有氧運動對焦慮模型大鼠行為學的影響

王一民， 池愛平， 劉鳳君， 熊正英*

(陜西師范大學 體育學院， 陜西 西安 710119)

摘要：為證明有氧運動對焦慮模型大鼠行為的良性作用，將焦慮模型大鼠分為模型有氧運動恢復(fù)組和模型恢復(fù)組2組，分別進行4周有氧運動恢復(fù)和非有氧運動恢復(fù)，測試大鼠行為學指標。結(jié)果顯示:經(jīng)過4周的有氧運動恢復(fù)，模型有氧運動恢復(fù)組大鼠行為學指標均恢復(fù)到正常水平，與安靜組相比較無顯著性差異(P>0.01)；模型恢復(fù)組行為學指標雖有所改善，但與安靜組相比仍具有顯著性差異(P<0.01);模型有氧運動恢復(fù)組大鼠行為學指標的恢復(fù)效果，與模型恢復(fù)組比較均具有顯著性差異(P<0.01)。結(jié)果表明，焦慮應(yīng)激使大鼠行為學指標負向改變,有氧運動使焦慮模型大鼠行為學指標趨于正常，運動能力增強，而非有氧運動的模型恢復(fù)組各項指標改善效果較差。

關(guān)鍵詞:焦慮應(yīng)激； 有氧運動； 行為學； 大鼠

中圖分類號:G804.8 文獻標志碼: A

Ethological effects of aerobic exercise on anxious model rats

WANG Yimin, CHI Aiping， LIU Fengjun， XIONG Zhengying*

(School of Physical Education, Shaanxi Normal University，Xi′an 710119，Shaanxi, China)

Abstract:In order to prove the positive ethological effects of aerobic exercise on anxious model rats, the anxious model rats were adopted in the experiment and the rats were separated into two groups (recovering model group with aerobic exercise, and recovering model group). After four-week respective recover with aerobic exercise and non-aerobic exercise, the ethological indicator were tested. The results show that the ethological indicator of the recovering model group with aerobic exercise returned to normal level after four weeks, and had no significant difference comparing with calm model rats (P>0.01).While the ethological indicator of the recovering model group had improved but still had significant difference comparing with calm model rats (P<0.01).Furthermore, significant difference was also found between the ethological indicator of the recovering model group with aerobic of the rats exercise and the recovering model group (P<0.01). The results demonstrate that anxious stress can cause negative change on ethological indicator of rats, aerobic exercise lead the ethological indicator of anxious model rats to normal level, and enhance their athletic ability. However， the recovering model group with non-aerobic exercise has poor improvement on ethological indicator.

Key words: anxious stress; aerobic exercise; ethology; rats

藥物對焦慮大鼠行為學的影響已有廣泛研究[1-4]，而有氧運動對其行為學的影響報道尚少見。焦慮動物模型大鼠在探究焦慮障礙的病因、發(fā)病機制以及新藥研發(fā)等方面發(fā)揮著重要作用，而動物行為學的表現(xiàn)既是評價模型是否成功的一項標準，也是評價藥物及有氧運動干預(yù)效果的參考指標。本研究采用慢性情緒應(yīng)激的方法建立焦慮大鼠模型，通過測定大鼠在高架十字迷宮實驗、敞箱實驗和跑臺力竭實驗中行為學指標的變化，探討有氧運動的作用效果，為機體通過有氧運動緩解焦慮情緒提供實驗支持。

1 材料與方法

1.1動物分組

SD雄性健康大鼠30只，體重180~220 g，由西安交通大學醫(yī)學院實驗動物中心提供。國家標準嚙齒類動物干燥飼料喂養(yǎng)，自由飲食，動物室溫度23±5 ℃，相對濕度40%~70%。自由飲食適應(yīng)1周后開始實驗。分造模期21 d，恢復(fù)期28 d，共計49 d。造模期將大鼠隨機分為安靜組 (A組，10只)和模型組(M組，20只)，A組自由飲食至49 d作為安靜對照至恢復(fù)期結(jié)束。同期M組先進行為期21 d的焦慮模型刺激，自第22 d開始將M組隨機分為2組，即模型恢復(fù)組 (MH組，10只)、模型運動組(MY組10只)。MH組大鼠不進行有氧運動，MY組大鼠進行有氧運動，均至49 d。

1.2造模

本實驗參照相關(guān)文獻[5-7]進行造模，主要采用不可預(yù)知的情緒應(yīng)激刺激方法來進行焦慮模型的造模。主要包括：捆綁固定、群體接觸實驗、貓暴露實驗、貓味實驗、貓味隱蔽實驗、禁水、禁食、24 h光照、24 h黑暗、24 h飼養(yǎng)籠傾斜等10種應(yīng)激刺激方法。每天采用一種應(yīng)激方式，連續(xù)21 d。本研究造模經(jīng)過21 d慢性不可預(yù)知的焦慮心理應(yīng)激刺激，與安靜對照組相比，模型組大鼠飲食量明顯降低，體重增長緩慢，敞箱實驗和高架十字迷宮實驗證實，大鼠探究性顯著下降。模型組5-HT、多巴胺(Dopamine，DA)含量明顯高于安靜對照組，而γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid ，GABA)的含量卻明顯低于安靜對照組。大鼠行為學和神經(jīng)遞質(zhì)含量變化說明焦慮模型造模成功[8]，關(guān)于造模研究的詳細內(nèi)容另文報道[9]。

1.3恢復(fù)干預(yù)

A組、MH組、MY組大鼠在22~49 d內(nèi)自由飲食,A組、MH組大鼠自由活動,而MY組大鼠進行有氧運動恢復(fù)，為了控制運動強度，本實驗運動在動物跑臺上進行(跑臺為中國杭州段氏電動跑臺)，控制參數(shù)包括速度、坡度、運動時間和最大攝氧量(Maximal Oxygen Consumption，VO2max)。各組恢復(fù)方案見表1。

表1 MY組有氧運動恢復(fù)方案

*MY組第二周運動方案依次是：第1~3天運動時間為10 min，運動速度為10 m/min; 第4~6天運動時間為15 min,運動速度為15 m/min; 第7天運動時間為20 min，運動速度為20 m/min。

1.4指標測定

行為學指標測定：行為學指標主要通過高架十字迷宮實驗、敞箱實驗中測定，同時測定實驗大鼠的清潔次數(shù)和糞便顆粒[10-11]。

最大攝氧量與運動強度：有關(guān)運動強度和運動中最大攝氧量的對應(yīng)關(guān)系見文獻[12-15]。

力竭時間測定：A組、MH組大鼠自實驗的46 d開始進行3 d的跑臺適應(yīng)性練習，速度為10 m/min，時間為每天10 min。在實驗的第49 d，各組大鼠進行跑臺力竭實驗，運動速度20 m/min，運動持續(xù)致力竭[16]。力竭判斷標準：動物不能按照預(yù)定的速度，大鼠臀部壓在籠具后壁，后肢隨轉(zhuǎn)動皮帶后拖達30 s，毛刷刺激驅(qū)趕無效，行為特征為呼吸深急、幅度大，神情疲倦，俯臥位，垂頭，刺激后無反應(yīng)[17-19]。

1.5數(shù)據(jù)處理

實驗數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel及SPSS 18.0軟件進行處理，結(jié)果以平均數(shù)±標準差表示，數(shù)據(jù)進行組間單因素方差分析。

2 結(jié)果分析

2.1敞箱實驗

2.1.1敞箱實驗垂直運動次數(shù)和水平運動次數(shù)變化對于不同恢復(fù)時間的大鼠分別測定在3 min內(nèi)的垂直和水平運動次數(shù)(見表2)。MH組與A組垂直運動次數(shù)在0、7、14、21和28 d均有極顯著性差異(P<0.01)。MH組和MY組垂直運動次數(shù)在14、21和28 d時有極顯著性差異(P<0.01)，MY組與A組垂直運動次數(shù)在28 d時無顯著性差異(P>0.05)。MH組大鼠敞箱實驗水平運動次數(shù)相對于A組在0、7、14、21和28 d均有極顯著性差異(P<0.01)，MH組和MY組水平運動次數(shù)在14、21和28 d時有極顯著性差異(P<0.01)。MY組相對于A組垂直運動次數(shù)在0、7 d時有極顯著性差異(P<0.01)，而在14、21 d時有顯著性差異(P<0.05)，在28 d時無顯著性差異(P>0.05)。

表2 大鼠敞箱實驗中垂直運動次數(shù)和水平運動次數(shù)

注:與A組比較，*：P<0.05，**：P<0.01；與MH組相比，#：P<0.05，##：P<0.01；變化率(%)=(MY組次數(shù)-MH組次數(shù))/MH組次數(shù)×100(下同)；增加量為28 d與0 d的差值(下同)；上升率(%)=(28 d值-0 d值)/0 d值×100.

2.1.2敞箱實驗中清潔次數(shù)和糞便顆粒的變化對于不同恢復(fù)時間大鼠分別測定在3 min內(nèi)清潔次數(shù)和糞便顆粒(見表3)。MH組大鼠敞箱實驗中清潔次數(shù)與A組比較，0、7、4、21和28 d時均有極顯著性差異(P<0.01)，MH組與MY組相比在7、14、21和28 d時有極顯著性差異(P<0.01)。MY組大鼠敞箱實驗中清潔次數(shù)與A組比較，0、7和14 d時有極顯著性差異(P<0.01)，21 d和28 d時無顯著有差異(P>0.05)；MH組大鼠敞箱實驗中糞便顆粒與A組比較，0、7、4、21和28 d時均有極顯著性差異(P<0.01)，MH組相對于MY組在14、21和28 d時有顯著性差異(P<0.05)。MY組大鼠敞箱實驗中糞便顆粒與A組比較，0、7、4、21 d時均有極顯著性差異(P<0.01)，在28 d有顯著性差異(P<0.05)。

表3　大鼠敞箱實驗中清潔次數(shù)和糞便顆粒

注:與A組相比，*：P<0.05，**：P<0.01；與MH組相比，#：P<0.05，##P<0.01。

2.2高架十字迷宮實驗

2.2.1高架十字迷宮實驗中運動時間的變化于有氧運動恢復(fù)28 d時分別測定不同組別實驗大鼠在高架十字迷宮實驗中運動總時間、開臂時間、閉臂時間和中央?yún)^(qū)運動時間，結(jié)果見表4。MH組大鼠28d時高架十字迷宮實驗中開臂時間、閉臂時間與A組比較，有極顯著性差異(P<0.01)，運動總時間、中央?yún)^(qū)運動時間無顯著性差異(P>0.05)；MY組高架十字迷宮實驗中運動總時間、開臂時間、閉臂時間和中央?yún)^(qū)運動時間與A組比較，均無顯著性差異(P>0.05)。MY組大鼠高架十字迷宮實驗中開臂時間、閉臂時間與MH組比較，有極顯著性差異(P<0.01)，運動總時間、中央?yún)^(qū)運動時間無顯著性差異(P>0.05)。

表4　大鼠高架十字迷宮實驗中運動時間

注:與A組相比，* ：P<0.05，**：P<0.01；與MH組相比，#：P<0.05，##：P<0.01。

由見表4可知，MY組大鼠與MH組比較，運動總時間延長7.07 s(增加2.46%)，開臂時間延長39.98 s(增加27.50%)，閉臂時間縮短30.84 s(下降28.49%)，中央?yún)^(qū)時間縮短多2.27 s(下降6.19%)。

2.2.2高架十字迷宮實驗中運動距離的變化于有氧運動恢復(fù)28 d時分別測定不同組別實驗大鼠在高架十字迷宮實驗中運動距離、開臂距離、閉臂距離和中央?yún)^(qū)距離見表5。MH組大鼠28 d時高架十字迷宮實驗中運動距離、開臂距離、閉臂距離和中央?yún)^(qū)距離與A組比較，均有顯著性差異(P<0.05)。MY組大鼠架十字迷宮實驗中運動距離、開臂距離、閉臂距離和中央?yún)^(qū)距離與A組比較，均無顯著性差異(P>0.05)。MY組大鼠高架十字迷宮實驗中運動距離、開臂距離與MH組比較，有極顯著性差異(P<0.05)，閉臂距離和中央?yún)^(qū)距離有顯著性差異(P<0.05)。

表5 大鼠高架十字迷宮實驗中運動距離

注:與A組相比，*：P<0.05，**：P<0.01.與MH組相比，#：P<0.05，##P<0.01。

由表5可知，MY組大鼠與MH組比較，運動總距離延長171.09 cm(增加12.96%)，開臂距離延長242.63 cm(增加33.11%)，閉臂距離縮短91.03 cm(下降19.52)，中央?yún)^(qū)距離延長19.49 cm(16.10%)。

2.2.3高架十字迷宮實驗中進入各臂次數(shù)的變化于有氧運動恢復(fù)28 d時分別測定在3 min內(nèi)不同組別實驗大鼠在高架十字迷宮實驗中進入總次數(shù)、開臂次數(shù)和閉臂次數(shù)見表6。MH組大鼠28 d時高架十字迷宮實驗中進入總次數(shù)、開臂次數(shù)和閉臂次數(shù)與A組和MY組比較，分別為無顯著性差異(P>0.05)、極顯著性差異(P<0.01)和極顯著性差異(P<0.01)。MY組大鼠高架十字迷宮實驗中進入總次數(shù)、開臂次數(shù)和閉臂次數(shù)與A組比較，分別為無顯著性差異(P>0.05)，有顯著性差異(P<0.05),有極顯著性差異(P<0.01)。

表6　高架十字迷宮實驗結(jié)果

注:與A組相比，*：P<0.05，**：P<0.01；與MH組相比，#：P<0.05，##：P<0.01.

由表6可知,MH組大鼠與MY組比較，總次數(shù)減少1.03次(下降5.14%)，開臂次數(shù)增加3.21次(升高41.91%)，閉臂次數(shù)減少4.24次(下降34.28%)。

2.3跑臺運動至力竭的時間的變化

于有氧運動恢復(fù)28 d時分別測定不同組別實驗大鼠跑臺運動至力竭時間，A組為91.83±2.12 min，MH組為60.82±1.78 min，MY組為95.46±6.48 min。與A組比較，MH組大鼠運動至力竭力竭時間縮短31.01 min，下降50.98%且有極顯著性差異(P<0.01)；MY組大鼠跑臺運動至力竭時間延長3.63 min，無顯著性差異(P>0.05)。MY組大鼠跑臺運動至力竭時間與MH組比較，延長34.64 min，上升56.95%，有顯著性差異(P<0.05)。

3 討論

3.1焦慮模型的評價

評估動物模型通常有3個效度，即表面效度、結(jié)構(gòu)效度和預(yù)測效度。表面效度指動物模型中動物的情緒體現(xiàn)和人類相應(yīng)的情緒表現(xiàn)擁有相似性，例如，在焦慮動物模型中，動物表現(xiàn)的頻繁修飾，排尿、排便次數(shù)增多，探究行為下降，社會接觸減少，可以模擬人類焦慮反應(yīng)時的防御障礙。

結(jié)構(gòu)效度是測量情緒障礙的相應(yīng)感覺，以及情緒障礙的行為和生理反應(yīng)特征。其反映了動物模型應(yīng)該和人類的情緒障礙具備相似的原因，相似的行為反應(yīng)和共同的神經(jīng)生物學機制。預(yù)測效度主要指模型對于相應(yīng)情緒障礙有效的經(jīng)典藥物的反應(yīng)性[14]。

另有研究發(fā)現(xiàn)，當動物處于焦慮狀態(tài)時，將展示一系列的特定行為和生理反應(yīng)，包括行為的抑制、沉悶、逃避、心率、尿、血漿皮質(zhì)醇水平的升高。高架十字迷宮為國際上公認的測試動物焦慮行為的首要裝置，主要通過動物進入開臂和閉臂的時間和次數(shù)來評價動物是否焦慮。20多年來的實踐證明，高架十字迷宮是一個簡單、快速、結(jié)果重復(fù)性好的焦慮檢測模型。

敞箱實驗通過動物進入中央?yún)^(qū)和其他不同區(qū)域的實驗設(shè)計來進行動物致焦慮的評價。目前的研究表明焦慮與GABA、5-HT、DA等神經(jīng)遞質(zhì)有很大的關(guān)聯(lián)，并認為這三種神經(jīng)遞質(zhì)是導(dǎo)致焦慮產(chǎn)生的神經(jīng)機制。實驗研究證明焦慮與大腦中5-HT、DA、GABA的含量變化有關(guān)，5-HT、DA含量升高導(dǎo)致焦慮，GABA含量降低也會導(dǎo)致焦慮。本研究造模經(jīng)過21 d慢性不可預(yù)知的焦慮心理應(yīng)激刺激,通過敞箱實驗和高架十字迷宮實驗證實，大鼠探究性顯著下降，模型組5-HT、DA含量明顯高于安靜對照組，而GABA的含量卻明顯低于安靜對照組。從大鼠行為學和神經(jīng)遞質(zhì)含量變化說明焦慮模型造模成功[8]。

3.2有氧運動對焦慮模型大鼠行為學的影響

目前，多數(shù)研究通過觀察大鼠行為學的表現(xiàn)來反映其心理、情緒、認知等方面的改變，本研究采用敞箱實驗和高架十字迷宮實驗來評估模型大鼠焦慮程度。在敞箱實驗中，常用垂直運動次數(shù)、水平運動次數(shù)、清潔次數(shù)和糞便顆粒數(shù)來判別大鼠的焦慮程度。垂直運動反映大鼠的探究行為，即對新奇環(huán)境的好奇程度，水平運動反映大鼠的活動程度，大鼠在焦慮狀態(tài)下通常表現(xiàn)出自由活動程度降低和探究行為減弱。

在造模階段(恢復(fù)期的0 d)，大鼠在經(jīng)過21 d的焦慮心理刺激后，敞箱實驗中表現(xiàn)出模型組大鼠垂直運動和水平運動均較A組顯著減少，說明本實驗大鼠在進行21 d的焦慮心理刺激后，表現(xiàn)出明顯的焦慮癥狀。清潔次數(shù)反映大鼠的自主活動程度和對新奇環(huán)境的警覺性，糞便顆粒數(shù)反映大鼠對新奇環(huán)境的恐懼程度，在焦慮狀態(tài)下，大鼠表現(xiàn)出自主活動程度降低、對新奇環(huán)境敏感度、恐懼性增強和胃腸功能紊亂等特點，所以導(dǎo)致清潔次數(shù)減少，糞便顆粒數(shù)增多。經(jīng)過4周的有氧運動恢復(fù)，A組和MY組大鼠糞便顆粒干燥且成黑褐色正常顆粒，而MH組大鼠的糞便多比較稀，呈顆粒狀且顆粒之間有白色黏性物粘連。分析認為該現(xiàn)象可能是由于焦慮心理刺激造成模型組大鼠處于一種持續(xù)的恐懼狀態(tài)，造成食欲不振和機體腸胃功能紊亂所致，經(jīng)過4周恢復(fù)仍未達到正常水平。

在高架十字迷宮實驗中，常用運動總時間、開臂中運動時間、閉臂中運動時間、運動總距離、開臂中運動距離、閉臂中運動距離、進入開臂次數(shù)，進入閉臂次數(shù)等指標來評價大鼠的焦慮程度。在開臂中的運動時間、運動距離及運動次數(shù)反映大鼠的探究行為，總運動距離反映大鼠的自主運動活性。大鼠在焦慮狀態(tài)下自主活動減弱，探究性減弱，高架十字迷宮實驗表現(xiàn)為總運動時間不變的情況下，開臂中運動時間明顯減少，閉臂運動時間增加，總運動距離減少，且在開臂中的運動距離明顯少于在閉臂中的運動距離，總進臂次數(shù)不變時大鼠進入開臂的次數(shù)明顯少于進入閉臂的次數(shù)。本實驗中21 d時的高架十字迷宮實驗結(jié)果與此相符，說明模型組大鼠在經(jīng)過21 d的焦慮心理刺激后，表現(xiàn)出明顯的焦慮癥狀。經(jīng)過4周的有氧運動恢復(fù)，MY組敞箱實驗和高架十字迷宮實驗中各項焦慮相關(guān)指標均恢復(fù)到正常水平，與A組相比較無顯著性差異；而MH組在21 d焦慮心理刺激后，不再進行任何干預(yù)，自由恢復(fù)4周，其各項焦慮行為相關(guān)指標雖有所改善，但與A組相比差異仍具有顯著性，說明有氧運動具有明顯的抗焦慮作用。

同時與A組比較，MY組大鼠跑臺運動至力竭的時間延長3.63 min，MH組則縮短31.01 min；MH組與MY組比較，MH組大鼠運動至力竭的時間縮短34.64 min，降低幅度為56.95%。說明MH組大鼠焦慮狀態(tài)未能很好消除，導(dǎo)致運動能力較差；而通過有氧運動，焦慮狀態(tài)得到緩解或消除，MY組大鼠運動能力可達到或超過A組水平。

4結(jié)論

焦慮應(yīng)激使大鼠的行為學指標負向改變。有氧運動使焦慮模型大鼠行為學指標恢復(fù)正常，運動能力增強。實驗結(jié)果表明，適宜的有氧運動有利于促進焦慮應(yīng)激的緩解或解除。

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〔責任編輯 李博〕