SMA局部场电在力竭运动过程中的特征分析及BIC干预实验研究

侯莉娟　王梦羽　张吉敏　刘晓莉　乔德才

摘 要：探究力竭运动对大鼠“丘脑腹外侧核（VL）皮层辅助运动区（SMA）”通路电活动影响，揭示基底神经节信息输出核团在运动疲劳中枢调控中的作用。方法：Wistar大鼠随机分为对照组、力竭组和干预组，Bedford改良跑台递增负荷运动方案建立一次性力竭运动模型。采用金属电极采集SMA局部场电，对其波形、功率谱密度、平均总功率及各波段所占百分比进行分析；干预组在VL注射γ氨基丁酸A型受体拮抗剂荷包牡丹碱（BIC）后记录SMA局部场电变化。结果：1）力竭运动后，大鼠SMA局部场电放电频率降低，能量分布低于对照组，辅助运动区兴奋性降低；2）BIC注射干预VL后，SMA局部场电活动信号振幅变小、频率增高、活性增强，总功率显著增高；δ波比例显著降低，α波与β波比例显著升高。结论：力竭运动导致大鼠SMA神经元电活动减弱，“VLSMA”通路出现抑制现象，而γ氨基丁酸A型受体拮抗剂荷包牡丹碱干预可以减弱力竭运动引起的基底神经节信息输出通路抑制效应。

关键词： 力竭运动；丘脑腹外侧核；皮层辅助运动区；局部场电；干预

中图分类号： G 804.2 文章编号：1009783X（2016）05045504 文献标志码： A

运动性疲劳是机体不能维持预定运动强度在特定水平上的生理现象，按其发生部位可分为外周疲劳和中枢疲劳，且外周及中枢神经系统均在运动疲劳的发生过程中起一定的调节作用[1]。有研究表明，中枢疲劳是由于中枢神经系统不能有效募集运动神经元而导致肌肉收缩能力和运动能力降低所引起的[2]。基底神经节作为大脑皮层下主要的神经核团，分别通过直接通路、间接通路和超直接通路实现运动功能的调控[3]。基底神经节运动调控的信息通过3条通路信息加工后最终汇聚到黑质网状部（substantia nigra reticular，SNr），然后投射到丘脑腹外侧核（ventrolateral nuleus，VL）并传递到皮层辅助运动区（supplementary motor area，SMA），为此，“VLSMA”通路被称为基底神经节信息输出的最后通路[4]。本实验室前期研究发现，一次性力竭运动后纹状体多巴胺Ⅱ型受体过度激活可导致间接通路兴奋性增强，当直接通路和间接通路间的动态调节平衡被打破，皮层辅助运动区兴奋性水平受到影响，最终可导致运动疲劳的发生[5]。实验证明，运动神经元放电频率的降低是最大肌力收缩产生中枢疲劳的主要原因之一[6]。力竭运动后VL神经元总放电频率降低，爆发式放电神经元比例增加，规则单发放电频率有所升高，VL神经元电活动的变化说明其参与了运动疲劳的中枢调控[7]。作为连接基底神经节皮层通路的最后终继站，运动疲劳后VL的电变化对大脑皮层运动信息输出SMA区域产生怎样的影响就成为本研究的关注点。本实验拟选用电生理学方法探究一次性力竭运动后大鼠SMA局部场电活动的变化，并在VL实施受体拮抗剂干预观察两核团之间的关系，为进一步阐明运动疲劳中枢机制提供实验依据。

1 材料和方法

1.1 实验动物及分组

实验对象选用健康成年雄性Wistar大鼠24只，体重280～300 g，由北京市维通利华实验动物技术有限公司提供（SCXX京20120001）。随机分为对照组A（control group，CG）、力竭组B（exhaustive group，EG）、干预组C（intervention group，PG）。大鼠分笼饲养，昼夜交替光照，自由饮食饮水，室温保持在（25±2）℃，相对湿度40%～60%。

1.2 大鼠一次性力竭运动方案

建模前大鼠进行3 d适应性训练，学会并适应在跑台上运动，训练递增负荷为0、2、5、8 m/min。采用Bedford递增负荷跑台方案建立一次性力竭运动疲劳模型[8]。跑台运动负荷共分3级：I级，8.2 m/min运动15 min；Ⅱ级，15 m/min运动15 min；Ⅲ级，20 m/min运动直至力竭。力竭判断标准：大鼠不能维持预定跑速、长时间滞留于跑台后方的挡板处，用声、光刺激及人为驱赶都不能使其继续跑动，并且伴有呼吸急促、俯卧跑台等行为表现。

1.3 皮层辅助运动区局部场电的记录及干预实验方法

力竭运动即刻，10%水合氯醛按照0.34 mL/100 g体重剂量进行腹腔麻醉，将大鼠固定于脑立体定位仪（Narishing Japan SN3N）上，在左侧SMA位置（AP：3.7 mm，L：1.4 mm）实施开颅手术[9]，钨丝电极（直径25 μm，阻抗1.4 mΩ）记录皮层场电，采集信号通过放大器（EX4400）、数模转换器（AD 8/30）转换成模拟信号储存，场电采样频率512 Hz，数字滤过50 Hz，主放大器硬件滤波设置为0.1～100 Hz，增益200倍。另将微量注射针（内灌注10 μL，10 μmol/μL荷包牡丹碱BIC生理盐水溶液）植入VL（AP：-2.2～3.0 mm，L：1.5～2.2 mm，H：5.4～6.4 mm）[10]。在稳定记录到电信号后，BIC干预组用微量注射泵以1 μL/min的速度向VL内注射BIC溶液（5 μm/μL）；对照组用同样的方法注射生理盐水。信号采集结束后，记录电极给予10 μA直流电，常规灌流、固定、切片，对电极记录位置进行鉴定，并将定位不准确动物数据剔除。

1.4 局部场电信号统计与处理

使用Chart 7.0频谱窗口对采集到的电信号进行线下分析，对原始生物电波形进行快速傅里叶转换（fast fourier transform，FFT；welch 法，FFT size：512）。将局部场电划分为5个波段：δ波0.8～3.9 Hz，θ波4～7.9 Hz，α波8～12.9 Hz，β波13～30 Hz和γ波30 Hz以上，分别计算不同频段频率、功率谱密度值（power spectrum density，PSD）及相对功率谱值（rPSD）。结果以平均数标准差（X±SD）表示，组间神经元放电频率、放电模式总功率、各频段的平均功率、幅度值分析采用独立样本t检验，组间放电形式百分比使用检验，各频段功率所占总功率的百分比使用卡方检验，P<0.05和P<0.01分别表示差异显著和差异非常显著。

2 结果

2.1 力竭运动对SMA局部场电频谱的影响

一般生理状态下SMA局部场电信号集中在50 Hz以下属低频放电，力竭组SMA局部场电平均放电频率显著低于对照组（P<0.05），干预组平均放电频率达42.92显著升高（P<0.01）。

力竭组大鼠SMA局部场电原始波形震动幅度较大，平均幅值25.27 mV，CG组仅为8.26 mV，且出现同步性增强的现象，干预组原始波形幅度降低（平均幅度为13.70 mV），放电频率明显增快（平均放电频率为19.48 Hz），同时还出现了明显的β波震荡。实验结果表明在VL处给予GABA受体阻断剂可以增强SMA兴奋性。

2.2 力竭运动对SMA功率谱密度及时频图的影响

从局部场电功率谱密度分析可以看出，无论是对照组还是力竭组，SMA频谱主要信息集中区域分布在0～10 Hz低频区。力竭组10～20 Hz未出现明显的震荡波，而对照组在10～20 Hz出现明显的震荡波峰。虽然2组功率谱密度均集中分布在0～10 Hz的范围内，但频段范围内的分布情况也略有不同。力竭组SMA局部场电集中分布在0～3.902 Hz，主峰最高点出现在1.172 Hz。对照组SMA功率谱密度主要集中分布在0～9.776 Hz，即跨越了δ波、θ波、和α波的频段范围，主峰出现在1.953 Hz。

麻醉状态下对照组与力竭组SMA时频图分布各不相同。SMA能量主要是分布在0～4 Hz。力竭组能量分布集中在3 Hz以下，而对照组相对较为分散，除集中在0.8～3.6 Hz以外，大于4 Hz区域也有分布。由此可知，力竭组SMA局部场

电能量分布低于对照组，辅助运动区兴奋性较低。BIG干预后皮层辅助运动区放电活动异常兴奋，能量主要集中分布于10～50 Hz。

局部场电信号中δ波主要集中在0.8～3.9 Hz波段，SMA局部场电信号中δ波百分含量最高，占总信号的61.05%。EG组θ波及α波所占百分比均显著降低，其中θ波属于慢波而β波属于快波[11]，可见一次性力竭运动对于SMA慢波活动的影响更明显。干预组SMA电活动显著增强，皮层辅助运动区放电活动异常兴奋，能量主要集中分布于10～50 Hz，且α波、β波增加（P<0.05）。

3 讨论

VL位于丘脑腹前核和腹后核之间，接受基底神经节苍白球内侧部γ氨基丁酸神经投射，信息处理后投射到皮层辅助运动区发放运动指令。CarPenter等[12]研究发现VL投射到中央前回的纤维有局部定位关系，即内侧部投射到头面区，外侧部投射到下肢区，中间部投射到上肢和躯干区，大鼠皮层投射至VL的神经元和灵长类相似，主要分布于6、4区和3、l、2区，因此，VL又称为基底神经节运动控制信息通往皮层的“最后通路”。运动的控制和肌紧张是由大脑和脊髓神经元进行中枢调控的，其中肌紧张主要由VL控制。Guiot等[13]观察到PD的丘脑神经元中有周期的有序放电，放电频率为3～6次/s，与外围震颤的频率相似；因此，VL被作为临床上手术治疗运动不能的目标核团，也是抑制肌肉僵硬最有效的部位。SMA是大脑运动皮层的重要组成部分，接受VL纤维投射后，将信息与来自感觉运动及视皮层传入的信息进行整合，然后反馈回大脑皮层，参与躯体运动的调控作用[3，14]，完成“基底神经丘脑皮层”的调节作用。实验研究发现，大肌肉群在做自主运动直到疲劳的过程中皮层辅助运动区神经元的兴奋性降低，无论是在运动的整个过程中，还是疲劳状态后，皮层辅助运动区的神经元电活动都会发生变化[6]。

局部场电信号是电极尖端附近脑区神经元放电的总和，它是一种随机的连续电信号，由携带不同编码信息、不同频段的电信号叠加而成，主要反映局部神经元协同作用的结果。局部场电信号与Spike相比具有良好的抗干扰性和整合性[1516]。本实验观察到力竭运动后SMA局部场电的放电频率降低，功率谱密度相对集中在较低频段，SMA神经元兴奋性降低，与前期研究观察到大鼠力竭运动后30 min大鼠皮层辅助运动区的局部场电慢波活动显著增强，重心频率降低一致。说明皮层辅助运动区神经元兴奋性降低[17]，也进一步提示SMA神经元兴奋性降低是引起运动性中枢疲劳的原因之一。研究发现，大肌肉群在做自主运动到疲劳的过程中SMA神经元兴奋性降低[1819]，且无论是运动过程中还是疲劳状态后SMA神经元电活动都会发生变化。Benwell等[2021]也通过手指收缩实验证实在手指收缩疲劳的状态下SMA区电活动出现衰减，也就是说在整个运动执行的进程中SMA都参与了运动行为的调控过程，且随着疲劳程度的加深，该区域的神经元电活动会受到抑制。大鼠SMA出现这种疲劳状态，与一次性力竭运动过程中间接通路的过度激活存在相关，“黑质丘脑”通路GABA能神经元释放大量神经递质到VL，抑制其神经元兴奋性，VL不能够维持发放原有的兴奋型Glu神经递质，使得SMA神经元兴奋性降低，从而导致大鼠出现力竭行为。

局部场电信号中低频段携带的信息主要与生物体状态有关，高频段信息主要与高级认知记忆功能有关，例如，运动决策和学习记忆等。本实验中观察到力竭运动后皮层辅助运动区α波所占的比例显著降低，BIC干预后，SMA局部场电活动振幅减小频率升高，平均总功率显著提高，兴奋性增强，逆转α波降低的趋势，α波在运动领域被认为与放松状态、动作准备状态有一定关系；但也有人认为α波的变化与疲劳程度有密切联系[22]。实验结果观察到在VL注射BIC后，SMA局部场电活动表现出明显的β波震荡，局部场电放电平均频率增强，β波去同步话出现是一种大脑皮层被“激活”的表现，一般出现在执行某个动作之前的动作策划阶段出现[23]。也有研究表明正常人类大脑在清醒的状态下时，大脑皮层总是重复出现β波震荡，而在运动的过程当中这种潜在的震荡逐渐被γ波代替[24]。由此可知，在VL施加BIC干预，阻断了基底神经节对VL的过度抑制，使SMA局部场电活动去抑制，表现出局部场电活动增强。有相关研究证实：α波的最大李雅普诺夫指数小于0.4即认为人体已经出现了疲劳[25]，人体在清醒闭目或疲劳浅睡状态下皮层场电的监测认为α波的最大李雅普诺夫指数（lyapunov）、复杂度和近似熵可以用来判断人体是否处于疲劳状态[26]。

4 结论

力竭运动后，大鼠SMA局部场电放电频率降低但放电幅值增大，功率谱密度分布发生改变；SMA时频图中θ波、α波所占比例降低，兴奋性降低，“VLSMA”通路出现抑制现象，而γ氨基丁酸A型受体拮抗剂BIC干预可以减弱力竭运动引起的基底神经节信息输出通路的抑制效应，推测VL神经元电活动改变引起SMA局部场电频率的降低是运动疲劳后皮层出现抑制性保护现象的原因之一。

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