凌夢鈺,楊一卓,劉帥,葉超群
1.安徽醫(yī)科大學(xué)空軍臨床學(xué)院,北京市 100142;2.空軍特色醫(yī)學(xué)中心康復(fù)科,北京市 100142
卒中后認(rèn)知障礙是腦卒中后的常見并發(fā)癥,主要表現(xiàn)為記憶力、注意力、定向力和執(zhí)行功能等方面障礙[1],83%的腦卒中患者存在至少1 個(gè)認(rèn)知領(lǐng)域功能減退[2],對患者恢復(fù)具有消極影響,嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量、社交和工作,縮短生存時(shí)間,給家庭和社會(huì)帶來較大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[3]。
卒中后認(rèn)知障礙的康復(fù)主要包括認(rèn)知干預(yù)、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、非侵入性腦刺激、高壓氧以及藥物治療[2,4-5]。運(yùn)動(dòng)作為一種簡單可及且低成本的治療方法,能有效改善卒中后認(rèn)知障礙患者的認(rèn)知功能[6]。目前對運(yùn)動(dòng)改善卒中后認(rèn)知障礙的分子機(jī)制研究主要集中于海馬,然而最新腦網(wǎng)絡(luò)交互研究發(fā)現(xiàn)[7],額頂控制網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知控制中處于中心地位,主要涉及前額皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)和前扣帶回,前額皮質(zhì)-海馬功能連接性下降與空間學(xué)習(xí)記憶表現(xiàn)下降呈正相關(guān)。我們前期研究也發(fā)現(xiàn),認(rèn)知相關(guān)因子(如SynapsinI等)除了在海馬表達(dá),也在前額皮質(zhì)高度表達(dá)。此外,Li等[8]和周娜等[9]均發(fā)現(xiàn),中等強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)對認(rèn)知功能的改善作用最為顯著,且無明顯不良反應(yīng)。本研究采用大鼠大腦中動(dòng)脈栓塞再灌注(middle cerebral artery occlusion/reperfused,MCAO/R)模型[10],對其進(jìn)行中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練,分別使用行為學(xué)、組織學(xué)和免疫化學(xué)方法,觀察運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對MCAO/R 大鼠認(rèn)知功能和前額皮質(zhì)內(nèi)NeuN和SynapsinI表達(dá)的影響。
健康清潔級(jí)雄性Sprague-Dawley 大鼠40 只,6 周齡,體質(zhì)量(190±10)g,購自北京斯貝福生物技術(shù)有限責(zé)任公司,許可證號(hào)SCXK(京)2019-0010。實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)北京空軍特色醫(yī)學(xué)中心倫理委員會(huì)審批〔No.空特(科研)第2021-02-PJ01〕。所有大鼠術(shù)前適應(yīng)環(huán)境1周,自由獲取食物和水,12 h 光暗循環(huán),溫度22~25 ℃,濕度(50±10)%。大鼠隨機(jī)數(shù)字表法分成假手術(shù)(Sham,S)組、假手術(shù)跑臺(tái)(Sham+exercise,SE)組、模型(MCAO,M)組、MCAO+跑臺(tái)(MCAO+exercise,ME)組,每組10只。所有操作均符合中華人民共和國《實(shí)驗(yàn)動(dòng)物管理?xiàng)l例》。
尼龍線栓:北京西濃科技有限公司。尼氏染色液(solarbio)、重 組Anti-NeuN 抗 體(bioss)、重 組Anti-Synapsin I抗體:ABCAM 公司。FITC 標(biāo)記山羊抗兔IgG 抗體:中杉金橋公司。體視顯微鏡:OLYMPUS公司。KW-PT小動(dòng)物跑步機(jī):卡爾文生物科技有限公司。曠場實(shí)驗(yàn)視頻分析系統(tǒng):眾實(shí)迪創(chuàng)公司。新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)箱、冰凍切片機(jī):LEICA 公司。SynapsinIELISA試劑盒:瑞格博公司。
使用線栓法制備MCAO 模型[11]。大鼠麻醉后固定于操作臺(tái)上,沿頸正中線剪開皮膚,暴露左側(cè)頸總、頸內(nèi)和頸外動(dòng)脈,在遠(yuǎn)心端結(jié)扎頸總動(dòng)脈,動(dòng)脈夾暫時(shí)夾閉頸內(nèi)動(dòng)脈。于頸外動(dòng)脈近心端做一“V”形切口,緩慢插入線栓,松開動(dòng)脈夾,將線栓推入頸內(nèi)動(dòng)脈,至頸內(nèi)動(dòng)脈分叉處遠(yuǎn)端約18 mm 停止進(jìn)栓,固定線栓。將線栓多余部分減去,縫合表皮,酒精消毒。大鼠尾部標(biāo)記編號(hào),置37 ℃保溫箱中。1 h 后,大鼠麻醉后拆線,緩慢拔出線栓,逐層縫合,創(chuàng)面消毒,腹腔注射生理鹽水3 ml,放回保溫箱中。
假手術(shù)僅分離頸外動(dòng)脈和迷走神經(jīng)。
術(shù)后大鼠自由進(jìn)食、進(jìn)水。
術(shù)后24 h,各跑臺(tái)組適應(yīng)性訓(xùn)練3 d,隨后正式訓(xùn)練14 d。在跑步過程中,使用光聲或電刺激。具體運(yùn)動(dòng)方案見表1[8,11-12]。
表1 跑臺(tái)組大鼠術(shù)后運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方案
M 組和S 組在跑步機(jī)上接受相同的刺激,時(shí)間相同,但處于靜止?fàn)顟B(tài)。
1.5.1 神經(jīng)功能
于術(shù)后24 h 按Longa 評(píng)分[11]對大鼠神經(jīng)功能損傷進(jìn)行評(píng)定,評(píng)分1~3 分的大鼠納入實(shí)驗(yàn)。之后在第3、7、10、14、17 天進(jìn)行評(píng)分。該評(píng)定由兩位熟悉評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)人員獨(dú)立進(jìn)行評(píng)價(jià),取二者評(píng)分平均值。
1.5.2 體質(zhì)量
在手術(shù)前,手術(shù)后第3、7、10、14、17天分別稱量大鼠體質(zhì)量。待大鼠處于靜止、四肢著地狀態(tài)時(shí)讀取數(shù)據(jù),每次測量3次,取平均值。
1.6.1 曠場實(shí)驗(yàn)[13-14]
分別于運(yùn)動(dòng)干預(yù)前、后進(jìn)行。曠場為100×100×40 cm 的空曠場地,四周及底部均為黑色,且底部被劃分為面積相等的25 個(gè)網(wǎng)格,中間9 個(gè)被定義為中央?yún)^(qū)域。將大鼠置于曠場正中間,讓其自由探索5 min,使用攝像機(jī)記錄探索過程,使用WebLab 軟件分析,記錄活躍度、穿格次數(shù)、中央?yún)^(qū)域停留時(shí)間和運(yùn)動(dòng)總距離。室內(nèi)保持黑暗、安靜,每只大鼠測試后清潔糞便及尿液,并用70%乙醇清洗,避免氣味干擾。
1.6.2 新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)
參照文獻(xiàn)[14-15]描述的方法進(jìn)行。每只大鼠測試后清潔糞便及尿液,并用70%乙醇清洗,避免氣味干擾。
適應(yīng)期將大鼠放入新物體識(shí)別箱中(同曠場實(shí)驗(yàn)箱),讓其自由探索10 min。適應(yīng)期結(jié)束2 h 后進(jìn)行物體識(shí)別訓(xùn)練:將兩個(gè)完全相同的瓶子放在箱子對角線位置,瓶子距箱體邊緣距離相等,大鼠從兩物體中間放入,自由探索5 min,探索時(shí)間為大鼠鼻尖在物體周圍1 cm內(nèi)指向物體或接觸到物體的總時(shí)間。第二階段結(jié)束24 h 后,將其中一個(gè)瓶子替換為大小相似、形狀顏色不同的新物體,兩物體位置不變,將大鼠從兩物體中間放入,讓其自由探索5 min。使用攝像機(jī)跟蹤記錄,使用WebLab 軟件分析每只大鼠探索新物體的時(shí)間(t1)和舊物體的時(shí)間(t2)、探索物體的總時(shí)間和運(yùn)動(dòng)距離。計(jì)算認(rèn)知指數(shù)(cognitive index,CI)。
行為學(xué)實(shí)驗(yàn)后,大鼠3%戊巴比妥鈉3 ml/kg 深麻醉,眼眶取血,用于ELISA 檢測。用冷的生理鹽水心臟灌注,迅速取左側(cè)腦組織,分離部分前額皮質(zhì),液氮保存,用于免疫熒光染色;剩余部分10%多聚甲醛固定,用于尼氏染色。
1.8.1 尼氏染色
將固定的腦組織乙醇脫水,二甲苯透明,石蠟包埋,切片。石蠟切片脫蠟,尼氏染色液染色,中性樹脂封片,顯微鏡下觀察神經(jīng)細(xì)胞及尼氏小體形態(tài)、數(shù)量和排列情況,400 倍鏡下隨機(jī)選取5 個(gè)視野,使用Image Pro Plus 6.0軟件計(jì)數(shù)尼氏體數(shù)量,取平均值。
1.8.2 免疫熒光染色
冰凍的腦組織切片,厚6 μm,4 ℃復(fù)溫20 min,0.1 mol/L PBS 清洗3 次。TritonX-100 室溫孵育20 min,加山羊血清封閉30 min,甩干多余液體,加入適量兔抗鼠NeuN 抗體、兔抗鼠Synapsin I抗體(1∶200),4 ℃下孵育過夜。切片37 ℃復(fù)溫1 h,傾倒一抗,并用0.1 mol/L PBS 清洗3 次。吸干PBS 液,避光條件下加入相應(yīng)二抗(1∶40),37 ℃孵育30 min,PBS洗3 次。用BX51 熒光顯微鏡觀察并拍片,400 倍鏡下對5個(gè)非重疊場使用Image Pro Plus 6.0軟件計(jì)數(shù)NeuN和SynapsinI陽性細(xì)胞。
1.8.3 ELISA
配制洗液500 ml(25× PBS 20 ml,純水480 ml),按說明書要求加樣,每個(gè)孔均做復(fù)孔。使用酶標(biāo)儀在450 nm 波長下測定光密度(optical density,OD),通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算血清SynapsinI濃度。
采用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。所有數(shù)據(jù)均以()表示。多組組間均數(shù)比較采用單因素方差分析;對于同組不同時(shí)間段數(shù)據(jù)比較采用重復(fù)測量方差分析。兩變量間相關(guān)性分析,若符合正態(tài)分布采用Pearson 分析,若不符合則采用Spearman 分析。顯著性水平α=0.05。
術(shù)后,模型組左側(cè)眼裂變小,右側(cè)肢體活動(dòng)不利,Longa評(píng)分平均1.84,提示造模成功,ME組和M組間Longa評(píng)分無顯著性差異(P>0.05)。術(shù)后3 d,模型組Longa 評(píng)分增高,隨后呈下降趨勢。造模后第7天,ME組Longa評(píng)分低于M組(P<0.05)。見表2。
表2 術(shù)后各組各時(shí)間點(diǎn)Longa評(píng)分
造模前,各組大鼠間體質(zhì)量無顯著性差異(P>0.05)。造模后,M 組出現(xiàn)進(jìn)食困難、精神不佳,體質(zhì)量較S 組下降(P<0.05)。經(jīng)Shapiro-Wilk 檢驗(yàn),各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布(P>0.05)。在干預(yù)期間,組間差異顯著(F=16.908,P<0.001),跑臺(tái)訓(xùn)練第7 天,ME組體質(zhì)量較M組顯著提高(P<0.001)。見表3。
表3 各組各時(shí)間點(diǎn)體質(zhì)量變化(g)
2.2.1 曠場實(shí)驗(yàn)
造模后,M 組中央?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)間和活動(dòng)總距離較S 組降低(P<0.05),各模型組間無顯著性差異(P>0.05)。訓(xùn)練后,M 組活躍度、中央?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)間、穿格次數(shù)和活動(dòng)總距離較S 組減少(P<0.05),ME 組活躍度、中央?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)間、穿格次數(shù)和活動(dòng)總距離均較M 組提高(P<0.05),SE 組活躍度和中央?yún)^(qū)域活動(dòng)時(shí)間較S組增加(P<0.05)。見圖1、表4~表5。
圖1 各組曠場實(shí)驗(yàn)軌跡圖
表4 運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前各組曠場實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.2.2 新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)
M 組CI較S 組降低(P<0.05),ME 組CI和行動(dòng)總距離均較M 組增加(P<0.05),SE 組活動(dòng)總距離較S組增加(P<0.05)。見圖2、表6。
表6 各組新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖2 新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)中各組大鼠的軌跡圖(左上方為新物體,右下方為舊物體)
S組腦組織前額皮質(zhì)尼氏體數(shù)量較多,排列整齊,大小和形態(tài)正常;M 組尼氏體數(shù)量減少,排列紊亂,胞體萎縮,核固縮;與M 組相比,ME 組尼氏體增多(P<0.05),細(xì)胞結(jié)構(gòu)介于S 組和M 組之間,排列稍不規(guī)則。SE 組尼氏體密度也較S 組有所增加(P<0.05)。見圖3、表7。
表7 尼氏體計(jì)數(shù)結(jié)果(個(gè)/高倍鏡視野)
圖3 各組前額皮質(zhì)尼氏染色
與S 組相比,M 組NeuN 陽性細(xì)胞數(shù)降低(P<0.05),ME 組NeuN 陽性細(xì)胞數(shù)高于M 組(P<0.05),SE 組陽性細(xì)胞數(shù)高于S 組(P<0.05)。M 組SynapsinI陽性細(xì)胞數(shù)較S 組降低(P<0.05),ME 組SynapsinI陽性細(xì)胞數(shù)較M組增多(P<0.05)。見圖4、表8。
表8 免疫熒光染色計(jì)數(shù)結(jié)果(個(gè)/高倍鏡視野)
圖4 各組前額皮質(zhì)部NeuN、SynapsinI陽性表達(dá)(免疫熒光染色,×200)
M 組血清SynapsinI濃度低于S 組(P<0.05),ME組血清SynapsinI含量高于M組(P<0.05)。見表9。
表9 ELISA試驗(yàn)結(jié)果(ng/L)
將曠場實(shí)驗(yàn)中活躍度、穿格次數(shù)、總距離、中央?yún)^(qū)域時(shí)間以及新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)中CI作為集合1,將尼氏體計(jì)數(shù)、免疫熒光染色中NeuN、SynapsinI計(jì)數(shù)和Elisa 中SynapsinI含量作為集合2,進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),集合1 與集合2 之間顯著相關(guān)性(r=0.977,P<0.001)。各指標(biāo)間相關(guān)性見表10。
表10 認(rèn)知功能相關(guān)指標(biāo)與NeuN、SynapsinI之間的相關(guān)性(r)
近年來,運(yùn)動(dòng)療法在心腦血管病治療中的作用受到越來越多的關(guān)注。腦缺血再灌注會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知功能下降,可能與腦水腫、白質(zhì)彌漫性改變、神經(jīng)元丟失[14]、氧化應(yīng)激和炎癥因子增加有關(guān)[16]。Mankhong等[17]發(fā)現(xiàn),有氧運(yùn)動(dòng)能改善MCAO/R 大鼠的運(yùn)動(dòng)、平衡和記憶功能,促進(jìn)tau乙?;囊种谱饔谩i等[8]也發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)能顯著減少梗死體積、細(xì)胞凋亡及神經(jīng)功能損傷,促進(jìn)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)/TrkB/CREB 蛋白通路表達(dá)。早期運(yùn)動(dòng)干預(yù)可減少大腦損傷程度,降低卒中后認(rèn)知障礙發(fā)生率[18];中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以改善腦缺血大鼠學(xué)習(xí)記憶功能[9],其機(jī)制涉及減少自由基損傷及細(xì)胞凋亡,促進(jìn)海馬神經(jīng)發(fā)生、血管生成和突觸可塑性的改善[19]。
頂葉與邏輯思維有關(guān),海馬是負(fù)責(zé)空間記憶的主要腦區(qū)[20],額葉皮質(zhì)主要參與識(shí)別記憶、執(zhí)行等認(rèn)知功能[14,21]?,F(xiàn)有對認(rèn)知功能的研究主要集中于海馬。Zheng 等[22]發(fā)現(xiàn),電針能逆轉(zhuǎn)再灌注引起的BDNF、酪氨酸激酶B、γ-氨基丁酸A 型受體、NeuN 等在海馬和前額皮質(zhì)內(nèi)的表達(dá)減少,改善大鼠空間記憶和認(rèn)知記憶。高尿酸血癥引起的認(rèn)知障礙與皮質(zhì)和海馬氧化應(yīng)激、神經(jīng)遞質(zhì)轉(zhuǎn)化以及細(xì)胞膜功能紊亂有關(guān)[23]。Hillman 等[24]發(fā)現(xiàn)前額皮質(zhì)梗死模型小鼠認(rèn)知功能損傷,前額皮質(zhì)-海馬在θ 和β 波段的振蕩通訊改變分別與空間記憶和開闊視野任務(wù)的表現(xiàn)相關(guān),然而其具體的分子機(jī)制仍不清楚。成人神經(jīng)發(fā)生主要位于海馬和腦室下區(qū),其余腦區(qū)新生神經(jīng)元通常來源于腦室下區(qū)神經(jīng)遷移;最新研究發(fā)現(xiàn),腦卒中和神經(jīng)退行性疾病可能誘導(dǎo)下丘腦、皮質(zhì)、紋狀體的神經(jīng)發(fā)生[25]。本研究顯示,運(yùn)動(dòng)能促進(jìn)MCAO/R大鼠空間學(xué)習(xí)記憶能力恢復(fù),誘導(dǎo)前額皮質(zhì)中NeuN、SynapsinI表達(dá)增加,且兩者呈正相關(guān)。
曠場實(shí)驗(yàn)可以反映大鼠認(rèn)知功能、活動(dòng)能力以及焦慮狀態(tài)[14]。一般情況下,大鼠在未知的空間內(nèi)傾向于待在墻壁附近,較少進(jìn)入中間區(qū)域,中央?yún)^(qū)域的活動(dòng)時(shí)間減少反映大鼠處于焦慮狀態(tài)。新物體識(shí)別實(shí)驗(yàn)利用動(dòng)物的新奇偏好,與熟悉的物體相比,更傾向于接觸新物體,這個(gè)功能由前額葉皮質(zhì)支配[14],CI越高,說明大鼠記憶力及探索能力越強(qiáng)[14]。本研究顯示,MCAO/R 大鼠認(rèn)知功能和活動(dòng)能力下降,探索興趣降低,而運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能逆轉(zhuǎn)這些改變。我們還發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對正常大鼠的認(rèn)知功能也有促進(jìn)作用,與周娜等[9]的研究結(jié)果一致。
神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性被認(rèn)為是認(rèn)知功能改善的基礎(chǔ),記憶功能恢復(fù)依賴于皮質(zhì)神經(jīng)元的活動(dòng),以及軸突髓鞘的形成[26]。
尼氏體是神經(jīng)元胞體或樹突內(nèi)的嗜堿性團(tuán)塊和顆粒,能合成更新細(xì)胞器所需的結(jié)構(gòu)蛋白、合成神經(jīng)遞質(zhì)所需的酶及神經(jīng)調(diào)質(zhì),可作為神經(jīng)元功能狀態(tài)的標(biāo)志。NeuN 是一種特異性核蛋白,在腦椎體神經(jīng)元和顆粒性神經(jīng)元表達(dá)[27],能特異性與神經(jīng)元細(xì)胞核的抗原結(jié)合,是一種良好的成熟神經(jīng)元標(biāo)記物。Choi 等[28]發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)能增加雙側(cè)頸總動(dòng)脈栓塞大鼠海馬組織神經(jīng)元數(shù)量,通過增強(qiáng)神經(jīng)發(fā)生和增加BDNF 表達(dá)延緩認(rèn)知功能下降。本研究顯示,MCAO/R 大鼠神經(jīng)功能受損,尼氏體和NeuN 數(shù)量下降;運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能增加前額皮質(zhì)神經(jīng)元數(shù)量,改善其功能。
突觸是信息傳遞的關(guān)鍵部位,是神經(jīng)可塑性最敏感的部位,當(dāng)神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生損傷時(shí),會(huì)產(chǎn)生新的突觸,以維持神經(jīng)功能的相對穩(wěn)定,即突觸可塑性[27]。SynapsinI是一種突觸相關(guān)蛋白,參與突觸囊泡在突觸末端的聚集、釋放和融合[29],與突觸的形成、成熟和可塑性密切相關(guān)[29],被證明是BDNF 介導(dǎo)軸突生長的下游分子[29]。BDNF 已被證明是一種與認(rèn)知功能密切相關(guān)的蛋白質(zhì),在突觸可塑性、血管生成和突觸間神經(jīng)遞質(zhì)釋放等方面起著關(guān)鍵作用[30]。Yeh 等[31]發(fā)現(xiàn),運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)腦缺血性損傷后神經(jīng)元活動(dòng)和突觸可塑性,改善認(rèn)知功能。與本研究結(jié)果一致。
Synapsin I通過何種通路影響神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性,外源性補(bǔ)充或敲除SynapsinI會(huì)對認(rèn)知功能有何影響有待進(jìn)一步研究;前額皮質(zhì)新生神經(jīng)元來源也有待進(jìn)一步研究。
綜上所述,缺血再灌注會(huì)導(dǎo)致大鼠認(rèn)知功能損傷,其機(jī)制可能與誘導(dǎo)前額皮質(zhì)中SynapsinI表達(dá)下調(diào),減少神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量,抑制突觸可塑性有關(guān)。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以促進(jìn)NeuN 和SynapsinI的表達(dá),誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性增強(qiáng),從而改善大鼠認(rèn)知功能,提高其活動(dòng)能力。
利益沖突聲明:所有作者聲明不存在利益沖突。