自愿轉輪運動對抑郁模型大鼠學習記憶及紋狀體單胺類神經遞質和c-fos表達的影響

蘇曉云，崔建梅，賀繼平，張涌靜

（1.山西醫科大學汾陽學院護理學系，山西汾陽032200；2.中北大學體育學院，太原030051；3.山西醫科大學汾陽學院解剖學教研室，山西汾陽032200）

自愿轉輪運動對抑郁模型大鼠學習記憶及紋狀體單胺類神經遞質和c-fos表達的影響

蘇曉云1，崔建梅2，賀繼平3，張涌靜1

（1.山西醫科大學汾陽學院護理學系，山西汾陽032200；2.中北大學體育學院，太原030051；3.山西醫科大學汾陽學院解剖學教研室，山西汾陽032200）

目的探討4周自愿轉輪運動對慢性不可預知性應激致抑郁大鼠曠場行為及空間學習記憶能力、紋狀體單胺類神經遞質和c-fos表達的影響。方法將30只大鼠隨機分為3組：對照組、應激模型組及應激運動組。應激模型組及應激運動組大鼠，每日進行慢性不可預知性應激1次，連續28 d，同時應激運動組大鼠進行4周自愿轉輪運動。結果與應激模型組比較：應激運動組大鼠穿越格數、直立次數及修飾次數顯著增多糞便顆粒顯著減少；應激運動組大鼠糖水攝入量、總攝入量及糖水偏愛百分比均高于應激模型組；應激運動組大鼠完成八臂迷宮時間顯著縮短、工作記憶錯誤次數、參考記憶錯誤次數均顯著減少，總錯誤次數遠遠低于應激模型組；應激運動組紋狀體c-fos免疫陽性細胞數量及平均光密度均顯著增加。結論長期自愿轉輪運動可提高抑郁模型大鼠的學習記憶能力，機理可能與自愿轉輪運動增加紋狀體單胺類神經遞質水平，有效調整中樞神經遞質紊亂，上調紋狀體c-fos的表達有關。

自愿轉輪運動；抑郁大鼠；學習記憶；紋狀體；單胺類神經遞質；c-fos

抑郁癥是一種以情感病態變化，主要是情緒低落為顯著特征的精神疾病，它的發病與逐漸增大的各種壓力帶來的應激性事件有關。慢性不可預知性應激（chronic unpredictable stress，CUS）是近年來國內外應用最為廣泛的抑郁動物模型之一，它可模擬抑郁的核心癥狀-快感缺乏及行為絕望，目前被廣泛運用于抑郁癥的病理生理機制、抗抑郁藥物研發及作用機制的研究。學習記憶能力降低是抑郁癥狀的重要表現，許多實驗表明一定程度的應激可以引起大鼠及人類學習記憶能力的減退［1］，而運動鍛煉具有改善人們不良情緒的作用，對于抑郁癥的發病有一定的預防作用［2］。紋狀體與人的情感活動有關。近年來圍繞抑郁模型大鼠學習記憶與大鼠核團c-fos的研究較多，但紋狀體區單胺類神經遞質與c-fos的關系未多見報道，且長期有氧運動改善抑郁模型大鼠學習記憶的機制尚不清楚。因此，本研究通過復制CUS大鼠模型，觀察長期慢性自愿轉輪運動對CUS模型大鼠空間學習記憶能力及紋狀體單胺類神經遞質多巴胺（dopamine，DA）、去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）、5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）水平和c-fos表達的變化，探討自愿轉輪運動提高抑郁模型大鼠學習記憶能力的可能機制。

1 材料與方法

雄性健康成年SD大鼠30只（3月齡），均購于山西醫科大學動物飼養中心（動物許可證號SCXK-2009-0001），體質量（200～220）g，室溫（20±1）℃，濕度（55±10）%，12 h晝/12 h夜明暗控制（07：00～19：00），大鼠自由攝食、飲水（除了在應激和水剝奪階段），大鼠購回后適應環境1周，將30只大鼠隨機分為3組：正常對照組、應激模型組及應激運動組，每組10只。應激模型組及應激運動組大鼠單獨喂養。制備慢性不可預知性應激模型，試劑NE、DA及5-HT試劑盒均購于Sigma公司；c-fos測定試劑盒武漢博士德生物工程有限公司生產。對3組實驗動物進行曠場試驗、糖水偏愛實驗以及八臂迷宮行為測試實驗。測定其單胺類神經遞質NE、DA及5-HT的含量。通過對腦組織的取材以及免疫組織化學染色，進行圖像分析，檢測fos蛋白陽性細胞的個數。采用SPSS l7.0統計軟件包進行統計分析，數據結果用表示，采用單因素方差分析對組間差異進行統計，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 大鼠曠場實驗測試結果

圖1、圖2結果顯示：與對照組［穿越格數（44.70±16.52）格；直立次數（35.00±10.19）次；修飾次數（9.13±2.54）次）］比較，應激模型組大鼠穿越格數［（25.91±12.23格）］、直立次數［（15.51±2.52）次］及修飾次數［（4.53±2.13）次］均顯著減少（均P＜0.01），穿越格數平均減少18.79格，直立次數減少19.49次，修飾次數平均減少4.6次，糞便顆粒［（7.5± 2.3）顆］顯著多于對照組（P＜0.01）。經過4周自愿轉輪運動，應激運動組大鼠穿越格數［（36.40± 16.80）格］、直立次數［（29.25±6.18）次］及修飾次數［（7.53±3.33）次］均顯著高于應激模型組（P＜0.01，P＜0.01，P＜0.05），糞便顆粒［（5.1±1.6）顆］低于應激模型組（P＜0.05），提示慢性應激可以導致大鼠抑郁樣行為，而長期自愿轉輪運動可以改善大鼠慢性應激導致的抑郁樣行為。

圖1 各組大鼠穿格次數、直立次數及修飾次數測試結果Fig.1 Results of crossing squares，the times of rearing and modification number in every group

圖2 各組大鼠糞便顆粒測試結果Fig.2 Results of feces particles in every group rats

2.2 大鼠糖水偏愛實驗測試結果

如表1所示：應激模型組大鼠糖水攝入量、總攝入量及糖水偏愛百分比均低于對照組（P＜0.01，P＜0.05，P＜0.01），應激運動組大鼠糖水攝入量及糖水偏愛百分比均低于對照組（均P＜0.05），總攝入量與對照組比較無統計學差異（P＞0.05）；經過4周自愿轉輪運動，應激運動組糖水攝入量、總攝入量及糖水偏愛百分比均高于應激模型組（均P＜0.05），提示慢性應激可以導致大鼠快感缺乏，而長期自愿轉輪運動可以改善大鼠慢性應激導致的興趣水平的降低。

表1 各組大鼠糖水偏愛實驗測試結果Tab.1 Results of sugar water preference test in rats of every group

表1 各組大鼠糖水偏愛實驗測試結果Tab.1 Results of sugar water preference test in rats of every group

Compared with the control group 1）P＜0.01，2）P＜0.05；Compared with the stress model group，3）P＜0.05.

2.3 大鼠八臂迷宮實驗測試結果

表2結果顯示：與對照組比較，應激模型組及應激運動組大鼠完成八臂迷宮時間顯著延長（P＜0.01，P＜0.05），應激模型組增加115.20 s，應激運動組增加42.83 s；與應激模型組比較，經過長期自愿轉輪運動，應激運動組大鼠完成八臂迷宮時間顯著縮短（P＜0.01），平均時間縮短75.37 s。

表2 各組大鼠八臂迷宮測試結果Tab.2 Results of 8-arms radial maze in rats of every group

表2 各組大鼠八臂迷宮測試結果Tab.2 Results of 8-arms radial maze in rats of every group

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.01，4）P＜0.05，compared with the stress model group.

與對照組比較，應激模型組工作記憶錯誤次數（WME）顯著增多（P＜0.05），平均增加3.11次；參考記憶錯誤次數（RME）顯著增多（P＜0.01），總錯誤次數（TE）遠遠高于對照組（P＜0.01），平均增加7.11次；與對照組比較，應激運動組WME增多，但無統計學差異（P＞0.05），RME及TT均顯著增多（P＜0.05）；與應激模型組比較，應激運動組WME、RME均顯著減少（P＜0.01，P＜0.05），總錯誤次數（TE）遠遠低于應激模型組（P＜0.01），應激運動組平均減少4.58次。

2.4 大鼠單胺類神經遞質測試結果

表3結果顯示：與對照組比較，應激模型組及應激運動組大鼠紋狀體NE含量明顯降低（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分別為35%及15%；與應激模型組比較，應激運動組大鼠NE顯著增高，增高幅度為30%（P＜0.05）。與對照組比較，應激模型組及應激運動組大鼠DA含量均顯著降低（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分別為27%及24%；與應激模型組比較，應激運動組DA有增高的趨勢，但沒有顯著性差異（P＞0.05）。

表3 大鼠紋狀體單胺類神經遞質測量結果Tab.3 Results of monoamine neurotransmitter contents in striatum of all rats

表3 大鼠紋狀體單胺類神經遞質測量結果Tab.3 Results of monoamine neurotransmitter contents in striatum of all rats

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.05，compared with the stress model group.

與對照組比較，應激模型組及應激運動組大鼠5-HT含量顯著下降（P＜0.01，P＜0.05），降低幅度分別為29%及17%；與應激模型組比較，應激運動組大鼠5-HT含量顯著增高（P＜0.05），增高幅度為16%。以上結果提示長期自愿轉輪運動可有效調整腦組織紋狀體單胺類神經遞質代謝紊亂，從而改善去抑郁模型大鼠的學習記憶能力。

2.5 各組大鼠紋狀體c-fos蛋白表達的變化

光鏡下紋狀體內分布有大量c-fos，免疫陽性表達呈棕黃色，低倍鏡下為棕黃色小圓點，染色均勻，高倍鏡下為圓形和橢圓形的棕黃色神經元（圖3），定位于神經元胞體和突起的胞漿內，細胞核著色。

由表4、圖3可知：與對照組比較，應激模型組大鼠紋狀體c-fos免疫陽性細胞數目及平均光密度均顯著減少（均P＜0.01），降低幅度分別為49%及23%；與應激模型組比較，應激運動組紋狀體c-fos免疫陽性細胞數目和平均光密度均增加（均P＜0.05），增加幅度分別為36%及18%。

表4 大鼠紋狀體c-fos免疫陽性細胞數量、面積和灰度結果Tab.4 Number and absorbance of c-fos immunopositive neurons in the striatum

表4 大鼠紋狀體c-fos免疫陽性細胞數量、面積和灰度結果Tab.4 Number and absorbance of c-fos immunopositive neurons in the striatum

1）P＜0.01，2）P＜0.05，compared with the control group；3）P＜0.05，compared with the stress model group.

圖3 ABC免疫組織化學染色結果×400Fig.3 ABC immunohistochemistry staining results×400

3 討論

3.1 自愿轉輪運動對抑郁模型大鼠曠場實驗及糖水偏愛實驗的影響

抑郁癥是一種以情緒低落、興趣減退、精神運動遲滯的“三低”癥狀為主要表現的疾病。本研究所涉及的行為學實驗中，糖水偏愛實驗評價的是快感缺失水平，這是人類抑郁癥的核心癥狀，在動物抑郁模型中表現為對糖水的偏愛降低；曠場實驗可用來測試動物中樞神經系統的“興奮”或“抑郁”狀態，穿越格數及直立次數反映大鼠的探究行為，修飾（理毛）次數及糞便顆粒反映大鼠對環境警覺性的高低及緊張程度。本實驗結果顯示，應激模型組大鼠穿越格數、直立次數及修飾次數均顯著減少，糞便顆粒增加，糖水消耗量和糖水偏愛百分比顯著下降，這些行為改變表明長期慢性應激使大鼠活動及探究能力降低，對新鮮環境的好奇程度下降，快感缺乏，緊張程度增加，運動遲滯，表現為抑郁樣。經過4周自愿轉輪運動，應激運動組大鼠穿越格數、直立次數及修飾次數均顯著增多，糞便顆粒減少，糖水消耗量和糖水偏愛百分比顯著增加，說明長期自愿轉輪運動可以在一定程度上改善應激大鼠的抑郁樣行為及快感缺失，與研究結果一致［3］。

3.2 自愿轉輪運動對抑郁模型大鼠紋狀體單胺類神經遞質及學習記憶的影響

抑郁癥的發病機制目前還不清楚，占主導地位的觀點是腦內單胺類神經遞質代謝失常學說。陳瑤等研究發現，大鼠在經過連續21 d的應激刺激后，抑郁癥模型大鼠腦皮質、海馬和下丘腦NE、5-HT和DA及其代謝產物總量都有減少［4］，本實驗的研究結果與前人一致，經過連續28 d的應激刺激后，抑郁癥模型大鼠紋狀體NE、DA及5-HT含量均顯著下降，說明抑郁癥發病過程中大腦3種單胺類神經遞質都出現了含量與功能的改變，并且都在不同程度上參與了抑郁情緒的調節，出現抑郁樣行為。

本實驗中，應激模型組大鼠經過4周慢性不可預知性應激與正常組大鼠比較完成八臂迷宮時間延長115.20 s，工作記憶錯誤次數、參考記憶錯誤次數及總錯誤次數均顯著增多，說明長期慢性應激已明顯削弱了大鼠的學習記憶能力，與Hoffman等［5］研究結果一致。單胺類神經遞質是腦內涉及學習記憶及相關認知過程中神經活動調控的重要神經遞質，在學習記憶過程中發揮著重要作用，抑郁大鼠經過4周自愿轉輪運動大鼠完成八臂迷宮時間縮短75.37 s，參考記憶錯誤及總錯誤次數顯著減少，說明長期自愿轉輪運動可以在一定程度上改善抑郁模型大鼠的學習記憶能力。因此可推測，長期慢性應激所致的大鼠學習記憶障礙可能與紋狀體NE、DA及5-HT下降有關，而長期自愿轉輪運動提高抑郁模型大鼠學習記憶可能是通過部分逆轉紋狀體神經元病理改變或通過某種途徑促進單氨類神經遞質水平有關，具體機制需進一步研究。

3.3 自愿轉輪運動對抑郁模型大鼠紋狀體c-fos表達的影響

紋狀體是與應激密切相關的腦區，也是產生各種動機和情緒行為的重要結構。Crema等［6］經過40 d的慢性應激發現紋狀體與大鼠的抑郁樣行為有關，在大鼠的抑郁樣行為中起重要作用。Knapska等［7］研究發現，慢性應激導致大鼠學習記憶能力明顯下降，同時大腦、前額葉皮質、杏仁核、海馬DG區c-fos的表達明顯減少。

本研究也得到相同結果，長期慢性應激模型組大鼠紋狀體c-fos表達顯著減少，可能由于長期慢性應激導致HPA軸功能亢進以及高濃度的糖皮質激素（GCs），高濃度的GCs可能會導致紋狀體神經細胞變性壞死，從而引起c-fos在神經元受損后表達降低。而應激運動組大鼠自愿轉輪運動4周后紋狀體c-fos陽性細胞表達明顯增多，提示應激大鼠經過長期自愿轉輪運動提高學習記憶能力可能與紋狀體c-fos表達增強有關，但是紋狀體c-fos增強的機制仍不清楚。可能的原因是由于長期自愿轉輪運動可以引起腦內突觸前膜多巴胺、5-羥色胺，NE等神經遞質濃度改變，本實驗已經證實了這一點。這些神經遞質作為細胞間傳遞信息的第一信使，作用于突觸后膜的相關受體，紋狀體內含大量多巴胺能受體、5-HT受體、去甲腎上腺素能受體。而許多學者研究證實，多巴胺、去甲腎上腺素及5-HT可以上調PKC的活性，從而誘導c-fos的表達［8］。fos蛋白作為第三信使可能參與調節與學習相關的效應基因的表達，導致長時記憶的形成，增強抑郁模型大鼠學習記憶能力，具體機制有待進一步研究。

本實驗結果顯示：大鼠經過4周慢性不可預知的應激紋狀體單胺類神經遞質NE、5-HT含量降低，原癌基因c-fos陽性神經元的表達明顯減少，提示紋狀體單胺類神經遞質及c-fos的變化與慢性應激導致的大鼠的抑郁樣行為及學習記憶有關。經過長期自愿轉輪運動，大鼠紋狀體單胺類神經遞質NE、5-HT含量增高，c-fos表達增加，提示長期自愿轉輪運動可以有效調整紋狀體單胺類神經遞質水平，上調c-fos的表達，從而改善抑郁模型大鼠的抑郁樣行為及學習記憶能力，具體機制有待進一步研究。

［1］Boeker H，Schulze J，Richter A，et al.Sustained cognitive impairments after clinical recovery of severe depression［J］.J Nerv Ment Dis，2012，200（9）：773-776.

［2］He SB，Tang WG，Tang WJ，et al.Exercise intervention may prevent depression［J］.Int J Sports Med，2012，33（7）：525-530.

［3］Binder E，Droste SK，Ohl F，et al.Regular voluntary exercise reduces anxiety-related behaviour and impulsiveness in mice［J］.Behav Brain Res，2004，155（2）：197-206.

［4］陳瑤，韓婷，芮耀誠，等.積雪草總苷對實驗性抑郁癥大鼠血清皮質酮和單胺類神經遞質的影響［J］.中藥材，2005，28（6）：493-496.

［5］Hoffman AN，Krigbaum A，Ortiz JB，et al.Recovery after chronic stress within spatial reference and working memory domains：correspondence with hippocampal morphology［J］.Eur J Neurosci，2011，34（6）：1023-1030.

［6］Crema LM，Pettenuzzo LF，Schlabitz M，et al.The effect of unpredictable chronic mild stress on depressive-like behavior and on hippocampal A1 and striatal A2A adenosine receptors［J］.Physiol Behav，2013，109：1-7.

［7］Knapska E，Maren S.Reciprocal patterns of c-Fos expression in the medial prefrontal cortex and amygdala after extinction and renewal of conditioned fear［J］.Learn Mem，2009，16（8）：486-493.

［8］Sun WL，Zhou L，Hazim R，et al.Effects of dopamine and NMDA receptors on cocaine-induced Fos expression in the striatum of Fischer rats［J］.Brain Res，2008，1243：1-9.

（編輯 裘孝琦）

EffectsofVoluntary Wheeling Exercise on Learning and Memory and C-fos Expression within Striatum in the RatModelofDepression

SUXiao-yun1，CUIjian-mei2，HE Ji-ping3，ZHANGYong-jing1
（1.Nursing Department of Fenyang College of Shanxi Medical University，Fenyang，Shanxi 032200；2.Physical Education Department，North University of China，Taiyuan 030051，China；3.Auatomy Deparment in Fenyang College Shanxi Medical University，Fenyang，Shanxi032200）

ObjectiveTo explore the influence ofthe 4-week voluntary wheeling exercise on the open-field behaviorand learning and memory ability，monoamine neurotransmitter contents and c-fos expression within striatum of brain in the depressive rat models induced by Chronic Unpredictable Stress（CNS）.MethodsA total of 30 SD rats were randomly divided into 3 groups：the control group（C），the stress model group（SC）and stressexercise group（SE）.The rats ofSEand SMgroup received CNS every day for28 days.Atthe same time，the rats ofSEgroup received 4-week voluntary wheeling exercise.ResultsCompared with the SC group，crossing squares，the times of rearing and grooming number significantly increased，fecesparticles significantly decreased in the SE group；sucrose water intake，totalintake and sucrose consumption ratio was significantly increased in the SE group；the time of completing 8-arms radial maze shortened，WME and RME notably reduced，TE was less than that of the SC group；the amount and absorbance of c-fos in striatum was obviously increased in the SE group.ConclusionThe voluntary wheeling exercise can enhance the learning and memory ability of the depressive rats，its mechanism might be that treadmill exercise increased the concentration of monoamine neurotransmitter，which effectively adjusted monoamine neurotransmitter disorders and reinforced the expression of c-fos in striatum at the same time.

voluntary wheeling exercise；depressive rats；learning and memory；striatum；monoamine neurotransmitter；c-fos

R749.4

A

0258-4646（2014）09-0836-05

中北大學科學基金（2011-2013）

蘇曉云（1982-），女，講師，碩士.

崔建梅，E-mail：cuijm224@163.com

2014-04-29

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