5周跑台耐力训练增强大鼠慢型运动神经元Ia兴奋性突触后电位

《European Journal of Applied Physiology》：Ia excitatory postsynaptic potentials are potentiated in slow-type motoneurons after a 5-week treadmill endurance training in rats

本研究针对耐力训练是否引起肌梭Ia传入至运动神经元（MN）的突触传递适应性改变这一未知问题，开展了为期5周的大鼠跑台耐力训练对腰段脊髓MN monosynaptic Ia excitatory postsynaptic potentials (EPSPs) 影响的电生理研究。结果表明，训练选择性地增强了慢型MN的heteronymous Ia EPSPs振幅（MG和LG-Sol MN分别平均增大34%和44%），而homonymous Ia EPSPs和快型MN未见显著变化。此发现揭示了耐力训练通过增强慢型MN的Ia传入兴奋性驱动，可能优化其募集效率，为理解运动适应性神经可塑性提供了新见解。

　　

当我们谈论跑步锻炼带来的好处时，通常想到的是更强壮的心脏、更发达的肌肉或者更苗条的身材。然而， beneath the surface，我们中枢神经系统的指挥中心——脊髓里的运动神经元（Motoneuron, MN），也在悄悄地发生着适应性的改变。运动神经元是连接大脑指令和肌肉执行的最终通路，它们的活动特性会随着运动量的增减而动态调整。以往的研究已经发现，耐力训练可以改变运动神经元的膜电位、兴奋性等内在特性。但是，一个关键问题悬而未决：这种适应性改变是否也涉及到了来自肌肉本身的“情报员”——肌梭（muscle spindle）的输入信号呢？肌梭是镶嵌在肌肉内的感受器，能敏锐地感知肌肉的长度和拉伸变化，并通过Ia类传入纤维与运动神经元形成单突触的兴奋性连接，是控制运动的重要外周输入来源。在跑步这类重复性运动中，肌梭被持续激活，那么，长期的耐力训练会不会让这条“情报通路”也变得更强呢？这正是发表在《European Journal of Applied Physiology》上的这项研究试图解答的问题。

为了探究这个问题，研究人员设计了一项严谨的动物实验。他们采用了雄性Wistar大鼠模型，将其分为耐力训练组和对照组。训练组大鼠接受为期5周、强度渐进的跑台训练，模拟了人类中高强度的耐力锻炼。在训练结束后的第二天，研究人员在深度麻醉下对大鼠进行了精细的电生理学实验。他们通过细胞内记录技术，精准地测量了支配后肢主要跖屈肌——内侧腓肠肌（Medial Gastrocnemius, MG）以及协同肌外侧腓肠肌和比目鱼肌（Lateral Gastrocnemius and Soleus, LG-Sol）的腰段脊髓运动神经元的被动膜特性（如静息膜电位RMP、输入电阻R_IN）和由同源（homonymous）或异源协同（heteronymous）肌肉的Ia传入纤维所诱发的单突触兴奋性突触后电位（Excitatory Postsynaptic Potential, EPSP）的各项参数。研究人员还根据运动神经元动作电位后超极化半衰期（Afterhyperpolarization Half-Decay Time, AHP-HDT）这一可靠指标，将运动神经元区分为快型（AHP-HDT < 20 ms）和慢型（AHP-HDT ≥ 20 ms），以探讨训练效果是否具有细胞类型特异性。数据分析采用了广义线性混合模型等高级统计方法，以充分考虑个体差异的影响。

主要技术方法概述

本研究核心方法为在体细胞内电生理记录。研究人员在麻醉大鼠上制备了MG和LG-Sol神经分支以及腰段脊髓（L4-L5）的实验标本。使用玻璃微电极进行脊髓运动神经元的细胞内记录，通过逆向刺激（antidromic stimulation）鉴定神经元功能，并记录其膜特性和由电刺激肌肉Ia传入诱发的单突触EPSP。利用AHP-HDT对运动神经元进行分型。数据分析采用广义线性混合模型（Generalized Linear Mixed Model）进行组间比较。

体重与肌肉质量

统计分析显示，经过5周的训练，耐力训练组和对照组大鼠的最终体重没有显著差异。MG和LG肌肉的绝对重量以及相对于体重的比率在两组间也无变化。然而，一个有趣的发现是，主要由慢肌纤维构成的比目鱼肌（Sol）的肌肉/体重比率在训练组中显著低于对照组，这提示耐力训练可能导致了慢肌纤维的相对尺寸减小，这与慢肌纤维高氧化代谢特性导致的尺寸限制理论相符。

运动神经元取样

本研究共成功记录并分析了364个运动神经元的数据，其中178个支配MG，186个支配LG-Sol。在记录异源协同Ia EPSP的神经元中，对照组和训练组都包含了相当数量的快型和慢型运动神经元，确保了后续比较的可靠性。

异源Ia EPSPs

这是本研究最核心的发现。结果显示，耐力训练组和对照组运动神经元的静息膜电位（RMP）和输入电阻（R_IN）等被动膜特性没有显著差异。然而，当比较由协同肌Ia传入诱发的最大EPSP振幅时，发现了显著的组间差异。这种差异具有明确的细胞类型特异性：仅在慢型运动神经元中，训练组的EPSP振幅显著高于对照组。具体而言，MG慢型运动神经元的EPSP振幅平均增大了34%，LG-Sol慢型运动神经元的EPSP振幅平均增大了44%。而在快型运动神经元中，两组的EPSP振幅则没有显著差别。EPSP的上升时间、半衰期和总持续时间等动力学参数在两组间也无显著变化。累积分布直方图清晰地显示，训练组慢型运动神经元的EPSP振幅数据点整体向右偏移，表明这种增强效应存在于整个慢型运动神经元群体中。此外，研究还确认了EPSP振幅与R_IN之间存在正相关关系，但协方差分析（ANCOVA）表明，即使排除了R_IN方差的影响，训练组慢型运动神经元EPSP振幅的增大依然显著，这说明观察到的突触增强并非源于运动神经元本身输入电阻的改变。

同源Ia EPSPs

与异源EPSP的结果形成对比，当刺激运动神经元自身支配肌肉（即同源）的Ia传入纤维时，记录的EPSP振幅在耐力训练组和对照组之间没有发现显著差异。这一结果适用于整个MG和LG-Sol运动神经元样本池。由于在记录同源EPSP时使用了钠通道阻滞剂QX-314以阻止动作电位发放，无法可靠地进行快慢分型，因此可能掩盖了潜在的细胞类型特异性效应。尽管如此，数据分布图显示，训练组中记录到的最大EPSP振幅确实出现在那些具有较高R_IN值（提示其为慢型）的运动神经元上。同源EPSP的振幅也与R_IN呈正相关，且这种关系不受训练影响。

讨论与结论

本研究首次直接证实了为期5周的跑台耐力训练能够特异性增强大鼠脊髓慢型运动神经元接收来自协同肌Ia传入的突触兴奋性输入。这种可塑性变化并非均匀地发生在所有类型的运动神经元上，而是高度选择性地针对在耐力运动中贡献更大的慢型运动神经元。这种选择性增强与慢运动单位在站立、行走和中等速度跑步中的主导作用相一致，也得到比目鱼肌（慢肌为主）发生适应性改变的间接支持。

关于其潜在机制，研究表明EPSP的增强并非源于运动神经元被动膜特性（如RMP, R_IN）的改变。可能的机制包括：1）突触形态或功能的改变：耐力训练可能导致Ia终末在慢型运动神经元上的突触数量增多、尺寸增大，或突触后受体密度和功能发生变化。已有研究表明，初级传入纤维及其中枢连接在生理条件下具有可塑性。2）突触前抑制（presynaptic inhibition）的调节：跑步作为一种自动化运动，可能降低了对慢型运动神经元Ia传入的突触前抑制水平，从而增强了突触传递的效率。3）持续性内向电流（Persistent Inward Current, PIC）的调制：虽然本研究未直接检测，但快速钠PICs可能对EPSP的动态成分有增强作用，其是否受训练调节有待进一步研究。

从功能意义上讲，尽管Ia突触只占运动神经元总突触的一小部分，但研究表明运动神经元的放电概率与EPSP振幅成正比。因此，观察到的Ia EPSP增强很可能提高了慢型运动神经元的募集效率，有助于在长时间的耐力活动中维持运动单位的稳定放电，从而优化肌肉的收缩效能和抗疲劳能力。这项研究将运动适应性可塑性的范围从运动神经元的内在特性扩展到了外周传入的突触连接，深化了我们对神经-肌肉系统在应对慢性运动挑战时协同适应的理解。由于伦理和技术限制，此类直接的细胞内记录无法在人体进行，因此这项在大鼠模型上的研究为解释人类耐力训练后观察到的运动神经元池兴奋性增高、H反射增强等现象提供了重要的机制性见解和理论基础。

未来的研究可以结合形态学方法，直接观察训练后Ia突触在运动神经元上的分布和密度变化，并进一步探讨调节这一可塑性过程的具体分子信号通路。