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楊東升 劉曉莉 喬德才
《中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志》2012年03期
【作者單位】： 浙江工業(yè)大學(xué)體育科學(xué)研究中心；
北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院；
作者簡(jiǎn)介：楊東升，男，講師，博士；收稿日期：2011-10-18
近年，乳酸被研究證實(shí)不再是代謝的“廢物”和身體的“毒物”，而是重要的能量源泉。這個(gè)結(jié)論徹底顛覆了以往的關(guān)于腦能量代謝的研究結(jié)論，也將腦能量代謝帶入一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)疲勞與腦能量代謝是研究的熱點(diǎn)問題，關(guān)于腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)疲勞也重新引起了體育科研工作者的關(guān)注和興趣，然而以往的研究成果與學(xué)術(shù)觀點(diǎn)已經(jīng)不能再作為科學(xué)依據(jù)，而較新的研究成果與結(jié)論零散而且具有較大爭(zhēng)議，可供國(guó)內(nèi)研究者直接參考的信息非常有限。因此，本文對(duì)目前國(guó)內(nèi)外新的相關(guān)研究及存在的問題進(jìn)行了概括與評(píng)述，同時(shí)提出了我們的質(zhì)疑與思考，分析了造成目前具有爭(zhēng)議性研究結(jié)果的原因以及對(duì)未來研究的展望，以期能為相關(guān)的研究提供啟示。
運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞是指由運(yùn)動(dòng)引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生和維持足夠的沖動(dòng)到運(yùn)動(dòng)所需的肌肉的現(xiàn)象。腦的能量代謝是腦功能活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在維持神經(jīng)元的膜電位、突觸的活性及突觸活動(dòng)方面均起著非常重要的作用。因此，機(jī)體運(yùn)動(dòng)過程中的能量代謝平衡是保證中樞神經(jīng)系統(tǒng)持續(xù)向外周發(fā)放神經(jīng)沖動(dòng)的保障，也是決定運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的關(guān)鍵因素。關(guān)于腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的研究很多，但是早期研究者們主要集中于腦葡萄糖及氧的代謝。隨著腦科學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)腦除了利用葡萄糖作為能量代謝底物以外，還可以依賴乳酸來供給能量，證實(shí)了乳酸在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元的能量信息傳遞和腦功能活動(dòng)的能量代謝偶聯(lián)中發(fā)揮著重要作用，提出“中樞乳酸穿梭”假說(astrocyte-neuron lactate shultle hypothesis，ANLSH)。隨著乳酸被賦予了嶄新的腦代謝角色，關(guān)于腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞機(jī)制的研究再度成為研究者們所關(guān)注的焦點(diǎn)，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。
1 腦葡萄糖代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞
中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能活動(dòng)的增加將導(dǎo)致中樞神經(jīng)能量需求增加。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，作為神經(jīng)系統(tǒng)重要的能量代謝物質(zhì)葡萄糖，其吸收、利用和代謝都具有自身的特點(diǎn)。Be’quet等研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中中樞葡萄糖代謝和血糖濃度存在著直接的關(guān)系，機(jī)體力竭運(yùn)動(dòng)后盡管低血糖，但還是能夠顯著增加腦葡萄糖的代謝，提示在運(yùn)動(dòng)后存在著腦的特殊的中樞葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)與調(diào)節(jié)機(jī)制。Kemppainen等發(fā)現(xiàn)隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，大腦皮質(zhì)的葡萄糖代謝率(rGMR)降低，提示運(yùn)動(dòng)過程中腦對(duì)于葡萄糖的攝取隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加而減少，機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力與腦的葡萄糖代謝有密切的關(guān)系，受過良好訓(xùn)練的人在大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)過程中其腦額葉葡萄糖的攝取較沒有訓(xùn)練過的人降低的更為顯著，說明運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練不僅可以促進(jìn)肌肉和心臟系統(tǒng)的能量代謝能力，而且對(duì)于腦的葡萄糖代謝也會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)而積極的影響作用。5-HT是腦組織重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，運(yùn)動(dòng)過程中中樞腦區(qū)5-HT的增多被認(rèn)為是導(dǎo)致中樞疲勞產(chǎn)生的主要原因，Be’quet等研究發(fā)現(xiàn)腦細(xì)胞外液中的葡萄糖與5-HT系統(tǒng)代謝之間也有密切的聯(lián)系。運(yùn)動(dòng)過程中在海馬區(qū)直接注射葡萄糖，可以通過影響5-HT的釋放和再攝取途徑而抑制運(yùn)動(dòng)所引起的5-HT釋放的增加(圖1)，證實(shí)運(yùn)動(dòng)過程中腦葡萄糖的代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞之間有密切的關(guān)系。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，頸動(dòng)脈注射葡萄糖能夠顯著推遲疲勞的出現(xiàn)而增強(qiáng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力，提示增強(qiáng)腦葡萄糖的供應(yīng)能推遲機(jī)體疲勞的出現(xiàn)。因此，運(yùn)動(dòng)前及運(yùn)動(dòng)中補(bǔ)充碳水化合物被很多人所采用，以期推遲機(jī)體疲勞的出現(xiàn)，提高運(yùn)動(dòng)能力。然而Be’quet研究組進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻否定了這種做法。雖然腦細(xì)胞外液中高濃度的葡萄糖可以抑制5-HT的釋放，但是在運(yùn)動(dòng)前或運(yùn)動(dòng)過程中通過增加外周血液中葡萄糖水平，由于運(yùn)動(dòng)過程中特殊的葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制，高濃度的血糖并不能通過血腦屏障進(jìn)入腦組織，抑制腦中5-HT的水平，相反運(yùn)動(dòng)過程中外周高濃度的葡萄糖反而會(huì)導(dǎo)致腦葡萄糖水平持續(xù)下降，以及5-HT合成的增加(圖2)，將導(dǎo)致機(jī)體在運(yùn)動(dòng)結(jié)束后恢復(fù)期的疲勞感加重，提示雖然運(yùn)動(dòng)前或運(yùn)動(dòng)中補(bǔ)充葡萄糖可以增加機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力，但是這樣對(duì)于運(yùn)動(dòng)疲勞以后的恢復(fù)卻是不利的。
2 腦乳酸代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞
2．1 乳酸與腦的能量代謝
傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為葡萄糖是神經(jīng)元活動(dòng)的主要能源物質(zhì)，神經(jīng)元活動(dòng)所引起能量需求的增加主要通過葡萄糖的氧化代謝來滿足。腦組織中乳酸的產(chǎn)生是糖酵解活性暫時(shí)超過氧化代謝速度的結(jié)果，是腦細(xì)胞無氧糖酵解產(chǎn)生的代謝廢物或是中樞神經(jīng)系統(tǒng)缺血缺氧損傷的標(biāo)志物，在腦的代謝過程中沒有其他作用。然而近年來的大量研究證實(shí)腦也可以利用乳酸作為能量底物，其不僅可氧化利用血源性乳酸，并且星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠?qū)难褐袛z取的葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)槿樗崽峁┙o神經(jīng)元作為能源物質(zhì)，尤其是當(dāng)神經(jīng)元的功能活動(dòng)增加的時(shí)候乳酸更是腦主要依賴的能量物質(zhì)，在腦的代謝過程中發(fā)揮著重要作用。神經(jīng)元主要利用氧化代謝能量底物的方式為其高水平的突觸活動(dòng)提供能量，在神經(jīng)元細(xì)胞外葡萄糖和乳酸濃度接近于生理水平的情況下，神經(jīng)元氧化乳酸的速率為氧化葡萄糖速率的10倍，90％的神經(jīng)元氧化代謝由乳酸提供，其余10％則依賴于葡萄糖來源的丙酮酸。神經(jīng)元在細(xì)胞外乳酸和細(xì)胞內(nèi)糖酵解生成的乳酸/丙酮酸之間對(duì)前者顯示動(dòng)力學(xué)上的優(yōu)先利用。因此，神經(jīng)元還只有優(yōu)先氧化利用乳酸的特性。運(yùn)用PET技術(shù)的研究也證明即使是在血糖正常的情況下乳酸也可優(yōu)先于葡萄糖作為腦代謝的燃料，說明無論是在缺血等病理狀態(tài)下還是正常神經(jīng)活動(dòng)時(shí)，乳酸可優(yōu)先于葡萄糖被神經(jīng)元利用氧化供能。
2．2 腦乳酸代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞
機(jī)體在安靜狀態(tài)下，動(dòng)脈血乳酸的濃度小于1mmol/L，但是在大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)過程中，血乳酸濃度高達(dá)30mmol/L；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)腦組織與外周血的乳酸濃度差超過1．5 mmol/L時(shí)，乳酸即通過一元羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)穿過血腦屏障進(jìn)入腦，而當(dāng)外周血中乳酸濃度超過15 mmol/L時(shí)，腦對(duì)于乳酸的攝取量即超過葡萄糖的攝取量，腦對(duì)于乳酸的這種攝取也是腦代謝所驅(qū)動(dòng)的。所以，大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)過程中肌肉所產(chǎn)生的高濃度的乳酸很可能通過血腦屏障進(jìn)入腦，進(jìn)而參與腦的能量代謝。Ide-K等研究發(fā)現(xiàn)機(jī)體在極量運(yùn)動(dòng)過程中腦對(duì)于乳酸的攝取顯著增加，說明了運(yùn)動(dòng)過程中肌肉代謝所產(chǎn)生的乳酸能夠被大腦所攝取并作為能量底物為神經(jīng)元的急性活動(dòng)提供能量。Kemppainen等的研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過程中大腦對(duì)于乳酸的攝取間接地降低了葡萄糖的攝取，說明在運(yùn)動(dòng)過程中，神經(jīng)元優(yōu)先利用乳酸而非葡萄糖作為其代謝底物，進(jìn)一步證實(shí)乳酸是運(yùn)動(dòng)過程中腦所主要依賴的能量底物。
乳酸雖然可作為主要的能量代謝底物在運(yùn)動(dòng)過程中為神經(jīng)元提供能量，以彌補(bǔ)運(yùn)動(dòng)過程中腦的能量供應(yīng)不足，然而過量的乳酸又會(huì)導(dǎo)致中樞乳酸堆積產(chǎn)生酸中毒。有學(xué)者認(rèn)為運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞與運(yùn)動(dòng)所導(dǎo)致的腦內(nèi)乳酸堆積有密切的關(guān)系，提出腦內(nèi)乳酸蓄積也可能是導(dǎo)致中樞疲勞的重要因素。不同濃度的乳酸可使皮質(zhì)腦電圖受到抑制，波幅降低，頻率減慢且腦皮質(zhì)5-HT含量也隨著乳酸濃度的增高而增加，說明了乳酸可能通過改變細(xì)胞的微環(huán)境和與神經(jīng)遞質(zhì)的相互作用而影響神經(jīng)系的興奮性，導(dǎo)致中樞疲勞的出現(xiàn)。王靜等研究發(fā)現(xiàn)在大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)后腦乳酸含量顯著增高，表明中樞疲勞發(fā)生時(shí)腦乳酸堆積，并提出乳酸堆積可能是中樞疲勞的機(jī)制之一。然而關(guān)于運(yùn)動(dòng)疲勞后腦內(nèi)乳酸的代謝情況尚存爭(zhēng)議，Dalsgaard等的研究卻發(fā)現(xiàn)在力竭運(yùn)動(dòng)后，腦盡管從外周血中攝取了大量的乳酸，但用NMR掃描在腦內(nèi)并沒有出現(xiàn)乳酸堆積現(xiàn)象，而且腦脊液中乳酸濃度也沒有明顯升高。認(rèn)為在運(yùn)動(dòng)過程中大腦從血液當(dāng)中攝取的乳酸以及內(nèi)源性的星形膠質(zhì)細(xì)胞酵解所產(chǎn)生的乳酸均在運(yùn)動(dòng)過程中被神經(jīng)元消耗掉了。
3 糖原代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞
疲勞機(jī)制的“耗竭學(xué)說”認(rèn)為疲勞是由于機(jī)體的能量物質(zhì)耗竭引起的。運(yùn)動(dòng)過程中能量代謝物質(zhì)的供給不足是導(dǎo)致疲勞的關(guān)鍵因素之一?！昂慕邔W(xué)說”是基于外周的能量代謝而提出的，隨著人們對(duì)于腦的研究的不斷深入，研究發(fā)現(xiàn)此學(xué)說同樣適用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)。中樞疲勞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生或維持足夠的神經(jīng)沖動(dòng)到達(dá)所支配的工作肌所致。而腦的能量代謝是運(yùn)動(dòng)過程中保證中樞神經(jīng)系統(tǒng)持續(xù)向外周發(fā)放神經(jīng)沖動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。很多學(xué)者認(rèn)為運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞與運(yùn)動(dòng)過程中的中樞能量底物的不足密切相關(guān)。長(zhǎng)時(shí)間的大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腦內(nèi)的糖原耗竭可能就是中樞疲勞的機(jī)制之一。糖原是腦能量很大的儲(chǔ)備庫(kù)，主要儲(chǔ)存在星型膠質(zhì)細(xì)胞中。有資料表明當(dāng)神經(jīng)元活動(dòng)增加時(shí)，糖原可被直接酵解為丙酮酸，進(jìn)而再被氧化為乳酸進(jìn)入“乳酸池”為神經(jīng)元提供能量。運(yùn)動(dòng)過程中，腦的活動(dòng)急劇增加，能量需求也隨之增加，而乳酸穿梭盡管快，但還是不能滿足中樞神經(jīng)元急性活動(dòng)時(shí)的能量需求。糖原的分解速率是非常迅速的，所以中樞隨即啟動(dòng)糖原分解代謝，為神經(jīng)元提供能量以保持神經(jīng)系統(tǒng)功能活動(dòng)急性增加時(shí)的代謝平衡。運(yùn)動(dòng)過程中腦雖然可以攝取外周血中的葡萄糖和乳酸作為能源物質(zhì)，但還是不能滿足運(yùn)動(dòng)中腦的能量需求，大腦隨即啟動(dòng)了腦的能量?jī)?chǔ)備體系——糖原為神經(jīng)元提供能量，而運(yùn)動(dòng)后腦額外攝取的碳水化合物很可能是對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中所消耗糖原的補(bǔ)償，用于重新恢復(fù)腦的糖原儲(chǔ)備。有研究報(bào)道，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下神經(jīng)元主要依靠神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞酵解糖原生成的乳酸為神經(jīng)元供能，在力竭性運(yùn)動(dòng)過程中，能量消耗增大，導(dǎo)致糖原耗竭，能量供需短暫失衡，運(yùn)動(dòng)終止。但也有學(xué)者得出不同的研究結(jié)果，王靜等卻報(bào)道中樞糖原在大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)后并沒有發(fā)生顯著性的變化。
4 中樞代謝吸收率與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞
Dalsgaard等在Ide-K等研究的基礎(chǔ)下發(fā)現(xiàn)機(jī)體在安靜狀態(tài)下，腦的代謝率(metabolicratio，MR)(O2/葡萄糖)值接近于6，而在機(jī)體參與全身性的身體運(yùn)動(dòng)時(shí)，MR達(dá)到至低點(diǎn)，大強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)MR甚至低于3，提示大約有50％的碳水化合物(大約相當(dāng)于10mmol的葡萄糖當(dāng)量)是通過非氧化的形式提供能量的。因此，他將機(jī)體在運(yùn)動(dòng)過程中，腦對(duì)于O2，葡萄糖和乳酸的攝取用于反映腦的代謝水平，用O2/(葡萄糖+1t/乳酸)表示中樞的代謝吸收率，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度能夠影響中樞的代謝吸收率，力竭性的運(yùn)動(dòng)使腦活動(dòng)增加，腦對(duì)乳酸的攝取增加，代謝吸收率降低，而此種降低主要與腦中的去甲腎上腺索(NE)介導(dǎo)的多種因素有關(guān)。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)極量的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腦的代謝吸收率從安靜狀態(tài)下的6．1下降到力竭即刻的3．7，而亞極量的運(yùn)動(dòng)腦的代謝吸收率沒有發(fā)現(xiàn)明顯的變化，同時(shí)O2/葡萄糖也由5．7在運(yùn)動(dòng)后即刻降低到至低點(diǎn)3．6，在20min后才恢復(fù)到安靜時(shí)的水平(圖3)。因此Dalsgaard提出機(jī)體在力竭性的運(yùn)動(dòng)過程中腦對(duì)于乳酸和葡萄糖的攝取速率高于氧的攝取速率，并指出腦的代謝吸收率降低可能是“中樞疲勞”的一個(gè)代謝指標(biāo)。
然而，用中樞代謝率反映運(yùn)動(dòng)過程中腦的能量代謝特征及其與中樞疲勞之間的關(guān)系也存在一些弊端。外周血乳酸的水平和中樞代謝率的關(guān)系非常密切，研究證實(shí)在外周血乳酸達(dá)到峰值的時(shí)候，腦的代謝率更低。所以，在研究中樞代謝吸收率的過程中，還應(yīng)充分考慮外周代謝的變化情況。大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)外周血中低血糖和高乳酸的特點(diǎn)將會(huì)導(dǎo)致腦對(duì)于這兩種物質(zhì)的攝取和代謝產(chǎn)生一系列的變化，使得揭示中樞疲勞時(shí)腦的能量代謝規(guī)律更加復(fù)雜。其次，運(yùn)動(dòng)過程中和恢復(fù)期即刻中樞代謝率的降低的機(jī)制至今沒有完全闡述清楚，而且運(yùn)動(dòng)過程中代謝率的降低還與糖原的代謝有直接的關(guān)系。糖原是腦能量的儲(chǔ)備庫(kù)，在腦能量代謝過程中占有重要的地位，糖原參與中樞代謝將直接影響中樞代謝率的變化情況。因此，在中樞代謝率與中樞疲勞的研究中還因充分考慮糖原在其中的作用。
5 展望
自從乳酸被證明是腦的主要的能量物質(zhì)以來，圍繞腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的研究各國(guó)學(xué)者做了大量的研究工作，取得了矚目的成績(jī)。但不同研究結(jié)果間也存在著較大的差異，尤其是關(guān)于中樞疲勞時(shí)乳酸和糖原的代謝的研究，造成這種差異的原因可能與研究方法有關(guān)。運(yùn)動(dòng)性疲勞是在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生和發(fā)展的，所以針對(duì)運(yùn)動(dòng)性疲勞機(jī)制進(jìn)行研究也應(yīng)在清醒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行，處死后動(dòng)物所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果較難再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)性疲勞發(fā)生的真實(shí)規(guī)律，因此選擇在活體狀態(tài)下進(jìn)行研究是揭示運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞生理機(jī)制的較為理想的方法?，F(xiàn)有關(guān)于腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)研究中所采用的MRI、PET，以及SPECT等技術(shù)雖然可實(shí)現(xiàn)在活體狀態(tài)下對(duì)腦的能量代謝變化進(jìn)行測(cè)定和觀察，但只能對(duì)運(yùn)動(dòng)前和運(yùn)動(dòng)后的變化進(jìn)行比較，將之用于機(jī)體運(yùn)動(dòng)過程中的腦能量代謝進(jìn)行研究卻非常困難。此外運(yùn)動(dòng)過程中的中樞能量代謝是一個(gè)連續(xù)變化的動(dòng)態(tài)過程，且變化速率非常迅速，因此針對(duì)運(yùn)動(dòng)與中樞能量物質(zhì)代謝的研究也應(yīng)盡可能地在活體檢測(cè)方法的前提下選擇時(shí)間分辨率較高的在線的測(cè)試方法來進(jìn)行。隨著活體生命分析技術(shù)的不斷進(jìn)步，微透析技術(shù)與液相色譜(HPLC)聯(lián)用和微透析與電化學(xué)檢測(cè)等設(shè)備聯(lián)用的方法即可成功的實(shí)現(xiàn)在清醒動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對(duì)其腦的生理變化機(jī)制進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察研究，將為進(jìn)一步揭示運(yùn)動(dòng)與腦的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制提供便利。
腦內(nèi)糖原是腦能量非常大的儲(chǔ)備庫(kù)，在運(yùn)動(dòng)過程中的腦能量代謝體系中發(fā)揮著重要的作用，然而關(guān)于糖原與中樞疲勞的研究卻不多，特別是關(guān)于大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)過程中糖原的動(dòng)態(tài)變化的研究更少，這可能與實(shí)驗(yàn)方法和手段的局限有關(guān)，然而這對(duì)于揭示腦能量代謝與運(yùn)動(dòng)性中樞疲勞的機(jī)制卻是至關(guān)重要的。關(guān)于中樞疲勞與中樞能量代謝的研究，運(yùn)動(dòng)過程中腦內(nèi)糖原的動(dòng)態(tài)研究應(yīng)作為今后研究者們重點(diǎn)關(guān)注的問題。