运动对抑郁大鼠小胶质细胞和星形胶质细胞激活及神经元凋亡的影响

doi:10.12307/2025.779

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (29): 6243-6248.doi: 10.12307/2025.779

• 组织构建细胞学实验 cytology experiments in tissue construction • 上一篇下一篇

运动对抑郁大鼠小胶质细胞和星形胶质细胞激活及神经元凋亡的影响

杜鹃1，张毅1，郝泉水2

1江汉大学体育学院，湖北省武汉市 430056；2长江大学附属黄冈市中心医院，湖北省黄冈市 438000

收稿日期:2024-09-05 接受日期:2024-11-02 出版日期:2025-10-18 发布日期:2025-03-07
通讯作者: 张毅，硕士，副教授，江汉大学体育学院，湖北省武汉市 430056
作者简介:杜鹃，女，1984年生，湖北省宜昌市人，汉族，2012年武汉体育学院毕业，硕士，讲师，主要从事运动训练学的研究。
基金资助:
湖北省卫生健康委2021-2022年度科研项目(WJ2021M084)，项目负责人：郝泉水

Effects of exercise on activation of microglia and astrocytes and neuronal apoptosis in depressed rats

Du Juan1, Zhang Yi1, Hao Quanshui2

1School of Physical Education, Jianghan University, Wuhan 430056, Hubei Province, China; 2Huanggang Central Hospital Affiliated to Yangtze University, Huanggang 438000, Hubei Province, China

Received:2024-09-05 Accepted:2024-11-02 Online:2025-10-18 Published:2025-03-07
Contact: Zhang Yi, MS, Associate professor, School of Physical Education, Jianghan University, Wuhan 430056, Hubei Province, China
About author:Du Juan, MS, Lecturer, School of Physical Education, Jianghan University, Wuhan 430056, Hubei Province, China
Supported by:
Hubei Provincial Health Commission 2021-2022 Annual Research Project, No. WJ2021M084 (to HQS)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
环加氧酶2：是前列腺素E2合成的限速酶，在组织损伤、炎症等情况下表达增强。环加氧酶2可显著增强大鼠慢性应激引起的抑郁样行为，抑制环加氧酶2可以减少脑损伤和神经元死亡及大鼠的抑郁行为。目前，环加氧酶2抑制剂已表现出良好的抗抑郁作用。
小胶质细胞：是大脑中主要的驻留免疫细胞，在抑郁症中起着至关重要的作用，动物模型和临床抑郁症患者的小胶质细胞明显活化。小胶质细胞调节炎症、突触可塑性和神经网络的形成，所有这些都会影响抑郁症的发生发展。

背景：环加氧酶2可显著增强大鼠抑郁样行为，环加氧酶2抑制剂具有抗抑郁作用。运动可明显减少抑郁患者的抑郁样行为，然而，目前尚不清楚运动是否通过抑制环加氧酶2来发挥抗抑郁作用。
目的：旨在揭示运动对抑郁大鼠环加氧酶2表达、小胶质细胞和星形胶质细胞激活、氧化应激和神经元凋亡的影响，以及可能的分子机制。
方法：通过慢性不可预测的温和刺激诱导抑郁症大鼠模型，将建模成功的大鼠随机分为刺激组和转轮运动组，每组10只；另外选择10只正常大鼠作为对照组。对照组和刺激组大鼠不运动；转轮运动组大鼠进行强制转轮运动，共运动4周。通过蔗糖偏爱测试评价抑郁样行为，免疫荧光染色检测海马环加氧酶2表达，蛋白质印迹分析检测海马环加氧酶2、Iba-1、CD11b、CD45、胶质纤维酸性蛋白、Bcl-2、Bax和cleaved caspase-3蛋白表达，RT-PCR检测海马环加氧酶2 mRNA水平，使用试剂盒测定海马组织匀浆中相关抗氧化酶的活性。
结果与结论：与刺激组相比，转轮运动组的蔗糖消耗量增加，海马内的环加氧酶2表达降低，海马内的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平增加，丙二醛水平降低，海马内的Iba1、CD11b和CD45蛋白表达降低，胶质纤维酸性蛋白水平降低，Bcl-2的蛋白表达升高，Bax和cleaved caspase-3蛋白表达降低(P < 0.05)。研究表明：转轮运动可通过抑制慢性不可预测温和刺激大鼠海马中环加氧酶2的表达来减少抑郁样行为，并通过抑制海马中小胶质细胞和星形胶质细胞激活、氧化应激和神经元凋亡来发挥抗抑郁作用。
https://orcid.org/0009-0009-5679-0666(杜鹃)

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: 抑郁, 转轮运动, CUMS, 环加氧酶2, 氧化应激, 神经元凋亡, 小胶质细胞, 星形胶质细胞, 工程化组织构建

Abstract: BACKGROUND: Cyclooxygenase-2 can significantly enhance depressive-like behavior in rats, and cyclooxygenase-2 inhibitors have antidepressant effects. Exercise can significantly reduce depressive-like behaviors in depressed patients. However, it is currently unclear whether exercise exerts an antidepressant effect by inhibiting cyclooxygenase-2.
OBJECTIVE: To reveal the effects of exercise on cyclooxygenase-2 expression, microglia and astrocyte activation, oxidative stress and neuronal apoptosis in depressed rats, as well as the possible molecular mechanisms.
METHODS: The rat model of depression was induced by chronic unpredictable mild stimulation. After modeling, the chronic unpredictable mild stimulation rats were randomly divided into stimulation group and wheel running group, with 10 rats in each group. In addition, 10 normal rats were selected as the control group. The rats in the control group and stimulation group did not exercise. The rats in the wheel running group performed forced wheel running for a total of 4 weeks. Depressive-like behavior was evaluated by sucrose preference test. Hippocampal cyclooxygenase-2 expression was detected by immunofluorescence staining. The expression of cyclooxygenase-2, Iba-1, CD11b, CD45, glial fibrillary acid protein, Bcl-2, Bax, and cleaved caspase-3 proteins in the hippocampus was detected by western blot analysis. The cyclooxygenase-2 mRNA level in the hippocampus was detected by RT-PCR. The activities of antioxidant enzymes in hippocampal tissue homogenates were determined using kits.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with stimulation group, sucrose consumption was increased; cyclooxygenase-2 expression in hippocampus was decreased; superoxide dismutase, catalase, and glutathione peroxidase levels in hippocampus were increased; malonaldehyde level was decreased; Iba1, CD11b, and CD45 protein expression levels in hippocampus were decreased, and glial fibrillary acid protein level in hippocampus was decreased. Bcl-2 protein expression levels in the hippocampus were increased, while Bax and cleaved caspase-3 levels were decreased in wheel running group (P < 0.05). This study showed that wheel running could reduce depressive-like behavior by inhibiting the expression of cyclooxygenase-2 in the hippocampus of chronic unpredictable mild stimulation rats. In addition, wheel running can exert antidepressant effects by inhibiting microglia and astrocyte activation, oxidative stress, and neuronal apoptosis in the hippocampus.

Key words: depression, wheel running, chronic unpredictable mild stimulation, cyclooxygenase-2, oxidative stress, neuronal apoptosis, microglia, astrocyte, engineered tissue construction

中图分类号:

杜鹃, 张毅, 郝泉水. 运动对抑郁大鼠小胶质细胞和星形胶质细胞激活及神经元凋亡的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(29): 6243-6248.

Du Juan, Zhang Yi, Hao Quanshui. Effects of exercise on activation of microglia and astrocytes and neuronal apoptosis in depressed rats[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(29): 6243-6248.

图/表（结果） 5

2.1 实验动物数量分析造模成功的20只大鼠及正常对照组10只大鼠全部完成实验进入结果分析。
2.2 转轮运动改善了抑郁大鼠模型的抑郁样行为与对照组相比，刺激组大鼠的蔗糖消耗量显著减少(P < 0.05)。表明慢性不可预测温和刺激大鼠缺乏快感，表现出抑郁的核心症状。然而，与刺激组相比，转轮运动组的蔗糖消耗量显著增加(P < 0.05)，见图1。
2.3 转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马中环加氧酶2的表达使用RT-PCR、Western blot和免疫荧光染色测定抑郁大鼠模型海马内的环加氧酶2表达。与对照组相比，在刺激组大鼠海马内环加氧酶2水平显著增加(P < 0.05)；与刺激组相比，转轮运动组大鼠海马内的环加氧酶2表达显著降低(P < 0.05)，见图2。
2.4 转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马的氧化应激抑郁症通常伴有特定大脑区域的神经元损伤以及过量产生的活性氧，活性氧可导致衰老或细胞死亡。分析表明，与对照组相比，慢性不可预测温和刺激大鼠海马内抗氧化酶超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶的活性显著降低(P < 0.05)，见图3。与对照组相比，刺激组大鼠的海马内观察到氧化应激产物丙二醛的水平升高(P < 0.05)；与刺激组相比，转轮运动组大鼠海马内的超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平显著增加，而丙二醛水平显著降低(P < 0.05)。
2.5 转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马的神经胶质细胞活化与对照组相比，刺激组大鼠海马的Iba1蛋白表达水平显著增加(P < 0.05)，并且小胶质细胞标记物CD11b和CD45蛋白表达水平显著增加(P < 0.05)，见图4。这些结果表明，慢性不可预测温和刺激诱导了大鼠海马内的小胶质细胞活化。与刺激组相比，转轮运动组大鼠海马内的Iba1、CD11b和CD45蛋白表达水平显著降低(P < 0.05)。
星形胶质细胞的激活在神经炎症反应中也起着至关重要的作用。蛋白质印迹分析表明，刺激组大鼠海马胶质纤维酸性蛋白水平显著增加(P < 0.05)；与刺激组相比，转轮运动组大鼠海马内的胶质纤维酸性蛋白水平显著降低(P < 0.05)，见图4。
2.6 转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马中神经细胞凋亡过量产生活性氧会导致细胞死亡或衰老。研究进一步检测了转轮运动是否可以调节慢性不可预测温和刺激大鼠的神经凋亡，与对照组相比，刺激组大鼠的海马内Bcl-2的蛋白表达水平显著降低，而Bax和cleaved caspase-3显著增加(P < 0.05)；与刺激组相比，转轮运动组大鼠海马内的Bcl-2的蛋白表达水平显著升高，Bax和cleaved caspase-3降低(P < 0.05)，见图5。

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引言

抑郁是一种精神疾病，通常是由外界刺激和压力引起，并且与特定大脑区域内神经元结构的改变和功能性损伤有关[1-3]。因此，预防神经元损伤或促进神经元修复对抑郁的治疗具有重要意义[4-6]。神经元损伤发生的关键因素是氧化应激，氧化应激与多种神经退行性疾病(包括阿尔茨海默病、帕金森病)及抑郁症的发展有关[7-8]。许多研究表明，活性氧在脑损伤中起主要作用。活性氧可能导致特定大脑区域内的DNA损伤，而抗氧化剂治疗可通过清除活性氧抑制小鼠的抑郁样行为[9]。线粒体是活性氧的主要来源之一，过量的活性氧产生可进一步引起线粒体功能障碍并导致氧化应激失衡[10]。此外，活性氧的过量生成将导致各种类型的DNA损伤，包括碱基损伤、单链断裂和双链断裂[8]。
抑郁症已成为最普遍的精神疾病之一。目前，缺乏抑郁症早期阶段的生物标志物和有效的治疗药物，这导致大多数患者通常发展至严重阶段。环加氧酶2是前列腺素E2合成的限速酶，可显著增强大鼠慢性应激引起的抑郁样行为[11]。最近，已经研究了环加氧酶2抑制剂在各种临床试验中的作用，一些报告的结果表明，抑制环加氧酶2可以减少脑损伤和神经元死亡及大鼠的抑郁行为[12]。
大量研究证实，运动可明显减少抑郁患者的抑郁样行为[13-15]。一项研究表明，转轮运动可以改善抑郁模型大鼠的抑郁样行为、增强大学习记忆能力[16]。然而，目前尚不清楚运动是否通过抑制环加氧酶2来发挥抗抑郁作用。此项研究提出假设：运动的抗抑郁作用可能与其对环加氧酶2的抑制有关，探讨转轮运动对抑郁动物模型神经胶质激活、氧化应激、神经元凋亡及环加氧酶2表达的影响，以期进一步揭示运动抗抑郁的分子机制，并为抑郁的早期诊断和靶向治疗提供候选分子靶点。

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 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计随机对照动物实验，应用单因素方差分析和t检验评估组间差异。
1.2 时间及地点实验于2023年7-12月在江汉大学体育学院完成。
1.3 材料
1.3.1 实验动物从南京安吉生物科技有限公司购买五六周龄、体质量为160–180 g的雄性Wistar大鼠30只，许可证号为SYXK(苏)2023-0051。所有程序均经动物保护和使用委员会批准。将大鼠饲养在可控温度(22–24 ℃)和湿度(40%-50%)和无限制饮食的笼子中，实验前大鼠适应1周。实验方案经江汉大学体育学院动物实验伦理委员会批准(批准号为20230021)。
1.3.2 实验用主要试剂 BCA蛋白浓度测定试剂盒(货号：P0009)购自上海碧云天生物技术有限公司；COX2、Bcl-2、Bax、cleaved caspase-3、NeuN和抗β-actin抗体购自美国Cell Signaling Technology公司；CD45、CD11b、Iba-1和胶质纤维酸性蛋白(glial fibrillary acidic protein，GFAP)抗体购自英国Abcam公司；DAPI购自美国Thermo Fisher Scientifc公司；辣根过氧化物酶结合的山羊抗兔/小鼠IgG购自北京中杉金桥生物技术有限公司；Hoechst 33258购自北京索莱宝科技有限公司；TRIzol试剂购自美国Invitrogen公司；反转录酶、SYBR Green qPCR Mix购自日本TOYOBO公司；丙二醛、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶测定试剂盒均购自南京建成生物工程研究所。
1.4 实验方法
1.4.1 抑郁动物模型慢性不可预测温和刺激(chronicunpredictablemildstress，CUMS)诱导的抑郁症动物模型建模方法参考前人文献[17]。将大鼠分笼饲养，每天接受不同的应激刺激，共刺激5周。不可预知的应激源包括固定身体(2 h)、摇动笼子(2 h)、5 min的冷水游泳(4 ℃)、24 h的食物剥夺、24 h的水分剥夺、昼夜颠倒、潮湿垫料(24 h)和电击(0.5 mA，0.5 s)。每天以随机顺序将其中一种应激源施加于大鼠。刺激5周后，对所有大鼠进行蔗糖偏爱测试，测试结果较建模前下降30%以上的大鼠表示建模成功[18]。

1.4.2 动物分组及转轮运动慢性不可预测温和刺激大鼠建模成功后，随机分为慢性不可预测温和刺激组(刺激组)和慢性不可预测温和刺激+转轮运动组(转轮运动组)，每组10只；另外选择10只正常大鼠作为对照组。对照组和刺激组大鼠不运动；转轮运动组大鼠进行强制转轮运动，运动装备为直径38 cm、宽度12 cm的电动转轮，转速为8 r/min，每天运动30 min，共运动4周。
1.4.3 蔗糖偏爱测试运动4周结束后，禁水禁食24 h，然后将大鼠放入笼中，笼中放置2个瓶子，一个装有100 mL的1%蔗糖溶液，另一个瓶子里装有100 mL的自来水，然后进行3 h测试。蔗糖偏爱定义为在3 h的测试期间，1%蔗糖溶液饮用量/(1%蔗糖溶液饮用量+自来水饮用量)×100%。
1.4.4 脑解剖和组织准备行为测试24 h后，用3%戊巴比妥钠(150 mg/kg)腹腔注射麻醉大鼠，并经心灌注100 mL含肝素钠的0.9% NaCl，然后用40 g/L多聚甲醛固定。解剖大脑并在4 ℃下于40 g/L多聚甲醛中固定过夜。将脑样本切成连续的冠状冷冻切片(30 μm)进行免疫荧光染色。
1.4.5 免疫荧光染色将冷冻切片与环加氧酶2一抗一起孵育，然后再与荧光标记的二抗一起孵育。然后将切片用PBS洗涤3次，与DAPI一起孵育7 min。通过德国蔡司LSM780激光扫描共聚焦显微镜观察免疫荧光染色图像，通过Image-Pro plus 6.0软件进行相对荧光强度分析。
1.4.6 蛋白质印迹分析将海马组织在冰RIPA缓冲液中裂解30 min。使用BCA蛋白浓度测定试剂盒测定蛋白质浓度。蛋白提取物(30–50 μg)通过10% SDS-PAGE电泳分离，然后转移到PVDF膜上。将膜用5%脱脂牛奶封闭过夜，并与一抗环加氧酶2、胶质纤维酸性蛋白、Bcl-2、Bax、cleaved caspase-3、CD11b(稀释比例均为1∶1 000)、CD45、Iba-1和β-actin(稀释比例均为1∶2 000)在4 ℃下孵育过夜。使用辣根过氧化物酶结合的二抗(稀释比例均为1∶2 000)在室温下孵育1 h，并使用增强型化学发光试剂盒进行显影。内参为β-actin，使用Image-J软件对蛋白条带密度进行定量。
1.4.7 RT-PCR 使用TRIzol试剂从海马样品中分离出总RNA，并使用反转录酶将其反转录为cDNA。随后用特异引物通过PCR扩增cDNA。使用SYBR Green qPCR Mix在BIO-RAD icycler PCR仪上进行实时定量PCR分析。引物序列如下：环加氧酶2正向：5′-TCT AGG TTT GGC AGC TAA AGG AT-3′，反向：5′-GAA CGT TTG CTT GAC AGA ATG-3′；β-actin正向：5′-CAT GCT AGG TCA CAA GGT GTG A -3′，反向：5′-GCA TGT GTG ATT AAG CAG GTG CCC-3′；β-actin用作内参基因，并使用2-ΔΔCt 方法评估mRNA表达水平。
1.4.8 氧化应激指标检测使用丙二醛、超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶试剂盒测定海马组织匀浆中抗氧化酶的活性。所有测定操作均按照制造商的指导进行。
1.5 主要观察指标 ①模型大鼠的行为学测试结果；②海马中环加氧酶2的表达；③海马的氧化应激结果；④海马神经胶质细胞活化结果；⑤海马中神经细胞凋亡情况。
1.6 统计学分析使用SPSS 18.0版分析数据。所有数据均以x±s表示。使用单因素方差分析或t检验评估组间差异。P < 0.05表示差异有显著性意义。文章的统计学方法已经江汉大学体育学院生物统计学专家审核。

讨论

多项研究报道了运动改善抑郁患者抑郁样行为的效果及机制[13-15]。转轮运动可以改善抑郁模型大鼠的抑郁样行为[19]，其机制与增加脑组织神经肽Y水平、降低血浆Cort水平及减弱CeA区神经元型一氧化氮合酶的表达有关[16]。另外，运动可降低2型糖尿病大鼠海马环加氧酶2的表达[20]。然而，目前尚未见关于运动对抑郁患者环加氧酶2表达的影响。在此次研究中，蔗糖偏爱实验结果显示转轮运动改善了抑郁大鼠模型的抑郁样行为，与其他研究的结果一致。有研究显示，环加氧酶2可显著增强大鼠慢性应激引起的抑郁样行为，而抑制环加氧酶2可以减少脑损伤和神经元死亡及大鼠的抑郁行为[21]。此次研究中RT-PCR、Western blot和免疫荧光染色结果均显示转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马中环加氧酶2的表达。上述结果说明，运动改善抑郁症状的机制与其对海马中环加氧酶2的抑制有关。
有报道称，大脑各区域的线粒体功能障碍与抑郁症的发病机制有关[22- 23]。线粒体功能障碍主要由氧化应激引起，线粒体是活性氧产生的主要部位，抑郁症通常伴有特定大脑区域的神经元损伤以及过量的活性氧[24]。活性氧的过度产生和抗氧化防御的耗竭会触发促炎信号传导，破坏重要的大分子并诱导细胞凋亡[25]。细胞无法维持氧化还原稳态，从而产生促炎递质，导致细胞坏死。大脑更容易受到活性氧的影响，因为它的耗氧量更高，脂质含量更高，抗氧化防御能力较弱。氧化应激在抑郁症发病机制中的作用已明确确立[8，26]。此次研究显示转轮运动增加了慢性不可预测温和刺激大鼠海马内抗氧化酶超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶水平，并降低了氧化损伤标志物丙二醛水平，说明转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马的氧化应激，从而有助于维持大鼠抑郁模型中的氧化还原稳态。其他文献指出，转轮运动会降低Wistars大鼠肝脏中的抗氧化参数，降低血浆中的丙二醛浓度，增加总抗氧化状态血浆浓度[27]，支持此次研究结果。
近年来，神经炎症已成为抑郁症病因中的关键因素[28-29]，炎症标记物的正常化通常与某些患者的抑郁症状缓解相关。活性氧可破坏膜脂质、蛋白质构象、核酸并引发神经炎症反应[30]。神经炎性系统的激活可能是抑郁样行为发展的重要基础机制。小胶质细胞和星形胶质细胞的激活在神经炎症反应中起着至关重要的作用[5，31]。此次研究的数据表明，转轮运动显著减弱了慢性不可预测温和刺激大鼠海马中的小胶质细胞和星形胶质细胞的激活，从而抑制了神经炎症。其他文献表明，在慢性不可预测温和刺激小鼠中，跑步运动通过激活脂联素/AdipoR1通路缓解海马神经炎症并改变小胶质细胞M1/M2极化的平衡，从而缓解抑郁症状[32]，该文献支持此次研究结果。
有证据表明，细胞凋亡与抑郁症发病机制密切相关，抑制细胞凋亡是缓解抑郁症的关键[33-34]。据报道，在脑炎症大鼠中，转轮运动通过核因子κB的失活抑制炎症和细胞凋亡来改善空间学习记忆[35]。此次研究进一步考察了转轮运动是否可以调节慢性不可预测温和刺激大鼠的神经凋亡，结果显示，转轮运动上调了慢性不可预测温和刺激大鼠海马内的抗凋亡因子Bcl-2的蛋白表达水平，而下调了促凋亡因子Bax和cleaved caspase-3的水平，结果表明转轮运动抑制了抑郁大鼠模型海马中神经细胞凋亡，从而减少了大鼠的抑郁症样行为。
此项研究存在以下局限性：首先，结果发现转轮运动的抗抑郁作用与抑制环加氧酶2有关，但尚不清楚具体的作用途径；其次，采用的转轮运动方案为中等强度运动，尚不清楚高强度或低强度运动是否对抑郁症大鼠具有相同的效果。因此，在今后的研究中将进一步探讨运动防治抑郁的具体作用机制，并探讨运动与环加氧酶2抑制剂的联合使用是否具有协同抗抑郁作用。总之，此次研究表明转轮运动可通过抑制慢性不可预测温和刺激大鼠海马中环加氧酶2的表达来减少抑郁样行为；此外，转轮运动可通过抑制慢性不可预测温和刺激大鼠海马中小胶质细胞和星形胶质细胞激活、氧化应激和神经元凋亡来发挥抗抑郁作用。

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

运动对抑郁大鼠小胶质细胞和星形胶质细胞激活及神经元凋亡的影响

Effects of exercise on activation of microglia and astrocytes and neuronal apoptosis in depressed rats

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