运动性疲劳（Exercise-Induced Fatigue）是制约运动表现的核心因素，其发生机制涉及中枢神经系统调控与外周肌肉代谢的双重作用。近年研究发现，不同肢体疲劳对中枢神经系统的影响存在显著差异。本研究首次通过随机对照实验，对比分析上肢与下肢递增负荷运动诱导疲劳后，大脑前额叶-运动皮层网络的氧合水平及功能连接特征。

研究方法

受试者纳入60名健康人（年龄23.2±2.8岁，BMI 22.3±3.1kg/m²），随机分为：上肢疲劳组（ULEF）：使用上肢功率自行车进行递增负荷测试（起始负荷0kg，每分钟增加0.2kg）；下肢疲劳组（LLEF）：使用下肢功率自行车进行递增负荷测试（起始负荷0W，每分钟增加25W）。

数据采集使用NIRScout fNIRS监测运动前后静息态下大脑前额叶和运动皮层的氧合血红蛋白（HbO₂）浓度变化。覆盖区域包括初级运动皮层（M1）、辅助运动皮层（SMA）、背外侧前额叶（DLPFC）、腹外侧前额叶（VLPFC）、额极（FPA）、眶额区（OFA）。

研究结果

1. 生理指标对比

下肢疲劳组持续时间更长、心率更高，反映更大的肌肉代谢需求。

2. 大脑氧合水平变化

• 共同特征：两组运动后HbO₂浓度均显著下降，证实运动性疲劳的中枢氧代谢抑制效应。

• 特异性表现：上肢疲劳：左初级运动皮层（LM1）、双侧背外侧前额叶（DLPFC）、右额极（RFPA）氧合水平下降；下肢疲劳：仅左辅助运动皮层（LPM）、双侧DLPFC氧合降低。

3. 功能连接重构特征

• 上肢疲劳组：运动皮层内部连接强度下降；额颞网络（DLPFC-FPA）功能连接降低；出现跨半球连接下降（如右腹外侧前额叶与左腹外侧前额叶相关性下降）。

图（A）：上肢疲劳前；图（B）：上肢疲劳后；图（C）：相关脑区功能强度差异t值。红色下降，蓝色上升；图（D）：t值对应的显著性p值。蓝色是矫正后显著。

• 下肢疲劳组：未发现显著功能连接变化。

讨 论

1. 神经递质失衡：上肢疲劳加速谷氨酸能神经传递耗竭，抑制前扣带回-运动皮层通路。

2.能量代谢差异：上肢单位能耗更高（35.7±4.2 kcal/min vs 下肢28.3±3.6 kcal/min），加剧局部脑区葡萄糖竞争。

3.中枢调控策略：上肢运动依赖前额叶精细调控，认知资源耗竭引发代偿性抑制。

研究局限与展望

本研究的局限仅观测急性疲劳效应，未追踪恢复期动态变化；未结合行为学数据。未来方向可结合EEG-fNIRS多模态成像，建立运动性疲劳的时空演变模型。总结而言，上肢疲劳通过削弱大脑运动-前额叶网络功能连接显著影响中枢调控，而下肢疲劳主要表现为局部氧代谢抑制，这一发现为针对性训练和疲劳管理提供了新视角。本研究成果“The characteristics of cerebral cortical oxygenation levels and functional connectivity under upper and lower limb exercise-induced fatigue”来自上海体育大学运动健康学院黄灵燕副教授团队，最新发表在中国体育科学学会会刊《运动医学与健康科学(英文)》(Sports Medicine and health Science)上。

原始文献：

Feng Li, Yajie Wang, Xinyi Wang, Jiawei Bi, Ye Luo, Lingyan Huang.

The characteristics of cerebral cortical oxygenation levels and functional connectivity under upper and lower limb exercise-induced fatigue[J].

Sports Medicine and Health Science,2025,In Press.

https://doi.org/10.1016/j.smhs.2025.01.009.