摘要：目的：观察运动疲劳前后，随意运动执行阶段脑区激活情况，探讨运动疲劳中枢调控的机制。方法：采用全脑功能磁共振成像（fMRI）技术，在7名健康男性大学生一次性功率自行车力竭运动前后，进行手握拳运动阶段大脑功能活动的扫描。数据经过头动校正、空间标准化、高斯平滑等预处理后，通过相关分析获得随意运动阶段脑激活图，采用SPM软件对参与随意运动的脑区进行解剖定位，并对运动疲劳前后参与调控的脑区进行配对样本￡检验组间分析，寻找激活程度发生变化的脑区。结果：运动疲劳前后非利手执行握拳随意运动时大脑激活位点分别包括对侧初级感觉运动区、双侧运动前区、辅助运动区、小脑、丘脑、岛叶、纹状体及苍白球等，激活位点没有显著差别。但运动疲劳前激活程度显著高于运动疲劳后的脑区包括同侧基底神经节的丘脑和纹状体。对手执行握拳随意运动时大脑激活位点及激活量没有显著差异。结论：运动疲劳对参与随意运动控制的脑区位点没有显著的影响，但是同侧基底神经节的纹状体和丘脑参与调控的激活程度发生显著变化。
关键词：随意运动；磁共振成像；运动疲劳；脑区激活
中图分类号：G804.5 文献标识码：A 文章编号：1007-3612（2012）03-0071-04
运动疲劳的中枢机制是近几年来运动生理学界研究的热点问题之一。前期研究显示参与人体随意运动控制的网络主要包括大脑皮层对侧初级运动区（primary motor areas，M1）（中央前回和中央旁小叶的前部，Brodamman 4区）、双侧辅助运动区（supplemen-tarymotorarea，SMA）（大脑皮质内侧面和背外侧面上部，Brodamman 6区）、属于5、7、23、24区的顶叶及部分扣带回运动区；以及双侧小脑、双侧基底神经节纹状体、苍白球和丘脑等。Kernell等研究表明运动疲劳状态下如要保持原有力量进行收缩，支配目标肌群的运动神经元池发放的冲动增强，同时运动早位放电频率增加，且肌电活动增强。Townsend等通过猕猴实验证实部分脑区（初级运动区和小脑）神经元的电活动与肌电活动成线性相关。那么运动疲劳状态下，参与人体随意运动控制的脑区是发放更多的神经冲动以维持运动？还是为了能量节省化减少激活脑区从而更精准的参与运动调控呢？本实验旨在观察一次性力竭功率自行车运动疲劳前后，随意运动执行阶段脑区激活情况，探讨运动疲劳产生的中枢机制及随意运动控制的机理。
1、材料与方法
1.1 实验对象 男性健康志愿者7名，年龄20～25岁，身高173.67～182.21 cm，均为右利手，体内无金属植入物或置人物，无脑部肿瘤或其他颅脑疾病，既往无心、肺、肝、肾等重要脏器疾病史，能够领会并配合完成实验过程中的各项指令。受试者阅读并签署“实验知情同意书”，详细告知实验目的和方法。
1.2 运动方式 采用逐级递增负荷方案进行一次性功率自行车运动（MONARK 834）。受试者先静坐10min，然后进行运动，负荷范围0～200 W。递增负荷方案为：0 w运动5 min，50 W运动5 min，100 W运动8min，150 W运动8 min，200 w运动直至力竭，每级负荷踏车节律为50转/min。力竭标准：受试者感到呼吸困难，不能维持运动节律，心率达最大心率的90%以上。
1.3 实验方法
1.3.1 功能磁共振扫描任务设计 任务采用Block组块设计，左手和右手握拳运动组快交替进行，运动频率为1 Hz。序列中包含10个20 s任务，之间为20 s休息，每个任务组块中包含10次握拳运动（图1）。实验刺激采用E-prime软件呈现，经磁共振投射系统到头线圈上方平面镜，再到被试视野中央（图2）。受试者分别在疲镣运动前后各完成一次扫描任务。
1.3.2 扫描参数 采用Siemens MAGNETOM Trio3.0T超导磁共振成像系统（北京师范大学脑成像中心），标准正交头颅线圈进行图像采集。采用梯度回波平面成像序列，扫描参数为：TR 2 000 n1S，TE 30ms，翻转角90°，层厚3.6mm，层间距0.72 mm，层数33，距阵64×64，视野218×218 mm2。三维结构像扫描：采用TI-MPRAGE进行三维全脑扫描，层数=176，层厚1.0 mm，TRl900ms，TE3.44 ms，翻转角9°，视野256×256mm2。扫描过程要求受试者保持头部不动。
1.4 数据统计 采用SPM5（http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/sgm/）软件对fMRI实验数据进行预处理和统计分析。首先进行三维图像重建，对功能像进行空间和时间校正。为排除机器初始启动匀场及被试状态不稳定等效应的影响，去除每个功能像第一个Block扫描数据。以8mm半高宽对图像进行高斯平滑处理。
2、实验结果
2.1 运动疲劳前后随意运动执行阶段大脑激活模式
前期研究显示参与非利手运动控制的脑区范围及激活程度均高于利手运动，本实验结果中利手疲劳运动前后随意运动执行阶段大脑激活位点及激活强度均未发生显著差异，故以非利手结果为例进行分析讨论。图3AB及表1分别显示了运动疲劳前后非利手执行握拳运动时大脑激活情况，激活位点分别包括对侧初级感觉运动区、双侧运动前区、辅助运动区、小脑、丘脑、岛叶、纹状体及苍白球等。
2.2 运动疲劳后激活显著减弱的脑区 对运动疲劳前和运动疲劳后的数据进行配对样本t检验组间分析，得到疲劳前比疲劳后激活程度高的位置报表，表2显示位置为同侧丘脑和纹状体。
3、分析讨论
本实验研究发现运动疲劳前后参与非利手随意运动控制的脑区激活位点没有显著差别，但丘脑和纹状体在运动疲劳后激活程度显著减弱即基底神经节的脑区激活程度在运动疲劳状态下发生改变。研究显示经过基底神经节的运动调节网络分为直接回路和间接回路。如下图所示，直接回路包括大脑皮层一纹状体（striatum，Str）→苍白球内侧部（in-ternal globus pallidus，GPi）或黑质网状部（substantianigra pars reticulata，SNr）→丘脑（thalamic，Th）→大脑皮层；问路回路包括大脑皮层→Str→苍白球外侧部（extemal globus pallidus，GPe）→丘脑底核（subthalamic nucleus，STN）→GPi→Th→大脑皮层。间接回路与直接回路平行进入丘脑腹外侧，再至大脑皮层（回路的终点），大脑皮层的运动区最终将经过整合后的信号发放到脑干和脊髓，执行最终的运动活动。直接回路内含4个神经元，形成3级突触，它们的神经递质为谷氨酸（glutamate，Glu）和γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，GABA）。已知前者为兴奋性神经递质，后者为抑制性神经递质。基底神经节直接回路中有GABA-GABA两个抑制性神经元相连，激活直接回路后，对丘脑神经元去抑制，最终对运动起兴奋作用。皮层的Glu神经元兴奋后，增强纹状体中第一个GABA神经元释放递质，却抑制了位于GPi中的第二个GABA神经元释放的递质，接着使丘脑去抑制，Glu释放增加，兴奋大脑皮层的运动活动。在间接回路内含有6个神经元（形成5级突触）亦由Glu和GABA两种神经递质传递信息，也有相连的GABA-GABA两个抑制性神经元。因此，它们有相似的作用，使STN的Glu神经元去抑制，GPi兴奋性明显增强，增加GPi的GABA神经元释放，随之抑制丘脑Glu神经元活动，最终对运动起抑制作用。本实验观察到运动疲劳状态纹状体和丘脑的激活减弱，说明神经元活动降低，推测纹状体和丘脑神经递质释放减少。如果纹状体神经元GABA含量减少，不论参与直接通路还是间接通路对皮层运动神经元都起到抑制的作用。 Benwell等研究观察到，运动疲劳后与高级运动任务控制相关的脑区（前额叶及辅助运动区）’激活程度降低；Hiske等实验观察到疲劳收缩比简单强强直收缩过程中全脑整体激活水平降低，尤其在丘脑和右侧小脑表现明显，这与本实验观察到纹状体和丘脑的激活降低一致，纹状体是近年来研究发现与高级运动任务控制及认知任务高度相关的脑区。纹状体在运动控制中的作用探讨主要来源于几种常见的运动功能退行性神经疾病，如帕金森（Parkinsondisease，PD）、亨廷顿舞蹈病（Huntington disease，HD）和抽动秽语综合征（Tourette syndrome，TS）等，这些病症的患者均出现运动功能失常和纹状体结构异常。实验证明纹状体不仅与动作发起有关，也与动作执行中的抑制相关，这说明纹状体神经元对运动程序的执行既有触发作用又有抑制效应。Matthijs等对纹状体在机体运动功能执行中的兴奋抑制作用进行了相关的fMRI研究。实验中，受试者接受一系列程序性刺激要求机体产生某些动作，但受试者必须抑制自身对这些刺激作出的本能运动反应，即不作相应的动作。抑制运动刺激的情况下纹状体神经元表现的激活更强烈，且纹状体激活水平低时，受试者对运动刺激的抑制出错率较高，这就说明纹状体在运动控制的抑制中起着重要的调节作用，能够阻止程序性运动反应。
Sardo等研究发现纹状体不仅仅是对运动功能起到抑制和执行的作用。当重复给予一种类型的外界刺激时，部分纹状体神经元放电形式发生改变，中间神经元在动作执行前就表现出放电频率的改变，表明纹状体可能在已经获得并储存信息的基础上，在动作的准备过程中发挥作用。Juepmer等研究发现纹状体喙侧部在随意运动操作中被激活，而当运动行为是针对一定任务完成时则不被激活。事实上对动作的注意程度可以影响基底神经节神经元的电活动，因为这些神经结构有损的病人在临床上表现出注意能力的缺失。纹状体神经元受到刺激后产生的这些反应，可能是由纹状体中的紧张性活动神经元（tonically active neurons，TANs）调控的。这类TANs是胆碱能中间神经元，主要调节纹状体中等有棘投射神经元活动，TANs能够使中等有棘神经元超极化，阻止动作的及时发起，这个现象可以解释纹状体神经元对抑制行为的响应。由于纹状体组成复杂，目前fMRI研究还不能区分纹状体中具体的激活神经元部位，随着检测技术的发展，使用精度更高的线圈将有利于纹状体激活脑区的确定，以判断运动疲劳后随意运动控制中纹状体起抑制效应的区域。
4、小结
本研究采用全脑功能磁共振成像技术，在健康男性大学生一次性功率自行车力竭运动前后，进行了握拳随意运动大脑活动的扫描。观察到运动疲劳前后随意运动执行阶段大脑激活位点分别包括对侧初级感觉运动区、双侧运动前区、辅助运动区、小脑、丘脑、岛叶、纹状体及苍白球等，运动疲劳对激活位点没有显著差别，但是基底神经节的纹状体和丘脑参与运动调控的激活程度发生显著变化。