运动单位衰老与肌肉功能退化之间的关系

聂小锋

(齐鲁师范学院 体育学院，山东 济南 250013)

老化是一种退行性变化.与其他组织一样，肌肉同样遭受着老龄化带来的既有形态上又有功能上的下降退化.肌肉萎缩症是指老龄化相关的肌肉质量、肌肉力量和身体功能下降[1].根据全美调查，在2000年，美国医保在肌肉萎缩症上的花费达到185亿美元[2].随着老龄化成为全球趋势，这个数字将会越来越大.然而，肌肉萎缩症并没有被完全的认识和了解，在一些关键问题上存在很大争议.例如，传统肌肉萎缩症相关研究认为肌肉萎缩发生在肌肉内部，例如肌纤维萎缩与可塑性下降.但是长期跟踪发现，即使肌肉质量在老龄化阶段维持不变，肌肉力量依然会严重下降[3].根据以上研究与其他相关研究,目前许多学者开始质疑传统肌肉萎缩症的相关研究，以及对肌肉萎缩症的定义：我们应该更加关注年龄老化而导致的肌肉质量丢失下降，还是更加关注功能相关的下降，例如肌肉力量的下降？与此同时，对比肌肉质量的下降，系统综述发现肌肉力量下降能够更大程度上地解释肌肉表现的下降，同时与失去平衡、跌倒、残疾相关性更高.因此，有些学者提出使用肌肉退化症代替肌肉萎缩症，因为前者更代表着功能方面[4].同时，越来越多的研究开始倾向于研究神经层面，因为神经肌肉控制比肌肉本身与肌肉力量更加相关，而肌肉因素与肌肉质量下降更相关.在所有的神经控制因素中，运动单位的性质及其放电方式对肌肉力量尤为关键.因此，本综述试图解释老龄化相关的运动单位性质改变，以此作为可能机制对肌肉力量下降与身体功能表现下降进行解释.这种对于神经控制层面的关注有助于激发新的临床干预方式来评估和治疗肌肉萎缩症.与此同时，我们也将会讨论关于性别差异在肌肉功能力量下降中的表现.

1 肌肉萎缩症

1.1 肌肉萎缩症及其评价标准

肌肉萎缩症sarcopenia源自希腊语“肉体”与“缺乏”.字面上来说意味着肌肉组织缺乏.然而，对于临床评估与治疗，需要操作性定义和相应的评估标准.经过一系列的国际会议与研讨，来自世界各地的老年学家，临床医生，营养师等一致定义肌肉萎缩为一种综合症，特点是伴随老龄化的肌肉质量丢失以及力量下降，同时有一定风险罹患残疾，低生活质量与死亡[1][5][6].基于以上定义，评估标准包括三部分：肌肉质量，肌肉力量和身体表现.即使具体测试方法和界定值并没有确定，但是推荐了几种测试方式.肌肉质量可以用双能量x光测试和生物电阻抗技术，或者使用人体测量仪.用握力来评价肌肉力量.用步行速度来评价身体功能表现.同时也有区分肌肉萎缩症的三个阶段：前期、中期和后期.如果患者仅仅罹患肌肉质量减少，那么属于前期；如果罹患三个条件中的两个，就属于中期；如果三个条件完全符合，即为后期.

1.2 肌肉萎缩症与肌肉退化症的区别

欧洲对肌肉萎缩症的定义是具有操作性层面的定义，具有很强的临床应用价值，有利于促进筛选和干预肌肉萎缩症.肌肉质量减少是肌肉力量下降和身体功能退化的根源，这受到越来越多研究者的质疑.Mitchell提出肌肉质量与肌肉力量是互相独立的两个概念.根据横断研究和长期跟踪研究，他们发现肌肉质量下降速度为0.6%-0.9%每年，而肌肉力量下降更快，3%-4%每年用肌肉力量与横断面比这个指标来评价肌肉形态与力量的关系[7].人们对肌肉力量与肌肉质量的关系了解的还不够，它们之间并不成正比.因此，肌肉力量横断比并不是一个恰当的指标.

Clark和Manini是较早提出肌肉退化症这个概念的学者，其意义在于强调肌肉力量的退化，代替肌肉萎缩症这个专注于肌肉质量的词语.他们发表的几篇综述论文表明肌肉质量和肌肉力量相互独立的关系.长期跟踪研究同样支持他们的观点：一个长达六年的研究发现，无论男性女性，即使他们各自的瘦体重保持相同，他们的肌肉力量下降却大不相同.一些病人服用雄性激素来缓解肌肉萎缩，但是增加的肌肉质量并没有与肌肉力量的增加相匹配[8].在他们最新的研究中，一些更有意义的发现继续证明他们的观点.在一个长期跟踪研究中，除了肌肉力量的下降远远快于肌肉质量的下降，尽管肌肉质量重新增加，肌肉力量却依然迅速下降.而且，他们做了一个系统综述，想确定肌肉质量下降或肌肉力量下降与身体功能下降的相干性，以此来判断肌肉质量和肌肉力量哪一个能够更加对负面健康结果作出解释.结果是力量的相关性要远远的高于质量的相关性，证明力量比质量更能够预测健康结果.他们同时分析了可能导致肌肉力量下降的神经方面因素.建议更多的研究关注导致肌肉力量下降的神经控制因素，而不是肌肉质量因素.

1.3 导致肌肉萎缩症或肌肉退化症的神经控制因素

鉴于肌肉力量的下降独立于肌肉质量的下降，一些研究者提出应该更多关注神经控制因素而不是肌肉本身的因素，例如肌肉萎缩.Kaya发现对于年轻人和老年人，肌肉力量与运动单位数量和运动单位大小的关系显著不同[9].这暗示运动单位放电方式在两个人群中是完全不同的.一些研究者综述了年龄相关的神经控制变化，从大脑皮层，脊髓，周围神经，到运动单位和神经肌肉节点，强调了未来研究在上游神经肌肉控制通路的重要性[10].有学者综述了关于导致肌肉退化症和肌肉萎缩症的相应机制[4].在所有神经层面，运动单位放电性质和放电行为处于整个神经肌肉控制通路的最末端，与肌肉力量的产生关系最密切.接下来的一个部分将重点讨论运动单位与肌肉力量的关系.

2 老龄化相关的运动单位变化导致肌肉力量下降

运动单位是运动神经元及其支配的肌肉纤维.他是神经肌肉控制的基本单位.在运动神经元池里，放电方式遵循一个原则，那就是小运动单位先动员，大运动单位后动员[11].产生的肌肉力量由运动单位数量、性质决定[12][13].然而，力量的波动与身体表现并不主要取决于以上因素，而是取决于主动肌与拮抗肌，运动单位同步性，或放电变化性[14][15].在这，我们重点讨论运动单位的性质，鉴于力量波动及表现的机制过于复杂并不明朗.

2.1 运动单位重塑

随着人老化，运动单位和支配肌肉的神经开始退化.这将会导致肌肉纤维与支配神经分离，因此导致肌肉萎缩.然而，由于运动单位重塑的原因，运动单位丢失而导致的肌肉力量下降并不容易被检测出来.当肌肉纤维被分离，附近的神经将会长出新的轴突重新支配被孤立的肌肉纤维.这也就是为什么在最初老化，肌肉力量下降并不明显.当运动单位丢失的速度超过运动单位重塑的速度的时候，肌肉力量才开始迅速下降[16].实际上，当迅速下降时，重塑的运动单位已经变得巨大，因此其丢失所导致的肌肉力量下降也是巨大的[17].这个阶段应该被用作重新考量肌肉萎缩症或者肌肉退化症[18][19].

2.2 运动单位丢失(运动单位数目估计技术)

每块肌肉中的运动单位数目都不尽相同.运动神经元池中运动单位越多，所产生的肌肉力量就越大.相同的，对于精细控制的肌肉，其运动单位就偏小；对于大肌肉群，运动单位就偏大.随着人衰老，大运动单位要提早进入重塑阶段并且以一个更快的速度丢失.但是，由于重塑阶段的存在，整体运动单位变得大而且慢，导致更多慢速收缩的运动单位在人体中存在.传统而言，运动单位的大小和数目能够通过肌肉活检推测[20].然而，最近一种新的技术可以基于电生理数据，对运动单位的大小和数目进行推测.该项技术最初应用于ALS 病人(俗称“渐冻人”)，评估其随时间运动单位丢失情况.近来越来越多的研究利用该技术评估肌肉萎缩症的情况，建立了良好的相关性，有重要的临床应用价值[21][22][23].ALS是一种神经退化性疾病，伴随着运动单位的丢失.同时利用的人群还包括糖尿病性神经病.运动单位数目估计技术在以上两种人群中都有着广泛的应用.基本技术原则如下：需要获得的两个参数是最大肌肉放电幅度(包括整个运动神经元池)，和平均每个运动单位放电幅度.用最大肌肉放电幅度除以每个运动单位放电幅度，即可得到运动单位数目.有了这项技术，一些新的关于肌肉萎缩症的发现.例如，McNeil等比较胫前肌的运动单位数目估计，比较三种人群：年轻人群，老年人群(60岁以上)以及衰老人群(85岁以上).他们发现运动单位数目最多的是年轻人，其次是老人，最后是衰老人群[19].Gilmore等测试肌肉萎缩症三个阶段的运动单位数目估计以及神经肌肉传递保真度然后发现尽管运动单位数目变化在三个阶段的差异并没有达到统计学显著性，但是总体上来说，年轻人群的运动单位数目最多，其次是老年人，而数目最少的是衰老人群.同时神经肌肉节点的神经信号传递稳定性也在轻度肌肉萎缩症和重度肌肉萎缩症两个肌肉萎缩症阶段间产生了显著性变化[24].Drey等提出运动神经元的丢失与肌肉萎缩症密切相关，采用的运动单位数目估计和运动单位大小估计两种技术来区分是否罹患肌肉萎缩症，在两个参数之间建立了良好的相关性[25][26].这项研究展示了电生理技术能够作为一种新的诊断手段来诊断肌肉萎缩症.所有的研究都解释了存在于运动单位和肌肉萎缩症以及肌肉力量下降之间的密切关系，并且强调了要把运动单位角度加入我们对于肌肉萎缩症的理解，并且促进相应的诊断和治疗.

2.3 神经肌肉传递不稳定性

除了运动单位数目随着老龄化发生变化，神经肌肉节点的电活动也成为关注的焦点之一.形态学上而言，随着年龄老化，突触前部分开始变得膨胀扩大，但是突触后部分变得减小，潜在的机制是老龄化所导致的氧化和老化使得细胞发生凋亡[27].值得注意的是，Deschenes等展现了年龄导致的神经突触和轴突末端所发生的组织化学性变化，这些变化要早于肌肉纤维老化所发生的变化[28].这也为枯萎理论提供证据.这种理论推测首先发生神经退化，然后才发生肌肉萎缩，强调神经因素在肌肉萎缩症中的重要性.

神经肌肉节点退化同样也可以用电生理技术进行评价推测.之前已经提到，神经肌肉节点老化会使信号传递变得不稳定，并且这种由轴突向运动终板的信号传递的保真度将会严重降低[17][19][24].神经肌肉传递不稳定性也被看做是一个重要的神经肌肉重塑的指标，能够引起运动单位放电的多变性.实际上，不仅仅是老龄化，其他一些神经退化性疾病也会导致相类似的效果，例如糖尿病性神经病就会导致与肌肉萎缩症相同的神经肌肉节点功能错乱和运动单位功能下降[29][30].这也暗示着神经肌肉传递稳定性对于运动单位动员和力量产生机制的重要影响.

3 性别差异对于肌肉功能的影响及其潜在机制

男性和女性在生理上是差异很大的，尤其在肌肉功能方面.例如，力量下降速率不同，对于相同强度的等长收缩，无论是持续还是间断.同时，女性的疲劳和相应的力量降低都会更少，而持续时间将会更长，相比男性而言[14].与此同时，性别差异在肌肉疲劳的表现上也很大程度上依赖特定肌肉群.曲臂肌群，指伸肌，背伸肌，伸膝肌，呼吸肌都展现了很大的性别差异在肌肉疲劳上.相反的，例如跖屈肌就差异比较小，可能是因为胫前肌含有更多的慢肌或者抵抗疲劳的肌肉纤维[31].同时肌肉疲劳与最初产生的力量正相关，这意味着越高力量，越快疲劳[14].收缩强度也与性别差异息息相关.随着收缩的强度逐渐增加，性别差异开始降低，这意味着男性和女性的肌肉力量表现相同，当收缩强度比较高的时候.Hunter等比较了59个研究的数据同时包括男性和女性在等长收缩和动态收缩，也包括不同的肌肉群.最后发现了一个显著性的负相关对于收缩强度和性别差异之间.间断性收缩和持续收缩都会很大程度上影响这个相关性，最终可能导致女性的耐力时间远远超出男性[31].在动态收缩中，证据显示女性会变得更容易疲劳，当性别差异被消除，但是依然在收缩强度和性别差异之间存在着强相关.另外一个因素就是收缩速度[32].尽管女性有着更好的耐力和更长的收缩时间，当涉及重复动态收缩过程中，两者就变得相同.总而言之，不同性别会有着不同的肌肉疲劳差异，并且依赖于最大力量、肌肉群、相对收缩强度，间断或者持续收缩速度.以上所有因素都应该被考虑到，如果要考虑性别差异在肌肉力量的表现.

4 结 语

对于肌肉萎缩症，随着越来越多的临床研究，其含义和操作性定义应该重新被审视.随之而变的，应该是评价指标和评价方法.针对肌肉力量和肌肉质量的独立性，我们应该分开两者的联系和区别，更加重视与身体功能相关的肌肉力量指标.运动单位的老化也会导致肌肉力量的下降，更多相关研究应该阐明运动单位在肌肉老化中的地位.