轮跑和跑步机运动对大鼠空间记忆、成年海马体神经发生以及脑脊液蛋白质组的影响差异

《Neuropharmacology》：Differential effects of wheel running and treadmill exercise on spatial memory, adult hippocampal neurogenesis and the cerebrospinal fluid proteome in rats

Maria Giovanna Caruso|Sebastian Dohm-Hansen|Francisco Donoso|Maria Rynikova|Aonghus Lavelle|Jane A. English|Sarah Nicolas|Olivia F. O'Leary|Yvonne M. Nolan

爱尔兰科克大学学院解剖学与神经科学系

摘要

研究表明，高强度的体力活动可以改变焦虑和认知功能，并刺激成年海马体的神经发生（AHN）。在啮齿动物中，通常使用轮跑和跑步机运动来增加体力活动，以模拟人类的运动训练，但对AHN及相关行为的影响并不一致。因此，有必要研究不同运动方式对分子的共同和差异性反应。脑脊液（CSF）被认为是外周因素影响大脑可塑性和行为的中介物质，但运动引起的CSF蛋白质组变化尚未确定。此外，直接使用相同运动时间和相同行为测试来比较不同运动方式对AHN和CSF蛋白质组影响的研究很少。本研究比较了八周自愿轮跑和跑步机运动对成年雄性Sprague-Dawley大鼠的海马依赖性行为、AHN和CSF蛋白质组的影响。虽然两种运动方式都产生了轻微的抗焦虑效果，但只有跑步机运动增强了与AHN相关的空间记忆认知功能。相反，只有轮跑运动导致了AHN的增加。两种运动方式都使髓鞘少突胶质细胞糖蛋白和降钙素相关多肽-β在CSF中升高。然而，八周的运动时间可能限制了在行为测试早期发现分子变化的能力。总体而言，这些发现表明，啮齿动物的不同运动方式会在CSF中诱导共同的蛋白质介质，但对海马体神经发生的影响不同，这表明运动引起的行为结果可能依赖于海马体神经发生以外的机制。

引言

运动带来了许多健康益处，包括降低心血管疾病死亡率、减少特定类型癌症的发病率，以及通过改善某些形式的记忆力和减轻焦虑来提高认知和心理健康（世界卫生组织，2020年）。研究表明，这些益处的程度可能与运动的类型和强度有关（Huang等人，2022年）。然而，由于技术限制，无法确定不同运动方式对人类认知和心理健康潜在益处的神经分子和细胞介导机制。因此，临床前研究对于阐明各种运动方式带来健康益处的根本机制至关重要。

轮跑和跑步机运动是提高啮齿动物体力活动并模拟人类运动训练最常用的方法。需要注意的是，“运动”一词指的是有计划、有结构、重复性和目的性的体力活动。在临床前研究中，自愿轮跑主要模拟非结构性体力活动，而跑步机运动更接近于结构化的运动干预。在本文中，我们使用“轮跑”和“跑步机运动”这两个术语来反映这些概念上的区别，同时承认这两种方法都被广泛用于研究体力活动对大脑结构和行为的影响。尽管如此，这些方法对记忆和焦虑调节的影响并不一致或存在矛盾（Caruso等人，2024年）。例如，四周的轮跑干预改善了C57BL/6小鼠的空间学习和记忆能力（通过Morris水迷宫测试评估，Van Praag等人，1999年）。相比之下，六周的跑步机运动并未在同一品系的小鼠中产生类似的认知增强效果（Tsai等人，2018年）。然而，直接使用相同运动时间和相同行为测试来比较不同运动方式对AHN和CSF蛋白质组影响的研究很少，也没有研究在这种实验条件下直接比较成年海马体神经发生（AHN）和脑脊液（CSF）蛋白质组的组成。因此，不同行为结果是否反映了不同的潜在机制，或者这两种方法是否也具有共同的分子途径，仍然是一个未解之谜。

大量研究表明，海马体作为参与认知和情绪调节的主要脑结构（Broadbent等人，2010年；O'Leary和Cryan，2014年），特别容易受到体育锻炼的影响（Hueston等人，2017年；O'Leary等人，2019a）。特别是，研究表明运动可以刺激啮齿动物的AHN（Van Praag等人，1999年；O'Leary等人，2019b）。这种形式的大脑可塑性对于某些海马依赖性行为（包括记忆和类似焦虑的行为）是必需的（Clelland等人，2009年；Deng等人，2009年；Santarelli等人，2003年；Shors等人，2001年）。据认为，运动的有益效果部分归因于其促进神经发生的效应（Van Praag等人，1999年）。然而，尚不清楚哪种运动方式在增加AHN及相关行为功能方面更有效。

体育锻炼可以刺激系统因子的产生，如过氧化物酶体增殖激活受体γ协同激活因子1α（PGC1α），这种因子在骨骼肌中产生，可以防止依赖神经发生的抑郁样行为（Agudelo等人，2014年）。Irisin是另一种由运动刺激的肌肉衍生激素，已被证明会影响依赖神经发生的认知功能（Islam等人，2021年）。这些发现强调了外周因素在塑造大脑功能中的重要性，尽管这些信号如何到达神经元回路的具体机制尚不清楚。脑脊液在这种交流中处于独特的位置。临床前研究强调了分析CSF蛋白质组以识别与AHN调节相关的蛋白质和途径的相关性（Voukali等人，2021年），但关于运动引起的CSF蛋白质组变化的啮齿动物研究仍很有限。

为了解决这些空白，本研究比较了八周轮跑和跑步机运动对成年雄性大鼠AHN以及海马依赖性焦虑和记忆行为的影响。同时进行了骨骼肌PGC1α信号传导和CSF蛋白质组的特征分析，以识别两种运动方式特有的和共同的分子反应。我们假设在两种运动方式之间差异调节的蛋白质可以揭示任何行为差异背后的不同机制，而两种运动方式共同调节的蛋白质则可以揭示运动对大脑健康共同益处的潜在介质。

部分摘录

动物

成年（12周大）的雄性Sprague Dawley大鼠来自Janvier实验室（法国）。到达后，将这些大鼠配对饲养，并在22±1°C的温度下维持，12小时光照-黑暗周期（早上7:30开灯），提供自由的食物和水。标准饲料（Envigo UK）含有6.2%的脂肪、44.2%的碳水化合物、18.6%的蛋白质和3.5%的纤维。每周测量两次体重。动物实验在项目授权AE19130/P149和AE19130/P185下进行

轮跑和跑步机运动概况

在八周的实验期间，轮跑运动（W-EX）组的大鼠平均每天跑5.4公里（图1B）。在跑步机运动（T-EX）组中，24只大鼠中有17只在最终训练前天的可训练性得分达到或超过3分，这成为纳入T-EX组的标准。因此，其中12只大鼠被随机分配到运动组（T-EX，n=12），而其余大鼠以及未能达到3分的大鼠被分配到

讨论

在本研究中，我们比较了八周轮跑或跑步机运动对海马依赖性行为、AHN和CSF蛋白质组的影响，旨在识别两种运动方式特有的和共同的分子反应。与假设一致，跑步机运动而不仅仅是轮跑在Morris水迷宫测试中增强了空间记忆，而轮跑而不仅仅是跑步机运动增加了AHN。

资金来源

本研究由爱尔兰研究机构（前称爱尔兰科学基金会）提供资助，授予编号为SFI/FFP/6820的资助给YNM。爱尔兰研究机构在研究设计、数据收集与分析、报告撰写以及决定提交论文发表方面没有进一步参与。

CRediT作者贡献声明

Maria Giovanna Caruso：数据管理、形式分析、研究、方法论、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。Sebastian Dohm-Hansen：数据管理、形式分析、方法论、软件、可视化、审稿与编辑。Francisco Donoso：研究。Maria Rynikova：研究。Aonghus Lavelle：方法论、软件、监督。Jane A. English：方法论、软件、监督。Sarah Nicolas：数据管理、研究，

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Yvonne Nolan与Yakult Europe BV有关系，包括演讲和讲座费用。Yvonne Nolan与Marigot Limited有关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响所报告工作的财务利益或个人关系

致谢

我们感谢Thieza Melo博士、Tara Foley、Patrick Fitzgerald、Dr Gerard Moloney和Caitriona Scaife提供的技术协助。