探究BDNF和CREB在武術訓練改善學習記憶中的作用機制

高升 趙岷

摘要：對BDNF和CREB在武術訓練提高學習記憶能力過程中的作用及機制進行闡述，進而探究此過程中兩者的相關性。研究表明：腦內BDNFmRNA的表達受控于CREB（cAMP反應元件結合蛋白），BDNF基因含有CRE序列，是CREB的靶基因。CREB可以與CRE序列結合，引起BDNF基因的轉錄增加。BDNF和CREB在學習記憶中分別起重要的調控作用和開關作用。特定的武術訓練（如太極拳和八段錦）后，CREB和BDNF基因中的CRE序列結合增加，增強了BDNF基因的轉錄，從而對學習記憶起到促進作用。文章采用文獻綜述法，從訓練過程中BDNF和CREB在學習記憶中的作用及兩者的關系，探討BDNF和CREB在武術訓練中對學習記憶的影響機制。試圖在分子水平上，為運動促進學習記憶能力的提高提依據。

關鍵詞：腦源性神經營養因子 cAMP反應元件結合蛋白 武術訓練 學習記憶CRE基因片段

中圖分類號：G85 文獻標識碼：A 文章編號：2096—1839（2018）7—0050—04

海馬相關記憶可分為兩種形式：持續數秒至數十分鐘的短時記憶和持續數小時、數天甚至幾星期的長時記憶，兩者的主要區別在于長時記憶有賴于新蛋白合成。[1]

隨著年齡的增長，大腦在神經形態與神經生化方面會發生一系列的老化現象，其中最明顯的是長時記憶的衰退，這些變化包括大腦重量、組織結構、中樞神經遞質代謝改變和神經元程序性死亡（細胞凋亡）等。[2]學習和記憶作為大腦功能的高級形式，其對人類的發展和延續有著極其重要的作用，越來越多的證據表明，適宜的武術訓練有助于延緩大腦的老化和改善學習記憶能力。

腦源性神經營養因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF），現在被證明是改善認知功能、學習記憶和突觸可塑性的一種蛋白質，其在阻止神經退行性疾病（如阿爾茲海默病、帕金森病、亨延頓病糖尿病腦病及抑郁癥）方面也有重要作用。而CREB也參與了這一過程，并且有研究指出運動可通過促進CREB的磷酸化的機制使腦內BDNF基因表達加強。[3]但是，在武術訓練促進學習記憶的過程中，BNDF和CREB的作用機制之間的相關性卻很鮮有人探究，而這一相關性探究對于揭示運動促進學習記憶的機制有著至關重要的作用。

1 BDNF和CREB在武術訓練改善學習記憶中的角色

1.1 BDNF影響學習記憶的可能機制及其與運動的關系

腦源性神經營養因子是由德國神經生物學家Brade及同事從豬腦中第一次提出，并發現其可以阻止神經元死亡，它廣泛存在于哺乳動物中，主要有腦組織合成，分布在中樞神經系統，對海馬神經元的生存、生長、分化有重要影響。

長期適宜的武術訓練可以促進腦內毛細血管的增生和其血液儲量，并增加組織利用氧的效率，從而提高學習記憶能力。

實驗研究證明，8周的跑臺訓練或游泳訓練后，大鼠在Y型迷宮實驗中的學習記憶能力均得到提高，其BDNFmRNA的表達顯著增加。其促進學習記憶的機制可能是由于訓練增加了BDNF及其受體在腦內的表達與利用，進而誘導腦內神經的生長，提高腦對刺激的耐受性與學習記憶能力。[4]研究表明，適宜的武術訓練促進大鼠神經生長與LTP閾值降低的同時，也能使海馬齒狀回BDNFmRNA的表達增加。

運動誘發BDNF的表達是運動促進長期記憶的一種形式，腦源性神經營養因子（brain derived neurotrophic factor，BDNF）的表達會引起海馬突觸的結構和機能改變。但是有研究指出，在運動誘發BDNF的前期到后期，都存在一種蛋白質合成抑制劑，這種抑制劑會阻礙BDNF的表達，從而影響長期記憶。為了消除這種抑制作用，Yuan Lu等人[5]提出一個有趣的解決方案，即通過BDNF-TrkB信號的突觸標簽，來使蛋白質抑制劑進行選擇性抑制蛋白質的合成。

S Vaynman[6]等認為，BDNF通過調節神經發生中兩個重要的終端因子的mRNA的表達，從而參與到運動影響突觸可塑性的過程中。

此外，BDNF可同時提高自身和TrkB受體的mRNA水平，從而形成一種正反饋機制提高對突觸可塑性的影響。這種正反饋機制的基本方式是：BDNF的信號轉導和神經營養功能主要通過TarK受體來調節，TarK受體為13DNF的高親和力酪氨酸受體，而BDNF則通過激活細胞表面的TarK受體，引起細胞內的信號傳遞。

目前也有推測認為BDNF與P75受體的結合，可能通過先抑制CaMKn以及MAP-kinase的活性，從而影響囊泡和神經遞質的釋放效率，進而影響學習與記憶能力，具體機制還有待于進一步探究。有實驗采用P75受體-人、鼠海馬神經元進行培養，結果發現BDNF組與對照組比較，均無顯著差異。

目前，認為P75受體有增強Trk家族受體與BDNF的親和力作用，其單獨與DBNF結合尚未報到有其特殊的生物學功能。

1.2 武術訓練影響學習記憶能力過程中CREB的作用機制

CREB，全稱環磷酸腺苷反應元件結合蛋白（cAMP-response element binding protein），在80年代后期由Montrminy MR和Yamamoto KK從PCI細胞系的核提取物和大腦組織中分離純化得到。CREB是bZIP蛋白家族中的一員，它是一種重要的核轉錄增強因子，對學習記憶有重要的調節作用。熾熱不分子由341個氨基酸殘基構成，分子結構分兩個區域，N末端區域為蛋氨酸，與調節轉錄的功能有關，C末端區域為天冬氨酸，是與啟動子結合的部位。

Rarshall R Walton[7]等認為，神經細胞在大腦中的生存以來于一系列分子。其中，許多分子通過激活CREB轉錄因子，進而達到神經保護的作用。在抗腦損傷的海馬齒狀顆粒細胞中，神經環境刺激觸發Serl33（CREB的133位絲氨酸殘基Serl33對CREB的轉錄活性起著重要作用）的磷酸化，進而激活CREB轉錄因子。

此外，AKT蛋白激酶神經信號通路激活CREB的合成與磷酸化，進而促進許多細胞的生存，包括神經細胞。

CREB作為一種重要的核轉錄因子，由于技術和設備的限制，早期的研究非常艱難。當時的研究者采用藥理學抑制劑進行行為實驗，他們發現長期的記憶需要新蛋白的合成和新基因的轉錄，并且長期記憶的增強也是建立在這兩個過程的基礎上。[8]

之后，Kandel[9]等在進一步識別參與學習記憶和可塑性分子的研究中，發現海兔可以顯示出一種類似于長時程易化的行為，并且這種行為需要cAMP-CREB通路的活動，進而提出了首個關于學習記憶活動依賴性基因表達的機制。

另外，Bourtchuladze[10]等對CREB轉基因小鼠的學習記憶情況進行了研究。由于基因片段缺失，這些小鼠無法表達正常的CREB核轉錄因子。之后的實驗表明，這些小鼠仍然具有正常的條件反射和短期記憶，但長期記憶卻表現出完全性丟失。而Kudo[9]等發現，老年大鼠的海馬CAI區CREB磷酸化水平下降，可以看出CREB與學習記憶能力隨年齡的降低相關。

Vaynman[11]等發現一周自愿跑輪運動可以增加大鼠CREB活性，使大鼠海馬CREBmRNA的表達增加，同時進行動物水迷宮實驗，結果顯示大鼠的學習記憶能力都得到加強。武術訓練能夠通過CREB的作用來影響腦內神經遞質的釋放與基因的轉錄，從而作用于學習記憶過程。

2 在記憶改善過程中BDNF和CREB的相互關系

2.1 BDNF和CREB之間的生理關系

隨著學習和記憶中BDNF和CREB的角色被闡述，逐漸發現兩者在作用過程中存在較高的相關性。1997年，StevenFinkbeiner1121對兩者的關系進行了大體的描述：CREB是RDNF誘導基因表達的一個重要的調節者，并且發現了BDNF刺激CREB的磷酸化和激活的兩條通路：Ca/Ca調蛋白激酶（細胞內釋放的Ca）的調節通路和RAS依賴性通路。

之后人們對Ca/Ca調蛋白激酶（細胞內釋放的Ca）的調節通路進行了一些研究，周星娟[13]認為，其基本機制涉及一個信號轉導級聯反應——谷氨酸釋放、N-甲基-D-天（門）冬氨酸（NMDA）谷氨酸受體激活、Ca2+通道和Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶II、IV和絲裂原蛋白激酶（MAPK）激活。最后，Ca調蛋白激酶II使A-氨基羥甲基惡唑丙酸谷氨酸受體鱗酸化而激活，引起突觸后神經元Ca2+內流增加。Ca調蛋白激酶IV和絲裂原蛋白激酶（MAPK）通過刺激基因表達促使環磷腺苷反應元件結合蛋白（CREB）磷酸化水平升高，進而激活。

2.2 BDNF和CREB在武術訓練改善學習記憶過程中的作用機制

CREB作為一種重要的核轉錄因子，在基因轉錄對學習記憶的調控中起著重要的開關作用。跑輪運動提高大鼠海馬突觸可塑性可能與運動誘導CREBmRNA的表達增加有關。這可能是由于運動增強了CREB的磷酸化水平，而這一改變使神經元對刺激的敏感性增強，更容易接受各種刺激，從而提高其學習記憶水平。

另外，在武術訓練后，CREB和BDNF的CRE序列結合增加，引起BDNF的轉錄增加。而腦源性神經營養因子（BDNF）作為神經營養因子家族的一員，不僅能夠促進神經干細胞的增殖，遷移和分化，促進多種神經元細胞的生存和發育，而且BDNF能改善突觸的可塑性，改變腦內神經元的形態，增加突觸終末的密度和促進樹突和軸突的生長，提高學習的可塑性機制和長時程增強效應，對學習記憶功能起重要作用。

從這個角度講，武術訓練提高學習記憶的機制，起源于運動對CREB的影響，之后從兩個方面加強了學習記憶：CREB本身直接增強學習記憶能力和通過影響BDNF的表達間接提高學習記憶能力。

3 小結與展望

BDNF通過與P75受體的結合抑制CaMKn以及MAP-kinase的活性，從而影響囊泡和神經遞質的釋放效率，最終影響學習與記憶能力；而CREB通過影響腦內神經遞質的釋放與基因的轉錄，從而作用于學習記憶過程；CREB可以直接增強學醫記憶能力，而BDNF可以通過激活CREB的轉錄，從而增強學習記憶能力。

此外，在武術訓練可以激活更多的CREB，來改善學習記憶，而更多的CREB水平又會促進BDNF的生成，進而激活BDNF改善學習記憶能力的通道，最終武術從單個方向，兩條通過改善個體學習記憶能力。

本研究經過查閱大量文獻，闡述了CREB—BDNF的CRE序列一BDNF通路。但是，一些研究也指出I3DNF可能會反過來影響CREB的磷酸化，但是缺少這方面的實驗證據，今后在這方面需要進一步研究。學習記憶是一個非常復雜的過程，由于這一過程對人類的生存和發展有著深遠的影響，近年來國家集結了大量專家進行研究，其機制在不管被發掘與完善。

另外，針對當今學生體質健康水平持續下降的問題，各學校也通過廣泛開展武術課教學改革，以改善學生體質健康水平和心理承壓能力。[14]雖然長期規律的運動訓練對于改善學習記憶等腦的高級功能的發展和減緩大腦衰老有著不可否定的意義，但其機制尚有太多謎團等待我們去解開。而運動對學習記憶的影響機制也尚在初級研究階段，現在的研究主要停留在幾個方面：運動增強海馬區作用提高學習記憶能力、武術訓練通過改善腦組織抗氧化能力促進學習記憶、運動

通過改善一些遞質（生長相關蛋白、乙酰膽堿等）水平提高學習記憶能力。

參考文獻：

[1]陳玲，呂佩源.長時程增強分子機制的研究進展[J].國際神經病學神經外科學雜志，2006（6）：537-539.

[2]呂虎，華萍，鄧榮根，徐愛玉.探索人體的奧秘[M].北京：科技出版社，2008：146.

[3]黃濤，徐波，楊毅飛，白俊偉.BDNF介導運動對腦高級功能一學習記憶能力的促進作用[J].體育科學，2006（9）82—85.

[4]Joo HS， Jacqueline L， Marie LP. Proteome analysis in hippocampus of mice over expressing human Cu/Zn superoxide dismutase[J]. Neurochem， 2005（8）： 641—653.

[5]Yuan Lu a， Kimberly Christian c， Bai Lua，b，★. BDNF： A key regulator for protein synthesis—dependent LTP and long-term memory？ [J].Neurobiology of Learning and Memory，2008，89：312-323.

[6]S.VAYNMAN，Z.YINGa and F.GOMEZ-PINILLA. .interplay between brain—derived neurotrophic factor and signal transduction modulators in the regulation

of the effects of exercise on synaptic—plasticity[J]. Neuroscience.2003（122） ：647-657.

[7]Marshall R.Walton and Mike Dragunow.Is CREB a key to neuronal survival？[J].CREB and neuronal survival，2000（2） ：48-53.

[8]Kandel ER. The molecular biology of memory storage： a dialogue between genes and synapses [J].Scinece，2001（294）： 1030- 1038.

[9]Koutaro Kudo，Henny Wati， Chunxiang Qiao， et al .Age— related disturbance of memory and CREB phosphorylationin CA1 area of hippocampus of rats [J]. 2005，1054（6）：30-37.

[10]Bourt chuladze R，Frenguelli B， Blend YJ， et al. Ineff icient long— term memory in mice with a target ed mutat ion of the cAMP— response element—binding proteinQ]. CeU，1994（l）：59- 68.

[11]S. vaynman， Z. ying，Fernando Gomez— pinilla. Hippocampal BDNF mediates the eff icacy of exercise on synaptic plasticity and cognition [J] .European Journal of Neuro Science， 2004（10）：2580-2586.

[12]Steven Finkbeiner， et al . CREB： A Major Mediator of Neuronal Neurotrophin Responses[J]. Neuron.l9：1031-1047.

[13]周星娟.學習與記憶機制研究進展[J].國際病理科學與臨床雜志[J].2008（2）：138-141.

[14]孫明興，趙雁楠.基于體質健康差異的高校武術動態層次化教學研究[I].中國學校體育：高等教育，2017（2）：37-40.