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1當(dāng)前世界高端創(chuàng)新研究

1.1基因和訓(xùn)練眾所周知，2003年人類基因圖譜完成，這一里程碑似的成果幫助人們打開(kāi)了一扇研究基因?qū)τ?xùn)練刺激的反應(yīng)和適應(yīng)的大門。有研究證明具有多態(tài)現(xiàn)象的基因超過(guò)200個(gè)，心血管的反應(yīng)、肌肉力量和能力適應(yīng)與那些確定的基因型有關(guān)。基因功能的研究將進(jìn)一步提高人類對(duì)訓(xùn)練適應(yīng)中潛在的生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)和了解。這項(xiàng)成果至少可以在訓(xùn)練的兩個(gè)方面得到應(yīng)用，首先是在選材上的應(yīng)用，這種方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，在選材過(guò)程中對(duì)青少年就相關(guān)基因進(jìn)行檢測(cè)，含有所需能力的基因的青少年進(jìn)入運(yùn)動(dòng)隊(duì)開(kāi)始系統(tǒng)訓(xùn)練，這必能大大提高選材的效率。其次是基因調(diào)節(jié)，目前主要有四種手段：基因重組、RNA干擾、基因表現(xiàn)功能調(diào)節(jié)和miRNA基因調(diào)控。（1）基因重組是選擇一個(gè)無(wú)效基因，將其去除并用一種能夠提高靈敏性或耐力的基因進(jìn)行替代，進(jìn)而增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員的靈敏性或耐力能力。這一設(shè)想近兩年已經(jīng)在老鼠實(shí)驗(yàn)中獲得成功。（2）RNA干擾(RNAinterference，RNAi)是由雙鏈RNA（double-strandedRNA,dsRNA）介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)雙鏈mRNA特異性降解現(xiàn)象，屬于轉(zhuǎn)錄后的基因沉默機(jī)制。也就是借助某種手段向細(xì)胞內(nèi)注入一種雙鏈RNA，它會(huì)使細(xì)胞內(nèi)決定人體不良品質(zhì)的mRNA的顯示度降低，讓其他有利于人體的耐力素質(zhì)或爆發(fā)力顯現(xiàn)出來(lái)。目前RNAi是生物界普遍存在的抵抗病毒入侵、調(diào)控基因表達(dá)的監(jiān)控機(jī)制，已成功用于基因功能和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究。這種方法是目前對(duì)基因進(jìn)行改造所采用的相對(duì)簡(jiǎn)單的方法，可以想象將來(lái)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域必會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。（3）基因表現(xiàn)功能調(diào)節(jié)是表現(xiàn)遺傳學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容，基于的基本理論：在基因組中除了DNA和RNA序列以外，還有許多調(diào)控基因的信息，它們雖然本身不改變基因的序列，但是可以通過(guò)基因修飾，蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、DNA和其它分子的相互作用，而影響和調(diào)節(jié)遺傳的基因的功能和特性，并且通過(guò)細(xì)胞分裂和增殖周期影響遺傳。目前已經(jīng)有多種方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基因的修正，例如DNA甲基化（DNAmethylation）、乙酰化（acetylation），磷酸化（phosphorylation），基因沉默（genesilencing），核仁顯性，休眠轉(zhuǎn)座子激活和RNA編輯（RNAediting）等。這種技術(shù)對(duì)訓(xùn)練的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入到小白鼠測(cè)試階段。（4）miRNA基因調(diào)控，MicroRNAs（miR-NAs）是一種大小約21—23個(gè)堿基的單鏈小分子RNA，由具有發(fā)夾結(jié)構(gòu)的約70-90個(gè)堿基大小的單鏈RNA前體經(jīng)過(guò)Dicer酶加工后生成。它在細(xì)胞內(nèi)可以誘發(fā)相關(guān)蛋白質(zhì)翻譯抑制，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)的合成，表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)功能上就是降低運(yùn)動(dòng)員在高負(fù)荷訓(xùn)練情況下的發(fā)病率。這些基因?qū)用娴幕A(chǔ)性研究成果在訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用，開(kāi)啟了人類自我能力選擇的新空間，為人類提升自身的某種能力提供了方法。可以大膽猜測(cè)這些手段在國(guó)際科技發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)員身上，有學(xué)者將其定義為基因興奮劑。基因興奮劑的檢測(cè)非常困難，因?yàn)檫@些改造基因的手段都是基于人體蛋白質(zhì)。胡揚(yáng)對(duì)當(dāng)前訓(xùn)練領(lǐng)域存在的幾種能夠提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的基因進(jìn)行了概述。

1.2骨骼肌是一個(gè)內(nèi)分泌系統(tǒng)將骨骼肌作為一個(gè)內(nèi)分泌系統(tǒng)的提法是最近幾年才出現(xiàn)的，學(xué)者發(fā)現(xiàn)在骨骼肌內(nèi)存在一些物質(zhì)（被定義為myokine），對(duì)身體運(yùn)動(dòng)能夠產(chǎn)生明顯地應(yīng)激反應(yīng)，向血液中釋放出一些調(diào)節(jié)其他組織活動(dòng)功能的物質(zhì)。目前已經(jīng)被證實(shí)有這種功能的物質(zhì)有三種：Inerleukin（IL）-6，IL-8，IL-15。例如在抗阻訓(xùn)練中骨骼肌會(huì)釋放出IL-15調(diào)節(jié)骨骼肌內(nèi)的合成代謝過(guò)程。這些成果對(duì)今后人們對(duì)骨骼肌調(diào)節(jié)內(nèi)分泌系統(tǒng)的功能的認(rèn)識(shí)產(chǎn)生重大影響。

1.3結(jié)締組織和骨骼動(dòng)力學(xué)近幾年關(guān)于肌腱和骨骼肌的結(jié)締組織研究出現(xiàn)前所未有的繁榮現(xiàn)象，Mackey等人在這方面所做的努力和研究成果不容忽視。有研究已經(jīng)證明結(jié)締組織內(nèi)的合成代謝、血液流動(dòng)和膠原質(zhì)的轉(zhuǎn)換都非常迅速，結(jié)締組織基部對(duì)訓(xùn)練刺激的反應(yīng)與肌纖維復(fù)合的速度相同，調(diào)節(jié)因素的上調(diào)與訓(xùn)練非常有關(guān)系。采用透析、同位素、超聲波和原子力等手段已經(jīng)能夠檢測(cè)到結(jié)締組織對(duì)不同運(yùn)動(dòng)行為的適應(yīng)過(guò)程。關(guān)于骨骼的運(yùn)動(dòng)行為和代謝反應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，不同骨骼對(duì)訓(xùn)練刺激的反應(yīng)不同，相同骨骼的不同區(qū)域也有所不同。

1.4肌肉的祖細(xì)胞骨骼肌的肌纖維非常獨(dú)特，因?yàn)樗麄兪嵌嗪思?xì)胞，而且在肌細(xì)胞膜和基底膜之間有一層祖細(xì)胞。祖細(xì)胞具有自我更新的能力，在負(fù)荷刺激下會(huì)促使肌纖維增大，是肌細(xì)胞核增殖的先決條件。Petrella等人的研究發(fā)現(xiàn)最大力量訓(xùn)練刺激下每個(gè)肌細(xì)胞的細(xì)胞核增加的數(shù)量最多，中等力量次之。這充分證明了肌細(xì)胞核的激增和分化是引起肌纖維增大的先決條件。另外運(yùn)動(dòng)損傷康復(fù)的過(guò)程也依賴于祖細(xì)胞的增殖。

2未來(lái)體育科學(xué)研究的關(guān)鍵問(wèn)題

Kenneth2在2010年發(fā)表的一篇文獻(xiàn)綜述中指出今后世界體育科學(xué)領(lǐng)域研究的關(guān)鍵問(wèn)題。（1）訓(xùn)練模擬：Narker等[24]發(fā)表的一篇有爭(zhēng)議的文章激起了廣大藥品商的強(qiáng)烈的興趣，就通過(guò)某種方法提高跑步的能力和/或肌肉生長(zhǎng)。關(guān)鍵的問(wèn)題在于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的刺激是否是提高身體健康和代謝水平的必須條件。參考Booth和Laye有關(guān)這篇備受爭(zhēng)議話題的評(píng)論，以及Hawley和Hol-loszy的文章，后者認(rèn)為訓(xùn)練模擬更加有前景。（2）多肽核苷：目前開(kāi)展了很多關(guān)于單核苷酸多態(tài)性和不變色基因組探針的研究，以解開(kāi)對(duì)健康，競(jìng)技水平和可訓(xùn)練性有作用的基因密碼。Jackson實(shí)驗(yàn)室和Affymetix的合作所產(chǎn)生的人類和老鼠的基因組序列使得該突破性探索成為可能。（3）活性氧基團(tuán)：焦點(diǎn)在于理解這些基團(tuán)的潛在生物特性，包括其對(duì)不同負(fù)荷狀態(tài)下影響肌肉質(zhì)量的調(diào)節(jié)機(jī)制，和作為細(xì)胞器，器官以及生物適應(yīng)的信使分子。（4）基因組學(xué)：以基因組學(xué)為基礎(chǔ)的肌肉功能的研究已經(jīng)擴(kuò)展到能在運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平，一般健康和運(yùn)動(dòng)對(duì)不同疾病的影響上進(jìn)行探索的可能。（5）肌肉內(nèi)外關(guān)系：myokines，cytokines和adipokines的作用被認(rèn)為對(duì)器官系統(tǒng)和機(jī)體內(nèi)分泌系統(tǒng)有影響，新的思路應(yīng)該在于肌肉協(xié)同機(jī)制的研究。（6）在對(duì)運(yùn)動(dòng)員，久坐不運(yùn)動(dòng)者和肥胖者的急性和慢性運(yùn)動(dòng)中，底物燃料的處理過(guò)程。（7）當(dāng)有氧和合成代謝的訓(xùn)練同時(shí)施加在動(dòng)作和人提上，需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)明確細(xì)胞發(fā)信號(hào)的規(guī)則機(jī)制。（8）肌纖維，結(jié)締組織，骨骼和祖細(xì)胞的整合：這每一個(gè)系統(tǒng)都是動(dòng)態(tài)的，在對(duì)各種機(jī)械刺激進(jìn)行反應(yīng)的過(guò)程中理解其交互作用具有挑戰(zhàn)性。（9）機(jī)械傳感器和控制肌肉體積大小的信息傳導(dǎo)規(guī)則：該領(lǐng)域有大量的未知區(qū)域。（10）探索能預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)和改變健康狀況的生物學(xué)指標(biāo)：廣為接受的一個(gè)觀點(diǎn)是人體對(duì)不同類型的訓(xùn)練刺激產(chǎn)生如何反應(yīng)具有很大的變異性，那么是否可能預(yù)測(cè)出反應(yīng)物以及對(duì)應(yīng)的非反應(yīng)物？（11）極端環(huán)境：有許多挑戰(zhàn)是針對(duì)人體機(jī)能的潛力的，個(gè)體如何在極端的環(huán)境中如熱、冷、低氧、營(yíng)養(yǎng)不良等表現(xiàn)出能力。（12）運(yùn)動(dòng)肌肉和大腦重塑的關(guān)系：這是提高老年人生活質(zhì)量的關(guān)鍵。（13）運(yùn)動(dòng)與疾病預(yù)防：在隨后的十年以及更長(zhǎng)遠(yuǎn)的時(shí)間內(nèi)，這有可能成為影響健康產(chǎn)業(yè)最大難題。（14）衰老的機(jī)制和運(yùn)動(dòng)所引起的長(zhǎng)壽：運(yùn)動(dòng)研究努力的真正底線。

3研究重點(diǎn)及意義

在對(duì)當(dāng)前世界高端創(chuàng)新研究進(jìn)行綜述和相關(guān)領(lǐng)域著名學(xué)者提出的體育科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合目前國(guó)內(nèi)研究技術(shù)和水平，提出了中國(guó)體育科學(xué)領(lǐng)域當(dāng)前的研究重點(diǎn)，及其對(duì)我國(guó)競(jìng)技體育發(fā)展的重要意義。

3.1基因修正從2.1節(jié)關(guān)于當(dāng)前基因研究與訓(xùn)練的關(guān)系論述中可以看出，基因改造會(huì)使人類的各項(xiàng)能力得到大幅度提升。限于研究條件或研究水平，近期我國(guó)體育科學(xué)領(lǐng)域可能還無(wú)法開(kāi)展基因改造的研究，但我們可以從下面兩個(gè)方面做出一點(diǎn)努力。首先，關(guān)鍵基因識(shí)別的研究。設(shè)計(jì)相關(guān)檢測(cè)方法和檢測(cè)儀器，對(duì)與某種運(yùn)動(dòng)能力密切相關(guān)的基因進(jìn)行檢測(cè)。將其應(yīng)用到選材中可以大大提升我國(guó)運(yùn)動(dòng)員的成材率。其次，密切關(guān)注國(guó)外研究進(jìn)展和研究成果，做到盡早為我所用。

3.2減阻阻力在水上、游泳、自行車等項(xiàng)目中起著不容忽視的作用，正是由于鯊魚皮泳衣減阻效果非常好，才能使游泳運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有了較大提高。在備戰(zhàn)29屆北京奧運(yùn)會(huì)周期，清華大學(xué)精儀系摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳大融教授進(jìn)行了船艇減阻的研究，利用魚鱗和荷葉表面形貌結(jié)果，設(shè)計(jì)出一種新的減阻涂層。該實(shí)驗(yàn)室在前人研究的基礎(chǔ)上提出了新的“界面減阻理論”，即通過(guò)表面與界面效應(yīng)，大幅度降低流固界面剪切應(yīng)力的理論，形成了新的界面減阻技術(shù)，其中“微突體”減阻技術(shù)實(shí)施工藝簡(jiǎn)單，適用于水面船艇。通過(guò)對(duì)魚鱗和荷葉表面仿生學(xué)的研究，發(fā)現(xiàn)魚鱗減阻機(jī)理在于魚鱗粘液、暴露于水中的頂區(qū)結(jié)構(gòu)，以及魚鱗表面的納米級(jí)結(jié)構(gòu)與微米級(jí)孔洞。荷葉表面由雙重結(jié)構(gòu)組成，其中納米級(jí)結(jié)構(gòu)提供了微汽泡存在的條件，同時(shí)在表面覆蓋了生物臘，并由此構(gòu)成了超疏水特性的前進(jìn)接觸角與后退接觸角，其結(jié)構(gòu)類似于超疏水的Cassie結(jié)構(gòu)。將荷葉的超疏水結(jié)構(gòu)與魚鱗的微凸體結(jié)構(gòu)相結(jié)合，由微凸體導(dǎo)致的微漩渦提供動(dòng)力學(xué)條件，則微氣泡就有可能在低壓與漩渦力的作用下膨脹，并直接參與剪切過(guò)程，從而獲得減阻效果。根據(jù)該理論設(shè)計(jì)出相關(guān)涂層，噴涂到賽艇上，經(jīng)水洞和拖拽水池測(cè)試發(fā)現(xiàn)在5m/s的低航速條件下，獲得了約4%的綜合減阻率（摩擦阻力減阻率14%），折合航速提高約為2%。新的備戰(zhàn)周期，我們可以進(jìn)一步加強(qiáng)該方向的研究，例如對(duì)自行車運(yùn)動(dòng)員服裝的減阻、自行車的減阻。

3.3運(yùn)動(dòng)仿真正如田野等人提到的體育系統(tǒng)仿真是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)再現(xiàn)教練員的訓(xùn)練意圖、運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作、管理者的組織方案等，從而達(dá)到對(duì)體育系統(tǒng)的解釋、分析、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和控制的一種嶄新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)學(xué)科。由于體育系統(tǒng)仿真和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)息息相關(guān)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代圖形學(xué)和自動(dòng)控制等學(xué)科是體育系統(tǒng)仿真的支撐學(xué)科，這些學(xué)科大都處在現(xiàn)代高科技的前沿，特別是它與眾多現(xiàn)代科學(xué)綜合交叉的特性和廣泛的應(yīng)用前景決定了它具有良好的發(fā)展勢(shì)頭。體育仿真技術(shù)與體操、跳水、蹦床等高難技術(shù)的創(chuàng)新、大型賽事開(kāi)、閉幕式的演練等密切相關(guān)。更進(jìn)一步地，可以應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)肌肉和骨骼的作用關(guān)系，在運(yùn)動(dòng)康復(fù)和機(jī)器人領(lǐng)域有關(guān)肌肉和骨骼的運(yùn)動(dòng)仿真成果有很多，但這些仿真都是基于常人或病人的運(yùn)動(dòng)或康復(fù)過(guò)程，基于運(yùn)動(dòng)員特定動(dòng)作下，肌肉和骨骼的作用關(guān)系研究還非常少。可以預(yù)見(jiàn)該研究成果對(duì)于預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷、設(shè)計(jì)訓(xùn)練（加強(qiáng)重點(diǎn)部位的訓(xùn)練）有重要意義。

3.4訓(xùn)練適應(yīng)理論訓(xùn)練與適應(yīng)之間的關(guān)系一直是體育科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，無(wú)論教練員、運(yùn)動(dòng)員還是研究人員都希望能夠準(zhǔn)確掌握訓(xùn)練和適應(yīng)的關(guān)系。無(wú)疑采用數(shù)學(xué)模型的方法對(duì)訓(xùn)練和適應(yīng)的關(guān)系進(jìn)行描述，不僅能夠量化二者的關(guān)系，更主要的是它能通過(guò)調(diào)整訓(xùn)練負(fù)荷使受訓(xùn)者在將來(lái)的某一天準(zhǔn)確的出現(xiàn)最佳成績(jī)點(diǎn)。目前訓(xùn)練和適應(yīng)關(guān)系模型主要有三種：1）加拿大學(xué)者Banister和Calvert在超量恢復(fù)模型的基礎(chǔ)上，首次用數(shù)學(xué)的方法提出了一個(gè)新的“疲勞-適應(yīng)”模型。模型由三個(gè)部分組成，一個(gè)簡(jiǎn)單的刺激產(chǎn)生提高成績(jī)的兩個(gè)適應(yīng)和降低成績(jī)的疲勞。公式的一般表述形式如下：模型成績(jī)=（訓(xùn)練模型的適應(yīng)）-K（訓(xùn)練模型）K是常數(shù)，調(diào)節(jié)適應(yīng)和疲勞之間的關(guān)系。2）Calvert在Banister的基礎(chǔ)上提出了另外一種公式：這些模型試圖描述在給定的某一天訓(xùn)練的單個(gè)或多個(gè)因素對(duì)一個(gè)準(zhǔn)確的訓(xùn)練任務(wù)形成的適應(yīng)的影響。這些模型假設(shè)訓(xùn)練單元增加了適應(yīng)并刺激了一個(gè)疲勞反應(yīng)。另有一些研究針對(duì)的是量化訓(xùn)練刺激（訓(xùn)練刺激、絕對(duì)功、神經(jīng)生理興奮比率）的方法和身體性能（標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)、任意單元）對(duì)模型的影響。目前研究這些模型所使用的基本都是普通人，關(guān)于競(jìng)技運(yùn)動(dòng)員的非常少，只有一個(gè)研究使用的是游泳運(yùn)動(dòng)員。

3.5虛擬技術(shù)在訓(xùn)練中的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)是利用計(jì)算機(jī)模擬產(chǎn)生的三維空間的虛擬世界，向使用者提供視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各感官的逼真模擬，令使用者仿佛置身于與現(xiàn)實(shí)完全不同的時(shí)間和空間中，并與這個(gè)模擬的現(xiàn)實(shí)發(fā)生交互作用。當(dāng)使用者的位置發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算機(jī)還可立即進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算并傳回精確的影像，令使用者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。這種技術(shù)可以模擬運(yùn)動(dòng)員不同級(jí)別比賽場(chǎng)景，訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員比賽應(yīng)對(duì)能力，還可以有針對(duì)性地設(shè)計(jì)比賽中可能出現(xiàn)的某些情景，訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)員對(duì)突發(fā)事件的處理能力。

3.6機(jī)械傳感技術(shù)機(jī)械傳感技術(shù)一直是進(jìn)行體育科學(xué)研究不可或缺的工具，許多研究成果的重大發(fā)現(xiàn)都得益于傳感技術(shù)的進(jìn)步，如上個(gè)世紀(jì)七十年代的表面肌電儀（EMG）、九十年代的腦電儀（EEG），都為認(rèn)識(shí)人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律發(fā)揮了重大作用。目前還沒(méi)有傳感器能夠檢測(cè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生的變化，這在當(dāng)今世界還是一個(gè)空白領(lǐng)域。

3.7骨骼肌組織工程學(xué)骨骼肌組織工程學(xué)是組織工程學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域，其基本方法與普通組織工程一樣，即將體外培養(yǎng)擴(kuò)增的種子細(xì)胞種植在合適的支架材料上，再加以適當(dāng)?shù)募?xì)胞因子植入生物體內(nèi)，從而構(gòu)建出新生的組織工程骨骼肌。國(guó)外已經(jīng)有研究利用該方法分析運(yùn)動(dòng)對(duì)骨骼肌生理機(jī)制和功能的影響，更進(jìn)一步可以了解骨骼肌對(duì)訓(xùn)練刺激產(chǎn)生適應(yīng)的分子生物學(xué)機(jī)制。

4結(jié)語(yǔ)

從前文對(duì)當(dāng)前世界高端創(chuàng)新研究的總結(jié)可以看出，工作在體育科學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者以其敏銳的觀察力和勤勉的工作風(fēng)格為本領(lǐng)域的創(chuàng)新研究做出了杰出的貢獻(xiàn)，這些成果使人類的自我認(rèn)識(shí)和發(fā)展登上了一個(gè)新的臺(tái)階。當(dāng)然從本文的研究總結(jié)可以看出，中國(guó)體育科學(xué)領(lǐng)域的研究水平還是相對(duì)較低，特別在基因領(lǐng)域的研究更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他國(guó)家。不過(guò)，相信經(jīng)過(guò)我們堅(jiān)持不懈的努力，一定會(huì)縮短兩者的差距，并在個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)取得豐碩的成果。

作者：陳凱華馬江駿盛治進(jìn)單位：安徽醫(yī)科大學(xué)體育教學(xué)部新疆師范大學(xué)