跑台训练增强大鼠的学习记忆及其海马BDNF基因表达

摘 要： 目的：探讨8周跑台训练对大鼠学习记忆能力及其海马内脑源性神经营养因子（BDNF ）基因表达的影响。方法：将24只雄性SD大鼠分为对照组（C组，n=8）和训练组（T组，n=1 6），T组进行8周的跑台训练。通过Y迷宫实验，所有大鼠在第7周进行学习能力测试，在第8 周进行记忆能力测试。第8周最后一次训练后，随机将T组分为T1组（n=8）和T2组（n=8）。 T1组训练后即刻与C组同时断头处死，两组交叉进行，T2组在训练后24时断头处死，采用RT- PCR法检测各组大鼠海马内BDNF的基因表达水平。结果：Y迷宫测试表明T组大鼠的学习记忆 优于C组；与C组相比，T1组和T2组大鼠海马中BDNF的基因表达水平均显著升高（p

关键词：跑台训练；大鼠；学习记忆；海马；脑源性神经营养因子

中图分类号：G804.7文献标识码：A文章编 号：1007-3612(2011)04-0051-03

Research on the Enhancement of Treadmill Training on Learningm emory and BDNF mRNA Expression in Hippocampus of Rats

XU Bo，HUANG Tao， JI Liu

（College of Physical Education and Health，East China Normal University，shangh ai，200241，China）

Abstract: Objective: The purpose of this study is to explore the effects of treadmill trai ning on learningmemory and BDNF mRNA expression in hippocampus of rats. Metho d: 24 male SD rats were assigned into two groups: control group (C，n=8)，traini ng group (T，n=16). The T group rats took part in treadmill training for 8 week s. In 7th week，all of the rats were participated the learning test by Y maze， and in 8th week，all of the rats were participated the memory test by Y maze. A fter the last treadmill training in 8th week，T group were assigned randomly in to two groups：T1 group(n=8) and T2 group(n=8)．The rats of the T1 group were de collated immediately after the last running alternately with the rats in controlgroup，and the rats of T2 group were decollated after 24 hours of the last runn ing．The expression of BDNF mRNA were inspected by RTPCR.Results: Y maze testshowed that the ability of learning and memory for T group rats were better tha n the C group rats. Comparing with C group，the expression of BDNF mRNA increas ed significantly in T1 and T2 group（p

Key words: treadmill training; rat; learning and memory; hippocampus; BD NF

本实验室的前期研究［1,2］表明，适宜的游泳训练可提高大鼠的学习记忆能力。然 而， 运动训练影响学习记忆能力的机制尚不明确。近年来的研究表明，脑源性神经营养因子（br ain derived neurotrophic factor，BDNF）在中枢神经系统中具有广泛作用， BDNF与自主 跑轮运动引起的学习记忆能力的提高有一定的相关性［3,4］。目前，有关运动改善 学习记忆 能力的动物实验多采用自主跑轮运动（voluntary wheel running），其运动量不易控制。 有研究提示［5］，只有当运动量(包括运动持续时间和强度等)达到一定的范围才能 引起动物 海马内BDNF的变化，而跑台训练（Treadmill training）比自主跑轮运动更能精确的控制运 动量。故本文将研究跑台训练对大鼠学习记忆能力的影响，并探讨BDNF在运动促进大鼠学习 记忆过程中的作用。

1 材料与方法

1.1 动物

从上海西普尔-必凯实验动物中心购入六周龄Sprague-dawley雄性大鼠24只，常规分笼 饲养。将大鼠分为对照组（C组，n=8）和训练组(T组，n=16)，在第8周最后一次训练后，随 机将T组分为T1（n=8）组和T2组(n=8)，T1组运动后即刻与C组同时断头处死，两组交叉进行 ，T2组在运动后24 h断头处死，取双侧海马，测定其BDNF的基因表达。

1.2 训练方案

按张林等［6］的训练方案对T组大鼠进行8周跑台训练，每周训练5次：1～3周运动时间30 min，速度13.3 m/min，坡度0；第4周运动时间40 min，速度13.3 m/min，坡度5%；第5 周运动时间45 min，速度15 m/min，坡度5%；第6周运动时间50 min，速度15 m/min，坡度5 %；第7～8周运动时间60 min，速度16 m/min，坡度5%。根据啮齿类动物的生活习性，所有 运动训练和迷宫测试均安排在晚间6点之后的固定时间段进行。

1.3 Y迷宫测试

按王跃春［7］的方案对大鼠进行Y迷宫实验，第7周对所有大鼠进行学习能力测试， 第8周进行记忆能力测试。

学习能力测试采用随机不休息法［8］，每天对大鼠进行20次测试，连续测试4 d，每 天从晚上20∶00开始，各组鼠交叉进行，记录大鼠每天的“正确反应”和“错误反应”次数 ，以 计算大鼠的正确反应率。大鼠受电击后从起步区直接逃到安全区为“正确反应”，若逃到无 灯光的任何另一臂，则记为“错误反应”。测试时安全区以无规则的顺序变换，开始时，对 大鼠所在的支臂和另一支臂通电，动物在电击下逃避至灯光区并持续10 s为一次测试，然后 以动物所在支臂为下次测试的起点进行下一次测试。

记忆能力测试：在学习能力测试结束后的第3 d，从晚上8点钟开始，对所有大鼠进行记 忆能力的测试，每个大鼠进行20次测试，各组大鼠交叉进行，记录其正确反应的次数，以判 断大鼠学会后记忆的保持情况。

1.4 海马BDNF mRNA的检测采用RT-PCR法检测各组大鼠海马内BDNF mRNA的表达水平，按黄涛［8］等的方法进行 ，先 提取总的RNA，再通过RT-PCR反应体系进行目的基因的扩增，观察凝胶成像系统的电泳结果 并计算标本基因条带与内参基因条带的净面积参数之比（即基因表达的结果）。

所用的引物序列为：

上游5’――TGAAAGAAGCAAACGTCCACG――3’；

下游5’――TGTTTGCGGCATCCAGGTA――3’。

1.5 统计方法

使用SPSS15.0统计软件对原始数据进行单因素方差分析，以检验运动组与对照组大鼠 之间各指标是否具有显著性差异。

2 结 果

2.1 跑台训练对大鼠学习能力的影响

在第7周对所有大鼠进行连续4 d的Y迷宫学习能力测试，结果发现，T组大鼠的正确反应率均 高于C组，而且在第二天，T组大鼠的正确反应率（0.784±0.150）显著高于C组（0.619 ±0.153）（p

2.2 跑台训练对大鼠记忆能力的影响

在第8周的记忆能力测试中，每个大鼠进行20次Y迷宫测试，记录其正确反应的次数。从 表1可见，T组大鼠的正确反应次数显著高于C组（p

3 讨 论

3.1 跑台训练对大鼠学习记忆的影响学习是指人和动物依赖于经验来改变自身行为以适应环境的神经活动过程。记忆则是学 习到的信息的贮存和提取（再现）的神经活动过程，两者密切相关。在运动训练进行到第7 周时，我们对所有大鼠进行了Y迷宫学习能力测试，结果显示，T组大鼠在第二天和第四天的 正确反应率显著高于C组（p

3.2 跑台训练对大鼠海马BDNF mRNA表达的影响本实验的结果显示，T1组和T2组大鼠海马部位BDNF mRNA的表达量均显著性高于C组（p< 0.01），且BDNF mRNA的表达量在运动后即刻达到锋值。该结果表明跑台训练能提高大鼠海 马BDNF mRNA表达水平。本研究结果支持了UM HS等人［11］的报道，他们的实验显示 跑台训练 促进了小鼠海马内BDNF mRNA表达水平。BDNF增加的原因是：先前的研究发现，运动能增加 海马等部分脑区和脊髓的去甲肾上腺素分泌，还能增加多巴胺、5-羟色胺的释放和代谢［12］，增加的神经递质很可能通过引起脑内第二信使cAMP 的增加，激活了对其有依赖 作用的 蛋 白激酶［13］。Russo-Neustadt等［14］的研究表明脑内BDNF mRNA的表达受 控于cAMP反应元件结合蛋白（CREB），BDNF基因含有CRE序列，是CREB的靶基因。Shen等［15］报道运动可增加 大鼠海马磷酸化的CREB，并且发现CREB与BDNF基因CRE序列的结合增加，增强了BDNF基因的 转录，从而上调了大鼠海马内的BDNF，运动训练正是通过这一途径诱导BDNF的基因表达从而 促进了学习记忆能力。

BDNF是通过怎样的作用途径促进学习记忆的呢? 其原因可能是：首先，BDNF及其受体广 泛分布于中枢神经系统，对海马神经元的生存、生长、分化有重要的影响。Farmer等［ 16］ 发现4周的跑轮运动能促进大鼠海马神经细胞的增生，并提高了大鼠的学习记忆能力，其原 因是大鼠海马BDNF的增加。其次，BDNF能增加海马和大脑皮层N-甲基-D-天门冬氨酸受体（N -Methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）亚单位NR1和NR2B的磷酸化水平，并且增加受体离 子通道的开放和信息传递［17］。NMDAR被认为是突触可塑性及皮质和海马神经元LTP 效应的主 要调控者，是学习记忆功能的重要分子基础。学习和记忆的神经电生理学机制――长时程增 强 （LTP）的形成和维持都需要NMDAR的参与。Levine等［18］观察到运动增强了大鼠海 马齿状核 神经发生过程伴随着NR2B、BDNF等mRNA表达的增加，他们认为跑台训练提高了BDNF的基因表 达，BDNF又可能通过相关的转录因子促进NR2BmRNA的表达，这些特异性 mRNA的增加将引起 神经元或突触数目的增加。

4 结 论

经过8周跑台训练，大鼠在Y型迷宫中的学习和记忆能力得到提高。跑台训练上调了大鼠 海马内BDNF的基因表达水平，而BDNF可能通过作用于不同的转录因子上调了NR1和NR2B的基 因表达，进而促进了大鼠的学习记忆能力。提示运动训练对学习记忆功能的促进作用，可能 与BDNF基因表达的增加有关。

参考文献：

［1］ 张春美，徐波，杨毅飞，等.游泳训练对大鼠空间学习记忆能力及海马、纹 状体内c-fos、c-jun mRNA表达的影响［J］.中国康复医学杂志，2008，23（8）：724-727 .

［2］ 谢敏,徐波,王泽军.游泳训练对大鼠空间学习记忆能力与海马、前额叶皮质环磷酸腺 苷、环磷酸鸟苷水平的影响［J］.中国康复医学杂志,2009,24(11):1002-1005.

［3］ Griesbach G S, Hovda D A, Gomez-Pinilla F. Exercise-induced improvement incognitive performance after traumatic brain injury in rats is dependent on BDNFactivation［J］.Brain Res,2009, Sep 8,1288:105-15.

［4］ Gobbo O L, O’mara S M. Exercise, but not environmental enrichment, improv es learning after kainic acid-induced hippocampal neurodegeneration in associati on with an increase in brain derived neurotrophic factor［J］.Behavioural Brai n Res,2005,159(1):21-26.

［5］ Adlard P A, Perreau V M, Cesar E C, et al. The timecourse of induction ofbrain-derived neurotrophic factor mRNA and protein in the rat hippocampus follow ing voluntary exercise［J］.Neuroscience Letters,2004,363(1):43-48.

［6］ 张林，杨锡让，薛延. 不同强度运动对骨质疏松大鼠骨形态计量学的影响［J］. 中 国运动医学杂志，1999，18（4）：317-320.

［7］ 王跃春.Y型电迷宫在大鼠学习记忆功能测试中的合理运用［J］.中国行为医学科学， 2005，14（1）：69-70.

［8］ 黄涛，夏志，徐波.强制性跑台训练对大鼠海马NR1和NR2BmRNA表达及学习记忆能力的 影响［J］. 天津体育学院学报，2009，24（4）：361-365.

［9］ Ang E T, Dawe G S, Wong P TH, et al. Alterations in spatial learning and m emory after forced exercise［J］.Brain Research,2006,1113(1):186-193.

［10］ Uysal N, Tugyan K, Kayatekin B M, et al. The effects of regular aerobic e xercise in adolescent period on hippocampal neuron density apoptosis and spatialmemory［J］.Neuroscience Letters,2005,383:241-245.

［11］ UM HS， KANG EB， LEEM YH， et al. Exercise training acts as a therapeuti c strategy for reduction of the pathogenic phenotypes for Alzheimer's disease inan NSE/APPsw-transgenic model［J］.International Journal of Molecular Medicin e，2008，22(4): 529-539.

［12］ 徐波，季浏，林龙年，等.游泳训练对大鼠学习记忆和脑内神经递质的影响［J］.中 国运动医学杂志，2004，23(3):261-265.

［13］ Berchtold N C, Chinn G, Chou M, et al. Exercise primes a molecular memoryfor brain-derived neurotrophic factor protein induction in the rat hippocampus［J］.Neuroscience,2005,13:853-861.

［14］Russo-Neustadt A A, Beard R C, Huang Y M, et al. Physical activity and ant idepressant treatment potentiate the expression of specific brain-derived neurot rophic factor transcripts in the rat hippocampus［J］.Neuroscience,2000,101( 2):305-312.

［15］ Shen H, Tong L, Balazs R, et al. Physical activity elicits sustained acti vation of the cyclic AMP response element-binding protein and mitogen-activatedprotein kinase in the rat hippocampus［J］.Neuroscience,2001,107:219-229.

［16］ Farmer J, Zhao X, Praag V H, et al. Effects of voluntary exercise on syna ptic plasticity and gene expression in the dentate gyrus ofmale Sprague-d awley rats in vivo［J］.Neuroscience,2004,124:71-79.

［17］ Lin S Y，Wu K，Levine E S，et al.BDNF acutely increases tyrosine phosphor ylation of the NMDA receptor subunit 2B in cortical and hippocampal postsynapticdensities［J］.Brain Res Mol Brain Res,1998,55:20-27.

［18］ Levine E S, Crozier R A, Black I B, et al. Brain-derived neurotrophic fac tor modulates hippocampal synaptic transmission by increasing N-methyl-D-asparti c acid receptor activity［J］.Proc Natl Acad Sci,1998,95:10235-10239.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文