無法進行有效運動。跑臺坡度為35°、跑速≤15 m/min時，大鼠可自主跑動；跑速≥20 m/min時，大鼠需驅趕才能進行運動。跑臺坡度為40°、速度≤15 m/min時，驅趕下大鼠費力在跑臺上跑動，伴有跳躍式奔跑；在此坡度和速度下，額外增加負重時，大鼠將無法完成抗阻運動；速度≥20 m/min時，多數大鼠自動從跑臺上滑下，無法跑動，大鼠跑動效果很差。

根據抗阻訓練實驗的目的需求，即發展骨骼肌最大力量和爆發力，大鼠跑臺抗阻訓練模型的坡度和跑速需適宜。因此，綜合考慮認為，跑臺坡度35°、跑速15 m/min為大鼠跑臺抗阻訓練模型較理想的坡度和速度。

表1 不同坡度和跑速下大鼠運動狀態Table 1 The motion state of rats under different inclines and running speeds

2.2 大鼠跑臺抗阻訓練的運動方案

2.2.1 強度的確定

大鼠在跑臺坡度35°、跑速15 m/min條件下進行抗阻訓練。通過測試抗阻訓練運動后全血乳酸濃度的變化來確定訓練強度。每次訓練持續時間分別是8、9、10、11、12、14、15、16和17 s，各運動時間后測試全血乳酸濃度。運動8～15s時，全血乳酸濃度均值為3.8～5.2 mmol/L；運動16 s和17 s后，全血乳酸濃度分別為5.8 mmol/L和6.7 mmol/L。由此可見，每次訓練15 s較為適宜，因為運動中全血乳酸濃度＜5 mmol/L，表明骨骼肌主要以磷酸原系統供能為主，糖酵解供能比例較低[14]。同時，由于全血乳酸的半時反應時間為30 s，確定大鼠抗阻訓練跑15 s、間歇30 s為一次訓練。

為確定每組抗阻訓練次數，分別測試大鼠抗阻訓練前安靜時以及分別進行1～6次訓練后的全血乳酸濃度。由表2可見，大鼠跑15 s、間歇30s，2次訓練后全血乳酸濃度開始升高，2～4次訓練后全血乳酸濃度較為穩定；訓練5次后全血乳酸濃度大幅升高，超過5mmol/L，達到大鼠乳酸閾強度[5]。因此，基于抗阻訓練的實驗目的，每組訓練次數以4次為宜。

2.2.2 負重量的確定

表2 不同次數抗阻訓練后大鼠全血乳酸的變化Table 2 Changes of blood lactic acid levels in rats after undergoing resistance training of different intensities

以大鼠尾部負重后能沿跑臺爬行為標準，測試大鼠最大負重量。然后分別以大鼠最大負重的30%、70%來進行跑臺抗阻訓練，并檢測全血乳酸濃度，方案同確定強度的測試。由表3可見，大鼠以最大負重的30%、70%進行尾部負重，跑15 s、間歇30 s為1次，在跑完4次后全血乳酸濃度均接近5 mmol/L，而在5次訓練后全血乳酸濃度均超過5 mmol/L。結合骨骼肌能量代謝特點[14]，分別以最大負重的30%、70%訓練4次時主要以磷酸原系統供能為主。可見，大鼠跑臺抗阻訓練強度為跑15 s間歇30 s時，負重量以大鼠尾部最大負重的中低強度為宜；其他負重量可根據實驗需要確定。表3結果進一步表明每組訓練次數以4次為宜。

表3 不同負重訓練后大鼠血乳酸的變化Table 3 Changes of blood lactic acid levels in rats after undergoing different weight training

2.2.3 抗阻訓練組數和間歇時間的確定

為確定本抗阻訓練模型的訓練組數和每組間歇時間，進一步設置間歇時間分別為1、3、5min，各訓練1～5組后檢測大鼠全血乳酸濃度。結果表明，每組間歇1min，抗阻訓練1、2、3、4、5組后，大鼠全血乳酸濃度均在6.8 mmol/L以上，最高達18 mmol/L。每組間歇3 min，抗阻訓練1、2、3組后，大鼠全血乳酸濃度逐漸升高，最高為5.35mmol/L，而第4、5組后全血乳酸濃度下降。每組間歇5 min，抗阻訓練1、2、3、4、5組后大鼠全血乳酸濃度均為4～5 mmol/L，變化不大。因此，大鼠跑臺抗阻訓練模型每天訓練組數為3組，每組間歇3 min為宜。

2.2.4 每周訓練次數的確定

根據抗阻訓練的原理，力量訓練一般是隔日訓練，抗阻訓練每周安排3～4次為宜[15]。具體可根據實驗設計需求，確定每周訓練的次數。

2.2.5 大鼠跑臺抗阻訓練模型的確定

結合上述實驗結果，確定本研究大鼠跑臺抗阻訓練模型方案：跑臺坡度35°，跑速15m/min；總體訓練時間（含訓練、休息）為37 min；尾部負重量以最大負重量的中低強度為宜，其余按需確定；跑速15 m/min訓練15 s、休息30 s為1次，4次/組，3組/d，每組間歇3 min；隔日訓練。

3 討論

抗阻訓練是有效改善機體肌肉和骨骼系統功能的運動方式之一[1-2]。作為一種非藥物治療的康復運動策略與手段，抗阻訓練已被用于改善老年人葡萄糖耐量和全身胰島素敏感性[16]。而且無論是運動員力量訓練、疾病康復，還是少年、中年、老年人增強身體機能，較為有效的手段均是抗阻力量訓練，但該訓練需要有一定的科學性和嚴密的訓練計劃。

大鼠抗阻訓練是研究肌肉骨骼功能改善機制的主要方式[5-8]，但大鼠抗阻訓練與人體實際運動相比，存在不同之處。如何利用動物實驗模擬、重現人體的抗阻訓練是實驗的難點。目前常見的大鼠抗阻訓練模型主要有尾部負重爬高、身體負重跳躍/蹲起、神經肌肉電刺激及操作制約訓練等四類[3]，而國內較為常用的是動物跑臺尾部負重跑和尾部負重爬梯、爬網格模型。研究者開發了動物抗阻訓練設備和系統，利用操作性條件反射系統，由聲音和光建立條件反射，致使大鼠舉重，但該訓練條件不易控制，步驟多且繁瑣，難以實現[17]。而神經肌肉電刺激舉重抗阻模型是通過不間斷持續電刺激實驗動物尾部以使大鼠伸腿舉重[18]，大鼠非常痛苦，一定程度上違背倫理道德。

目前，大鼠抗阻訓練模型存在儀器設備要求苛刻、模型操作復雜、訓練過程不易監控、費時費力、訓練時大鼠應激過大、缺乏主動性等難以克服的缺點，致使實驗研究時難以定量運動的強度、次數、組數以及每組間歇時間等，進而影響研究效果。鑒于此，本研究采用改良的實驗動物跑臺構建大鼠跑臺抗阻訓練模型。實驗結果顯示，本研究的大鼠跑臺抗阻訓練模型具有一定的優點：大鼠跑臺訓練技術成熟，易于操作，同時大鼠進行跑臺爬坡運動更貼近鼠類的生活習性，抵觸情緒較小，很好地解決了大鼠運動時的主動性，以及運動量和強度等因素無法控制的難點。

大鼠跑臺抗阻訓練模型的建立對于增齡性肌肉骨骼系統研究具有重要意義。而且大鼠尾部負重抗阻力量訓練能促進大鼠骨骼肌蛋白質的合成，維持肌肉質量。本研究從大鼠訓練過程中進行行為學觀察和實驗證實，利用跑臺成功建立抗阻訓練模型，適用于抗阻訓練的實驗研究[19-20]。本研究中，大鼠跑臺抗阻訓練模型要求尾部包裹固定負重物的操作者具有較豐富的經驗，能夠很好地控制紗布包裹大鼠尾部的松緊程度，以防止尾套包裹過緊或過松：過緊易使尾部供血不足，損傷尾部；過松則粘貼不牢易脫落，影響造模成功率。另外，抗阻訓練模型跑臺坡度的設定應是大鼠能夠在跑臺上跑動的最大坡度，跑速為大鼠能夠承受的最大速度。跑臺坡度和速度的設置需結合大鼠跑動時的行為學觀察表現來綜合考慮。運動訓練時要有足夠的休息時間：組間休息不足，肌肉疲勞不能維持預定的訓練量和負荷，影響訓練效果；而每組間歇3～5 min能有效維持組間訓練強度[6]。

需要說明的是，如何結合實際研究需要，合理調整運動訓練周數、次數、組數、間歇時間等，進而有效控制運動量和強度，改良大鼠跑臺抗阻訓練模型構建的其他因素，盡可能地降低研究過程中存在的偏倚，這些均有待進一步研究探討。