蔡成法　李亚

摘要：急性应激和长期慢性应激均可损伤脑内的海马和前额叶，继而降低动物或人的学习记忆能力。采用4周反复力竭游泳运动方式建立力竭运动小鼠模型。在反复性力竭游泳运动后即刻（0 h）、12 h、24 h和1周，检测小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性变化，以及突触体内游离Ca2+浓度。结果表明，反复性力竭游泳运动后，与对照组小鼠比较，力竭运动组小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性在0 h、12 h显著降低，24 h有所恢复，1周后基本恢复到正常水平。力竭运动组小鼠前脑皮层和海马突触体内游离Ca2+浓度在0 h、12 h和24 h后显著增加，1周后前脑皮层和海马突触体内游离Ca2+浓度明显回落。力竭游泳运动所致小鼠运动性中枢疲劳的产生和恢复可能与突触体膜流动性和突触体内游离Ca2+浓度的变化密切相关。

关键词：反复力竭游泳运动；前脑皮层；海马

中图分类号：G804.7文献标识码：A文章编号：1006-2076（2014）04-0058-05

Abstract：Acute stress and chronic stress can damage the brain prefrontal cortex （PFC） and hippocampus （HP） function， then reduce learning and memory abilities of animal or human. Model of exhaustive exercise mice was set up by the way of repeatedly （four weeks） exhausted swimming. Membrane fluidity and free calcium concentrations （[Ca2+]i） of prefrontal cortical and hippocampal synaptosomes in mice were detected. The results show that， compared with control group mice， the membrane fluidity of synaptosomes in PFC and HP of exhaustive exercise group mice were significantly decreased at 0 h and 12 h， after repeatedly exhausted exercise. The synaptosomal [Ca2+]i in PFC and HP were significantly increased at 0 h， 12 h and 24 h in exhaustive exercise group mice. The [Ca2+]i in PFC and HP at 1 week were remarkably reduced than the exhaustive exercise 0 h group mice， respectively. The generation and recovery of exercise-induced central fatigue in mice after exhausted exercise which may be nearly related to the changes of membrane fluidity and[Ca2+]i of synaptosomes.

Key words：repeated exhaustive swimming exercise； prefrontal cortex； hippocampus

反复力竭运动可导致机体出现运动性疲劳，而中枢疲劳在运动性疲劳的发展过程中起到主导作用[1]。如果中枢神经系统不能发挥其维护机制，疲劳得不到及时恢复，发生过度疲劳，就会造成脑功能损伤。前脑皮层和海马是前脑神经中枢的重要组成部分，承担着脑半球神经传导、学习记忆、运动调控和神经内分泌等重要功能，过度运动应激导致的神经损伤与自我修复也常常发生在此脑区[2]。突触体是两神经元之间或神经元与效应器细胞之间相互接触、并借以传递信息的部位，这种神经末梢组分可从脑匀浆中分离得到。突触体膜上电位门控钙通道的关闭与开发决定着神经递质传递情况，它对内外环境都很敏感，如缺氧、疲劳等均可引起其结构和功能变化，尤其是突触体膜流动性的改变将影响膜的离子通透性和跨膜物质转运等。神经元受损及老化过程中，膜流动性也显示相应的改变[3]。本研究建立4周反复性力竭游泳运动小鼠模型，检测力竭游泳运动和恢复期小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性及突触体内游离Ca2+浓度的变化，旨在探讨力竭游泳运动与突触体膜流动性变化的关系。

1研究对象与方法

1.1研究对象

选用3月龄健康昆明品系小白鼠20只，体重23～26克，雌雄各半，由山东鲁抗医药股份有限公司动物实验中心提供。适应性喂养1周后随机分为正常对照组和反复性力竭游泳运动组，每组10只。

1.2力竭游泳运动小鼠模型的建立

建立4周反复性力竭游泳运动小鼠模型。实验用小鼠接受连续3 d的适应性游泳训练，每天一次自由游泳训练，持续时间分别为15 min、30 min、45 min，逐日递增。水温30℃±2℃。

对实验小鼠进行4周反复性力竭游泳训练时，每天游泳训练一次，每次游泳训练均至力竭，每周5天。为避免训练过程中产生适应现象，在训练后期采用负重（体重的2%）的方法增加游泳训练强度，每次训练均要求达到力竭状态。力竭判断标准为：1） 游泳动作明显失调，不能再坚持。2） 沉入水底超过3 s不能回到水面。停止游泳运动训练，及时捞起，吹干毛发，放回饲养笼中休息。

3讨论

运动性疲劳是一个复杂的身体变化综合反应过程，指“机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和（或）不能维持预定的运动强度”[4]，包括肌肉疲劳、中枢疲劳和内脏疲劳。机体的随意识运动只有在神经系统对骨骼肌的支配保持完整的条件下才能发生，而且必须受到大脑皮层控制[5]。过度运动可引起大脑皮质的超微结构发生明显改变，而力竭运动导致大脑皮质结构的损伤可在运动后的一定时间内持续存在，脑组织结构的异常变化可能会引起大脑的调节功能减退，继而导致运动中枢疲劳的产生[6]。有研究报道，力竭游泳训练可引起大鼠海马神经元损伤，而脑源性神经营养因子（BDNF）可能参与了力竭运动后脑损伤的自我保护和修复过程[7]。适当的运动训练亦可增强大鼠海马区突触的可塑性，改变脑内神经元的形态。

在运动实践中，过度训练会引起机体神经内分泌系统的综合反应，该应激反应的主要特征是下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（HPA轴）受到抑制，血清睾酮水平下降，皮质醇水平升高[8]。而脑内海马结构对HPA轴功能发挥重要调节作用，在应激过程中海马区也是介导应激反应重要脑区之一[9]。在脑内，海马和前额叶都是应激易累及损伤的主要靶区。研究表明，慢性应激对海马介导的记忆有持久性损伤作用，这可能是通过改变海马突触可塑性而影响脑海马区的功能活动[10]。本研究建立了4周反复性力竭游泳运动小鼠模型，研究结果表明，反复力竭游泳运动后小鼠前脑皮层和海马受到应激反应诱导的损伤，表现为突触体膜流动性降低和突触体内游离Ca2+浓度显著增加。

适宜的膜流动性是维持生物膜正常功能的必需条件。研究发现，突触体膜与神经元信号转导通路密切相关，膜流动性的降低可导致许多信号转导的膜结合机制出现功能缺失或紊乱，最终导致脑功能的减退或障碍[11]。研究表明，慢性应激可导致海马兴奋性氨基酸含量显著升高，过量的氨基酸结合于海马神经元细胞膜上的受体，继而引起胞内Ca2+浓度显著增加，并可激活超氧化自由基的产生。脑内海马神经细胞内Ca2+平衡失调，亦可导致海马神经细胞萎缩、变性和丢失等损伤[12]。此外，随年龄增长，神经细胞膜脂质过氧化反应增强，脑内神经细胞钙调节能力降低，细胞膜流动性也明显降低，出现脑功能减退。基于以上结论可以推测，在本研究中，反复力竭游泳运动后，突触体内游离Ca2+浓度显著增加，而突触体膜流动性明显降低，引起神经元突触传递效能降低，导致前脑皮层和海马神经元功能受损。若前脑皮层和海马突触体内游离Ca2+浓度过度升高，引起钙超载，严重破坏了细胞内钙稳态，则可引起神经细胞变性、凋亡和坏死等，前脑皮层和海马功能损伤加重。本研究结果提示，突触体膜流动性和突触体内游离Ca2+浓度的变化可能是力竭运动所致小鼠运动性中枢疲劳产生和恢复的机制之一。

4小结

4.1反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性显著降低。

4.2反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体内钙稳态失调。

参考文献：

[1] 徐明，蔡国梁，等. 运动性疲劳分子生物学机制的研究进展[J].成都体育学院学报，2009， 31（4）：91-94.

[2] Lupien SJ， McEwen BS， Gunnar MR，et al. Effects of stress throughout the lifespan on the brain， behaviour and cognition[J]. Nat Rev Neurosci， 2009，10（6）：434-445.

[3] Li Y， Wang JJ， Cai JX. Aniracetam restores the effects of amyloid-b protein or ageing on membrane fluidity and intracellular calcium concentration in mice synaptosomes[J]. J Neural Transm，2007， 114（11）： 1407-1411.

[4]邓树勋，洪泰田，曹志发，等. 运动生理学[M]. 北京：高等教育出版社，1999：246.

[5] 朱明旺，戴建平，詹炯，等. 大脑皮层运动功能区的脑功能成像[J]. 中华医学杂志，2000， 80（9）：681-682.

[6] 吴燕波，王晓东，张丽玉，等. 力竭运动后大鼠大脑皮层和下丘脑组织中毛细血管超微结构的定量研究[J]. 体育与科学，2003，24（1）：39-40.

[7] Kim MW，Bang MS，Han TR，et al.Exercise increased BDNF and TrkB in the contralateral hemisphere of the ischemic rat brain[J].Brain Res，2005，1052（1）： 16-21.

[8]陆小香，张蕴琨，江年. 力竭运动后大鼠海马CA1 区自由基、下丘脑GABA及HPA 轴的动态变化[J]. 中国运动医学杂志，2007，26（5）：563-567.

[9]Bruel-Jungerman E， Rampon C， Lar℃he S. Adult hipp℃ampal neurogenesis， synaptic plasticity and memory： facts and hypotheses[J]. Rev Neurosci，2007， 18（2）：93-114.

[10]Joels M. Functional actions of corticosteroids in the hipp℃ampus[J]. Eur J Pharmacol，2008， 583（4）：312-321.

[11]Eckert GP， Wood WG， Muller WE. Effects of aging and beta-amyloid on the properties of brain synaptic and mitochondrial membranes[J]. J Neural Transm， 2001，108（8-9）：1051-1064.

[12]李亚，孔宏，宋倩，等. 慢性应激对大鼠空间学习记忆及海马和前脑皮层突触体膜流动性的影响[J]. 心理学报， 2010， 42（2）：235-240.

3讨论

运动性疲劳是一个复杂的身体变化综合反应过程，指“机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和（或）不能维持预定的运动强度”[4]，包括肌肉疲劳、中枢疲劳和内脏疲劳。机体的随意识运动只有在神经系统对骨骼肌的支配保持完整的条件下才能发生，而且必须受到大脑皮层控制[5]。过度运动可引起大脑皮质的超微结构发生明显改变，而力竭运动导致大脑皮质结构的损伤可在运动后的一定时间内持续存在，脑组织结构的异常变化可能会引起大脑的调节功能减退，继而导致运动中枢疲劳的产生[6]。有研究报道，力竭游泳训练可引起大鼠海马神经元损伤，而脑源性神经营养因子（BDNF）可能参与了力竭运动后脑损伤的自我保护和修复过程[7]。适当的运动训练亦可增强大鼠海马区突触的可塑性，改变脑内神经元的形态。

在运动实践中，过度训练会引起机体神经内分泌系统的综合反应，该应激反应的主要特征是下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（HPA轴）受到抑制，血清睾酮水平下降，皮质醇水平升高[8]。而脑内海马结构对HPA轴功能发挥重要调节作用，在应激过程中海马区也是介导应激反应重要脑区之一[9]。在脑内，海马和前额叶都是应激易累及损伤的主要靶区。研究表明，慢性应激对海马介导的记忆有持久性损伤作用，这可能是通过改变海马突触可塑性而影响脑海马区的功能活动[10]。本研究建立了4周反复性力竭游泳运动小鼠模型，研究结果表明，反复力竭游泳运动后小鼠前脑皮层和海马受到应激反应诱导的损伤，表现为突触体膜流动性降低和突触体内游离Ca2+浓度显著增加。

适宜的膜流动性是维持生物膜正常功能的必需条件。研究发现，突触体膜与神经元信号转导通路密切相关，膜流动性的降低可导致许多信号转导的膜结合机制出现功能缺失或紊乱，最终导致脑功能的减退或障碍[11]。研究表明，慢性应激可导致海马兴奋性氨基酸含量显著升高，过量的氨基酸结合于海马神经元细胞膜上的受体，继而引起胞内Ca2+浓度显著增加，并可激活超氧化自由基的产生。脑内海马神经细胞内Ca2+平衡失调，亦可导致海马神经细胞萎缩、变性和丢失等损伤[12]。此外，随年龄增长，神经细胞膜脂质过氧化反应增强，脑内神经细胞钙调节能力降低，细胞膜流动性也明显降低，出现脑功能减退。基于以上结论可以推测，在本研究中，反复力竭游泳运动后，突触体内游离Ca2+浓度显著增加，而突触体膜流动性明显降低，引起神经元突触传递效能降低，导致前脑皮层和海马神经元功能受损。若前脑皮层和海马突触体内游离Ca2+浓度过度升高，引起钙超载，严重破坏了细胞内钙稳态，则可引起神经细胞变性、凋亡和坏死等，前脑皮层和海马功能损伤加重。本研究结果提示，突触体膜流动性和突触体内游离Ca2+浓度的变化可能是力竭运动所致小鼠运动性中枢疲劳产生和恢复的机制之一。

4小结

4.1反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性显著降低。

4.2反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体内钙稳态失调。

参考文献：

[1] 徐明，蔡国梁，等. 运动性疲劳分子生物学机制的研究进展[J].成都体育学院学报，2009， 31（4）：91-94.

[2] Lupien SJ， McEwen BS， Gunnar MR，et al. Effects of stress throughout the lifespan on the brain， behaviour and cognition[J]. Nat Rev Neurosci， 2009，10（6）：434-445.

[3] Li Y， Wang JJ， Cai JX. Aniracetam restores the effects of amyloid-b protein or ageing on membrane fluidity and intracellular calcium concentration in mice synaptosomes[J]. J Neural Transm，2007， 114（11）： 1407-1411.

[4]邓树勋，洪泰田，曹志发，等. 运动生理学[M]. 北京：高等教育出版社，1999：246.

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[6] 吴燕波，王晓东，张丽玉，等. 力竭运动后大鼠大脑皮层和下丘脑组织中毛细血管超微结构的定量研究[J]. 体育与科学，2003，24（1）：39-40.

[7] Kim MW，Bang MS，Han TR，et al.Exercise increased BDNF and TrkB in the contralateral hemisphere of the ischemic rat brain[J].Brain Res，2005，1052（1）： 16-21.

[8]陆小香，张蕴琨，江年. 力竭运动后大鼠海马CA1 区自由基、下丘脑GABA及HPA 轴的动态变化[J]. 中国运动医学杂志，2007，26（5）：563-567.

[9]Bruel-Jungerman E， Rampon C， Lar℃he S. Adult hipp℃ampal neurogenesis， synaptic plasticity and memory： facts and hypotheses[J]. Rev Neurosci，2007， 18（2）：93-114.

[10]Joels M. Functional actions of corticosteroids in the hipp℃ampus[J]. Eur J Pharmacol，2008， 583（4）：312-321.

[11]Eckert GP， Wood WG， Muller WE. Effects of aging and beta-amyloid on the properties of brain synaptic and mitochondrial membranes[J]. J Neural Transm， 2001，108（8-9）：1051-1064.

[12]李亚，孔宏，宋倩，等. 慢性应激对大鼠空间学习记忆及海马和前脑皮层突触体膜流动性的影响[J]. 心理学报， 2010， 42（2）：235-240.

3讨论

运动性疲劳是一个复杂的身体变化综合反应过程，指“机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和（或）不能维持预定的运动强度”[4]，包括肌肉疲劳、中枢疲劳和内脏疲劳。机体的随意识运动只有在神经系统对骨骼肌的支配保持完整的条件下才能发生，而且必须受到大脑皮层控制[5]。过度运动可引起大脑皮质的超微结构发生明显改变，而力竭运动导致大脑皮质结构的损伤可在运动后的一定时间内持续存在，脑组织结构的异常变化可能会引起大脑的调节功能减退，继而导致运动中枢疲劳的产生[6]。有研究报道，力竭游泳训练可引起大鼠海马神经元损伤，而脑源性神经营养因子（BDNF）可能参与了力竭运动后脑损伤的自我保护和修复过程[7]。适当的运动训练亦可增强大鼠海马区突触的可塑性，改变脑内神经元的形态。

在运动实践中，过度训练会引起机体神经内分泌系统的综合反应，该应激反应的主要特征是下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴（HPA轴）受到抑制，血清睾酮水平下降，皮质醇水平升高[8]。而脑内海马结构对HPA轴功能发挥重要调节作用，在应激过程中海马区也是介导应激反应重要脑区之一[9]。在脑内，海马和前额叶都是应激易累及损伤的主要靶区。研究表明，慢性应激对海马介导的记忆有持久性损伤作用，这可能是通过改变海马突触可塑性而影响脑海马区的功能活动[10]。本研究建立了4周反复性力竭游泳运动小鼠模型，研究结果表明，反复力竭游泳运动后小鼠前脑皮层和海马受到应激反应诱导的损伤，表现为突触体膜流动性降低和突触体内游离Ca2+浓度显著增加。

适宜的膜流动性是维持生物膜正常功能的必需条件。研究发现，突触体膜与神经元信号转导通路密切相关，膜流动性的降低可导致许多信号转导的膜结合机制出现功能缺失或紊乱，最终导致脑功能的减退或障碍[11]。研究表明，慢性应激可导致海马兴奋性氨基酸含量显著升高，过量的氨基酸结合于海马神经元细胞膜上的受体，继而引起胞内Ca2+浓度显著增加，并可激活超氧化自由基的产生。脑内海马神经细胞内Ca2+平衡失调，亦可导致海马神经细胞萎缩、变性和丢失等损伤[12]。此外，随年龄增长，神经细胞膜脂质过氧化反应增强，脑内神经细胞钙调节能力降低，细胞膜流动性也明显降低，出现脑功能减退。基于以上结论可以推测，在本研究中，反复力竭游泳运动后，突触体内游离Ca2+浓度显著增加，而突触体膜流动性明显降低，引起神经元突触传递效能降低，导致前脑皮层和海马神经元功能受损。若前脑皮层和海马突触体内游离Ca2+浓度过度升高，引起钙超载，严重破坏了细胞内钙稳态，则可引起神经细胞变性、凋亡和坏死等，前脑皮层和海马功能损伤加重。本研究结果提示，突触体膜流动性和突触体内游离Ca2+浓度的变化可能是力竭运动所致小鼠运动性中枢疲劳产生和恢复的机制之一。

4小结

4.1反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体膜流动性显著降低。

4.2反复力竭游泳运动可引起小鼠前脑皮层和海马突触体内钙稳态失调。

参考文献：

[1] 徐明，蔡国梁，等. 运动性疲劳分子生物学机制的研究进展[J].成都体育学院学报，2009， 31（4）：91-94.

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[4]邓树勋，洪泰田，曹志发，等. 运动生理学[M]. 北京：高等教育出版社，1999：246.

[5] 朱明旺，戴建平，詹炯，等. 大脑皮层运动功能区的脑功能成像[J]. 中华医学杂志，2000， 80（9）：681-682.

[6] 吴燕波，王晓东，张丽玉，等. 力竭运动后大鼠大脑皮层和下丘脑组织中毛细血管超微结构的定量研究[J]. 体育与科学，2003，24（1）：39-40.

[7] Kim MW，Bang MS，Han TR，et al.Exercise increased BDNF and TrkB in the contralateral hemisphere of the ischemic rat brain[J].Brain Res，2005，1052（1）： 16-21.

[8]陆小香，张蕴琨，江年. 力竭运动后大鼠海马CA1 区自由基、下丘脑GABA及HPA 轴的动态变化[J]. 中国运动医学杂志，2007，26（5）：563-567.

[9]Bruel-Jungerman E， Rampon C， Lar℃he S. Adult hipp℃ampal neurogenesis， synaptic plasticity and memory： facts and hypotheses[J]. Rev Neurosci，2007， 18（2）：93-114.

[10]Joels M. Functional actions of corticosteroids in the hipp℃ampus[J]. Eur J Pharmacol，2008， 583（4）：312-321.

[11]Eckert GP， Wood WG， Muller WE. Effects of aging and beta-amyloid on the properties of brain synaptic and mitochondrial membranes[J]. J Neural Transm， 2001，108（8-9）：1051-1064.

[12]李亚，孔宏，宋倩，等. 慢性应激对大鼠空间学习记忆及海马和前脑皮层突触体膜流动性的影响[J]. 心理学报， 2010， 42（2）：235-240.