研究目的:基底神经节是大脑皮层下一群相互联系的神经核团,参与调控肌张力和运动发启。有研究表明,皮层-基底神经节环路不同形式的振荡电活动与运动功能状态密切相关,它是大脑编码运动信息的基础。根据生理特征,脑电振荡活动主要可分为theta(θ,3-8 Hz),alpha(α,8-12 Hz),beta(β,12-30 Hz)和gamma(γ,30-100 Hz)不同频段振荡电活动。以往无向相干性分析仅可得知不同脑区之间是否存在功能联系,而最近兴起的有向格兰杰因果分析使判断不同脑区之间的信息是如何传递成为可能。目前对运动疲劳发生过程中皮层-基底神经节多个核团不同频段振荡电活动的动态变化特征以及三条通路又是如何编码运动信息调控运动疲劳仍然知之甚少,且异常振荡产生源头未清晰。本研究在实验室前期的研究基础上,探究跑台运动过程中皮层-基底神经节环路三条通路5个核团不同频段的振荡电活动调控大鼠运动疲劳(exercisefatigue,EF)产生的中枢机制,以及探究其异常振荡电活动的源头,旨在为探寻运动疲劳恢复的中枢靶点提供理论依据。研究方法:实验选用8周龄健康雄性Wistar大鼠(n=10,260-340g)为研究对象,大鼠一次性运动疲劳模型采用本实验室根据Bedford方法改建的递增负荷跑台方案。疲劳判定标准:大鼠不能维持预定跑速,长时间滞留于跑道末端,采用光、电、声刺激驱赶仍不能驱使其加速跑动。前期实验已对模型大鼠外周血液血乳酸等指标已经进行了测试确认,本实验还通过大鼠四肢最大抓力和大鼠垂直抓杆时间进一步确认。使用美国Cerebus在体多通道神经信号记录系统同步记录大鼠一次性运动疲劳发生过程初级运动皮层(M1)、纹状体(Str)、苍白球外侧部(GPe)、丘脑底核(STN)和黑质网状部(SNr)5个部位LFBs电活动变化。使用Matlab软件工具包Chronux对安静期(运动前15min),自主运动期(运动开始后15min,此阶段大鼠精力较旺盛),运动疲劳期(运动开始后115分钟,电、声刺激驱赶不再能大鼠加速跑动)和疲劳恢复初期(疲劳后停止运动后15min)LFPs信号进行功率谱密度、相干性和格兰杰因果分析,分析之前对数据进行筛选,根据组织切片染色结果,剔除电极尖端不在目标脑区所属范围的大鼠。分析选取每个时期120秒无明显噪音和伪迹的时间段进行计算。所有数据的统计学分析均采用SPSS20.0统计软件包进行统计分析,结果以均值±标准差(Mean±SD)表示,我们使用单侧配对Wilcoxon符号秩检验,P<0.05为差异有统计学意义。研究结果:(1)功率谱密度分析结果显示:运动疲劳产生后α(8-12Hz)和β(12-30Hz)振荡在皮层-基底神经节环路广泛存在异常增加。与自主运动期相比,运动疲劳期β振荡功率谱密度均显著増高(P<0.05);与安静期相比,疲劳恢复初期α振荡均显著増高(P<0.05),而其他频段均没有显著变化(P>0.05)。(2)相干性分析结果显示:运动疲劳产生间接通路(Str-GPe-STN-SNr)功能连接性异常増高。与自主运动期相比,间接通路相邻核团之间α和β振荡显著增高(P<0.05),其中STN和GPe范围最广,与其他4个部位都相干;与安静期相比,疲劳恢复初期间接通路两两核团之间只是α振荡功能连接性都显著増高(P<0.05)。(3)格兰杰因果分析显示:运动疲劳异常β振荡增高,源于STN和GPe通过间接通路在整个皮层-基底神经节环路的传递,与自主运动相比,以STN和GPe为起始方向传递路径β频段格兰杰因果系数均显著升高(P<0.05);与安静期相比,疲劳恢复初期只是GPe→STN、GPe→Str、STN→Str、STN→GPe和GPe→SNr向上β振荡段格兰杰因果系数显著升高(P<0.05)。而其他方向则没有显著差异(P>0.05)。研究结论:运动疲劳时皮层-基底神经节广泛出现α和β频段振荡电活动增强抑制了运动的执行,其可能的中枢机制是通过增加皮层-基底神经节间接通路的功能连接性传递α和β振荡,STN-GPe环路可能是α和β振荡产生的源头,进一步确认可以通过药物抑制STN-GPe环路α和β振荡异常增加,来观察是否可以延长大鼠运动疲劳的发生。