高温环境下急性力竭运动对大鼠下丘脑单胺类神经递质的影响

徐金成 李爱萍 崔书强 高颀 赵杰修

1 北京体育大学研究生院（北京100084）

2 国家体育总局体育科学研究所

3 北京体育大学运动康复系

研究表明，高温环境对人体生理机能，包括能量代谢、体液平衡、心脑血管、神经内分泌系统等的影响是多方面的［1，2］。 在高温环境中运动时，核心温度（Core Temperature，Tc）升高对中枢代谢、血液循环、神经电生理活动产生深刻影响，降低运动能力，加快疲劳的发生发展，因此中枢机制是高温环境中运动性疲劳发生和发展的关键性因素［3-9］。下丘脑作为体温调节中枢和重要的神经内分泌器官，其神经递质，尤其是单胺类神经递质的变化可能与高温诱导的运动性疲劳之间存在联系［10-13］。 虽已有研究［11］对下丘脑单胺类神经递质与高温环境中运动能力的变化进行了探讨，但有关高温环境中急性力竭运动对下丘脑单胺类神经递质及其代谢产物影响的研究少有报道。故本研究着重探讨了在高温环境中进行急性力竭运动对大鼠下丘脑单胺类神经递质的影响。

1 材料与方法

1.1 实验动物

雄性Sprague-Dawley大鼠20只，8周鼠龄，体重230～250克，由北京维通利华实验动物技术有限公司提供，质量合格证号为：SCXK（京）2007-0001，级别：清洁级。动物实验室在国家体育总局体育科学研究所动物房内分笼饲养，许可证号：SYXK（京）2006-0017。每笼4～5只，动物房温度控制为（23±1）℃，相对湿度50%±5%，每日采用灯光照明，12小时昼夜节律变化，光照时间早6点～晚6点。动物灭菌垫料和标准啮齿类动物维持期灭菌饲料购于北京科澳协力饲料有限公司，许可证号SCXK（京）2005-0007。灭菌水饲养，大鼠笼内自由饮食饮水，垫料酌情两天更换一次。

1.2 实验方法

1.2.1 适应训练和动物分组

20只大鼠适应性喂养1天后，根据文献［11］，均进行6天适应性递增负荷跑台训练。跑台起始速度为15米/分，训练30分钟，第2天速度增加到20米/分，训练30分钟，第3天开始速度每日增加2米/分，训练时间每日增加5分钟，到第6天跑台速度逐渐增加到28米/分，训练时间增加到60分钟。

训练后经筛选，挑选符合运动条件的大鼠进行正式实验。将筛选后符合运动条件的16只大鼠随机分为2组：常温运动组（E组，295.20±10.40 g）和高温运动组（HE组，292.60±9.90 g），每组8只，两组大鼠体重无显著性差异（P>0.05）。

1.2.2 正式实验方案

第6天训练后，所有大鼠均休息24小时。于第8天开始进行一次性力竭运动。采用国家体育总局体育科学研究所的高温高湿低氧环境实验房控制实验环境温度和湿度。E组进行急性力竭跑台运动，坡度为0，速度为28米/分，周围环境温度为23℃，相对湿度约为50%。HE组也进行急性力竭跑台运动，坡度为0，速度为28米/分，周围环境温度为33℃，相对湿度约为50%。大鼠跑台运动强度的设定参考Bedford等文献［14，15］；实验房温湿度的设置参考Fuller等的研究文献［16］。

大鼠力竭标准为跟不上跑台跑速，不能坚持原跑速，滞留、俯卧在跑道后格栅处30秒以上，木棍等轻微刺激驱赶无效；在运动过程中尽量减少人为及外界光电刺激等因素对大鼠的影响［11］。

1.2.3 取样方法

两组大鼠均在力竭运动后即刻宰杀。使用2%戊巴比妥钠（0.25 mg/100g体重）进行腹腔麻醉，待大鼠麻醉后，腹主动脉抽血，分离血清，-70℃保存待测。腹主动脉抽血完成后，迅速断头，取出脑组织，在冰盘上分离下丘脑，锡纸包埋，液氮急冻，-70℃保存待测。大鼠下丘脑定位分离参照 《大鼠脑立体定位图谱》［17］。

1.2.4 测试指标与方法

（1）运动时间和肛温

用秒表记录大鼠运动到力竭的时间。

使用SN2202型数字温度计（北京师范大学司南仪器厂）测试大鼠跑台运动前后的肛温（Rectal Temperature，Tr）变化，用Tr代表大鼠核心体温（Tc）。测试方法：将温度计探头插入大鼠肛门5 cm处，固定探头，稳定后读取数值。

（2）单胺类神经递质

大鼠下丘脑单胺类神经递质采用高效液相色谱电化学法进行测试（HPLC-ECD），测试地点为北京宣武医院高效液相色谱实验室。去甲肾上腺素（NE）、3,4-二羟基苯乙酸（DOPAC）、多巴胺（DA）、5羟吲哚乙酸（5-HIAA）和5羟色胺（5-HT）的标准品由美国Sigma公司提供，其余试剂均是国产分析纯级试剂。

取出冷冻待测的下丘脑组织，称重后按照1∶9（mg：μl）的比例加入冰冷的预先配置的0.4 mol/L高氯酸，电动匀浆器（IKA Ultra-turrax T8，美国）匀浆，每次10秒，间隔30秒，连续5次，匀浆均在冰浴条件下进行。制备好的匀浆液4℃、11000转/分进行离心，离心20 min（Heraeus Biofuge 28RS低温高速离心机，德国），分离上清液待测单胺类神经递质。

高效液相色谱的测试条件：美国ESA公司高效液相色谱系统包括：582型液相色谱泵，542型自动进样器，5600A型Coularry电化学检测器，Coularry软件工作站。色谱柱为Agilent ZORBAX SB-C18反相柱，4.6×150 mm，粒径5 μm。流动相组成：50 mM柠檬酸，50 mM柠檬酸三钠，100 μM EDTA-Na2，500 μM辛烷磺酸钠，8%甲醇，用NaOH将pH值调至4.1，配好后用0.22 μM滤膜过滤，流动相流速：1 ml/min。检测器电极电压550 mM，灵敏度1 nA。配置不同浓度的NA、DOPAC、DA、5-HIAA、5-HT标准品， 标准品的质量浓度为2～200 ng/ml，标准品与待测样品以50 μl进样，根据色谱峰面积进行定量。

1.3 统计学分析

所有实验数据均采用SPSS13.0统计学软件包进行统计学分析，各指标数值均以平均数±标准差（M±SD）表示。采用单因素方差分析法进行组间差异性比较，采用配对t检验进行同组实验前后差异性比较，P<0.05时具有统计学意义。

2 结果

2.1 力竭运动时间

HE组大鼠的力竭运动时间 （52.00±14.60分钟）显著小于E组（148.60±25.50分钟，P<0.01）。

2.2 肛温

如表1所示，实验前两组大鼠Tr无显著性差异（P>0.05），力竭运动后即刻两组大鼠Tr均显著高于实验前（P<0.01），且急性力竭运动后HE组Tr显著高于E组（P<0.01）。HE组大鼠急性力竭运动后Tr均高于40℃。

表1 大鼠Tr的变化

2.3 下丘脑单胺类神经递质

2.3.1 单胺类神经递质及其代谢产物的标准曲线和标准品色谱图分析

检测NE、DOPAC、DA、5-HIAA和5-HT的标准品分离图，并根据标准品的峰面积和浓度绘制标准曲线，进样量为50 μl，相关结果如下：NE相关系数r=1.000，回归方程为Y=0.05508X-0.1022；DOPAC相关系数r=0.9990，回归方程为Y=0.06548X-0.4294；DA相关系数r=0.9998，回归方程为Y=0.08531X-0.3521；5-HIAA相关系数r=0.9999，回归方程为Y=0.06667X-0.1836；5-HT相关系数r=0.9999，回归方程为Y=0.08004X-0.2141。 这表明NE、DOPAC、DA、5-HIAA、5-HT质量浓度和峰面积呈正相关，此法可用于检测样品中的相关指标。

2.3.2 单胺类神经递质及其代谢产物

如表2所示，HE组NE浓度显著高于E组 （P<0.01），5-HIAA和5-HT浓度显著低于E组（P<0.05）。两组间5HT、DA和5-HT/DA比值之间无显著性差异（P>0.05）。

表2 大鼠下丘脑单胺类神经递质及代谢产物的变化（单位：ng/g组织）

3 讨论

3.1 大鼠力竭运动时间和Tr的变化

研究显示，未经热适应的个体随着外界环境温度的升高，运动能力随之降低［18］。 Fuller和Hasegawa等［12，16］研究发现，动物和人类存在一个临界核心温度 （Critical Internal Temperature，CIT），CIT约 等 于40℃，一旦核心体温超过CIT，就会保护性地停止自主运动，核心温度进一步升高对生理机能带来极大的负效应，尤其对脑部。Nielson和Nybo等［7-9，19］研究发现，在高温环境中进行力竭运动显著升高机体核心温度，超过CIT，而核心温度过高造成脑部糖代谢紊乱、血液循环衰减、热失衡、神经冲动和唤醒度降低等，这些所诱导的中枢功能抑制是加速高温环境中运动性疲劳发生和发展，降低运动能力的关键性因素。相反，在常温环境中运动时，核心温度不是制约运动能力的一个关键因素［20］。本研究中，HE组大鼠力竭运动时间显著小于E组，而HE组大鼠力竭运动后即刻Tr均超过40℃，显著高于E组大鼠力竭运动后即刻Tr，E组Tr均未达到或超过CIT。本研究结果与前述研究一致，高温环境加速了大鼠运动性疲劳的发生，显著降低其运动能力，Tc过度升高（>CIT）带来的中枢抑制可能是其关键影响因素。对于常温环境中的耐力运动，核心温度升高不是疲劳发生的关键性因素。

3.2 大鼠下丘脑单胺类神经递质的变化

下丘脑作为机体的体温调节中枢，通过整合中枢或外周热感受器传入信息，调节热生成和热扩散，达到维持机体热平衡（heat balance）的目的。而且由于该区域受到5-HT能神经、DA能和NE能等儿茶酚胺类神经的支配，因此下丘脑5-HT、DA、NE活性变化与体温波动密切相关［10］，此外中枢5-HT、DA、NE等单胺类神经递质在运动时的动态变化本身就与机体的唤醒水平（arousal）、动机（motivation）、神经肌肉协调性（neuromuscular coordination）等密切相关［21］。研究显示，常温环境中一次性急性力竭运动后，下丘脑及中枢内5-HT升高，DA和NE降低，5-HT/DA比值升高可以降低动机水平，增加疲劳感、嗜睡感，降低神经肌肉协调性，诱导中枢疲劳的发生发展［21-23］。而有关高温环境中运动时，下丘脑或中枢内5-HT与体温调节、运动能力之间关系的报道还存在争议［24-28］。DA、NE对高温环境中体温调节及运动能力影响的研究结果较为统一：下丘脑或中枢内DA、NE浓度升高可增加机体的耐热能力，使Tc在停止运动前达到更高水平，延长运动时间，其可能机制是DA、NE升高带来的兴奋效应超过了体温过高对中枢的抑制效应［11，20，29，30］。 本实验中，HE组兴奋性神经递质NE显著高于E组，两组DA虽无显著性差异，但E组DA浓度有降低趋势，两组抑制性神经递质5-HT浓度以及5-HT/DA比值基本一致，E组5-HT和DA的代谢产物5-HIAA和DOPAC浓度均显著高于HE组，提示E组大鼠下丘脑单胺类神经递质变化较HE组更明显，表明高温环境在一定程度上减弱了力竭运动所致的下丘脑单胺类神经递质的代谢变化，可能与高温环境下HE组力竭运动时间明显缩短有关。此外，如结果2.1所述，HE组力竭运动时间显著小于E组，而HE组下丘脑单胺类神经递质变化幅度却明显小于E组，提示下丘脑单胺类神经递质变化并非影响高温环境下大鼠运动能力的关键因素。

4 总结

高温环境明显降低了大鼠的运动能力，大鼠核心温度升高是影响高温环境中运动能力的关键性因素，而非下丘脑单胺类神经递质的变化。高温环境在一定程度上减弱了急性力竭运动对大鼠下丘脑单胺类神经递质的影响。

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