间歇性低氧训练\疲劳和恢复对H反射参数影响初探

摘要:目的:研究间歇性低氧训练(IHT),以及训练结束后的运动性疲劳与恢复过程对H反射各参数的影响。方法:用自制低氧混合气体,对8名短跑运动员进行每日10~11%O2的循环低氧刺激,持续两周,在IHT前后以及IHT之后的疲劳与恢复过程进行H反射各参数测试。结果:两周IHT训练前后M波振幅增加,H波潜伏期升高,差异具有显著性;疲劳后即刻H波振幅下降,恢复期前三分钟H波振幅显著降低,随后逐渐恢复,在恢复期第15分钟,H波振幅显著升高。结论:H反射是敏感的反映低氧训练以及疲劳对短跑运动员神经系统的影响指标,并提示H反射低氧训练的改变以及运动性疲劳前后以及恢复期的变化与两周低氧训练引起的H反射通路脊髓水平的适应性有关。

关键词:运动性疲劳;间歇性低氧训练;H反射

中图分类号:G804.5文献标识码:A文章编号:1004-4590(2010)03-0088-04

Abstract:Objective: Study the effects of intermittent hypoxic training(IHT), muscle fatigue and its recovery process on the H-reflex. Methods: We made Two weeks of IHT Training on eight sprint athletes by inspiring 10~11%O2 self-made hypoxic gas mixture The parameters of H-reflex were recorded pre and post IHT and also during the recovery process of muscle fatigue. Result: Amplitude of M wave increased but the latency of H wave increased pre and post IHT training significantly. There was noticeable decrease during the first three minutes of recovery process and it recovered gradually after this. But it increased significantly at the fifteenth minutes during the recovery process. Conclusion: H-reflex is a sensitive index to the effects of sports fatigue and intermittent hypoxic training on the nervous system of sprint athletes. There might be some changes of H reflex due to the adaptability of the H reflex pathway in spinal cord.

Key words: sports fatigue; intermittent hypoxic training; H-reflex

间歇性低氧训练是近年来运动训练的研究热点。国内外大量研究都已经证实低氧训练能够促进内源性EPO的合成,促进肌肉蛋白质代谢以及骨骼肌抗氧化能力,提高常氧下运动员心肺功能。但是,有关间歇性低氧训练对神经系统的影响,尤其是对神经肌肉疲劳调控的影响国内外鲜有报道。本文利用H反射这一经典的神经生物学探针作为评价指标,来研究短跑运动员在间歇性低氧干预前后以及低氧干预后运动性疲劳与恢复过程中神经肌肉调控。

1 研究对象与材料

1.1 研究对象与分组

南京师范大学校田径队短跑运动员8名(5男3女,年龄21.26±1.67岁,体重61.61±6.04 Kg,国家一级2名,二级6名,训练年限为3年),所有运动员经体格检查身体健康、无神经肌肉疾患,属于世居平原的人群,既往无高原以及低氧环境接触史。所有研究对象分为一组,根据实验进程分别产生可以自身对照的低氧前组,低氧后疲劳前组,疲劳后各时程组。各组各时程的H反射数据用于研究不同低氧训练与疲劳时程H反射的各参数变化研究。

1.2 实验材料与仪器

实验材料:自制低氧混合气体:医用氧气以及纯氮气,利用氧气与氮气流量表与流量阀,按照气体流速比例,高速混匀后,配制氧含量为15%,13%,11%,10%的低氧混合气体,并在体积为1m3的密封聚丙烯气袋中缓冲压力为常压。混合气体含氧量由MAXII心肺功能仪连续采样监测,并利用氧气面罩给受试者供气。

实验仪器:BIOPAC MP100C多导生理信号记录系统,JBL电子刺激器(改造电流强度为最大10mA,电压150V),MAXII心肺功能仪,Monark894E功率自行车,氧、氮气流量计,流量阀(上海阀门总厂),氧气面罩以及各种导气管与阀门。

2 实验方法

2.1 低氧训练及预应激

采用间歇性低氧刺激并且辅以常规训练的“高住低练”的模式,间歇性低氧方案参照Tadibi VD[1]等人的研究,为期两周,每周休息一日。实验期间,受试者下午接受常规短跑专项训练,第一周每晚接受氧浓度为11%的间歇性低氧混合气体的吸入,每次5min低氧吸入,5min常氧休息,每次六个循环,第二周为10%其余同第一周。混合气体吸入过程中动态监测血氧饱和度以保证低氧训练效果以及安全。在正式低氧训练前两天做低氧预应激,第一日吸入氧含量15%,第二日吸入氧含量13%的低氧混合气体,其余处理同正式训练模式。 2.2 H反射诱导

在接受低氧预应激前,所有受试者做胫神经刺激诱发小腿腓肠肌内侧头H反射的诱导实验,选择M波振幅为最大M波振幅的10%时的刺激强度作为诱导H反射的刺激参数[2]。该电刺激强度作为整个实验中的标准电刺激诱导参数,记录每个受试者个体化原始电刺激参数,在以后的实验中沿用。每个H反射间隔5秒诱发,每个时程诱发三次,取均值。在两周低氧训练结束后的第二日,再一次完成H反射的诱导,方法同前,使用个体化的电刺激诱导参数。

2.3 疲劳干预

最后一次低氧训练结束后,休息半日。第二日,完成H反射诱导后,受试者在Monark 894E无氧功率自行车上进行30s标准无氧功率测试的运动实验,诱发运动性疲劳。结束后立即使用个体化的电刺激H反射诱导参数,监测1min,2min,3min,4min,5min,7min,10min,15min各时程H反射的各项参数。

2.4 评价指标以及数据处理

评价指标:首次11%O2低氧过程中,第一天的血氧饱和度(SaO2)低氧前均值Spro与首次11%O2低氧中血氧饱和度最小值的均值Smin;低氧前后,低氧后疲劳前,疲劳后各时程受试者小腿腓肠肌内侧头M波潜伏期(MT),M波振幅(MA),H波潜伏期(HT),H波振幅(HA)。

数据处理:全部数据用均数±标准差(X±SD)表示,使用SPSS 10.0统计分析软件。所有数据进行单样本K-S检验正态性,其中符合正态分布的数据,对低氧前后,疲劳前后各时程组数据做配对t检验。统计学显著性水平为P

3 实验结果

3.1 数据正态性分析

对所有受试对象低氧前后,疲劳实验前后H反射各参数据处理:全部原始数据进行单样本K-S检验,检验显著性水平为0.05(双侧),结果显示所有各组、各时程的数据分布都具有正态性。因此,低氧前后以及疲劳前后各时程H反射数据适宜进行参数检验的统计分析方法。

3.2 低氧对短跑运动员血氧饱和度的影响

表1结果显示:11%O2低氧混合气体,显著地降低了低氧训练过程中短跑运动员的血氧饱和度。

3.3 两周间歇性低氧训练对短跑运动员H反射各参数的影响

表2结果显示:短跑运动员在接受两周间歇性低氧训练后,M波振幅显著增加,H波潜伏期显著增加。

3.4 30s标准无氧运动性(Wingate试验)疲劳对H反射恢复时程的影响

表3显示:短跑运动员在接受两周间歇性低氧训练后,进行30s标准无氧运动性疲劳试验前、后H波振幅变化:恢复期前1min,2min,3min振幅显著降低,从第4min开始恢复,直至恢复期第15min,H波振幅显著增加。

4 讨 论

4.1 wingate实验作为特定运动性疲劳干预手段的可行性

Wingate试验是经典的无氧能力测试实验。国内外学者对这一运动模式的过程进行了广泛、细致的研究。其中谢克刚等人[3]研究发现:所有受试者最大无氧功率出现时间在3~6秒之间,随后50%的受试者立即出现功率下降的现象,其余的受试者维持1~3秒后出现功率下降。在整个wingate试验阶段,所有受试者都出现疲劳,但是,各个受试者在疲劳阶段所经历的时间有所不同,从3~9秒都有受试者运动性疲劳的渐次发生。Greer F等人[4]在对Wingate试验过程中表面肌电图肌电频率的研究发现:在wingate实验过程中,股外侧肌与腓肠肌的平均肌电频率以及中值肌电频率都显著地降低到类似的程度。上述研究表明,在wingate试验中腓肠肌、股外侧肌等确实发生了运动性疲劳,其主要差别就是运动结束后,疲劳的程度差异。

在本研究中,wingete试验仅仅是用来制造疲劳,并且在预试验中发现受试者的疲劳指数相近,因此,各受试者初始的疲劳程度也比较接近,有利于进一步研究间歇性低氧对运动性疲劳及恢复的影响。同时,该应用为后续运动性疲劳研究中某些生理参数的获取提供了一个很好的实验平台。同时,本研究中,短跑运动员的适宜刺激也是无氧刺激,因此,选择wingete实验作为本研究的实验手段应该是可行的。

4.2 间歇性低氧的训练方式以及低氧刺激对H反射的影响

间歇性低氧训练是指不连续的使用常压低氧或低压低氧,试图复制高原习服的一些主要特征,最终目的是为了改善海平面运动员的运动能力。Levine BD指出[5]:间歇性低氧分为两种策略:1.在静息的时候提供低氧,首要目的是刺激高原习服。2.在运动训练的时候提供低氧,首要目的是增强训练刺激。在本试验中,我们应用第一种策略,使用Tadibi VD[1]等人的低氧方案,模拟高海拔(10-11%,相当于海拔4500m以上[6])的低氧刺激,来研究以无氧供能能力为主的短跑运动员的神经肌肉反应。目的是提供一个较严峻的低氧环境,以增强低氧刺激。此外,Schoffel N[7]等人的研究证实,该种模式的间歇性低氧训练是“高住低练”节俭的替代方法,与“高住低练”具有同等的训练效果,而不用过高的训练成本。本实验中低氧前后H反射参数结果变化的显著性也证实这一选择的正确性。虽然Tadibi VD[1]等人在其研究中发现两周的间歇性低氧刺激并不能影响运动员无氧能力与有氧能力,但是,这不等于不会引起运动员神经、肌肉反射特性改变。

Yoshida S等人[8]的研究发现,氧含量5%的低氧刺激后能够造成大鼠前庭外侧核单突触神经元递质传输的失败,而造成这一现象的原因是低氧引起了突触前膜兴奋性的抑制。在本实验中,两周间歇性低氧训练后H波潜伏期的升高,就可能与这种突触前抑制有关。

此外,短期低氧训练可能引起某些脊髓抑制性中间神经元活性改变,并产生短期的适应性,抑制了神经冲动在Ia传入纤维与运动神经元池之间的传递,改变了运动神经元池的活性,使得运动单位的募集活性发生变化。而运动单位的募集顺序,是影响H反射潜伏期的重要因素之一[10]。Noakes TD[11]最新的研究发现,在高原习服后,脊髓运动神经元随意运动所能募集的运动单位募集能力下降。这就有可能导致经由脊髓运动神经元发放的冲动在效应肌肉形成的动作电位总和的潜伏期延长,由此可能影响H反射的潜伏期。而且,在Noakes TD 的研究中使用了“extreme altitude”这个词,这与本研究中间歇性低氧刺激的强度类似。

Schmeling WT[9]等人在70年代后期的研究发现,在3200m高原停留的健康青年男性高原习服5-14天后H波振幅显著增高,而本研究中H反射振幅在低氧后也有升高的趋势,但是没有显著性,这可能与本研究中低氧刺激的强度与模式与其不同有关。

本研究还发现M波振幅在两周低氧训练后升高。M波振幅与运动单位的活性有关[12, 13],通常实验估计运动单位活性都是以M波振幅与肌肉收缩的背景肌电图振幅比率来表示[13]。本研究中M波振幅升高提示两周间歇性低氧训练后,混合神经电刺激所能募集的运动单位活性升高。这与前述随意运动募集活性降低并不矛盾,因为,早在90年代,Knaflitz M[10]就发现了电刺激与随意运动诱发的运动单位募集顺序相反,H反射的M波是电刺激诱发的。本研究的结果提示了经历两周低氧训练后,电刺激所优先募集的运动单位其兴奋性阈值发生了降低的改变。

因此,本研究结果表明,对短跑运动员两周间歇性低氧训练可能引起脊髓水平的一些适应性改变,主要表现在其所引起的H波潜伏期延长的特征上。同时两周低氧训练前后M波振幅升高也提示了运动神经元传出纤维和(或)肌细胞水平的兴奋性也可能出现兴奋性升高的适应性改变。

4.3 H反射参数与运动性疲劳的关系

H反射是经典的单突触反射。在神经生物学研究中通常被用来作为探针来研究脊髓反射通路以及通路间的相互作用[14]。在运动医学研究中,H反射大多被用来研究运动中的神经调节,少数被用来研究运动损伤发生后,神经与肌肉功能的损伤程度以及后续康复情况的监测。

H-反射用于研究运动中的神经调节,最重要的两个方面就是步态研究与神经肌肉疲劳研究[2]。在用于神经肌肉疲劳研究中发现,神经肌肉疲劳发生后,H反射最显著变化是与疲劳前相比H波振幅的下降[15-20],而引起H波振幅降低的原因以突触传递的抑制为主[2]。

Avela JF等人[19]的研究发现:短跑运动员在高强度的跳跃训练结束后,比目鱼肌H反射振幅显著下降,并且伴随磷酸肌酸激酶活性显著升高,并提出这一改变是由于高强度肌肉收缩的代谢产物引起了H反射传导通路上突触前抑制。Patikas DAB等人[18]研究等长跖屈运动性疲劳后H反射的变化,发现H波振幅在疲劳方案结束后的第一个三分钟后与疲劳前相比发生了显著抑制。Melnyk MG等人[17]最近的研究也发现,腓肠肌最大等长收缩疲劳后,H波振幅下降,并且在第2min左右开始出现恢复。

在本研究中,8名短跑运动员30s无氧运动性疲劳实验中,其恢复时间是从第3min后开始,与Patikas DAB以及Melnyk MG等人的研究相近。并且,高强度无氧运动过程中大量的酸性代谢产物积聚以及肌纤维适应性微损伤的炎性渗出物等都支持突触前抑制导致H反射振幅下降的认识。

Kalezic IB等人[21]研究去大脑猫腓肠肌-比目鱼肌疲劳性刺激后运动神经元的单突触反射变化中发现,电刺激疲劳后的H波振幅显著降低到刺激前的64%,并且这一抑制状态,持续到疲劳后25min才逐渐恢复。这表明了去大脑后,皮层高级中枢的影响消失,某些促进反射恢复的因素不能发生作用,使得脊髓水平的疲劳恢复时间延长,这一结果同时也提示,反射恢复的调节机制在主要在脊髓上水平。

本研究中,疲劳后各恢复期的M波与H波,在恢复时程的振幅均值波动,显示了恢复期神经肌肉兴奋性并不是逐级、线性恢复,而是有一定的波动性,这与神经肌肉疲劳产生与恢复机制的复杂性密切相关。在疲劳方案结束后第15min,H反射振幅发生了显著增加,这一现象在前人的研究中[17, 18]都没有提及。而且,作者本人前期对普通大学生进行常氧H反射的预实验中也没有出现。对此现象,初步考虑是基于两周间歇性低氧训练引起脊髓水平H反射通路上的适应性改变。实验中H反射振幅在低氧训练前后有所升高,提示H反射低氧训练后有某种程度的易化,这一升高使得随后的疲劳性方案中导致了较大H波振幅的抑制。振幅抑制后的H波有可能在脊髓水平接受易化性的神经调控,迅速恢复,并反馈性的升高。据Kalezic IB等人的研究,这一机制为皮层中枢水平调控的可能性更大。这一现象与低氧训练引起的神经抗缺氧能力增强以及神经组织能量供应优化等作用密切相关。

4.4 H反射诱发条件的控制

H反射是源于牵张反射的电模拟单突触反射,但是其反射特性并不是完全意义上的单突触性[14],诸多因素影响着其单突触特性,从而影响了对实验结论的解释,只有良好的实验控制才能够使得实验结果符合生理变化的实际情形。

根据实验的具体情况,本研究从如下几个方面来控制H反射的诱发条件,以确保结果真实可靠。

1.控制受试者皮温在35℃以上。研究表明[20]温度低于35℃,将会使H反射振幅的输出增加28%,而加热对H反射没有影响,因此在实验中注意保暖,随时监控皮温。

2.受试者的取俯卧位,头部也取俯卧位,并且在诱发H反射的过程中全身放松[23]。

3.本试验中,每个H反射采样点都采样三次取平均值,并且取10%最大M波振幅,作为个体化的诱发条件[2],保证了所诱导的H反射具有更多的单突触成份。Stowe AM等人[24]研究证实,只要控制好主要的诱发条件,多日间的H反射的相关系数可以达到0.99。因此,本研究控制了个体化诱发H反射的电刺激条件,以及控制了影响H反射单突触特性的主要影响因素,从而保证了实验结果的准确性。

4.本研究由于条件所限,男女运动员混合编组,但是,Cheng Y等人[25]的研究表明,在诱发H反射过程中,基线、刺激强度、以及反射的应答上,男女都没有显著性差异。因此男女混合编组不影响实验结论的真实性。

5 结 论

通过两周间歇性低氧训练以及无氧运动性疲劳方案的测试表明:两周间歇性低氧刺激训练引起了H反射通路在脊髓水平的一些适应性改变,主要表现在引起H波潜伏期延长以及M波振幅升高的特征上。同时,在疲劳性方案测试中,H波振幅先抑制,然后再恢复后期发生反常兴奋,都提示了间歇性低氧可能诱发了H反射通路在脊髓和(或)脊髓上水平调控的适应性改变。

实验结论也表明了H反射参数是敏感的反映低氧训练以及疲劳对短跑运动员神经系统影响的指标。

有关低氧训练影响H反射具体的脊髓与脊髓上机制,以及不同训练年限和训练方式对H反射参数的影响有待进一步研究,以便更深入的理解低氧干预手段与训练方式对神经肌肉疲劳的影响。

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