大鼠在力竭运动中“黑质－丘脑－皮层”通路的调控作用

胡琰茹， 刘晓莉， 乔德才

(北京师范大学体育与运动学院，北京100875)

大脑对躯体运动的调控是通过锥体系和锥体外系2条下行传导通路实现的。作为锥体外系传导通路中的重要核团，基底神经节(主要包括纹状体、苍白球、黑质、杏仁核及丘脑底核等)接受来自大脑皮层的大量信息传入，并将处理整合后的信息通过直接、间接和超直接通路回传给大脑皮层，实现对运动皮层功能的调节［1］。这3条通路最后均经黑质网状部(substantia nigra reticular，SNr)－丘脑腹外侧核(ventrolateral nuleus，VL)的传递到达皮层辅助运动区(supplementary motor area，SMA)，通路各相关核团神经元兴奋性的净变化以及相互作用关系可以反映基底神经节对皮层兴奋性的调节作用［2－3］。为此，本实验采用局部场电(local field potentials，LPFs)及皮层脑电(electrocorticography，ECoG)同步记录技术，对一次性力竭运动中大鼠“黑质－丘脑－皮层”通路各核团的神经元电活动变化进行动态观察，探讨其对运动疲劳产生的调控作用。这不仅对于揭示基底神经节对运动疲劳的调控作用具有重要意义，而且可为进一步阐明运动疲劳的中枢机制，完善疲劳理论提供参考依据。

1 材料与方法

1．1 实验对象 选用15只雄性Wistar大鼠，购自北京维通利华实验动物技术有限公司，许可证号为SCXK(京)2002－2003，体重为(290 ±20)g，常规分笼饲养，自由进食饮水，自然光照，动物房内温度为(20±3)℃，相对湿度为40%～60%。在给大鼠实施电极埋藏手术前先进行适应性跑台训练，每天一次，连续3 d。

1．2 金属电极埋藏手术 用戊巴比妥钠(50 mg/kg)将大鼠腹腔麻醉，俯卧位固定于脑立体定位仪上(SN－3N，日本成茂)。沿大鼠头顶正中线做矢状切口，暴露前、后囟及冠、矢状缝等骨性标志，调整门齿高度，使前囟和后囟处在同一水平面上。依照Paxinos and Watson大鼠脑立体定位图谱［4］，分别在黑质网状部、丘脑腹外侧核及皮层辅助运动区对应的颅骨部位钻孔(图1A、B、C)。显微镜下掀去硬脑膜，用微推进器(PC－5N，日本成茂)分别将微电极(直径90μm)植入左侧黑质网状部(A:－5．0，L:2．0，H:－7．5)和丘脑腹外侧核(A:－2．5，L:2．0，H:5)，将直径1 mm 的不锈钢镙钉固定于左侧辅助运动区(A:3．7，L:1．4，H:－0．5)对应部位［5］，另在小脑上方(A:－10．0，L:0，H:－ 0．5)放置地线。石蜡封闭颅骨表面手术窗口，牙科水泥固定，保证电极不随动物的活动而松动，并注射地塞米松缓解术后脑水肿。术后恢复4～5 d，待手术引起的不良反应消失、饮食与行为正常后，开始恢复性的渐增负荷训练，并使其逐渐适应测试系统导联状态下的跑台运动。

图1 记录电极位置示意Figure 1．Schematic Illustration of Location of Recording Electrode

1．3 大鼠力竭运动方案 当大鼠能以20 m/min速度跑30 min、未见不良反应时，次日可进行正式实验。采用本实验室根据Bedford方法改建的递增负荷跑台运动方案［6］让大鼠进行力竭运动，负荷分为3级:Ⅰ级负荷为10 m/min，15 min;Ⅱ级负荷为 15 m/min，15 min;Ⅲ级负荷为20 m/min，运动至力竭。力竭判断标准:大鼠跑姿由蹬地式变为伏地式，滞留在跑道末端不能继续跑动，且声波和光刺激均无法驱使其继续维持跑动。

1．4 局部场电及皮层脑电信号的同步采集 大鼠开始运动之前，电极经导联线与主放大器(Dagan EX4－400，美国)连接，导联线靠近电极端包含一个多通道JFET前置放大器(headstage)，用于消除运动过程中由于导线运动、缠绕造成的信号伪迹。跑台电机由铜网屏蔽并接地，以消除跑台工作过程中电机运转引起的电磁干扰。预先植入的金属微电极用以记录黑质网状部和丘脑腹外侧核的神经元场电活动，另植入皮层辅助运动区的电极用以记录皮层脑电活动。信号记录采用差分模式，信号采集由PowerLab 8通道生理记录仪(PowerLab 8/30，AD Instrument，澳大利亚)及自身所带的软件Chart 5(AD Instrument，澳大利亚)完成，采样频率为512 Hz，50 Hz数字陷波，主放大器硬件滤波设置为0．1～100 Hz，增益200。连续同步记录大鼠安静、一次力竭运动过程中和恢复期皮层脑电和局部场电的电信号。实验完成后，实施常规冰冻切片取脑，并进行Nissl染色，对照大鼠脑立体定位图谱鉴定金属电极尖端所在位置，金属微电极未同时准确植入黑质网状部、丘脑腹外侧核和皮层辅助运动区的数据将被删除。

1．5 数据统计使用 Chart 5及 NeuroExplorer 4(Plexon，美国)离线分析软件对原始波形进行频谱分析，从大鼠力竭运动中的每一阶段选取4个30 s的原始信号进行快速傅立叶转换(fast fourier transform，FFT;welch法，FFT size:512)，计算4个30 s信号的平均值代表各阶段局部场电和皮层脑电的电活动特征。力竭运动过程中每隔15 min取30 s局部场电和皮层脑电信号，通过计算各频段功率占总功率的百分比，得出功率值百分比。

运用SPSS 13．0软件对所得数据进行统计分析，结果均用平均数±标准差表示。功率值百分比数据的比较用One-Way ANOVA分析，P＜0．05表示组间差异显著，P＜0．01表示组间差异非常显著。

2 研究结果

2．1 电活动变化特征及运动能力的阶段划分 实验共用15只大鼠，实际记录到有效信号的大鼠8只，纳入数据统计，其余7只未记录到有效信号而被剔除。在实验过程中利用同步的方法所记录到的黑质网状部、丘脑腹外侧核的局部场电及皮层脑电的原始波形如图2所示。

图2 同步记录大鼠局部场电及皮层脑电原始波形Figure 2．Raw Data Trace SimultaneouslyRecorded from ECoG and LFPs in Rats

在实验中发现，大鼠的运动能力存在一定的个体差异［(93±23．6)min］。为便于分析，依据大鼠运动能力的外在表现将整个力竭运动过程划分为4个阶段［7］，即自主运动期(大鼠在跑台递增负荷时能维持预定强度进行自主运动)、疲劳初期(当大鼠不能维持预定运动强度自主运动时，给予声、光、电等外部刺激仍可维持原有强度继续运动一段时间)、力竭期(给予大鼠外部刺激也无法维持预定强度，直至停止运动)和恢复初期(力竭后恢复至30 min)。在力竭运动的不同阶段，大鼠的局部场电和皮层脑电原始电位波形表现出明显的阶段性变化特征(图3A)。与安静状态相比，随着力竭的出现，黑质网状部局部场电的振幅逐渐减小，频率逐渐增大;而丘脑腹外侧核局部场电和皮层脑电的振幅逐渐增大，频率逐渐减小。通过分析功率谱密度(power spectral density，PSD)发现，局部场电及皮层脑电均存在2种明显的二次振荡性电活动，一种为1～2 Hz的低频振荡;另一种为6～8 Hz的中频振荡(图3B)。

图3 大鼠力竭运动中不同阶段局部场电及皮层脑电活动特征Figure 3．Characteristic Diagram of ECoG and LFPs of Different Stages during the Exhausting Exercise in Rats

2．2 局部场电及皮层脑电频段功率值百分比的动态变化 依据电活动的频率特征，局部场电和皮层脑电可分为5 个频段，即0．8 ～3．9 Hz(δ 波)、4～7．9 Hz(θ波)、8～12．9 Hz(α 波)、13～30 Hz(β 波)及30 Hz以上(γ波)，其中，δ和 θ波称为慢波，β和 γ波称为快波［8］。通过对大鼠局部场电和皮层脑电各频段功率值百分比的统计分析发现，各频段功率值百分比的主要变化特点为δ、θ和α波的变化显著(P＜0．05)，而β和 γ波的变化均不明显(P＞0．05)(图4～图7)。与安静状态相比，黑质网状部局部场电在自主运动期的δ波和疲劳初期、力竭期的 α波显著升高(P＜0．05);丘脑腹外侧核局部场电在自主运动期的α波和疲劳初期、力竭期的δ、θ波显著升高(P＜0．05)，自主运动期的θ波显著降低(P＜0．05);皮层脑电在自主运动期的α波和疲劳初期、力竭期的δ、θ波显著升高(P ＜0．05)。

图4 局部场电及皮层脑电各频段功率值百分比变化Figure 4．Changes of the Power Ratio of Different Frequency Bands in ECoG and LFPs

图5 局部场电及皮层脑电δ波功率值百分比动态变化趋势注:与安静状态相比，#表示P＜0．05;与SNr的局部场电相比，* 表示 P ＜0．05，＊＊表示 P ＜0．01，图6～图7同此。Figure 5．Dynamic Changes of Power Ratio of δBand in ECoG and LFPs

图7 局部场电及皮层脑电α频段功率值百分比动态变化趋势Figure 7．Dynamic Changes of Power Ratio of αBand in ECoG and LFPs

图6 局部场电及皮层脑电θ波功率值百分比动态变化趋势Figure 6．Dynamic Changes of Power Ratio of θBand in ECoG and LFPs

大鼠在一次性力竭运动中，δ、θ及α波功率值百分比动态变化的总趋势为局部场电和皮层脑电均出现2个明显的波峰，丘脑腹外侧核与皮层走势相同，而黑质网状部走势相反(图5～图7)。在2个波峰期，丘脑腹外侧核、皮层与黑质网状部相比均存在显著性差异(P ＜0．05，P ＜0．01)。

3 讨论

躯体运动的调控是在大脑皮层及皮层下主要神经核团的共同作用下实现的。大脑皮层是运动控制的最高级中枢，丘脑与基底神经节中的一些核团是调控运动的皮层下中枢，它们之间通过神经纤维投射构成了“基底神经节－丘脑－皮层”神经环路，通过核团之间神经信息的网络联系，实现运动的发起或停止［9－10］。

3．1 力竭运动中黑质网状部、丘脑腹外侧核及皮层辅助运动区电活动的特征 黑质是基底神经节内的重要核团之一，由黑质网状部和黑质致密区构成。黑质网状部与苍白球内侧部共同构成基底神经节的最后输出核团，在整合基底神经节内3条通路的兴奋性及调控皮层运动功能方面起重要作用。研究发现，大鼠在自主运动期时，黑质网状部局部场电活动振幅增大，频率减小，δ波震荡性电活动显著增多，神经元的兴奋性明显减弱;出现疲劳时，局部场电活动却呈现出相反的变化趋势，振幅减小，频率增大，δ、θ波震荡活动显著减少，而α波震荡活动显著增多，神经元的兴奋性明显增强。相关文献报道:黑质网状部约80%的神经元放电增加会导致大肌肉群参与的身体运动能力下降［11］;当帕金森病(parkinson’s disease，PD)模型大鼠［12］和癫痫模型大鼠［13］出现运动迟缓、肌肉僵直和静止性震颤等临床症状时，黑质网状部神经元自发放电频率也显著增高，簇状放电神经元比例增加，与运动疲劳时黑质网状部电活动变化的特征相近似。大鼠疲劳时所出现的运动能力下降与黑质网状部神经元兴奋性增强有关。

丘脑位于间脑，对称性地分布于第三脑室两侧，每侧丘脑被丫形的白质板(内髓板)分隔成3团灰质或核团，即丘脑前核、内侧核及外侧核。丘脑外侧核又可分为较小的背侧部和较大的腹侧部。丘脑腹外侧核群，亦称运动丘脑，是重要的感觉及运动中继站。它与脊髓、脑干以及小脑有广泛联系，并发出纤维投射到大脑皮层的运动区，参与皮层对肌肉运动的调节［14］，也是基底神经节信息投向皮层的最后中继核团［15］。本研究发现，在力竭运动过程中，大鼠在自主运动期，丘脑腹外侧核局部场电活动振幅减小，频率增大，α波震荡活动显著增多，神经元兴奋性明显增强;但当大鼠出现疲劳时，该核团场电活动振幅增大，频率逐渐减小，δ、θ波振荡活动显著增多，神经元兴奋性明显减弱;丘脑腹外侧核神经元电活动变化与黑质网状部呈相反趋势，这与临床上所发现的结果相类似。PD模型大鼠的丘脑腹外侧核自发放电频率降低，放电频谱峰向低频聚集［16］，这从另一个角度证实，丘脑腹外侧核在运动控制中发挥一定的作用。

大脑辅助运动区是运动控制的重要脑区，通过神经纤维联系实现对脊髓运动神经元的控制［17］。另外，辅助运动区与皮层主运动区也有着非常广泛的相互纤维投射联系，其神经元兴奋性的改变对运动能力具有重要影响。本研究发现，在力竭运动过程中，大鼠在自主运动期皮层辅助运动区脑电活动振幅减小，频率增大，α波震荡活动显著增多，神经元的兴奋性明显增强;但当疲劳出现时，电活动振幅逐渐增大，频率逐渐减小，δ、θ波振荡活动显著增多，说明在运动疲劳发生后辅助运动区激活减弱，神经元兴奋性显著下降。这与本实验室前期的研究结果相同［7，18－19］。Liu 等［20］采用功能性磁共振成像技术也证实了这一现象的存在。

3．2 力竭运动中“黑质－丘脑－皮层”通路各核团的相互调控作用 在力竭运动中，“黑质－丘脑－皮层”通路各核团的相互联系主要是通过神经递质的调控作用实现的。黑质网状部接收来自纹状体、苍白球外侧部的γ－氨基丁酸(GABA)能神经纤维投射，以及来自丘脑底核的谷氨酸(Glu)能神经纤维投射，大鼠出现力竭时黑质网状部神经元电活动的净变化表现为兴奋性增强，增加向丘脑腹外侧核释放神经递质GABA的量，使丘脑腹外侧核神经元兴奋性减弱，进而减少向皮层辅助运动区释放神经递质Glu的量，从而抑制了皮层辅助运动区神经元的兴奋性，最终导致运动能力的下降和疲劳的发生［21］。

我们推测，“黑质－丘脑－皮层”神经通路各核团神经递质GABA和Glu的释放量改变导致该通路功能失衡，进而发生运动疲劳。临床上的相关研究也发现，该神经通路的功能失衡会引发PD大鼠肌张力障碍，也与黑质网状部GABA能神经投射增强，抑制了丘脑－皮层Glu能神经投射，并降低相应皮层运动区神经元兴奋性有关［22－23］。PD病人出现运动无能症状时会伴有皮层脑电活动的兴奋性降低［24－25］。采用高频电刺激皮层辅助运动区又可缓解PD症状［26］。亨廷顿舞蹈症(huntington’s disease，HD)是一种迟发性神经退行性遗传病，主要临床表现为病人出现偏侧舞蹈样症状，其原因为纹状体神经元病变、减少神经递质GABA的释放，抑制了间接通路，增强了丘脑腹外侧核－皮层通路Glu能神经投射，引发运动过度［27］。PD和HD的病理机制进一步证实，“黑质－丘脑－皮层”通路在整合基底神经节各核团的神经信息传递及调控运动皮层的功能方面具有重要作用。

4 小结

在力竭运动中，大鼠“黑质－丘脑－皮层”通路神经元的电活动出现明显的阶段性特征，皮层与丘脑腹外侧核电活动变化趋势相同;但与黑质网状部相反。大鼠在自主运动期，黑质网状部神经元兴奋性减弱，降低对丘脑腹外侧核神经元的抑制作用，使皮层兴奋性增强;在力竭时，黑质网状部神经元兴奋性增强，抑制了丘脑腹外侧核神经元的兴奋性，进而对皮层神经元产生去兴奋作用，最终导致运动能力的下降。“黑质－丘脑－皮层”通路功能失调是导致力竭及运动能力下降的重要因素之一。

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