运动性中枢疲劳的生化机制研究进展

翟昕元　杨健科　刘　强

摘要：当前对运动性中枢疲劳的研究取得了很大进展，现已提出了几种解释中枢疲劳的生物机制。本文主要对中枢神经系统疲劳的某些生化指标在中枢疲劳过程中的影响作一总结。

关键词：运动疲劳；中枢疲劳；生化机制

运动疲劳是体育科学中长期的研究热点。按照巴甫洛夫学派的观点，无论是体力疲劳，还是脑力疲劳，都是大脑皮层保护性抑制的结果。血糖下降、缺氧、pH值下降、盐丢失和渗透压升高等，均会促使大脑皮质神经元工作能力下降，从而促进疲劳(保护性抑制)的发生和发展。

Gibson等[1]（2001）总结了20世纪90年代以来运动疲劳的神经机理，提出了外周疲劳和中枢疲劳的区别，并且将中枢疲劳定义为：神经驱动或神经调控减弱导致力量生成或肌张力下降。以往对于运动疲劳的研究多集中于外周，而对中枢神经系统的疲劳则研究较少。

近年来，利用运动生物化学的方法研究运动疲劳，总结运动疲劳产生、消除的机理，取得了不少成果。本文拟就运动性中枢疲劳的神经生物化学机制的研究进展作一综述。

一、5-羟色胺（5-HT）与中枢疲劳

5-羟色胺是一种神经递质，它使机体乏力、困倦，脑中5-羟色胺浓度升高对唤醒、嗜眠、失眠和心境具有重要的调节作用。因此，过量的5-羟色胺有可能在中枢神经系统引起人体疲劳。

血浆中5-羟色胺不能通过血脑屏障，因此中枢的5-羟色胺只能在脑内合成。5-羟色胺生物合成的前体为色氨酸。因此，脑内5-羟色胺的合成首先取决于色氨酸的有效利用率。

首先色氨酸必须转运进入脑内，但这种转运有两个竞争机制：①色氨酸与血浆游离脂肪酸竞争血浆白蛋白；② 色氨酸与某些支链氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸）竞争转运载体。运动时由于游离脂肪酸浓度增加，从而血浆游离色氨酸相应增加；耐力运动过程中支链氨基酸氧化增强，故支链氨基酸浓度降低。即在耐力运动过程中，血浆游离色氨酸与支链氨基酸的比值上升，人脑中的色氨酸也上升。

大量的研究表明，在运动中或运动后，脑内的5-羟色胺含量升高。5-羟色胺能使神经纤维在脑内的投射比较广泛，它的升高表明中枢的抑制过程加强。Bailey等[2](1993)对大鼠服用一些能引起脑5-羟色胺增高的药物，结果显示：随着药量的增加，大鼠运动的时间大大缩短，说明这些药物引起脑内5-羟色胺的水平提高，导致中枢抑制而引起疲劳出现。Wilson等[3]（1993）对受试者服用5-羟色胺的激动剂后，以70%VO2max 强度进行长时间跑步或骑自行车测试，发现与对照组相比，服药组坚持运动的时间缩短，疲劳程度较高。

以上这些资料指出5-羟色胺在运动性中枢疲劳中起重要的作用，主要是：①在长时间运动中，脑中的5-羟色胺浓度升高，而疲劳时浓度最高；②服用5-羟色胺激动剂或拮抗剂将缩短或延长运动时间；③长时间的运动训练可以降低5-羟色胺的水平，延缓疲劳的发生。

二、氨基酸类与中枢疲劳

神经递质中氨基酸类有着重要的作用，它们大致可分为两类：①兴奋性氨基酸：谷氨酸（GLU）和天门冬氨酸（ASP）；②抑制性氨基酸：γ-氨基丁酸（GABA） 、甘氨酸（GLY）。氨基酸类神经递质含量的变化会影响中枢的兴奋与抑制，而中枢的兴奋与抑制机能的变化对运动能力有着重要的影响，适宜的兴奋性是创造优秀运动成绩的保证，而过度的兴奋与抑制分别会对神经系统产生损伤和机体疲劳。

以上几类神经递质中，γ-氨基丁酸的作用较强，有对抗兴奋性氨基酸递质的作用。γ-氨基丁酸主要分布在脑内，且含量很高。脑内直接生成γ-氨基丁酸的物质是谷氨酸。谷氨酸在谷氨酸脱羧酶的催化下生成γ-氨基丁酸，两者在正常生理情况下在代谢上处于相对平衡状态，两者都是脑组织的正常代谢产物，有神经递质的作用。葡萄糖、丙酮酸及其它氨基酸如谷氨酰胺等都可作为γ-氨基丁酸的前体。γ-氨基丁酸含量的升高，表示大脑皮层抑制过程占优势。

我国李人等[4]（1985）的研究发现，大鼠经过1、2、5小时游泳后，脑中有部分脑区γ-氨基丁酸低于安静值，而谷氨酸高于安静值，并有显著性，意味脑中出现以兴奋为主的效应；而经过9小时长时间的运动后，所测脑区中谷氨酸与γ-氨基丁酸都有十分显著的增多，而谷氨酸与γ-氨基丁酸的比值明显下降，说明脑中以γ-氨基丁酸抑制效应占优势，这与中枢抑制过程有关。长时间运动时的γ-氨基丁酸含量升高，主要是由于ATP浓度下降，糖原含量显著减少，氧化酶活性受到抑制，γ-氨基丁酸清除减弱。故长时间运动产生疲劳时的脑中γ-氨基丁酸浓度升高是正常过程减弱引起的。还有研究发现，力竭运动后即刻，大鼠脑皮质运动区中的谷氨酸和天门冬氨酸两种重要的兴奋性神经递质，含量低于安静值，说明了中枢兴奋性下降，原因可能是机体在过度疲劳下产生的抑制性保护。

三、多巴胺（DA）与中枢疲劳

多巴胺是脑内分泌的一种单胺类神经递质，主要负责大脑的感觉，传递兴奋的信息。脑中多巴胺活性增加，可抑制5-羟色胺的合成与代谢，从而起到了延缓疲劳的作用，而当大脑5-羟色胺/多巴胺的比率升高，会引发运动性疲劳，降低行为能力。多巴胺的代谢随着运动强度增加而增加，多巴胺的含量下降，运动能力也随之下降。Bhagat等[5]（1973）给大鼠注射可提高多巴胺水平的安非他明（10-20mg/kg）后，其运动的时间延长，耐力提高，疲劳延迟发生。

四、乙酰胆碱（Ach）与中枢疲劳

乙酰胆碱是中枢胆碱能系统中重要的神经递质之一，其主要功能是维持意识的清醒，在学习记忆中起重要作用，参与温度的调节。提高脑内乙酰胆碱的含量，可以促进激活脑神经传导功能，提高信息传递速度，乙酰胆碱的合成、释放以及再吸收对肌力的产生起着重要的作用，因此可能也与运动性疲劳有关。

Kurosawa等[6]（1993）对锻炼后保持清醒状态的受试者做了大脑皮层中乙酰胆碱变化的分析，显示5分钟的运动使乙酰胆碱升高得最明显。当中枢乙酰胆碱浓度下降时，中枢疲劳就会发生。Conlay等[7]（1992）对马拉松运动员比赛中血浆胆碱水平调查显示，比赛中其血浆胆碱水平下降约40%，运动能力下降，如及时补充适量胆碱饮料，疲劳会延迟发生。

五、氨与中枢疲劳

血氨的来源主要途径有：①ATP大量消耗，导致ADP过多，使2分子ADP转变为ATP和AMP，以保证ATP再合成，AMP则脱氨生成次黄嘌呤核苷酸，氨会引起脑中毒症状，如运动平衡失调等；②骨骼肌中的各种氨基酸经脱氨作用也可产生少量的氨。

氨能够干扰脑细胞的能量代谢，使得脑细胞ATP生成减少，以抑制脑细胞。还可引起脑内谷氨酸、Ach等兴奋神经递质的减少，又使谷氨酰胺、γ—氨基丁酸等抑制性神经递质增多，从而造成对中枢神经系统的抑制。氨在运动时由肌肉产生并释放到血液，通过血脑屏障，引起氨中毒症状。所以运动时，时肌肉、血液中氨释放过多，也是引发中枢神经系统运动性疲劳的因素之一。

总之，运动疲劳是进行运动训练时必然伴随的生理现象，其产生受多种因素的影响。随着活检、核磁共振、超微量生化分析及分子生物学技术等先进手段在研究中的应用，对于中枢神经系统疲劳产生的机制将会不断深入。

参考文献：

[1] Gibson ASC，Lambert ML，Noakes TD.Neural contor of force output during maximal and submaximal exercise.Sports Med，2001，31(9)：637-650.

[2] Bailey SP，Davis JM，Ahlbom EN. Serotonergic agonists and antagonists affect endurance performance in the rat.Int J Sports Med，1993，14(6): 330-333.

[3] Wilson WM，Manghan RJ. Evidence for a possible role of 5-hydroxytryptamine in the genesis of fatigue in man: administration of paroxetine，a 5-HT reuptake inhibitor，reduces the capacity to perform prolonged exercise.Exp Physiol，1992，77（6）: 921-924.

[4] 李人等.运动性疲劳与脑中γ-氨基丁酸.中国运动医学杂志，1985，4（2）：81.

[5] Bhagat B，Wheleer N. Effect of amphetamine on the swimming endurance performance of rats.Neuropharmacology，1973，12（7）:711-713.

[6] Kurosawa M，Okada K，Sato A，Uchida S. Extracellular release of acetylcholine，noradrenaline and serotonin increases in the cerebral cortex during walking in conscious rats.Neuroscience Lett，1993，161（1）:73-76.

[7] Conlay LA，Sabounjian LA，Wurtman RJ. Exercise and neuromodulators :choline and acetylcholine in marathon runner.Int J Sports Med ,1992,10(13):141-142.