运动与免疫系统研究（精选8篇）
运动与免疫系统研究 篇1
摘要：文章通过文献资料的方法,综述了武术套路运动的供能和代谢特点和膳食摄入情况,针对性地概括补充糖、蛋白质、氨基酸、维生素、麦胚粉等对同项群运动员免疫机能的影响。结果显示,补充营养品可以在一定程度上提高机体的抗氧化能力,以此来提高运动员免疫力,间接促进疲劳恢复,为运动员合理的补充营养品提供科学的理论依据。
关键词：营养补充,女子,武术套路,运动员,免疫
大量实验证明,了解各项运动的代谢供能特点和运动员的膳食情况,针对性的给予营养支持是合理、可靠的方法之一。本文以武术套路运动为例,就糖、蛋白质、氨基酸、维生素、麦胚粉等在提高运动员免疫机能方面的影响做如下综述。
1 武术套路运动能量代谢和供能特点的基础研究
1.1 武术套路能量代谢特点的研究
从生理学和生物化学的角度研究武术运动的能量代谢点,对准备把握运动负荷和武术的科学化训练有着较为重要的意义。温力在论文中最早提出武术运动能量代谢特点主要依靠无氧代谢的乳酸能供能,平均强度在400米~800米之间。邱丕相从运动时间、动作变化节奏、动作特点等角度对武术自选套路进行了分析,并结合运动生理、生化原理,提出武术自选套路意思由三种能量代谢参加,无氧代谢约占75%-80%,有氧代谢约占20%-25%。姜传银在其毕业论文中谈到长拳套路演练后,成年运动员血乳酸值峰值可达到15.43±3.23m Mol/L,是以乳酸代谢供能为主的项目。潘冬、陈秀英、李卫民等对武术运动员的能量代谢特点的研究中将血乳酸作为评定武术运动员无氧糖酵解供能水平的有效生化指标。武术套路运动能量代谢以无氧糖酵解供能为主,约占75%-80%,通过逐级递增分级测定长拳类套路演练的血乳酸值得出其峰值达到15.43±3.23m M/L,最高心率可180-190次/min。以有氧代谢供能为辅,约占20%-25%,其比例为61.4%:38.6%,接极近6:4,所以糖酵解供能是武术运动合成ATP的重要无氧供能系统。
1.2 武术套路运动的供能特点研究
马彦君、刘雅媚、李志雄等关于武术套路运动供能特点和科学化训练的研究谈到武术套路的演练时间一般在1min20s到1min40s之间,平均心率可达186~198次min,通过对心率和需氧量之间关系的观察和分析得出,长拳练习首先消耗的CP的高能物质,同时糖酵解过程被激活,肌糖原迅速分解生成乳酸,因此武术套路演练时间和用力方式决定它的供能方式是以糖酵解供能为主,有氧氧化供能为辅。潘东等人在评定武术套路运动员无氧供能水平的试验中通过检测专业武术运动员血乳酸(HL)、峰值功率(PP)、平均功率(MP)、30秒功率下降率(%)等无氧代谢指标判定长拳类自选套路属短时间高强度运动,机体缺氧程度高。因此糖酵解供能能力是反映武术套路运动员速度耐力水平的重要标志。
2 运动员营养状况调查与研究
周丽丽、杨则宜等总结中国运动员膳食主要存在6个方面的问题:(1)碳水化合物摄入不足。(2)脂肪和蛋白质摄入过多。(3)部分维生素摄入不足。(4)三餐热能分配不合理。(5)微量元素钙、铁、锌摄入不足。(6)运动中脱水和补液不科学。苟波、王启荣、赵光圣概括上海市散打队运动员膳食调查时发现,运动员碳水化合物摄入均不足,脂肪摄入全部超标,维生素A、B1、B2和C出现摄入不足,矿物质中钾、钙、锌、镁摄入也有所缺乏。刘燕、陈勇等对湛江师院武术运动员的膳食营养调查中提出对总能源物质、维生素、无机盐摄入的严格要求。调查显示:男女武术运动员中总能量和蛋白质摄入均明显低于标准值,脂肪供给基本满足身体需要,维生素B族和钙的摄入量明显低于膳食推荐量。胡冬梅、王芳华等总结出:速度性运动机体高度缺氧应多补充易吸收的糖和维生素B1、维C、磷和蛋白质,增加体内碱储备。耐力性运动应补充充足的糖、维生素B1和C。力量性运动需要多食含维生素B2和镁、钾、钙、钠等微量元素的食物。灵敏性运动膳食热量不宜过高,应加强神经系统的营养,多供给含磷和维生素的食物。
3 营养补充对运动员免疫机能影响的研究
3.1 当今营养制品的种类
不同项群运动员的营养需求各有不同,魏守刚、段桂华、刘秀根据营养品的功能和特殊作用分成营养型和保健型。营养型包括:营养配方食品,特殊营养食品,营养强化食品。保健型食品是专门为运动员研制开发的运动营养补剂。
3.2 运动营养品发展现状和成果
陈亚军、Nieman等报道运动员赛前补充高CHO有降低抑制白细胞、中性粒细胞以及淋巴细胞的增殖,并降低运动后即刻和恢复IL-6增殖的幅度。同时有效保持血糖浓度和降低血浆皮质醇反应。秦素荣、关璐、李跃敏等的研究中发现长时间运动时优质蛋白质为骨骼肌提供能量供应;促进蛋白合成和肌肉增长;清除自由基和抗氧化性;提高机体免疫能力和延缓中枢疲劳。Bill强调补充蛋白质不仅安全,还可以通过增加蛋白分解和合成代谢率,增加瘦体重,加速训练后运动员免疫机能的恢复来提高对训练强度的适应。Melvin报道补充氨基酸有增加促蛋白合成类激素的分泌,保证运动中能量供应,有效预防过度训练和疲劳等积极作用。Moriguchi发现机体补充外源性谷氨酰胺可抑制细胞膜脂质过氧化反应,对延缓疲劳,增强机体抗氧化能力有一定的意义。吴秀琴、李广英、Claudio报道维生素C、E、B族等抗氧化维生素可以通过增加骨骼肌抗氧化酶加强氧化应激能力,保持较低的脂质过氧化和肌酸激酶水平,提高肌肉组织的氧利用率。吴玲、陈吉棣等针对性的研究发现补充硒等微量元素能明显提高抗氧化酶活性,起到保护膜结构和功能的作用。
4 改善免疫机能的营养干预研究
陈欢欢、李雷的研究显示高CHO饮食运动员训练后的CD3+%、CD4+%、CD4+/CD8+明显高于训练前,Ig A、Ig G水平显著提高,提示细胞免疫和体液免疫功能得到改善。Bassist等研究发现赛前补充BCAA使运动员的感染率降低26%,表明补充BCAA有助于预防运动性免疫抑制,加速运动后免疫功能恢复。常波等发现谷氨酰胺在运动免疫中通过提高血浆谷氨酰胺为糖异生提供原料,避免了淋巴细胞功能损害,提高了辅助性T淋巴细胞增殖活化能力,降低了抑制性T淋巴细胞活性,从而提高细胞免疫功能。官凌菊、黄园等观察补充动物和植物蛋白可以通过升高T淋巴细胞浓度、减少体内自由基生成,提高GSH-Px活性等作用提高体液和细胞免疫功能。董少斌认为补充番茄红素可以提高运动员的NK细胞水平、CD4+%、CD8+细胞水平和CD4+/CD8+水平,防止大强度训练导致的免疫能力下降。张更荣、赵文华认为人体补充赖氨酸面粉后T细胞总数,血清白蛋白前体,Ig A、Ig G、Ig M明显升高增强了机体免疫机能。姚烨等对L-赖氨酸在低缺血、低氧状态下保护神经细胞,钙离子超载造成的脑细胞损伤方面进行了探讨。李锋等认为补充维生素E、锌等外源性非酶性抗氧化剂能够通过影响体内氧应激状态,降低体内自由基的水平,能够有效的减轻脂质过氧化,提高机体的抗氧化营养素的储备水平。喻卫红等人通过多方面实验研究对麦胚在营养、保健及医疗等方面的应用展开了深入研究发现麦胚含有碳水化合物、膳食纤维、维生素、多种矿物质和8种必需氨基酸,合理食用具有调节人体血压,增加微血管弹性,降低胆固醇脂化反应,对提高机体免疫力,有强大的抗氧化作用
5 结语
分析国内外文献发现,对武术运动的研究主要集中在武术运动员的代谢特征,供能方式,科学化训练和监控等领域。近些年,营养学领域对大众和其他项目运动员的营养状况和营养恢复手段的研究越来越重视。但针对武术运动员的膳食调查和营养补充的实验研究较少,从武术套路运动代谢供能特点入手,全面了解女子武术套路运动员的身体情况和营养状态,通过膳食调查诊断和营养干预等安全实用的手段,探讨营养补充对武术运动员的体能恢复,疲劳延缓,免疫力提高等方面的潜在应用价值。有助于科学地把握运动量、运动强度,挖掘运动潜力,进一步提高运动员的成绩。
运动与免疫系统研究 篇2
关键词:免疫系统;清睾酮;皮质醇;大负荷游泳训练
中图分类号:G804.7文献标识码:A文章编号 :1007-3612(2009)05-0053-03
A Research on Heavy Load Swim Training on the Relationship betwe en Rats' Immune System andSerum Testosterone and Cortisol
LI Qiongzhi, LIU Xiangmei
(The Physical Department of Hunan Normal University, Changsha 410082, Hunan China)
Abstract: To observe the change of the physiological and biochemical indexes suc h as immune system, serum testosterone and corisol of rats after heavy load swimtraining and the relationship between them. It is found that:1) the degrees ofresponse of immune index, testosterone and the indexes of cortisol are not at t he same level. It should have integrative measurement on the indexes to evaluatethe function for the limit of few indexes.2) To observe the change of these in dexes, it is found that the ratio of T/C can reflect the degree of immune functi on before heavy load swim training or after midload swim training. Although itcan be the measurement index to reflect the degree of immune function, it's notwork after heavy load training, but the immune index works.
Key words: immune system; serum testosterone; cortisol; heavy load swimtraining
血清睾酮和皮质醇作为加速体内蛋白质合成与分解的两种激素,其生化指标在机能评定中已 经得到了较为广泛的应用,而且大负荷训练对血清睾酮和皮质醇水平的影响,也已受到了运 动生理学界广泛深入的研究。目前关于免疫系统和功能在运动中的变化也有较多的报道[1,2]。但血清睾酮和皮质醇与免疫系统和功能之间的关系以及咱运动中的变化却很少 深入 进行研究。本实验旨在通过对大鼠进行大负荷游泳训练,观察大负荷运动前后免疫指标以及 血清睾酮和皮质醇的变化,探讨血清睾酮和皮质醇与免疫系统和功能之间的关系,从而为寻 求机体功能评定指标提供更为科学的依据。
1 材料和方法
1.1 动物及分组 健康雄性Wister大鼠(中南大学湘雅医学院实验动物中心提供)20只,3月龄,体重150～18 0 g。标准啮齿类饲料喂养,自由饮水、活动。室温(20±2)℃,湿度45%±10%,每日光照14h。动物适应环境3 d,记录体重。
1.2 运动方案圆形游泳池,内径50 cm,水深60 cm,水温(30±1)℃。训练组大鼠适应性游泳训练3 d后开 始 正式训练。前2周每天游泳1次,第一次正式游泳训练时间为30 min,以后每天增加5 min。 后2周每天游泳1次,每次通过负重和延长游泳时间令动物达到力竭状态,即游泳动作失调、 水淹没鼻尖、身体下沉后再浮出水面的时间超过10 s,并连续3次,被提出水后,头不能抬 起,放于桌面上不挣扎逃跑。
1.3 实验仪器RT1904C半自动生化分析仪:美国雷杜公司生 产。
RT-2100C酶标仪:美国雷杜公司生产。
1.4 观测指标及测试方法
1.4.1 免疫指标免疫球蛋白A、G、M采用快速免疫比浊法,试剂 盒由上海复星长征医学有限公司提供。
1.4.2 内分泌指标睾酮及皮质醇采用酶联竞争法,试剂盒由德 国DRG仪器公司提供。
1.5 标本采集与处理大负荷训练前以及大负荷训练4周后进 行抽血测试。抽血时间均在上午8～9点,大鼠处于空腹清醒状态,于安静无菌条件下抽取耳 垂静脉血0.5 mL。获得标本后,即刻离心10 min,分 离血清备用。
1.6 实验资料的统计学处理所有数据均以x±s表示,经SPSS13.0统计软件处理,显著性水平取P<0.05(差异显著)和 P<0.01(差异非常显著),并对各指标进行相关分析。
2 结 果
2.1 大负荷训练后指标的测试结果
2.1.1 免疫球蛋白
大负荷训练后,血清IgA、IgG、IgM均呈下降趋势,其中IgA、IgM与赛前值相比有显著性差 异(P<0.05)(表1)。
2.1.2 睾酮、皮质醇在整个观察期内,T、C和T/C的值在大负荷 训练前后均有明显差异(P<0.05)(表2)。
2.2 大负荷训练前后免疫系统与睾酮、皮质醇之间的关系分析 大负荷训练前IgA、IgM与T/C显著正相关(如图1、图2),但大负荷训练后免疫系统与T /C无显著相关性。
3 分析与讨论
3.1 免疫系统的变化 免疫球蛋白是B细胞在抗原刺激下活化增殖并分化为成熟的浆细胞所分泌的具有抗体活性的 糖蛋白分子,除直接对抗相应的病原微生物和毒素外,还能诱发其他各种功能,如补体活化 、吞噬作用等。免疫球蛋白是主要的体液免疫物质成分,它的增高、降低与疲劳、疾病和营 养状况都有一定的关系。
一般认为,运动能提高机体的免疫能力。但运动对免疫球蛋白的影响,各种报道的结论并不 一致。许多研究表明,低强度的运动有益于免疫机能的提高和改善,但高强度的运动则会引 起免疫机能的损害和降低。在运动对免疫球蛋白影响研究中,Verde[3]等研究表明 ,大强度 运动后,血清IgA、IgM大幅减少;Gleeson[4]在12周训练期间对优秀游泳运动员的 组织免疫 、体液免疫分布进行了研究,他认为在训练后唾液IgA、IgM有很多下降,IgG没有显著变化 ;Mgcknnon[5]对14名游泳运动员的免疫系统进行跟踪研究发现,过度训练之后运 动员唾液 IgA浓度显著降低。Nieman[6]等研究表明,剧烈运动无论是短时间最大强度,还是 长时间最 大强度,均能使免疫球蛋白发生显著变化。张达[7]则认为,急性大负荷训练后即 刻进行测 试,IgG、IgA值均有明显的下降,并有显著性差异,IgM有所下降,但是不显著。在本实验 中,大鼠在大负荷训练后,免疫球蛋白IgG和IgA、IgM都呈现出了随着训练负荷的增加而下 降的特点。分析认为,之所以IgM、IgG、IgA运动后均下降,是剧烈运动使机体内包括蛋白 质在内的能源物质大量消耗,而作为存在于血液中的免疫球蛋白,属于蛋白质的一种。其中 IgA、IgM显著下降,而IgG则没有显著变化。这一结果与Gleeson的观点基本一致,与张达报 道则存在一定差距,同时IgA、IgM的变化与Verde等人的文献报道相一致。IgG的下降并不显 著,表明大运动量训练并没有对IgG造成显著影响。提示大负荷训练可以造成免疫球蛋白IgA 、IgM的减少,使免疫功能下降。
3.2 睾酮、皮质醇的变化 T是体内主要的促合成代谢激素之一,它除了维持雄性性功能和副性特征外,可促进蛋白质 合成,使肌肉壮大,刺激红细胞生成,增加免疫能力和抗感染能力,维持雄性攻击意识, T、C都是目前机能评定中应用成熟的敏感指标。C是肾上腺皮质分泌的异化激素,它能抑制 蛋白质的分解代谢,运动后应尽快降至基础值范围,以免能源过度消耗[8]。因此 ,运动后 恢复期,C水平持续较高,是身体机能状态下降的表现[9]。本研究中,C于大运动 量训练后显著升高(P<0.05),T和T/C显著下降(P<0.05),说明大负荷训练使大鼠 机体消耗过大,分解 代谢加强,机能下降。可见,各项免疫指标及睾酮、皮质醇指标对大负荷训练的应答反应程 度不相同,尽管T、C以及T/C比值是目前评定机能最为成熟和敏感的指标,但应用少数指标 进行评定会有很大的局限性。因此,应将各指标进行综合分析,评定机能状态。
3.3 不同训练周期后免疫系统与各血液生化指标的关系 免疫系统不仅是一个自主防御系统,同时也是机体唯一能感受细菌、病毒、肿瘤和其他抗原 物质的感觉器官,而中枢和外周神经系统却感觉不到这种刺激。免疫细胞对这些抗原物质的 刺激识别后,即以肽类激素和细胞因子的形式,传递信息到神经内分泌系统,进行整体性调 控[10],而内分泌系统则通过自身分泌激素和接受神经调节信息两方面,对免疫系 统进行调控,以确保在各种应激下各大系统之间的协调统一和内环境的相对稳定。
在运动训练监控中,T/C比值可用来反映体内合成代谢和分解代谢的平衡状态,是目前较公 认的评定和监测过度训练、消除疲劳状况的灵敏指标。大负荷训练之前,T/C与IgA、IgM高 度正相关(图1、图2);大负荷训练之后,T/C与各免疫指标均无显著相关性。分析认为, 机体在长期的剧烈运动应激下,神经内分泌系统对免疫系统的功能抑制太深,免疫系统只能 通过白细胞介素等信息分子对下丘脑—垂体—肾上腺轴进行反调控,机体处于免疫力下降的 机能下降期,大负荷训练前中等运动量应激则使免疫系统和内分泌系统充分发挥了互调作用 ,有效地维持了机体内环境的平衡稳定,有助于机体尽快恢复。因此,在大负荷训练前,T/ C比值不仅是过度训练、疲劳状况的检测指标,而且也是免疫系统功能的评价指标。
对于血清睾酮和皮质醇与免疫系统和功能之间的关系以及在运动中的变化尽管目前很少深入 进行研究,但已有学者注意到两者之间的关系。匡晶[11]等学者在研究摔跤运动员 冬训大负 荷训练期间若干生化及免疫指标的监测时发现,冬训大负荷训练期摔跤运动员免疫功能显著 下降,是与皮质醇处于较高水平同时存在,但他认为二者之间是否存在必然的联系还有待于 进一步证实。本实验通过研究验证两者之间的关系,认为两者之间的变化存在一定的必然联 系。因此T/C比值可以在大运动量训练周期前或中等负荷训练后作为免疫系统功能的评价指 标。
4 小 结
从各指标的变化规律来看,大运动量训练周期前或中等负荷训练后,T/C比值能够反映出机 体的免疫水平,因此,可用T/C比值作为机体免疫水平的衡量指标。但大负荷训练之后,T/C 比值无法再反映机体的免疫水平,则必须测定免疫指标来评定免疫水平。
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运动与免疫系统研究 篇3
miRNA-124属于高度保守的miRNAs家族, miRNA-124是在小鼠的脑内被发现, 其中大脑皮质的含量最高, 并且其在果蝇、线虫到哺乳动物等两侧对称的动物中均有一致性的表达。人类miRNA-124的3个编码基因位于8q12.3、8p23.1和20q13.33, 其启动子内均含Cp G岛, 后者甲基化, 可使miRNA-124编码基因沉默, 使miRNA-124的表达异常, 从而诱发多种疾病产生及发展。与其他miRNA表达相似, miRNA-124基因的产生通过转录、细胞核加工、核输出、细胞质加工四个步骤。RNA聚合酶Ⅱ与miRNA基因上游启动子结合, 转录为初级转录物, 初级转录物可自发形成茎环结构, 主要包含内含子、3’端多聚腺嘌呤和5’端帽子;初级转录物在核酸酶Drosha作用下被剪切为70-100 nt发卡miRNA前体, 然后在转运蛋白Exportin-5的作用下由细胞核转运到细胞质中, 在Dicer内切酶的切割下变为成熟的21~24的双链miRNA。成熟miRNA可以与信使RNA (miRNA) 3’端非编码区 (3’UTR) 相结合, 成熟的miRNA对特定的靶miRNA进行转录后调控, 主要有两种方式:降解和阻遏基因转录后的翻译过程。并且miRNA可以有多个靶基因, 形成复杂的调控网络, 精细调控基因的精细表达。
miRNA-124可诱导炎症及免疫系统紊乱, 影响自身免疫性疾病的发生发展, 本文就miRNA-124的作用及在免疫系统和炎症中的研究现状进行综述。
1 miRNA-124与免疫系统
免疫系统是机体保护自身的防御性结构, 执行免疫应答及免疫功能, 是防卫病原体入侵最有效的机制, 它能发现并清除异物, 近年研究发现, miRNA-124在对免疫细胞信号转导的调控发挥着巨大的作用。
1.1 miRNA-124与巨噬细胞
巨噬细胞表现出高水平的异质性, 其活化有两种不同的模式, 经典的M1路径与炎症和组织损伤相关, M2路径在过敏性免疫反应、组织维护和修复中起重要作用。但是M2型巨噬细胞的激发机制不明确, Veremeyko等[2]研究表明在巨噬细胞中过表达的miRNA-124导致M1型巨噬细胞表面标志物 (MHCⅡ类, CD86) 下调同时M2型巨噬细胞表面标志物上调, miRNA-124作为在体外和体内巨噬细胞向M2型巨噬细胞极化起重要作用。
Ma C等[3]研究发现结核分枝杆菌感染诱导的肺脏上皮细胞和肺泡巨噬细胞后, miRNA-124表达上调, miRNA-124可直接调控TLR信号途径中的靶基因My D88、TLR6、TRAF6和肿瘤坏死因子-α转录后水平, 对免疫反应起负调控作用, 同时过表达和RNA干扰抑制My D88表达可分别提高和降低细胞内miRNA-124转录水平。该研究证明miRNA-124和TLR负反馈调控环在机体抗结核分枝杆菌感染过程中的免疫调控作用与机理, miRNA-124可作为治疗结核病的一个靶位点。
急性肺损伤/急性呼吸窘迫综合征是机体受外界刺激而引发的复杂的呼吸系统疾病。肺内的肺泡巨噬细胞参与这一过程, 主要症状为低氧血症、弥漫性肺细胞损伤和肺水肿。王易林等[4]研究发现肺泡巨噬细胞中的核受体超家族成员之一过氧化物酶增殖体激活受体 (peroxisome proliferators activated receptor, PPAr) 通过上调miRNA-124抑制肺泡巨噬细胞炎症反应, 同时该通路对小鼠急性肺损伤有保护作用, 表明PPAr和miRNA-124对急性肺损伤有保护作用, PPARr和miRNA-124有望成为急性肺损伤防治的新靶标。
1.2 miRNA-124与T淋巴细胞
CD4+T淋巴细胞是人体免疫系统中一种重要的免疫细胞, CD4分子分布在T细胞的表面能指挥身体对抗微生物、病毒。CD4+T根据生物功能和细胞因子的不同, 分为Th1和Th2细胞亚群。Th1细胞活化巨噬细胞清除病原微生物;Th2细胞由嗜酸性粒细胞引起的炎性反应, 清除细胞外病原微生物。CD4+T细胞分化调节机制的研究尚不明确, 目前有研究表明miRNA对于CD4+T细胞活化及分化的调节起重要作用, 甲基化DNA结合蛋白2 (Methyl Cp G binding protein2, Me CP2) 在CD4+T细胞中的功能未知, Jiang等[5]发现Me CP2是促进Th1, Th17分化的重要调节分子, 主要通过调节miRNA-124的表达影响细胞因子信号抑制分子5 (suppressor of cytokine signaling 5, SOCS5) 的蛋白质水平, 进而影响信号转导子和转录激活子1 (signal transducer and activator of transcription 1, STAT1) 和STAT3的活化, 调节Th1细胞和Th17细胞的分化。Bo等[6]发现miRNA-124的表达能影响白细胞介素-2、干扰素-γ和肿瘤坏死因子-α的表达, miRNA-124间接影响T细胞介导的特异性免疫应答。
1.3 miRNA-124与类风湿关节炎滑膜细胞
近期研究发现miRNA表达水平在自身免疫性疾病中发生变化, 包括类风湿性关节炎、系统性红斑狼疮、银屑病。类风湿关节炎 (rheumatoid arthr it is, RA) 是自身免疫性疾病, 主要特征为关节滑膜慢性炎症。RA患者滑膜液和滑膜组织中有多种细胞因子和免疫细胞, 它们与RA的发生发展密切相关。Nakamachi等[7]发现miRNA-124参与类风湿关节炎的发病过程, miRNA-124在类风湿关节炎病人滑膜细胞的表达水平明显少于骨关节炎病人。在类风湿关节炎病人的滑膜细胞转染miRNA-124的前体将明显抑制细胞增殖, 发生在细胞周期的G1期, 推断miRNA-124结合在激酶2 (cyclin-dependent kinase 2, CDK2) 和单核细胞化学引诱物蛋白1 (monocyte chemoattractant protein 1, MCP-1) 的特定位点上抑制CDK2和MCP-1蛋白质的生产。本研究表明miRNA-124通过对类风湿关节炎病人的滑膜细胞转录后调控来参与类风湿关节炎发病。
2 miRNA-124与疼痛和炎症
炎症是对于生存至关重要的生理过程, 是生物组织受到某种刺激如外伤、感染等损伤因子的刺激所发生的一种以防御反应为主的基本病理过程, 但同时它又是人类多种疾病与死亡的主要诱因。炎症过程会有一连串的化学物质包括细胞的酵素系统、补体系统和菌细胞的作用 (尤其是嗜中性白细胞及巨噬细胞等交互作用, 及大量促炎细胞因子产生, 从而引起器官损伤和衰竭。
2.1 miRNA-124与炎症
miRNA-124是一个重要的炎症相关miRNA, miRNA-124可抑制TLR通路, 抑制下游核因子-κB (nuclear factor-κB, NFκB) 的活化, 发挥抗炎作用[8]。胆碱能抗炎通路是新近发现的神经-免疫调节通路, 它的激活可以有效减少多种促炎因子的释放, 对全身和局部炎症均具有明显的抑制作用, 为调节细胞因子功能和炎症反应提供了潜在的有效途经。Yang[9]提出胆碱能抗炎的miRNAs机制, 筛选出了参与胆碱能抗炎的miRNA-124, 并从细胞和动物水平验证了miRNA-124的抗炎作用。阐明mi R-124通过靶蛋白STAT3来调节白细胞介素-6的RNA与蛋白水平, 通过降低肿瘤坏死因子蛋白稳定性来调节肿瘤坏死因子蛋白表达。
2.2 miRNA-124与炎症肠病
罗恩病 (Crohn's disease, CD) 是一种慢性复发性炎症性疾病, 其病变累及整个消化系统, 其发病机制尚不清楚, 普遍认为是由免疫、环境、遗传等因素共同作用所致。芳香烃受体 (arylhydrocarbon receptor, AHR) 在一些自身免疫性疾病的发病中起重要作用。它的异常表达会扰乱Th17及调节性T细胞之间的平衡状态, Chen等[10]通过定量聚合酶链式反应检测发现miRNA-124在CD患者病变肠道黏膜组织中表达上调, 生物信息学预测软件发现AHR可能是miRNA-124的靶点之一, 可调节AHR蛋白的表达。本实验证实了AHR是miRNA-124的靶点之一, 为miRNA-124用于CD的诊断及治疗提供了初步的理论依据。在炎症时STAT3具有两面性, 它过度表达会引起炎症性关节炎的自发发生, 同时它能正性调控JAK/STAT通路控制肺损伤发生。Koukos等[11]的研究发现miRNA-124可直接靶向转录激活因子3 mRNA, 活动期溃疡性结肠炎 (ulcerative colitis, UC) 患儿结肠组织中miRNA-124表达降低, STAT3表达和活性增强, 提示可通过上调miRNA-124抑制STAT3活化, 进而抑制UC患者的结肠炎症的发生发展。
2.3 miRNA-124与疼痛
近来研究发现miRNA-124对小鼠的慢性炎性疼痛及神经性疼痛有一定的治疗作用[12]。在疼痛模型的小鼠中, 促炎因子逐渐增多, 鞘内注射不同剂量miRNA-124后, 可抑制小胶质细胞的激活, 减少促炎因子的释放, 使促炎因子与抗炎因子的比值趋于正常化, 进而大大提高慢性疼痛小鼠的痛阈。另有研究[13]指出, 小鼠脊髓损伤后, 在损伤后1至7天, 损伤部位周围组织中观察到miRNA-124的表达显著降低, 具有时间依赖性, 可能与脊髓损伤后的炎症反应有关。miRNA-124是慢性神经性疼痛大鼠模型体内表达最多的miRNA, 可增加脊髓小胶质细胞内G蛋白偶联受体激酶2的表达, 从而降低小胶质细胞或巨噬细胞M1/M2亚型比例, 使小胶质细胞或巨噬细胞处于静息状态, 可缓解疼痛[14]。Ponomarev等[15]研究发现, miRNA-124的过表达能明显抑制实验性自身免疫性脑脊髓炎, 减少中枢神经系统炎症和疼痛。miRNA-124与C/EBPa结合并抑制其活性, 导致其下游基因PU.1活性随之受到抑制, 使小胶质细胞表型由炎性向静息状态转变。
运动与免疫系统研究 篇4
1 对自然杀伤细胞 (NK细胞) 的影响
自然杀伤细胞 (NK细胞) 是一类不同于T、B淋巴细胞的一个具有直接杀伤靶细胞效应的特殊淋巴细胞系, 具有杀伤效应的靶细胞包括肿瘤细胞, 病毒和细菌感染的细胞等。因此, NK细胞具有广泛的抗肿瘤, 抗感染和免疫调节作用。大量研究表明, [1]运动强度, 运动时间是NK细胞活性的重要调节因素, 同时, 个体的体质水平也会影响运动对NK细胞活性的作用。中等强度和短时间高强度 (持续几分钟) 运动后外周血NK细胞升高, 尤其是CD16阳性细胞。运动结束后外周血中的NK细胞浓度回落, 甚至低于运动前安静值。这种情况尤其见于运动强度超过75%VO2max, 并持续1小时以上, 伴随NK细胞数的下降, NK细胞活性也明显低下, 这种现象在训练后2~4小时表现最为明显。改变程度与训练水平和性别等因素无关。但是, 在适宜的运动强度和持续时间下, NK细胞数和细胞活性的提高并不一致。单细胞毒性的检测证实, 运动后NK细胞杀伤力提高。不同强度, 不同持续时间的运动对不同体质的受试者比较发现, 不同体质水平的人NK细胞对运动的反应有显著性差异。体质水平较低者安静时NK细胞数较高, 运动后NK细胞百分数亦较高, 运动后30分钟恢复到原来水平;而对运动训练产生良好适应的机体在自然免疫机能方面也产生了某种适应, 运动应激时动员的NK细胞数减少。
2 对淋巴细胞的影响
2.1 对T细胞的影响
已有证据表明短时间高强度运动能造成暂时性免疫机能受抑制, 表现在淋巴细胞数量和功能的显著降低, 这种变化在运动员未受到运动训练的个体均可发生, 并持续数小时。[2]如此每周几天, 每天几小时重复性运动, 可周而复始地抑制免疫机能导致T淋巴细胞反应降低, 免疫球蛋白产生降低以致使机体对传染源 (特别是病毒) 的识别能力降低, 所以抵抗能力下降, 因而发生感染, 运动员在高强度大运动量运动后, 特别当机体对负荷量尚未能适应, 或超出其承受能力时, 其免疫机能可受到显著的不良影响。
体现在T细胞的数量和功能上的改变, 以及T细胞亚群的分化上。目前研究表明, 中小强度运动能引起淋巴细胞数目的增多, 而大强度则可引起林巴细胞数目下降。Edwards等观察, 短时间小强度运动 (5min上下楼梯跑) 和中等强度 (功率自行车运动, 心率达150次/min) 运动引起Tn、Ts增多。Landman报道以25%、50%、75%VO2max强度各运动3min能引起淋巴细胞亚群数量上升。长时间中等强度运动 (60%VO2max强度运动2h) 也可使淋巴细胞增多。关方德报告39例伴有各种疾病的老年人进行冬季冷水浴, 淋巴细胞绝对计数上升。Roberson在实验中发现, 长时间大强度运动至衰竭时。淋巴细胞特别是T细胞水平也见升高。袁家齐等观察了15名老年长跑爱好者。运动后即刻T淋巴细胞百分率上升, 2h后淋巴细胞百分率上升和淋巴细胞转化功能均上升。[3]Brahnil (1985年) 报告, 极限强度运动可使运动员体内免疫系统的机能产生暂时性的抑制。使淋巴细胞的数目及机能显著下降。有报道说, 在极限运动后。辅助性T淋巴细胞 (CD4+Th细胞) 数减少而抑制性淋巴细胞 (CD8+Ts细胞) 数增加, 导致CD4+/CD8+细胞比值显著降低。而强度越大、持续时间越长的运动, CD4+细胞减少的程度就越大 (Kendal A) 。由于CD4+、CD8+淋巴细胞分别具有促进和抑制免疫功能的作用。因此CD4+/CD8+细胞比值的降低可能反映了机体免疫力的下降。
2.2 对B细胞的影响
长时间剧烈运动引起血浆皮质醇升高, 升高的程度、持续时间取决于运动强度和时间。皮质类固醇激素是一种免疫抑制剂, 抑制B细胞功能, 使抗体生成减少, NK细胞活性下降。还体现在对抗体产生的影响, 有资料显示[4], 运动与s Ig A的水平变化具有十分密切关系。连续的高强度运动或超长时间运动会降低运动员安静s Ig A水平.Nie-man L7经大量流行病学调查后, 在分析结果时, 把运动强度和持续时间作为横坐标, 以运动后恢复期上呼吸道感染发生率为纵坐标, 发现运动强度和时间与感染之间存在类似“J”形曲线关系, 提示当运动强度和时间都较适宜时, 运动后的上呼吸道感染率最低, 表明适宜的运动有利机体抵御外界致病因素的侵袭。张勉发现在田径大强度训练后唾液s Ig A含量比训练前高, 并有显著差异 (P<0.05) , 这一结果亦可能与强度和量的把握有关。这些研究结果的不一致从另一方面说明了不同个体的免疫系统对运动的反应存在明显的差异。
3 对巨噬细胞的影响
巨噬细胞具有迅速消除体内异物的功能, 将抗原刺激的信息传递给具有免疫活性的T、B淋巴细胞。实验证明。中小强度运动后, 能使巨噬细胞在数目上增多, 大强度则减少。Fellr等对耐力训练后, 腹膜巨噬细胞的酶含量和吞噬作用的活性测定发现, 耐力训练后细胞内酶含量提高和吞噬活力增强。剧烈的运动能促使单核一巨噬细胞、中性粒细胞释放前列腺素。对NK细胞活性进行负调节 (Downregulation) , 衰竭性运动后使中性粒细胞的粘附性、杀菌性及细胞内溶菌酶含量减少。
4 对单核细胞的影响
单核细胞具有强大的吞噬功能和杀伤肿瘤的作用。大多数运动能使单核细胞增加, 从而增强机体的免疫力和运动员体质有研究证明, [5]马拉松运动员跑步3h, 休息5min和1.5h后。血中单核细胞分别增加67%和79%;自行车运动员运动前、中、后休息2h, 测得运动中单核细胞明显高于运动前后;在6min快跑即刻测得的单核细胞数目增加, 运动后18h恢复到运动前水平, 这种改变可能与器官对疲劳的反应有关。
5 对中性粒细胞的影响
中性粒细胞是血液中数目最多的自细胞, 约占总循环白细胞池的50%~60%。是机体非特异性免疫功能的一个重要组成部分。参与多种病理性的炎症反应。有研究表明出, 长时间运动中会出现中性粒细胞增多的现象。自行车运动员耐力运动前、中、后2h所测得的中性粒细胞数目在运动中明显增加:长跑运动员运动前、中、后24h和72h测得的数目也是在运动中增加较为明显。也有报道指出, 在剧烈的长时间运动后会出现中性粒细胞增多的现象。对每周进行67km持续12个月训练的马拉松运动员运动前、中、后1.5h、6h和24h测得的中性粒细胞数目进行比较。在运动后短期明显增加。中性粒细胞的功能在静息或运动后的运动员比非运动员有所减弱, 并且大强度运动比中等强度运动中性粒细胞的功能要弱圈。[6]长跑运动员在强化性训练后的安静状态和运动后24h。中性粒细胞噬菌作用的活性比中等强度训练后的要低。还有研究表明, 急性运动会引起中性粒细胞数量产生一连串的变化, 并可能会影响到某些白细胞亚型。有报道急性运动后即刻CD63表达下降, 在随后的恢复期内上升, CD11a和CD11b的表达并没有产生伴随性变化。也有报道指出急性运动触发表达CD11b的中性粒细胞数量的明显增加。运动后粘附分子表达的增加会有助于中性粒细胞渗透到受损伤的组织, 运动可以影响中性粒细胞的功能。总的来说, 中等强度的运动可以提高中性粒细胞的功能, 包括趋化性、吞噬作用和氧化杀菌作用, 而大强度运动可以降低中性粒细胞的功能。
参考文献
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运动与免疫系统研究 篇5
近年来, 运动免疫研究已经成为全世界运动科学领域内最热点的前沿课题之一。各国专家学者在重点探讨运动性免疫抑制机理的同时, 也试图探讨降低运动性免疫抑制效应的有效措施。这些措施主要集中于通过营养补充改善免疫机能方面, 整体效果不很理想。因此, 我们的研究目的为: (1) 观察女子400m跑专项比赛前后运动员免疫机能的应答与恢复特征, 为安排训练课及课间间歇提供依据; (2) 观察女子400m运动员在连续训练影响下运动员免疫机能发生的适应性变化, 为安排中长周期训练提供依据。
研究对象与方法
1. 研究对象
系陕西省田径队女子400m跑运动员8名, 其中健将级3人, 1级3人, 2级2人。平均年龄17.25±2.43岁, 体重58.37±6.8kg, 身高1.71±0.08cm, 训练年限3.87±1.19年。
2.研究方法
实验设计为:①大运动量训练课中, 分别于赛前、赛后即刻、恢复3小时及恢复24小时采集静脉血样, 观察运动员免疫机能对负荷的应答性反应;②女子400m专项比赛, 观察运动员免疫状态的改变;
3.测定的免疫指标
测定的免疫指标包括:血乳酸;免疫细胞:白细胞总数、及其三大亚类淋巴细胞、中性粒细胞、单核-巨嗜细胞数及% (采用血细胞自动分析仪) ;免疫球蛋白IgA、IgG、IgM;补体C3和C4 (采用放射状免疫扩散法) 。
4.测试仪器与材料
免疫球蛋白 (IgA、IgG、IgM) 和补体 (C3、C4) 的免疫单扩散定量检测板 (北京华夏科海医用检测试剂开发研究责任有限公司) ;YSI-1500 SPORT血乳酸自动分析仪;全自动血球分析仪 (美国.MET BC-2000) ;CH-B14S-T型生物显微镜 (日本产) ;LXJ-II型离心沉淀机 (上海医用分析仪器厂) 。
5.实验步骤及条件
取安静时、运动前、运动后即可、恢复3小时、恢复24小时, 肘部静脉血样8毫升。其中20微升用于测试血乳酸, 3毫升用无菌抗凝测定血细胞, 其余血液自然凝固后离心提取血清, 冷冻备用。为减少系统误差, 测试全部选用同一批运动员, 同一批号试剂, 同一套仪器, 同一方法, 同一批操作人员。
6.数据处理
采用SPSS统计软件对两种运动安静时、运动后即刻、3小时、24小时各指标进行统计和T检验。
大运动量、大强度训练的强度和主要内容
测试结果
1.大运动量、大强度训练血乳酸的变化 (表2略)
2. 大运动量训练免疫球蛋白及补体的变化 (表3略)
3. 大运动量训练免疫细胞的变化
注:与安静状态相比
讨论与分析
1.大运动量、大强度训练血乳酸变化的主要原因。
(1) 大运动量、大强度负荷对运动员机体的刺激程度均很大, 以致骨骼肌等组织中乳酸生成速率加快, 故血乳酸值大幅度增高;
(2) 大运动量、大强度训练后, 引起的血乳酸值升高, 符合采用高乳酸训练提高优秀400m跑运动员成绩的思想;
(3) 大运动量训练由于在长时间较大强度下持续运动, 因此, 比一次性短时间大强度训练对运动员机体代谢产生的刺激要大, 故机体产生的乳酸要高, 恢复时间也长;
(4) 两种不同训练引起的血乳酸的变化及恢复情况说明测试对象具有一定的训练水平。
2.免疫球蛋白及补体对大运动量、大强度训练的免疫应答及恢复特征。
免疫球蛋白有IgG、IgA、IgM、IgD和IgE等五种, 其中IgD和IgE含量非常少, 占血清中免疫球蛋白总含量的2%, 且部分功能未明。因此, 本研究主要选取IgG、IgA、IgM三种主要的免疫球蛋白作为体液免疫的代表性指标。
(1) 此结果与Pedersen (1988) 等研究报道, 运动可暂时改变机体的体液免疫状况基本一致。Gameron (1989) 等研究结果相反。剧烈运动能提高淋巴液的转运, 而淋巴液中存在大量的免疫球蛋白, 它们可随淋巴液进入到血液中。所以大运动量、大强度训练后免疫球蛋白水平的提高可能来自于血管外蛋白和淋巴液。IgA、IgG、IgM在运动后3小时、24小时基本恢复, 这与运动员经过专项训练机能能力得到提高, 使免疫球蛋白处于较稳定的正常状态及适宜的运动负荷和合理的营养改善免疫系统的机能水平有关。
(2) 补体对大运动量、大强度训练的免疫应答及恢复特征补体系统有20余种成分组成, 研究选取了其中生物作用最突出, 在补体两条途径中起关键作用, 且在血清中含量最高的C3和C4作为补体系统的代表性指标。
通过免疫细胞对大运动量、大强度训练变化比较发现, 单核细胞在大强度训练后增高幅度高于大运动量训练, 而中性粒细胞则相反, 即大运动量训练后即刻高于大强度训练, 白细胞、淋巴细胞在大运动量、大强度训练后变化不明显。
结论
1.大运动量训练后IgA、IgM及C4增高明显, IgM在训练后的恢复且具有滞后性。
2.大强度训练后即刻IgM、IgA升高, 其中IgM升幅最高。
3. 大运动量训练白细胞总数增加且以中性粒细胞和淋巴细胞的增多为主, 单核细胞则变化不大。中性粒细胞在大运动量训练后可持续升高达3小时。
4. 白细胞总数、淋巴细胞、中性粒细胞及单核细胞在大强度训练后均都增高, 免疫细胞对大强度训练的反应强于大运动量训练, 尤以单核细胞突出。
5. 大运动量、大强度训练引起的免疫反应是暂时的, 24小时后则可恢复。
参考文献
[1]沙继斌:运动、白细胞、免疫调节, 天津体育学院学报, 1998, 3:7-12
[2]郝选明等, 红细胞免疫功能对有氧运动适应性变化特征, 体育科学, 1999, No.6
运动与免疫系统研究 篇6
我国矿难事故时有发生, 为了减小事故损失, 可以采用机器来代替人类在危险、有害、恶劣以及超净环境下工作, 并可以提高劳动生产率, 改善产品质量, 快速响应市场要求, 加强在国际市场的竞争能力。让机器人拥有像人一样的“眼睛”, 是众多学者一直探索与追求的目标。人们感受客观世界80%以上的信息是由眼睛得来的, 因此视觉信息的研究是当前信息研究的重点之一[1,2]。和人的视觉组织一样, 机器人视觉系统在机器人的研究和应用中占有十分重要的地位, 对机器人的智能化将起决定性作用[3]。
1 双目立体视觉运动平台的建立
1.1 运动平台的成像原理
为使机器人具有与人一样的视觉特征, 双目视觉平台的视觉设计就由左右两部摄像装置构成, 如图1所示。三维空间中任意一点A (X, Y, Z) 在左、右两摄像机上的投影面上成像点分别为al (ul, vl) 和ar (ur, vr) 。这两个像点是空间中同一个对象点A的像, 称为“共轭点”。通过这两个像点, 分别作它们与各自摄像装置的光心Ol和Or的连线, 即投影线alOl和arOr, 它们延长线的交点即为空间点 (X, Y, Z) [4]。
1.2 运动平台的建模
在设计平台时, 摄像装置本身没有自由度, 为了能实现双目扫视功能, 要求视觉平台设计具有相应的自由度。根据人眼运动特征, 我们设计的视觉平台有3~4个自由度, 分别为两只可以独立旋转并可以巡航的 “眼睛”以及类似人头部可以俯仰、旋转的“脖子”, 其结构如图2所示。
比照人的视野范围, 我们设计视觉平台的运动参数如表1所示。
由于摄像机本身的重量, 在运行过程中, 为使质量尽量小, 参照目前已有机器人的摄像装置, 我选择的重量大致为150g~260g。
根据以上参数, 设定系统头部的最大转矩为Mmax, 可由式 (1) 求出其转矩:
式中, J为摄像装置的转动惯量;
α为加速度, 其最大值60000/s2, 代入到式 (1) 中可以得到
同时设定摄像机的转动惯量为Jz1。根据力学的相关知识分析得到, 摄像装置转动的转动惯量由式 (2) 可以求得。
式中:
L=51mm (镜头长度) ;R=32mm (镜头半径) ;
a=50mm (轴间距) 。
以上数据为摄像机的参数。
将上述参数带入式 ( 2 ) 中, 得到JZ1=5796.86g.cm2。
整个平台的转动惯量由式 (3) 得出:
式中:
b=c=54.5mm (摄像装置的尺寸) 。
可得:
由以上数据可以得到系统负载的最大转矩:
负载功率:
运用三维建模软件UG建立运动平台模型, 头部俯仰运动如图3所示。它的工作原理是:头部驱动装置1输出动力, 带动齿轮2、传输带3和4组成第一级传动, 再经过传输带5、6和带轮7组成第二级传动, 实现平台头部俯仰运动。
系统左右巡航运动如图4所示, 它的工作原理是:驱动电机8的输出动力, 经过带轮9、10 和带轮11组成的平台的第一级减速传动, 再经带轮12、13和16组成的第二级传动, 最后经过圆锥齿轮14和15, 最终将电机的动力传输到摄像装置上, 实现视觉平台的左右巡航运动。由于左右两装置结构是一样的, 因此它们的运动传动方式相同。
2 视觉运动平台控制系统分析
在设计视觉平台过程中, 如何精准的控制左右巡航运动和俯仰运动的速度以及位置精度是控制指标主要考虑的因素[5,6,7], 因此控制系统的设计必须对伺服电机的位置和速度信息的实现闭环反馈。具体的控制系统方案如图5所示。
系统的控制是通过增量式编码器的反馈对伺服电机的位置进行失步检测实现的, 如果出现伺服电机失步的情况, 增量式编码器会快速将伺服电机恢复到正确的位置上[8]。因此在本平台中, 系统的每一个自由度, 都是由一个位置检测反馈系统来进行控制的。控制系统为二阶系统, 传递函数为:
按照给定的设计指标和性能指标, 假设最大超调量为σp=2%, 峰值时间tp=1 s, 分别带入到式 (5) 和式 (6) 中, 得ζ =0.78, ωn=5.02rad/s。
系统允许的范围内, 分别对眼睛的左右巡航和头部运动输入一个正弦曲线进行跟踪[9,10], 来检验系统运动平台在跟踪目标物体时, 系统各独立运动的协调性和位置精度。然后设定系统运动PID控制器设定参数。 眼睛巡航的P I D参数为:Kp=140, Ti=0.4, Td=1.5;头部运动的PID参数为:Kp=22, Ti=0.3, Td=1.2。 最后设置MATLAB仿真算法解算器为基于数值微分的变阶算法0de15s, 仿真时间设为10s, 启动仿真。
由图6、图7可知, 系统通过对伺服电机进行PID闭环控制, 位置的控制便可以得到有效的保证, 并且可以消除电机位置振荡现象, 系统的位置跟踪迅速, 效果明显, 保证了整个运动平台运行的平稳性和可靠性, 达到设计要求。
由图8可知, 当系统启动时, 电机需要克服重力和传动链的静摩擦力, 因此电机输出的控制力矩达最大峰值, 然后作用力将逐渐变成动摩擦力, 阻力随着时间逐渐变小, 因此控制巡航的电机输出力矩也随之逐渐变小最终进入稳态平稳的过程。由图9可知, 初始状态, 平台的“头部”处在平衡位置, 当平台开始运动时, 头部逐渐失去平衡, 因此电机的控制力矩瞬间增大。当头部做往返运动时, 头部将持续承受相同的惯性, 控制电机不断调整控制力矩来满足系统处于动平衡状态。
因此, 系统实行PID闭环控制以后, 电机控制力矩根据反馈控制系统进行实时的检测和刷新, 使系统运行得更加平稳。这样可以有效控制系统位置精度的同时避免由于运动力矩的突变而引起电机失步现象。
3 结束语
本文针对视觉运动平台进行设计建模, 并利用MATLAB软件对系统的运动和电机的力矩进行分析, 得到的PID闭环控制系统由于有实时的检测和刷新, 系统变得更加平稳和具有良好的响应性能。
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运动与免疫系统研究 篇7
文中拟以体育运动视频图像为主要研究对象,以视频处理技术为主要研究手段,设计并实现一种集合视频控制、全景图合成、静态背景抑制、运动目标跟踪及量化等功能为一体的体育运动分析系统。
1 系统设计需求分析
传统的体育运动分析主要是基于经验和人眼的观察和分析方法,显然此类方法具有明显的局限性和不足。
体育运动分析的主要目的就是通过分析运动员训练和比赛的视频图像,利用视频图像在时间和空间上的相关性,得到各种人体运动学参数[1,2,3,4]以及运动员和教练员感兴趣的各类信息,实现科学指导训练。
文中借助Visual C++.net 2003开发平台,研究和设计了一个基于视频的体育运动分析系统,实现了对运动视频的定性和定量分析,具有很强的实用性。
2 系统功能设计及其算法实现
2.1 系统总体功能设计
文中主要针对单目视频进行人体运动分析,利用Directshow技术对运动视频进行控制;利用基于马赛克的图像拼接技术,提取视频中的背景信息,对视频图像进行时域分割,提取视频中的运动目标,最后合成全景图像;利用帧间差分法滤除静态背景,实现背景抑制;结合卡尔曼滤波和色块匹配技术,对运动关键部位进行自动跟踪,并获取人体运动学参数建立基于视频的体育运动分析系统[5]。
系统主要功能框架,如图1所示。整个系统由4部分组成。
2.2 视频控制
DirectShow使用一种叫Filter Graph的模型来管理整个数据流的处理过程;参与数据处理的各个功能模块叫做Filter;各个Filter在Filter Graph中按一定的顺序连接成一条“流水线”协同工作。
本系统采用先进的DirectShow视频播放技术,根据教练和运动员进行动作分析的需要,增加各种速率视频播放、视频图像剪辑、逐帧图像显示等功能。
2.3 全景图合成
相邻帧间两幅图像的关系便归结为初等坐标变换,即平移、旋转、仿射、双线性和透视变换的组合。实际上当摄像机的移动的幅度不是很大并且离景物很远的情况下,对视频图像进行拼接时就可以不考虑图像间的变形失真,此时两图像间的变换矩阵M由下式确定
对于8个参数的确定需要准确的确定4个匹配点,然后通过式(2)就可以确定变换矩阵M,M的确定,如图2所示。
当前帧
4组匹配点就可以完全确定含有8个未知数的8个方程。这些方程全是线性方程组,可以通过Gauss全选主元消去法进行求解。
假设已经通过相关匹配到3组点(A,A′),(B,B′),(C,C′),由于帧间变化的渐变性,A点的位移幅度应该和B点及C点的位移幅度相近,否则就说明有误匹配出现。取如下定义
rang
若出现
整个误匹配的消除过程中采用的举手表决的方式,对于4组点误匹配的消除,选取模板的时至少选5组,只有这样才不会出现类似于正确对错误为2∶2的情况。
由于在重叠区域直接取两幅图像中其中的一幅进行图像合成,很容易在重叠区域的边界处形成明显的拼缝,因此,需要采用图像融合技术合成全景图。
以左右拼接的两幅图像I1(i,j)和I2(i,j)为例,则重叠区域图像的像素值I(x,y)可表示为
I(i,j)=d(i)I1(i,j)+(1-d(i))I2(i,j) (4)
其中,d(i)为融合系数,它与离边界的距离成正比关系,上述计算是按扫描线逐条进行的,因此该方法适用于任意形状的两幅图像的融合。
图3为全景图合成结果。图3(a)～图3(d)为要合成的视频图像中提取的4帧,图3(e)为合成的背景全景图,图3(f)为添加了运动目标后的全景图。
2.4 静态背景抑制
静态背景抑制功能是对定点拍摄的运动图像进行图像融合,得到纯净背景下的整个运动过程图像,对于削弱背景及拍摄条件对成象质量以及成象效果的影响有着很明显的效果。
对于静态背景抑制,本系统在相邻帧差分方法的基础上提出了利用多帧图像差分进行目标分割的方法,对于做差得到的对应的残差图进行二值化操作后进行相与运算,这样可以很好的提取运动区域,消除噪声的影响。其算法流程图,如图4所示。
多帧图像的差分运算就是取当前帧和它前面的Ir+1～In以及它后面的Ir-1～I1分别做差,其公式如下
对于差分得到的图像,对它们进行阈值分割,将差分图像转换为二值图像。
其中,T为阈值,阈值的设定采用经验法。之所以采用这种方法是因为此方法同其它方法相比,无需较多计算量,满足实时性的要求。
对二值化的残差图进行与操作就可得到运动目标Ir的二值图像。
Ir=ID1&&ID2&&…&&IDn (7)
由于获取视频序列场景中各种因素的影响,与操作得到的运动区域中不可避免地会留下大量的噪声点。另外,图像中对应于运动目标的区域也会出现不同程度的碎化。二值形态学中闭运算,即先膨胀后腐蚀运算,在邻域合并和噪声去除方面效果明显。
对于经过上述一系列操作得到的运动区域图像,采用将运动区域图像与原图像中的像素点逐个比较,对于二值化运动区域图像中为0的点,原图像对应点的灰度值标定为0;对于二值化运动区域图像中为1的点,原图像对应点的灰度值保持不变。这样,运动目标就被提取出来,结果如图5所示。
2.5 运动目标跟踪及量化
用Kalman滤波和色块匹配可以搜索出视频文件中的各个关键点在每一帧的具体位置,从而可以算出每一帧图像的各个关键点的速度(和像素对应),然后将这个速度对应到具体的人上就可以求出运动员各个部位的运动参数:位置速度,加速度。非常方便对运动员训练的分析。
Kalman滤波是以最小均方误差为准则的最佳线性估计和滤波。Kalman滤波只需要根据前一个估计值和最近一个观测值来估计信号的当前值。它是以状态方程和递推的方法进行估计的,而且所得到的解是以估计值的形式给出的。
文中将Kalman滤波应用与预测目标在下一帧中的参数,对于体育运动视频图像,近似认为目标做匀加速直线运动,由牛顿力学公式可得
Xk=Xk-1+X′k-1T+1/2X″k-1T2 (8)
Yk=Yk-1+Y′k-1T+1/2Y″k-1T2 (9)
其中,T为两帧时间间隔,根据Kalman滤波方程
X(k)=AX(k-1)+W(t-1) (10)
因此在系统中选取
由此,可以通过状态方程和量测方程得到运动目标下一帧的预测信息,并根据预测信息进行匹配,实现跟踪。
文中采用了一种基于子像素的相似度算法。
设源目标的矩形左上角坐标为X0,Y0。矩形的长为m,宽为n,X1,Y1点是Kalman滤波预测的下一帧目标左上角的坐标。
那么要匹配的目标的左上角的坐标,在以预测点X1,Y1为中心长为dy宽为dx的矩形内,其中dx,dy可由用户确定。
以X1,Y1点为中心长为dy,宽为dx的矩形中的任何一点为匹配目标矩形的左上角,将该矩形内的颜色信息保存下来和源目标对应点的RGB分别作差再取绝对值,并将所有的值加起来,记为diff,最后再对diff取倒数,记为S。将S记为两个图像之间的相似度,S越大相似度越高。即
S=1/diff(12)
对于没有遮挡的平动目标这样的方法完全可以解决问题。但是当运动过程中又一部分被遮挡了匹配出来的位置将会很不准确。这是一个非常实际的问题,因为人体运动的复杂性在运动时如果假设没有遮挡,实际就没有解决问题,适应性太差。应该考虑一种可以解决遮挡的办法。
文中是将目标分为几个子块,对每个子块进行匹配,如果有一个子块匹配的相似度较高就认为找到目标,停止匹配;如果相似度较低,则继续下一子块的匹配,直到找到相似度较高时停止。如果所有子块的相似度都很低,也就是说该目标全被遮挡。这时将上一帧的源目标继续保存为原目标而不需要更新,用这个原目标继续和下一帧的图像进行比较。这个方法可以有效的处理遮挡[6]。
这样就实现了人体关键部位跟踪的功能,由于人体运动的复杂性和不可预测性,在跟踪过程中还必须加入适当的人工干预,跟踪结果更加准确并能提取出所需要的位移、速度等各类参数。
跟踪结果,如图6所示,图6(a)为用户设定的3个跟踪点,图6(b)可以看到point1跟踪出现了误差,此次时需要人工校正图6(c),校正后继续跟踪图6(d),图6(e)为跟踪过程中,3个跟踪点构成的角度变化曲线。
2.6 实现技术与平台
本系统实在Windows XP操作系统下,利用Visual C++.net 2003开发实现,已经进行了大量测试,其运行稳定、可靠性强、准确率高。由于VC++具有较强的灵活性,所以该系统具有一定的可扩充性。本系统对硬件环境没有特殊要求,Intel Pentium III以上的CPU都可以满足运动需要。
3 结束语
文中以单目视频中的人体运动为研究对象,设计并实现了一个基于视频的体育运动分析系统,为体育运动分析领域提供了一套完整的定性和定量分析系统。实验过程是:首先获取摄象机拍摄的体育运动视频图像,然后对其进行检测、分割和跟踪,获得人体或者某一部位的运动信息以及人体运动学参数,并得到直观的数据和曲线,达到进一步分析人体运动的目的。系统各功能模块的算法具有一定的鲁棒性,得到的结果令人满意。
摘要：以体育运动视频图像为主要研究对象,运用视频处理技术设计并实现了一种集视频控制、全景图合成、静态背景抑制、运动目标跟踪及量化等功能为一体的体育运动分析系统。通过实际视频图像测试,系统能够较好地实现上述功能,具有较好的实时性。
关键词：体育运动分析,运动视频,图像处理
参考文献
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禽类黏膜免疫系统的研究 篇8
1 禽类黏膜免疫系统的组成与结构
主要由黏膜相关淋巴组织、黏膜免疫效应部分和致敏淋巴细胞散布途径三部分构成。
1.1 免疫组织
又称淋巴组织。除水禽外, 大多数禽类没有完整的淋巴结, 但淋巴组织广泛分布于消化道、呼吸道、泌尿生殖道黏膜和淋巴管管壁, 以及实质器官。这些淋巴组织有的呈弥散性, 有的呈小结状, 有的为淋巴孤结, 有的为淋巴集结。它们受抗原刺激后能形成生发中心, 根据形态可分为黏膜相关淋巴组织 (MALT) 和弥散淋巴组织。
1.1.1 MALT
MALT是指分布在消化道、呼吸道、泌尿生殖道管壁黏膜和其他一些组织的集合淋巴小结, 包括回肠淋巴集结和盲肠扁桃体在内的肠相关淋巴组织 (CALT) [1,2];位于呼吸道的支气管相关淋巴组织 (BALT) ;包括哈德氏腺[3,4]、眼结膜结合相关淋巴组织 (CALT) [5,6,7]在内的眼区相关淋巴组织 (HALT) 和鼻腺、泪腺、泌尿生殖道黏膜的相关淋巴组织。MALT是黏膜免疫应答的诱导部位, 是黏膜接触并摄取抗原和最初反应产生的部位。
1.1.2 弥散淋巴组织
禽类的消化道、呼吸道、眼结膜、泌尿生殖道黏膜固有层或黏膜下层内有不规则呈弥散分布的淋巴组织, 这些淋巴组织不具有被膜, 与周围组织无明显分界, 是黏膜免疫的效应部位。
1.2 免疫细胞
禽类黏膜免疫系统含有大量的免疫细胞, 它们弥散分布在黏膜上皮内及黏膜下层, 由单个或多个淋巴滤泡聚合成淋巴小结。黏膜免疫细胞摄取、递呈和加工抗原, 诱导发生免疫反应, 产生免疫效应因子。
1.2.1 黏膜相关淋巴组织细胞
即诱导部位的免疫细胞。膜细胞 (M细胞) [8,9]又称微皱褶细胞。它不仅分布在肠黏膜上, 在呼吸道、泌尿生殖道黏膜相关淋巴组织中也存在大量M细胞。M细胞是大分子颗粒抗原进入黏膜上皮下淋巴组织的主要途径。上皮专职抗原递呈细胞 (APC) 是指能摄取、加工和处理抗原, 并将处理后的抗原肽递呈给淋巴细胞而使淋巴细胞活化的一类免疫细胞。APC是启动机体免疫应答的重要细胞, 能否进行有效抗原递呈, 直接关系到免疫激活或免疫耐受的诱导。巨噬细胞 (PAM) 和树突状细胞 (DC) 为两种专职递呈细胞, 它们主要分布在黏膜的复层上皮和一些单层上皮中, 并与上皮细胞紧密结合。DC广泛分布于呼吸道、消化道和泌尿生殖道的黏膜固有层和上皮中, 特别是在呼吸道黏膜中分布较多。APC能摄取不能自由扩散的大分子抗原, DC是启动机体免疫应答的一组形态和功能各异的抗原递呈细胞。上皮中的DC可以迁移到黏膜表面, 直接与外界接触, 摄取抗原后带回到黏膜淋巴组织, 并诱导免疫应答。DC可表达MHCⅡ类分子, 是主要的抗原递呈细胞。巨噬细胞分布在整个MALT的黏膜部位, 并集中在黏膜上皮下的更浅表区。
肠上皮细胞 (IEC) 位于黏膜上皮层内, 其功能主要有五点:一是屏障功能;二是摄取可溶性多肽抗原;三是产生大量黏膜免疫调节因子, 具有调节黏膜免疫细胞的发生、分化和增殖的功能;四是摄取s Ig A复合物, 并经细胞转运到达顶端表面进入肠腔中;五是参与免疫耐受。
1.2.2 密散免疫细胞
即效应部位的免疫细胞。上皮内淋巴细胞 (IEL) 是位于黏膜绒毛上皮细胞之间的淋巴细胞群, IEL可随上皮脱落到肠腔内, 又可穿过基底膜返回到固有层中, 并进行再循环。IEL的主要功能是细胞杀伤作用, 具有NK细胞的活性。
固有层淋巴细胞 (LPL) 位于黏膜上皮固有层内, 为混合淋巴细胞群。由于固有层是黏膜免疫应答的主要效应场所, 浆细胞分泌的Ig A可通过分泌片的介导进入黏膜表面, 中和抗原物质, 起到清除外来抗原和保护机体的作用。
1.3 免疫效应因子
1.3.1 体液免疫因子
s Ig A是黏膜免疫应答的主要效应因子, 约占各类抗体总和的80%, Ig G、Ig E和Ig M也参与保护反应[10,11]。
1.3.2 其他
除体液免疫外, 黏膜免疫还有细胞免疫, 包括细胞毒淋巴细胞 (CTLs) 、抗体依赖细胞介导的细胞毒作用 (ADCC) 和NK细胞等。
2 黏膜免疫应答机理
2.1 抗原递呈
抗原递呈是指抗原被递呈细胞摄取、加工后以抗原肽———MHC分子复合物的形式呈现于递呈细胞表面, 最终被免疫活性细胞识别的过程。抗原递呈过程是免疫应答的识别阶段, 它启动免疫应答过程。
M细胞主要摄取和运输颗粒性抗原, 肠上皮细胞主要摄取可溶性多肽抗原, 并激活CD8+和CD4+T淋巴细胞, 摄取的抗原很快被摄入上皮下淋巴组织。APC能摄取不能自由扩散的大分子抗原, 摄取抗原后运送到黏膜淋巴组织诱导免疫应答。
2.2 s Ig A
2.2.1 s Ig A的生成
在黏膜诱导部位, 抗原被M细胞、DC细胞和PAM细胞等摄取, 经加工递呈后形成抗原致敏特异性Ig A型B淋巴细胞, 在B淋巴细胞的分化、增殖过程中有T淋巴细胞的参与, 其中多种Th2样因子参与诱导部位B淋巴细胞的增殖、分化。前体B淋巴细胞在诱导部位内进行同种型转换, 形成膜表面抗Ig A阳性的B淋巴细胞。这种转换是形成Ig A型浆细胞的关键之一。转型的B淋巴细胞被抗原致敏后离开诱导部位, 经血液或淋巴循环进入局部或远处黏膜组织效应部位。在效应部位, 致敏的B淋巴细胞分化为合成s Ig A的浆细胞, 或成为长效的记忆细胞。在黏膜免疫组织中, B淋巴细胞分化成熟的过程存在细胞的不断迁移, 称为淋巴细胞归巢。免疫效应细胞和免疫记忆细胞游走迁移并定居到远处黏膜组织和腺体, 构成弥散性淋巴组织的一部分。分泌Ig A的B淋巴细胞主要归巢到集合淋巴小结和黏膜固有层, 包括呼吸道、消化道、泌尿生殖道黏膜固有层和腺体组织。
黏膜上皮细胞和外分泌腺产生的分泌成分 (Sc) 是一种糖蛋白, 是免疫系统中最重要的受体, 有5个Ig A样的结构域与Ig A共价产生s Ig A, 这一过程受T淋巴细胞、细胞因子及激素的调节。
s Ig A分子由2个多聚Ig受体单位和2个外加的多聚肽链、J链和分泌片组成。因此, s Ig A的轻链、重链、J链由浆细胞合成, 而与Ig A结合的Sc由浆膜上皮细胞和分泌腺产生。J链是在浆细胞分泌Ig A前同Ig A聚合的, Sc则是由Ig A穿过上皮转运过程中加上的。
2.2.2 s Ig A的结构
s Ig A由2个或4个Ig A单体聚合而成, 分别有4个或8个抗原结合部位。s Ig A多为双体结构, 由J链将2个单体连接在一起形成二聚体, 在通过上皮细胞时再与Sc片段结合。Sc无免疫活性, 但它能作为Pig受体 (PigR) 帮助Ig A通过腺体的黏膜表面, 具有促进上皮细胞积极地从组织中吸收s Ig A, 并将其释放到消化道、呼吸道和泌尿生殖道的作用, 还能保护Ig A抵抗蛋白酶的分解作用。Ig A重链有一个额外半胱胺酸的C端结构, 可以与B淋巴细胞J链结合, 使Ig A形成二聚体, 结合抗原的功能增强, 容易在黏膜形成s Ig A。因此, 黏膜表面具有特殊的活性。
在血清中, 单体Ig A的分子质量为160~170 ku, 这种抗体在血清中并不能呈现重要的免疫功能;双体Ig A的分子质量为370~390 ku, 它主要存在于唾液、眼泪、胆汁、鼻和气管分泌物中, 在外分泌液中的含量比血清高6~8倍[9], 是机体黏膜防御感染的重要因素。
2.2.3 s Ig A的生物学功能
s Ig A是黏膜免疫应答过程中的主要效应因子[10,11], 它的主要作用有:1) 中和病原体, 具有抗感染功能。s Ig A能捕捉黏膜内的病原体, 使病原微生物发生凝聚, 阻断病原微生物表面的特异性结合位点, 与病原微生物结合形成复合物, 从而阻断和抑制病原对黏膜的黏附。2) 溶解细菌。s Ig A与溶菌酶、补体共同作用引起细胞溶解。3) 中和病毒。存在于黏膜局部的s Ig A无需补体即能中和消化道、呼吸道、泌尿生殖道等部位的病毒。Ig A覆盖于病毒表面, 使病毒不能吸附于细胞上。4) 中和毒素。黏膜分泌的s Ig A能中和相应肠毒素的毒性。s Ig A不能有效地固定补体或促进吞噬作用, 因此对维持黏膜完整性及减少其他抗原引起的局部过敏反应具有重要意义。5) 调节黏膜免疫反应。s Ig A可以结合黏膜上皮细胞的M细胞, 并经M细胞运输到上皮黏膜淋巴组织。在此过程中, 可使s Ig A或Ig A抗原复合物与淋巴细胞或抗原递呈细胞反应, Ig A结合位点暴露。当进入黏膜组织后, Ig A即引发黏膜免疫反应。由于抗原-s Ig A复合物可经M细胞运输到上皮下淋巴组织, 抗原递呈细胞的FCA受体可强化对抗原的摄取、加工和递呈。再次摄取的s Ig A可形成一个扩大环, 增强免疫和再免疫反应。
禽类的消化道、呼吸道、泌尿生殖道黏膜在s Ig A及其他免疫效应因子和非特异性保护因素的共同作用下, 使黏膜免遭病原微生物的侵害。当黏膜免疫不健全时, 机体易发生感染, 出现过敏反应和自身免疫性疾病。
参考文献
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