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跑台训练增强大鼠的学习记忆及其海马BDNF基因表达徐 波1, 2，黄 涛2，季 浏1, 2（1. “青少年健康评价与运动干预” 教育部重点实验室; 2. 华东师范大学体育与健康学院，上海，200241 ）摘要 目的：探讨8周跑台训练对大鼠学习记忆能力及其海马内脑源性神经营养因子（BDNF）基因表达的影响。方法：将24只雄性SD大鼠分为对照组（C组，n=8）和训练组（T组，n=16），T组进行8周的跑台训练。通过Y迷宫实验，所有大鼠在第7周进行学习能力测试，在第8周进行记忆能力测试。第8周最后一次训练后，随机将T组分为T1组（n=8）和T2组（n=8）。T1组训练后即刻与C组同时断头处死，两组交叉进行，T2组在训练后24时断头处死，采用RT-PCR法检测各组大鼠海马内BDNF的基因表达水平。结果：Y迷宫测试表明T组大鼠的学习记忆优于C组；与C组相比，T1组和T2组大鼠海马中BDNF的基因表达水平均显著升高（p0.01）。结论：8周跑台训练可增强大鼠的学习记忆能力，这与海马内BDNF基因表达的增加有关。关键词： 跑台训练；大鼠；学习记忆；海马；脑源性神经营养因子Treadmill training enhanced learning-memory and BDNF mRNA expression in hippocampus of ratsXU Bo 1, 2, HUANG Tao 2, JI Liu 1, 2（1. Key Laboratory of Adolescent Health Assessment and Exercise Intervention, Ministry of Education;2. College of Physical Education and Health, East China Normal University, shanghai, 200241）Abstract Objective: The purpose of this study is to explore the effects of treadmill training on learning-memory and BDNF mRNA expression in hippocampus of rats. Method: 24 male SD rats were assigned into two groups: control group (C, n=8), training group (T, n=16). The T group rats took part in treadmill training for 8 weeks. In 7th week, all of the rats were participated the learning test by Y maze, and in 8th week, all of the rats were participated the memory test by Y maze. After the last treadmill training in 8th week，T groups were assigned randomly into two groups：T1 group(n=8) and T2 group(n=8)The rats of the T1 group were decollated immediately after the last running alternately with the rats in control group，and the rats of T2 group were decollated after 24 hours of the last runningThe expression of BDNF mRNA were inspected by RT-PCRResults: Y maze test showed that the ability of learning and memory for T group rats were better than the C group rats. Comparing with C group, the expression of BDNF mRNA increased significantly in T1 and T2 group（p0.01）. Conclusion: 8 weeks treadmill training can facility the learning process and improve the memory of rats, which may have close relation with the increase on the expression of BDNF mRNA in hippocampus.Key words： Treadmill training; rat; learning and memory; hippocampus; BDNF 本实验室的前期研究1,2表明，适宜的游泳训练可提高大鼠的学习记忆能力。然而，运动训练影响学习记忆能力的机制尚不明确。近年来的研究表明，脑源性神经营养因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）在中枢神经系统中具有广泛作用， BDNF与自主跑轮运动引起的学习记忆能力的提高有一定的相关性3,4。目前，有关运动改善学习记忆能力的动物实验多采用自主跑轮运动（voluntary wheel running），其运动量不易控制。有研究提示5，只有当运动量(包括运动持续时间和强度等)达到一定的范围才能引起动物海马内BDNF的变化，而跑台训练（Treadmill training）比自主跑轮运动更能精确的控制运动量。故本文将研究跑台训练对大鼠学习记忆能力的影响，并探讨BDNF在运动促进大鼠学习记忆过程中的作用。1 材料与方法1.1 动物 从上海西普尔-必凯实验动物中心购入六周龄Sprague-dawley雄性大鼠24只，常规分笼饲养。将大鼠分为对照组（C组，n=8）和训练组(T组，n=16)，在第8周最后一次训练后，随机将T组分为T1（n=8）组和T2组(n=8)，T1组运动后即刻与C组同时断头处死，两组交叉进行，T2组在运动后24时断头处死，取双侧海马，测定其BDNF的基因表达。1.2 训练方案按张林等6的训练方案对T组大鼠进行8周跑台训练，每周训练5次：1-3周运动时间30min，速度13.3m/min，坡度0；第4周运动时间40min，速度13.3m/min，坡度5%；第5周运动时间45min，速度15m/min，坡度5%；第6周运动时间50min，速度15m/min，坡度5%；第7-8周运动时间60min，速度16m/min，坡度5%。根据啮齿类动物的生活习性，所有运动训练和迷宫测试均安排在晚间6点之后的固定时间段进行。1.3 Y迷宫测试按王跃春7的方案对大鼠进行Y迷宫实验，第7周对所有大鼠进行学习能力测试，第8周进行记忆能力测试。学习能力测试采用随机不休息法8，每天对大鼠进行20次测试，连续测试4天，每天从晚上8点钟开始，各组鼠交叉进行，记录大鼠每天的正确反应和错误反应次数，以计算大鼠的正确反应率。大鼠受电击后从起步区直接逃到安全区为正确反应，若逃到无灯光的任何另一臂，则记为错误反应。测试时安全区以无规则的顺序变换，开始时，对大鼠所在的支臂和另一支臂通电，动物在电击下逃避至灯光区并持续10秒为一次测试，然后以动物所在支臂为下次测试的起点进行下一次测试。记忆能力测试：在学习能力测试结束后的第3天，从晚上8点钟开始，对所有大鼠进行记忆能力的测试，每个大鼠进行20次测试，各组大鼠交叉进行，记录其正确反应的次数，以判断大鼠学会后记忆的保持情况。1.4 海马BDNF mRNA的检测采用RT-PCR法检测各组大鼠海马内BDNF mRNA的表达水平，按黄涛8等的方法进行，先提取总的RNA，再通过RT-PCR反应体系进行目的基因的扩增，观察凝胶成像系统的电泳结果并计算标本基因条带与内参基因条带的净面积参数之比（即基因表达的结果）。所用的引物序列为：上游5-TGAAAGAAGCAAACGTCCACG-3；下游5-TGTTTGCGGCATCCAGGTA-3。1.5 统计方法使用SPSS15.0统计软件对原始数据进行单因素方差分析，以检验运动组与对照组大鼠之间各指标是否具有显著性差异。2结果2.1 跑台训练对大鼠学习能力的影响在第7周对所有大鼠进行连续4天的Y迷宫学习能力测试，结果发现，T组大鼠的正确反应率均高于C组，而且在第二天，T组大鼠的正确反应率（0.7840.150）显著高于C组（0.6190.153）（p0.05）；同样在第四天，T组大鼠的正确反应率（0.8030.092）显著高于C组（0.7060.135）（p0.05）。如图1所示。（C组n=8，T组n=16)(*表示：T组vs C组，p0.05)图1大鼠学习测试过程中每天的正确反应率Fig.1 The right rate of learning process in Y maze test2.2 跑台训练对大鼠记忆能力的影响在第8周的记忆能力测试中，每个大鼠进行20次Y迷宫测试，记录其正确反应的次数。从表1可见，T组大鼠的正确反应次数显著高于C组（p0.01）。表1 大鼠记忆测试过程中正确反应次数Table 1 The mean value of right trails in Y maze test组别 n 正确反应次数（次）T组 16 17.501.26*C组 8 13.881.89(*表示：T组vs C组，p0.01)2.3 跑台训练对大鼠海马BDNF mRNA表达的影响 如图2所示，8周跑台训练之后，T1组和T2组大鼠海马BDNF mRNA表达的平均值（0.820.08， 0.610.09）都显著高于C组（0.490.05）（p0.01），T1组平均上调69.5%，T2组平均上调24.7%。BDNF mRNA的表达水平在运动后24小时开始呈下降趋势，但仍然显著高于C组。（C组n=8，T1组n=8，T2组n=8)(*表示：T1组、T2组vs C组， p0.01)图2 大鼠海马BDNF mRNA相对表达量Fig.2 The mean value of expression level of BDNF mRNA3讨论3.1 跑台训练对大鼠学习记忆的影响学习是指人和动物依赖于经验来改变自身行为以适应环境的神经活动过程。记忆则是学习到的信息的贮存和提取（再现）的神经活动过程，两者密切相关。在运动训练进行到第7周时，我们对所有大鼠进行了Y迷宫学习能力测试，结果显示，T组大鼠在第二天和第四天的正确反应率显著高于C组（p0.05）。此结果表明，T组大鼠较C组大鼠具有更强的学习能力。实验中第3天两组之间无显著性差异，其原因目前无法解释，作者将在今后的实验中进一步的研究。在第8周的记忆保持测试中，T组大鼠的正确反应次数显著高于C组（p0.01）。此结果表明，T组大鼠较C组大鼠具有更好的记忆保持能力。总之，我们的实验结果表明，8周跑台训练后大鼠的学习和记忆能力得到了提高。该结果支持了前人的研究，如Ang等9的研究表明12周的有氧跑台训练有助于大鼠的空间学习记忆能力的提高。综合前人及本人的研究结果，适宜的运动训练促进学习记忆能力的主要原因是：其一，经常适宜的运动训练可增强人体的血液循环，使大脑得到充足的氧气和养料，使脑细胞发育良好；其二，适宜的运动训练可使机体的体温经常性升高，并增强了大脑组织的抗酸碱能力和抗氧化酶的活性；其三，适宜的运动训练还可使机体的体位不断的变化和抖动，使脑组织液的流动加快，使大脑内神经元之间的联系（如突触）得到改善，从而对学习记忆起到促进作用10。3.2 跑台训练对大鼠海马BDNF mRNA表达的影响本实验的结果显示，T1组和T2组大鼠海马部位BDNF mRNA的表达量均显著性高于C组（p0.01），且BDNF mRNA的表达量在运动后即刻达到锋值。该结果表明跑台训练能提高大鼠海马BDNF mRNA表达水平。本研究结果支持了UM HS等人11的报道，他们的实验显示跑台训练促进了小鼠海马内BDNF mRNA表达水平。BDNF增加的原因是：先前的研究发现，运动能增加海马等部分脑区和脊髓的去甲肾上腺素分泌，还能增加多巴胺、5-羟色胺的释放和代谢12，增加的神经递质很可能通过引起脑内第二信使cAMP 的增加，激活了对其有依赖作用的蛋白激酶 13。Russo-Neustadt等14的研究表明脑内BDNF mRNA的表达受控于cAMP反应元件结合蛋白（CREB），BDNF基因含有CRE序列，是CREB的靶基因。Shen等15报道运动可增加大鼠海马磷酸化的CREB，并且发现CREB与BDNF基因CRE序列的结合增加，增强了BDNF基因的转录，从而上调了大鼠海马内的BDNF，运动训练正是通过这一途径诱导BDNF的基因表达从而促进了学习记忆能力。BDNF是通过怎样的作用途径促进学习记忆的呢? 其原因可能是：首先，BDNF及其受体广泛分布于中枢神经系统，对海马神经元的生存、生长、分化有重要的影响。Farmer等 16发现4周的跑轮运动能促进大鼠海马神经细胞的增生，并提高了大鼠的学习记忆能力，其原因是大鼠海马BDNF的增加。其次，BDNF能增加海马和大脑皮层N-甲基-D-天门冬氨酸受体（N-Methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）亚单位NR1和NR2B的磷酸化水平，并且增加受体离子通道的开放和信息传递17。NMDAR被认为是突触可塑性及皮质和海马神经元LTP效应的主要调控者，是学习记忆功能的重要分子基础。学习和记忆的神经电生理学机制-长时程增强（LTP）的形成和维持都需要NMDAR的参与。Levine等18观察到运动增强了大鼠海马齿状核神经发生过程伴随着NR2B、BDNF等mRNA表达的增加，他们认为跑台训练提高了BDNF的基因表达，BDNF又可能通过相关的转录因子促进NR2BmRNA的表达，这些特异性 mRNA的增加将引起神经元或突触数目的增加。4 结论经过8周跑台训练，大鼠在Y型迷宫中的学习和记忆能力得到提高。跑台训练上调了大鼠海马内BDNF的基因表达水平，而BDNF可能通过作用于不同的转录因子上调了NR1和NR2B的基因表达，进而促进了大鼠的学习记忆能力。提示运动训练对学习记忆功能的促进作用，可能与BDNF基因表达的增加有关。参考文献1 张春美，徐波，杨毅飞，等游泳训练对大鼠空间学习记忆能力及海马、纹状体内c-fos、c-jun mRNA表达的影响J. 中国康复医学杂志，2008，23（8）：724-7272 谢 敏,徐 波,王泽军.游泳训练对大鼠空间学习记忆能力与海马、前额叶皮质环磷酸腺苷、环磷酸鸟苷水平的影响J.中国康复医学杂志,2009,24(11):1002-10053 Griesbach G S, Hovda D A, Gomez-Pinilla F. 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