动物运动性疲劳方法学研究之一——不同刺激方法对大鼠跑台运动疲劳及恢复期糖代谢的影响*
作者：肖明珠 郭庆芳
单位：肖明珠 郭庆芳 (国家体育总局体育科学研究所运动生理研究室(北京 100061))
关键词：疲劳；糖代谢；机械刺激；电刺激；大鼠
中国运动医学杂志980415 提要 本研究旨在探讨不同刺激方法对大鼠跑台运动疲劳前后及恢复期糖代谢变化的影响。选用雄性SD大鼠经递增强度训练后，在不同刺激方法(机械和电)作用下以33m/min的速度进行跑台运动，分别测定运动疲劳即刻及3小时后的血糖、肝糖元、骨骼肌红肌纤维糖元和白肌纤维糖元的含量。结果表明：(1)机械刺激方法下，大鼠运动至疲劳即刻以及3小时恢复后血糖均变化不大(p>0.05)；而电刺激作用下运动后即刻血糖明显下降(p<0.01)，恢复3小时后血糖浓度回升(p<0.01)。(2)大鼠运动疲劳后即刻肝糖元下降(p<0.01)，但电刺激作用大于机械刺激作用(p<0.01)。运动后3小时接受机械刺激的大鼠肝糖元开始恢复，而电刺激的则没有。(3)骨骼肌红肌纤维糖元的变化在两种刺激方法之间比较相似，但白肌纤维糖元的变化则不同，运动疲劳即刻电刺激作用下白肌纤维糖元下降比机械刺激作用下更明显(p<0.01)，3小时后恢复更慢(p<0.01)。(4)综合来看，机械刺激运动疲劳即刻，红、白肌纤维糖元含量之间有差异(p<0.01)，而电刺激运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间无差异(p>0.05)。以上结果提示，虽然机械刺激和电刺激都能使大鼠达到相同的疲劳标准，但两种刺激所造成的疲劳对动物机体糖代谢的影响是有区别的。
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The Effect of Different Type of Stimulation on the Glycogen Metabolism during Treadmill
Exercise Induced Fatigue and Recovery Period in Rats
Xiao Mingzhu, et al
National Research Institute of Sports and Science,Beijing 100061
In this study,male SD rats after 5 weeks of treadmill training with incremental load ran at the speed of 33m/min until fatigue and were treaded by different stimulation method (electronic and mechanical).The blood glucose,hepatic glycogen,glycogen concentration in red and white fibers of femoral quadriceps were investigated immediately after fatigue and at 3 hour after fatigue.The results showed:(1)Change in blood glucose level was not influenced by mechanical stimulation(P>0.05),whereas blood glucose level decreased significantly influenced by electronic stimulation immediately after fatigue(p<0.01),it returned to normal level at 3 hour after fatigue.(2)Comparing to pre-exercise,the level of hepatic glycogen immediately after fatigue decreased significantly(P<0.01). The fall of hepatic glycogen influenced by electronic stimulation was greater than that influenced by mechanical stimulation(p<0.01).At 3 hour after fatigue,the hepatic glycogen level of the group treaded by mechanical stimulation began to recover(p<0.01),while that of the group treaded by electronic stimulation unchanged(p>0.05).(3)The glycogen concentration in red fibers immediately after fatigue fell greatly(p<0.01).The effect of two different type of stimulation methods were similar(p>0.05).The glycogen concentration in white fibers immediately after fatigue also decreased greatly(p<0.01),but the effect of electronic stimulation was more significant than that of mechanical stimulation(p<0.01).(4)The degree of glycogen recovery in red fibers was higher than the degree in white fiber at 3 hour after fatigue.The degree of glycogen recovery influenced by mechanical stimulation was higher than that influenced by electronic stimulation at 3 hour after fatigue.
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It was demonstrated that the effects of glycogen metabolism in fatigue exercise induced by electronic stimulation and mechanical stimulation were different,although the rats treaded by different stimulation methods met the same fatigue criterion.
Key word:fatigue,glycogen metabolism,mechanical stimulation,electronic stimulation,rat
肌肉疲劳的问题自100年前Mosso开始研究以来，一直是运动生理学、运动医学和运动心理学等诸多学科关注的热点。疲劳的消除及运动能力的恢复已经成为制约运动训练水平的重要因素。疲劳时肌肉工作能力的下降是个渐进过程。从定义上讲，肌肉力量开始下降的那一点应当就是疲劳的开始。但这一“点”的判断是较困难的。力竭是指肌肉或器官完全不能维持运动状态，是疲劳不断发展的最终阶段。Vollested(1988)[26]认为疲劳和力竭是两种不同的状态，疲劳的机能变化信息，特别是代谢过程的信息很少，更多的材料是在力竭的情况下获得的。而在实际运动训练中，运动员训练更多的是达到“疲劳”状态，而非“力竭”。我们知道，物质能量代谢是肌肉运动的基础和根本，而糖代谢又是物质能量代谢的重要部分。目前鲜有资料研究疲劳和力竭时糖代谢变化的不同[27，28]。
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在动物实验中，疲劳的判断更为困难。人们很难判断大鼠跑速下降是因为偷懒还是真的疲劳，因此要用一定的方法强迫它以规定的强度运动。目前常用的方法有两种：机械刺激方法(包括声、光等)和电刺激方法[1]。但目前并未完全统一，有的研究用一种，有的都用，也有的未明确指出是否使用或使用何种刺激方法[2—4]。特别是学者们没有注意到不同的刺激方法所激发的动物不同的工作状态。那么在动物跑台运动中，使用不同的刺激方法是否会对动物机体内的糖代谢产生不同的影响?为此，我们的研究着重探讨不同的刺激方法(机械和电)同样条件下激发大鼠以相同的疲劳标准时，对大鼠机体糖代谢所产生的不同影响。
1 材料和方法
1.1 实验对象
雄性Sprague-Dawley大鼠，体重180～220g，由中国科学院动物研究所实验动物室提供。常规鼠类饲料喂养。每笼5只，自由饮水，每日光照时间为12小时。饲养环境温度为18℃～28℃，平均23℃。每周称体重1次。
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大鼠适应性喂养、筛选后开始训练。采用递增强度跑台运动，坡度为零。从训练第一周起，逐周递增速度，分别为15m/min，22m/min，27m/min，31m/min，35m/min，每天20分钟，每周训练5天。
训练用的跑台是经我们改造过的。通过反复预实验，在总结吸取他人经验的基础上，我们对实验跑台进行了适当的改造。其优点有：(1)避免后壁电极因大鼠脱毛，粪便及其他杂物而造成短路，使电刺激失效；(2)防止附有金属针的后壁电极刺伤大鼠臀部或腿部肌肉，影响跑动；(3)大鼠尾部毛少，对电刺激的敏感性较高。经过实践摸索，证明效果较好(陈英杰副研究员参与了此项工作)。
1.2 实验方法
1.2.1 经过5～6周的训练达到35m/min后，将50只大鼠随机分成5组，每组10只：对照组(C)，机械刺激疲劳即刻组(M 0h)、机械刺激疲劳3小时恢复组(M 3h)、电刺激疲劳即刻组(E 0h)、电刺激疲劳3小时恢复组(E 3h)。除对照组外，其余4组分别按不同刺激方式以33m/min的速度在跑台上进行运动，直至达到疲劳。机械刺激为用毛刷、木板等刺激大鼠尾部；电刺激为用我们改造后的电极刺激大鼠尾部。即刻组在运动后即刻处死，恢复组在运动后3小时处死。实验期间大鼠自由进食、饮水。
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1.2.2 疲劳判断标准：奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上预定速度(33m/min)，大鼠臀部压在跑台后壁，后肢随转动皮带后拖达30秒。
1.3 测试方法
1.3.1 样品采集和保存：达到标准的大鼠从跑台上取出，乙醚麻醉，腹主动脉取动脉血5～10ml,3500转20分钟离心取血清待测。同时取右侧股四头肌，分离红、白肌；取肝脏中叶边缘，迅速放入液氮冷冻，-88℃低温冰箱中保存待测。3小时恢复组照上述方法取材、保存待测。
1.3.2 血糖在UV-2201型紫外分光光度计(岛津公司)上进行测定。
1.3.3 肌糖元和肝糖元的测定用蒽酮比色法[5]。
1.4 数据统计学处理
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所有数据均在XT—486计算机上处理完成，结果以均值±标准差(mean±SD)表示，组间比较用Student-T检验。p<0.05为具有显著性差异，p<0.01为具有高度显著性差异。
2 结果与分析
2.1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后血糖浓度变化
运动时血糖值的高低取决于机体运动时循环系统中糖代谢的动态平衡，即动脉血糖的恒定依靠肌肉葡萄糖消耗和肝糖元分解释放葡萄糖入血而达到平衡。运动时血糖浓度保持相对恒定，随着运动强度的增加，血糖的产生与血糖的利用呈平行变化[12]。本实验中，大鼠在机械刺激作用下运动到疲劳状态时的血糖变化不大(表1)，说明机体在这种应激下运动过程中循环系统内糖代谢仍能保持动态平衡。运动时葡萄糖氧化速率加快，但血糖浓度仍能保持相对恒定，这可能与肝糖元释放入血及肝脏的糖异生作用有关[6]。
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表1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后血糖浓度变化
Table 1 Concentration of blood glucose in rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(mmol/L) 组别
G
例数
N
血糖浓度mean±SD
conc.of blood glucose
C
10
, 百拇医药
7.554±1.240
M 0h
10
7.033±3.319
M 3h
10
8.781±1.361
E 0h
10
2.698±1.943##※※
E 3h
10
, http://www.100md.com 10.282±1.239##★★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
★★：与E 0h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★★：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
在电刺激的作用下，大鼠血糖值的变化则与机械刺激的作用不同。即刻组血糖平均值明显下降，3小时恢复后已有上升，经检验有高度显著性差异。Ahlborg等(1974，1982)指出，运动后期，动脉血糖浓度下降，并会使得糖利用率下降[13，14]。Hermansen L等(1967)报道在功率自行车上以平均77%VO2max的强度运动，开始血糖基本保持稳定，当运动至75分钟，血糖开始持续下降，运动至90分钟到完全力竭状态，血糖已下降30%左右[15]。作者认为引起血糖下降的原因是肌肉从血流中摄取葡萄糖量大于肝脏释放葡萄糖进入血流的量。肝糖元是血糖的一个贮存库，需要时可释放入血。在血糖水平下降时，肝糖元分解成葡萄糖并将其释放入血以维持血糖水平的恒定。当肝糖元贮存耗竭时，葡萄糖的产生会明显下降[7]，导致低血糖。血糖是包括大脑在内的中枢神经系统的主要能源[8]，若血糖水平很低，便会出现低血糖症，致使脑机能下降，大脑不能维持正常功能，出现虚弱和疲劳的表现，Anna Casey等(1995)进行单腿功率自行车实验至力竭，血糖浓度也明显下降[16]。结合本实验中肝糖元和肌糖元的变化情况(见下分析)，大鼠在电刺激作用下的血糖下降明显，说明机体在这种应激下运动到疲劳状态，循环系统中血糖已不能保持动态平衡。此时，由于需要维持一定的运动强度，肌肉摄取葡萄糖增加，葡萄糖氧化速率明显加快，肝糖元的消耗不断增加，血糖的产生不能满足机体各组织器官对血糖的需求，使得血糖浓度不能保持相对恒定，出现低血糖。运动后机体代谢需要明显下降，血糖的产生量大于血糖的需要量，3小时恢复后血糖浓度回升。同时从以前众多学者们的研究中不难发现，运动中出现血糖浓度明显下降时往往已是力竭，而非疲劳了[15，16]。
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综合以上机械刺激和电刺激的不同作用，可以看到，同样是达到疲劳状态，机械刺激作用下，血糖值无论是在即刻还是在3小时恢复后均保持在一定的范围内波动；但在电刺激作用下，血糖值在运动即刻明显下降，说明血糖正常代谢的平衡被打破，机体所处的状态与前者是不同的。两种刺激方法对大鼠血糖浓度产生了不同的作用。
2.2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复期肌糖元含量变化
2.2.1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红肌纤维糖元含量变化
表2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红肌纤维糖元含量变化
Table 2 Glycogen concentration in red fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
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G
例数
N
红肌纤维糖元mean±SD
glycogen conc. of red fibers
C
10
1.901±0.305
M 0h
10
0.682±0.214##
M 3h
, http://www.100md.com
10
3.538±2.216※※
E 0h
10
0.548±0.110##
E 3h
10
2.285±1.675★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
★：与E 0h组比较，p<0.05
##：p<0.01,compared with control(C)
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※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★：p<0.05,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
我们看到(见表2)，虽然两个3小时恢复组之间无显著性差异，但是，机械刺激3小时恢复组红肌纤维糖元含量比对照组高约86.1%，而电刺激3小时恢复组的红肌纤维糖元含量则只比对照组高约20.4%。消耗过程越强，恢复过程也就越强，但是能量消耗过大，恢复反而缓慢[7]。很显然，相比较机械刺激方法，在电刺激方法下，大鼠运动时间更长，消耗更多，因此相对恢复期变长。机械刺激下，红肌纤维糖元超量恢复要比电刺激下红肌糖元超量恢复程度高。作者认为检验无差异是标准差太大的缘故。说明大鼠两种不同的刺激方法运动至疲劳状态时红肌纤维糖元含量变化是不同的。
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2.2.2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后白肌纤维糖元含量变化
本实验中(见表3)，在机械刺激和电刺激作用下，大鼠股四头肌白肌纤维糖元含量的变化与红肌纤维糖元含量变化有相似之处。机械刺激即刻组和电刺激即刻组均与对照组相比明显下降，有高度显著性差异(p<0.01)。但不同的是：两个即刻组的白肌纤维糖元含量之间也有高度显著性差异(p<0.01)。即白肌纤维糖元在电刺激作用下比机械刺激作用下进一步下降。机械刺激3小时恢复组的白肌纤维糖元含量与对照组和机械刺激运动疲劳即刻组比较均无显著性差异(p>0.05)。电刺激3小时恢复组的白肌纤维糖元含量与电刺激运动疲劳即刻组和对照组均有高度显著性差异(p<0.01)。说明电刺激作用下，白肌纤维糖元含量3小时后尚未恢复到运动前的水平。
表3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后白肌纤维糖元含量变化
Table 3 Glycogen concentration in white fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
, 百拇医药
G
例数
N
白肌纤维糖元mean±SD
glycogen conc. of white fibers
C
10
2.834±0.85
M 0h
10
1.021±0.201##
M 3h
, 百拇医药
10
2.617±2.042※※
E 0h
10
0.580±0.089##※※
E 3h
10
1.507±0.681##★★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，0.01
★★：与E 0h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
, 百拇医药
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★★：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
比鲁教授认为[9]：疲劳是一个过程。在疲劳的最初阶段，肌肉收缩力的下降可能会为动作速度的增加而得到补偿，并能通过加快动作速度，使原来的跑速在一定时间内仍然不会下降。在接近运动末段慢肌纤维中糖元逐渐耗尽可能造成一些影响[8]，甚至于慢肌不得不动用脂肪作为能源，而有氧供能系统使用脂肪不如糖元那样迅速地产生ATP，因此造成步频下降。要想保持速度，需要动员一些快肌纤维生成足够的ATP。当动用精神力量尚不足以激活快肌纤维时，步频虽然得以维持，但实际上机体已处于心理上的高度紧张和疲劳状态。红肌纤维的募集是在中等强度或更轻度的活动中，当兴奋进一步增加或红肌疲劳时，白肌纤维的募集会明显增加[17，18]。这在Baldwin的实验中[19]主要体现在运动的最后阶段，血糖下降45%，红肌纤维糖元含量到运动30分钟后不再下降，而白肌纤维糖元含量则开始持续下降。本实验中，施以机械刺激已经达到疲劳的大鼠白肌纤维糖元含量比即刻组已有下降，在电刺激作用下，白肌糖元含量进一步下降，这时客观上同样的运动强度(33m/min)从主观上讲对大鼠已经不一样了。大鼠需要募集更多的白肌纤维来适应对它来说“更大”的运动强度。
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虽然两种不同的刺激方法下大鼠运动终结时表现可以相同，但其体内所达到的状态是不同的，对白肌纤维糖元含量在运动即刻也产生了不同的效应。
2.2.3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红、白肌纤维糖元含量变化的比较
表4 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红、白肌纤维糖元含量变化的比较
Table 4 Comparison of glycogen level in red and white fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
G
例数
, 百拇医药
N
肌糖元mean±SD
glycogen concentration
C(W)
10
2.834±0.85
C(R)
10
1.901±0.305##
M 0h(W)
10
1.021±0.201##
, 百拇医药
M 0h(R)
10
0.682±0.214※※★★
M 3h(W)
10
2.617±2.042
M 3h(R)
10
3.538±2.216
E 0h(W)
10
0.580±0.089##
, http://www.100md.com
E 0h(R)
10
0.548±0.110※※
E 3h(W)
10
1.507±0.681
E 3h(R)
10
2.285±1.675
(W):白肌纤维 (R)：红肌纤维 ##：与C(W)组比较，p<0.01
※※：与C(R)组比较，0.01 ★★：与M 0h(W)组比较，p<0.01
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(W)：white fiber; (R):red fiber; ##：p<0.01,compared with C(W)；
※※：p<0.01,compared with C(R)； ★★：p<0.01,compared with E 0h(W)
综合红白肌纤维糖元变化(见表4)，可以看到：(1)无论是红肌纤维还是白肌纤维，机械刺激恢复3小时后糖元含量恢复程度均比电刺激恢复3小时后糖元含量恢复程度高。作者认为这与消耗的过程密切相关。(2)运动即刻白肌纤维糖元含量在电刺激方法下要比机械刺激方法下下降明显，原因在前面已作了阐述。我们还能看到无论是在电刺激方法下，还是在机械刺激方法下，恢复3小时后红肌纤维糖元含量恢复程度均比白肌纤维糖元含量恢复程度高。体内研究证明[10]，运动促进骨胳肌葡萄糖吸收和代谢亦表现出组织差异性。James等(1985)采用正常血糖钳夹术测定葡萄糖代谢率，比较了在胰岛素最大刺激时不同肌肉摄取葡萄糖的能力，其结果表明红肌纤维吸收葡萄糖较白肌快。并在以后的研究中进一步得到了证实[20]。作者认为长时间中等运动量训练对不同肌肉葡萄糖吸收和代谢影响的组织差异性可能与运动中“募集”(recruit)到的肌纤维数量有关。现在一般认为运动中募集到的肌纤维主要是Ⅰ型和Ⅱa型肌纤维[21]。不少研究的结果表明[11]，两类型纤维胰岛素受体的结合力有明显的组织差异性。Bonen报道大白鼠整块比目鱼肌单位重量组织的胰岛素结合力是伸趾长肌(EDL)的3倍；在不同浓度胰岛素刺激下，比目鱼肌的胰岛素结合力都比EDL和跖肌为高(p<0.05)。此外，比目鱼肌的葡萄糖摄取量均高于EDL和跖肌，提示比目鱼肌(Ⅰ型纤维>80%)对胰岛素的敏感性和反应性都高于EDL和跖肌，后两者基本上是IIb型和IIa型纤维[22]。虽然慢肌纤维(红肌)的毛细血管密度高于快肌纤维(白肌)，但一般认为血流因素并不能完全解释慢肌纤维胰岛素敏感性和反应性为何高于快肌纤维，可能还有比血流更重要的因素[11]。James用特异性抗脂肪和骨胳肌的兔血清(R82)证明Ⅰ型肌纤维(慢肌纤维)的葡萄载体量比II型肌纤维(快肌纤维)高[23]。也有学者认为，Ⅰ型肌纤维肌膜上血浆葡萄糖载体比II型肌纤维上多[24]，特别是GLUT4浓度很高[23]，而且，两类肌纤维对胰岛素的敏感性不同[25]。因此，无论是在机械刺激还是电刺激下，都看到相同时间和条件下红肌纤维糖元含量的恢复快于白肌纤维。
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2.3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后肝糖元含量变化
表5 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后肝糖元含量变化
Table 5 Concentration of hepatic glycogen of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
G
例数
N
肝糖元mean±SD
conc. of hepatic glycogen
, 百拇医药
C
10
48.513±8.523
M 0h
10
7.550±1.227##
M 3h
10
12.000±1.209##※※
E 0h
10
4.513±0.617##※※
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E 3h
10
5.000±0.868##☆☆
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
☆☆：与M 3h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
☆☆：p<0.01,compared with 3h after fatigue treaded by electronic stimulation(E 3h)
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肝糖元是血糖的一个贮存库，需要时可释放入血。在血糖水平下降时，肝糖元分解成葡萄糖并将其释放入血以维持血糖水平的恒定[8]。肝糖元的耗竭与运动疲劳和力竭也有密切的相关关系[16，19]。Fits等让大鼠游泳7小时至力竭时，肝糖元几乎下降到零。运动时儿茶酚胺分泌升高，胰岛素分泌下降，导致肝糖元分解增加[19]，这种机制能保障运动中血糖浓度的相对稳定。在这里(见表5)，机械和电对疲劳运动即刻肝糖元含量变化的影响是不同的，后者作用大于前者。3小时恢复后，受机械刺激作用的大鼠肝糖元已开始恢复，但受电刺激作用的与运动即刻相比几乎没有太大的变化。结合前面体重的变化，我们考虑这主要与大鼠运动中的消耗程度有关。不同的刺激方法对动物产生不同的效果，造成大鼠体内不同的消耗程度，影响到运动后的恢复过程[7]。因此机械刺激和电刺激同样使大鼠运动达到疲劳标准，但对其肝糖元所产生的影响是不同的。关于3小时以后肝糖元的恢复情况，有待于今后的研究。
3 小结
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机械刺激方法下，大鼠运动至疲劳以及3小时恢复后血糖值均变化不大；疲劳运动后即刻肝糖元下降，运动后3小时开始恢复；且运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间有差异。而在电刺激作用下，疲劳运动即刻血糖值明显下降，恢复3小时后血糖浓度回升；疲劳运动后即刻肝糖元下降，且电刺激作用大于机械刺激作用，运动后3小时仍未开始恢复；运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间无差异。
以上结果提示，虽然机械刺激和电刺激能使大鼠达到相同的疲劳标准，但两种刺激所造成的疲劳对动物机体糖代谢的影响是有区别的，也说明疲劳的程度是不同的。
*国家自然科学基金重点资助课题(No.39430140)
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(1998.06.19收稿), http://www.100md.com
单位：肖明珠 郭庆芳 (国家体育总局体育科学研究所运动生理研究室(北京 100061))
关键词：疲劳；糖代谢；机械刺激；电刺激；大鼠
中国运动医学杂志980415 提要 本研究旨在探讨不同刺激方法对大鼠跑台运动疲劳前后及恢复期糖代谢变化的影响。选用雄性SD大鼠经递增强度训练后，在不同刺激方法(机械和电)作用下以33m/min的速度进行跑台运动，分别测定运动疲劳即刻及3小时后的血糖、肝糖元、骨骼肌红肌纤维糖元和白肌纤维糖元的含量。结果表明：(1)机械刺激方法下，大鼠运动至疲劳即刻以及3小时恢复后血糖均变化不大(p>0.05)；而电刺激作用下运动后即刻血糖明显下降(p<0.01)，恢复3小时后血糖浓度回升(p<0.01)。(2)大鼠运动疲劳后即刻肝糖元下降(p<0.01)，但电刺激作用大于机械刺激作用(p<0.01)。运动后3小时接受机械刺激的大鼠肝糖元开始恢复，而电刺激的则没有。(3)骨骼肌红肌纤维糖元的变化在两种刺激方法之间比较相似，但白肌纤维糖元的变化则不同，运动疲劳即刻电刺激作用下白肌纤维糖元下降比机械刺激作用下更明显(p<0.01)，3小时后恢复更慢(p<0.01)。(4)综合来看，机械刺激运动疲劳即刻，红、白肌纤维糖元含量之间有差异(p<0.01)，而电刺激运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间无差异(p>0.05)。以上结果提示，虽然机械刺激和电刺激都能使大鼠达到相同的疲劳标准，但两种刺激所造成的疲劳对动物机体糖代谢的影响是有区别的。
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The Effect of Different Type of Stimulation on the Glycogen Metabolism during Treadmill
Exercise Induced Fatigue and Recovery Period in Rats
Xiao Mingzhu, et al
National Research Institute of Sports and Science,Beijing 100061
In this study,male SD rats after 5 weeks of treadmill training with incremental load ran at the speed of 33m/min until fatigue and were treaded by different stimulation method (electronic and mechanical).The blood glucose,hepatic glycogen,glycogen concentration in red and white fibers of femoral quadriceps were investigated immediately after fatigue and at 3 hour after fatigue.The results showed:(1)Change in blood glucose level was not influenced by mechanical stimulation(P>0.05),whereas blood glucose level decreased significantly influenced by electronic stimulation immediately after fatigue(p<0.01),it returned to normal level at 3 hour after fatigue.(2)Comparing to pre-exercise,the level of hepatic glycogen immediately after fatigue decreased significantly(P<0.01). The fall of hepatic glycogen influenced by electronic stimulation was greater than that influenced by mechanical stimulation(p<0.01).At 3 hour after fatigue,the hepatic glycogen level of the group treaded by mechanical stimulation began to recover(p<0.01),while that of the group treaded by electronic stimulation unchanged(p>0.05).(3)The glycogen concentration in red fibers immediately after fatigue fell greatly(p<0.01).The effect of two different type of stimulation methods were similar(p>0.05).The glycogen concentration in white fibers immediately after fatigue also decreased greatly(p<0.01),but the effect of electronic stimulation was more significant than that of mechanical stimulation(p<0.01).(4)The degree of glycogen recovery in red fibers was higher than the degree in white fiber at 3 hour after fatigue.The degree of glycogen recovery influenced by mechanical stimulation was higher than that influenced by electronic stimulation at 3 hour after fatigue.
, 百拇医药
It was demonstrated that the effects of glycogen metabolism in fatigue exercise induced by electronic stimulation and mechanical stimulation were different,although the rats treaded by different stimulation methods met the same fatigue criterion.
Key word:fatigue,glycogen metabolism,mechanical stimulation,electronic stimulation,rat
肌肉疲劳的问题自100年前Mosso开始研究以来，一直是运动生理学、运动医学和运动心理学等诸多学科关注的热点。疲劳的消除及运动能力的恢复已经成为制约运动训练水平的重要因素。疲劳时肌肉工作能力的下降是个渐进过程。从定义上讲，肌肉力量开始下降的那一点应当就是疲劳的开始。但这一“点”的判断是较困难的。力竭是指肌肉或器官完全不能维持运动状态，是疲劳不断发展的最终阶段。Vollested(1988)[26]认为疲劳和力竭是两种不同的状态，疲劳的机能变化信息，特别是代谢过程的信息很少，更多的材料是在力竭的情况下获得的。而在实际运动训练中，运动员训练更多的是达到“疲劳”状态，而非“力竭”。我们知道，物质能量代谢是肌肉运动的基础和根本，而糖代谢又是物质能量代谢的重要部分。目前鲜有资料研究疲劳和力竭时糖代谢变化的不同[27，28]。
, 百拇医药
在动物实验中，疲劳的判断更为困难。人们很难判断大鼠跑速下降是因为偷懒还是真的疲劳，因此要用一定的方法强迫它以规定的强度运动。目前常用的方法有两种：机械刺激方法(包括声、光等)和电刺激方法[1]。但目前并未完全统一，有的研究用一种，有的都用，也有的未明确指出是否使用或使用何种刺激方法[2—4]。特别是学者们没有注意到不同的刺激方法所激发的动物不同的工作状态。那么在动物跑台运动中，使用不同的刺激方法是否会对动物机体内的糖代谢产生不同的影响?为此，我们的研究着重探讨不同的刺激方法(机械和电)同样条件下激发大鼠以相同的疲劳标准时，对大鼠机体糖代谢所产生的不同影响。
1 材料和方法
1.1 实验对象
雄性Sprague-Dawley大鼠，体重180～220g，由中国科学院动物研究所实验动物室提供。常规鼠类饲料喂养。每笼5只，自由饮水，每日光照时间为12小时。饲养环境温度为18℃～28℃，平均23℃。每周称体重1次。
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大鼠适应性喂养、筛选后开始训练。采用递增强度跑台运动，坡度为零。从训练第一周起，逐周递增速度，分别为15m/min，22m/min，27m/min，31m/min，35m/min，每天20分钟，每周训练5天。
训练用的跑台是经我们改造过的。通过反复预实验，在总结吸取他人经验的基础上，我们对实验跑台进行了适当的改造。其优点有：(1)避免后壁电极因大鼠脱毛，粪便及其他杂物而造成短路，使电刺激失效；(2)防止附有金属针的后壁电极刺伤大鼠臀部或腿部肌肉，影响跑动；(3)大鼠尾部毛少，对电刺激的敏感性较高。经过实践摸索，证明效果较好(陈英杰副研究员参与了此项工作)。
1.2 实验方法
1.2.1 经过5～6周的训练达到35m/min后，将50只大鼠随机分成5组，每组10只：对照组(C)，机械刺激疲劳即刻组(M 0h)、机械刺激疲劳3小时恢复组(M 3h)、电刺激疲劳即刻组(E 0h)、电刺激疲劳3小时恢复组(E 3h)。除对照组外，其余4组分别按不同刺激方式以33m/min的速度在跑台上进行运动，直至达到疲劳。机械刺激为用毛刷、木板等刺激大鼠尾部；电刺激为用我们改造后的电极刺激大鼠尾部。即刻组在运动后即刻处死，恢复组在运动后3小时处死。实验期间大鼠自由进食、饮水。
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1.2.2 疲劳判断标准：奔跑大鼠在接受刺激后仍跟不上预定速度(33m/min)，大鼠臀部压在跑台后壁，后肢随转动皮带后拖达30秒。
1.3 测试方法
1.3.1 样品采集和保存：达到标准的大鼠从跑台上取出，乙醚麻醉，腹主动脉取动脉血5～10ml,3500转20分钟离心取血清待测。同时取右侧股四头肌，分离红、白肌；取肝脏中叶边缘，迅速放入液氮冷冻，-88℃低温冰箱中保存待测。3小时恢复组照上述方法取材、保存待测。
1.3.2 血糖在UV-2201型紫外分光光度计(岛津公司)上进行测定。
1.3.3 肌糖元和肝糖元的测定用蒽酮比色法[5]。
1.4 数据统计学处理
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所有数据均在XT—486计算机上处理完成，结果以均值±标准差(mean±SD)表示，组间比较用Student-T检验。p<0.05为具有显著性差异，p<0.01为具有高度显著性差异。
2 结果与分析
2.1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后血糖浓度变化
运动时血糖值的高低取决于机体运动时循环系统中糖代谢的动态平衡，即动脉血糖的恒定依靠肌肉葡萄糖消耗和肝糖元分解释放葡萄糖入血而达到平衡。运动时血糖浓度保持相对恒定，随着运动强度的增加，血糖的产生与血糖的利用呈平行变化[12]。本实验中，大鼠在机械刺激作用下运动到疲劳状态时的血糖变化不大(表1)，说明机体在这种应激下运动过程中循环系统内糖代谢仍能保持动态平衡。运动时葡萄糖氧化速率加快，但血糖浓度仍能保持相对恒定，这可能与肝糖元释放入血及肝脏的糖异生作用有关[6]。
, 百拇医药
表1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后血糖浓度变化
Table 1 Concentration of blood glucose in rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(mmol/L) 组别
G
例数
N
血糖浓度mean±SD
conc.of blood glucose
C
10
, 百拇医药
7.554±1.240
M 0h
10
7.033±3.319
M 3h
10
8.781±1.361
E 0h
10
2.698±1.943##※※
E 3h
10
, http://www.100md.com 10.282±1.239##★★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
★★：与E 0h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★★：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
在电刺激的作用下，大鼠血糖值的变化则与机械刺激的作用不同。即刻组血糖平均值明显下降，3小时恢复后已有上升，经检验有高度显著性差异。Ahlborg等(1974，1982)指出，运动后期，动脉血糖浓度下降，并会使得糖利用率下降[13，14]。Hermansen L等(1967)报道在功率自行车上以平均77%VO2max的强度运动，开始血糖基本保持稳定，当运动至75分钟，血糖开始持续下降，运动至90分钟到完全力竭状态，血糖已下降30%左右[15]。作者认为引起血糖下降的原因是肌肉从血流中摄取葡萄糖量大于肝脏释放葡萄糖进入血流的量。肝糖元是血糖的一个贮存库，需要时可释放入血。在血糖水平下降时，肝糖元分解成葡萄糖并将其释放入血以维持血糖水平的恒定。当肝糖元贮存耗竭时，葡萄糖的产生会明显下降[7]，导致低血糖。血糖是包括大脑在内的中枢神经系统的主要能源[8]，若血糖水平很低，便会出现低血糖症，致使脑机能下降，大脑不能维持正常功能，出现虚弱和疲劳的表现，Anna Casey等(1995)进行单腿功率自行车实验至力竭，血糖浓度也明显下降[16]。结合本实验中肝糖元和肌糖元的变化情况(见下分析)，大鼠在电刺激作用下的血糖下降明显，说明机体在这种应激下运动到疲劳状态，循环系统中血糖已不能保持动态平衡。此时，由于需要维持一定的运动强度，肌肉摄取葡萄糖增加，葡萄糖氧化速率明显加快，肝糖元的消耗不断增加，血糖的产生不能满足机体各组织器官对血糖的需求，使得血糖浓度不能保持相对恒定，出现低血糖。运动后机体代谢需要明显下降，血糖的产生量大于血糖的需要量，3小时恢复后血糖浓度回升。同时从以前众多学者们的研究中不难发现，运动中出现血糖浓度明显下降时往往已是力竭，而非疲劳了[15，16]。
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综合以上机械刺激和电刺激的不同作用，可以看到，同样是达到疲劳状态，机械刺激作用下，血糖值无论是在即刻还是在3小时恢复后均保持在一定的范围内波动；但在电刺激作用下，血糖值在运动即刻明显下降，说明血糖正常代谢的平衡被打破，机体所处的状态与前者是不同的。两种刺激方法对大鼠血糖浓度产生了不同的作用。
2.2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复期肌糖元含量变化
2.2.1 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红肌纤维糖元含量变化
表2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红肌纤维糖元含量变化
Table 2 Glycogen concentration in red fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
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G
例数
N
红肌纤维糖元mean±SD
glycogen conc. of red fibers
C
10
1.901±0.305
M 0h
10
0.682±0.214##
M 3h
, http://www.100md.com
10
3.538±2.216※※
E 0h
10
0.548±0.110##
E 3h
10
2.285±1.675★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
★：与E 0h组比较，p<0.05
##：p<0.01,compared with control(C)
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※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★：p<0.05,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
我们看到(见表2)，虽然两个3小时恢复组之间无显著性差异，但是，机械刺激3小时恢复组红肌纤维糖元含量比对照组高约86.1%，而电刺激3小时恢复组的红肌纤维糖元含量则只比对照组高约20.4%。消耗过程越强，恢复过程也就越强，但是能量消耗过大，恢复反而缓慢[7]。很显然，相比较机械刺激方法，在电刺激方法下，大鼠运动时间更长，消耗更多，因此相对恢复期变长。机械刺激下，红肌纤维糖元超量恢复要比电刺激下红肌糖元超量恢复程度高。作者认为检验无差异是标准差太大的缘故。说明大鼠两种不同的刺激方法运动至疲劳状态时红肌纤维糖元含量变化是不同的。
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2.2.2 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后白肌纤维糖元含量变化
本实验中(见表3)，在机械刺激和电刺激作用下，大鼠股四头肌白肌纤维糖元含量的变化与红肌纤维糖元含量变化有相似之处。机械刺激即刻组和电刺激即刻组均与对照组相比明显下降，有高度显著性差异(p<0.01)。但不同的是：两个即刻组的白肌纤维糖元含量之间也有高度显著性差异(p<0.01)。即白肌纤维糖元在电刺激作用下比机械刺激作用下进一步下降。机械刺激3小时恢复组的白肌纤维糖元含量与对照组和机械刺激运动疲劳即刻组比较均无显著性差异(p>0.05)。电刺激3小时恢复组的白肌纤维糖元含量与电刺激运动疲劳即刻组和对照组均有高度显著性差异(p<0.01)。说明电刺激作用下，白肌纤维糖元含量3小时后尚未恢复到运动前的水平。
表3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后白肌纤维糖元含量变化
Table 3 Glycogen concentration in white fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
, 百拇医药
G
例数
N
白肌纤维糖元mean±SD
glycogen conc. of white fibers
C
10
2.834±0.85
M 0h
10
1.021±0.201##
M 3h
, 百拇医药
10
2.617±2.042※※
E 0h
10
0.580±0.089##※※
E 3h
10
1.507±0.681##★★
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，0.01
★★：与E 0h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
, 百拇医药
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
★★：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by electronic stimulation(E 0h)
比鲁教授认为[9]：疲劳是一个过程。在疲劳的最初阶段，肌肉收缩力的下降可能会为动作速度的增加而得到补偿，并能通过加快动作速度，使原来的跑速在一定时间内仍然不会下降。在接近运动末段慢肌纤维中糖元逐渐耗尽可能造成一些影响[8]，甚至于慢肌不得不动用脂肪作为能源，而有氧供能系统使用脂肪不如糖元那样迅速地产生ATP，因此造成步频下降。要想保持速度，需要动员一些快肌纤维生成足够的ATP。当动用精神力量尚不足以激活快肌纤维时，步频虽然得以维持，但实际上机体已处于心理上的高度紧张和疲劳状态。红肌纤维的募集是在中等强度或更轻度的活动中，当兴奋进一步增加或红肌疲劳时，白肌纤维的募集会明显增加[17，18]。这在Baldwin的实验中[19]主要体现在运动的最后阶段，血糖下降45%，红肌纤维糖元含量到运动30分钟后不再下降，而白肌纤维糖元含量则开始持续下降。本实验中，施以机械刺激已经达到疲劳的大鼠白肌纤维糖元含量比即刻组已有下降，在电刺激作用下，白肌糖元含量进一步下降，这时客观上同样的运动强度(33m/min)从主观上讲对大鼠已经不一样了。大鼠需要募集更多的白肌纤维来适应对它来说“更大”的运动强度。
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虽然两种不同的刺激方法下大鼠运动终结时表现可以相同，但其体内所达到的状态是不同的，对白肌纤维糖元含量在运动即刻也产生了不同的效应。
2.2.3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红、白肌纤维糖元含量变化的比较
表4 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后红、白肌纤维糖元含量变化的比较
Table 4 Comparison of glycogen level in red and white fibers of skeletal muscle of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
G
例数
, 百拇医药
N
肌糖元mean±SD
glycogen concentration
C(W)
10
2.834±0.85
C(R)
10
1.901±0.305##
M 0h(W)
10
1.021±0.201##
, 百拇医药
M 0h(R)
10
0.682±0.214※※★★
M 3h(W)
10
2.617±2.042
M 3h(R)
10
3.538±2.216
E 0h(W)
10
0.580±0.089##
, http://www.100md.com
E 0h(R)
10
0.548±0.110※※
E 3h(W)
10
1.507±0.681
E 3h(R)
10
2.285±1.675
(W):白肌纤维 (R)：红肌纤维 ##：与C(W)组比较，p<0.01
※※：与C(R)组比较，0.01 ★★：与M 0h(W)组比较，p<0.01
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(W)：white fiber; (R):red fiber; ##：p<0.01,compared with C(W)；
※※：p<0.01,compared with C(R)； ★★：p<0.01,compared with E 0h(W)
综合红白肌纤维糖元变化(见表4)，可以看到：(1)无论是红肌纤维还是白肌纤维，机械刺激恢复3小时后糖元含量恢复程度均比电刺激恢复3小时后糖元含量恢复程度高。作者认为这与消耗的过程密切相关。(2)运动即刻白肌纤维糖元含量在电刺激方法下要比机械刺激方法下下降明显，原因在前面已作了阐述。我们还能看到无论是在电刺激方法下，还是在机械刺激方法下，恢复3小时后红肌纤维糖元含量恢复程度均比白肌纤维糖元含量恢复程度高。体内研究证明[10]，运动促进骨胳肌葡萄糖吸收和代谢亦表现出组织差异性。James等(1985)采用正常血糖钳夹术测定葡萄糖代谢率，比较了在胰岛素最大刺激时不同肌肉摄取葡萄糖的能力，其结果表明红肌纤维吸收葡萄糖较白肌快。并在以后的研究中进一步得到了证实[20]。作者认为长时间中等运动量训练对不同肌肉葡萄糖吸收和代谢影响的组织差异性可能与运动中“募集”(recruit)到的肌纤维数量有关。现在一般认为运动中募集到的肌纤维主要是Ⅰ型和Ⅱa型肌纤维[21]。不少研究的结果表明[11]，两类型纤维胰岛素受体的结合力有明显的组织差异性。Bonen报道大白鼠整块比目鱼肌单位重量组织的胰岛素结合力是伸趾长肌(EDL)的3倍；在不同浓度胰岛素刺激下，比目鱼肌的胰岛素结合力都比EDL和跖肌为高(p<0.05)。此外，比目鱼肌的葡萄糖摄取量均高于EDL和跖肌，提示比目鱼肌(Ⅰ型纤维>80%)对胰岛素的敏感性和反应性都高于EDL和跖肌，后两者基本上是IIb型和IIa型纤维[22]。虽然慢肌纤维(红肌)的毛细血管密度高于快肌纤维(白肌)，但一般认为血流因素并不能完全解释慢肌纤维胰岛素敏感性和反应性为何高于快肌纤维，可能还有比血流更重要的因素[11]。James用特异性抗脂肪和骨胳肌的兔血清(R82)证明Ⅰ型肌纤维(慢肌纤维)的葡萄载体量比II型肌纤维(快肌纤维)高[23]。也有学者认为，Ⅰ型肌纤维肌膜上血浆葡萄糖载体比II型肌纤维上多[24]，特别是GLUT4浓度很高[23]，而且，两类肌纤维对胰岛素的敏感性不同[25]。因此，无论是在机械刺激还是电刺激下，都看到相同时间和条件下红肌纤维糖元含量的恢复快于白肌纤维。
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2.3 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后肝糖元含量变化
表5 不同刺激方法大鼠运动疲劳前后及恢复3小时后肝糖元含量变化
Table 5 Concentration of hepatic glycogen of rats immediately after fatigue and 3h treated by different stimulation(g/Kg W.W.) 组别
G
例数
N
肝糖元mean±SD
conc. of hepatic glycogen
, 百拇医药
C
10
48.513±8.523
M 0h
10
7.550±1.227##
M 3h
10
12.000±1.209##※※
E 0h
10
4.513±0.617##※※
, http://www.100md.com
E 3h
10
5.000±0.868##☆☆
##：与C组比较，p<0.01 ※※：与M 0h组比较，p<0.01
☆☆：与M 3h组比较，p<0.01
##：p<0.01,compared with control(C)
※※：p<0.01,compared with immediately after fatigue treaded by mechanical stimulation(M 0h)；
☆☆：p<0.01,compared with 3h after fatigue treaded by electronic stimulation(E 3h)
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肝糖元是血糖的一个贮存库，需要时可释放入血。在血糖水平下降时，肝糖元分解成葡萄糖并将其释放入血以维持血糖水平的恒定[8]。肝糖元的耗竭与运动疲劳和力竭也有密切的相关关系[16，19]。Fits等让大鼠游泳7小时至力竭时，肝糖元几乎下降到零。运动时儿茶酚胺分泌升高，胰岛素分泌下降，导致肝糖元分解增加[19]，这种机制能保障运动中血糖浓度的相对稳定。在这里(见表5)，机械和电对疲劳运动即刻肝糖元含量变化的影响是不同的，后者作用大于前者。3小时恢复后，受机械刺激作用的大鼠肝糖元已开始恢复，但受电刺激作用的与运动即刻相比几乎没有太大的变化。结合前面体重的变化，我们考虑这主要与大鼠运动中的消耗程度有关。不同的刺激方法对动物产生不同的效果，造成大鼠体内不同的消耗程度，影响到运动后的恢复过程[7]。因此机械刺激和电刺激同样使大鼠运动达到疲劳标准，但对其肝糖元所产生的影响是不同的。关于3小时以后肝糖元的恢复情况，有待于今后的研究。
3 小结
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机械刺激方法下，大鼠运动至疲劳以及3小时恢复后血糖值均变化不大；疲劳运动后即刻肝糖元下降，运动后3小时开始恢复；且运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间有差异。而在电刺激作用下，疲劳运动即刻血糖值明显下降，恢复3小时后血糖浓度回升；疲劳运动后即刻肝糖元下降，且电刺激作用大于机械刺激作用，运动后3小时仍未开始恢复；运动疲劳即刻红、白肌纤维糖元含量之间无差异。
以上结果提示，虽然机械刺激和电刺激能使大鼠达到相同的疲劳标准，但两种刺激所造成的疲劳对动物机体糖代谢的影响是有区别的，也说明疲劳的程度是不同的。
*国家自然科学基金重点资助课题(No.39430140)
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(1998.06.19收稿), http://www.100md.com