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运动解剖学实验方法或技术简介


[ 作者:Admin     来源:运动解剖学课程网站      点击数:     更新时间:2007/05/08     文章录入:Admin ]



运动解剖学实验方法或技术简介
 
运动解剖学属于形态学科,其研究内容涉及到母学科人体解剖学、组织学、细胞学等形态学内容和体育运动基础研究中的运动形态学内容,其研究方法涉及到形态学研究的各种技术和方法。研究技术的进步是学科发展的原动力,运动解剖学研究的每一个重大进展都是由于引入了新的科学技术的结果。随着研究技术的逐步发展和科学理论的不断创新,近年来,运动解剖学的研究已从相对的静态研究发展到了相对的动态研究(如肌电图、摄像和解析系统的应用)、从细胞与组织的形态特征研究发展到其反应物或(和)代谢产物的形态研究、从定性的形态研究发展到定量的形态研究、从对尸体或死细胞的研究发展到对活体组织的研究(如激光扫描共焦显微镜的应用)。人们正在综合应用先进的科学技术,让运动解剖学研究焕发出巨大的生命力、展示出应有的应用价值。
下面主要介绍运动解剖学实验方法或技术以及实验方法的历史与新进展。
(一) 尸体解剖与标本、模型观察法  尸体解剖法是在尸体上应用解剖工具对人体各系统器官进行实地解剖的方法,该方法是古老的解剖学研究方法,在运动解剖学领域,对骨、关节、骨骼肌及血管和神经支配进行解剖、测量、追踪,以及在运动器官的动作分析等基础研究中仍然普遍使用。在标本、模型上用肉眼直接观察人体各系统、器官形态与结构特征,是运动解剖学最常用的实验方法之一,通过对标本、模型的观察可以帮助学生建立正确的、直观的人体各器官、系统的大体位置和形态结构。
(二) 活体观察、运动技术与动作分析法  应用测量工具或仪器可以对人体形态指标,骨、关节和骨骼肌运动参数以及人体生物电指标进行活体动态测试研究,对人体各种体育动作或图片(图像)进行骨、关节、骨骼肌工作的解剖学分析;探讨人体各器官与体育动作或技术之间的内在关系,分析体育技术的动作质量。
(三) 体育动作的摄像和解析系统  分析人体运动必须从描述人体运动的外部形态入手。只有这样,才能明确动作的姿势及其变化过程,才能说明在一瞬间关节的运动方向和运动幅度,以便从解剖学角度及生物力学角度分析人体运动中各关节肌肉的关系,探讨骨骼肌工作与运动技术变化的规律。该方法主要是对运动员的动作技术进行录像,将得到的影像资料进行数字化处理,获取原始的运动学数据,这就是图像解析。图像解析需要依赖各种软件进行分析。图像解析后,运用专业知识对各个运动学参数进行处理分析称为数据处理。最后得出人体运动过程中骨、关节、骨骼肌的动态变化过程,分析动作技术的正确性和合理性,对体育技术动作做出科学的评定。
(四) 肌电图、X线断层与磁共振断层扫描  应用肌电图仪对骨骼肌收缩过程中的肌电变化进行测试记录,可用于肌肉功能分析、神经肌肉传导速度、肌肉疲劳研究和动作质量评价。应用计算机X射线断层扫描图和磁共振断层扫描图对人体的整体或局部以及各器官进行扫描观察与分析研究,这在体育运动对人体各器官、系统影响的形态学研究,在优秀运动员机体各环节、各脏器参数的数字化构建方面具有重大意义。
(五) 组织切片与光学显微镜和电子显微镜技术  组织切片是研究人体组织、细胞形态结构的基本技术,它包括光镜切片(通常为3-10微米)和电镜超薄切片(通常为300-500纳米)。光镜切片最常用的是石蜡切片术(基本程序包括:取材、固定、脱水、包埋、切片、染色和封片,最常用的染色方法是苏木精-伊红染色法,又称HE染色)。光学显微镜包括普通自然光源的显微镜(主要观察应用普通切片制备技术制作的切片标本)、荧光显微镜(主要观察应用荧光染料染色或作为标记物制作的切片标本)、相差显微镜(主要观察活细胞标本)等技术,主要用于观察细胞、组织的微细结构(分辨率为0.2微米,即200纳米,放大倍数达1600倍左右。人肉眼分辨率为0.2毫米)。与光学显微镜相比,电子显微镜用电子束替代了可见光束,用电磁透镜替代了光学透镜,并以电子成像方式在荧光屏上显示(其分辨率为0.2纳米,放大倍数达数万倍)。它包括透射电子显微镜(通过取材、脱水、树脂包埋、超薄机切片、醋酸铀和柠檬酸铅双染色等步骤)和扫描电子显微镜(通过取材、脱水、干燥、导电镀膜等步骤)。透射电子显微镜主要用于观察组织与细胞内部的超微结构。扫描电子显微镜主要用于观察组织与细胞的表面立体结构。
(六) 组织化学、细胞化学、原位杂交、荧光原位杂交、原位PCR及原位RT-PCR技术  这些技术是应用化学、物理、生物化学、免疫学和分子生物学等的原理,并与组织学、细胞学技术相结合而产生的形态学研究技术。我们可以在组织、细胞制片上利用显微镜或显微分光光度计和图像分析系统,定性、定位、相对定量地研究某种物质存在与否以及分布状态。这包括酶组织和细胞化学技术、免疫组织和细胞化学技术、免疫荧光组织化学技术、亲和组织化学与亲和免疫组织化学技术、免疫胶体金(银)标记等技术。原位杂交和荧光原位杂交是根据核酸分子杂交的方法,应用标记探针(荧光素、同位素、酶标记)通过杂交直接在组织、细胞标本上检测并定位某一特定的DNA或RNA。原位PCR和原位RT-PCR技术是将PCR(多聚合酶链式反应)或RT-PCR(反转录-多聚合酶链式反应)高效扩增与原位杂交的细胞及组织学定位相结合,在不破坏细胞结构前提下利用原位完整细胞作为一个微反应体系扩增细胞内的靶序列并进行基因表达的检测。目前该方面的技术是广大运动解剖学科研工作者经常采用的实验技术。
(七) 干细胞技术  干细胞是尚未分化的细胞,有发育成为皮肤、血液、神经等多种细胞的潜能。干细胞可分为全能干细胞(来源于胚胎内细胞团细胞或早期胚胎原始生殖的胚胎生殖细胞,如胚胎干细胞可分化形成机体所有细胞类型)、多能干细胞(可以产生两种以上不同类型的分化细胞)和专能干细胞(只能分化为单一类型的分化细胞)。干细胞技术的基本原理是利用干细胞的可塑性,进行分离、纯化、培养和体外导入或通过体外诱导动员机体内原始的干细胞增殖分化为目的细胞。胚胎干细胞是最原始的细胞,多能干细胞和专能干细胞也具有分化为相应细胞的能力。干细胞技术的研究对治疗重大运动性损伤如脊髓损伤、心肌损伤、骨及软骨和肌腱与韧带损伤等具有潜在的应用价值,具有广阔的研究前景。
(八) 组织和细胞(化学)定量技术   包括显微分光光度术、细胞形态立体计量技术、显微图像分析技术、流式细胞技术和激光扫描共聚焦显微技术。
显微分光光度术是应用显微分光光度计在显微镜下对组织细胞切片标本中的化学物质进行定量分析,精确定量细胞中的核酸、酶、离子等物质的含量。
细胞形态立体计量技术是运用几何学和统计学原理、将观察组织和细胞获得的二维平面图像推导计算出三维立体定量参数的方法。该技术又称体视学。它是形态学实现定量的较早期的精确方法。
显微图像分析技术是以显微分光光度术和体视学原理应用计算机技术实现显微图像、三维几何参数以及细胞内各组分物质的光密度(或平均灰度值、积分光密度)等数据的自动获取和分析,是细胞形态定量目前常用的方法。
流式细胞仪是融流体喷射技术、激光光学技术、电子技术和计算机技术于一体的高新大型细胞定量与分析仪器。可实现细胞的分选、细胞内生物化学、分子生物学、生物物理学特性和指标的定性、定量研究。如不同细胞的数量、荧光强度、细胞体积、表面积、细胞内DNA、RNA和蛋白质含量、细胞膜表面受体分析以及不同亚群、不同分化期细胞的分选。它是细胞形态学定量研究的较好工具。
激光扫描共聚焦显微技术主要通过激光扫描共焦显微镜研究组织、细胞的形态与功能及其动态变化(图 1-2)。激光扫描共焦显微镜由显微镜光学系统、激光光源、扫描装置和检测系统构成,整套仪器由计算机控制。它是80年代迅速发展起来的用于分析细胞的先进大型仪器,与普通光学显微镜相比其分辨率、灵敏度、放大率和荧光检测信噪比大大提高。可以进行细胞的三维重建、细胞定量荧光测定、细胞内钙离子、pH值和其它离子的动态分析、细胞间通讯和膜流动性的动态检测;对细胞内微细结构的动态变化可进行定性、定量、定时和定位分析检测,可观察活细胞在生理、病理和药理情况下对外界因素作用所产生的快速反应。主要应用于解剖学、胚胎学、细胞生物学、生理学、病理学、免疫学和神经生物学等领域,目前己经应用到运动解剖学研究领域。
(九)数字化虚拟人体技术  它是近年来发展起来的数字化人体解剖新技术,其基本原理和方法主要是利用人体断层解剖的CT或MRI成像技术,将人体的每一组织构建成一个三维数据库,然后利用计算机作图的方法做出人体的三维解剖图形模式。数字化虚拟人技术在运动服装的设计、体育与健身运动器材的开发、体育科学选材、运动人体科学基础研究、运动损伤预防、中医药消除运动性疲劳的药物筛选、体育保健针灸学等方面具有广泛的应用前景。
(十)组织芯片技术  组织芯片又称为组织微阵列,它是近年来以基因芯片为代表的生物芯片技术的发展和延伸,它与细胞芯片、蛋白质芯片、抗体芯片一样,属于一种特殊的生物芯片技术。它将成百上千个不同个体或/和同一个体不同器官的组织标本排列在一张载玻片上所形成的组织微阵列生物芯片。
其主要是根据基因芯片的思路,依托组织学制片技术并与免疫组织化学、荧光免疫组织化学、原位杂交、荧光原位杂交、原位PCR、原位RT-PCR等技术相结合,通过微加工工艺技术和计算机激光扫描成像与分析技术而实现的。它可用于对某一条基因或mRNA、DNA以及蛋白质在成百上千种不同组织中的组织表达谱的研究,具有高通量、并行性,是多样本研究mRNA、DNA、基因以及蛋白质定位、定性和相对定量的分析工具。在基因、基因转录和相关表达产物的生物学功能三个水平上进行研究,尤其对基因和蛋白质与疾病关系的研究、疾病相关基因的验证、新药物的开发与筛选、疾病的分子诊断等方面具有广阔的市场前景。应用组织芯片技术可全景式研究与运动能力和机体疲劳恢复相关的基因及其表达产物的细胞定位、定性与定量问题,并可以解决在不同器官组织细胞中表达特征的研究,对进一步揭示运动疲劳的分子机制、运动能力和机体疲劳恢复相关物质筛选方法具有重大意义。