五羟色胺能系统与运动控制

葛星

摘 要：中枢神经系统中的五羟色胺（5-HT）能系统参与了脊椎动物多种生理活动的调节。行进运动是脊椎动物基本的运动形式，5-HT在中枢神经系统中的含量占比虽然不高，但是作用重大。研究发现5-HT能够引发行进运动，5-HT神经元是中枢神经系统内产生、储存、释放5-HT的一类神经元。投射至脊髓并调节行进运动的5-HT神经元位于延髓和延髓脑桥交界处的低位脑干。直接刺激相关位置的5-HT神经元能够引发行进运动，5-HT不仅能作用于控制行进运动的中枢模式发生器，也能直接作用于运动神经元，同时与运动疲劳也有重要关系。

关键词：五羟色胺 行进运动 运动疲劳

中图分类号：G806 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）05（a）-0012-02

行进运动是脊椎动物运动的基本形式，它的特点是左右肢（或躯体）交替，具有周期性，并且产生位移，例如：人的行走、马的奔跑、鸟的飞翔等。这种形式的运动关乎摄食、逃逸、迁徙等与动物生死存亡有关的行为，因此，对动物具有重要意义。行进运动受到神经中枢的控制，而控制行进运动的神经中枢又受到多种神经递质调节。之前的研究表明，5-HT系统对行进运动有关键作用。本文综述了前人相关研究，介绍了5-HT和5-HT神经元、5-HT对运动的调控以及5-HT与运动疲劳，以期以此为相关研究发展尽绵薄之力。

1 五羟色胺与五羟色胺神经元

1.1 五羟色胺简介

五羟色胺（5-HT）在化學上属于吲哚胺类化合物，它最早从肠嗜铬细胞中提取，能使肠道收缩。血清中也存在5-HT，并且它能够使血管收缩。5-HT在神经中枢中的含量很少，不到人体5-HT总量的5%。但是这少量的5-HT却是真正受到大量关注和研究的部分。中枢神经系统中的5-HT具有多种生理功能，它与疼痛、焦虑、抑郁、攻击行为、学习记忆、摄食、体温调节、性行为和睡眠等都有重要关系[1]。除此之外，5-HT对运动也起到了极其重要的作用。

1.2 5-HT神经元

5-HT神经元是中枢神经系统内产生、储存、释放5-HT的一类神经元。这种神经元在中枢神经中所占的比例不高，但是十分重要，而且投射也十分广泛。20世纪60年代，瑞典科学家用醛诱发荧光法把5-HT神经元聚集的9个核团命名为B1、B2···B9，并且还研究了这些神经元轴突的投射[2]。这些核团主要位于低位脑干。这9个核团中的3个向下投射至脊髓，即位于延髓的B1（中缝苍白核）、B2核团（中缝隐核），和位于延髓和脑桥交界处的B3（中缝大核）核团。通过免疫组化的方法发现，这些5-HT能神经元同时投射到位于脊髓腹角（ventral horn）的中间神经元和脊髓运动神经元[3]。研究表明，刺激脑干下行5-HT神经元能够引发行进运动[4]。

2 5-HT与运动

2.1 5-HT对中枢模式发生器的调节作用

行进运动是脊椎动物运动的一种重要形式，它的特点是具有周期性，左右肢（或躯体）交替，并且产生位移。例如，鱼的游泳、龟的爬行、鸟的飞翔、马的奔跑和人的行走等。中枢模式发生器（Central Pattern Generator，CPG）是位于脊髓的控制行进运动的神经网络。被剥离脊髓（isolated spinal cord）是研究CPG的重要实验材料。学者们通过手术，将脊椎动物的脊骨去除，得到完全暴露的脊髓（被剥离脊髓），将其泡在特殊配制的溶液中，保证它的活性。这样，包括神经递质，受体阻断剂等物质就可以直接加入到溶液中作用于脊髓，便于研究人员进行相关研究。从20世纪80年代开始，多位学者利用这种实验材料进行了神经递质与行进运动的研究。他们发现，虽然多种神经递质施加于被剥离脊髓都能引发行进运动，但是只有5-HT、多巴胺，或者联合施用5-HT和NMDA所引发的节律性的交替信号，与健康成年动物行走和游泳时出现的左右肢交替，伸肌与屈肌协同的电信号最为相像[5]。5-HT是引发行进运动，至少是在被剥离脊髓实验材料中，引发行进运动最为可靠的手段。这表明5-HT作用于控制行进运动的CPG。

2.2 5-HT对运动神经元的调节

5-HT对运动神经元具有调节作用。运动神经元是脊髓中一类特殊的神经元，这类神经元接受CPG的调节，并且轴突伸向肌肉。运动神经元兴奋的时候，在轴突末梢与肌纤维相接处——神经肌肉接头，释放乙酰胆碱引发肌肉收缩，而5-HT对运动神经元有直接的调控作用。在较早的研究中发现，5-HT或者5-HT前体（precursor）能引起运动神经元的兴奋[6]。最近有关人体的实验证明，增加中枢神经系统5-HT的浓度，能够增强单突触脊髓反射（monosynaptic spinal reflex）的幅度，从而导致活动力度的增加[7]，这也表明5-HT增强了运动神经元的兴奋性。在用切片进行的实验中发现，5-HT能够使运动神经元膜电位升高，并且增大运动神经元的输入电阻。而这种增加运动神经元兴奋性的效果是通过抑制了漏电流（leak K+ channels），以及由钙激活的钾电流所介导的动作电位后超极化实现的。

3 五羟色胺与运动疲劳

引发运动疲劳的机制通常被认为有两种：一种是中枢性疲劳；另一种是外周疲劳。中枢疲劳主要指中枢神经生理生化的变化引发的机体疲劳感。有学者研究了5-HT引起的中枢性疲劳的可能机制。瞬时刺激下行5-HT神经元能够触发运动神经元放电，而持续的刺激反而抑制了运动神经元的放电。这种兴奋性的作用，是通过位于运动神经元树突上的5-HT2和5-HT7受体介导的。抑制性作用是通过位于轴突轴丘上的5-HT1受体介导的，于是很可能的一种情况是，适度运动引发的5-TH释放仅仅激活了5-HT2和5-HT7受体，对运动神经元产生兴奋性的作用。而在大强度运动中，过多释放的5-HT将会从突触间隙溢出，从而激活5-HT1受体，对运动神经元产生抑制性的作用[8]。利用5-HT选择性再吸收抑制剂（serotonin selective-reuptake inhibitors，SSRIs）进行的相关研究也得到了相似的结果和结论。在高强度运动中，运动神经元所受到外界的神经输入，能使运动神经元产生较少的放电，相应地，引起肌肉收缩程度的降低。因为这种中枢性疲劳在大强度运动中产生，所以，它的一个重要作用可能就是避免肌肉收缩过大过强而引发肌肉的损伤[9]。

4 結语

相关研究已经证明，5-HT对于行进运动具有重要的作用。5-HT不仅作用于CPG，同时也能直接作用于运动神经元，刺激5-HT神经元能引发行进运动。高强度运动时，机体产生的中枢性运动疲劳很可能与5-HT的释放量以及相关抑制性受体的激活有关。以上说明，5-HT能系统对运动具有多重调节作用。未来的相关研究可以运用包括转基因和光遗传在内的新技术手段，在行为学层面考察5-HT和5-HT神经元对行进运动的直接作用。

参考文献

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