5-羟色胺与中枢运动疲劳的分析研究

鲁建清满维祥罗荣保

（1.湘南学院，湖南 郴州 423000；2.湖南师范大学 体育学院，湖南 长沙 410081）

前言

自1880年莫索(Mosso)[1]研究人类的疲劳开始,距今已有100多年的历史了。在1982年第五届国际运动生物化学会议上对疲劳的概念取得了统一的认识,即运动性疲劳是:“机体生理过程不能继续机能在特定水平上进行和(或)不能维持预定的运动强度。”它是运动本身引起的机体工作能力的暂时降低,经过适当的时间休息和调整可以恢复的生理现象,是一个极其复杂的身体变化综合反应过程[2]。自莫索首次提出疲劳可能发生在两个部位:一是发生在中枢神经系统,为中枢疲劳;二是发生在外周(即脊髓运动神经、神经肌肉接点和骨骼肌),为外周疲劳以来，疲劳的外周机制已得到广泛研究。近年来,疲劳的中枢机制越来越受到重视，有许多研究发现了脑内氨基酸、氧化自由基等物质变化与中枢疲劳发生有关。但是,目前被学术界广泛接受的还是中枢神经递质5-HT导致运动性中枢疲劳发生的假说。

1.枢运动疲劳

中枢运动疲劳在疲劳的发展过程中,中枢神经系统起主导作用,它是中枢的一种维护性抑制,以防止机体发生过度的机能衰竭[3]。就中枢疲劳而言，尽管中枢神经功能紊乱可作为最基本表现，同时受其他诸多因素的影响，是一个高度整合的过程。目前很难给出一个准确的定义，现在普遍认为中枢疲劳是一种中枢负性变力的结果，CNS疲劳(力量和功的输出无法维持在预期水平)是不能够仅用肌肉本身功能紊乱来解释，是与CNS特异性功能改变有关的疲劳，同时还包括了一些象动机、感觉等重要的心理学指标在疲劳中的作用。Green[4](1990)从生理学角度归纳得出，中枢神经系统疲劳产生的原因有：(1)棘突衰减；(2)传人抑制；(3)运动神经元兴奋性降低；(4)神经分支点兴奋性丧失；(5)神经肌肉末触问传达衰减。

25.羟色胺(5-HT)

1948年Rapport等从血清中分离出5-HT。它在化学上属吲哚胺类化合物,由吲哚和乙胺两部分构成。90%的5-HT存在于体内消化道,8%～9%在血小板中,存在于中枢神经系统中的5-HT只占全身总量的1%～2%。5-HT本身难于透过血脑屏障,但是其前体是色氨酸,血液中的色氨酸可以经过血脑屏障进入脑,再经过细胞膜进入5-HT能神经原内,合成5-HT。所以体内中枢神经系统与外周的5-HT可算分属两个独立的系统。由于5-HT能神经元只存在于中枢神经系统,所以目前认为5-HT主要是作为一种中枢神经抑制性递质发挥作用[5]。

在许多动物中进行的神经生理学研究发现5-HT可以引起一系列特殊行为,在大鼠是摇头,前肢踏步样动作,后肢僵硬外展,尾竖起,颤抖,肌肉震颤等,被称为5-HT行为症候群。另外发现5-HT可以抑制摄食。此外5-HT对体温调节和性行为调节也有作用,但是都根据5-HT受体类型不同以及不同脑区而产生不同的抑制或促进作用。多数的动物研究认为5-HT还与慢波睡眠有关,也有研究发现它与快波睡眠有关。此外,5-HT与痛觉和精神活动也有关系。对于运动系统来说,脑内5-HT的上行纤维主要投射到下丘脑视上核、基底神经节和边缘系统等古老结构,少部分纤维到达大脑皮层；5-HT能神经元的下行纤维轴突沿脊髓外侧索下行,在颈膨大和腰膨大出纤维比较密集,末梢分布于脊髓前角、侧角和后角。其中基底神经节的尾状核、壳核与苍白球统称为纹状体,纹状体具有控制肌肉运动的功能,与丘脑,下丘脑联合成为本能反射的调节中枢,基底神经节有重要的调节运动的功能,它与随意运动的稳定、肌紧张的控制、本体感觉传入冲动信息的处理都有关系[6]。

Newsholme等(1987)提出该物质与运动疲劳的中枢机制有关,首次提出了5-HT可能是中枢疲劳的调节物质,他们的研究发现运动对该递质的合成及转换有明显的影响。他们认为长时间的运动使脑内5-HT浓度升高,因为5-HT是一种抑制性递质,所以可以降低从中枢向外周发放的冲动,从而导致中枢疲劳的产生,降低了运动能力。之后不断有研究证明运动可以导致中枢5-HT增高,而脑内某些脑区5-HT的增高与中枢疲劳的产生有关。Chauloff[78]等研究表明这些脑区主要是海马和纹状体。

3.枢运动疲劳与5–HT的相关研究

5-HT是脑组织内中枢抑制性神经递质。它通过神经元的上行和下行纤维与脊髓的躯体反射以及锥体外系的运动功能有联系,即通过降低神经中枢向外周发放神经冲动来降低运动能力[9]。运动时由于血浆游离脂肪酸(FAAs),血浆中支链氨基酸(BCAAs)氧化增强,从而血浆游离色氨酸(f-Try)相应增加,BCAAs浓度降低,f-Try/BCAAs值上升,进入脑组织的Try浓度也上升[10],使脑内5-HT的含量升高,对大脑皮层抑制加强,激发倦怠、食欲不振、睡眠紊乱等疲劳症状[11]。Newsholme等(1987)认为,随着脑中Try浓度的增加,由于生理条件下与5-HT合成的有关的酶不能饱和,故5-HT的合成也随之增加;而5-HT浓度上升时,中枢功能被削弱,运动能力下降。。Bailey等[12]通过一系列药物实验来研究5一HT与中枢疲劳之间的关系。服用引起脑内5-HT升高的药物，大鼠运动至力竭的时间大大缩短，而且出现明显的剂量效应关系，说明特定的药物引起脑内5一HT增加导致中枢抑制出现疲劳现象，而一些外周指标如体温、血糖、肌糖元、肝糖元以及各种应激激素的变化支持这一假说。Davis等[13]以及Wilson等[14]在人体上所作的试验证明，以70%V02一强度进行长时间跑步或骑自行车前，服用5一HT的激动剂(Paroxetine或Fluoxetine)，运动时间缩短，与对照组比较疲劳程度较高，但心血管系统、体温调节和代谢功能上无差异。这些都提示，运动中大脑5一HT水平的提高是影响乃至决定运动性疲劳的重要因素。

3.1.性耐力运动后5–HT在中枢神经不同区域的表达

Chaouloff等[15]对运动后大脑不同部位5-HT水平的研究表明,90分钟跑台运动(20m/min)后,大鼠中脑、海马、纹状体5-HT增加,其它脑区无明显变化。然而有些研究证实[16],脑内5-HT主要来自脑内中缝核上部,其神经纤维投射到纹状体、丘脑、下丘脑、边缘前脑和皮层。也有的研究发现[17],在2小时跑台运动(平均17m/min)后,无训练大鼠下丘脑5-HT浓度显著增高,海马、纹状体和脑干有增高趋势,而皮质和小脑表现为轻微降低。宋亚军,孙勤枢,王鲁克,王宁,谢敏豪[18]等研究发现,3小时游泳后即刻,大鼠间脑和脑干5-HT浓度增高;其中,间脑增高23.15%,而端脑则略有降低。表明各脑区5-HT对急性耐力运动的反应具有非均衡性;提示,在急性耐力运动中,“中枢疲劳”的可能性介质—5-HT水平的提高可能发生或首先发生在某些脑区,而非全脑。

3.2.动时间对5-HT的影响

Chaouloff[15]实验发现,1h跑台跑(20m·min-1)可导致大鼠脑内TRP和5-HIAA质量分数的平行性增加,随后对脑脊液的研究呈现相似的结果,说明跑台跑可增加运动鼠脑内5-HT的合成与代谢。运动停止后1h,TRP和5-HI2AA恢复到正常值。Blomstrand等[19]对不同脑区运动鼠的研究亦表明,超长适量运动和力竭性运动可增加脑内各部位5-HT的合成与更新。采用微透析技术对大鼠海马5-HT变化的研究显示[20],从跑台跑(25m·min-1)60min开始5-HT表现为增加,120min的运动结束达到最高,恢复期2h恢复至基线水平;5-HT变化表现出时间依赖性。大多学者的研究发现,尽管运动后间脑5-HT大幅度增加(23.15%),但5-HIAA却变化不明显。运动后20h,5-HT恢复至略低于基线水平,而5-HIAA则略高于基线,提示间脑5-HT的合成与代谢水平在一次性耐力运动过程中和恢复期存在差异;运动期间5-HT合成过程占优势,而恢复期5-HT分解代谢过程占优势。袁琼嘉,熊若虹,代毅,徐明,邓伟明,苏全生,杨品华[21]等以大鼠力竭运动为模型,发现力竭运动后24h组端脑内5-HT含量达到最高,48h组较24h组明显下降,但是仍然明显高于对照组。

4.究新进展

4.15.HT受体的研究

5-HT受体方面的研究是随着神经科学的发展开始的。在很多研究中都验证了关于训练或进行运动可以触发5-HT受体改变的假说;但是既有阳性的结果也有阴性的结果。这些数据综合到一起说明有必要进一步研究运动对5-HT的影响[22]。Dwyer D和Browning J的研究认为,大鼠耐力训练减低了对5-HT促进剂的受体敏感性,而5-HT受体敏感性似乎是决定中枢性运动疲劳的重要因素。在他们的动物实验中大鼠经过6周的耐力训练,每周跑台训练4次,两次力竭运动,在给予5-HT(1A)促进剂m-chlorophenylpiperazine(m-CPP)后观察运动持续时间的变化,通过运动时间的相应缩短来确定受体的敏感性。他们发现训练6周后的未给5-HT1A促进剂的动物的运动表现明显改善了47%。给药动物的运动表现也有明显改善,但是不如未给药组显著。实验说明5-HT促进剂可以导致疲劳产生,但在实验中经过耐力训练后耐力增加、发生疲劳的时间延迟说明中枢5-HT受体脱敏,很可能是5-HT1A受体。耐力训练使中枢5-HT受体脱敏,对脑内5-HT增加所导致的疲劳发生适应反应,这可以提高耐力运动的表现,延迟疲劳产生的时间。最近Dwyer D,FlynnJ还发现短期有氧训练不改变年轻男性对中枢5-HT促进剂的敏感性[23]总之在5-HT受体方面的研究目前还比较少,还不足以说明不同5-HT受体的作用差异,还需要大量的研究工作来确定不同5-HT受体促进剂和拮抗剂对不同受体的具体作用,从而说明5-HT受体在中枢疲劳产生中的具体作用。

4.2.养干预对中枢疲劳和5-HT的影响

研究中枢运动疲劳真正目的在于应用基本理论研究消除中枢运动疲劳的方法，现已有科学家开始研究营养干预机制对中枢疲劳和5-HT的影响,从而,也进一步阐明5-HT在中枢疲劳中的作用,并且得出相应的营养补充消除运动疲劳的方法。目前在营养干预方面的研究比较注重补充葡萄糖、氨基酸对5-HT的影响。Blomstrand等人把补充支链氨基酸作为延迟中枢运动疲劳的手段之一,他们认为在运动前和运动中补充支链氨基酸可以延缓运动疲劳的发生,他们分别在马拉松跑,越野滑雪,足球等运动中进行了研究,发现实验对象的体力可以有小的改变,但是由于食物和水等干预因素控制的不理想,他们的实验结果尚不能充分肯定[24]Varnier等也提出了相似的看法[25],他们同样认为补充支链氨基酸可以降低游离色氨酸与支链氨基酸比值,减少脑内5-HT形成,达到延迟中枢疲劳的目的；J Mark Davis等人研究认为补充碳水化合物(CHO)和支链氨基酸(BCAA)可以缓解5-HT的积累并且改善运动表现。但是,很难区别CHO是作用于大脑还是肌肉本身的,而大多数有关BCAA的研究结果不能肯定地说明补充BCAA对运动成绩有利。但是这些数据都支持了一个令人兴奋的可能性,即在营养、脑内神经生化和运动表现之间存在着联系[26]。

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