不同頻率音樂對小鼠空間學習記憶能力的影響

袁徐蕾，楊 梅，韓文莉，譚冬梅，范 堯*，譚 毅*

(1.重慶醫科大學公共衛生與管理學院，重慶 400016； 2.重慶醫科大學實驗動物中心，重慶 400016)

研究報告

不同頻率音樂對小鼠空間學習記憶能力的影響

袁徐蕾1，楊 梅1，韓文莉2，譚冬梅2，范 堯1*，譚 毅2*

(1.重慶醫科大學公共衛生與管理學院，重慶 400016； 2.重慶醫科大學實驗動物中心，重慶 400016)

目的初步探究音樂對成年小鼠學習記憶能力是否產生影響。方法80只C57小鼠隨機分成10組，每組雌雄各半?？瞻讓φ战M：不給予音樂刺激，高頻音樂3組、中頻音樂3組、低頻音樂3組，分別用高頻、中頻、低頻各3首進行音樂刺激，每天5 h，連續6 d。第7天進行水迷宮測試，期間保持音樂刺激不變，測試指標為潛伏期，經過平臺次數和平臺象限停留時間。結果音樂組與空白組相比，小鼠逃避潛伏期明顯縮短(P< 0.05)，經過平臺次數和平臺象限停留時間雖有增多，但差異無顯著性(P> 0.05)。各音樂組之間檢測指標差異無顯著性(P> 0.05)。結論所選9首音樂能提高成年小鼠學習記憶能力，而不同頻率音樂之間產生的影響未發現顯著性差異。推測音樂刺激對小鼠的影響與音樂分類的標準、刺激周期長短、刺激時間點選擇等因素密切相關。

音樂；頻率；學習記憶能力

學習和記憶能力的提高一直是人們關注的熱點，其影響因素包括情緒、內分泌、運動、訓練以及諸多環境因素。音樂作為一種藝術形式，具有特殊的治療作用，能夠對人的生理和心理產生積極影響，調節人的情緒、血壓、心率以及應激水平等[1-2]。動物實驗發現，音樂可以促進大鼠和小鼠的大腦發育，增強神經的可塑性，提高其空間的學習和記憶能力。聽覺皮層NMDA受體(N-methyl-D-aspartate receptor)是包括人類在內的哺乳動物學習和記憶過程中一類至關重要的神經連接通路，2周齡大鼠聆聽莫扎特的《D大調雙鋼琴奏鳴曲K.448》之后，聽覺辨別學習能力增強，NMDA的亞單位NR2B蛋白的表達顯著增加[3]。小提琴協奏曲《梁?！纷鳛榇碳ひ魳房梢蕴岣叽笫蟮目臻g記憶能力，記憶能力的提高依賴于音樂刺激時間的長短，并與海馬結構中NMDA受體表達上調有關[4]。迄今的研究發現，不同音樂對大小鼠大腦發育的影響效果并不一致，《梁?！纺苊黠@提高成年昆明小鼠的空間記憶能力,而《莫扎特D大調小提琴協奏曲》的效果卻不明顯[5]。莫扎特音樂和《梁?！肪茉鰪娦坌岳夏闣istar大鼠的學習記憶能力，而搖滾音樂的效果不明顯[6]。

音樂對大小鼠空間學習和記憶能力具有一定正性影響的初步試驗結果提示，對音樂的治療效果值得深入研究。研究方案中涉及許多因素的選擇，包括音樂片段、音樂刺激時間、刺激方式、受試動物、評價模型等等。音樂是由頻率、節奏、旋律、音色、音準等元素構成的復雜藝術形式[7]，在音樂治療過程中，不同構成元素產生的效果存在差異[8]。人類的聲頻范圍為20 Hz～20 000 Hz，最敏感的頻率區間是1000 Hz～4000 Hz，低于20 Hz的聲波叫次聲波，高于20 000 Hz的聲波叫超聲波，都超出了人耳的聽覺能力。嚙齒類動物的聲頻范圍為200 Hz～90 000 Hz[9]，對高頻聲波反應靈敏。目前已有研究在音樂選取方面較為單一，很少專門考慮所選音樂中的頻率成分，本研究采用軟件將音樂分析之后分為高頻、中頻、低頻3個組，對C57小鼠進行短期刺激，通過Morris水迷宮的行為學評價，探究不同頻率音樂對小鼠學習記憶能力的影響，為音樂在臨床治療的應用提供實驗依據。

1 材料和方法

1.1材料

1.1.1 實驗動物

SPF級C57小鼠80只，6～8周齡，體重20～25 g，雌雄各半，來源于重慶醫科大學實驗動物中心 [SCXK (渝) 2012-0001]。飼養觀察于IVC籠架里 [SYXK (渝) 2012-0001]。

1.1.2 實驗儀器

山水(Sansui)A38S迷你插卡小音箱(山水電子有限公司)；眾實ZS-001 Morris水迷宮(成都泰盟科技有限公司)；泰仕聲量計(臺灣泰仕電子工業股份有限公司)。

1.2實驗方法

1.2.1 音樂選取與分類

研究人員使用Cool Edit Pro軟件對多首經典鋼琴曲目進行分析，最終選出9首曲目用于實驗，分為高頻音樂組(主要頻率在3000～4000 Hz)3首：《土耳其進行曲》(KV.331)(莫扎特)，《小狗圓舞曲》(Op.64, No.1)(肖邦)，《春節序曲》(李煥之)；中頻音樂(主要頻率在2000～3000 Hz)3首：《夜曲》(Op.9, No.1)(肖邦)，《夜曲》(Op.9, No.2)(肖邦)，《鋼琴奏鳴曲》(KV.457-II)(莫扎特)；低頻音樂(主要頻率在2000 Hz以下)3首：《葬禮進行曲》(Op.35)(肖邦)，《森林情景——惡名昭彰的地方》(Op.82)(舒曼)，《致野玫瑰》(Op.51)(麥克道威爾)，見圖1。

注：a：《土耳其進行曲》；b：《小狗圓舞曲》；c：《春節序曲》；d：《夜曲》(Op.9, No.1)；e：《夜曲》(Op.9, No.2)；f：《鋼琴奏鳴曲》；g：《葬禮進行曲》；h：《森林情景——惡名昭彰的地方》；i：《致野玫瑰》(Op.51)。圖1 音樂頻率分組圖Note. a: Turkish March (KV.331); b: Minute Waltz (Op.64, No.1); c: Spring Festival Overture; d: Nocturne (Op.9, No.1); e: Nocturne (Op.9, No.2); f: Piano Sonata (KV.457-II); g: Funeral March (Op.35); h: Forest Scenes (Op.82); i: To a Wild Rose (Op.51).Fig.1 Types of the music of high-, medium- and low-frequency

1.2.2 分組

將80只小鼠隨機分為10組，雌雄各半，分別為：空白對照組、高頻音樂組1、高頻音樂組2、高頻音樂組3、中頻音樂組1、中頻音樂組2、中頻音樂組3、低頻音樂組1、低頻音樂組2、低頻音樂組3。每組兩籠，每籠4只，分別飼養于IVC鼠籠中，自由進水進食。

1.2.3 干預措施

將小音箱用膠帶固定在IVC籠盒的側壁上，聲量計測得音箱關閉時每個籠盒中的聲響為45～50 dB，籠盒外聲響為50 dB。音樂播放時籠盒內聲音響度為60～70 dB，籠盒外環境噪聲仍為50 dB，各組小鼠接受音樂刺激時互不干擾。

每天上午9:00～11:30，下午15:00～17:30各音樂組IVC鼠籠中的音箱分別播放相應音樂曲目，空白組放置相同音箱但保持關閉，持續6 d，期間小鼠自由進食進水。

1.2.4 Morris水迷宮測試

測試期間保持音樂刺激不變。迷宮內加入清水和少量伊利純牛奶，控制水溫在18℃～22℃,水面高出平臺約1 cm，肉眼看不見平臺。自動記錄儀最大潛伏期設為90 s。

定位航行實驗：干預6 d后開始進行。第7～10天的每天早上9:00開始進行。分別從水池東南西北4個入水點將小鼠背向平臺放入水池中，觀察并記錄小鼠找到并爬上平臺所需時間，即逃避潛伏期。90 s內找不到平臺者，將其引上平臺，并使其在平臺上停留10 s。連續測試4 d。

空間探索實驗：第11天進行。撤去平臺，將小鼠從原平臺相對的位置背向平臺放入水池中，通過系統記錄并分析小鼠在90 s內的游泳軌跡，計算小鼠經過平臺所在位置的次數和在平臺象限游泳的時間。

1.3統計學方法

2 結果

定位航向實驗中，各音樂組與空白組相比，第1～4天潛伏期明顯縮短(除個別組P略大于0.05外，其它均為P< 0.05)。而各音樂組之間潛伏期差異無顯著性(P> 0.05)(表1)。

空間探索實驗中，經過平臺次數和平臺象限停留時間各組間差異無顯著性(P> 0.05)，但仍顯示音樂組穿越平臺次數和平臺象限停留時間的值較空白組大(表2)。

3 討論

學習和記憶是一個由腦支配的復雜過程。已有研究表明，腦內多種成分參與了該過程，包括相關神經遞質、蛋白質、神經肽以及RNA等[10]。音樂作為一種藝術形式，已不僅限于藝術欣賞和審美領域，而是逐步滲透到醫療、心理等領域[11]。國內外多項研究表明，出生后的早期音樂刺激，可增強大鼠NMDA受體介導的神經可塑性，增強其在聽覺分辨學習任務中的能力[12]。圍產期的音樂刺激，既有助于抵抗大鼠由于胼胝體離斷術造成的空間記憶能力下降[13]，也可通過影響BDNF/TrkB細胞內信號傳導通路，誘導小鼠學習記憶功能力提升[14]。同時，成年小鼠在接受連續30 d的莫扎特K 448奏鳴曲刺激后，海馬、大腦皮質基因表達受到顯著影響，空間記憶能力和恐懼刺激記憶也得到提高[15]。

Tab.1The avoiding latency of mice in each group in the Morris water maze test

組別Groups第一天1stday第二天2ndday第三天3rdday第四天4thday空白組Controlgroup8398±12825885±21524682±15563782±1175低頻音樂組1Group1oflow?frequencymusic6804±2977?4676±29563034±2296?2171±1907?低頻音樂組2Group2oflow?frequencymusic6581±3101?4300±22183561±28512249±1918?低頻音樂組3Group3oflow?frequencymusic6546±3205?4610±2124?3337±1669?2382±1217?中頻音樂組1Group1ofmedium?frequencymusic6535±3259?4493±2269?3412±2785?2392±2155?中頻音樂組2Group2ofmedium?frequencymusic6759±2650?4375±2839?3462±18062238±1964?中頻音樂組3Group3ofmedium?frequencymusic6723±2934?4348±3295?3262±2738?2397±1922?高頻音樂組1Group1ofhigh?frequencymusic6626±3404?4262±3303?3446±20412281±1973?高頻音樂組2Group2ofhigh?frequencymusic6677±3010?4508±2422?3264±1761?2422±1555?高頻音樂組3Group3ofhigh?frequencymusic6945±2743?4342±2730?3287±2075?2414±1945?

注：與空白組比較，*P< 0.05。

Note. Compared with the control group,*P< 0.05.

Tab.2Frequency of passing the platform and time spent to pass the quadrant of mice in each group in the Morris water maze on the 5th day

組別Groups平臺象限活動時間/sTimeforpassingthequadrant虛擬平臺穿越次數Frequencyofpassingtheplatform空白組Controlgroup1303±269300±245低頻音樂組1Group1oflow?frequencymusic1929±684425±212低頻音樂組2Group2oflow?frequencymusic1679±758375±244低頻音樂組3Group3oflow?frequencymusic1428±591425±183中頻音樂組1Group1ofmedium?frequencymusic1813±172513±290中頻音樂組2Group2ofmedium?frequencymusic1457±246388±217中頻音樂組3Group3ofmedium?frequencymusic1454±514613±340高頻音樂組1Group1ofhigh?frequencymusic1759±816488±348高頻音樂組2Group2ofhigh?frequencymusic1429±452456±350高頻音樂組3Group3ofhigh?frequencymusic1656±536488±203

音樂分類方式多種多樣，不同風格的音樂刺激效果不同。有學者研究莫扎特K.250的高、中、低頻段對高血壓大鼠的降壓效果，發現高頻段音樂降壓效果相對較好，認為高頻段可能是莫扎特音樂對腦功能產生影響的基礎[16]。張峰等[17]在研究不同頻率音樂對肉雞生產性能時，發現高頻和低頻音樂組肉雞采食量顯著高于次聲頻率和中頻組。本研究針對不同頻率音樂進行分組，并進行探究。為排除不同樂器的音色可能造成的干擾，所選音樂皆為經典鋼琴曲目。鋼琴的聲頻范圍為27.5～4186 Hz[18]。實驗結果表明，音樂組小鼠的空間學習記憶能力相比空白組得到了明顯增強，說明音樂在一定程度上興奮了腦內相關成分，進一步證實其在提高學習記憶能力方面的作用。但高頻、中頻、低頻音樂組之間沒有發現顯著差異，這與其它研究結果存在一定差距。可能的原因有，小鼠的聽閾范圍為200～90 000 Hz，遠高于人類，實驗所選不同頻率音樂的頻率間隔范圍相對較小，可能均遠低于其最適聽閾；與其它實驗相比，本研究給予小鼠的音樂刺激時長較短(5 h/d，持續6 d)，可能還不足以改變小鼠相應生理因素；9首曲目除在頻率上存在差異外，其它音樂元素也都不盡相同，《春節序曲》為中國民族音樂，其余為西方古典音樂，音樂風格不完全一致，從而造成各音樂組之間的差異不明顯。

迄今為止，用于動物實驗或臨床試驗的音樂沒有統一、明確的分類標準，使用的音樂曲目數量較少，種類局限。鑒于動物聽覺中樞神經元對于聲音刺激的頻率、時間、強度、空間信息等編碼過程與人類的差異[19]，各音樂元素對動物和人類產生的具體作用還有待進一步研究。本研究選用正常人類音樂中不同頻率范圍的曲目，僅對頻率這一音樂元素進行了初步探究，具有一定局限性。動物與人類在聽閾范圍存在較大差異，更高頻率范圍的音樂或者使用專業軟件對已有音樂作品中的頻率進行倍增之后的音樂值得在動物實驗中繼續嘗試。

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Impactofmusicofdifferentfrequenciesonthespatiallearningandmemoryabilityofmice

YUAN Xu-lei1， YANG Mei1， HAN Wen-li2， TAN Dong-mei2， FAN Yao1*， TAN Yi2*

(1.School of Public Health and Management, Chongqing Medical University, Chongqing 400016, China； 2.Laboratory Animal Center, Chongqing Medical University, Chongqing 400016)

ObjectiveTo explore the impact of music of different frequencies on the spatial learning and memory ability of mice.MethodsA total of 80 healthy 6～8 weeks old C57 mice were randomly divided into 10 groups, half male and half female in each group. The mice in the control group were not stimulated by music. The mice of the 3 groups of high-frequency music, 3 groups of medium-frequency music and 3 groups of low-frequency music were stimulated by music in corresponding range of frequency, respectively, for 5 h each day. After 6 d, the ability of spatial learning and memory of the mice was tested in the Morris water maze, with the same stimulation of music during the test. The indicators of the test included the avoiding latency, the frequency of passing the platform and the time spent to pass the quadrant of the mice in each group.ResultsCompared with the control group, the avoiding latency of the mice in the groups with stimulation by music was significantly shorter (P< 0.05). The frequency of passing the platform and the time spent to pass the quadrant were increased, yet the difference was not significant (P> 0.05). Moreover, there was no significant difference between the indicators of the 9 groups receiving music stimulation (P> 0.05).ConclusionsThe 9 pieces of music we have selected can improve the ability of spatial learning and memory in adult mice, however, the effects of the music of different frequencies did not show significant difference. It is hypothesized that the impact of music stimulation on mice may be related to the criteria for music classification, the duration of cycle of music stimulation and the selection of time points of stimulation.

Music; Frequency; Learning and memory ability

R-33

A

1671-7856(2017) 09-0071-05

10.3969.j.issn.1671-7856.2017.09.013

2016-09-07

重慶市科委社會民生項目(編號：cstc2017shmsA0007)；重慶醫科大學大學生科學研究與創新實驗項目(編號：201663)。

袁徐蕾(1996-)，女，本科生，專業：口腔醫學。E-mail: yuan.xulei@qq.com

范堯(1974-)，女，副教授，研究方向：音樂治療學,E-mail: fanyaofanyao@126.com； 譚毅(1966-)，男，研究員，研究方向：實驗動物模型，E-mail:tanyee66@126.com*共同通訊