有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆及海马神经形态结构的影响

doi:10.12307/2022.673

中国组织工程研究 ›› 2023, Vol. 27 ›› Issue (20): 3188-3194.doi: 10.12307/2022.673

• 组织构建实验造模 experimental modeling in tissue construction • 上一篇下一篇

有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆及海马神经形态结构的影响

张业廷1，2，付燕3，李雪4，魏翠兰5，李垂坤2，袁琼嘉4

1中国民航飞行学院，四川省广汉市 618307；2成都大学体育学院，四川省成都市 610106；3西南民族大学体育学院，四川省成都市 610041；4成都体育学院，四川省成都市 610041；5成都理工大学体育学院，四川省成都市 610059

收稿日期:2021-06-29 接受日期:2021-09-08 出版日期:2023-07-18 发布日期:2022-11-19
通讯作者: 袁琼嘉，教授，成都体育学院，四川省成都市 610041
作者简介:张业廷，男，1989年生，山东省肥城市人，汉族，博士，讲师，主要从事运动干预与健康促进研究。
基金资助:
四川省科技计划项目(2020YFH0184)，项目负责人：张业廷

Effects of aerobic exercise on learning, memory, and hippocampal neuromorphology in mice with Alzheimer’s disease

Zhang Yeting1, 2, Fu Yan3, Li Xue4, Wei Cuilan5, Li Chuikun2, Yuan Qiongjia4

1Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, Sichuan Province, China; 2College of Physical Education, Chengdu University, Chengdu 610106, Sichuan Province, China; 3College of Physical Education, Southwest Minzu University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; 4Chengdu Sport University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China; 5Sports Institute of Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, Sichuan Province, China

Received:2021-06-29 Accepted:2021-09-08 Online:2023-07-18 Published:2022-11-19
Contact: Yuan Qiongjia, Professor, Chengdu Sport University, Chengdu 610041, Sichuan Province, China
About author:Zhang Yeting, PhD, Lecturer, Civil Aviation Flight University of China, Guanghan 618307, Sichuan Province, China; College of Physical Education, Chengdu University, Chengdu 610106, Sichuan Province, China
Supported by:
the Science and Technology Project of Sichuan Province, No. 2020YFH0184 (to ZYT)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

阿尔茨海默症：是一种渐进性神经退行性疾病，也是最常见的年龄相关性痴呆。阿尔茨海默症是一种复杂的异质性疾病，其发病与多种因素的参与有关，包括遗传因素、神经递质、免疫因素和环境因素，目前并没有有效的手段能够治疗阿尔茨海默症。
突触：是指一个神经元的冲动传到另一个神经元或传到另一细胞间相互接触的结构，包括突触前膜、突触间隙与突触后膜。突触间隙是信息神经细胞与神经细胞之间进行信息传递的必经途径，其间隙越大，则神经递质需要花费更长的时间传递到下一个神经细胞，而这将会降低突触的传递效能。突触后膜胞质面存在一层致密物质，参与锚定突触后受体和组成细胞骨架，是介导和整合突触后信号的重要结构基础，称之为PSD。

背景：运动有助于预防和减缓阿尔茨海默症、痴呆症及与年龄相关的认知能力下降，而运动预防阿尔茨海默症患者认知能力下降是否与其改变了海马神经形态结构有关还并不清楚。
目的：观察长期有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆能力及海马神经形态的影响，探讨有氧运动影响阿尔茨海默症的神经机制。
方法：取3月龄野生型小鼠12只，其中6只进行5个月的运动干预(野生运动组)，另6只不进行任何干预(野生对照组)；取APP/PS1双转基因阿尔茨海默症模型小鼠12只，其中6只进行5个月的运动干预(模型运动组)，另6只不进行任何干预(模型对照组)。运动干预结束后，通过八臂迷宫实验检测各组小鼠记忆能力，尼氏染色观察小鼠海马神经形态，透射电镜观察海马神经形态结构。
结果与结论：①八臂迷宫实验：野生运动组小鼠的记忆能力优于野生对照组、模型运动组(P < 0.05)，模型运动组、野生对照组小鼠的记忆能力优于模型对照组(P < 0.05)；②尼氏染色：野生运动组、野生对照组小鼠海马齿状回区、CA3区与CA1区的尼氏体清晰可辨别，胞核与核仁较清楚；阿尔茨海默症小鼠海马各区尤其是齿状回区与CA3区的尼氏体较为模糊，胞核与核仁较难分辨，特别是模型对照组小鼠神经细胞结构相对模糊且部分神经元结构受损明显，神经细胞之间的距离较大且排列疏松；③透射电镜：与野生对照组相比，模型对照组小鼠海马齿状回区的突触数量减少，部分突触间隙、突触前膜、突触后膜模糊，突触前膜内囊泡较少，突触后致密带密度较低；与模型对照组相比，模型运动组小鼠小鼠海马齿状回区的突触数量增加，突触前膜内突触囊泡分布较为密集均匀，突触后致密带密度有所增高；④结果表明，运动可以在一定程度上改善阿尔茨海默症小鼠海马神经细胞结构，这可能是运动改善阿尔茨海默症小鼠学习记忆能力的神经机制之一。

https://orcid.org/0000-0003-0031-2891 (张业廷)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 有氧运动, 阿尔茨海默症, 海马, 神经形态结构, 学习记忆, 认知, 突触, 神经机制

Abstract: BACKGROUND: Exercise helps prevent and retard cognitive decline related to Alzheimer’s disease, dementia, and age. However, whether exercise prevents cognitive decline in patients with Alzheimer’s disease is related to the neuromorphological changes of the hippocampus is still unclear.
OBJECTIVE: To investigate the effects of long-term aerobic exercise on learning and memory ability and neuromorphology of the hippocampus in mice with Alzheimer’s disease and its neuromechanism on Alzheimer’s disease.
METHODS: Twelve wild-type mice aged 3 months were divided into two groups (n=6 per group): a wild exercise group and a wild control group. Mice in the wild exercise group were given an exercise intervention for 5 months, and mice in the wild control group had no intervention. Twelve APP/PS1 double transgenic mice with Alzheimer’s disease were divided into two groups (n=6 per group): a model exercise group and a model control group. Mice in the model exercise group were given an exercise intervention for 5 months, and mice in the model control group had no intervention. After the exercise intervention, the memory ability of mice was tested through the eight-arm maze test. Neuromorphological changes of the hippocampus in mice were observed using Nissl staining under transmission electron microscope.
RESULTS AND CONCLUSION: The results of the eight-arm maze test showed that the memory ability of mice in the wild exercise group was better than that in the wild control group and the model exercise group (P < 0.05), and the memory ability of mice in the model exercise group and the wild control group was better than that in the model control group (P < 0.05). The results of Nissl staining showed that the Nissl bodies with clear nuclei and nucleoli were clearly visible in the hippocampal dentate gyrus, CA3 and CA1 areas of mice in the wild exercise group and the wild control group. In the mice with Alzheimer’s disease, the Nissl bodies in the hippocampus, especially in the dentate gyrus and CA3 areas, were fuzzy, and the nuclei and nucleoli were difficult to distinguish. In particular, in the model control group, the structure of nerve cells was relatively fuzzy, some neurons were seriously damaged, nerve cells arranged loosely with large spacing interval. Under the transmission electron microscopy, the number of synapses in the hippocampal dentate gyrus was decreased in the model control group compared with the wild control group. Some synaptic clefts, presynaptic membrane, and postsynaptic membrane were blurred, and there were fewer vesicles in the presynaptic membrane. The density of postsynaptic dense zone was lower. Compared with the model control group, the number of synapses in the hippocampal dentate gyrus was increased in the model exercise group. The distribution of synaptic vesicles in the presynaptic membrane was dense and uniform, and the density of postsynaptic dense zone was increased. To conclude, exercise can improve the structure of hippocampal nerve cells in Alzheimer’s disease mice to a certain extent, which may be one of the neuromechanisms by which exercise improves the learning and memory ability of Alzheimer’s disease mice.

Key words: aerobic exercise, Alzheimer’s disease, hippocampus, neuromorphological structure, learning and memory, cognition, synapse, neuromechanism

中图分类号:

张业廷, 付燕, 李雪, 魏翠兰, 李垂坤, 袁琼嘉. 有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆及海马神经形态结构的影响[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3188-3194.

Zhang Yeting, Fu Yan, Li Xue, Wei Cuilan, Li Chuikun, Yuan Qiongjia. Effects of aerobic exercise on learning, memory, and hippocampal neuromorphology in mice with Alzheimer’s disease[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2023, 27(20): 3188-3194.

图/表（结果） 6

2.1 实验动物数量分析实验过程中有2只阿尔茨海默症小鼠死亡，后期及时补充2只阿尔茨海默症小鼠，最终进入结果分析48只小鼠。
2.2 各组小鼠八臂迷宫实验结果见图1。

在第6天进行的八臂迷宫最终测试实验中，记录了工作记忆错误次数、工作记忆错误率、参考记忆错误次数、参考记忆错误率4项指标，见表1。

整体而言，阿尔茨海默症小鼠相较于野生型小鼠重复进入各臂的次数较多，吃完所有食物用时较长。通过两因素被试间方差分析工作记忆错误次数，干预方式的主效应显著[F(1，20)=7.143，P=0.028，ηP2=0.472]，基因型的主效应显著[F(1，20)=3.681，P=0.003，ηP2=0.696]；干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=2.571，P=0.147，ηP2=0.243]。表明干预方式与基因型作为主效应均可以显著影响小鼠工作记忆错误次数，但是它们的交互作用并不显著。野生运动组小鼠的工作记忆错误次数显著低于野生对照组，模型运动组小鼠的工作记忆错误次数显著低于模型对照组(P=0.047，P=0.016)；模型对照组小鼠的工作记忆错误次数显著高于模型运动组，模型运动组小鼠的工作记忆错误次数显著高于野生运动组(P=0.003，P=0.009)。
通过两因素被试间方差分析工作记忆错误率，干预方式的主效应显著[F(1，20)=10.146，P=0.013，ηP2=0.559]，基因型的主效应显著[F(1，20)=48.78，P < 0.005，ηP2=0.859]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=1.936，P=0.202，ηP2=0.195]。表明干预方式与基因型作为主效应均可以显著影响小鼠工作记忆错误率，但是它们的交互作用并不显著。野生运动组小鼠的工作记忆错误次率显著低于野生对照组，模型运动组小鼠的工作记忆错误次率显著低于模型对照组(P=0.024，P=0.012)；模型对照组小鼠的工作记忆错误率显著高于野生对照组，模型运动组小鼠的工作记忆错误率显著高于野生运动组(P < 0.005，P=0.004)。
通过两因素被试间方差分析参考记忆错误次数，干预方式的主效应显著[F(1，20)=11.130，P=0.010，ηP2=0.582]，基因型的主效应不显著[F(1，20)=2.783，P=0.134，ηP2=0.696]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=1.565，P=0.246，ηP2=0.164]。表明干预方式对小鼠参考记忆错误次数的改变并不受基因型的影响，且基因型并未对小鼠的参考记忆错误次数产生显著影响。野生运动组小鼠的参考记忆错误次数显著低于野生对照组，模型运动组小鼠的参考记忆错误次数显著低于模型对照组(P=0.017，P=0.012)；模型对照组小鼠的参考记忆错误次数显著高于野生对照组，模型运动组小鼠的参考记忆错误次数与野生运动组相比无明显差异(P=0.022，P=0.148)。
通过两因素被试间方差分析参考记忆错误率，干预方式的主效应显著[F(1，20)=17.027，P=0.003，ηP2=0.68]，基因型的主效应显著[F(1，20)=22.851，P=0.001，ηP2=0.741]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=2.169，P=0.179，ηP2=0.213]。表明干预方式与基因型作为主效应均可以显著影响小鼠参考记忆错误率，但是它们的交互作用并不显著。野生运动组小鼠的参考记忆错误率与野生对照组相比无明显差异，模型运动组小鼠的参考记忆错误率显著低于模型对照组(P=0.097，P=0.004) ；模型对照组小鼠的参考记忆错误率显著高于野生对照组，模型运动组小鼠的参考记忆错误率与野生运动组相比无明显差异(P=0.002，P=0.238)。
2.3 各组小鼠海马神经形态见图2。

通过海马尼氏染色可以看出，相对于阿尔茨海默症小鼠，野生型小鼠海马齿状回区、CA3区与CA1区的尼氏体清晰可辨别，胞核与核仁较清楚，甚至可以区分出树突，表明其神经元结构较好，神经元之间的排列较为紧密有层次。相对而言，阿尔茨海默症小鼠海马各区尤其是齿状回区与CA3区的尼氏体颜色较淡且较为模糊，胞核与核仁也相对较难分辨，特别是模型对照组小鼠的神经细胞结构相对模糊且部分神经元结构受损明显，神经细胞之间的距离较大且排列疏松；相对于模型对照组来说，模型运动组小鼠海马各区尼氏体颜色较深，胞核与核仁也相对较容易分辨。这说明阿尔茨海默症小鼠海马神经细胞合成蛋白质的功能可能相对比较弱，其神经元出现了一定程度的受损，而运动可以在一定程度上改善阿尔茨海默症小鼠海马神经细胞结构。
2.4 各组小鼠海马神经细胞超微结构见图3，4。

电镜下可观察到，野生型小鼠海马齿状回区的锥体细胞层中神经细胞排列较为整齐，细胞膜完整且较为清楚，细胞质中的细胞器如线粒体、粗面内质网、核糖体、高尔基复合体等较为丰富，甚至可以区分出溶酶体；细胞核呈现形状较为规则的圆形且比较大，核膜光滑完整，核仁清晰可见。阿尔茨海默症小鼠海马齿状回区神经锥体细胞的细胞核核膜有一定程度的皱缩、内陷及溶解断裂现象，细胞质中的细胞器如线粒体、内质网、高尔基复合体等的数量较野生型小鼠明显减少，其中有的线粒体出现了肿胀与空泡等现象，甚至有的线粒体的嵴出现溶解消失的情况，内质网出现了轻度扩张及液泡化的现象，高尔基的囊泡也有扩张现象发生；细胞核核膜出现皱缩及内陷呈锯齿样，而染色质则有固缩边聚现象。虽然模型对照组及模型运动组小鼠海马齿状回区神经细胞细胞核核膜都出现了一定程度的皱缩、内陷、溶解断裂现象，但是模型运动组小鼠的线粒体形态明显优于模型对照组小鼠。以上这些变化表明，APP/PS1双转基因小鼠的海马齿状回区神经细胞出现了受损及退化现象，而运动对这种受损及退化过程可能具有一定的预防作用。
电镜下还可观察到，野生对照组与野生运动组小鼠海马齿状回区分子层的神经突触大多结构完整清晰，位于突触前的囊泡分布也较为密集均匀，在突触后膜处能够观察到浓密的电子致密物聚集，电子致密物的密度高；与野生对照组相比，模型对照组突触的分布较为稀疏，而部分突触前后膜及突触间隙较为模糊，突触前膜内的囊泡分布较少，电子致密物的密度较低；模型运动组突触前膜内的囊泡相较于模型对照组分布较为密集均匀，电子致密物密度有所增高。
通过两因素被试间方差分析小鼠海马齿状回区突触的数量，干预方式的主效应显著[F(1，20)= 11.745，P=0.003，ηP2=0.37]，基因型的主效应显著[F(1，20)=16.632，P=0.001，ηP2=0.454]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=0.016，P=0.900，ηP2=0.001]。表明干预方式与基因型作为主效应均可以显著影响海马齿状回区突触的数量，但是它们的交互作用并不显著。野生运动组的突触数量显著高于野生对照组，模型运动组的突触数量显著高于模型对照组(P=0.03，P=0.021)；模型对照组的突触数量显著低于野生对照组，模型运动组的突触数量显著低于野生运动组(P=0.002，P=0.048)。
通过两因素被试间方差分析小鼠海马齿状回区电子致密物厚度，干预方式的主效应不显著[F(1，20)=2.347，P=0.141，ηP2=0.105]，基因型的主效应不显著[F(1，20)=3.95，P=0.061，ηP2=0.165]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=0.505，P=0.486，ηP2=0.025]。表明干预方式与基因型作为主效应均不能显著影响海马齿状回区电子致密物厚度，且它们的交互作用并不显著。
通过两因素被试间方差分析小鼠海马齿状回区突触间隙距离，干预方式的主效应不显著[F(1，20)=0.19，P=0.668，ηP2=0.009]，基因型的主效应不显著[F(1，20)=0.084，P=0.775，ηP2=0.004]，干预方式与基因型的交互作用不显著[F(1，20)=0.224，P=0.641，ηP2=0.011]。表明干预方式与基因型作为主效应均不能显著影响海马齿状回区突触间隙距离，且它们的交互作用并不显著。以上数据表明，长期有氧运动无论是对野生型小鼠，还是对APP/PS1转基因阿尔茨海默症小鼠而言，都可以显著增加其海马突触的数量。但是对其突触电子致密物厚度及突触间隙距离没有显著影响。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

参考文献

[1] MARTIN P, ANDERS W. World Alzheimer Report 2016. Alzheimer’s Disease International, 2016.
[2] BROOKMEYER R, JOHNSON E, ZIEGLER-GRAHAM K, et al. Forecasting the global burden of Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement. 2007; 3(3):186-191.
[3] 赵祥,魏翠兰,张业廷.神经发生和炎性环境在运动条件下的改变与调节[J].中国组织工程研究,2021,25(5):813-820.
[4] BITTNER T, BURGOLD S, DOROSTKAR MM, et al. Amyloid plaque formation precedes dendritic spine loss. Acta Neuropathol. 2012; 124(6):797-807.
[5] TOBIN MK, MUSARACA K, DISOUKY A, et al. Human Hippocampal Neurogenesis Persists in Aged Adults and Alzheimer’s Disease Patients. Cell Stem Cell. 2019;24(6):974-978.
[6] LAUTENSCHLAGER N, COX K, ELLIS K. Physical activity for cognitive health: what advice can we give to older adults with subjective cognitive decline and mild cognitive impairment? Dialogues Clin Neuro. 2019;21(1):61-68.
[7] 张象,张业廷.运动改善阿尔茨海默症模型小鼠病程的剂量效应关系[J].中国组织工程研究,2021,25(17):2761-2766.
[8] KURZINA NP, ARISTOVA IY, VOLNOVA AB, et al. Deficit in working memory and abnormal behavioral tactics in dopamine transporter knockout rats during training in the 8-arm maze. Behav Brain Res. 2020; 390:112642.
[9] MCKHANN GM, KNOPMAN DS, CHERTKOW H, et al. The diagnosis of dementia due to Alzheimer’s disease: Recommendations from the National Institute on Aging-Alzheimer’s Association workgroups on diagnostic guidelines for Alzheimer’s disease. Alzheimers Dement. 2011;7(3):263-269.
[10] WAKHLOO D, OBERHAUSER J, MADIRA A, et al. From cradle to grave: neurogenesis, neuroregeneration and neurodegeneration in Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Neural Regen Res. 2022;17(12): 2606-2614.
[11] VERMUNT L, SIKKES SAM, VAN DEN HOUT A, et al. Duration of preclinical, prodromal, and dementia stages of Alzheimer’s disease in relation to age, sex, and APOE genotype. Alzheimers Dement. 2019; 15(7):888-898.
[12] HANSEN RA, GARTLEHNER G, WEBB AP, et al. Efficacy and safety of donepezil, galantamine, and rivastigmine for the treatment of Alzheimer’s disease: A systematic review and meta-analysis. Clin Interv Aging. 2008;3(2):211-225.
[13] MONTGOMERY W, GOREN A, KAHLE-WROBLESKI K, et al. Detection, diagnosis, and treatment of Alzheimer’s disease dementia stratified by severity as reported by caregivers in Japan. Neuropsych Dis Treat. 2018;14:1843-1854.
[14] PARANJPE MD, WANG JK, ZHOU Y. Sex, ApoE4 and Alzheimer’s disease: rethinking drug discovery in the era of precision medicine. Neural Regen Res. 2021;16(9):1764-1765.
[15]HOFFMANN K, SOBOL NA, FREDERIKSEN KS, et al.Moderate-to-High Intensity Physical Exercise in Patients with Alzheimer’s Disease: A Randomized Controlled Trial. J Alzheimers Dis. 2016;50(2):443-453.
[16] KE HC, HUANG HJ, LIANG KC, et al. Selective improvement of cognitive function in adult and aged APP/PS1 transgenic mice by continuous non-shock treadmill exercise. Brain Res. 2011;1403:1-11.
[17] LIU HL, ZHAO G, ZHANG H, et al. Long-term treadmill exercise inhibits the progression of Alzheimer’s disease-like neuropathology in the hippocampus of APP/PS1 transgenic mice. Behav Brain Res. 2013;256:261-272.
[18] SCARMEAS N, LUCHSINGER JA, SCHUPF N, et al. Physical Activity, Diet, and Risk of Alzheimer Disease. JAMA. 2009;302(6):627-637.
[19] SMITH JC, NIELSON KA, WOODARD JL, et al. Physical activity and brain function in older adults at increased risk for Alzheimer’s disease. Brain Sci. 2013;3(1):54-83.
[20] LAUTENSCHLAGER NT, COX KL, FLICKER L, et al. Effect of physical activity on cognitive function in older adults at risk for Alzheimer disease: a randomized trial. JAMA. 2008 ;300(9):1027-1037.
[21] ETGEN T, SANDER D, HUNTGEBURTH U, et al. Physical Activity and Incident Cognitive Impairment in Elderly Persons The INVADE Study. Arch Intern Med. 2010;170(2):186-190.
[22] KNOBLAUCH A, KÖRNER E, KÖRNER U, et al. Structural synaptic plasticity has high memory capacity and can explain graded amnesia, catastrophic forgetting, and the spacing effect. PloS One. 2014;9(5): e96485.
[23] ALONSO-NANCLARES L, MERINO-SERRAIS P, GONZALEZ S, et al. Synaptic changes in the dentate gyrus of APP/PS1 transgenic mice revealed by electron microscopy. J Neuropath Exp Neur. 2013;72(5): 386-395.
[24] SHENG C, XU P, ZHOU K, et al.βIcariin Attenuates Synaptic and Cognitive Deficits in an A-Induced Rat Model of Alzheimer’s Disease. Biomed Res Int. 2017;2017:7464872.
[25] YANG X, YAO C, TIAN T, et al. A novel mechanism of memory loss in Alzheimer’s disease mice via the degeneration of entorhinal-CA1 synapse. Mol Psychiatry. 2018;23(2):199-210.
[26] GROSSBERG S. Acetylcholine Neuromodulation in Normal and Abnormal Learning and Memory: Vigilance Control in Waking, Sleep, Autism, Amnesia and Alzheimer’s Disease. Front Neural Circuits. 2017;11:82.
[27] LI X, GUAN J, SUN T, et al. Circadian learning and memory changes in Abeta1-42 induced Alzheimer’s mice. Metab Brain Dis. 2020;35(3):463-471.
[28] SAEEDI M, RASHIDY-POUR A. Association between chronic stress and Alzheimer’s disease: Therapeutic effects of Saffron. Biomed Pharmacother. 2021;133:110995. doi: 10.1016/j.biopha.2020.110995.
[29] GÓMEZ-GALLEGO M, GÓMEZ-GARCÍA J. Stress and verbal memory in patients with Alzheimer’s disease: different role of cortisol and anxiety. Aging Ment Health. 2019;23(11):1496-1502.
[30] MORENO-JIMENEZ EP, FLOR-GARCIA M, TERREROS-RONCAL J, et al. Adult hippocampal neurogenesis is abundant in neurologically healthy subjects and drops sharply in patients with Alzheimer’s disease. Nat Med. 2019;25(4):554.
[31] CHEN X, WU X, WU H, et al. Phase separation at the synapse. Nat Neurosci. 2020;23(3):301-310.
[32] KENNEDY M. The Protein Biochemistry of the Postsynaptic Density in Glutamatergic Synapses Mediates Learning in Neural Networks. Biochemistry. 2018;57(27):4005-4009.
[33] ZENG M, CHEN X, GUAN D, et al. Reconstituted Postsynaptic Density as a Molecular Platform for Understanding Synapse Formation and Plasticity. Cell. 2018;174(5):1172-1187.e16.
[34] ZENG M, SHANG Y, ARAKI Y, et al. Phase Transition in Postsynaptic Densities Underlies Formation of Synaptic Complexes and Synaptic Plasticity. Cell. 2016;166(5):1163-1175.e12.
[35] BUONAGURO EF, MORLEY-FLETCHER S, AVAGLIANO C, et al. Glutamatergic postsynaptic density in early life stress programming: Topographic gene expression of mGlu5 receptors and Homer proteins. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 2020;96:109725.
[36] SCHAEFER ML, PEREZ PJ, WANG M, et al. Neonatal Isoflurane Anesthesia or Disruption of Postsynaptic Density-95 Protein Interactions Change Dendritic Spine Densities and Cognitive Function in Juvenile Mice. Anesthesiology. 2020;133(4):812-823.
[37] DE BARTOLOMEIS A, AVAGLIANO C, VELLUCCI L, et al. Translating preclinical findings in clinically relevant new antipsychotic targets: focus on the glutamatergic postsynaptic density. Implications for treatment resistant schizophrenia. Neurosci Biobehav Rev. 2019;107:795-827.

引言

阿尔茨海默症是一种渐进性神经退行性疾病，也是最常见的年龄相关性痴呆，随着世界人口老龄化加剧，预计到2050年被阿尔茨海默症困扰的人数将达到1.31亿人次[1-2]。阿尔茨海默症是一种复杂的异质性疾病，其发病与多种因素的参与有关，包括遗传因素、神经递质、免疫因素和环境因素等[3]。阐明阿尔茨海默症的神经机制，探索有效的阿尔茨海默症防治方法，成为亟需解决的重要课题。众所周知，阿尔茨海默症患者的学习记忆等认知功能受到了严重损害，学习记忆过程可以改变神经元活动、诱发突触重建，从而促使神经元网络连接发生改变。神经元会受到淀粉样β蛋白沉积、Tau蛋白磷酸化、胆碱能系统紊乱等因素的影响，导致损伤，如突触损失等。中间联络神经元能够调节海马神经网络的同步性和兴奋性，而中间联络神经元会在阿尔茨海默症病程进展过程中出现丢失，突触的丢失和神经异常结构的重建会在淀粉样β蛋白斑块周围发生[4]。TOBIN等[5]观察了老年人中没有认知障碍、轻度认知障碍和阿尔茨海默症患者大脑中海马神经发生的持续状况，发现具有认知障碍患者的成神经细胞数量相比于没有认知障碍的人群会有所下降，成神经细胞数量越多人的认知状态会越好，突触蛋白的功能相互作用也会越强。有研究表明运动是治疗重度抑郁症的一种有效方式，它还有助于预防和减缓阿尔茨海默症、痴呆症和与年龄相关的认知能力下降[6]，而运动预防阿尔茨海默症患者认知能力下降是否与其改变海马神经形态结构有关还不清楚，因此实验将观察长期有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆能力及海马神经形态结构的影响。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计随机对照动物实验，对计量资料进行2(基因型)×2(干预方式)的两因素被试间方差分析，事后比较采用Bonferroni检验。
1.2 时间及地点实验于2018年10月至2019年12月在成都体育学院完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物健康3月龄野生型小鼠24只及3月龄APP/PS1双转基因阿尔茨海默症小鼠26只，体质量25-30 g，购于南京大学-南京生物医药研究院，许可证号：苏ICP备10073918号-3。阿尔茨海默症小鼠品系背景及品系对照均为C57BL/6Jnju。小鼠购回后，第一时间按小鼠脚号将同窝小鼠一起饲养，非同窝小鼠分开饲养，同时饲养密度为2-4只/笼，饲养于成都体育学院SPF级标准动物实验房。动物实验经过成都体育学院伦理委员会批准。
饲养条件：环境清洁安静，室温20-28 ℃，相对湿度为40%-60%，模拟自然光照条件，每日光照12 h，自由摄取动物饲料和饮用纯净水(纯净水由动物实验房内纯水系统提供)，每周换经过紫外线严格消毒的垫料、食物及饮用水。
实验分组：将小鼠适应性喂养1周后分为4组，野生对照组、野生运动组、模型对照组、模型运动组，每组12只。对照组不进行运动，运动组进行为期5个月的有氧运动干预。运动干预结束后取材进行相关指标的检测。
1.3.2 主要试剂与仪器戊二醛(国药集团化学试剂有限公司)；丙酮(武汉谷歌生物科技有限公司)；环氧丙烷(碧云天生物技术公司)；小鼠实验跑台(上海欣软信息科技有限公司)；八臂迷宫(淮北正华生物仪器设备有限公司)；透射电镜(HITACHI)。
1.4 实验方法
1.4.1 运动方案在运动训练开始前，所有运动组小鼠适应跑步机环境10 min，连续2 d，第1天5 m/min，第2天8 m/min。
适应结束后，各运动组进行跑台运动，每周5 d，每天30 min，
持续5个月。在每次训练过程中，以10 m/min的速度开始跑5 min，然后以15 m/min 跑20 min，最后以10 m/min的速度跑5 min结束。在这种强度下，当小鼠停止不运动时不对小鼠进行电刺激，只用筷子轻柔地触摸尾巴让小鼠继续运动[7]。
1.4.2 八臂迷宫实验八臂迷宫实验是一种用于研究动物空间记忆的迷宫模型，由视频跟踪分析系统和八臂箱子共同组成。八臂箱子由一个中心区和其周围连接的8条臂(长
300 mm，宽60 mm，高150 mm)组成，将8个臂分别编号为臂1至臂8。在臂1、臂3、臂5和臂7的末端放入少量块状食物，根据小鼠进入各臂及摄食情况(比如进入各个臂的次数、错误次数、所呆的时间)，从而判断小鼠的学习记忆能力。小鼠在第20周进行八臂迷宫实验，在八臂迷宫中所记录的工作记忆错误次数、工作记忆错误率、参考记忆错误次数及参考记忆错误率等，能够反映记忆能力。信息采集系统会自动记录并得到每只小鼠的工作记忆错误次数及工作记忆错误频率和参考记忆错误次数及参考记忆错误率等数据[8]。
1.4.3 样本采集脑组织取材于八臂迷宫结束后24-48 h进行，将小鼠脱臼处死，迅速从颅骨中取出脑组织。动物尸体存放于专门冰箱中，由专业人员根据动物伦理学要求进行处理。每组随机取6只用于制作冰冻切片以备免疫荧光观察分析，6只用于制作超薄切片进行电镜技术观察分析。
1.4.4 尼氏染色观察海马神经形态经心脏快速灌注生理盐水及慢速灌注预冷至4 ℃的40 g/L多聚甲醛后，用眼科剪、镊子迅速剥开颅骨取出脑组织，放入40 g/L多聚甲醛溶液中固定24 h，将脑组织依次放入10%，20%，30%的蔗糖溶液中梯度脱水5-7 d。在冰冻切片机中制作厚度为5 μm的切片，置于-20 ℃冰箱中保存备用。将冰冻的脑组织切片放于室温风干10 min，置于PBS中洗涤，3次×5 min；之后浸入甲苯胺蓝染液中染色10 min；再用体积分数95%乙醇进行分色，在显微镜下观察分色效果，至尼氏体着深蓝色、背景呈浅蓝色或无色时结束分色；烘箱中烘干切片，将切片浸于二甲苯中透明，然后用中性树胶封固，在Nikon正置光学显微镜下观察，在400倍光镜下选取每侧海马齿状回、CA3、CA1区互不相重叠的各5个视野采集图像，进行分析。
1.4.5 透射电镜检测海马神经细胞超微结构经心脏快速灌注生理盐水及慢速灌注预冷至4 ℃的40 g/L多聚甲醛后，用眼科剪、镊子迅速剥开颅骨取出脑海马组织，选择海马齿状回区，修成1 mm3组织块放入装有3%戊二醛的EP管中，4 ℃放置24 h，PBS洗涤3次×10 min。将海马齿状回区组织经四氧化锇固定、丙酮梯度脱水和树脂包埋后，用超薄切片机对其进行切片(100 nm)，贴附于铜网格上。经醋酸铀及枸橼酸铅双重染色后，在H-600IV型透射电镜下观察、照相。
1.5 主要观察指标各组小鼠学习记忆能力、海马组织尼氏染色形态特点及神经超微结构变化。
1.6 统计学分析采用SPSS 22.0统计软件处理数据，以x±s来表示数据。实验包含两个因素进行2(基因型)×2(干预方式)的两因素被试间方差分析。整个分析过程中对不满足球形检验的统计量采用Greenhouse Geisser法矫正，事后比较采用Bonferroni，显著性水平设定为P < 0.05。使用GraphPad Prism 8及Photoshop软件进行图片制作。该文统计学方法已经成都体育学院运动医学与健康学院生物统计学专家审核。

讨论

阿尔茨海默症的症状发展具有隐蔽和渐进的特点。早期学习和记忆出现受损是失忆症的典型特征，随后是复杂注意力、执行功能、语言、视觉空间功能、实践、认知、行为和/或社交行为会出现损伤[9-10]。阿尔茨海默症的整个病程是不可逆的，一般在出现症状5-12年内会死亡[11]，该病对人类健康造成了极大的威胁。目前迫切需要一种能够预防或减缓疾病发展速度的治疗方法，但遗憾的是，虽然在阿尔茨海默症治疗的研究上各国都有很大的投入，但是迄今为止阿尔茨海默症的研究成果在临床上的收效甚微。尽管一直有不少学者致力于探索阿尔茨海默症的防治措施，但目前还没有任何方法可以治愈阿尔茨海默症，现有的药物治疗(包括神经介质代替疗法、促神经细胞代谢药、神经细胞保护剂等)只能在一定程度上暂时改善阿尔茨海默症的症状，一旦停止用药其疗效便会很快消失[12-14]；而且，迄今为止还没有药物被证明对阿尔茨海默症具有二级预防作用。不过令人兴奋的是，近年来大量来自人类试验和动物实验的资料表明，适当的运动可预防阿尔茨海默症的发生或延缓其病程进展[15-18]。流行病学数据表明，体力活动数量与阿尔茨海默症患病风险之间呈反比关系[19-20]；一些精心设计的初级预防试验结果显示，长期体育运动可以改善老年人的学习记忆能力，减少其患阿尔茨海默症的风险[21]。尽管阿尔茨海默症症状背后的确切神经生物学机制仍不清楚，但大脑中与学习和记忆有关的区域如海马和前额叶皮质出现了严重的神经元丢失，这在阿尔茨海默症大脑中是很明显的。
在学习记忆形成过程中神经元活动会发生显著变化，能够诱发突触重建，最终促使神经元网络重新连接。淀粉样β蛋白沉积、突触损失、Tau蛋白磷酸化、胆碱能系统紊乱等都会导致神经元的损伤。越来越多的研究表明，大脑尤其是在海马部位的神经突触结构受损甚至消失以及突触活性或突触传递效能降低，是阿尔茨海默症患者学习记忆进行性受损的最直接原因[22-29]。
在阿尔茨海默症病程进展过程中会发生中间神经元的丢失，中间神经元对海马神经网络的兴奋性和同步性起着重要调节作用。一直以来，学者认为突触的丢失和神经异常结构的重建会在淀粉样β蛋白斑块周围发生[4]。通过先进的组织处理方法处理人类大脑样本，MORENO-JIMENEZ等[30]在神经健康人类受试者(直到90岁前以前)海马齿状回区中识别出数千个未成熟的神经元，而与之形成鲜明对比的是，随着阿尔茨海默症病情的发展，这些神经元的数量和成熟程度会逐渐下降。TOBIN等[5]观察了老年人中没有认知障碍、轻度认知障碍和阿尔茨海默症患者大脑中海马神经发生的持续状况，发现具有认知障碍的患者其成神经细胞数量相比于没有认知障碍的人群会有所下降，成神经细胞数量越多认知状态会越好，突触蛋白的功能相互作用也会越强。ALONSO-NANCLARES等[23]利用扫描电镜分析重建了APP/PS1转基因阿尔茨海默症小鼠海马内突触的结构，发现突触数量和形态的变化似乎是这种动物模型的普遍特征。突触间隙是信息神经细胞与神经细胞之间进行信息传递的必经途径，其间隙越大，则神经递质需要花费更长的时间传递到下一个神经细胞，而这将会降低突触的传递效能。突触后膜胞质面存在一层致密物质，参与锚定突触后受体和组成细胞骨架，是介导和整合突触后信号的重要结构基础，称之为PSD[31-37]。PSD部位包含具有相互作用的调节蛋白、信号蛋白等蛋白分子，该部位增厚或变薄与受体通道、各种调节蛋白、信号蛋白分子数量的增减及其蛋白质多聚体构象的变化有密切关系[32]。此次实验尼氏染色发现，阿尔茨海默症小鼠海马神经细胞结构相对模糊且部分神经元结构受损明显，神经细胞之间的距离较大且排列疏松；电镜发现，阿尔茨海默症小鼠海马齿状回区神经锥体细胞的细胞核核膜有一定程度的内陷、皱缩和溶解断裂现象，其胞质中细胞器数量(如内质网、线粒体、高尔基复合体等)较野生型小鼠明显减少，其中部分线粒体出现了肿胀及空泡现象，甚至部分线粒体嵴溶解消失，高尔基的囊泡有扩张现象，内质网则出现轻度扩张和液泡化的现象，细胞核核膜皱缩且呈锯齿样内陷，染色质固缩；并且阿尔茨海默症小鼠海马齿状回区突触分布较为稀疏，部分突触的前后膜和间隙较为模糊，突触前膜内的囊泡较少，突触后致密带的密度较低，突触的数量及PSD厚度均显著低于野生型小鼠。
此次实验发现无论是野生型小鼠还是阿尔茨海默症小鼠，通过5个月的有氧运动干预后其空间学习记忆能力、工作记忆能力及参考记忆能力都得到了提高，说明长期有氧运动不但可以改善野生型小鼠的记忆能力，对于阿尔茨海默症小鼠也同样可以提升其认知能力。阿尔茨海默症小鼠相对于野生型小鼠也表现出显著的学习记忆能力下降，长期有氧运动虽然可以改善这种认知衰退，但是并不足以恢复到野生型小鼠的学习记忆能力水平。在未来的研究中可以制定中等运动强度、长期运动干预手段对阿尔茨海默症患者进行干预，以验证运动对人体的影响。
结论：阿尔茨海默症小鼠海马神经元出现了一定程度的受损，而运动可以在一定程度上改善阿尔茨海默症小鼠海马神经细胞结构，这可能是运动改善阿尔茨海默症小鼠学习记忆能力的神经机制之一。中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

有氧运动对阿尔茨海默症小鼠学习记忆及海马神经形态结构的影响

Effects of aerobic exercise on learning, memory, and hippocampal neuromorphology in mice with Alzheimer’s disease

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表（结果） 6

参考文献

相关文章 15

引言

材料方法

讨论

文章快阅

延伸阅读

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	刘鑫玥, 邢新阳, 霍洪峰. 不同认知负荷行走时人体动态稳定性的差异[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(9): 1335-1339.
[2]	张艳, 何瑞波, 王庆博, 皮亦华, 陆春敏, 徐传仪, 马刚, 彭朋. 不同负荷量有氧运动对肥胖大鼠骨骼肌炎症反应和胰岛素信号途径的影响及机制[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1237-1244.
[3]	王继, 张敏, 杨中亚, 张龙. 体力活动干预2型糖尿病肌少症的研究现状[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(8): 1272-1277.
[4]	廖益东, 明江, 宋文学, 王梓力, 张宇, 廖一飞, 徐卡娅, 杨华. 一种同时培养原代皮质及海马神经元的实验方法[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(6): 897-902.
[5]	刘芃, 马刚, 何瑞波, 彭朋. 有氧运动干预慢性肾功能衰竭模型大鼠的肾脏纤维化[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3209-3215.
[6]	刘运琴, 林丽, 肖文昊, 戢秋明, 刘燕芹. 淫羊藿苷对精神分裂症模型大鼠认知及海马组织NRG1/ErbB信号通路的影响[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3236-3241.
[7]	尹贻锟, 王佳林, 孙君志. 不同频率重复经颅磁刺激对脑卒中后认知障碍疗效的Meta分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3274-3280.
[8]	李洋杰, 祁荣, 张馨予, 程佳佶, 周柠, 崔雪, 程双, 王正东, 颜南. 丁酸钠对氟中毒模型大鼠的神经保护及乙酰化蛋白组学分析[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(20): 3151-3157.
[9]	税晓平, 李春莹, 李明娟, 李顺昌, 孙君志, 苏全生. 有氧和抗阻运动干预2型糖尿病模型大鼠海马抗氧化应激指标和脑源性神经营养因子表达的变化[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(2): 264-269.
[10]	张倩, 卞敏洁, 何琴, 黄东锋. 血管性高危因素预测血管性轻度认知障碍：支持向量机模型构建及应用[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(2): 287-292.
[11]	彭子富, 郭项英, 房洪波, 何亦敏, 姜宁. 运动干预调控胰岛素样生长因子1改善海马认知功能的作用机制[J]. 中国组织工程研究, 2023, 27(17): 2729-2737.
[12]	温小雨, 孙玉浩, 夏猛. 五脏温阳化瘀汤含药血清干预阿尔茨海默症细胞模型磷酸化tau蛋白的变化[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(7): 1068-1073.
[13]	唐纪平, 张业廷. 运动调节阿尔茨海默症成年海马神经发生的作用及机制[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(5): 798-803.
[14]	税晓平, 李春莹, 李顺昌, 孙君志, 苏全生. 有氧和抗阻运动干预2型糖尿病大鼠骨骼肌脑源性神经营养因子、核因子κB及炎症指标的表达[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(5): 669-675.
[15]	佘建, 赵静, 张家铭, 夏海莎, 钟冬灵, 李雨谿, 郑重, 李涓, 金荣疆. 眼动技术对自闭症患者认知行为学研究的可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2022, 26(35): 5724-5732.