張琳琳 范永召 顧瑞亭 劉燕中 吳昊 劉一平
1 運(yùn)動(dòng)與健康福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建師范大學(xué)體育與科學(xué)學(xué)院(福州350007)2 國家體育總局運(yùn)動(dòng)能力評(píng)價(jià)與研究綜合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市運(yùn)動(dòng)機(jī)能評(píng)定與技術(shù)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,首都體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)與健康學(xué)院(北京100191)3 鄭州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)行知小學(xué)(鄭州450016)
血管性癡呆(vascular dementia,VD)是癡呆中常見的類型之一,是由一系列腦血管因素導(dǎo)致腦組織損傷而引起的智能損害綜合征[1]。血管性癡呆患者早期主要表現(xiàn)為健忘,且常常被人們所忽視,認(rèn)為只是衰老過程的正常表現(xiàn);中期主要表現(xiàn)為健忘加重、理解困難、睡眠紊亂等;晚期主要表現(xiàn)為嚴(yán)重的認(rèn)知功能障礙,且活動(dòng)受限,幾乎完全依賴他人,并可能伴隨著許多并發(fā)癥,如抑郁、焦慮等,這將會(huì)持續(xù)加重癡呆癥狀[2-4]?;铙w層次研究[5-6]表明血管性癡呆可引起腦部神經(jīng)元異常死亡,從而導(dǎo)致其認(rèn)知功能下降。已有研究表明[9]通過對血管性癡呆大鼠進(jìn)行白藜蘆醇藥物干預(yù),可有效改善其認(rèn)知功能,但血管性癡呆大鼠對藥物呈劑量依賴性。有文獻(xiàn)表明[7-8]適量的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可顯著改善血管性癡呆后的認(rèn)知功能,但其內(nèi)在機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。神經(jīng)生物學(xué)研究表明:適量運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)血管再生和腦血液供應(yīng),提高腦的抗氧化能力[9-10]。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究亦證實(shí):跑臺(tái)、游泳等預(yù)運(yùn)動(dòng)可提高神經(jīng)突觸的可塑性,改善相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)再生能力[11-12]。紋狀體是基底神經(jīng)節(jié)的重要核團(tuán)之一,被視為基底神經(jīng)節(jié)接收和整合信息的“門戶”,它不僅接受皮層、丘腦、黑質(zhì)等多個(gè)神經(jīng)元的投射和中間神經(jīng)元的調(diào)節(jié),還受到許多重要的神經(jīng)遞質(zhì)或/和調(diào)質(zhì)的調(diào)控,如兒茶酚胺類物質(zhì)。這一系列信號(hào)在紋狀體處整合后,通過直接通路紋狀體黑質(zhì)神經(jīng)元和間接通路紋狀體蒼白球神經(jīng)元發(fā)出投射,最終通過2 條通路的平衡完成對運(yùn)動(dòng)的精確調(diào)控[13-14]?;谏鲜鲅芯勘尘?,本研究采用被動(dòng)回避反射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)大鼠的認(rèn)知功能,并利用活體腦內(nèi)微透析技術(shù)和高效液相色譜技術(shù),觀察跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)對血管性癡呆大鼠紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)的影響,為運(yùn)動(dòng)改善血管性癡呆后認(rèn)知功能的病理生理研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
1.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物與分組
選取32 只健康3月齡雄性SD 大鼠,體重250~350 g,由北京市北京大學(xué)第三醫(yī)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)已通過動(dòng)物倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。將大鼠隨機(jī)分為假手術(shù)組(C 組,n=8)、癡呆組(VD 組,n=8)、運(yùn)動(dòng)1周癡呆組(1w-Exe+VD組,n=8)、運(yùn)動(dòng)4周癡呆組(4w-Exe+VD 組,n=8)。1w-Exe+VD 組和4w-Exe+VD 組大鼠分別接受為期1 周、4 周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)后通過雙側(cè)頸總動(dòng)脈結(jié)扎手術(shù)模擬血管性癡呆大鼠模型;VD組大鼠只接受雙側(cè)頸總動(dòng)脈結(jié)扎手術(shù)模擬血管性癡呆大鼠模型;C組大鼠僅暴露雙側(cè)頸總動(dòng)脈,不進(jìn)行結(jié)扎處理。
1.1.2 跑輪運(yùn)動(dòng)
將跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)作為大鼠運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方法[15]。1w-Exe+VD 組和4w-Exe+VD 組大鼠分別在主動(dòng)跑輪(美國Harvard公司)里單籠自由養(yǎng)1周和4周,并且能夠在主動(dòng)跑輪上正常自由運(yùn)動(dòng)。跑輪正下方的電磁計(jì)數(shù)器記錄大鼠運(yùn)動(dòng)圈數(shù),每天運(yùn)動(dòng)距離=3.14×跑輪直徑×圈數(shù)。VD組和C組大鼠則在正常鼠籠里面自由飼養(yǎng),且無任何運(yùn)動(dòng)干預(yù)。
1.1.3 血管性癡呆模型的制備
采用雙側(cè)頸總動(dòng)脈結(jié)扎手術(shù)模擬血管性癡呆模型[16]。大鼠在造模前禁食12 h,禁水4 h。大鼠經(jīng)腹腔注射水合氯醛(350 mg/kg)麻醉后呈仰臥位;消毒后于頸正中切口,用手術(shù)鑷鈍性分離雙側(cè)頸總動(dòng)脈,并使用醫(yī)用棉線進(jìn)行結(jié)扎;術(shù)后縫合傷口,放回籠中飼養(yǎng)。1 周后,根據(jù)“Zea-Longa 5 分制評(píng)分法”對大鼠進(jìn)行造模評(píng)判[17]:無功能性損傷為0 分;前爪不能完全伸展為1分;身體向一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)為2分;行走向一側(cè)傾倒為3分;不能自發(fā)行走,并且喪失意識(shí)為4 分;死亡為5 分。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)在1~4分之間即為造模成功。
造模成功后采用被動(dòng)回避反射來評(píng)價(jià)各組大鼠的認(rèn)知功能。被動(dòng)回避反射實(shí)驗(yàn)分為訓(xùn)練階段和重復(fù)訓(xùn)練階段。在訓(xùn)練階段,將大鼠放于左側(cè)明室中,讓大鼠在明室自由活動(dòng)。120 s 之后,打開明暗室間隔,記錄大鼠從明暗室間隔打開到大鼠完全進(jìn)入暗室的時(shí)間,作為“潛伏期Ⅰ”。當(dāng)大鼠完全進(jìn)入暗室后,關(guān)閉明暗室間隔,打開電刺激控制器,讓處于暗室中的大鼠足部受到來自底板通電柵條的電刺激,持續(xù)時(shí)間10 s。電刺激結(jié)束后,打開明暗室間隔,大鼠回到明室中。重復(fù)訓(xùn)練階段,也就是初次訓(xùn)練24 h 后,大鼠將被再一次放入穿梭箱內(nèi)自由活動(dòng)30 s,然后緩慢打開明暗室間隔,觀察并記錄此時(shí)大鼠進(jìn)入暗室的時(shí)間間隔,作為“潛伏期Ⅱ”。重復(fù)訓(xùn)練階段不再給予電刺激。如果大鼠在300 s之后仍舊停留在明室一側(cè)而沒有進(jìn)入暗室,說明大鼠已完全記住在初次訓(xùn)練階段給予的電刺激,也就是說不存在認(rèn)知功能障礙,則記錄該大鼠的“潛伏期Ⅱ”為300 s。反之,如果大鼠在300 s 之內(nèi)進(jìn)入暗室,說明大鼠已忘記在初次訓(xùn)練階段給予的電刺激,也就是說存在認(rèn)知功能障礙,則將此時(shí)間作為大鼠的“潛伏期Ⅱ”。
采用微透析-高效液相色譜法檢測紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)-多巴胺(dopamine,DA)、去甲腎上腺素(noradrenaline,NE)、腎上腺素(epinephrine,E)的含量。首先大鼠經(jīng)腹腔注射水合氯醛(350 mg/kg)麻醉后,采用腦立體定位儀(深圳市瑞沃德生命科技有限公司)固定大鼠頭部;切開顱頂皮膚,暴露前囟點(diǎn),結(jié)合大鼠腦立體定位圖譜將套管種于紋狀體腦區(qū),坐標(biāo)為:AP = 0 mm,L =-3.0 mm,V =-4.5 mm[18]。接下來,將微透析探針通過套管插入到紋狀體腦區(qū)。微透析泵將人工腦脊液經(jīng)微透析探針以2 μL / min 流速持續(xù)灌流90 min,待腦組織周圍透析液達(dá)到平衡穩(wěn)定后開始收集透析液。最后將所收集到的透析液放入高效液相色儀器的進(jìn)樣器中檢測多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素物質(zhì)的含量。
大鼠灌流取腦后,將整個(gè)腦組織經(jīng)4% 多聚甲醛固定后放于30%的蔗糖PBS 溶液中脫水,再經(jīng)乙醇脫水和二甲苯固定后進(jìn)行石蠟包埋,放入含有包埋劑的錫箔紙杯中。將腦組織采用冰凍切片機(jī)切片后,選擇一張約10μm 厚度的切片貼于Fisher 正電防脫載玻片上,65 ℃烤15~30 min,-20 ℃保存。從-20 ℃冰箱中取出切片。室溫封閉1~2 h 后將一抗神經(jīng)元特異性核蛋白(NeuN)(稀釋倍數(shù)為1︰100)加在切片上,4 ℃孵育16~24 h[19]。將濕盒從4 ℃層析柜中拿出,切片放入裝有0.01 M PBS 的盒子中洗6 次,每次5 min。加入適量熒光二抗,室溫孵育1~2 h;將切片放入裝有0.01 M PBS的盒子中洗6次,每次5 min,抗熒光衰減封片劑封片。各組大鼠經(jīng)NeuN 免疫熒光染色后,在高倍鏡視野(× 400)顯微鏡下觀察紋狀體背側(cè)區(qū)域,并進(jìn)行拍照計(jì)數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中,先利用熒光顯微鏡先找到紋狀體腦區(qū)后放大200倍,在此基礎(chǔ)上再放大200倍后觀察紋狀體腦區(qū)神經(jīng)元,以保證各組觀察到的紋狀體腦區(qū)保持一致。
采用GraphPad Prism 5軟件對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。所有數(shù)據(jù)均用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示。兩組間的比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),多組間的比較采用單因素方差分析。以P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
如圖1所示,運(yùn)動(dòng)1周癡呆組和運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠每天運(yùn)動(dòng)量分別為948.61 ± 162.61 m、878.73 ±203.65 m。與前人報(bào)道結(jié)果保持一致[20]。以上數(shù)據(jù)說明,本實(shí)驗(yàn)中運(yùn)動(dòng)1周癡呆組和運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠運(yùn)動(dòng)干預(yù)成功。
圖1 大鼠在主動(dòng)跑輪里的運(yùn)動(dòng)量
對雙側(cè)頸總動(dòng)脈結(jié)扎1周后大鼠的存活率進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并根據(jù)“Zea-Longa 5 分制評(píng)分法”對本實(shí)驗(yàn)中的血管性癡呆大鼠進(jìn)行神經(jīng)功能缺損評(píng)分(表1)后,得出:假手術(shù)組存活8 只,死亡0 只;血管性癡呆組存活6只,死亡2只;運(yùn)動(dòng)1周癡呆組大鼠存活8只,死亡0只;運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠存活7只,死亡1只。結(jié)扎1周后,假手術(shù)組大鼠精神狀態(tài)良好、飲水飲食正常,無神經(jīng)功能損傷特征;血管性癡呆組大鼠總體精神萎靡不振,飲水飲食減少,活動(dòng)能力降低,反應(yīng)遲鈍,存在典型神經(jīng)功能缺損特征;運(yùn)動(dòng)1周癡呆組和運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠精神狀態(tài)較血管性癡呆組稍有所緩解。評(píng)分在1~4分之間即為血管性癡呆造模成功。以上數(shù)據(jù)說明本實(shí)驗(yàn)中造模成功。
表1 神經(jīng)功能缺損評(píng)分
如圖2所示,在初次訓(xùn)練的學(xué)習(xí)階段,假手術(shù)組、癡呆組、運(yùn)動(dòng)1 周癡呆組、運(yùn)動(dòng)4 周癡呆組大鼠的潛伏期Ⅰ分別是71.33 ± 5.80 s、68.67 ± 6.34 s、72.16 ±18.70 s、70.27± 9.10 s。在重復(fù)訓(xùn)練階段,假手術(shù)組、癡呆組、運(yùn)動(dòng)1 周癡呆組、運(yùn)動(dòng)4 周癡呆組大鼠的潛伏期Ⅱ分別是300 s、72.11 ± 16.70 s、300 s、300 s。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:4 組大鼠潛伏期Ⅰ之間無顯著性差異(P>0.05);與假手術(shù)組相比,癡呆組大鼠潛伏期Ⅱ顯著降低(P<0.001);與癡呆組相比,運(yùn)動(dòng)1 周癡呆組、運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠潛伏期Ⅱ顯著升高(P<0.001);且運(yùn)動(dòng)1周組與運(yùn)動(dòng)4周組大鼠間無顯著性差異(P>0.05)。
圖2 4組大鼠在兩個(gè)階段的潛伏期
圖3顯示了4 組大鼠紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)水平變化,結(jié)果如下:與假手術(shù)組相比,癡呆組大鼠紋狀體腦區(qū)多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素的水平顯著下降(P<0.001);與癡呆組相比,運(yùn)動(dòng)1 周癡呆組、運(yùn)動(dòng)4 周癡呆組大鼠紋狀體腦區(qū)多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素的水平顯著升高(P<0.01);且運(yùn)動(dòng)1周組和運(yùn)動(dòng)4周組大鼠間無顯著性差異(P>0.05)。
由NeuN免疫熒光圖(圖4)可見:與假手術(shù)組相比,血管性癡呆組大鼠紋狀體腦區(qū)神經(jīng)元數(shù)目明顯減少;與血管性癡呆組相比,運(yùn)動(dòng)1周癡呆組和運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠紋狀體腦區(qū)神經(jīng)元數(shù)目明顯增加;且運(yùn)動(dòng)1 周組和運(yùn)動(dòng)4周組大鼠間無明顯差異。
圖4 各組大鼠紋狀體腦區(qū)NeuN免疫熒光染色結(jié)果
血管性癡呆是僅次于阿爾茲海默癥的第二大常見癡呆類型,其危害主要表現(xiàn)為認(rèn)知功能障礙[21]。Bagc?等[22]通過被動(dòng)回避反射實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)血管性癡呆大鼠的認(rèn)知功能,研究表明血管性癡呆大鼠的認(rèn)知功能顯著下降。與前人研究結(jié)果一致,本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果也表明血管性癡呆后認(rèn)知功能下降。Brown 等[23]研究發(fā)現(xiàn)血管性癡呆后其認(rèn)知功能下降與腦部微血管的損傷、丟失有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)血管性癡呆后認(rèn)知功能下降與紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)水平下降有關(guān)。紋狀體是基底神經(jīng)節(jié)中信息傳導(dǎo)的主要核團(tuán)之一,主要接受來自皮層的大量神經(jīng)投射,直接或間接參與隨意運(yùn)動(dòng)的程序編制與執(zhí)行[24-25]。這表明紋狀體在對運(yùn)動(dòng)的調(diào)控方面發(fā)揮著重要作用。不僅如此,紋狀體在運(yùn)動(dòng)促進(jìn)認(rèn)知功能方面也有著不可替代的作用?;铙w研究表明運(yùn)動(dòng)可通過調(diào)節(jié)紋狀體腦區(qū)多巴胺[26]、去甲腎上腺素[27]、腎上腺素[28]等神經(jīng)遞質(zhì)的水平,來改善該腦區(qū)的信息傳遞和認(rèn)知功能。神經(jīng)病理學(xué)研究表明紋狀體兒茶酚胺類物質(zhì)異常與疾病的發(fā)生密不可分[29-30]。本研究發(fā)現(xiàn)血管性癡呆后紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)(多巴胺、去甲腎上腺素、腎上腺素)水平下降。有文獻(xiàn)表明[31-32]紋狀體腦區(qū)去甲腎上腺水平的下降將可能與其合成場所(神經(jīng)元)的減少有關(guān)。而本實(shí)驗(yàn)通過免疫組織化學(xué)實(shí)驗(yàn)也證明血管性癡呆后其紋狀體腦區(qū)神經(jīng)元數(shù)目明顯減少,損傷程度明顯增加。由此可見,血管性癡呆后認(rèn)知功能下降可能與神經(jīng)元數(shù)目的減少導(dǎo)致紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)的合成減少有關(guān)。
因此,尋找到一種切實(shí)有效的方法改善血管性癡呆后的認(rèn)知功能十分重要。分子學(xué)研究[33-35]表明:運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)腦部細(xì)胞的可塑性和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的水平,從而改善其認(rèn)知功能。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[36]:跑輪運(yùn)動(dòng)是一種主動(dòng)的、自發(fā)的運(yùn)動(dòng),可根據(jù)大鼠自身的生活習(xí)慣與特點(diǎn)來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)干預(yù),因而對大鼠的認(rèn)知功能具有更好的促進(jìn)作用。Islam 系統(tǒng)總結(jié)了主動(dòng)跑輪運(yùn)動(dòng)可從減小腦部神經(jīng)炎癥、增加神經(jīng)再生能力、提高突觸可塑性等方面來提高大鼠的認(rèn)知功能[37]。此外,范永召探討了短期運(yùn)動(dòng)(1周主動(dòng)跑輪運(yùn)動(dòng)干預(yù))和長期運(yùn)動(dòng)(4周主動(dòng)跑輪運(yùn)動(dòng)干預(yù))對大鼠認(rèn)知功能的影響[38]。盡管短期運(yùn)動(dòng)和長期運(yùn)動(dòng)均可以改善血管性癡呆大鼠的認(rèn)知功能[39-40],然而不同運(yùn)動(dòng)干預(yù)時(shí)間對改善血管性癡呆大鼠的認(rèn)知功能的效果及相關(guān)機(jī)制是否存在差異仍需進(jìn)一步探討。本研究將為期1 周和4 周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)作為血管性癡呆大鼠的預(yù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方式。本研究還通過被動(dòng)回避反射實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)大鼠認(rèn)知功能,結(jié)果表明運(yùn)動(dòng)1 周組和運(yùn)動(dòng)4 周組大鼠的認(rèn)知功能顯著優(yōu)于癡呆組。本研究結(jié)果表明:1周和4周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)均可顯著改善血管性癡呆后的認(rèn)知功能。已有研究[41]表明運(yùn)動(dòng)可通過NF-κB/miR-503/BDNF通路改善血管性癡呆大鼠的認(rèn)知功能。分子生物學(xué)研究[40-44]表明運(yùn)動(dòng)可通過激活多巴胺能、去甲腎上腺素能系統(tǒng)來改善認(rèn)知功能。本研究從分子水平證實(shí)運(yùn)動(dòng)1 周組和運(yùn)動(dòng)4 周組大鼠紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)水平顯著高于癡呆組,表明1周和4周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)也可通過提高血管性癡呆后紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)含量來改善其認(rèn)知功能。Hasegawa采用超高效液相色譜技術(shù)表明跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以增加正常狀態(tài)下兒茶酚胺類物質(zhì)的含量[45]。此外,本研究從細(xì)胞水平通過免疫熒光實(shí)驗(yàn)顯示,與癡呆組相比,運(yùn)動(dòng)1周癡呆組和運(yùn)動(dòng)4周癡呆組大鼠紋狀體腦區(qū)的神經(jīng)元顯著增加,表明為期4周和1周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)提高血管性癡呆后紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物含量,與其抑制血管性癡呆后大鼠紋狀體腦區(qū)神經(jīng)元的丟失有關(guān)。李雪課題組研究表明運(yùn)動(dòng)可抑制腦疾病狀態(tài)下(如衰老)腦部神經(jīng)元丟失和修復(fù)神經(jīng)元形態(tài)結(jié)構(gòu)來改善腦功能[46]。綜上可見,為期1周和4周的跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)可通過抑制血管性癡呆大鼠紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)的丟失和神經(jīng)元數(shù)目的減少,從而改善其認(rèn)知功能。
值得一提的是,為期1周和4周的主動(dòng)跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)在行為學(xué)、分子水平、細(xì)胞水平均無顯著性差異,推測其可能與短期運(yùn)動(dòng)就可以達(dá)到兒茶酚胺類物質(zhì)變化的閾值有關(guān)。但其是否在其他方面存在顯著性差異仍需進(jìn)一步深入探討。
跑輪預(yù)運(yùn)動(dòng)干預(yù)通過抑制血管性癡呆大鼠紋狀體腦區(qū)兒茶酚胺類物質(zhì)的丟失和神經(jīng)元數(shù)目的減少,從而改善其認(rèn)知功能。
中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志2021年4期