實驗動物運動模型的特點與應用

李 瑞 ，董 毅 *

運動影響著人體每個系統、器官和組織（Wang et al.，2010），合理運動對健康大有裨益。然而，運動對人體各個系統影響的途徑和機制仍存在諸多問題有待闡明。為了進一步研究這些問題，研究者開發出許多用于動物研究的體育鍛煉模型，即運動模型。本研究總結目前已有動物模型的研究進展、優缺點和應用范圍，并對未來研究的發展趨勢提升展望。

1 運動生理學研究中動物模型的重要性

運動生理學在正確認識人體機能活動基本規律的基礎上進一步探究體育運動對人體機能發展變化的影響，以此闡明運動對健康、疾病治療的影響和機制（Lemanne et al.，2013； Pate et al.，2004）。不同的運動模式對人體的作用不同，有氧運動可以提高心肺耐力，阻力運動可以使肌肉力量和耐力增強。除運動模式外，運動的強度（低、中和高強度）、運動頻率、運動時間（早晨、晚上）、持續時間（長期、短期）和運動環境（冷環境、熱環境）也是決定生理反應和作用結果的因素（Laursen，2010； Seo et al.，2013）。相比人體實驗，動物實驗可以降低成本并有效監測實驗進展。其中，嚙齒動物具有壽命短、妊娠期短和易繁衍的優點。同時，人體實驗的一些標準可以在動物模型上實現，比如人體運動強度的檢查標準是通過實時記錄攝氧量（O2）和最大攝氧量（O2max）進行判斷，這也是動物模型中最常用的方法（Kemi et al.，2002； Wisl?ff et al.，2001b）。能否將人體運動生理學指標在實驗動物上建立相應的模型是目前動物運動模型是否有效的關鍵。在動物運動模型中合理安排運動訓練方案對于揭示潛在的生理機制至關重要，這也是動物運動模型建立的要點。此外，不同動物運動模型對健康產生的影響和機制也各不相同，因此運動生理學研究中對動物運動模型的選擇也非常重要。

2 動物運動模型

目前，常見的動物運動模型主要集中在跑臺、游泳、自愿轉輪、舉重、爬梯等，這些模型已廣泛用于研究運動表現或疾病運動干預后的恢復及其機制。實驗前應考慮影響運動表現的因素，包括環境、運動強度、實驗動物的品系、性別、年齡和勞損等（Coimbra et al.，2008； Kobayashi et al.，2012），做好必要的準備工作可以提高動物運動模型的可靠性。更重要的是，實驗過程中研究人員必須確保對動物進行鍛煉方案時采用人道的程序（Lerman et al.，2002）。

2.1 跑臺運動

在嚙齒類動物中，研究多采用跑臺運動，其原理是在跑步過程中通過調整速度、坡度和持續時間3 項參數對運動強度進行控制，從而模擬人類運動模式。目前的研究已經設計了多種跑臺運行方案，總訓練持續時間從數周到數月不等，一次訓練持續時間從數分鐘到數小時不等，運動速度范圍為10～97 m/min，跑步機的坡度范圍為0°～30°（Fenning et al.，2003； Kemi et al.，2002； Wisl?ff et al.，2001a； Zhang et al.，2002）。有研究發現，當坡度從0°變為30°時，大鼠O2max在64.5～79.9 mL·kg-1·min-1變化，表明跑臺的坡度會影響O2的水平（Wisl?ff et al.，2001a）。在跑臺運動中，跑步速度既可以調節訓練強度，也可以在低強度運動中估計O2max（H?ydal et al.，2007）。此外，不同持續時間的運動表現出不同的生理反應和實驗結果（Evangelista et al.，2003）。本研究對跑臺模型中通過調整參數所衍生的運動模型進行分別闡述。

2.1.1 運動性疲勞模型

為了使動物達到運動性疲勞，一項研究采取7 周的高強度運動建立了慢性運動性疲勞動物模型。具體方法如下：實驗的前5 周運動負荷逐級遞增，每周的速度分別為15、22、27、31、35 m/min，20 min/天，5 天/周，最后2 周的速度為35 m/min，一般訓練組為20 min/天，強化訓練組為25 min/天（鄭瀾 等，2003）。另一項研究采取4 周的訓練建立了運動性疲勞模型。具體方法如下：4 周的跑臺速度分別為28、30、30、32 m/min，120 min/天，6 天/周，跑臺坡度為10° （王平 等，2009）。侯莉娟等（2017）通過7 天訓練建立了力竭性運動疲勞模型。具體方法如下：每天的訓練負荷分為3 級（8.2 m/min、15 min，15 m/min、15 min，20 m/min、運動至力竭）。與以上建模模式不同，劉曉莉等（2012）采用多級遞增負荷建立力竭運動的疲勞模型。具體方法如下：先進行3 天適應性跑臺訓練，1 次/天，15～30 min/次。當大鼠能以20 m/min 的速度持續運動30 min 時，可正式開始實驗。跑臺坡度為0°，負荷分為3 級，分別為8.2 m/min、15 min，15 m/min、15 min，20 m/min、運動至力竭。方劍喬等（2009）采取5 級遞增跑臺訓練建立運動性疲勞模型。具體方法如下：前6 天在坡度為5°的跑臺上，每天分別以10、15、20、24、28 m/min 的速度各運動10 min，第7 天以28 m/min 的速度持續運動至力竭。還有研究采用3 種不同的運動強度建立了急性運動疲勞性模型，分別為短時間大強度運動組（20 min，28 m/min）、長時間中等強度運動組（100 min，18 m/min）和超長時間中等強度運動組（200 min，18 m/min）（田野 等，1995）。大鼠力竭標準為動物不能維持跑臺速度繼續運動，滯留于跑道后擋板不動，使用光、電、聲刺激驅趕無效，并伴有呼吸急促、俯臥跑臺、垂頭不起等行為表現。由此可見，根據建模參數的選擇可建立不同的運動性疲勞模型（表1）。

表1 不同運動性疲勞模型的建模參數Table 1 Modeling Parameters for Different Exercise-Induced Fatigue Models

2.1.2 過度訓練模型

為了探究人類過度訓練的影響，研究者設計了動物過度訓練的模型。一項研究采取17 周的跑臺訓練建立了過度訓練模型。具體方法如下：第1 周：坡度為5°，10 m/min、20 min；第2 周：坡度為5°，15 m/min、10 min，18 m/min、20 min；第3 周：坡度為5°，18 m/min、15 min，20 m/min、15 min；第4 周：坡度為5°，20 m/min、20 min，22 m/min、20 min；第5 周：坡度為5°，22 m/min、20 min，25 m/min、15 min，28 m/min、15 min；第6 周：坡度為5°，25 m/min、20 min，28 m/min、20 min，30 m/min、20 min；第7 周：坡度為5°，28 m/min、30 min，30 m/min、40 min；第8 周：坡度為5°，30 m/min、30 min；坡度為10°，32 m/min、40 min；第9 周：坡度為10°，32 m/min、70 min；第10 周：坡度為10°，35 m/min、30 min，38 m/min、40 min；第11 周：坡度為10°，38 m/min、30 min，40 m/min、40 min；第12～14周：坡度為10°，40 m/min、40 min，42 m/min、30 min；第15～16周：坡度為10°，42 m/min、30 min，45 m/min、40 min；第17 周：坡度為10°，45 m/min、30 min，48 m/min、40 min（張崇林 等，2011）。另一項研究采取11 周的跑臺訓練建立了過度訓練模型。具體方法如下：第1 周：15 m/min，20 min，1 次/天；第2 周：20 m/min，30 min，1 次/天；第3 周：22.5 m/min，45 min，1 次/天；第4周：25 m/min，60 min，1 次/天；第5～8 周：25 m/min，60 min，1 次/天；第9 周：25 m/min，60 min，2 次/天，1 次間隔4 h；第10 周：25 m/min，60 min，3 次/天，1 次間隔3 h；第11 周：25 m/min，60 min，4 次/天，1 次間隔2 h（Hohl et al.，2009）。此外，一項研究采取8 周遞增負荷跑臺訓練建立了過度訓練模型。具體方法如下：跑臺坡度為10°，一般訓練（1～4 周）和力竭訓練（5～8 周）各4 周，6 天/周。每周的速度與持續時間分別為：第1 周：10 m/min，10 min；第2 周：10 m/min、10 min，15 m/min、10 min；第3 周：10、15和20 m/min 各10 min；第4 周以10、15、20、25 m/min 的速度各進行10 min 的訓練；從第5 周開始，每天分別以15、20 和25 m/min 的速度各運動10 min，隨后加速至30 和35 m/min 各運動20 min，并且不斷增加跑臺速度，直至力竭（鄭陸 等，2000）。徐琳等（2019）也采取8 周遞增負荷跑臺訓練建立了過度訓練模型。具體方法如下：第1～4 周：坡度為0°，60 min，60%EV；第5周：下坡14%，60 min，60%EV；第6周：下坡14%，60 min，70%EV；第7周：下坡14%，60 min，75%EV；第8 周：下坡14%，60 min，75%EV，訓練2 次［EV=V＋（n/b）·a。其中，v 是上一個完成階段的速度，n 為完成階段的持續時間，b 為該階段的持續時間，a 是增量速度］。因此，不同的訓練方案均可以建立過度訓練模型，從訓練周期時長及便于研究出發，建議研究人員優先選擇上述后兩種方案。

2.1.3 高強度間歇性運動模型

研究多采取跑臺運動建立動物高強度間歇運動模型。一項研究采取12 周的跑臺運動建立了該模型。具體方法如下：跑臺坡度為5°，高速階段以25 m/min 的速度快跑3 min，低速階段以15 m/min 的速度慢跑1 min，重復10 組，40 min/天，5天/周（張子怡 等，2020）。另一項研究采取8周的跑臺運動建立了該模型。具體方法如下：適應階段，跑臺坡度為0°，速度為8.3 m/min，訓練2 天。正式訓練階段，熱身活動以8.3 m/min 的速度運動4 min，再以跑臺坡度10°、25 m/min、4 min 和跑臺坡度0°、8.3 m/min、4 min 重復7 組，60 min/天，5 天/周（施曼莉 等，2015）。此外，還有研究采取4 周的跑臺運動建立了該模型。具體方法如下：1 周的適應階段，跑臺坡度為0°，10 m/min，20 min，1 次/天。正式訓練階段，30 m/min、1 min，15 m/min、3 min，重復3 組，隨后每周比前一周多重復1 次（王蒙 等，2020）。

通過對參數的調整可以建立不同的跑臺運動模型（運動性疲勞、過度訓練和高強度間歇性），研究者可根據實驗需要進行選擇和設計。目前對各種跑臺運動模型的建立尚未有統一的標準，還需進一步的深入研究。

2.1.4 跑臺運動模型的優缺點和適用范圍

2.1.4.1 優點

1）精確控制運動強度、運動量、持續時間、坡度、速度和距離，便于變量控制。2）跑臺設備由計算機控制，實驗數據的獲取和實驗數據的分析效率高。3）跑步機能在受控條件下測量運動和心血管參數。

2.1.4.2 缺點

1）實驗通常是壓力性的和非生理性的，使用負面刺激（電擊）導致活動模式與正常的小鼠行為相差較大。2）實驗安排在白天，這與鼠類夜間活動的晝夜模式相反，可能對運動的生理反應和分子機制產生混雜影響。3）跑臺可能會難以激勵動物長時間運動，并且動物可能會因強行奔跑而遭受身體和心理壓力。

2.1.4.3 適用范圍

跑臺運動屬于有氧運動的一種，對動物的益處是全身性的。因此，跑臺運動可對研究全身器官的功能、疾病的預防和治療有積極的作用。國內外有研究證實，長期中等強度跑臺運動的益處包括延緩機體的衰老（Kim et al.，2010），減少腫瘤細胞的擴散和轉移（Murphy et al.，2004），改善糖尿病患者的糖代謝和能量代謝紊亂（叢琳等，2001），以及明顯減輕肥胖群體的體質量等（陳巍 等，2018）。相比中等強度跑臺運動，高強度跑臺運動對心肺功能有更明顯的影響（Hafstad et al.，2011）。相比低強度跑臺運動，高強度跑臺運動對骨骼結構有更明顯的影響（黃偉彥 等，2018）。

2.2 游泳運動

在游泳運動中，可通過改變持續時間和頻率調整運動強度，還可將一定重量的負荷附加在動物的胸部或尾巴上來調整運動強度（Gobatto et al.，2001； Voltarelli et al.，2002）。采用游泳運動形式，也可以模擬人類運動的一些情況。本研究對游泳模型中通過調整參數所衍生的運動模型進行分別闡述。

2.2.1 運動性疲勞模型

有研究通過游泳訓練建立運動性疲勞模型。具體方法如下：首先對實驗大鼠進行3 天的適應性游泳訓練，1 次/天，20 min/次。正式訓練前7 天采取的訓練模式為1 次/天，3 h/次，后3 天采取的訓練模式為2 次/天，3 h/次，每次間隔時間為6 h。在游泳過程中，當大鼠出現反復下沉時，將其取出游泳池休息3 min 后，再放入游泳池中繼續游泳，使其游泳時間不少于3 h（侯莉娟 等，2005）。采用該方法可以模擬人類運動性疲勞的狀態。

2.2.2 力竭運動模型

一項研究通過8 周遞增游泳訓練建立了力竭運動模型。具體方法如下：正式訓練采取5 天/周，1 次/天，第1 次訓練10 min，此后逐日增加，1～3 周周末的時間分別為30、60、120 min/天。第4 周開始高強度訓練：大鼠尾部增加0.5%體質量的負荷，120 min/天，第4 周周末增加重量達到體質量的1%，第5 周周末增加達到體質量的2%。第6周周末起每天上、下午各訓練1 次，上午增加2%的體質量游2 h，下午增加3%～7%的體質量游2 h。如發現有力竭表現（在水下維持10 s 不能上浮），將其取出水面休息5 min 后繼續訓練直至2 h。第7～8 周時，夜間再訓練1 次，同樣增加3%～7%體質量的負荷，持續游泳至力竭，訓練2 h，大鼠訓練滿8 周后，次日上午繼續按第8 周安排方案訓練，增加2%的體質量游完2 h （毛杰，2004）。另一項研究采取6 周的遞增負荷建立力竭運動模型。具體方法如下：前3 周通過增加游泳時間來提高運動負荷（第1 周為5～30 min，第2 周為30～60 min，第3 周為60～120 min）；后3 周固定運動時間增加負重（第4 周負重1%～2%體質量，第5 周負重2%～4%體質量，第6 周負重4%～6%體質量），6 天/周（佟強 等，2016）。由此可見，游泳訓練也可以建立力竭運動模型。

2.2.3 過度訓練模型

有研究采取8 周的訓練建立過度訓練模型。具體方法如下：前3 天適應性游泳30 min，并在1 周內增加時間至120 min，訓練1周后，對大鼠進行力竭性游泳訓練，1次/天，6 天/周，持續4 周。最后2 周，每天早、晚各1 次，每周6 天，對于在短時間內力竭的大鼠，撈出休息5 min 后再進行游泳訓練，使訓練時間不少于2 h（李寧川 等，2000）。還有研究采取6 周的訓練建立過度訓練模型。具體方法如下：在鼠尾部增加負重（體質量的50%），1 次/天，180 min/次，6 天/周，持續訓練6 周（張志勝 等，1999）。游泳方式的過度訓練模型也可以模擬人類的活動。

除了跑臺運動模型，通過對參數的調整也可以建立不同的游泳運動模型（運動性疲勞、過度訓練和力竭運動），兩者之間的比較見表2。

表2 跑臺與游泳運動模型（運動性疲勞、過度訓練、力竭運動）的比較Table 2 Comparison of Treadmill and Swimming Exercise Models （Exercise-Induced Fatigue，Overtraining，Exhaustive Exercise）

2.2.4 游泳運動模型的優缺點和適用范圍

2.2.4.1 優點

1）鼠類具有先天的游泳能力，在進行游泳運動時一般不表現出強烈的抵觸行為。2）游泳訓練易維持較高水平的運動強度，而所需設備大多簡便易得。3）可同時進行相對大量的動物訓練，而不必依賴動物的自我激勵。

2.2.4.2 缺點

1）由于缺乏分級的運動量，導致量化運動強度困難。2）水環境可能會給動物增加額外的壓力，例如，與潛水有關的缺氧、不適感和溺水的恐懼，而低水溫可能導致神經內分泌系統和血液動力學的變化（Kioukia-Fougia et al.，2002）。

2.2.4.3 適用范圍

游泳運動屬于有氧運動，不僅可以作為一種訓練手段，還有利于疾病的恢復。例如，作為訓練手段對骨骼適應性（步斌，2005）、骨骼肌適應性（黃文聰 等，2008）、心臟適應性（Wang et al.，2008） 以及大腦可塑性（馬春蓮 等，2018）等有作用；對多種疾病如抑郁癥（Suvrathan et al.，2010）、高血壓（Cardoso et al.，2014）、糖尿病（張坦 等，2016）和阿爾茨海默病（劉濤，2012）也有作用。

2.3 自愿轉輪運動

有研究表明，使用能夠自由轉動的籠子，鼠類則會自發奔跑（Allen et al.，2001； Lerman et al.，2002； Swallow et al.，1998），在野生小鼠中也觀察到這種行為（Meijer et al.，2014）。小鼠受玩耍、逃跑和代謝驅動而奔跑，這是有益行為，因此自愿轉輪運動被研究者選為另一種運動模型。目前發現，小鼠自愿轉輪運動的特征是間歇性的，類似于人類的間歇訓練，因此可模擬人類間歇運動狀態。

有研究發現，小鼠在黑暗周期開始后立即奔跑。奔跑活動在黑暗周期最初2～3 h 達到峰值，并逐漸降低（Bartling et al.，2017； De Bono et al.，2006）。目前發現，小鼠每天總跑步時間和總距離之間的差異可能受年齡、性別、品系和環境等影響。有研究進一步發現，不同品系的小鼠每天跑步速度和總跑步距離各不相同，其中C57L/J小鼠的跑動比其他品系快，因此在選擇動物模型時要綜合考慮品系運動差異（Lightfoot et al.，2004）。此外，雌性小鼠的每周跑步距離大于雄性小鼠，老年小鼠的日常活動明顯少于年輕小鼠（Bartling et al.，2017）。研究還證明，小鼠較喜歡以 “巡航速度”（接近其最大速度）進行運動（De Bono et al.，2006）。因此，這種參數的統計結果可能優于傳統方法（平均速度），而且還可以將跑步速度較快的小鼠替代跑步距離較長的小鼠 （Swallow et al.，2005）。

目前，在參數控制上，主要研究動物自愿轉輪運動的長期效應，對運動速度和運動距離等指標一般不做干預，僅將運動的總持續時間作為控制因素（Allen et al.，2001），最大程度依靠動物的自愿進行運動。

2.3.1 自愿轉輪運動模型的優點

1）運動方式類似于小鼠的自然跑步行為。2）可根據動物的正常晝夜節律在非應激條件下進行。3）不需要研究人員的直接干預，且易于長期實驗研究。4）允許動物在籠內無應激的環境中活動，對技術要求需求較少。

2.3.2 自愿轉輪運動模型的缺點

1）不同年齡、性別、品系的小鼠運動水平各不一致，對實驗的結果也會產生不同的影響。2）除了飲食干預外，運動強度和持續時間不能精確控制。3）可能會折斷腳趾甲或擦傷。

2.3.3 自愿轉輪運動模型的適用范圍

自愿轉輪運動屬于有氧運動的一種，通常適合研究運動的長期效應。例如，慢性適應性變化（Manzanares et al.，2019）、慢性疾病（Goh et al.，2013）、行為學研究（Bartling et al.，2017； Koteja et al.，1999）、認知功能（Lee et al.，2012）、心臟適應性（Konhilas et al.，2004）、骨骼肌適應性（Pellegrino et al.，2005）、肥胖癥（Goh et al.，2013）、杜氏肌營養不良癥（Call et al.，2010）、阿爾茨海默病（張楠等，2017）、抑郁癥（崔建梅 等，2014）和中風等（Ke et al.，2011）。

2.4 舉重運動

大鼠舉重運動模式常用于研究長時間的耐力和力量訓練下肌肉和骨骼變化。對動物而言，舉重運動模式不是自愿的，需要通過一些刺激和獎勵來促使動物運動。根據不同的誘導方式，可分為以下幾種不同的舉重訓練模式。

有研究對大鼠下肢肌肉進行電刺激以使其抵住滑輪桿進行舉重運動。在訓練期間，對其采用低頻重復、高訓練負荷的訓練方案。在給定的負荷下完成的動作連續3個訓練階段達到穩定水平，再以100 g 的增量逐漸增加，每次訓練4 組，每組6 次。每隔20 s 重復1 次，每組之間休息5 min，共持續16 周。研究發現，受刺激的負重腿部腓腸肌濕重增加了18%。該模型為進一步研究舉重運動引起骨骼肌增大提供了思路。這種模型的不足之處是使用電刺激誘導會不自主的使肌肉收縮，訓練過程中大鼠的心理和精神創傷較大，并且實驗數據的記錄需要花費大量的時間（Wong et al.，1988）。另一項研究將雙極電極植入大鼠顱內進行自我刺激來進行舉重運動。大鼠穿著一定重量的外套，起始阻力為大鼠體質量的5%～10%。在隨后的每個星期開始時，阻力逐漸增加。在訓練期結束時，大鼠舉起起始重量的550%以上。訓練方案5 天/周，持續10 周。該模型將運動與積極激勵相結合，具有相對容易實施且不會在動物體內產生任何明顯的身體或精神創傷的優點，不足之處是大鼠需做開顱手術并植入電極（Garner et al.，1991）。

同上述舉重運動中采用電刺激相反，在另外幾種舉重運動模型中產生了可長期維持的自發性肌肉運動。其中一項研究誘使大鼠抬起腳尖來得到頭頂的食物進而完成一次訓練。在36 周內，杠桿上的重量增加了85%。對于訓練后大鼠的左右下肢比目魚肌重量分別比對照組增加了31%和34%。同樣，左右肢的足底屈肌也增加了24%。該模型的明顯優勢在于能夠在訓練后肌肉重量和張力產生變化。不足之處是大鼠必須在禁食保持饑餓狀態才可能愿意進行訓練（Klitgaard，1988）。另一項研究通過操作性調節程序和食物獎勵來進行訓練。為了保持目標體質量，要在籠子內調整大鼠標準實驗室食物的每日定量。實驗將大鼠分為負重70 g 組和700 g 組。在初步訓練后，這些大鼠就能夠通過其全部位移抬起負荷，并在數次連續的訓練中保持穩定的速度（70 g 組中穩定在100 次，700 g 組中穩定在80 次）。大鼠進行了適應訓練后，在之后的幾周內，舉重模式呈穩定狀態。而且，這種模型是自愿和無創的，并且非常適合研究圍繞重復性抗阻鍛煉對生理的影響（Wirth et al.，2003）。還有研究作出進一步改進，該模型不使用禁食或電擊作為鍛煉的刺激，鼓勵動物通過短期的能量限制和干擾刺激運動，而且這些刺激不會促進體質量的改變。此模型還將聲音設備集成到調節過程中，可以優化運動學習的性能。動物的調整完全取決于光線、聲音和氣味的變化。并且可以準確控制運動變量（數量、強度和休息間隔），這種抗阻訓練設備更接近于人類觀察到的生理環境（Nicastro et al.，2012）。

2.4.1 舉重運動模型的優點

1）與人類抗阻運動密切相關。2）運動變量比較容易控制。3）對研究骨骼肌（肥大、萎縮、代謝）方面起著必不可少的作用。

2.4.2 舉重運動模型的缺點

1）非自愿運動，動物容易產生應激和不合作。2）可能需要負面刺激（禁食、電擊）來維持運動。3）需要專用的訓練設備。4）動物在訓練前需要一定階段的時間適應訓練模式。

2.4.3 舉重運動模型的適用范圍

舉重運動是抗阻運動的一種，重點研究其對骨骼肌和心臟的影響。例如，骨骼肌肥大（Tamaki et al.，1992）、心臟功能（Ahmadiasl et al.，2012）、心肌肥大（Barauna et al.，2007）。

2.5 爬梯運動

目前，已經開發出了若干動物模型用于抗阻訓練，并旨在模仿人類抗阻運動中所表現出的骨骼肌生理效應（Klitgaard，1988； Tamaki et al.，1992； Wong et al.，1988；Yarasheski et al.，1990）。其中一些研究使用負面強化，如電擊或禁食來激發動物運動（Klitgaard，1988； Tamaki et al.，1992）。而通過電刺激誘發訓練可能會破壞結果的可靠性，甚至會阻止模型的成功執行。目前有研究證明了拒絕在跑步機上跑步且未經訓練的老鼠會在梯子進行爬坡運動，且V˙O2與爬梯速度成線性關系。同時證明了爬梯是鍛煉大鼠較好的方法之一，其依從率較高，可重復性強，并且在這種鍛煉方式中會出現與人類相同的生理反應（Norton et al.，1990）。因此，研究人員開發了一種能夠模仿人類漸進式抗阻運動的動物模型——爬梯式抗阻運動。

已有研究通過不同的爬梯運動模型訓練大鼠后肢骨骼肌肥大和力量。一項研究訓練大鼠爬上40 cm 的垂直梯子，同時逐漸增加固定在尾巴上的重量。訓練持續26 周，4 天/周，12～15 次/組，4 組/天或一次訓練重復4 組。大鼠最多可承受800 g 或其各自體質量140%的負荷。這種長期的抗阻訓練可增強肌肉耐力和肌肉疲勞的抵抗力，但沒有明顯增加肌肉肥大，也沒有增加趾長伸肌或比目魚肌的最大力量（Duncan et al.，1998）。另一項研究則相反，正式訓練前大鼠要在傾斜80°的梯子（長110 cm×寬18 cm）上進行適應性訓練，3 次/天，共3 天。在此期間，將大鼠放置在梯子頂部的收容室內60 s，然后放在梯子的底部。在第二項實驗中，將大鼠放在梯子的中間長度上。在最后一次試驗，大鼠爬完整個梯子并記錄了所耗費的時間。實驗組接受負荷試驗，持續8 周，每周5 次，將負荷50 mL 錐形管固定在大鼠的尾巴上。實驗證明，漸進式抗阻訓練的小鼠表現出趾長屈肌肌纖維肥大，并改善了海馬依賴性記憶任務（Cassilhas et al.，2012）。與此不同，Hornberger 等（2004）采取高強度漸進式阻力訓練，每3 天訓練1 次，持續8 周。適應性訓練3 天后進入正式訓練，訓練大鼠4～9 次爬梯，在最初的4 次爬梯過程中，大鼠分別承載了之前最大承載能力的50%、75%、90%和100%。在隨后的爬梯過程中，逐漸增加30 g 的額外負荷，直至達到大鼠新的最大承受能力為止。研究發現，拇長屈肌（FHL）質量增加了23%，FHL的峰值強直張力增加了20%。組數、休息時間和訓練頻率與典型的人類抵抗運動訓練計劃非常相似，且觀察到許多與人類進行性抵抗運動訓練參數和生理適應性。

2.5.1 爬梯運動模型的優點

1）與人類漸進式抗阻運動密切相關。2）一般不需要負面刺激（電擊）驅使動物運動。3）訓練設備簡便可得且成本較低。

2.5.2 爬梯運動模型的缺點

1）適應后可能對動物的壓力較大。2）運動強度逐步加大，對動物產生心理和身體上的壓力。3）訓練過程中需要人工實時監測和記錄運動量（表3）。

表3 爬梯與舉重運動模型的比較Table 3 Comparison of Stair Climbing and Weightlifting Model

2.5.3 爬梯運動模型的適用范圍

爬梯運動也是抗阻運動，研究多圍繞對骨骼和骨骼肌結構和功能的影響。例如，骨骼生長（Ahles et al.，2013）、骨骼肌肥大（Hornberger et al.，2004）、認知功能（Cassilhas et al.，2012）和糖尿病（Sanches et al.，2014）。

2.6 電刺激運動

除了以上較為自然的運動模型外，還有研究者從電生理學角度開發了更為特殊的動物運動模型——電刺激運動模型。電刺激運動模型是指向肌肉內植入電刺激器從而導致非自愿的肌肉收縮（Ambrosio et al.，2012； Ljubicic et al.，2005）。在這種運動模型中，可以激活特定的肌肉群而不是整個小腿，并且由于該模型中有對照肌肉，因此可獲得定量的結果（Baar et al.，1999）。

有研究發現，經過4 周的神經肌肉電刺激（NMES）后，鼠的強直性收縮增加了約30%。NMES 鼠模型可促進骨骼肌血管生成和增強，但不會引起骨骼肌損傷（Ambrosio et al.，2012）。另有研究表明，長期電刺激的作用與耐力鍛煉并無不同，且電刺激模式避免了意志的局限性和生理性募集順序。與經受相同的連續低頻脈沖序列的肌肉相比，高頻刺激模式的肌肉將具有更大的質量和橫截面積，并產生更大的力（Salmons，2009）。

2.6.1 電刺激運動模型的優點

1）可用于控制對側肌肉。2）定量且高度可重復的結果。3）不需要動物的配合。4）能最大程度地激活所有運動單元。

2.6.2 電刺激運動模型的缺點

1）需要手術和重復麻醉，可能會影響動物的生理。2）肌肉收縮不是生理性的，影響結果的可靠性。3）高頻刺激肌肉纖維可能發生轉變。

2.6.3 電刺激運動模型的適用范圍

電刺激模式應用最多的是對骨骼肌的影響。例如，骨骼肌肥大（Baar et al.，1999）、肌肉功能（Pette et al.，1999）、肌肉損傷和炎癥的恢復（Ambrosio et al.，2012； Ljubicic et al.，2005）、神經肌肉的疾病肌肉收縮等（Ambrosio et al.，2012）。

3 小結與展望

不同運動模型有各自的優缺點和適用范圍，應進一步開發和改進各種動物運動模型，以實現高重復性和成本效益，同時節省研究人員的勞動力，這是目前亟待解決的問題。在選擇和開發動物模型時，應牢記影響運動結果的多種因素。例如：動物的晝夜節律，負面刺激，動物品系、性別和年齡等。當前，還沒有任何一種運動模型或任何一種運動方案能夠對實驗對象產生最優的效果，這需要研究人員對每種運動模型進行對比來調整運動方案，并不斷改進運動模型，最終開發出能夠模擬人類運動的理想化運動模型。