触觉刺激在心血管疾病研究用大鼠跑台运动模型中的优势：不同刺激方法对持续运动与心电图记录的影响

《Frontiers in Physiology》：Different stimulation methods for the rat treadmill exercise model used in cardiovascular disease research

　　

目的：本研究旨在探讨不同刺激方法对大鼠持续跑台运动的效果，并为心血管疾病研究提供一种大鼠跑台运动模型。
方法：将实验大鼠分为3个运动强度组：低强度运动组（L-EX）、中等强度运动组（M-EX）和高强度运动组（H-EX）。当大鼠在跑台训练中停止运动时，采用不同刺激方法（触觉、听觉、光和电刺激）进行干预。统计成功刺激次数，并记录运动过程的心电图（ECG）。
结果：在3个不同运动强度组中，触觉刺激和电刺激的成功率均较高。听觉刺激的成功率在高强度运动组（H-EX）低于低强度运动组（L-EX）和中等强度运动组（M-EX）。光刺激的成功率随运动强度增加而逐渐降低。总体而言，其他三种刺激方法比光刺激更成功。此外，使用电刺激时，心电图（ECG）记录显示由电伪迹（electrical artifacts）引起的显著基线漂移和波形失真，使心脏信号的可靠判读变得困难。
结论：在构建用于心血管疾病研究的大鼠跑台运动模型时，当大鼠在跑台上停止运动时，在所测试的方法中，触觉刺激似乎更可取，因为其能有效促使大鼠继续跑动且不干扰心电图（ECG）记录。

用于心血管疾病（cardiovascular diseases, CVDs）研究的大鼠跑台运动模型是研究运动干预与心脏电生理、心律失常等机制的重要工具。CVDs包括冠心病、心律失常和心力衰竭，是全球主要死因，给患者和社会经济带来沉重负担。运动与CVD风险呈“剂量-效应”关系，中等运动改善心血管功能并降低风险，过度或不适当运动可能损害心血管系统。大鼠因体型小、繁殖快、易饲养，且心血管系统结构和功能与人类相似，成为CVD研究首选模型之一。跑台运动因方便、易操作、速度可精确调节并可模拟自然环境运动状态，是最常用模式。现有跑台多设4至8条跑道，可设置速度、时长、坡度和干预方式。研究人员团队前期跑台实验发现，大鼠不仅在力竭时停止，也会在力竭前持续跑动中不时停止，停止时间从数秒至2 min不等，部分此后不再运动；人工刺激干预后大鼠可恢复运动。因此，本研究探讨跑台不同刺激方法对大鼠持续运动的影响，以补充大鼠跑台运动模型在CVD研究中的应用。研究人员假设，非伤害性、接触式触觉刺激可能在促进继续运动的高成功率与对同步生理记录（如心电图，electrocardiogram, ECG）最小干扰之间提供最有利平衡。

研究使用24只健康雄性Sprague-Dawley（SD）大鼠，9周龄，体重290.33 ± 5.92 g，来源为SI PEI FU (Beijing) Biotechnology Co. Ltd.，动物生产许可证SCXK (Beijing) 2024-0001。研究经福建医科大学机构伦理委员会批准（Approval No. IACUC FJMU 2025-Y-3074），并遵循ARRIVE 2.0指南。大鼠随机分为低强度运动组（L-EX）、中等强度运动组（M-EX）和高强度运动组（H-EX），每组8只，分别以12 m/min、16 m/min和22 m/min跑台训练，每次30 min，均未达到力竭。正式实验前进行1周适应训练，每天1次，每次10 min，速度8 m/min。刺激方式包括：触觉刺激（标准化木棒轻触尾部约1 s）、听觉刺激（距大鼠约10 cm处恒定频率摩擦20 cm×10 cm塑料膜）、光刺激（跑台内置光源持续照射尾部区域）和电刺激（跑台装置2 mA恒流电脉冲）。刺激时机为大鼠停止肢体运动并随跑道后移、在跑道末端停留超过2 s；刺激后2 s内大鼠再次前进记为成功，否则移至跑道前端并记为失败。研究采用平衡旋转设计，每4天为1个周期，包含4种刺激方法，重复3个周期。运动期间采用可充电动物遥测装置（KLR-2）记录ECG。统计分析采用三因素混合设计重复测量方差分析（repeated-measures analysis of variance, ANOVA）、简单主效应分析、Sidak多重比较、配对样本t检验和单因素ANOVA等。

主要关键技术方法概述：研究纳入24只健康雄性SD大鼠，来源为SI PEI FU (Beijing) Biotechnology Co. Ltd.（动物生产许可证SCXK (Beijing) 2024-0001）。设L-EX（12 m/min）、M-EX（16 m/min）、H-EX（22 m/min）三组，每组8只，每次30 min。停止后给予触觉、听觉、光、电（2 mA恒流）刺激，采用平衡旋转设计，4天1周期，重复3周期。运动期间以KLR-2遥测装置记录ECG。统计采用三因素混合设计重复测量ANOVA、简单主效应、Sidak校正、配对样本t检验及单因素ANOVA。

研究结果：
3.1 大鼠运动基础状况比较：在30 min跑台运动中，3组均无大鼠力竭。通过记录首次停止时间和总停止时间发现，H-EX组首次停止点早于L-EX组，差异有统计学意义（p = 0.003）；总停止时间随运动强度增加而增加，3组间两两比较均p < 0.001。
3.2 不同刺激方法成功率比较：通过三因素混合设计重复测量ANOVA，刺激方法主效应显著[F(1.702, 35.739) = 1363.773，p < 0.001，partial η² = 0.985]，运动强度主效应显著[F(2, 21) = 9.319，p = 0.001，partial η² = 0.470]，刺激方法×运动强度交互显著[F(3.404, 35.739) = 3.634，p = 0.018，partial η² = 0.256]，刺激方法×周期交互显著[F(2.225, 46.723) = 4.676，p = 0.012，partial η² = 0.182]，事后确认4种方法相对排序在各周期稳定；敏感性分析结果一致。Sidak校正成对比较显示，触觉刺激（0.970 ± 0.005）和电刺激（0.961 ± 0.005）成功率最高，二者无显著差异（均值差 = 0.009，95% CI：?0.007至0.025，p = 0.502）；听觉刺激（0.940 ± 0.010）显著低于触觉刺激（均值差 = 0.030，95% CI：0.001至0.058，p = 0.037），但与电刺激相当（均值差 = ?0.021，95% CI：?0.049至0.007，p = 0.236）；光刺激（0.259 ± 0.014）显著劣于其他所有方法（均p < 0.001）。简单主效应分析显示，触觉和电刺激在3个强度组均维持高成功率且组间无显著差异；听觉刺激在H-EX组较L-EX和M-EX组显著下降；光刺激随运动强度增加逐渐下降，3组间均有显著差异。各强度组内，L-EX组触觉优于电刺激（p = 0.035）；M-EX组触觉、听觉和电刺激间无显著差异；H-EX组触觉与电刺激相当，但均优于听觉刺激（p < 0.01）；3组中光刺激均显著差于其他3种方法（p < 0.001）。总体成功率排序一致：触觉与电刺激相当，优于听觉刺激，光刺激最差。
3.3 早期与晚期周期相关状况比较：通过比较第一周期（第1–4天）与第三周期（第9–12天），停止频率显著降低（均值差 = ?27.83 ± 40.72，p = 0.003）；总体刺激成功率略有增加，但未达统计学显著（均值差 = 2.13 ± 7.68，p > 0.05）。
3.4 运动期间ECG记录的定性视觉评估：通过运动期间ECG遥测发现，无刺激时ECG基线稳定、QRS复合波（QRS complex）清晰；触觉、听觉和光刺激对ECG记录干扰最小，基线稳定且波形可辨；电刺激严重干扰ECG采集，引起显著基线漂移和高频噪声，使QRS复合波被遮蔽。

讨论部分总结：研究人员认为，跑台训练是训练和评估大鼠等小动物体能的方法，跑台速度可调，跑台表面纹理有助于动物保持抓握和运动稳定；实验中动物通过跑台装置的接触和刺激（如电击、声音和光）被促使继续跑动，若速度低于设定值则触发刺激装置。运动既可能触发某些CVD，也可作为部分CVD的治疗措施。不同强度运动对心脏影响不同，例如运动强度与心房颤动的关系呈J型或U型剂量反应曲线，可能与线粒体功能、氧化应激和脂质代谢有关。因此，建立运动CVD大鼠模型对研究运动对CVD影响具有重要意义。本研究结果显示，触觉刺激、电刺激和听觉刺激的成功率均显著高于光刺激；触觉、听觉和光刺激对ECG记录干扰较小，而电刺激严重干扰ECG。在为CVD研究构建大鼠跑台运动模型时，若大鼠在跑台上停止，触觉刺激可能是相对最优选择，因其不干扰ECG记录。低至中等强度运动模型中，触觉刺激或听觉刺激均可用于促使大鼠持续运动。光刺激作为非接触方式通常不干扰生理数据，但本研究中无效，且成功率随运动强度增加而下降，提示其不能克服高强度训练所致疲劳。电刺激较有效，但部分大鼠即使持续电刺激仍停留在电刺激区域不动，可能与耐受或找到不受刺激姿势有关。用于CVD研究时，记录ECG信号重要，不仅包括运动前后ECG数据比较，还包括运动中心率变化、心律失常事件和心率变异性（heart rate variability, HRV）。本研究中电刺激使ECG基线极不稳定，无法按常规程序进一步分析，因此不适合需要记录ECG信号的大鼠跑台运动模型。既往研究提示，跑台运动中电刺激较触觉刺激更显著影响血糖变化，低频电刺激可诱导骨骼肌CAIII表达并导致骨骼肌疲劳；虽然触觉刺激较电刺激耗时耗力，但在用于CVD研究的大鼠跑台运动模型中，触觉刺激是更好的持续运动干预。尽管不同刺激方法原则上可能调节自主神经系统活动，但本研究未直接评估自主神经功能；ECG记录仅作为电伪迹造成信号干扰的定性证据，未声称生理或自主神经效应。未来应采用非电刺激方法或有效伪迹滤波技术，通过HRV分析定量评价跑台运动中不同刺激方式的自主神经效应。经过3个周期刺激干预，第三周期运动停止次数较第一周期显著减少，提示有效干预刺激使大鼠更好地适应跑台运动。适当适应训练、运动环境、实验设计及环境温度等可能影响刺激方式效果。建议在预试验中对不同大鼠尝试个体化刺激方法，或采用不同刺激方法组合干预。本研究局限包括仅使用大鼠而未纳入小鼠，且所有动物均健康，未对已有CVD大鼠进行跑台实验；未来研究将扩展到小鼠以及冠心病和心律失常动物模型。

研究结论翻译：本研究为在用于心血管疾病研究的大鼠跑台运动模型中选择刺激方法提供了方法学证据。在所测试的方法中，触觉刺激似乎在维持持续跑台运动并保持ECG可读性方面更可取，因为其有效促使大鼠恢复跑动且不干扰ECG记录。