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大负荷游泳训练与模拟失重对大鼠下丘脑单胺类神经递质影响的对比研究

来源:画鸵萌宠网
第43卷第6期 2009年6月 武汉体育学院学报 Journal of Wuhan Institute of Physical Education Vo1.43 No.6 Ju1.2009 大负荷游泳训练与模拟失重对大鼠下丘脑 单胺类神经递质影响的对比研究 崔玉鹏,张 凡,王保成,宋玉涛,杨卫平 (首都体育学院 生理生化教研室,北京100088) 摘 要:目的:通过对比分析大负荷运动训练与模拟失重对大鼠下丘脑单胺类神经递质的影响,探究这 两种应激源对机体HPG轴和HPA轴作用的中枢机制。方法:5O只雄性SD大鼠随机分为安静对照组 (CON)、游泳训练组(EXE)、后肢悬垂(模拟失重模型)组(HLS)、游泳训练补充睾酮组(ETR)和后肢悬 垂补充睾酮组(HTR)5组;EXE和ETR大鼠进行6周递增负荷游泳运动训练,HLS和HTR大鼠在完 成腹股沟管环缩手术后一周开始为期6周的尾部悬吊;ETR和HTR大鼠通过腹腔注射补充丙酸睾 酮,剂量为2.5mg/kg体重/天,补充持续6周。EXE和ETR大鼠在完成最后一次游泳训练后即刻断 头处死,CON、HLS和HTS大鼠在安静状态同时断头处死。大鼠断头后,迅速开颅取下丘脑,采用高 效液相色谱一电化学方法检测单胺类神经递质。结果:EXE和ETR大鼠运动后即刻下丘脑单胺类神 经递质DA、NE和5一HT相对CON大鼠的相应水平均有下降的变化趋势,但是(DA+NE)/5-HT有增 加的变化趋势;HLS和HTR大鼠下丘脑单胺类神经递质DA、NE和5一HT相对CON大鼠的相应水平 均增加,(DA+NE)/5一HT显著增加。结论:大鼠下丘脑单胺类神经递质和(DA+NE)/5-HT比值的 变化可能是两种应激源导致机体HPG轴和HPA轴变化的中枢机制。 关键词:运动生理学;单胺类神经递质;下丘脑;游泳;后肢悬垂;大鼠 中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编号:1000—520X(2009)06~0049—06 ve study of effects of heavy load swimming training and simulated microgravity on monoamine neurotransmitters of hypothalamus in rats CUI Yu—peng,ZHANG Fan,WANG Bao-cheng,et al (Sect.of Physiology and Biochemistry,Capital Inst.of P.E,Beijing 100088,China) Abstract:Purpose:This study was to investigate the centre mechanism of the effects of heavy load ex— ercise training and simulated microgravity on HPG axis and HPA axis in rats.Efleets of the two stressors on monoamine neurotransmitters of hypothalamus in rats were compared.Method:Fifty male Sprague—Dawley rats were divided into gorups randomly as control group(CON),swimming training group(EXE),hindlimb suspension group(model of simulated mierogarvity)(HLS),swim— ming training group with supplementation of testosterone(ETR)and hindlimb suspension group with supplementation of testosterone(HTR).The EXE and ETR rats took a siex-week swimming protocol with training load increased progressively.The HLS and HTR rats endured a six-week suspension by tail one week after an operation of annulus abdominals shortened.Testosterone propinate was supple— mented tO the ETR and HTR rats by the way of intraperitoneal injection,with a dose of 2.5mg/kg body weight/day.The supplementation lasted for six weeks.The EXE and ETR rats were sacrificed by decapitation immediately after the 1ast swimming training.The CON,HLS and HTR rats were de— capitated at resting state at the same time.Hypothalamus was taken out as soon as the skulls of rats were opened after being decapitated。Monoamine neurotransmitters of hypothalamus were measured by electrochemical method with HPLC.It could be seen that the hypothalamus monoamine neuro一 收稿日期:2009—02—19;修回日期:2009—03~24 基金项目:北京市教委资助课题(。0KJ一113)。 作者简介:崔玉鹏(1970一),男,山东夏津人,博士,副教授,研究 方向:运动性疲劳及提高运动能力的营养促力手段。 50 武汉体育学院学报 第43卷 transmitters DA.NE and 5一HT of EXE and ETR rats immediate post—exercise tended tO decrease when compared with those of CON rats,but the ratio of(DA+NE)/5一HT tended to increase.The monoamine neurotransmitters DA,NE and 5一HT increased significantly.Conclusion:It could be con— cluded that monoamine neruotransmitters and the ratio of(DA4-NE)/5一HT changes of hypothalamus might be the centre mechanism for the changes of HPG axis and HPA axis induced by the tWO stres— sors in rats. Key words:monoamine neurotransmitter;hypothalamus;swimming;hindlimb suspension;rat 随着神经内分泌科学研究的深入,中枢单胺类神 研究所的经验做适当调整。 经递质与HPG轴和HPA轴的关系日益受到重视。 下丘脑是机体神经调节与内分泌调节的结合点,是神 经内分泌的高级整合中枢。研究发现,下丘脑神经分 泌小细胞功能的调节与儿茶酚胺、多巴胺以及内啡肽 等多种内源性神经递质、神经调质和细胞因子有密切 的关系口]。本研究通过对比大负荷游泳训练与后肢悬 垂对大鼠下丘脑单胺类神经递质变化的影响,探索大 负荷运动训练与模拟失重对大鼠HPG轴和HPA轴 影响的中枢机制。 1 研究方法 1.1研究对象 雄性Sprague—Dawley大鼠50只,4周龄,体重 140---160克,由维通利华实验动物中心提供。将大鼠 随机分为安静对照组(CON)、运动训练组(EXE)、后 肢悬垂组(HLS)、运动训练补充睾酮组(ETR)和后肢 悬垂补充睾酮组(HTR)五组,每组10只大鼠。室内 笼养,室温25 ̄28℃,相对湿度40 ~60 ,每天光照 时间14小时,专用大鼠饲料喂养,自由饮食。 1.2训练方案 运动方式为游泳,自制100cm×60cm×60cm玻 璃水槽,水温为3O±2。C。大鼠在实验室适应一周后, 开始游泳运动训练;训练持续6周,每周训练6天,休 息1天;第一周为适应性运动,每天无负重游泳40~ 60min,第二周负重2 ~3 体重游泳50min,第三周 至第六周大鼠负重5 体重游泳至力竭,其中第五周 与第六周,大鼠负重5 体重游泳力竭后,休息5min, 去掉负重再游泳至力竭。大鼠游泳力竭的标准为:协 调运动消失,沉入水面下10s不能自主返回水面,且放 在平板上无法完成翻正反射 。 1.3模拟失重动物模型——后肢悬垂方法 1.3.1 腹股沟管环缩手术 为了避免大鼠在后肢悬垂过程中睾丸受重力作用 回纳到腹腔中而造成隐睾症,后肢悬垂大鼠在实验室 适应3天后,依余志斌的方法进行腹股沟环缩手术_3]。 大鼠手术后恢复一周,参照陈杰的方法采用尾部悬吊 大鼠[4],并根据预实验结果与北京航空航天医学工程 1.3.2 大鼠后肢悬垂方案 大鼠术后一周开始悬垂,悬吊装置——悬吊笼由 北京航空航天医学工程研究所提供,体积为35×3O× 45cm,每笼悬吊一只大鼠。悬吊持续6周,每周7天, 每天24h。 1.4睾酮补充方法 大鼠通过腹腔注射补充丙酸睾酮,剂量为每天 2.5mg/kg体重,补充持续6周 ]。 1.5 取材与处理方法 EXE和ETS大鼠在完成最后一次游泳训练后即 刻断头处死,CON、HLS和HTS大鼠在安静状态同 时断头处死。大鼠断头后,迅速开颅取下丘脑,取出后 立即放液氮冷冻,用于检测下丘脑单胺类神经递质。 训练过程中,EXE和HLS大鼠各死亡2只,CON、 ETR和HTR大鼠各死亡1只。 1.6 检测指标与方法 1.6.1 单胺类神经递质 下丘脑单胺类神经递质采用高效液相色谱一电化 学检测方法。仪器:waters510泵、M464型电化学检 测器DL一800色谱工作站(大连化物所色谱中心) MSE150型超声波粉碎器。试剂:单胺类神经递质及 其代谢物的标准品包含NE(去甲肾上腺素),Serva公 司;DA(多巴胺),Fluka公司;EPI(肾上腺素)、5一HT、 5一HIAA(hydroxy isobutyric acid)、HVA(ho— movanillic acid)、DOPAC(3,4一二羟基苯乙酸)、内标 物DHBA(3,4一二羟苄胺)为Sigma公司产品;二正丁 胺为上海化学试剂采购站进口分装;B一8离子对试剂 为天津化学试剂二厂产品;甲醇GR,北京化工厂产 品;其他试剂均为国产分析纯。 1.7统计学处理 应用SASv6.12统计软件对数据进行处理,主要对 数据进行描述性统计与方差分析,显著性水平为0.05。 2研究结果 2.1 大鼠下丘脑单胺类神经递质DA、NE和5-HT 水平变化 由表1可见,EXE和ETR大鼠下丘脑DA水平 第6期 崔玉鹏,张凡,等:大负荷游泳训练与模拟失重对大鼠下丘脑单胺类神经递质影响的对比研究 51 相对CON大鼠下丘脑DA水平下降,但无统计学意 义(P一0.10和P一0.10),HLS和HTR大鼠下丘脑 时分别显著高于EXE和ETR大鼠下丘脑NE水平 (P<0.05);EXE和ETR大鼠下丘脑5一HT水平比 DA水平比CON大鼠下丘脑DA水平高,其中HLS CON大鼠下丘脑5一HT水平低,但无统计学意义 (P一0.09和P一0.25),HLS和HTR大鼠下丘脑5一 大鼠的增高达到了显著性水平(P<0.05),HLS大 鼠下丘脑DA水平显著高于EXE大鼠下丘脑DA水 平(P<0.05);HLS和HTR大鼠下丘脑NE水平均 HT水平分别显著高于EXE和ETR大鼠下丘脑5一 HT水平(P<0.05),HTR大鼠下丘脑5一HT也显著 显著高于CON大鼠下丘脑NE水平(P<0.05),同 高于CON大鼠下丘脑5一HT水平(P<0.05)。 表1大鼠下丘脑单胺类神经递质DA、NE和5HT变化(ng/g湿组织) 注:*:与CON差异显著,P<O.05; 、☆:差异显著,P%0.05。 由表2可见,除了HTR大鼠下丘脑DA/5一HT显 脑NE/5一HT,EXE和ETR大鼠下丘脑NE/5一HT比 著低于CON大鼠下丘脑DA/5一HT水平外 CON大鼠的高,但无统计学意义(P一0.14和 (P<0.05),其他各组大鼠均无显著变化;HLS和 P一0.14);各组大鼠下丘脑(DA+NE)/5一HT变化趋 HTR大鼠下丘脑NE/5一HT显著高于CON大鼠下丘 势与NE/5一HT的相似。 表2大鼠下丘脑单胺类神经递质DA/5一HT和NE/5一HT变化 注:*:与CON差异显著,P%0.05;☆:差异显著,P<O.05。 2.2 大鼠下丘脑单胺类神经递质DA、NE和5一HT代 丘脑HVA(多巴胺的代谢产物)均显著低于CON大 谢产物变化 鼠下丘脑HVA水平(P<0.05),HTR大鼠下丘脑 由表3可见,HTR大鼠下丘脑DOPAC(多巴胺的 HVA水平显著低于HLS和ETR大鼠下丘脑HVA 代谢产物)水平显著低于CON大鼠下丘脑DOPAC水 水平(P<O.O5);EXE、ETR和HTR大鼠下丘脑5一 平(P<0.05),其他各组大鼠下丘脑DOPAC均与 HIAA均显著低于CON大鼠下丘脑5一HIAA的水平 CON大鼠的无显著性差异,ETR和HTR大鼠下丘脑 (P<0.05),EXE和ETR大鼠下丘脑5一HIAA分别显 DOPAC水平分别显著低于EXE和HLS大鼠下丘脑 著低于HLS和HTR大鼠下丘脑5-HIAA水平(P< DOPAC水平(P<0.05);EXE、ETR和HTR大鼠下 0.05)。 52 武汉体育学院学报 第43卷 表3 大鼠下丘脑DOPAC、HVA和5一HIAA变化(ng/g湿组织) 注:*:与CON差异显著,P<0.05; ,i={和☆:差异显著,P<O.05。 3分析与讨论 不同脑区神经核团NE水平变化与抑郁症的治疗方面 的研究取得了较大的进展l_1 。5一HT能神经元胞体 中枢神经系统的单胺类神经递质包括儿茶酚胺 主要集中于中脑下部、脑桥上部和延髓的中缝核,此外 (catecholamine,CA)和吲哚胺(indolamine)类两类。 在间脑、中脑和另外一些部位也观察到5一HT能神经 前者包括DA、NE和EPI,后者为5一HT和5一HIAA。 元的分布,5-HT能神经纤维几乎遍及整个中枢神经 有证据表明,中枢神经系统的单胺类神经递质在运动 系统,其纤维投射和NE能神经相似,但其上行通路 中的合成与代谢都发生变化[6 ]。但是有关中枢单胺 中,以腹侧束为主,而NE则是以背侧束为主_】 。目 类神经递质与神经内分泌相互关系的研究较少_9 。 前5一HT被公认为一种抑制性中枢单胺类神经递质, 3.1 大负荷游泳训练与后肢悬垂对大鼠下丘脑单胺 在运动过程中导致中枢疲劳起到重要作用。多数研究 类神经递质的影响 发现,下丘脑5一HT水平在运动后增加l_2。 。本研究 前期的研究工作发现,大负荷游泳训练与后肢悬 发现,后肢悬垂大鼠下丘脑单胺类神经递质DA、NE 垂均导致大鼠下丘脑CRH(促肾上腺皮质激素释放激 和5一HT出现增加的变化趋势,特别是DA和NE显 素)、垂体和血清ACTH(促肾上腺皮质激素)水平增 著性增加(P<O.05)(表1)。研究发现,正常活动受到 加(P<O.05),表现出明显的应激状态【1 。大负荷的 限制的大鼠下丘脑DA和NE水平显著增加_】。 ;与 游泳训练与后肢悬垂对雄性大鼠HPG轴各个环节都 此相反,大负荷游泳训练后即刻,大鼠下丘脑单胺类神 产生了影响,导致大鼠血清T(睾酮)显著下降 经递质DA、NE和5一HT水平均出现下降的变化趋势 (P<0.05)[】 。解剖学和生理学证据提示,中枢单胺 (表1),这与有关研究的结果相似l_2 。由于本研究中 类神经递质系统与HPA轴和HPG轴的调节密切相 游泳训练后恢复24小时组大鼠的下丘脑用于相关激 关,它们的调节部位在下丘脑视旁核(PVN)。PVN 素的检测,因此未能够获得运动训练大鼠在安静状态 有稠密的起源于脑干的单胺类神经递质能神经元的末 下下丘脑单胺类神经递质的变化情况。由于运动方 梢,并与含有CRH和GnRH的神经细胞构成突触联 案、选择脑内区域和取样时间的不同,有关运动后DA 系[1,13,14],对HPA轴和HPG轴两个轴的激素分泌活 和NE变化的研究结果并不一致__2 ,但是有一点似 动进行调节。 乎是确定的,那就是无论大鼠进行一次急性运动还是 DA和NE是内源性儿茶酚胺类物质,它们对脑、 经过耐力训练或者力竭运动训练后进行力竭运动,大 心血管、肾上腺等器官有重要的调节作用。DA在随 鼠恢复24小时后下丘脑DA、NE和5一HT均较运动 意运动的调节中起重要作用,由黑质多巴胺能神经元 后即刻的相应水平下降;因此可以推测,本研究中大负 末梢释放大量DA到达各个脑区,参与肌肉紧张力的 荷游泳训练大鼠力竭运动后恢复24小时下丘脑DA、 形成和调节,对于维持人体一定的姿态起到重要作 NE和5-HT水平相对运动后即刻保持不变或者进一 用[1 。对帕金森综合症(Parkinson’S disease,PD)病 步下降。大鼠下丘脑DA和NE对HPA轴和交感系 人的研究发现,PD病人肢体的震颤是与黑质致密部 统起到调节作用,对各种应激源做出反应。限制运动 渐进性多巴胺能神经元的破坏有关[1 。 。NE参与心 或者后肢悬垂属于一种环境或者自身状态改变的应激 血管功能和自主神经功能的调节,对维持机体的正常 源,而长期大负荷游泳训练是一种消耗性应激源,应激 活动非常重要[1引。近年来研究发现,NE与HPA轴 过程的结果也应该是不同的。这可能就是大负荷游泳 的调节之间存在密切的联系,同时与人体情绪和唤醒 训练和后肢悬垂导致大鼠下丘脑单胺类神经递质不同 状态的调节有关,特别是有关海马、下丘脑和边缘系统 变化的原因。 第6期 崔玉鹏,张凡,等:大负荷游泳训练与模拟失重对大鼠下丘脑单胺类神经递质影响的对比研究 53 二十世纪七八十年代的一些研究发现,脑内NE 经递质(DA+NE)/5一HT比值的变化可能是其HPG 与5一HT呈对立关系,中枢介质以DA和NE为一方, Ach(乙酰胆碱)和5一HT为另一方的两方面之间存在 着一种矛盾关系[31-32]。在抑郁症、大脑缺血再灌注和 衰老等领域的研究中都发现,中枢单胺类神经递质 DA、NE和5一HT之间似乎存在着某种比例关 系_3 。 。本研究中后肢悬垂大鼠下丘脑(DA+NE)/ 5一HT较对照组大鼠显著增加(P<0.05),大负荷游泳 训练大鼠力竭运动后即刻下丘脑(DA+NE)/5一HT 较对照组大鼠有升高的变化趋势,但无显著性差异(表 2)。显然,大鼠下丘脑(DA+NE)/5一HT比值的增加 将使大鼠的神经内分泌系统倾向于兴奋过程,更有利 于机体潜能的动员和完成运动。由此可见,尽管长期 大负荷的游泳训练导致大鼠下丘脑单胺类神经递质 DA、NE和5-HT数量的下降,但是比值(DA+NE)/ 5一HT有增加的变化趋势。这些中枢单胺类神经递质 共同作用的结果是最终促进了下丘脑小分泌细胞 CRH的合成与释放,并进一步激发了垂体ACTH的 合成与释放,导致血液Cort(皮质醇)水平增加,使大 鼠持续处于一种应激状态,并从不同环节上对HPG 轴产生抑制作用,导致血液T水平的降低。这可能就 是在大负荷运动训练和后肢悬垂两种应激源作用下 HPA轴各环节激素水平上升,而HPO轴各环节激素 水平受到抑制,血液T水平下降的中枢机制。 过度训练不仅导致运动员体能恢复速度慢,血清 T水平显著下降,而且往往还伴有情绪低落甚至有些 抑郁的表现。传统抑郁症治疗药物的理论基础正是基 于中枢单胺类神经递质DA、NE和5一HT比例的变 化,这些药物包括了单胺氧化酶抑制剂、转运体抑制剂 和受体抑制剂。研究指出,某些抗抑郁药物确实提高 了大鼠被迫运动的能力,并表现出抑郁症状的减 缓l_3 。 。因此,从中枢单胺类神经递质角度对过度训 练导致的运动员疲劳进行调理或者康复治疗还是有可 能的。当然,过度训练导致的运动员疲劳与抑郁症的 发生一样都不可能简单地由中枢单胺类神经递质单方 面的因素所导致的,而是神经系统多个区域多方面因 素以及代谢、骨骼肌和内分泌等诸多因素共同作用的 结果。 4小结 长期大负荷运动训练导致大鼠下丘脑单胺类神经 递质BA、NE和5一HT减少,但(DA+NE)/5一HT比 值有增加的变化趋势;后肢悬垂导致大鼠下丘脑单胺 类神经递质DA、NE和5-HT增加,且(DA+NE)/5- HT比值显著增加(P<0.05)。大鼠下丘脑单胺类神 轴和HPA轴变化的中枢机制。 参考文献: [1]韩济生主编.神经科学原理[M].北京:北京医科大学出 版社,2000:857—890. 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